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)果的實時顯示。

“整套設(shè)備的核心是NI PXI-8184實時控制器，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、堅固性和方便的可配置性。”

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，重點是開發(fā)太陽能。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，新加坡政府和經(jīng)濟發(fā)展局下屬的清潔能源研究與實驗計劃（CERT）制定了多項措施。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，功率總計達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行的性能和特性的測試實驗中心。

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隊，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)和實際氣候條件的自定義實時監(jiān)測系統(tǒng)。

團隊使用LabVIEW軟件進行開發(fā)，因為它提供了開放式的開發(fā)平臺、多功能性以及獨創(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、堅固性和方便的可配置性。軟件的開發(fā)是基于LabVIEW和LabVIEW實時模塊進行的。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)生使用電子功率計采集。此外，總共有22個測量數(shù)據(jù)點是從測量儀器和五個電子功率計采集的，總計 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。

團隊使用Modbus遠程終端單元（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)冗余驗證（CRC）代碼實現(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)計程序在這些設(shè)備之間進行通信是簡單的。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錯誤驗證算法實現(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，并且能夠為不同制造商的設(shè)備工作。

從PXI實時控制器到PC的數(shù)據(jù)傳送

團隊使用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，因為該系統(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，也不會導(dǎo)致任何問題。

設(shè)計圖形化用戶界面

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。在任何一個時間點上有22個測量數(shù)據(jù)點，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)計使用了項目選取以及圖表屬性節(jié)點來實現(xiàn)。用戶可以在一個圖表中一次性查看多達四條數(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幫助我們的團隊在三個月內(nèi)快速開發(fā)了Modbus接口程序，并且設(shè)計了富有信息量的優(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 不間斷運行至今。我們團隊的下一個任務(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