网络组态（共8篇）
网络组态 篇1
0 引言
邯钢电镀锌生产线原为邯钢冷轧厂彩图生产线,由北京中冶设备研究设计总院负责全线的改造工程,将原彩图工艺改造成电镀锌的工艺,冶金设备院自动化部负责全线的电气改造任务,包括控制系统设计、软件编程及调试。原彩图生产线控制系统为罗克韦尔的Contrologix 1756L55控制器,采用ControlNet网络,改造后的电镀锌生产线控制系统升级到Contrologix 1756L62,并增加一个控制器负责新工艺的控制。
1 邯钢电镀锌控制系统简述
全线控制系统被划分为四个控制机架,总共由10个1756L62控制器组成,入口段的机架配置3个1756L62控制器,工艺1段配置4个1756L62控制器,工艺2段配置1个1756L62控制器,出口段配置2个1756L62控制器,每个控制器承担不同的任务,各个机架通过ControlNet网络连接,控制器之间有大量的数据通讯,包括布尔量、整型、实型、字符串等数据。通过生产者/消费者通信模式,各个控制器之间、控制器与ControlNet网络上的节点之间能高速高效的传送各种数据类型的数据,硬件组态简单,无需进行网络编程。但是在硬件组态和ControlNet网络组态过程中,如何设置好RPI时间与NUT时间,是网络组态成功及网络数据传输速度、所传输数据流量大小的关键。
2 ControlNet网络的技术特点
ControlNet网络是一种高速且时间确定性的网络,它为对等通信提供实时控制和报文传送服务,又可作为为控制器和I/O设备之间的一条高速通信链路,它在同一链路上满足I/O数据实时互锁、端到端报文传输和编程/组态,且允许多个控制器同时并存,允许输入数据和端到端数据的多路组播。
ControlNet最重要的功能是从一个节点到另一个节点传送时间确定性的控制信息(如IO状态信息),也叫做预定信息,它也传送其他信息(非时间确定性信息,如程序上传和下载),也叫非预定信息。ControlNet控制网采用时间限制存取算法控制网络上各个节点的网络刷新时间(Network Update Time,NUT),以实现网络上预定信息和非预定信息的正常传送。
2.1 NUT(网络刷新时间)
N U T时间是一种可重复的时基,可以在2~100ms范围内调整,其默认值为5ms。每一个NUT时间主要被划分为三个部分:预定信息、非预定信息和网络维护信息。在预定信息传送时间内,网络保证每一个节点有机会传送信息,时间确定性信息在预定信息传送时间内传送;在非预定信息传送时间内,控制网允许所有节点传送数据,直至分配给此部分的时间用完为止,传送非预定信息的时间分配取决于预定信息的通讯量,但是控制网能保证有至少一个节点有机会传送非预定信息;在网络维护时间内,控制网让地址最小的节点传送信息来保持与其他的节点同步,网络维护时间由控制网自动从NUT时间里扣除[1]。
2.2 RPI(请求数据包间隔时间)
RPI(Requested Packet Interval)时间是控制器的数据采样间隔时间,实际上也就是采样时间限幅值,控制器周期性的采样控制网络上节点的数据包,而实际采样周期(实际数据包间隔)称为API(Actual Packet Interval),API时间总是小于或等于RPI时间,它是由控制网根据所传送数据包的大小及传送速度来自动选取的。
3 NUT与RPI值的设定与选择
3.1 如何在软件中设定NUT与RPI
N U T设定可以通过运行R S N e t W o r x f o r ControlNet,在菜单Network/Properties/Network Paramerters中修改Network Update Time的值;RPI设定可以通过RSLogix5000编程软件,在I/O Configuration展开所有已经组态的模块,右键点击适配器选择Properties/Connection修改Requested Paket Interval值(RPI),而对于消费者标签的RPI值设定,打开Controller Tags后,从中选择消费者标签,在Properties/Connection修改Requested Paket Interval(RPI)值。
3.2 NUT与RPI值的选择及作用
