白 晗 石皓巖 張巧杰 白連平

經(jīng)濟的快速發(fā)展使傳統(tǒng)的化石能源因其存儲量不斷下降、無可再生性、污染環(huán)境等缺點已經(jīng)遠遠不能夠滿足現(xiàn)代的經(jīng)濟社會發(fā)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(yù)測性強等優(yōu)點越來越受到青睞。在研究潮流發(fā)電過程中，海上試驗成本高，發(fā)電機測試難度大，需要設(shè)計一套完善的實驗室潮流發(fā)電模擬裝置，作為潮流發(fā)電機的前期研究設(shè)備。故本文對潮流發(fā)電模擬裝置及其控制方法進行了研究，實現(xiàn)了在實驗室進行潮流發(fā)電的前期研究。

1 潮流發(fā)電模擬裝置系統(tǒng)組成

潮流發(fā)電在海上的發(fā)電裝置原理圖如圖 1所示。匯流罩將潮流匯聚在導(dǎo)流筒內(nèi)，增大水的流速，將集中到的能量帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機發(fā)電。在實驗室模擬海上潮流發(fā)電，導(dǎo)流筒及發(fā)電機部分裝置是必不可少的，故實驗室潮流發(fā)電模擬裝置設(shè)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(jù)潮流的能量參數(shù)換算出對應(yīng)的水流速度函數(shù)，以此控制變頻器的輸出頻率，變頻器驅(qū)動電動機，電動機帶動雙向葉輪泵，產(chǎn)生期望的水流，從而實現(xiàn)了模擬不同潮流對應(yīng)的水流。

圖1 海上潮流發(fā)電裝置原理圖

圖2 潮流發(fā)電模擬裝置原理圖

2 潮流發(fā)電模擬裝置控制方法研究

在潮流發(fā)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(zhuǎn)連續(xù)運行?？刂谱冾l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(tǒng)，第①種方法手動控制比較復(fù)雜，自動化程度也比較低；第②種方法模擬控制的調(diào)節(jié)精度不夠高；采用第③種方法通過串口通信設(shè)定頻率，除了自動化程度高可以準(zhǔn)確設(shè)定頻率外，還能通過編程實現(xiàn)對變頻器的連續(xù)控制適合進行潮流模擬[1]。串口通信的程序的開發(fā)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(shù)，使編寫程序變得非常復(fù)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(shù)，根據(jù)Modbus通信協(xié)議利用RS485接口實現(xiàn)對三相異步電動機的變頻調(diào)速，完成上位機對潮流發(fā)電模擬裝置控制。

2.1 LabVIEW與串口通信簡介

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域的信息采樣、數(shù)據(jù)處理和自動測試得到了廣泛應(yīng)用，從而推動著檢測系統(tǒng)和過程控制的應(yīng)用方法發(fā)生變化。美國 National Instrument（NI）公司發(fā)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(yīng)用程序的主要特點如下：

1）可以設(shè)計出良好的用戶界面，其前面板都是采用與儀器相關(guān)的術(shù)語和圖標(biāo)，例如開關(guān)、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(shù)據(jù)流程圖一樣容易理解，不可否認(rèn)的被譽為是真正的工程師語言。

3）調(diào)試程序方法簡單多樣，除了傳統(tǒng)的單步運行與在必要處設(shè)置斷點外，還可以根據(jù)需求在程序框圖中設(shè)置探針，當(dāng)程序在運行的同時還可以在線顯示實時的數(shù)值；在程序調(diào)試時還可以“加亮”執(zhí)行，可以方便地觀測到程序運行細節(jié)，通過數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，支持ActiveX、TCP/IP、DLL（動態(tài)連接庫）等功能，可以其他系統(tǒng)平臺聯(lián)合開發(fā)，兼容性強，程序方便移植使LabVIEW程序應(yīng)用更強大。

VISA（virtual instruments software architecture）是新一代儀器 I/O標(biāo)準(zhǔn)，將上位機與串口、USB、GPIB、以太網(wǎng)、PXI或VXI等各種儀器通過儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)交換[3]。VISA使用相同的API應(yīng)對不同的操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境。

