基于VB的獨立光伏運行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

【摘要】本文利用VB軟件完成獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的上位機部分設計，通過VB軟件中的MSComm控件、Picture控件、Timer控件等控件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控。文中利用VB編程與RS-232口進行串行通信，實現(xiàn)了對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動采集。重點利用VB編程實現(xiàn)串口通信，并且進行數(shù)據(jù)動態(tài)接收保存，將接到的數(shù)據(jù)賦值于全局變量，達到可以圖表繪制曲線。實際運行表明，利用VB完成獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)具有動態(tài)顯示功能強，可視性強，為故障預報與故障診斷模塊提供了基礎等優(yōu)點。

【關鍵詞】VB；光伏；數(shù)據(jù)采集；遠程監(jiān)控

1.引言

工業(yè)革命給人類歷史帶來了輝煌的文明，但同時也造成資源的極大浪費和生態(tài)環(huán)境的破壞，能源問題是全世界都在關注的問題。因此，尋求一種新的、無污染的、儲量豐富的替代能源迫在眉睫。而與其他能源相比，太陽能具有許多明顯的優(yōu)勢，諸如不受地域限制、能源潔凈、穩(wěn)定性高、無噪聲等。近年來隨著科學技術的不斷提升，商品化的太陽能光伏電池的轉換效率已達到18%，使得其應用范圍更加寬廣[1]。在電力應用方面太陽能利用有并網(wǎng)發(fā)電的家用型發(fā)電系統(tǒng)、獨立供電型的照明系統(tǒng)、一般電池儲能應用以及電機驅動應用。本文主要討論獨立發(fā)電的光伏系統(tǒng)的上位機部分。

數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)處理與分析中的首要環(huán)節(jié)。由于在編程時，要涉及到對硬件的控制，因此，選擇C語言編程的程序員居多，也有選擇C++的少數(shù)程序員。但這兩種經(jīng)典語言掌握難度大，可讀性差。本文采用面向對象的可視化的編程語言VB從根本上解決了以上問題，只要有一定編程基礎的技術人員，均可實現(xiàn)自己編程。

2.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

典型的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、MPPT控制器、蓄電池組、交直流變換器和交直流負載等構成，如圖1所示。

圖1 典型光伏發(fā)電系統(tǒng)圖

太陽能電池單體是用于光電轉換的最小單元，太陽能電池單體是由一片單晶硅片構成的。多個太陽能電池單體通過并聯(lián)、串聯(lián)后構成太陽能電池模塊。多個太陽能電池模塊封裝后構成太陽能電池陣列，也稱為光伏陣列[2]。太陽能電池單體的功率規(guī)格一般為幾瓦至幾百余瓦不等，是可以單獨作為電源使用的最小單元，將許多個太陽能電池單體串并聯(lián)并且封裝后組成的光伏陣列可以滿足負載所要求的輸出功率。

蓄電池組主要有兩個作用：一是貯存光伏陣列受光照時所產(chǎn)生的電能；二是隨時向直流負載或者交流負載供電。

交直流變換器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵部件，變換器分直流變換器和交流變換器兩種。直流變換器類似于開關電源，將直流電壓和電流變換為不同電壓等級的直流電壓和電流；而交流逆變器是將直流電力逆變成交流電力。

3.設計原則

3.1 數(shù)據(jù)流的設計原則

在獨立光伏發(fā)電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應用數(shù)據(jù)流設計，初步分析可知：光伏陣列被太陽照射后產(chǎn)生的物理量和電氣量被傳感器采集處理后轉變?yōu)殡娦盘枺浑娦盘栠M過調(diào)理和模數(shù)轉換后生產(chǎn)數(shù)字信號；數(shù)字信號通過接口進入VB平臺；最后通過人機界面顯示數(shù)據(jù)和圖表。

數(shù)據(jù)流計算不同于傳統(tǒng)的計算模式，關鍵在與數(shù)據(jù)流思想的數(shù)據(jù)本身具有到達快速、范圍廣泛和持續(xù)的到達時間這三點。

