基于LabVIEW的潮流发电模拟装置控制方法研究

北京信息科技大学自动化学院的研究人员白晗、石皓岩、张巧杰、白连平，在2018年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，在海洋能发电中，潮流能发电具有广阔的发展前景，本文设计了一套潮流发电实验装置以便在实验室进行前期研究, 为潮流发电的海上试验奠定了基础。

在潮流发电模拟装置控制系统中，利用变频器对三相异步电动机进行变频调速是潮流模拟发电中的技术关键。为此在上位机上设计了LabVIEW操作界面以及程序框图，利用VISA技术进行数据传输，通过RS485通讯控制变频器的连续运行，从而控制三相异步电动机带动双向叶轮泵推动水的流动，进行潮流发电的模拟研究。

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，做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，1-汇流罩，2-导流罩，3-发电机引线，4-发电机支板，5-永磁发电机，6-圆形导流筒，7-“S”双向叶轮。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

图1 海上潮流发电装置原理图

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。其中1-电动机，2-双向叶轮泵，3-联接法兰，4-导流筒，5-有机玻璃导流筒，6-叶轮直驱式发电机，7-辅助密封件，8-流速传感器。9-弯管。

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。

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三种：(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，第一种方法手动控制比较复杂，自动化程度也比较低；第二种方法模拟控制的调节精度不够高；采用第三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等语言来进行编写，但是在用VB，VC编程时，不得不面对繁琐的API函数，从而使编写程序变得非常复杂，由于Delphi没有提供串口通讯软件，从而使Delphi串口通信编程也变得不太可能[2]。

故本文通过LabVIEW的VISA串口通信技术，根据Modbus通讯协议利用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。

图2 潮流发电模拟装置原理图

2.1  LabVIEW与串口通讯简介

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NationalInstrument（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，可以方便的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讯，在通讯速率、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，它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通讯接口。

1979年Modicon研究出的串行异步通讯协议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讯便于形成工业网络。

Modbus通讯协议具有以下优点：

（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数据帧格式如表1所示。

表1 数据帧格式

变频器ACS550支持的Modbus功能码如表2所示。

表2 Modbus功能表

上位机和变频器通讯的数据帧报文格式如表3所示。

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的通讯参数设置一致，才可以进行数据的传输。ACS550变频器的参数设置如图表4所示[7]。

表4 变频器参数设置

2.3 通讯系统程序设计

在LabVIEW 程序框图中利用VISA技术进行串口通讯基本步骤如下：

第一：串口初始化，利用VISA Configure Serial Port.vi设定串口通讯基本参数。

第二：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。

第三：关闭串口，利用VISA Close.vi将串口关闭，不再进行数据传输。

根据变频器的通讯参数和Modbus通讯协议，变频器的RS485通讯控制程序如图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200毫秒。

(3)启动电机，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-100~100H）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，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按钮即可使变频器停机。在模拟装置上进行潮流发电的模拟，得到的流速模拟数据如表5所示，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 通讯控制程序图

图5 系统运行界面

表5 不同变频器频率下流速测量数据

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接口进行通讯，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。