串口是一種物理層的接口標(biāo)準(zhǔn)，串口按規(guī)定接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)來分為RS232、RS422、RS485等，其主要區(qū)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(xiàn)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(shù)據(jù)速率為10Mbit/s。組成半雙工網(wǎng)絡(luò)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(qū)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(fā)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(xié)議Modbus協(xié)議是首次用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。半雙工的數(shù)據(jù)傳輸方式使得一個主站可以控制多個從站。由于該協(xié)議使用方便，它不僅支持RS232/RS422/RS485，還支持以太網(wǎng)設(shè)備，在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中非常通用。Modbus協(xié)議通常被用作主控制器和從設(shè)備的集成通信便于形成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

Modbus通信協(xié)議具有以下優(yōu)點：

1）具有通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并且可以開放的使用Modbus協(xié)議。

2）支持多種電氣接口，支持廠家多，支持多種傳輸介質(zhì)。

3）幀格式簡單，對于廠商開發(fā)比較容易，用戶使用也非常方便，

Modbus網(wǎng)絡(luò)定義了ASCII和RTU兩種傳輸模式，在同一 Modbus系統(tǒng)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(shù)據(jù)信息時需要較少的數(shù)據(jù)位，從而具有更大的數(shù)據(jù)流量[5]。

Modbus RTU模式數(shù)據(jù)幀沒有起始位和停止位，每幀數(shù)據(jù)至少有 3.5個字符間隔。數(shù)據(jù)幀由十六進制的地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼和校驗碼構(gòu)成。Modbus數(shù)據(jù)幀格式見表1。

表1 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀報文格式見表3。

表3 報文格式

2.2 變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器需要設(shè)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(shù)設(shè)置一致，才可以進行數(shù)據(jù)的傳輸。ACS550變頻器的參數(shù)設(shè)置見表4[7]。

表4 變頻器參數(shù)設(shè)置

2.3 通信系統(tǒng)程序設(shè)計

在LabVIEW程序框圖中利用VISA技術(shù)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(shè)定串口通信基本參數(shù)。

2）讀寫串口。通過 VISA Read.vi和 VISA Write.vi對傳輸數(shù)據(jù)進行串口讀寫操作。

3）關(guān)閉串口。利用VISA Close.vi將串口關(guān)閉，不再進行數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)變頻器的通信參數(shù)和 Modbus通信協(xié)議，變頻器的RS485通信控制程序如圖4所示。LabVIEW程序框圖設(shè)計的具體步驟按照數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)比特、奇偶校驗和停止位，其參數(shù)設(shè)置和表4的變頻器參數(shù)設(shè)置一致

2）初始化變頻器，將十六進制數(shù) 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(shù) 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(zhuǎn)換為十六進制。

5）根據(jù)Modbus RTU模式的下16位計算法則計算CRC校驗碼。

6）將合并的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給VISA Write.vi對串口進行寫操作。

7）關(guān)閉串口，不再對變頻器進行數(shù)據(jù)的傳輸。

3 實驗結(jié)果

本文根據(jù)圖2設(shè)計的潮流發(fā)電模擬實驗裝置如圖3所示。潮流發(fā)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(yīng)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(zhuǎn)，如想換其他頻率，無需點擊按鈕，而直接在頻率框內(nèi)輸入頻率即可。如需要連續(xù)控制，只需將頻率數(shù)值輸入改成頻率數(shù)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(fā)電的模擬，得到的流速模擬數(shù)據(jù)見表 5，與圖 1海上潮流發(fā)電裝置某段時間內(nèi)的實際流速相一致。

圖3 潮流發(fā)電模擬實驗裝置

圖4 通信控制程序圖

圖5 系統(tǒng)運行界面

表5 不同變頻器頻率下流速測量數(shù)據(jù)

(續(xù))

4 結(jié)論

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

[1] 孫楊, 高虹, 王麟, 等. 基于 LabVIEW 的變頻器監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 信息化技術(shù)與控制, 31(S1)：167-170.

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

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