白 晗 石皓巖 張巧杰 白連平

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使傳統(tǒng)的化石能源因其存儲(chǔ)量不斷下降、無可再生性、污染環(huán)境等缺點(diǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足現(xiàn)代的經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(chǔ)量大、能量密度高、可預(yù)測(cè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)越來越受到青睞。在研究潮流發(fā)電過程中，海上試驗(yàn)成本高，發(fā)電機(jī)測(cè)試難度大，需要設(shè)計(jì)一套完善的實(shí)驗(yàn)室潮流發(fā)電模擬裝置，作為潮流發(fā)電機(jī)的前期研究設(shè)備。故本文對(duì)潮流發(fā)電模擬裝置及其控制方法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。在實(shí)驗(yàn)室模擬海上潮流發(fā)電，導(dǎo)流筒及發(fā)電機(jī)部分裝置是必不可少的，故實(shí)驗(yàn)室潮流發(fā)電模擬裝置設(shè)計(jì)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(jī)根據(jù)潮流的能量參數(shù)換算出對(duì)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(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)雙向葉輪泵，產(chǎn)生期望的水流，從而實(shí)現(xiàn)了模擬不同潮流對(duì)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(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行?？刂谱冾l器輸出頻率改變的方法有3種：①通過手動(dòng)操作變頻器按鍵控制；②通過外部輸入的模擬信號(hào)控制；③通過串口通信指令控制。對(duì)于潮流模擬控制系統(tǒng)，第①種方法手動(dòng)控制比較復(fù)雜，自動(dòng)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(dòng)化程度高可以準(zhǔn)確設(shè)定頻率外，還能通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的連續(xù)控制適合進(jìn)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(jìn)行編寫，但是在用VB、VC編程時(shí)，不得不面對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，完成上位機(jī)對(duì)潮流發(fā)電模擬裝置控制。

2.1 LabVIEW與串口通信簡(jiǎn)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(dòng)測(cè)試得到了廣泛應(yīng)用，從而推動(dòng)著檢測(cè)系統(tǒng)和過程控制的應(yīng)用方法發(fā)生變化。美國(guó) National Instrument（NI）公司發(fā)布的LabVIEW 將軟件易用性和強(qiáng)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(hào)的采集與處理，利用高效的軟件來完成信號(hào)的運(yùn)算與分析。

LabVIEW應(yīng)用程序的主要特點(diǎn)如下：

1）可以設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(yù)為是真正的工程師語言。

3）調(diào)試程序方法簡(jiǎn)單多樣，除了傳統(tǒng)的單步運(yùn)行與在必要處設(shè)置斷點(diǎn)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(yùn)行的同時(shí)還可以在線顯示實(shí)時(shí)的數(shù)值；在程序調(diào)試時(shí)還可以“加亮”執(zhí)行，可以方便地觀測(cè)到程序運(yùn)行細(xì)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(dòng)態(tài)連接庫）等功能，可以其他系統(tǒng)平臺(tái)聯(lián)合開發(fā)，兼容性強(qiáng)，程序方便移植使LabVIEW程序應(yīng)用更強(qiáng)大。

VISA（virtual instruments software architecture）是新一代儀器 I/O標(biāo)準(zhǔn)，將上位機(jī)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(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[3]。VISA使用相同的API應(yīng)對(duì)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(hào)的高低不同[4]。RS485接口采用的二線制方式實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)的雙向通信，在通信速率、傳輸距離、多機(jī)連接等多方面比RS232具有更好性能。RS485接口信號(hào)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(dòng)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(gè)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(chǎng)的總線協(xié)議。半雙工的數(shù)據(jù)傳輸方式使得一個(gè)主站可以控制多個(gè)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(diǎn)：

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(jiǎn)單，對(duì)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(dá)相同的數(shù)據(jù)信息時(shí)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(gè)字符間隔。數(shù)據(jù)幀由十六進(jìn)制的地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼和校驗(yàn)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(jī)和變頻器通信的數(shù)據(jù)幀報(bào)文格式見表3。

表3 報(bào)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(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)位和停止位必須和LabVIEW的通信參數(shù)設(shè)置一致，才可以進(jìn)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(jì)

在LabVIEW程序框圖中利用VISA技術(shù)進(jìn)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(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(jì)的具體步驟按照數(shù)據(jù)的流動(dòng)可以分為如下幾個(gè)步驟[6]。

1）VISA配置串口，包括VISA資源名稱即變頻器端口號(hào)選擇、波特率，數(shù)據(jù)比特、奇偶校驗(yàn)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(jìn)制數(shù) 0476寫入Modbus的40000寄存器中并延時(shí)200ms。

3）起動(dòng)電機(jī)，即將十六進(jìn)制數(shù) 047F寫入Modbus的40000寄存器中。

4）將前面板輸入的十進(jìn)制頻率（范圍-100～100Hz）轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制。

5）根據(jù)Modbus RTU模式的下16位計(jì)算法則計(jì)算CRC校驗(yàn)碼。

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

7）關(guān)閉串口，不再對(duì)變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文根據(jù)圖2設(shè)計(jì)的潮流發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。潮流發(fā)電模擬裝置的程序運(yùn)行界面如圖5所示，比較簡(jiǎn)潔方便，只需在計(jì)算機(jī)上選擇相應(yīng)變頻器的端口號(hào)即可，然后點(diǎn)擊開始按鈕，變頻器初始化完成，接著輸入頻率，點(diǎn)擊改變頻率按鈕，電機(jī)按給定頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如想換其他頻率，無需點(diǎn)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(diǎn)擊停止1按鈕，再點(diǎn)擊停止2按鈕，使變頻器停機(jī)。在模擬裝置上進(jìn)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(shí)間內(nèi)的實(shí)際流速相一致。

圖3 潮流發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 通信控制程序圖

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行界面

表5 不同變頻器頻率下流速測(cè)量數(shù)據(jù)

(續(xù))

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)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(shì)。在其控制系統(tǒng)中通過LabVIEW和ACS550變頻器RS485接口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)變頻器的實(shí)時(shí)控制，從而帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵推動(dòng)水的流動(dòng)，經(jīng)測(cè)試與實(shí)際流速在某段時(shí)間內(nèi)相吻合，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)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(jì)、葉輪的能量轉(zhuǎn)換效率、潮流發(fā)電機(jī)效率，以及發(fā)電機(jī)能量處理，提供了必要的實(shí)驗(yàn)條件，為潮流發(fā)電的海上試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

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