基于LabVIEW的潮流發(fā)電模擬裝置控制方法研究

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的研究人員白晗、石皓巖、張巧杰、白連平，在2018年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，在海洋能發(fā)電中，潮流能發(fā)電具有廣闊的發(fā)展前景，本文設(shè)計(jì)了一套潮流發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置以便在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行前期研究, 為潮流發(fā)電的海上試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

在潮流發(fā)電模擬裝置控制系統(tǒng)中，利用變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速是潮流模擬發(fā)電中的技術(shù)關(guān)鍵。為此在上位機(jī)上設(shè)計(jì)了LabVIEW操作界面以及程序框圖，利用VISA技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)RS485通訊控制變頻器的連續(xù)運(yùn)行，從而控制三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)雙向葉輪泵推動(dòng)水的流動(dòng)，進(jìn)行潮流發(fā)電的模擬研究。

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使傳統(tǒng)的化石能源因其存儲(chǔ)量不斷下降、無(wú)可再生性、污染環(huán)境等缺點(diǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足現(xiàn)代的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求。海洋能以潮汐、波浪、溫差、鹽差等形式為人類提供大量寶貴的能源，潮流能因其存儲(chǔ)量大、能量密度高、可預(yù)測(cè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到青睞。

在研究潮流發(fā)電過(guò)程中，海上試驗(yàn)成本高，發(fā)電機(jī)測(cè)試難度大，需要設(shè)計(jì)一套完善的實(shí)驗(yàn)室潮流發(fā)電模擬裝置，做為潮流發(fā)電機(jī)的前期研究設(shè)備。故本文對(duì)潮流發(fā)電模擬裝置及其控制方法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行潮流發(fā)電的前期研究。

1潮流發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)組成

潮流發(fā)電在海上的發(fā)電裝置原理圖如圖1所示，1-匯流罩，2-導(dǎo)流罩，3-發(fā)電機(jī)引線，4-發(fā)電機(jī)支板，5-永磁發(fā)電機(jī)，6-圓形導(dǎo)流筒，7-“S”雙向葉輪。匯流罩將潮流匯聚在導(dǎo)流筒內(nèi)，增大水的流速，將集中到的能量帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。在實(shí)驗(yàn)室模擬海上潮流發(fā)電，導(dǎo)流筒及發(fā)電機(jī)部分裝置是必不可少的，故實(shí)驗(yàn)室潮流發(fā)電模

圖1海上潮流發(fā)電裝置原理圖

擬裝置設(shè)計(jì)成一種可控流速的水流閉合回路，其原理圖如圖2所示。其中1-電動(dòng)機(jī)，2-雙向葉輪泵，3-聯(lián)接法蘭，4-導(dǎo)流筒，5-有機(jī)玻璃導(dǎo)流筒，6-葉輪直驅(qū)式發(fā)電機(jī)，7-輔助密封件，8-流速傳感器。9-彎管。

上位機(jī)根據(jù)潮流的能量參數(shù)換算出對(duì)應(yīng)的水流速度函數(shù)，以此控制變頻器的輸出頻率，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)雙向葉輪泵，產(chǎn)生期望的水流，從而實(shí)現(xiàn)了模擬不同潮流對(duì)應(yīng)的水流。

2潮流發(fā)電模擬裝置控制方法研究

在潮流發(fā)電模擬裝置中，首要的工作是通過(guò)變頻器控制三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行?？刂谱冾l器輸出頻率改變的方法有三種：(1) 通過(guò)手動(dòng)操作變頻器按鍵控制; (2) 通過(guò)外部輸入的模擬信號(hào)控制;(3) 通過(guò)串口通信指令控制。

對(duì)于潮流模擬控制系統(tǒng)，第一種方法手動(dòng)控制比較復(fù)雜，自動(dòng)化程度也比較低；第二種方法模擬控制的調(diào)節(jié)精度不夠高；采用第三種方法通過(guò)串口通信設(shè)定頻率，除了自動(dòng)化程度高可以準(zhǔn)確設(shè)定頻率外，還能通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的連續(xù)控制適合進(jìn)行潮流模擬[1]。

串口通信的程序的開(kāi)發(fā)通常采用VB，VC，Delphi等語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)，但是在用VB，VC編程時(shí)，不得不面對(duì)繁瑣的API函數(shù)，從而使編寫(xiě)程序變得非常復(fù)雜，由于Delphi沒(méi)有提供串口通訊軟件，從而使Delphi串口通信編程也變得不太可能[2]。

故本文通過(guò)LabVIEW的VISA串口通信技術(shù)，根據(jù)Modbus通訊協(xié)議利用RS485接口實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，完成上位機(jī)對(duì)潮流發(fā)電模擬裝置控制。