在RSNetWorx for ControlNet软件中进行网络组态时,当操作完“Edits Enable”后选择save edits时,将会弹出一个对话框提示“if you want to optimize or possibly merge edits”。这就意味着预定的算法将处理所有的数据请求并为每一个节点设备定义起始NUT号码及API。当选择“optimize or merge”时,RSNC扫描每一个节点设备,读取设备上的所有数据请求,并为这些数据做好传送安排。算法为每一个设备计算的请求时间(API)必须小于或等于RPI,并且每一个API必须是NUT的2n倍,如果所有混合型的数据包不能在网络所限定的条件下严格按照时间排定好,RSNC将会提示出哪个限定条件没有被满足。
3.2.1 NUT与RPI值的选择
NUT是最小的采样间隔周期(最大的采样频率),当控制器采样离散变量时,必须使离散变量的特性与NUT一致。假设某个已经开启的离散变量的脉冲长度为20ms,如果设置的NUT大大超过20ms,那么控制器就可能丢失这个脉冲,因为采样的频率不能足以保证每次都能捕捉到这个脉冲;和NUT的定义一样,RPI同样也可以称为采样间隔周期,上述API时间总是小于或等于RPI,RPI限制着API值的大小,因此,RPI相当于最大的采样间隔周期或最小的采样频率。
RPI的选择类似于前述NUT值的选择,对于其他设备的RPI值的选取高于NUT值的基于这些数据的要求。假设采样一个水坝的液位数据,那就不需要设置5ms采样一次,因为液位不会变化的那么快,而如果要采样一条高速罐装生产线,那么RPI需要设置得尽可能的小。
NUT也限制着网络的整体数据流,ControlNe网以5Mbits/s或625bits/ms的速度通讯,因此在一个NUT内能传送的最大字节是625乘以NUT值,假设一个NUT值为2ms,那么在一个NUT内最大能传送1250字节数。但是所有这些字节不都是用于控制信息的,在这1250字节中,由于网络维护也是需要125字节的流量。在一个NUT内,任何一个节点能传送的最大的预定通讯信息是521字节,在这521字节之外,44字节用于系统开销,系统开销减小了每一个节点的可用控制信息的余量。另外,ControlNet网还为非预定信息保留了最大521字节的流量,所以,在每一个NUT内能传送的最大的控制数据是:[625×NUT(in ms)–(125+521)]bytes。例如NUT为2ms时,仅有604字节(包含每一个节点的系统开销)能用于传送控制数据,所以不能在一个NUT内让两个节点同时传送他们最大的数据量,而如果NUT设置为100ms时,可以传送61854字节的控制数据,但是更高的NUT会降低你想采样数据的采样速度,这里面存在一个平衡,那就是所选择的NUT必须在数据流与采样要求之间保持一个平衡[2]。
3.2.2 NUT与RPI值的选择对网络的影响
使用ControlNet网进行上传/下载时、在线监控、使用HMI或MSG通讯指令时,需要为非预订任务安排足够的时间,RSNC显示了平均带宽使用率和峰值带宽使用率,并且列出了在每一秒中能用于非预定性的通信类型的非预定字节数。如果在非预订性信息的运行上有问题,必须检查带宽使用率,根据经验,带宽的使用率最好别超过50%~60%。尤其是HMI通信消费了大量的非预订带宽,如果遇到超时问题,那么可以考虑降低HMI数据的轮询率,也可以考虑将HMI数据通讯移到Ethernet,或者,当使用Logix系统时,再增加一个适配器使用另一个ControlNet连接专门用于控制HMI数据及其他的非预订信息的通讯。为了让非预订性带宽尽可能大,也可以尽可能高的选择RPI。
4 结束语
原系统中有大量的生产者/消费者通讯,改造后的邯钢电镀锌电气控制系统,由于新增了一个控制器,并且全线工艺发生了变化,因此新增的控制器与其他控制器之间新增大量的通讯数据,在组态ControlNet网络时,出现错误“Transmitted Scheduled Data Exceeds the Maximum Allowed for a Node”,这个错误的含义是“所传送的预定性数据超过了节点所容许的最大值”,根据上文分析,故障原因是因为RPI时间过小,系统请求数据过于频繁,或者是ControlNet网络刷新频率不足以满足系统请求数据的频率,因此增加RPI值或减半NUT值就可以解决这个问题。
摘要：理解RPI时间和NUT时间的含义及二者之间的关系,合理设置RPI值与NUT值是ControlNet网络组态成功的关键。
关键词：RPI,NUT,ControlNet网络,预定信息,非预定信息
参考文献
[1]黄向明.ControlNet网络技术在宝钢3群彩涂机组的应用与实践[J].2005.6.