因此本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實質(zhì)就是對數(shù)據(jù)流進行獲得、處理和顯示的過程。獨立光伏發(fā)電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是數(shù)據(jù)流路徑設計和模塊化的實現(xiàn)過程的統(tǒng)一。

3.2 模塊化的思想

模塊化是指解決一個復雜問題時自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分為若干模塊的過程，每個模塊完成每個子程序的特定功能，所有的模塊通過某種邏輯組裝起來，成為一個完整的能夠完成整個系統(tǒng)功能的整體。模塊化思想指導我們處理復雜系統(tǒng)時，可分割、組織和打包系統(tǒng)，將復雜系統(tǒng)分解為更好的可實現(xiàn)和管理的模塊。

用VB編程生產(chǎn)的獨立光伏發(fā)電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的就是模塊化的思想。依據(jù)模塊化，可以定義它的接口，包括了輸入輸出數(shù)據(jù)，控制信號和狀態(tài)信號。

4.數(shù)據(jù)采集

4.1 RS232串口通信標準

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用RS-232串口通信標準。RS232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標準[3]。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。一般PC機上會有兩組RS232接口，通常稱為COM1和COM2。串口按位發(fā)送和接收字節(jié)。對于串口通信協(xié)議來說，最重要的參數(shù)是：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗位。對于本獨立光伏運行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，可將串口通信協(xié)議設定為：MSComm1.Settings=”4800，n，8，1”[4]。RS232接口電平采用負邏輯電平：-15～-3V為邏輯1；+15～+3V為邏輯0。

利用RS-232串行通信接口可以實現(xiàn)兩臺PC機的點對點之間的通信。現(xiàn)在計算機上一般只提供DB-9連接器，并且都為公頭。如圖2所示。

9行串行口的各個針腳功能為：1腳DCD用作載波信號檢測端；2腳RXD為接收數(shù)據(jù)端；3腳TXD為發(fā)送數(shù)據(jù)端；4腳DTR說明數(shù)據(jù)終端是否準備好；5腳GND接信號地線；6腳DSR說明數(shù)據(jù)裝置是否準備好；7腳RTS為請求發(fā)送端；8腳CTS為清除發(fā)送端；9腳RI為振鈴信號指示端。

4.2 程序流程

系統(tǒng)程序主要完成接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并且繪制數(shù)據(jù)曲線圖的功能。

流程如圖3所示。

5.具體實現(xiàn)

5.1 實現(xiàn)過程

使用VB串口控件MSComm實現(xiàn)通信。選擇Picture控件繪圖作為數(shù)據(jù)采集圖形的顯示控件。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集和動態(tài)圖形顯示還需要Timer控件的配合使用。

5.2 外觀設計

本系統(tǒng)的界面包括標題模塊、運行狀況模塊、菜單模塊和圖像顯示模塊。

數(shù)據(jù)采集界面的整體布局如圖4所示。

如圖4所示，我們在VB新建的Form窗體中：

（1）添加一個Picture控件，作為存放湘潭大學校徽的顯示控件。

（2）在Picture控件右邊，添加一個Text控件用作標題欄，邊框屬性設置為顯示邊框。

（3）Form窗體的右上角用一個Frame控件作為數(shù)據(jù)監(jiān)測窗口。用Shape控件顯示串口通信時正常或者故障的狀態(tài)。如果上位機與下位機通信正常，則光電池、蓄電池與逆變器的狀態(tài)為正常并且用綠色來顯示。如果通信不正常，則在光電池、蓄電池、逆變器對應部分用紅色來顯示通信故障，通知程序員檢查。

（4）Form窗體的主體由三個Command控件和三個Picture控件組成。Command控件用于控制，Picutre控件用于顯示實時數(shù)據(jù)采集曲線。當系統(tǒng)使用人員點擊對應的光電池、蓄電池、環(huán)境的按鈕，將會在其對應的Picture控件中顯示相應的實時數(shù)據(jù)采集曲線。

（5）Form窗體的右下角添加一個MSComm控件和三個Timer控件以及一個幫助按鈕。MSComm控件的添加步驟如下：

選擇“工程”菜單下得“部件”子菜單，在彈出的“部件”對話框中，在“控件”選項卡屬性中選中“Microsoft Comm Control 6.0”復選框，如圖5所示，單擊“確定”按鈕后，在工具箱中就出現(xiàn)了MSComm控件。

