金豁然，李德堂，呂 沁，唐文濤，曹偉男，胡星辰

（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山 316022）

基于LabVIEW雙向振蕩波浪發(fā)電裝置測試系統(tǒng)設計

金豁然，李德堂，呂 沁，唐文濤，曹偉男，胡星辰

（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山 316022）

波浪發(fā)電裝置能量轉換效率是表征發(fā)電裝置性能的重要指標。文中介紹了一種基于LabVIEW的能量轉換效率實驗測試系統(tǒng)，重點闡述了系統(tǒng)的測試對象、設計依據(jù)、軟件開發(fā)及用戶界面。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對能量轉換效率實驗各數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和后期效率分析處理，與前人的研究相比，該系統(tǒng)操作方法簡單、測試成本低、用戶界面友好，為以后復雜、繁瑣的測試任務提供便利，具有一定的的參考價值。

LabVIEW；測試系統(tǒng)；公式計算；發(fā)電裝置；轉換效率

隨著人類社會的不斷發(fā)展，不可再生資源越來越少，人們對新能源的迫切需要不言而喻。而海洋波浪能是一種儲存量大、清潔無污染的可再生資源，這就使得人們把目光瞄準了波浪能，為有效地利用波浪能，緩解我國能源危機，前人設計出了一些比較好的波浪能發(fā)電裝置，而能量轉換效率則是能量利用的重要參數(shù)，也是衡量一個發(fā)電裝置設計是否合理的標志。衛(wèi)林超、單長飛、李德堂［1］設計了一套雙向振蕩波浪發(fā)電裝置，并通過實驗證明了此裝置的能量轉換效率能達到12.17%，但是測試過程十分繁瑣，操作過程復雜，需要花費大量的時間和精力，不利于實踐工作的進行，本文基于LabVIEW設計了一套裝置的測試系統(tǒng)，并開發(fā)出一套測試和計算方法。利用該套測試系統(tǒng)可以采集相關數(shù)據(jù)，從而計算出各個階段的能量轉換效率。這套系統(tǒng)方便實用、自動化程度高、測試成本低，可以推廣到其他領域。

傳統(tǒng)的測試儀器是由信號采集、信號處理和結果顯示3大硬件組成［2］，功能十分單一，作用非常有限，缺少靈活性，特別是價格昂貴，儀器操作復雜而且測試精度相對較低，而以“軟件代替硬件”是虛擬儀器最為突出的特點，其測試系統(tǒng)中的信號處理和結果顯示部分的硬件可由軟件直接代替［3］，從而能夠節(jié)省成本，方便集中操作。

LabVIEW是美國NI公司推出的一個圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，它作為業(yè)界最優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，具有簡單、易于理解和開發(fā)效率高等特點［4］。多用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、測試、數(shù)據(jù)后處理和儲存等任務。它主要由前面板和程序框圖構成：前面板是用戶界面，主要由控件構成，用于與用戶交流；程序框圖是以圖形表示的LabVIEW程序源編碼，是實現(xiàn)程序功能最為重要的部分。

1　雙向振蕩波浪發(fā)電裝置

雙向振蕩發(fā)電裝置正常運轉狀態(tài)如圖1，可觀測到燈泡明亮，電壓穩(wěn)定。其結構原理示意圖如圖2所示，該裝置主要由浮筒、雙向作用液壓缸、閥件、液壓管路、儲能器、液壓馬達、發(fā)電機及燈泡（負載）等組成。其工作原理為：浮筒接受波浪的能量做垂向運動從而推動活塞運動，液壓管內的液壓油受到擠壓，借助高壓液壓油作用于液壓馬達的葉輪，從而推動液壓馬達旋轉，給發(fā)電機提供動力以此來達到發(fā)電的功能。蓄能器具有能量儲存功能，在波浪較大時，將油路中多余的液壓能量進行儲存，保證系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定；在波浪較小時，釋放存儲的能量，補充系統(tǒng)達到穩(wěn)定所需的能量。主油路不穩(wěn)定液壓油經過蓄能器的調節(jié)，轉化為較穩(wěn)定的液壓油；較穩(wěn)定的液壓油通過流量調節(jié)閥帶動液壓馬達轉動。圖3為發(fā)電裝置的能量轉換流程圖。

