基于LabVIEW的潮流发电模拟装置控制方法研究

白 晗 石皓岩 张巧杰 白连平

经济的快速发展使传统的化石能源因其存储量不断下降、无可再生性、污染环境等缺点已经远远不能够满足现代的经济社会发展需求。海洋能以潮汐、波浪、温差、盐差等形式为人类提供大量宝贵的能源，潮流能因其存储量大、能量密度高、可预测性强等优点越来越受到青睐。在研究潮流发电过程中，海上试验成本高，发电机测试难度大，需要设计一套完善的实验室潮流发电模拟装置，作为潮流发电机的前期研究设备。故本文对潮流发电模拟装置及其控制方法进行了研究，实现了在实验室进行潮流发电的前期研究。

1 潮流发电模拟装置系统组成

潮流发电在海上的发电装置原理图如图 1所示。汇流罩将潮流汇聚在导流筒内，增大水的流速，将集中到的能量带动发电机转子旋转，使发电机发电。在实验室模拟海上潮流发电，导流筒及发电机部分装置是必不可少的，故实验室潮流发电模拟装置设计成一种可控流速的水流闭合回路，其原理图如图2所示。上位机根据潮流的能量参数换算出对应的水流速度函数，以此控制变频器的输出频率，变频器驱动电动机，电动机带动双向叶轮泵，产生期望的水流，从而实现了模拟不同潮流对应的水流。

图1 海上潮流发电装置原理图

图2 潮流发电模拟装置原理图

2 潮流发电模拟装置控制方法研究

在潮流发电模拟装置中，首要的工作是通过变频器控制三相异步电动机正反转连续运行。控制变频器输出频率改变的方法有3种：①通过手动操作变频器按键控制；②通过外部输入的模拟信号控制；③通过串口通信指令控制。对于潮流模拟控制系统，第①种方法手动控制比较复杂，自动化程度也比较低；第②种方法模拟控制的调节精度不够高；采用第③种方法通过串口通信设定频率，除了自动化程度高可以准确设定频率外，还能通过编程实现对变频器的连续控制适合进行潮流模拟[1]。串口通信的程序的开发通常采用VB、VC、Delphi等语言进行编写，但是在用VB、VC编程时，不得不面对繁琐的API函数，使编写程序变得非常复杂。Delphi没有提供串口通信软件，从而使 Delphi串口通信编程也变得不太可能[2]。本文通过LabVIEW的VISA串口通信技术，根据Modbus通信协议利用RS485接口实现对三相异步电动机的变频调速，完成上位机对潮流发电模拟装置控制。

2.1 LabVIEW与串口通信简介

随着科学技术的迅猛发展，虚拟仪器技术领域的信息采样、数据处理和自动测试得到了广泛应用，从而推动着检测系统和过程控制的应用方法发生变化。美国 National Instrument（NI）公司发布的LabVIEW 将软件易用性和强大功能之间的差距大大缩短，利用高性能的模块化硬件完成信号的采集与处理，利用高效的软件来完成信号的运算与分析。

LabVIEW应用程序的主要特点如下：

1）可以设计出良好的用户界面，其前面板都是采用与仪器相关的术语和图标，例如开关、旋钮、按键、输入输出控件等。

2）编程采用图形化编程，简单直观，编写的程序在后面板中以框图的形式显示出来，像数据流程图一样容易理解，不可否认的被誉为是真正的工程师语言。

3）调试程序方法简单多样，除了传统的单步运行与在必要处设置断点外，还可以根据需求在程序框图中设置探针，当程序在运行的同时还可以在线显示实时的数值；在程序调试时还可以“加亮”执行，可以方便地观测到程序运行细节，通过数据流的流向判断程序的正确性。

4）具有多种仪器的通信总线标准，支持ActiveX、TCP/IP、DLL（动态连接库）等功能，可以其他系统平台联合开发，兼容性强，程序方便移植使LabVIEW程序应用更强大。

VISA（virtual instruments software architecture）是新一代仪器 I/O标准，将上位机与串口、USB、GPIB、以太网、PXI或VXI等各种仪器通过仪器的类型调用相应的驱动程序进行数据交换[3]。VISA使用相同的API应对不同的操作系统、总线和编程环境。

串口是一种物理层的接口标准，串口按规定接口的电气标准来分为RS232、RS422、RS485等，其主要区别是接收电平信号的高低不同[4]。RS485接口采用的二线制方式实现了多点的双向通信，在通信速率、传输距离、多机连接等多方面比RS232具有更好性能。RS485接口信号电平比RS232低，接口电路的芯片不易于损坏，其最高传输数据速率为10Mbit/s。组成半双工网络的 RS485接口为了降低抗噪声干扰性，不仅采用双绞线屏蔽线传输，还采用了平衡驱动器和差分接收器的组合。RS485接口在总线上相比单站能力的RS232接口，具有多站能力，可以连接128个收发器。变频器ACS550控制板的端子X1：28—32是变频器的RS485通信接口。

1979年 Modicon研究出的串行异步通信协议Modbus协议是首次用于工业现场的总线协议。半双工的数据传输方式使得一个主站可以控制多个从站。由于该协议使用方便，它不仅支持RS232/RS422/RS485，还支持以太网设备，在工业标准中非常通用。Modbus协议通常被用作主控制器和从设备的集成通信便于形成工业网络。