[2]RsnetWorx for ControlNet Online Help
网络组态 篇2
基干组态王的水箱液位控制与检测报告
一、绪论
水箱液位控制与检测在工业过程控制中应用非常广泛。在串联双容水箱水过组态软件对整个过程进行模拟，同时绘制实时曲线和历史曲线，建立报表，设置报警等对现场实现实时监控。组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
二、系统需求分析
在本次设计中，分别使用了三个水箱：上小水箱、下小水箱、储水箱。使用马达作为动力来源往高处送水。同时采用三个阀门：阀门
1、阀门
2、阀门3来控制管道的流动状态。在采用三个显示表来分别显示上小水箱、下小水箱、储水箱的液位高度。在动态链接之前首先要定义程序中用到的变量，在组态王的数据词典中定义I/O 变量、内存变量和中间变量，数据是用来描述工控对象的属性，组态王定义的各种变量组成数据库。这里我们定义：电机开关控制、阀门
1、阀门
2、组态王课程设计
图4-1 系统登陆画面
图4-2 主控画面
组态王课程设计
图4-5 实时曲线
五、数据字典设计
电机开关控制、阀门
1、阀门
2、阀门3为内存离散量，上小水箱液面、下小水箱液面、储水箱、控制水流为内存整数。各变量及参数类型如下图所示：
图5-1 数据字典截图
组态王课程设计
网络组态 篇3
电动汽车能源利用率高和低污染等特点作为交通工具而被广泛关注。但电动汽车采用大量的电子器件，整车的控制难度和数据的时实性要求很高，随着车辆电子器件的增加，需要一种先进的总线技术来减少电线的数量，提高系统的稳定性[1]。CAN总线与一般的总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。但CAN协议只规定了物理层和数据链路层，要用户自己定义应用层，国内对CAN总线的研究大多基于CAN2.0B规范开发，很少能在应用层的水平上进一步的深入。本文以MCGS组态软件开发监控界面，利用i CAN和CANOPEN协议设计了电动汽车车载网络实验平台，为进一步的应用层的研究做准备。
2 系统介绍
整个车载网络分为高速网络和低速网络两大网络，彼此独立，这样可以保证两个网络数据传输不受影响。其中高速CAN的波特率是500kbit/s，低速网络波特率是125kbit/s。高速网络基于CANOPEN协议，低速网络基于ICAN协议。其中在高速网络中有电机控制，电池管理节点，制动控制节点，安全气囊节点，变速器节点共5个节点。低速网络中有显示节点，左前节点，右前节点，空调温度系统节点，车顶节点，左后节点，右后节点，雨刮器节点共8个节点。每个网络的都有一对阻值为120欧姆的终端电阻。由于车的种类很多，本文只是标准配置，含盖了常用的模块，根据具体情况还可以扩展。网关可以对两条独立的总线进行数据交换和资源共享。中央控制器是整车管理系统的控制核心，对各种信息进行分析处理，并发出指令，协调汽车每个控制单元及电器设备的工作。图1是整个系统结构拓扑图。选用带两路CAN总线接口的USBCAN-II，支持USB通信，有OPC客户端接口。在本文中，用PC机作为两个总线的主节点，PC机数据处理功能强大，可以充分利用各种软件，能实现网关和中央控制器功能，并用MCGS组态软件开发监控界面，对整个系统进行监视和控制。
3 网络设计
3.1 低速网络
iCAN协议使用扩展帧格式CAN报文(CAN2.0B)，对29位帧标识符和数据部分进行了重定义，建立了一个统一的设备模型，定义了设备的I/O资源和访问规则，可以最多支持64个节点，能满足低速网络的节点要求[2]。
低速网络根据输入的各种开关控制量，控制车灯的通断，实现车窗的升降和门锁的开/关和雨刮的控制;采集汽车各种状态信息如温度、车速、车灯状态等，显示相关信息出来，并对系统故障发出警告信息。PC机的主要功能为：采集开关量，根据开关状态处理数据，发送控制命令;接受网络数据报文，处理数据。发送状态信息;在必要时起到网关的作用，将相关数据传输到高速CAN网络上。
