基于LabVIEW的潮流發電模擬裝置控制方法研究

北京信息科技大學自動化學院的研究人員白晗、石皓巖、張巧杰、白連平，在2018年第1期《電氣技術》雜志上撰文指出，在海洋能發電中，潮流能發電具有廣闊的發展前景，本文設計了一套潮流發電實驗裝置以便在實驗室進行前期研究, 為潮流發電的海上試驗奠定了基礎。

在潮流發電模擬裝置控制系統中，利用變頻器對三相異步電動機進行變頻調速是潮流模擬發電中的技術關鍵。為此在上位機上設計了LabVIEW操作界面以及程序框圖，利用VISA技術進行數據傳輸，通過RS485通訊控制變頻器的連續運行，從而控制三相異步電動機帶動雙向葉輪泵推動水的流動，進行潮流發電的模擬研究。

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，做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，1-匯流罩，2-導流罩，3-發電機引線，4-發電機支板，5-永磁發電機，6-圓形導流筒，7-“S”雙向葉輪。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

圖1海上潮流發電裝置原理圖

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。其中1-電動機，2-雙向葉輪泵，3-聯接法蘭，4-導流筒，5-有機玻璃導流筒，6-葉輪直驅式發電機，7-輔助密封件，8-流速傳感器。9-彎管。

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。

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?？刂谱冾l器輸出頻率改變的方法有三種：(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，第一種方法手動控制比較復雜，自動化程度也比較低；第二種方法模擬控制的調節精度不夠高；采用第三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等語言來進行編寫，但是在用VB，VC編程時，不得不面對繁瑣的API函數，從而使編寫程序變得非常復雜，由于Delphi沒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LabVIEW的VISA串口通信技術，根據Modbus通訊協議利用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。

圖2潮流發電模擬裝置原理圖

2.1 LabVIEW與串口通訊簡介

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NationalInstrument（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，可以方便的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訊，在通訊速率、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，它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通訊接口。

1979年Modicon研究出的串行異步通訊協議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訊便于形成工業網絡。

Modbus通訊協議具有以下優點：

（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數據幀格式如表1所示。

表1數據幀格式

變頻器ACS550支持的Modbus功能碼如表2所示。

表2Modbus功能表

上位機和變頻器通訊的數據幀報文格式如表3所示。

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的通訊參數設置一致，才可以進行數據的傳輸。ACS550變頻器的參數設置如圖表4所示[7]。

表4變頻器參數設置

2.3通訊系統程序設計

在LabVIEW 程序框圖中利用VISA技術進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設定串口通訊基本參數。

第二：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。

第三：關閉串口，利用VISA Close.vi將串口關閉，不再進行數據傳輸。

根據變頻器的通訊參數和Modbus通訊協議，變頻器的RS485通訊控制程序如圖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200毫秒。

(3)啟動電機，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-100~100H）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，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按鈕即可使變頻器停機。在模擬裝置上進行潮流發電的模擬，得到的流速模擬數據如表5所示，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通訊控制程序圖

圖5系統運行界面

表5不同變頻器頻率下流速測量數據

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接口進行通訊，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。