使用LabVIEW軟件和NI PXI硬件為開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：以低的成本在短時間內(nèi)構(gòu)建一個自定義的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，能夠使用多種測量設(shè)備評估并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的性能和特性。

解決方案：使用開放式的NI LabVIEW軟件平臺設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)和專用接口軟件，將多個測量設(shè)備的輸出通過串行接口輸入到PXI系統(tǒng)，同時使用現(xiàn)成的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）函數(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C，提供不同測量結(jié)果的實(shí)時顯示。

“整套設(shè)備的核心是NI PXI-8184實(shí)時控制器，它提供了數(shù)據(jù)存儲功能、有著極高的系統(tǒng)可靠性、緊湊性、堅(jiān)固性和方便的可配置性?！?/P>

新加坡政府投入3.5億新加坡元用于將城市改造為全球清潔能源樞紐，重點(diǎn)是開發(fā)太陽能。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，新加坡政府和經(jīng)濟(jì)發(fā)展局下屬的清潔能源研究與實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（CERT）制定了多項(xiàng)措施。為此，我們開設(shè)了含有五種不同光伏面板的太陽能科技中心，功率總計(jì)達(dá)14.2 kW。中心用于展示不同的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，并作為研究熱帶氣候條件下不同光伏模塊長時間運(yùn)行的性能和特性的測試實(shí)驗(yàn)中心。

為了研究這些光伏模塊的性能和特性，我們請來自電子工程部門的一支團(tuán)隊(duì)，以低成本在短時間內(nèi)構(gòu)建能夠測量待測光伏陣列不同參數(shù)和實(shí)際氣候條件的自定義實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。

團(tuán)隊(duì)使用LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)，因?yàn)樗峁┝碎_放式的開發(fā)平臺、多功能性以及獨(dú)創(chuàng)的圖形用戶界面。軟件允許他們快速開發(fā)非標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串行通信協(xié)議，它是將多個測量設(shè)備輸出傳送到PXI實(shí)時控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵接口。之后，使用UDP通信函數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C用于實(shí)時顯示、分析和存儲。

光伏系統(tǒng)測量儀器

整套設(shè)備的核心是NI PXI-8184實(shí)時控制器，它提供了數(shù)據(jù)存儲功能、有著極高的系統(tǒng)可靠性、緊湊性、堅(jiān)固性和方便的可配置性。軟件的開發(fā)是基于LabVIEW和LabVIEW實(shí)時模塊進(jìn)行的。PV測量與監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

開發(fā)Modbus串行通信功能

天氣監(jiān)測系統(tǒng)由七個測量參數(shù)組成，包括全球太陽輻照度、散射太陽輻照度、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和降雨量。光伏監(jiān)測系統(tǒng)的測量參數(shù)包含直流電壓、直流電流和面板溫度。交流電源和功率發(fā)生使用電子功率計(jì)采集。此外，總共有22個測量數(shù)據(jù)點(diǎn)是從測量儀器和五個電子功率計(jì)采集的，總計(jì) 23個測量值。為了能夠處理多種測量數(shù)據(jù)，并且最小化設(shè)備和PXI控制器之間的連線，我們使用串行接口。

團(tuán)隊(duì)使用Modbus遠(yuǎn)程終端單元（RTU），它是開放式的串行（RS232或RS485）協(xié)議，提供通過網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備之間的主/從通信。它使用簡單、可靠、成本低，并且能夠交換二進(jìn)制格式的數(shù)據(jù)，從而提高了吞吐量。但是，每個Modubs設(shè)備制造商都用不同的函數(shù)代碼、數(shù)據(jù)格式和循環(huán)冗余驗(yàn)證（CRC）代碼實(shí)現(xiàn)這個協(xié)議。因此，開發(fā)Modbus驅(qū)動程序從而允許用戶根據(jù)不同制造商的要求修改協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是必要的。

由于LabVIEW提供了虛擬儀器軟件架構(gòu)（VISA）串行函數(shù)，因此設(shè)計(jì)程序在這些設(shè)備之間進(jìn)行通信是簡單的。此外，由于提供了數(shù)據(jù)操作函數(shù)，例如分割數(shù)字、帶進(jìn)位右移、交換字節(jié)、類型轉(zhuǎn)換等，我們可以方便地使用對應(yīng)的函數(shù)代碼、數(shù)據(jù)格式和CRC錯誤驗(yàn)證算法實(shí)現(xiàn)Modbus消息結(jié)構(gòu)。這樣我們開發(fā)并測試了Modbus RTU接口程序，并且能夠?yàn)椴煌圃焐痰脑O(shè)備工作。

從PXI實(shí)時控制器到PC的數(shù)據(jù)傳送

團(tuán)隊(duì)使用LabVIEW中的UDP函數(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC中。UDP簡單，方便，并能將消息同時廣播到多個地址的功能。雖然它不保證可靠的數(shù)據(jù)傳送，但是在這個系統(tǒng)中，這并不會造成什么影響，因?yàn)樵撓到y(tǒng)只需要將數(shù)據(jù)以10 s的時間間隔傳送到PC中即可，所以即便丟失了一些數(shù)據(jù)點(diǎn)，也不會導(dǎo)致任何問題。

設(shè)計(jì)圖形化用戶界面

系統(tǒng)需求之一是提供顯示所有與監(jiān)測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)以及太陽能技術(shù)中心設(shè)置有關(guān)的綜合信息。LabVIEW中的選項(xiàng)卡控件為用戶提供了在單一應(yīng)用程序中放置所有信息而不讓用戶界面變得過于復(fù)雜的實(shí)用功能。

另一個挑戰(zhàn)是將不同測量數(shù)據(jù)顯示在圖表中。圖表讓用戶直觀地看到一個參數(shù)和另一個參數(shù)之間的關(guān)系，以及任何參數(shù)的變化趨勢。在任何一個時間點(diǎn)上有22個測量數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中包括天氣參數(shù)、光伏直流電壓和電流以及每個類型太陽能面板的面板溫度。在一張圖表上列出所有數(shù)據(jù)是不可能的。這可以通過用程序方法控制圖表繪制加以解決。程序的設(shè)計(jì)使用了項(xiàng)目選取以及圖表屬性節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。用戶可以在一個圖表中一次性查看多達(dá)四條數(shù)據(jù)曲線和測量參數(shù)。圖2顯示了用戶界面的截屏。

結(jié)論

LabVIEW幫助我們的團(tuán)隊(duì)在三個月內(nèi)快速開發(fā)了Modbus接口程序，并且設(shè)計(jì)了富有信息量的優(yōu)秀用戶界面。使用NI PXI硬件確保了系統(tǒng)可靠性，它自從2008年9月以來每周七天，每天24小時 不間斷運(yùn)行至今。我們團(tuán)隊(duì)的下一個任務(wù)是評估光伏系統(tǒng)性能，包括評估光伏陣列效率、能量發(fā)生關(guān)于氣候條件和模塊條件的關(guān)系。

圖2：用戶界面截屏