圖2潮流發(fā)電模擬裝置原理圖

2.1 LabVIEW與串口通訊簡(jiǎn)介

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域的信息采樣、數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)測(cè)試得到了廣泛應(yīng)用，從而推動(dòng)著檢測(cè)系統(tǒng)和過(guò)程控制的應(yīng)用方法發(fā)生變化。美國(guó)NationalInstrument（NI）公司發(fā)布的LabVIEW將軟件易用性和強(qiáng)大功能之間的差距大大縮短，利用高性能的模塊化硬件完成信號(hào)的采集與處理，利用高效的軟件來(lái)完成信號(hào)的運(yùn)算與分析。

LabVIEW應(yīng)用程序的主要特點(diǎn)如下：

(1)可以設(shè)計(jì)出良好的用戶界面，其前面板都是采用與儀器相關(guān)的術(shù)語(yǔ)和圖標(biāo)，例如開(kāi)關(guān)、旋鈕、按鍵、輸入輸出控件等。

(2)編程采用圖形化編程，簡(jiǎn)單直觀，編寫(xiě)的程序在后面板中以框圖的形式顯示出來(lái)，像數(shù)據(jù)流程圖一樣容易理解，不可否認(rèn)的被譽(yù)為是真正的工程師語(yǔ)言。

(3)調(diào)試程序方法簡(jiǎn)單多樣，除了傳統(tǒng)的單步運(yùn)行與在必要處設(shè)置斷點(diǎn)外，還可以根據(jù)需求在程序框圖中設(shè)置探針，當(dāng)程序在運(yùn)行的同時(shí)還可以在線顯示實(shí)時(shí)的數(shù)值；在程序調(diào)試時(shí)還可以“加亮”執(zhí)行，可以方便的觀測(cè)到程序運(yùn)行細(xì)節(jié)，通過(guò)數(shù)據(jù)流的流向判斷程序的正確性。

(4)具有多種儀器的通信總線標(biāo)準(zhǔn)，支持 ActiveX、TCP/IP、DLL(動(dòng)態(tài)連接庫(kù))等功能，可以其他系統(tǒng)平臺(tái)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，兼容性強(qiáng)，程序方便移植使LabVIEW程序應(yīng)用更強(qiáng)大。

VISA（Virtual Instruments Software Architecture）是新一代儀器I/O標(biāo)準(zhǔn)，將上位機(jī)與串口、USB、GPIB、以太網(wǎng)、PXI或VXI等各種儀器通過(guò)儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[3]。VISA使用相同的API應(yīng)對(duì)不同的操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境。

串口是一種物理層的接口標(biāo)準(zhǔn)，串口按規(guī)定接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分為RS232、RS422、RS485等，其主要區(qū)別是接收電平信號(hào)的高低不同[4]。RS485接口采用的二線制方式實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)的雙向通訊，在通訊速率、傳輸距離、多機(jī)連接等多方面比RS232具有更好性能。

RS485接口信號(hào)電平比RS232低，接口電路的芯片不易于損壞，它最高傳輸數(shù)據(jù)速率為10Mbit/s。組成半雙工網(wǎng)絡(luò)的RS485接口為了降低抗噪聲干擾性，不僅采用雙絞線屏蔽線傳輸，還采用了平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合。

RS485接口在總線上相比單站能力的RS232接口，具有多站能力，可以連接128個(gè)收發(fā)器。變頻器ACS550控制板的端子X1:28~32是變頻器的RS485通訊接口。

1979年Modicon研究出的串行異步通訊協(xié)議Modbus協(xié)議是首次用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。半雙工的數(shù)據(jù)傳輸方式使得一個(gè)主站可以控制多個(gè)從站。由于該協(xié)議使用方便，它不僅支持RS232/RS422/RS485還支持以太網(wǎng)設(shè)備，在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中非常通用。Modbus協(xié)議通常被用作主控制器和從設(shè)備的集成通訊便于形成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

Modbus通訊協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并且可以開(kāi)放的使用Modbus協(xié)議。

（2）支持多種電氣接口，支持廠家多，支持多種傳輸介質(zhì)。

（3）幀格式簡(jiǎn)單，對(duì)于廠商開(kāi)發(fā)比較容易，用戶使用也非常方便，Modbus網(wǎng)絡(luò)定義了ASCII和RTU兩種傳輸模式，在同一Modbus系統(tǒng)中兩種模式不允許混合使用只允許使用其中一種。 ACS550變頻器僅僅支持RTU模式。RTU模式相比于ACSII模式在表達(dá)相同的數(shù)據(jù)信息時(shí)需要較少的數(shù)據(jù)位，從而具有更大的數(shù)據(jù)流量[5]。

