基于LabVIEW双向振荡波浪发电装置测试系统设计

金豁然，李德堂，吕 沁，唐文涛，曹伟男，胡星辰

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022）

基于LabVIEW双向振荡波浪发电装置测试系统设计

金豁然，李德堂，吕 沁，唐文涛，曹伟男，胡星辰

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316022）

波浪发电装置能量转换效率是表征发电装置性能的重要指标。文中介绍了一种基于LabVIEW的能量转换效率实验测试系统，重点阐述了系统的测试对象、设计依据、软件开发及用户界面。该系统实现了对能量转换效率实验各数据的实时监测和后期效率分析处理，与前人的研究相比，该系统操作方法简单、测试成本低、用户界面友好，为以后复杂、繁琐的测试任务提供便利，具有一定的的参考价值。

LabVIEW；测试系统；公式计算；发电装置；转换效率

随着人类社会的不断发展，不可再生资源越来越少，人们对新能源的迫切需要不言而喻。而海洋波浪能是一种储存量大、清洁无污染的可再生资源，这就使得人们把目光瞄准了波浪能，为有效地利用波浪能，缓解我国能源危机，前人设计出了一些比较好的波浪能发电装置，而能量转换效率则是能量利用的重要参数，也是衡量一个发电装置设计是否合理的标志。卫林超、单长飞、李德堂［1］设计了一套双向振荡波浪发电装置，并通过实验证明了此装置的能量转换效率能达到12.17%，但是测试过程十分繁琐，操作过程复杂，需要花费大量的时间和精力，不利于实践工作的进行，本文基于LabVIEW设计了一套装置的测试系统，并开发出一套测试和计算方法。利用该套测试系统可以采集相关数据，从而计算出各个阶段的能量转换效率。这套系统方便实用、自动化程度高、测试成本低，可以推广到其他领域。

传统的测试仪器是由信号采集、信号处理和结果显示3大硬件组成［2］，功能十分单一，作用非常有限，缺少灵活性，特别是价格昂贵，仪器操作复杂而且测试精度相对较低，而以“软件代替硬件”是虚拟仪器最为突出的特点，其测试系统中的信号处理和结果显示部分的硬件可由软件直接代替［3］，从而能够节省成本，方便集中操作。

LabVIEW是美国NI公司推出的一个图形化软件开发环境，它作为业界最优秀的虚拟仪器软件开发平台，具有简单、易于理解和开发效率高等特点［4］。多用于仪器控制、数据采集、测试、数据后处理和储存等任务。它主要由前面板和程序框图构成：前面板是用户界面，主要由控件构成，用于与用户交流；程序框图是以图形表示的LabVIEW程序源编码，是实现程序功能最为重要的部分。

1　双向振荡波浪发电装置

双向振荡发电装置正常运转状态如图1，可观测到灯泡明亮，电压稳定。其结构原理示意图如图2所示，该装置主要由浮筒、双向作用液压缸、阀件、液压管路、储能器、液压马达、发电机及灯泡（负载）等组成。其工作原理为：浮筒接受波浪的能量做垂向运动从而推动活塞运动，液压管内的液压油受到挤压，借助高压液压油作用于液压马达的叶轮，从而推动液压马达旋转，给发电机提供动力以此来达到发电的功能。蓄能器具有能量储存功能，在波浪较大时，将油路中多余的液压能量进行储存，保证系统的压力稳定；在波浪较小时，释放存储的能量，补充系统达到稳定所需的能量。主油路不稳定液压油经过蓄能器的调节，转化为较稳定的液压油；较稳定的液压油通过流量调节阀带动液压马达转动。图3为发电装置的能量转换流程图。

图1　发电装置工作图Fig.1　The working picture of generator

图2　结构示意图Fig.2　Structural representation

图3　能量转换流程图Fig.3　The flow-process diagram of energy conversion

2　公式计算

2.1电路系统功率

双向振荡波浪发电装置电路系统功率：

式中，P电路为电路系统的有效功率，U为电路系统测得的平均电压值，I是测得的平均电流值。

2.2液压系统功率

双向振荡波浪发电装置的液压系统功率［5］：

式中，P液压为液压系统的有效功率，P和Q分别为压力、流量，可由测试系统测得。

2.3浮筒输出功率

双向振荡波浪发电装置浮筒的输出功率［6］计算公式：

式中，P输出为浮筒的有效输出功率，t为浮子的有效运动时间，Fpto为液压阻尼力，Fpto将在后面公式（4）中给出，L有效行程为浮筒的有效运动距离。由于发电装置使用双作用液压缸，浮筒的上下运动即为液压缸的来回运动，且均为有效位移，而该数据可由数据采集系统采集获得。

