基于LabVIEW的潮流發電模擬裝置控制方法研究

白 晗 石皓巖 張巧杰 白連平

經濟的快速發展使傳統的化石能源因其存儲量不斷下降、無可再生性、污染環境等缺點已經遠遠不能夠滿足現代的經濟社會發展需求。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，潮流能因其存儲量大、能量密度高、可預測性強等優點越來越受到青睞。在研究潮流發電過程中，海上試驗成本高，發電機測試難度大，需要設計一套完善的實驗室潮流發電模擬裝置，作為潮流發電機的前期研究設備。故本文對潮流發電模擬裝置及其控制方法進行了研究，實現了在實驗室進行潮流發電的前期研究。

1 潮流發電模擬裝置系統組成

潮流發電在海上的發電裝置原理圖如圖 1所示。匯流罩將潮流匯聚在導流筒內，增大水的流速，將集中到的能量帶動發電機轉子旋轉，使發電機發電。在實驗室模擬海上潮流發電，導流筒及發電機部分裝置是必不可少的，故實驗室潮流發電模擬裝置設計成一種可控流速的水流閉合回路，其原理圖如圖2所示。上位機根據潮流的能量參數換算出對應的水流速度函數，以此控制變頻器的輸出頻率，變頻器驅動電動機，電動機帶動雙向葉輪泵，產生期望的水流，從而實現了模擬不同潮流對應的水流。

圖1 海上潮流發電裝置原理圖

圖2 潮流發電模擬裝置原理圖

2 潮流發電模擬裝置控制方法研究

在潮流發電模擬裝置中，首要的工作是通過變頻器控制三相異步電動機正反轉連續運行。控制變頻器輸出頻率改變的方法有3種：①通過手動操作變頻器按鍵控制；②通過外部輸入的模擬信號控制；③通過串口通信指令控制。對于潮流模擬控制系統，第①種方法手動控制比較復雜，自動化程度也比較低；第②種方法模擬控制的調節精度不夠高；采用第③種方法通過串口通信設定頻率，除了自動化程度高可以準確設定頻率外，還能通過編程實現對變頻器的連續控制適合進行潮流模擬[1]。串口通信的程序的開發通常采用VB、VC、Delphi等語言進行編寫，但是在用VB、VC編程時，不得不面對繁瑣的API函數，使編寫程序變得非常復雜。Delphi沒有提供串口通信軟件，從而使 Delphi串口通信編程也變得不太可能[2]。本文通過LabVIEW的VISA串口通信技術，根據Modbus通信協議利用RS485接口實現對三相異步電動機的變頻調速，完成上位機對潮流發電模擬裝置控制。

2.1 LabVIEW與串口通信簡介

隨著科學技術的迅猛發展，虛擬儀器技術領域的信息采樣、數據處理和自動測試得到了廣泛應用，從而推動著檢測系統和過程控制的應用方法發生變化。美國 National Instrument（NI）公司發布的LabVIEW 將軟件易用性和強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的采集與處理，利用高效的軟件來完成信號的運算與分析。

LabVIEW應用程序的主要特點如下：

1）可以設計出良好的用戶界面，其前面板都是采用與儀器相關的術語和圖標，例如開關、旋鈕、按鍵、輸入輸出控件等。

2）編程采用圖形化編程，簡單直觀，編寫的程序在后面板中以框圖的形式顯示出來，像數據流程圖一樣容易理解，不可否認的被譽為是真正的工程師語言。

3）調試程序方法簡單多樣，除了傳統的單步運行與在必要處設置斷點外，還可以根據需求在程序框圖中設置探針，當程序在運行的同時還可以在線顯示實時的數值；在程序調試時還可以“加亮”執行，可以方便地觀測到程序運行細節，通過數據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準，支持ActiveX、TCP/IP、DLL（動態連接庫）等功能，可以其他系統平臺聯合開發，兼容性強，程序方便移植使LabVIEW程序應用更強大。

VISA（virtual instruments software architecture）是新一代儀器 I/O標準，將上位機與串口、USB、GPIB、以太網、PXI或VXI等各種儀器通過儀器的類型調用相應的驅動程序進行數據交換[3]。VISA使用相同的API應對不同的操作系統、總線和編程環境。

串口是一種物理層的接口標準，串口按規定接口的電氣標準來分為RS232、RS422、RS485等，其主要區別是接收電平信號的高低不同[4]。RS485接口采用的二線制方式實現了多點的雙向通信，在通信速率、傳輸距離、多機連接等多方面比RS232具有更好性能。RS485接口信號電平比RS232低，接口電路的芯片不易于損壞，其最高傳輸數據速率為10Mbit/s。組成半雙工網絡的 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，還采用了平衡驅動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個收發器。變頻器ACS550控制板的端子X1：28—32是變頻器的RS485通信接口。

1979年 Modicon研究出的串行異步通信協議Modbus協議是首次用于工業現場的總線協議。半雙工的數據傳輸方式使得一個主站可以控制多個從站。由于該協議使用方便，它不僅支持RS232/RS422/RS485，還支持以太網設備，在工業標準中非常通用。Modbus協議通常被用作主控制器和從設備的集成通信便于形成工業網絡。

