2001 年 4 月 25 日


A p r. 25, 2001
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水轮发电机组三维动态仿真研究
陈炎 炎涛, 李朝晖
( 华中科技大学水利水电及自动化工程系, 武汉 430074)
摘要: 为满足水轮发电机组控制, 维护及技术管理综合集成自动化系统人机交互的需求, 采用三维 动画多媒体仿真技术将实际物理系统在计算机上重现出来, 让操作, 维护人员在虚拟现实空间中形 象直观地监视机组状态, 分析状态演绎过程, 了解设备的结构特征和操作维修技巧, 对提高操作维 护水平具有重要意义. 文中对水轮发电机组三维动态仿真系统的结构, 原理, 软件实现方法进行了 介绍, 对系统的数据采集和数据库设计等进行了描述. 关键词: 水轮发电机组; 仿真; 虚拟现实技术 中图分类号: TM 743; TM 312
0 引言
目前水轮发电机组控制系统大多采用模拟仪表 盘, 数字等方式监测机组的运行状态, 这虽然可以较 准确地描述机组的各种状态, 但表达方式抽象, 要求 观测人员对整个系统的结构和原理相当了解, 而且 操作中易受操作人员主观思维方式的影响, 影响了 整个系统的可靠性. 因此需要一种以三维动画的方 式形象, 逼真, 实时地描述整个系统运行状况的人机 交互软件, 让操作者感知实际物理系统的状态, 并且 可以为操作人员的培训提供一个虚拟现实空间. 另外, 目前水电站大多采用事后维修和计划维 修的方法, 这种由于不能及时发现故障的事后维修 和健康状况不明的计划维修所造成的经济损失相当 可观. 而且这种基于手工获取数据的方法不能实时 地辨识系统的故障类型并推理出故障原因, 因而也 不可避免各种事故的发生, 给维修和维护工作造成 较大的盲目性[ 1 ]. 所以也需要有一种实时的三维动 态仿真系统, 实时地采集到系统的各种数据参数, 准 确地定位故障产生的实际部位, 预测故障将要产生 的时间和部位, 并以多媒体方式显示故障发生的可 能原因, 提供维修的参考方法和步骤. 该系统正是针对当前水电行业的现状和客观要 求, 结合已经研制出的水轮机调速器综合仿真测试 仪及有关课题, 进一步在多媒体仿真和机组状态检 测与维护等方面进行的深入研究, 以便通过多媒体 仿真更好地改善人机交互, 提高系统的性能, 实现安 全生产; 通过多媒体显示技术来进行故障显示和故 障预测, 以实现状态检修和预知维修, 提高系统的可 用度, 延长设备使用寿命; 通过实时技术管理实现控
收稿日期: 2000210216; 修回日期: 2001201210.
制与维护系统的优化及经济运行, 最终使整个系统 获得高性能, 高可靠性和高效益.
1 系统功能
仿真技术的发展是与控制工程, 系统工程及计 算技术的发展密切联系的. 仿真器总的发展趋势是 [2 "专用走向通用, 模拟走向数字, 串行走向并行" ]. [3] 到现阶段, 仿真技术有以下几个发展方向 : 分布交 互仿真, 面向对象仿真, 多媒体仿真, 智能仿真等. 该系统立足于多媒体仿真这一仿真技术的前 沿, 是兼顾数据采集和实时数据处理的一个开放的 网络系统, 是实际物理系统在计算机中的虚拟实现. 它是运用信息技术, 控制技术, 多媒体技术, 机电技 术等生成的使人处于一种同时具有沉浸, 交互, 投入 等综合感觉的虚拟世界, 同时还具有以下一些功能: a 1 结合仿真发展趋势和水电机组自身的特点, 该系统开发成为一个实时, 动态的多媒体仿真系统, 以图形, 图像, 光等多媒体综合手段建模, 在线 声, 时, 能够实时, 形象, 生动地反映机组运行状态, 并对 控制手段和控制策略进行形象, 逼真的仿真, 以便取 得优化控制参数, 从而达到对生产过程的优化调节, 保证系统性能, 实现安全生产. b1 在离线时可以与相应的数据源或仿真器相 连, 构成一个虚拟现实空间, 用于操作人员的培训. c1 在总系统的平台框架下向机组诊断系统提 供足够的状态信息和诊断分析信息, 作为机组故障 诊断的依据; 并根据已记录下的故障信息和报警信 息推理出故障源并给出相应的维修参考方案. d1 上位机人机交互界面通过串行口或局域网 与下位机数据采集系统相连构成一个完整系统, 同 时还具有一定的开放性, 以便与我们开发的其他系 统结合形成一个厂级控制, 维护, 管理综合系统, 为
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水电行业实现 "无人值班, 少人值守" 打下基础.

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