Fpto=F×S（4）

式中，F为液压系统的压力，S为活塞面积。

2.4波浪能计算

图4　测浪装置示意图及现场测试Fig.4　The schematic diagram of testing wave device and field test

波浪的相关参数必须借助于另一套设备（图4）来记录其轨迹曲线，同时必须在同等的波浪条件下进行，该装置主要包括：激光位移传感器、DAQ数据采集机箱、滑竿、浮标和LabVIEW数据采集系统等。浮标是由泡沫材质制作而成，质量轻便，能很好的反应波浪的运动轨迹。浮标的运动轨迹同样可由下述测试系统采集并储存。

同等环境下波浪能可由公式［7］（5）得出：

为计算出公式（1）—（6）中的数值，需要采集的数据和参数有：电路系统的有效电压U和电流I；液压系统的压力F和流量Q；浮筒的有效位移L有效行程；波浪的运动轨迹。

3　测试系统设计

3.1系统组成

基于LabVIEW的数据采集系统主要由硬件与软件两部分组成，其中包括传感器、硬件驱动程序和LabVIEW数据采集VI等［3］。其中硬件驱动程序将软件与硬件连接起来，实现软、硬件间的数据传递，是软硬件之间接通的桥梁。通过驱动程序用户接口MAX（Measurement&Automation Explorer）对数据采集卡进行控制，进行数据的采集，使用MAX对硬件进行自检确保硬件正常工作，根据实际测试环境进行各种必要的参数设置。LabVIEW编写的数据采集程序，会采集并保存MAX对数据采集卡设置的数据，流程图如图5所示。

图5　采集系统流程图Fig.5　The flow chart of acquisition system

3.2系统硬件

DAQbook为lero公司出品的一款数据采集机箱，拥有8个数据采集接口，供各类传感器连接，其使用USB（Universal Serial Bus）数据线作为数据传递总线，只需一台计算机便可完成所有的测试任务。

计算机外的DAQbook数据采集卡首先会获取采集的数据，然后通过USB总线将数据传递给计算机，信号的显示，数据的储存、读取和分析等功能会通过电子计算机实现。传感器类型见表1。

表1　传感器硬件Tab.1　Sensor hardware

3.3系统软件

基于LabVIEW的数据采集系统的软件部分，一般是由驱动程序、驱动程序接口和虚拟仪器软件构成。而虚拟仪器数据采集程序的设计是整个采集系统的核心［3］，也是系统的重要组成部分。使用其设计数据采集应用软件需要遵循软件工程中的一般原则和方法：软件需求分析，明确设计任务；模块化设计和层次化思想；可操作性强，降低对软件操作人员专业知识的要求［9］。LabVIEW编程又称为“G语言”，使用者采用图标与连线的方式，可以像画电路板一样编写程序，非常形象，通俗易懂，易于操作［4］。文字设计了一套双向振荡发电装置的数据测试系统，其包括了系统登入界面、数据采集模块、数据储存模块、数据读取模块和数据显示界面。

设计良好的用户登入界面会给人一种友好的感觉，本文编写了一套精良的登入界面，设计了简单的加密程序，可以用于加密做实验。运行LabVIEW数据测试程序，面对前面板，选择是否进入测试系统，如图6所示。选择确定进入系统，会弹出权限的验证窗口，只有正确输入用户名和密码，通过验证后才能进入系统，否则系统将提示自动退出，有良好的保密效果，如图7所示。权限验证成功后，选择需要测试的系统，如图8所示。整个登入系统程序框图的设计如图9，其中程序中还使用了子VI，将子VI节点设置为调用时显示前面板，这样系统加载时会显示系统正在启动中，直到进入下一个环节才自动关闭。程序使用平铺顺序结构，其中每一个子程序框图称为一个“帧”，此结构能够保证每个帧中的程序从左往右的顺序逐一执行，防止系统运行时发生混乱。

图6　进入系统界面Fig.6　Enter the system interface

图7　权限验证界面Fig.7　The interface of permissions

图8　采集系统的选择Fig.8　The selection of data acquisition system

图9　程序框图Fig.9　Program diagram

3.3.1通道配置及任务的创建

通过配置管理软件（MAX），能识别硬件和对硬件进行控制，其可以很方便的实现LabVIEW驱动数据采集卡的功能［10］。在这里需要创建6个测试任务，即电路系统中电压、电流测试任务；液压系统中压力、流量测试任务；振荡浮筒的位移测试；波浪的运动轨迹。创建过程及通道选择如图10所示。

DAQBook数据采集设备硬件在配置管理器（MAX）中的显示名称是Dev1，物理通道名分别是Dev1/ai0...Dev1/ ai7，在这里ai0...ai5分别对应的通道为电压、电流、压力、流量、位移和运动轨迹，采集设备上接口一一按照以上通道连接对应的传感器，将传感器移入到测试系统，双向振荡波浪发电装置稳定运作时，通过操作软件测试界面即可测得相应的数据。