Modbus通信協議具有以下優點：

1）具有通用的工業標準并且可以開放的使用Modbus協議。

2）支持多種電氣接口，支持廠家多，支持多種傳輸介質。

3）幀格式簡單，對于廠商開發比較容易，用戶使用也非常方便，

Modbus網絡定義了ASCII和RTU兩種傳輸模式，在同一 Modbus系統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模式在表達相同的數據信息時需要較少的數據位，從而具有更大的數據流量[5]。

Modbus RTU模式數據幀沒有起始位和停止位，每幀數據至少有 3.5個字符間隔。數據幀由十六進制的地址碼、功能碼、數據碼和校驗碼構成。Modbus數據幀格式見表1。

表1 數據幀格式

變頻器ACS550支持的Modbus功能碼見表2。

表2 Modbus功能表

上位機和變頻器通信的數據幀報文格式見表3。

表3 報文格式

2.2 變頻器參數設置

變頻器需要設置的站號、波特率、奇偶校驗位和停止位必須和LabVIEW的通信參數設置一致，才可以進行數據的傳輸。ACS550變頻器的參數設置見表4[7]。

表4 變頻器參數設置

2.3 通信系統程序設計

在LabVIEW程序框圖中利用VISA技術進行串口通信基本步驟如下：

1）串口初始化。利用 VISA Configure Serial Port.vi設定串口通信基本參數。

2）讀寫串口。通過 VISA Read.vi和 VISA Write.vi對傳輸數據進行串口讀寫操作。

3）關閉串口。利用VISA Close.vi將串口關閉，不再進行數據傳輸。

根據變頻器的通信參數和 Modbus通信協議，變頻器的RS485通信控制程序如圖4所示。LabVIEW程序框圖設計的具體步驟按照數據的流動可以分為如下幾個步驟[6]。

1）VISA配置串口，包括VISA資源名稱即變頻器端口號選擇、波特率，數據比特、奇偶校驗和停止位，其參數設置和表4的變頻器參數設置一致

2）初始化變頻器，將十六進制數 0476寫入Modbus的40000寄存器中并延時200ms。

3）起動電機，即將十六進制數 047F寫入Modbus的40000寄存器中。

4）將前面板輸入的十進制頻率（范圍-100～100Hz）轉換為十六進制。

5）根據Modbus RTU模式的下16位計算法則計算CRC校驗碼。

6）將合并的數據幀發送給VISA Write.vi對串口進行寫操作。

7）關閉串口，不再對變頻器進行數據的傳輸。

3 實驗結果

本文根據圖2設計的潮流發電模擬實驗裝置如圖3所示。潮流發電模擬裝置的程序運行界面如圖5所示，比較簡潔方便，只需在計算機上選擇相應變頻器的端口號即可，然后點擊開始按鈕，變頻器初始化完成，接著輸入頻率，點擊改變頻率按鈕，電機按給定頻率進行旋轉，如想換其他頻率，無需點擊按鈕，而直接在頻率框內輸入頻率即可。如需要連續控制，只需將頻率數值輸入改成頻率數組輸入即可。先點擊停止1按鈕，再點擊停止2按鈕，使變頻器停機。在模擬裝置上進行潮流發電的模擬，得到的流速模擬數據見表 5，與圖 1海上潮流發電裝置某段時間內的實際流速相一致。

圖3 潮流發電模擬實驗裝置

圖4 通信控制程序圖

圖5 系統運行界面

表5 不同變頻器頻率下流速測量數據

(續)

4 結論

本文設計了一套實驗室的潮流發電模擬裝置，具有結構緊湊、效率高、成本低的優勢。在其控制系統中通過LabVIEW和ACS550變頻器RS485接口進行通信，實現了上位機對變頻器的實時控制，從而帶動電機驅動水泵推動水的流動，經測試與實際流速在某段時間內相吻合，實現了在實驗室潮流發電的模擬。該裝置為研究潮流發電中，葉輪優化設計、葉輪的能量轉換效率、潮流發電機效率，以及發電機能量處理，提供了必要的實驗條件，為潮流發電的海上試驗奠定了基礎。

[1] 孫楊, 高虹, 王麟, 等. 基于 LabVIEW 的變頻器監測控制系統設計[J]. 信息化技術與控制, 31(S1)：167-170.

[2] 桂玲, 吳舒辭, 向誠. 基于LabVIEW語言的PC機與單片機的串口通信[J]. 自動化信息, 2004(6)： 43-44.

[3] 胡寶權, 趙榮珍, 王志威. 基于LabVIEW的變頻器控制系統設計[J]. 振動與沖擊, 2010(29)： 367-370.

[4] 王秀蓮, 劉昭明, 畢大強. 基于Modbus和LabVIEW ABB變頻器的通訊與實現[J]. 變頻器世界, 2015(7)：48-51.

[5] 王鵬, 趙愛明. 基于Modbus協議的PC機與變頻器通信的實現[J]. 信息通信, 2006, 19(6)： 47-49.

[6] 彭萬歡, 徐剛. 基于LabVIEW的富士變頻器與工控機的 RS485通信[J]. 機電工程技術, 2010, 39(2)：21-22.

[7] ABB. ACS550用戶手冊[Z]. 2010.