圖1　發(fā)電裝置工作圖Fig.1　The working picture of generator

圖2　結構示意圖Fig.2　Structural representation

圖3　能量轉換流程圖Fig.3　The flow-process diagram of energy conversion

2　公式計算

2.1電路系統(tǒng)功率

雙向振蕩波浪發(fā)電裝置電路系統(tǒng)功率：

式中，P電路為電路系統(tǒng)的有效功率，U為電路系統(tǒng)測得的平均電壓值，I是測得的平均電流值。

2.2液壓系統(tǒng)功率

雙向振蕩波浪發(fā)電裝置的液壓系統(tǒng)功率［5］：

式中，P液壓為液壓系統(tǒng)的有效功率，P和Q分別為壓力、流量，可由測試系統(tǒng)測得。

2.3浮筒輸出功率

雙向振蕩波浪發(fā)電裝置浮筒的輸出功率［6］計算公式：

式中，P輸出為浮筒的有效輸出功率，t為浮子的有效運動時間，F(xiàn)pto為液壓阻尼力，F(xiàn)pto將在后面公式（4）中給出，L有效行程為浮筒的有效運動距離。由于發(fā)電裝置使用雙作用液壓缸，浮筒的上下運動即為液壓缸的來回運動，且均為有效位移，而該數(shù)據(jù)可由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集獲得。

Fpto=F×S（4）

式中，F(xiàn)為液壓系統(tǒng)的壓力，S為活塞面積。

2.4波浪能計算

圖4　測浪裝置示意圖及現(xiàn)場測試Fig.4　The schematic diagram of testing wave device and field test

波浪的相關參數(shù)必須借助于另一套設備（圖4）來記錄其軌跡曲線，同時必須在同等的波浪條件下進行，該裝置主要包括：激光位移傳感器、DAQ數(shù)據(jù)采集機箱、滑竿、浮標和LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。浮標是由泡沫材質制作而成，質量輕便，能很好的反應波浪的運動軌跡。浮標的運動軌跡同樣可由下述測試系統(tǒng)采集并儲存。

同等環(huán)境下波浪能可由公式［7］（5）得出：

為計算出公式（1）—（6）中的數(shù)值，需要采集的數(shù)據(jù)和參數(shù)有：電路系統(tǒng)的有效電壓U和電流I；液壓系統(tǒng)的壓力F和流量Q；浮筒的有效位移L有效行程；波浪的運動軌跡。

3　測試系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)組成

基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由硬件與軟件兩部分組成，其中包括傳感器、硬件驅動程序和LabVIEW數(shù)據(jù)采集VI等［3］。其中硬件驅動程序將軟件與硬件連接起來，實現(xiàn)軟、硬件間的數(shù)據(jù)傳遞，是軟硬件之間接通的橋梁。通過驅動程序用戶接口MAX（Measurement&Automation Explorer）對數(shù)據(jù)采集卡進行控制，進行數(shù)據(jù)的采集，使用MAX對硬件進行自檢確保硬件正常工作，根據(jù)實際測試環(huán)境進行各種必要的參數(shù)設置。LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集程序，會采集并保存MAX對數(shù)據(jù)采集卡設置的數(shù)據(jù)，流程圖如圖5所示。

圖5　采集系統(tǒng)流程圖Fig.5　The flow chart of acquisition system

3.2系統(tǒng)硬件

DAQbook為lero公司出品的一款數(shù)據(jù)采集機箱，擁有8個數(shù)據(jù)采集接口，供各類傳感器連接，其使用USB（Universal Serial Bus）數(shù)據(jù)線作為數(shù)據(jù)傳遞總線，只需一臺計算機便可完成所有的測試任務。

計算機外的DAQbook數(shù)據(jù)采集卡首先會獲取采集的數(shù)據(jù)，然后通過USB總線將數(shù)據(jù)傳遞給計算機，信號的顯示，數(shù)據(jù)的儲存、讀取和分析等功能會通過電子計算機實現(xiàn)。傳感器類型見表1。