右后节点、左后节点、右前节点、左前节点功能为：接收网络数据，控制汽车车灯和车窗电机、门锁电机;采集它们的状态信号并发送电器状态数据，通报电器是否正常工作;车顶节点用于控制天窗和车顶内部的灯以及控制雨挂器;仪表节点用于显示车身各状态信息，如车速指示、CAN故障指示、远光指示、倒车指示等;温度系统节点用于向CAN网络交换汽车内部温度数据;一共8个节点，由ICAN协议来实现。
以左前节点为例，这里选用广州致远电子开发的iCAN 2404功能模块作为节点，iCAN2404有4路自保持功能的继电器输出通道，控制汽车车灯和车窗电机、左转弯灯、门锁电机，需要4个开关量输出。输出部分与控制部分采用了光电隔离措施，隔离电压达到1000V，能在复杂环境下正常工作。在硬件建立好后，首先通过拨码开关SW1设置模块的波特率以及模块的MACID地址，节点地址设定为000010,CAN波特率设定为100kbit/s。然后在电脑上根据iCAN通信协议，在MCGS里面编写相应的报文帧发送和接收脚本函数，控制模块的输出。控制流程如图2所示。
iCAN协议支持主从通信模式和事件触发通信模式，在这里用主从通信模式，即命令/响应通信方式，主节点发出命令帧，从节点响应。主节点要和从节点通信，首先要和从节点建立连接，主节点发出建立连接命令帧报文，在命令帧里源节点地址是0x00，目标节点地址是000010，功能码是0x04，资源节点地址是0xf7，数据帧部分是0x0000FF。如果返回正常功能码就发送控制报文帧，iCAN协议规范中，继电器输出单元数据空间映射为0x20～0x3f的资源节点地址，主节点通过访问资源节点即可实现对继电器单元的操作，如果从站响应不正常，则分析返回功能码，显示错误原因。
3.2 高速网络
CANOPEN协议的核心在于对象字典(OD)，每一个节点都有自己的对象字典。对象字典包含了描述这个设备和其它网络行为的所有参数。11位的COB-ID有8个优先级，每个优先级有220个COB-ID。在预定义连续集ID里，高四位是功能ID，低七位是节点ID。功能码ID定义了4个发送PDO,4个接收PDO,1个SDO,1个紧急对象和1个节点错误控制ID对等对象，也有NMT服务对象、SYNC和Time Stamp广播对象[3]。
图3是基于CANOPEN协议的设备模型图。
3.2.1 高速网络的实现
在高速网络中，共有电机节点、电池管理、制动控制、安全气囊、变速器控制和车速等6个子节点，上位机作为主节点，接收每个节点的通讯对象，在分析之后，把相应的信息通过组态软件显示出来，当主节点要向一个节点的对象字典(OD)写入数据的时候，上位机发送相应的SDO通讯对象，节点返回一段数据，表明成功写入。表1是各子节点交换的信息，其中电动机节点中，转速、力矩等使用优先级较低的SDO通讯对象，如果要改变速度则用优先级较高的PDO;电池管理节点中，电池电量和电压数据使用一个SDO传送，当温度高于一个阀值的时候用一个PDO传送各主节点，都用周期传送;制动控制节点和安全气囊节点各自一个紧急通讯对象;变速器节点把档位信息和变速信息等通过PDO发送到网络上;车速节点周期发送速度数据到主节点。每个节点应该有一个NMT通讯对象来保护节点和BOOT-UP，安全气囊接收紧急通讯对象，优先级最高。上位机控制命令指节点初始化过程中主节点对子节点OD的访问。
3.2.2 典型节点设计
以电动机节点为例介绍节点的通讯设计，CAN接口卡接收来自网络上的CANOPEN通讯对象，并在分析之后把相应的数据写入驱动器或者读出并发送到网络上，驱动器控制电动机的转速和传递电动机的运行参数，在本实验平台上选用一台三相异步电动机和MODROL公司的IMS-GF3-47P5型号的驱动器，再配上MDOROL公司的CAN通讯卡，就能自由的控制电动机，CAN通讯接口卡支持1个SDO和2个PDO，每个PDO能发送8个数据对象，并且可支持一个SDO和一个PDO的自动重发功能，最高通讯速率达到1M，完全可以满足在这个实验平台上的需要。
