北京信息科技大學自動化學院的研究人員白晗、石皓巖、張巧杰、白連平，在2018年第1期《電氣技術》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，本文設計了一套潮流發(fā)電實驗裝置以便在實驗室進行前期研究, 為潮流發(fā)電的海上試驗奠定了基礎。

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進行變頻調(diào)速是潮流模擬發(fā)電中的技術關鍵。為此在上位機上設計了LabVIEW操作界面以及程序框圖，利用VISA技術進行數(shù)據(jù)傳輸，通過RS485通訊控制變頻器的連續(xù)運行，從而控制三相異步電動機帶動雙向葉輪泵推動水的流動，進行潮流發(fā)電的模擬研究。

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，需要設計一套完善的實驗室潮流發(fā)電模擬裝置，做為潮流發(fā)電機的前期研究設備。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，1-匯流罩，2-導流罩，3-發(fā)電機引線，4-發(fā)電機支板，5-永磁發(fā)電機，6-圓形導流筒，7-“S”雙向葉輪。匯流罩將潮流匯聚在導流筒內(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

圖1 海上潮流發(fā)電裝置原理圖

擬裝置設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，2-雙向葉輪泵，3-聯(lián)接法蘭，4-導流筒，5-有機玻璃導流筒，6-葉輪直驅(qū)式發(fā)電機，7-輔助密封件，8-流速傳感器。9-彎管。

上位機根據(jù)潮流的能量參數(shù)換算出對應的水流速度函數(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正反轉(zhuǎn)連續(xù)運行。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定頻率，除了自動化程度高可以準確設定頻率外，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等語言來進行編寫，但是在用VB，VC編程時，不得不面對繁瑣的API函數(shù)，從而使編寫程序變得非常復雜，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，根據(jù)Modbus通訊協(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。

圖2 潮流發(fā)電模擬裝置原理圖

2.1 LabVIEW與串口通訊簡介

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術領域的信息采樣、數(shù)據(jù)處理和自動測試得到了廣泛應用，從而推動著檢測系統(tǒng)和過程控制的應用方法發(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應用程序的主要特點如下：

(1)可以設計出良好的用戶界面，其前面板都是采用與儀器相關的術語和圖標，例如開關、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置斷點外，還可以根據(jù)需求在程序框圖中設置探針，當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，可以方便的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準，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程序應用更強大。

VISA（Virtual Instruments Software Architecture）是新一代儀器I/O標準，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)用相應的驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)交換[3]。VISA使用相同的API應對不同的操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境。

串口是一種物理層的接口標準，串口按規(guī)定接口的電氣標準來分為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)了多點的雙向通訊，在通訊速率、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，它最高傳輸數(shù)據(jù)速率為10Mbit/s。組成半雙工網(wǎng)絡的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)設備，在工業(yè)標準中非常通用。Modbus協(xié)議通常被用作主控制器和從設備的集成通訊便于形成工業(yè)網(wǎng)絡。

Modbus通訊協(xié)議具有以下優(yōu)點：

（1）具有通用的工業(yè)標準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)設置

變頻器需要設置的站號、波特率、奇偶校驗位和停止位必須和LabVIEW的通訊參數(shù)設置一致，才可以進行數(shù)據(jù)的傳輸。ACS550變頻器的參數(shù)設置如圖表4所示[7]。

表4 變頻器參數(shù)設置

2.3 通訊系統(tǒng)程序設計

在LabVIEW 程序框圖中利用VISA技術進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)進行串口讀寫操作。

第三：關閉串口，利用VISA Close.vi將串口關閉，不再進行數(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)設置和表4的變頻器參數(shù)設置一致

(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200毫秒。

(3)啟動電機，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-100~100H）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變頻器的端口號，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按鈕即可使變頻器停機。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)如表5所示，與圖1海上潮流發(fā)