表1　傳感器硬件Tab.1　Sensor hardware

3.3系統(tǒng)軟件

基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分，一般是由驅動程序、驅動程序接口和虛擬儀器軟件構成。而虛擬儀器數(shù)據(jù)采集程序的設計是整個采集系統(tǒng)的核心［3］，也是系統(tǒng)的重要組成部分。使用其設計數(shù)據(jù)采集應用軟件需要遵循軟件工程中的一般原則和方法：軟件需求分析，明確設計任務；模塊化設計和層次化思想；可操作性強，降低對軟件操作人員專業(yè)知識的要求［9］。LabVIEW編程又稱為“G語言”，使用者采用圖標與連線的方式，可以像畫電路板一樣編寫程序，非常形象，通俗易懂，易于操作［4］。文字設計了一套雙向振蕩發(fā)電裝置的數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)，其包括了系統(tǒng)登入界面、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊和數(shù)據(jù)顯示界面。

設計良好的用戶登入界面會給人一種友好的感覺，本文編寫了一套精良的登入界面，設計了簡單的加密程序，可以用于加密做實驗。運行LabVIEW數(shù)據(jù)測試程序，面對前面板，選擇是否進入測試系統(tǒng)，如圖6所示。選擇確定進入系統(tǒng)，會彈出權限的驗證窗口，只有正確輸入用戶名和密碼，通過驗證后才能進入系統(tǒng)，否則系統(tǒng)將提示自動退出，有良好的保密效果，如圖7所示。權限驗證成功后，選擇需要測試的系統(tǒng)，如圖8所示。整個登入系統(tǒng)程序框圖的設計如圖9，其中程序中還使用了子VI，將子VI節(jié)點設置為調用時顯示前面板，這樣系統(tǒng)加載時會顯示系統(tǒng)正在啟動中，直到進入下一個環(huán)節(jié)才自動關閉。程序使用平鋪順序結構，其中每一個子程序框圖稱為一個“幀”，此結構能夠保證每個幀中的程序從左往右的順序逐一執(zhí)行，防止系統(tǒng)運行時發(fā)生混亂。

圖6　進入系統(tǒng)界面Fig.6　Enter the system interface

圖7　權限驗證界面Fig.7　The interface of permissions

圖8　采集系統(tǒng)的選擇Fig.8　The selection of data acquisition system

圖9　程序框圖Fig.9　Program diagram

3.3.1通道配置及任務的創(chuàng)建

通過配置管理軟件（MAX），能識別硬件和對硬件進行控制，其可以很方便的實現(xiàn)LabVIEW驅動數(shù)據(jù)采集卡的功能［10］。在這里需要創(chuàng)建6個測試任務，即電路系統(tǒng)中電壓、電流測試任務；液壓系統(tǒng)中壓力、流量測試任務；振蕩浮筒的位移測試；波浪的運動軌跡。創(chuàng)建過程及通道選擇如圖10所示。

DAQBook數(shù)據(jù)采集設備硬件在配置管理器（MAX）中的顯示名稱是Dev1，物理通道名分別是Dev1/ai0...Dev1/ ai7，在這里ai0...ai5分別對應的通道為電壓、電流、壓力、流量、位移和運動軌跡，采集設備上接口一一按照以上通道連接對應的傳感器，將傳感器移入到測試系統(tǒng)，雙向振蕩波浪發(fā)電裝置穩(wěn)定運作時，通過操作軟件測試界面即可測得相應的數(shù)據(jù)。

圖10　測試任務的創(chuàng)建和通道的選擇Fig.10　Creation of the test task and channel selection

3.3.2數(shù)據(jù)采集

采集系統(tǒng)設計時，主要包括2個部分的設計，即虛擬儀器前面板設計和程序框圖設計。數(shù)據(jù)的儲存是測試系統(tǒng)必需具備的功能，可供以后查看和分析，相當重要。本文設計了一套程序，可將選擇采集到的數(shù)據(jù)保存在指定的文件中，系統(tǒng)中把數(shù)據(jù)寫在“雙向振蕩發(fā)電裝置”這個文件中，并儲存在電腦硬盤里，以免數(shù)據(jù)丟失，程序框圖設計如圖11。