Modbus RTU模式數(shù)據(jù)幀沒(méi)有起始位和停止位，每幀數(shù)據(jù)至少有3.5個(gè)字符間隔。數(shù)據(jù)幀由十六進(jìn)制的地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼和校驗(yàn)碼構(gòu)成。Modbus數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1數(shù)據(jù)幀格式

變頻器ACS550支持的Modbus功能碼如表2所示。

表2Modbus功能表

上位機(jī)和變頻器通訊的數(shù)據(jù)幀報(bào)文格式如表3所示。

表3報(bào)文格式

2.2變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器需要設(shè)置的站號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)位和停止位必須和LabVIEW的通訊參數(shù)設(shè)置一致，才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。ACS550變頻器的參數(shù)設(shè)置如圖表4所示[7]。

表4變頻器參數(shù)設(shè)置

2.3通訊系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在LabVIEW 程序框圖中利用VISA技術(shù)進(jìn)行串口通訊基本步驟如下：

第一：串口初始化，利用VISA Configure Serial Port.vi設(shè)定串口通訊基本參數(shù)。

第二：讀寫(xiě)串口，通過(guò)VISA Read.vi和VISA Write.vi對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行串口讀寫(xiě)操作。

第三：關(guān)閉串口，利用VISA Close.vi將串口關(guān)閉，不再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)變頻器的通訊參數(shù)和Modbus通訊協(xié)議，變頻器的RS485通訊控制程序如圖4所示。LabVIEW程序框圖設(shè)計(jì)的具體步驟按照數(shù)據(jù)的流動(dòng)可以分為如下幾個(gè)步驟[6]。

(1)VISA配置串口，包括VISA資源名稱即變頻器端口號(hào)選擇、波特率，數(shù)據(jù)比特、奇偶校驗(yàn)和停止位，其參數(shù)設(shè)置和表4的變頻器參數(shù)設(shè)置一致

(2)初始化變頻器，將十六進(jìn)制數(shù)0476寫(xiě)入Modbus的40000寄存器中并延時(shí)200毫秒。

(3)啟動(dòng)電機(jī)，即將十六進(jìn)制數(shù)047F寫(xiě)入Modbus的40000寄存器中。

(4)將前面板輸入的十進(jìn)制頻率（范圍-100~100H）轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制。

(5)根據(jù)Modbus RTU模式的下16位計(jì)算法則計(jì)算CRC校驗(yàn)碼。

(6)將合并的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給VISA Write.vi對(duì)串口進(jìn)行寫(xiě)操作。

(7)關(guān)閉串口，不再對(duì)變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文根據(jù)圖2設(shè)計(jì)的潮流發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。潮流發(fā)電模擬裝置的程序運(yùn)行界面如圖5所示比較簡(jiǎn)潔方便，只需在計(jì)算機(jī)上選擇相應(yīng)變頻器的端口號(hào)，然后點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，變頻器初始化完成，接著輸入頻率，點(diǎn)擊改變頻率按鈕，電機(jī)按給定頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如想換其他頻率，無(wú)需點(diǎn)擊按鈕直接在頻率框內(nèi)輸入頻率即可。

如需要連續(xù)控制，只需將頻率數(shù)值輸入改成頻率數(shù)組輸入即可。先點(diǎn)擊停止1按鈕再點(diǎn)擊停止2按鈕即可使變頻器停機(jī)。在模擬裝置上進(jìn)行潮流發(fā)電的模擬，得到的流速模擬數(shù)據(jù)如表5所示，與圖1海上潮流發(fā)電裝置某段時(shí)間內(nèi)的實(shí)際流速相一致。

圖3潮流發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置

圖4通訊控制程序圖

圖5系統(tǒng)運(yùn)行界面

表5不同變頻器頻率下流速測(cè)量數(shù)據(jù)

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)室的潮流發(fā)電模擬裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，成本低的優(yōu)勢(shì)。在其控制系統(tǒng)中通過(guò)LabVIEW和ACS550變頻器RS485接口進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)變頻器的實(shí)時(shí)控制，從而帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵推動(dòng)水的流動(dòng)，經(jīng)測(cè)試與實(shí)際流速在某段時(shí)間內(nèi)相吻合，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室潮流發(fā)電的模擬。

該裝置為研究潮流發(fā)電中，葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)、葉輪的能量轉(zhuǎn)換效率、潮流發(fā)電機(jī)效率，以及發(fā)電機(jī)能量處理，提供了必要的實(shí)驗(yàn)條件。為潮流發(fā)電的海上試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。