5.3 核心部分代碼設計

Dim Inputsignal As Integer

Private Sub Form_Load（）

MSComm1.Settings=\"4800，n，8，1\"

MSComm1.CommPort=5

MSComm1.InputMode=0'以文本方式取回傳入的數(shù)據(jù)

MSComm1.InputLen=0'一次讀取所有數(shù)據(jù)

MSComm1.InBufferSize=512'設置接收緩沖區(qū)512Byte

MSComm1.InBufferCount=0'清空接收緩沖區(qū)

MSComm1.OutBufferSize=512'設置發(fā)送緩沖區(qū)512Byte

MSComm1.OutBufferCount=0'清空發(fā)送緩沖區(qū)

MSComm1.RThreshold=1'每個字符到接收緩沖區(qū)觸發(fā)發(fā)接收事件

MSComm1.SThreshold=1'每個字符到發(fā)送緩沖區(qū)都觸發(fā)發(fā)送事件

MSComm1.PortOpen=True'打開串口

End Sub

Private Sub MSComm1_OnComm（）

Select Case MSComm1.CommEvent

Case comEvReceive

Inputsignal=MSCom1.Input

Text2.Text=Asc（Inputsignal）

Case Else

End Select

End Sub

。。。。。。

5.4 運行結果

程序調(diào)試后，上位機和下位機相互連接，對一天的某個時刻進行實地測量。并且對溫度進行測量。結果如圖6所示。

6.結論

本文利用VB軟件完成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的上位機部分設計，利用到了VB軟件中的MSComm控件、Picture控件、Timer控件等控件。使得基于VB設計的數(shù)據(jù)采集界面便于用于實際檢測中。

但是由于時間與場地的關系，不能長時間測量該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且在美觀上該系統(tǒng)界面還有待改進。在系統(tǒng)的封裝上還有待加強。

參考文獻

[1]吳財福，張健軒，陳裕愷.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及照明系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，2009.

[2]馮垛生.太陽能發(fā)電原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]謝標鍇（Xie Biaokai）.基于LabVIEW的光伏運行數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)（A LabVIEW Based Data Acquisition and Analysis System for Photovoltaic Systemes Performance Optical Engineering）[D].中山：中山大學光學工程（Zhongshan university optical engineering），2009.

[4]李江全，湯智輝，朱東芹.Visual Basic數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應用實戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5]田啟明，張焰林，曹月芹，陳武.Visual Basic程序設計案例驅動型教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[6]安迎迎，孫鳳英（An Yingying，Sun Fengying）.基于VB的路面平整度檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面設計（Design of Data Acquisition Interface of Pavement Detection System Based on VB）[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新（Development Innovation of Machinery Electrical Products），2011，24（1）：158-159.

[7]王璐，許雪峰（Wang Lu，Xu Xuefeng）.VB串行通信在監(jiān)測系統(tǒng)中的應用（Application of Serial Communication in the Monitoring System Based on VB）[J].實驗科學與技術（Experiment Science and Technology），2011，9（5）：14-15.

[8]喬文剛，汪友龍，李宣，孟有平（Qiao Wengang，Wang Youlong，Li Xuan，Meng Youping）.關于用VB實現(xiàn)實時測試曲線的動態(tài)顯示研究（Research on Dynamic Display of Real-time Testing Curve Actualized by VB）[J].機床與液壓（Machine tool hydraulics），2009，37（1）：126-127.

[9]Kang Jianli，Wu Zhiqiang.Methods of data fitting and graph drawing in Visual Basic[J].Computers and Applied Chemistry，2009，26（6）：763-766.

[10]Wang Lu，Xu Xuefeng，Wang Jian.Application of serial communication in energy monitoring system based on VB[J].Journal on Nanchang Institute of Technology，2011，30（1）：33-37.

基金項目：湖南省自科基金（項目編號：11JJ8004）、湖南省科技廳項目（項目編號：2010FJ3116）、湖南省教育廳重點項目（項目編號：10A114）。