Modbus通信协议具有以下优点：

1）具有通用的工业标准并且可以开放的使用Modbus协议。

2）支持多种电气接口，支持厂家多，支持多种传输介质。

3）帧格式简单，对于厂商开发比较容易，用户使用也非常方便，

Modbus网络定义了ASCII和RTU两种传输模式，在同一 Modbus系统中两种模式不允许混合使用只允许使用其中一种。ACS550变频器仅仅支持RTU模式。RTU模式相比于ACSII模式在表达相同的数据信息时需要较少的数据位，从而具有更大的数据流量[5]。

Modbus RTU模式数据帧没有起始位和停止位，每帧数据至少有 3.5个字符间隔。数据帧由十六进制的地址码、功能码、数据码和校验码构成。Modbus数据帧格式见表1。

表1 数据帧格式

变频器ACS550支持的Modbus功能码见表2。

表2 Modbus功能表

上位机和变频器通信的数据帧报文格式见表3。

表3 报文格式

2.2 变频器参数设置

变频器需要设置的站号、波特率、奇偶校验位和停止位必须和LabVIEW的通信参数设置一致，才可以进行数据的传输。ACS550变频器的参数设置见表4[7]。

表4 变频器参数设置

2.3 通信系统程序设计

在LabVIEW程序框图中利用VISA技术进行串口通信基本步骤如下：

1）串口初始化。利用 VISA Configure Serial Port.vi设定串口通信基本参数。

2）读写串口。通过 VISA Read.vi和 VISA Write.vi对传输数据进行串口读写操作。

3）关闭串口。利用VISA Close.vi将串口关闭，不再进行数据传输。

根据变频器的通信参数和 Modbus通信协议，变频器的RS485通信控制程序如图4所示。LabVIEW程序框图设计的具体步骤按照数据的流动可以分为如下几个步骤[6]。

1）VISA配置串口，包括VISA资源名称即变频器端口号选择、波特率，数据比特、奇偶校验和停止位，其参数设置和表4的变频器参数设置一致

2）初始化变频器，将十六进制数 0476写入Modbus的40000寄存器中并延时200ms。

3）起动电机，即将十六进制数 047F写入Modbus的40000寄存器中。

4）将前面板输入的十进制频率（范围-100～100Hz）转换为十六进制。

5）根据Modbus RTU模式的下16位计算法则计算CRC校验码。

6）将合并的数据帧发送给VISA Write.vi对串口进行写操作。

7）关闭串口，不再对变频器进行数据的传输。

3 实验结果

本文根据图2设计的潮流发电模拟实验装置如图3所示。潮流发电模拟装置的程序运行界面如图5所示，比较简洁方便，只需在计算机上选择相应变频器的端口号即可，然后点击开始按钮，变频器初始化完成，接着输入频率，点击改变频率按钮，电机按给定频率进行旋转，如想换其他频率，无需点击按钮，而直接在频率框内输入频率即可。如需要连续控制，只需将频率数值输入改成频率数组输入即可。先点击停止1按钮，再点击停止2按钮，使变频器停机。在模拟装置上进行潮流发电的模拟，得到的流速模拟数据见表 5，与图 1海上潮流发电装置某段时间内的实际流速相一致。

图3 潮流发电模拟实验装置

图4 通信控制程序图

图5 系统运行界面

表5 不同变频器频率下流速测量数据

(续)

4 结论

本文设计了一套实验室的潮流发电模拟装置，具有结构紧凑、效率高、成本低的优势。在其控制系统中通过LabVIEW和ACS550变频器RS485接口进行通信，实现了上位机对变频器的实时控制，从而带动电机驱动水泵推动水的流动，经测试与实际流速在某段时间内相吻合，实现了在实验室潮流发电的模拟。该装置为研究潮流发电中，叶轮优化设计、叶轮的能量转换效率、潮流发电机效率，以及发电机能量处理，提供了必要的实验条件，为潮流发电的海上试验奠定了基础。

[1] 孙杨, 高虹, 王麟, 等. 基于 LabVIEW 的变频器监测控制系统设计[J]. 信息化技术与控制, 31(S1)：167-170.

[2] 桂玲, 吴舒辞, 向诚. 基于LabVIEW语言的PC机与单片机的串口通信[J]. 自动化信息, 2004(6)： 43-44.

[3] 胡宝权, 赵荣珍, 王志威. 基于LabVIEW的变频器控制系统设计[J]. 振动与冲击, 2010(29)： 367-370.

[4] 王秀莲, 刘昭明, 毕大强. 基于Modbus和LabVIEW ABB变频器的通讯与实现[J]. 变频器世界, 2015(7)：48-51.

[5] 王鹏, 赵爱明. 基于Modbus协议的PC机与变频器通信的实现[J]. 信息通信, 2006, 19(6)： 47-49.

[6] 彭万欢, 徐刚. 基于LabVIEW的富士变频器与工控机的 RS485通信[J]. 机电工程技术, 2010, 39(2)：21-22.

[7] ABB. ACS550用户手册[Z]. 2010.