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基于LabVIEW的潮流發(fā)電模擬裝置控制方法研究

2018-04-03 16:47:15 電氣技術(shù)  點(diǎn)擊量:1031 評論 (0)
北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院的研究人員白晗、石皓巖、張巧杰、白連平,在2018年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出,在海洋能發(fā)電中,潮流能

北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院的研究人員白晗、石皓巖、張巧杰、白連平,在2018年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出,在海洋能發(fā)電中,潮流能發(fā)電具有廣闊的發(fā)展前景,本文設(shè)計了一套潮流發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置以便在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行前期研究, 為潮流發(fā)電的海上試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

在潮流發(fā)電模擬裝置控制系統(tǒng)中,利用變頻器對三相異步電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速是潮流模擬發(fā)電中的技術(shù)關(guān)鍵。為此在上位機(jī)上設(shè)計了LabVIEW操作界面以及程序框圖,利用VISA技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通過RS485通訊控制變頻器的連續(xù)運(yùn)行,從而控制三相異步電動機(jī)帶動雙向葉輪泵推動水的流動,進(jìn)行潮流發(fā)電的模擬研究。

經(jīng)濟(jì)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(diǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足現(xiàn)代的經(jīng)濟(jì)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(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)測試難度大,需要設(shè)計一套完善的實(shí)驗(yàn)室潮流發(fā)電模擬裝置,做為潮流發(fā)電機(jī)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(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,1-匯流罩,2-導(dǎo)流罩,3-發(fā)電機(jī)引線,4-發(fā)電機(jī)支板,5-永磁發(fā)電機(jī),6-圓形導(dǎo)流筒,7-“S”雙向葉輪。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(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

圖1 海上潮流發(fā)電裝置原理圖

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。其中1-電動機(jī),2-雙向葉輪泵,3-聯(lián)接法蘭,4-導(dǎo)流筒,5-有機(jī)玻璃導(dǎo)流筒,6-葉輪直驅(qū)式發(fā)電機(jī),7-輔助密封件,8-流速傳感器。9-彎管。

上位機(jī)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(jī),電動機(jī)帶動雙向葉輪泵,產(chǎn)生期望的水流,從而實(shí)現(xiàn)了模擬不同潮流對應(yīng)的水流。

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(jī)正反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行。控制變頻器輸出頻率改變的方法有三種:(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),第一種方法手動控制比較復(fù)雜,自動化程度也比較低;第二種方法模擬控制的調(diào)節(jié)精度不夠高;采用第三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(shí)現(xiàn)對變頻器的連續(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等語言來進(jìn)行編寫,但是在用VB,VC編程時,不得不面對繁瑣的API函數(shù),從而使編寫程序變得非常復(fù)雜,由于Delphi沒有提供串口通訊軟件,從而使Delphi串口通信編程也變得不太可能[2]。

故本文通過LabVIEW的VISA串口通信技術(shù),根據(jù)Modbus通訊協(xié)議利用RS485接口實(shí)現(xiàn)對三相異步電動機(jī)的變頻調(diào)速,完成上位機(jī)對潮流發(fā)電模擬裝置控制。

圖2 潮流發(fā)電模擬裝置原理圖

2.1 LabVIEW與串口通訊簡介

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NationalInstrument(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的采集與處理,利用高效的軟件來完成信號的運(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(yù)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(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)行的同時還可以在線顯示實(shí)時的數(shù)值;在程序調(diào)試時還可以“加亮”執(zhí)行,可以方便的觀測到程序運(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(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)動程序進(jìn)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(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)的雙向通訊,在通訊速率、傳輸距離、多機(jī)連接等多方面比RS232具有更好性能。

RS485接口信號電平比RS232低,接口電路的芯片不易于損壞,它最高傳輸數(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通訊接口。

1979年Modicon研究出的串行異步通訊協(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)備的集成通訊便于形成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

Modbus通訊協(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(dá)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(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)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

變頻器ACS550支持的Modbus功能碼如表2所示。

表2 Modbus功能表

上位機(jī)和變頻器通訊的數(shù)據(jù)幀報文格式如表3所示。

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(yàn)位和停止位必須和LabVIEW的通訊參數(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)置如圖表4所示[7]。

表4 變頻器參數(shù)設(shè)置

2.3 通訊系統(tǒng)程序設(shè)計

在LabVIEW 程序框圖中利用VISA技術(shù)進(jìn)行串口通訊基本步驟如下:

第一:串口初始化,利用VISA Configure Serial Port.vi設(shè)定串口通訊基本參數(shù)。

第二:讀寫串口,通過VISA Read.vi和VISA Write.vi對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行串口讀寫操作。

第三: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)變頻器的通訊參數(shù)和Modbus通訊協(xié)議,變頻器的RS485通訊控制程序如圖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(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200毫秒。

(3)啟動電機(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-100~100H)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制。

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

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

(7)關(guān)閉串口,不再對變頻器進(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所示比較簡潔方便,只需在計算機(jī)上選擇相應(yīng)變頻器的端口號,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按鈕即可使變頻器停機(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)如表5所示,與圖1海上潮流發(fā)

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責(zé)任編輯:售電衡衡

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