图10　测试任务的创建和通道的选择Fig.10　Creation of the test task and channel selection

3.3.2数据采集

采集系统设计时，主要包括2个部分的设计，即虚拟仪器前面板设计和程序框图设计。数据的储存是测试系统必需具备的功能，可供以后查看和分析，相当重要。本文设计了一套程序，可将选择采集到的数据保存在指定的文件中，系统中把数据写在“双向振荡发电装置”这个文件中，并储存在电脑硬盘里，以免数据丢失，程序框图设计如图11。

图11　测试数据储存在文本文件中Fig.11　The test data is stored in the text file

上文中已经为所有的测试任务配置了通道，现在只需要在“测量I/O”→“DAQmx数据采集”函数子选板中选择“DAQmx创建通道”函数设置用于生成虚拟通道的物理通道，就可以实现对硬件的控制，完成数据的采集，图12中电压数据采集选择Dev1/ai0通道（按照上文设定好的通道）。将DAQmx定时（采样时钟）设置为连续采样。利用一个for循环和条件结构，给予采集系统的一个停止的条件（在前面板中用一个布尔按钮实现）和对数据储存的控制（同样是一个按钮），这样就能够实现有目的的采集和存储相对稳定的数据，以此提高采集准确率，程序框图如图12。

图12　数据采集程序框图Fig.12　Program diagram about the data acquisition

在程序框图中调用“数学”→“概率与统计”→“均值”函数，连接到程序中即可得出所测数据的平均值，用于公式计算。前面板界面是最终用户将直接面对的窗口，而生动形象、美观大方的前面板设计给人以友好的享受，特别是用户在长时间面对前面板时，不至于会感到枯燥乏味，所以系统中设计一个易于操作、简单实用、美观简洁的操作界面重要性可想而知，而且前面板各控件的分类、排列一定要归纳合理，这样易于使用者操作，能够十分容易即可找到想要读取的数据和要动作的按钮，整个采集系统的用户界面如图13所示。界面中各个板块分类合理、排列十分整齐、简洁美观。

图13　用户操作界面Fig.13　Operation interface for users

4　结束语

LabVIEW作为功能最为强大的虚拟仪器开发工具之一，具有强大的数据采集功能。文章通过有效的数学推导与合理的编程，仅使用一台电脑、一个数据采集机箱和若干传感器就能够对双向振荡波浪发电装置的各项参数进行测量，并利用文章列出的计算方法，计算各个部分的能量转换效率。基于LabVIEW设计的测试系统不仅具有界面友好、可加密实验、功能完善、携带方便、自动化程度高、测试成本低等特别，还具有操作方便、可靠性高等优势，具有很高实用价值。

［1］林卫超，单长飞，李德堂.新型发电装置的模型设计及实验研究［J］.船舶工程，2013，35（4）：118-121.

［2］李扬，李晓明.基于LabVIEW数据采集的实现［J］.微计算机应用，2003，24（1）：38-41.

［3］向科峰.基于LabVIEW的数据采集系统设计与实现［J］.机械管理开发，2011（4）：191-192.

［4］肖成勇，雷震山，魏丽.LabVIEW2010基础教程［M］.北京：中国铁道出版社，2012.

［5］路甬祥.液压气动技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［6］Date Li，Detang Li，Fei Li，et al.Analysis of floating buoy of a wave jack-up platform Haiyuan 1［J］.Advances in Mechanical Engineering 2013，Article ID 105072，7 pages.

［7］张亮，李云波.流体力学［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.

［8］曾一菲.海洋工程环境［M］.上海：上海交通大学出版社，2007.

［9］张兰勇，孙键，孙晓云.LabVIEW程序设计基础与提高［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［10］杨忠仁，饶程，邹建，等.基于LabVIEW数据采集系统［J］.重庆大学学报，2004，27（2）：32-35.

Design of Test System of Two-way Vibration Wave Power Generating Device based on LabVIEW

JIN Huo-ran，LI De-tang，LV Qin，et al
（Ship and Marine Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Energy conversion efficiency of wave power generating device is an important index of it’s performance.This paper introduces the design of testing system of the energy conversion efficiency based on LabVIEW，which explains the test object of the system，design basis，software development and the user interface in detail，System can realize real-time monitoring of all the data on the energy conversion efficiency analysis and post processing of the efficiency in the later period，compared with studies of previous，operation method of the test system is simple，low test cost and friendly user interface.Thus，it is convenient for the studies to finish complicated and tedious testing tasks and has a certain reference value.

LabVIEW；testing system；calculating formula；generating device；conversion efficiency

TM619

A

1008-830X（2015）03-0270-06

2014-12-30

国家海洋局可再生能源专项资金项目（ZJME2011BL04）；上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目（1205）

金豁然（1990-），男，湖北荆州人，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋工程结构水动力分析.