基于LabVIEW的釩電池監控系統設計

　　摘 要：設計了一個基于LabVIEW的釩電池監控系統，介紹了監控系統的組成及監控軟件的開發設計。實際運行結果表明，該監控系統實現了釩電池的數據采集、顯示、分析存儲和控制功能。
　　關鍵詞：釩電池 監控 LabVIEW
　　中圖分類號：TM7文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2012)06(a)-0040-01
　　釩電池作為一種新興的大規模蓄電儲能設備，廣泛應用于風能、太陽能等發電系統[1]。本研究基于LabVIEW平臺實現了對釩電池系統全自動控制及相關參數的監測，保證了釩電池系統安全高效的運行。LabVIEW是由美國NI公司利用虛擬儀器技術開發的主要面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺[2]，該開發環境把工業測量與控制和計算機完美結合在一起。
　　1 系統總體方案
　　釩電池監控系統采用上下位機結構形式，由上位機監控平臺和下位機控制器組成。控制器以單片機為核心，包含了傳感器、電壓采集盒、可控執行器件等，主要完成釩電池運行參數采集、數據分析、報警輸出等功能[3]。上位機監控平臺為通用PC機，通過RS232與下位機連接。上位機監控軟件主要完成采集信號的數據分析、顯示、記錄，設置運行控制器的工作模式和參數等工作。
　　釩電池工作時，傳感器將采集到的電解液溫度、液位、流量及壓力等物理信號轉化為電流信號，經過精密電阻轉換后得到電壓信號并輸至A/D轉換器。采集盒使用LTC6803[4]電池管理芯片作為測量器件，使用SPI接口與控制芯片通信，并且可以多個串聯使用，實現對多路單體電池電壓的采集。系統通過3種可控執行器件實現對釩電池系統的控制，泵開關用于啟停電池電解液的流動，報警器用于系統故障報警，充放電設備用于電池充放電。控制器接收到信號后實時處理分析，按照通信協議以數據幀的形式將系統狀態參數通過RS232發送到PC端監控平臺，接收PC端監控平臺控制信號實現對可執行器件的控制。
　　上位機監控軟件的主要功能是在釩電池運行時，向工作人員提供人機交互界面，將接收到的信號解析后，以數值或曲線的形式實時顯示，以供給工作人員監視控制；對系統狀態參數進行分析處理后以Excel表格的形式存儲；根據設置參數對監控數據進行判斷，當發現系統異常時，給出報警信號，并向下位機控制器發送釩電池停止運行命令，確保釩電池系統安全可靠運行。
　　2 上位機監控軟件的設計
　　上位機監控軟件主要由用戶登錄模塊、參數配置模塊、系統通信模塊、系統監視模塊及數據分析存儲模塊組成。
　　2.1 用戶登錄模塊
　　該模塊主要是為了提高釩電池監控軟件系統的安全性，只有權限較高的工作人員才能對系統進行操作。登錄系統時需輸入用戶名、密碼，系統驗證正確后即可查看系統狀態、設置系統參數等。
　　2.2 參數配置模塊
　　參數配置模塊可設置監控系統的各項參數，包括串口參數、采集參數、傳感器參數、存儲參數及電堆參數五部分。傳感器參數用來設定系統狀態參數安全范圍，當檢測到的相關參數不在此范圍時，系統將報警提示；數據參數采集方式分為單次采集與定時采集兩種，單次采集主要用來測試監控軟件與下位機控制器的通信狀況，定時采集實現數據實時采集；電堆參數用來設置釩電池電堆數及每個電堆單體數量；串口參數用來設置串口通信參數；存儲參數包括存儲時間、文件保存目錄等參數。
　　2.3 系統通信模塊
　　監控平臺與下位機控制器采用RS232串口通信，數據以幀為單位傳輸，數據幀結構如表1所示。
　　其中控制字共有4個字節，分別代表數據類型或命令類型、數據長度、源站地址、目的站地址。數據長度不能大于255，數據類型有傳感器數據、漏液信息、電堆數據及單體電壓數據，命令類型有啟停泵、啟停充電設備、啟停報警器。讀取每幀數據后都要進行CRC校驗，若校驗不通過則重新發送數據。
　　在LabVIEW中對串口進行控制的方式通常是直接利用LabVIEW功能模塊“儀器I/O”中的“串口”子模塊，該子模塊中包含進行串行通信操作的一些功能模塊[5]。LabVIEW串口通信首先要通過“VISA配置串口”子VI對串口相關參數進行設置，包括串口號、波特率、數據位、停止位及校驗位等。串口通信的讀、寫操作通過“VISA讀取”與“VISA寫入”函數實現，讀取的數據字節數不能大于串口接收緩沖區數據字節數。串口通信結束后需使用“VISA關閉”函數結束通信過程。
　　2.4 系統監視模塊
　　系統的監視模塊主要用來顯示系統主要設備的運行狀態，將通信模塊接收的原始數據按照通信協議解析后得到系統狀態參數值，然后賦予各顯示控件。電池電壓及各傳感器數據以數值和模擬圖形的形式實時顯示。
　　當監控參數都正常時，點擊控制按鈕，控制狀態燈會變成淺黃色表示打開；點擊啟動泵和充放電設備按鈕，泵狀態和充放電設備狀態燈會變成淺黃色表示打開；監控數據發生異常時，泵和充放電設備會自動變為停止，對應的泵狀態和充放電設備狀態燈會變成深綠色表示關閉，報警器狀態燈閃爍報警。
　　2.5 數據分析存儲模塊
　　釩電池作為一個能量儲存設備，其各項技術指標對今后的研究具有重要意義。監控軟件除了對系統狀態進行實時監控還需對相關指標進行分析和存儲。在數據分析存儲模塊中，根據解析出的電流、電壓等參數計算出釩電池的功率、充放電容量、庫倫效率、電能效率，并以表格的形式實時顯示。在參數設置模塊設置好存儲參數后，軟件將釩電池狀態參數及分析結果寫入Excel表格保存，以便研究人員查閱研究。
　　3 結語
　　本文利用LabVIEW軟件及單片機設計了一個釩電池監控系統。實驗證明該系統能夠實時采集、顯示、保存釩電池各狀態參數，當釩電池出現故障時監控系統能夠及時報警并停止運行。
　　參考文獻
　　[1]