圖11　測試數(shù)據(jù)儲存在文本文件中Fig.11　The test data is stored in the text file

上文中已經為所有的測試任務配置了通道，現(xiàn)在只需要在“測量I/O”→“DAQmx數(shù)據(jù)采集”函數(shù)子選板中選擇“DAQmx創(chuàng)建通道”函數(shù)設置用于生成虛擬通道的物理通道，就可以實現(xiàn)對硬件的控制，完成數(shù)據(jù)的采集，圖12中電壓數(shù)據(jù)采集選擇Dev1/ai0通道（按照上文設定好的通道）。將DAQmx定時（采樣時鐘）設置為連續(xù)采樣。利用一個for循環(huán)和條件結構，給予采集系統(tǒng)的一個停止的條件（在前面板中用一個布爾按鈕實現(xiàn)）和對數(shù)據(jù)儲存的控制（同樣是一個按鈕），這樣就能夠實現(xiàn)有目的的采集和存儲相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，以此提高采集準確率，程序框圖如圖12。

圖12　數(shù)據(jù)采集程序框圖Fig.12　Program diagram about the data acquisition

在程序框圖中調用“數(shù)學”→“概率與統(tǒng)計”→“均值”函數(shù)，連接到程序中即可得出所測數(shù)據(jù)的平均值，用于公式計算。前面板界面是最終用戶將直接面對的窗口，而生動形象、美觀大方的前面板設計給人以友好的享受，特別是用戶在長時間面對前面板時，不至于會感到枯燥乏味，所以系統(tǒng)中設計一個易于操作、簡單實用、美觀簡潔的操作界面重要性可想而知，而且前面板各控件的分類、排列一定要歸納合理，這樣易于使用者操作，能夠十分容易即可找到想要讀取的數(shù)據(jù)和要動作的按鈕，整個采集系統(tǒng)的用戶界面如圖13所示。界面中各個板塊分類合理、排列十分整齊、簡潔美觀。

圖13　用戶操作界面Fig.13　Operation interface for users

4　結束語

LabVIEW作為功能最為強大的虛擬儀器開發(fā)工具之一，具有強大的數(shù)據(jù)采集功能。文章通過有效的數(shù)學推導與合理的編程，僅使用一臺電腦、一個數(shù)據(jù)采集機箱和若干傳感器就能夠對雙向振蕩波浪發(fā)電裝置的各項參數(shù)進行測量，并利用文章列出的計算方法，計算各個部分的能量轉換效率。基于LabVIEW設計的測試系統(tǒng)不僅具有界面友好、可加密實驗、功能完善、攜帶方便、自動化程度高、測試成本低等特別，還具有操作方便、可靠性高等優(yōu)勢，具有很高實用價值。

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Design of Test System of Two-way Vibration Wave Power Generating Device based on LabVIEW

JIN Huo-ran，LI De-tang，LV Qin，et al
（Ship and Marine Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Energy conversion efficiency of wave power generating device is an important index of it’s performance.This paper introduces the design of testing system of the energy conversion efficiency based on LabVIEW，which explains the test object of the system，design basis，software development and the user interface in detail，System can realize real-time monitoring of all the data on the energy conversion efficiency analysis and post processing of the efficiency in the later period，compared with studies of previous，operation method of the test system is simple，low test cost and friendly user interface.Thus，it is convenient for the studies to finish complicated and tedious testing tasks and has a certain reference value.

LabVIEW；testing system；calculating formula；generating device；conversion efficiency

TM619

A

1008-830X（2015）03-0270-06

2014-12-30

國家海洋局可再生能源專項資金項目（ZJME2011BL04）；上海交通大學海洋工程國家重點實驗室研究基金資助項目（1205）

金豁然（1990-），男，湖北荊州人，碩士研究生，研究方向：船舶與海洋工程結構水動力分析.