在CANOPEN网络中，各种通信对象的标识符可采用默认值，也可利用DBT(标识符分配)服务进行动态配置，DBT服务需要大量的软件编程来实现，在本设计中采用标识符的默认模式。电动机节点需要传送的信息有转速、力矩、应急事件信号(紧急停止等)，因此需要使用的通讯对象有一个SDO,2个PDO，一个应急对象，上位机设为主节点，电机节点ID为1，图4为CANOPEN协议的通讯流程，各报文的通讯对象设置如表2。其中发送SDO一定要有来自主节点的请求，这时主节点作为客户端，电机节点作为服务器，客户发送转速和力矩查询信息，服务器响应并发送数据。在本系统中，可在上位机上设置周期为100ms的SDO数据发送。当需要提高电机的速度或者增加力矩时，主节点(上位机)即发送一个接收PDO，驱动器接收到数据后把相应的数据存入对象字典，再由应用程序处理数据。PDO2的发送可以使用事件触发异步传送方式，当电机电流过大时发送一个PDO给主节点，由组态软件给出相应的提示。当有来自制动信号的紧急停止信号的时候，启动紧急对象通信，此通讯对象优先级最高，能迅速反应。节点保护可以检查节点的当前状态，当没有数据传送时尤其有意义。
4 编写组态环境
MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件，可稳定运行于Windows95/98/NT操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、工程报表、数据与曲线等诸多功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备[2]。
4.1 图形组态
在MCGS组态软件里，常用库里提供了大量的图形，还可以编辑这些图形，能够很方便的开发出监控界面。本文开发了一个主显示窗口，可以显示主要的信息，如电机转速、温湿度数据、电池剩余电量、车速和转弯灯等常用的信息和报警提示信号。电机控制窗口可以显示转速和力矩等的实时曲线和历史曲线。车身窗口可以显示所有车灯和车门锁等的状态并且可以控制车灯和车门锁的开关;电池主窗口用于显示所有电池的参数，如电压和温度等，并且利用MCGS的报警显示功能，显示报警信息和存储报警数据以备以后查看。此外还开发了变速器控制、车身安全、故障记录等一系列窗口，能实时的显示数据和存储数据，还有动画显示功能。图5是主显示窗口。
4.2 定义数据对象
实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实施数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。在MCGS里，数据对象设置最主要的是数据类型和存盘相关参数以及报警属性设置。例如对于电机转速数据对象可以设置为数值型，定时存盘，不允许报警处理。本文所建立的工程比较大，相关的数据对象很多，每一个窗口都要好几个数据对象，可以在组态的时候再添加需要的数据对象。
4.3 编写控制流程
对于简单的系统，MCGS的简单组态就可完成。但对于本系统，需要使用脚本程序，正确的编写脚本程序可以简化组态过程，优化控制过程。例如对于温湿系统的数据，上位机接收到的是一串iCAN报文帧，利用字符串处理函数分析里面的帧ID，找出数据，并转换为10进制的数，发送到显示窗口。
4.4 连接设备
MCGS提供了OPC服务器的数据接口，周立功公司的ZOPC-SERVE是一个OPC服务器软件，可以把MCGS连接到此服务器，再通过此服务器来和CAN网络进行数据传输。在服务器中，对于每路CAN，都固定有两个通道，它们的名称分别为In_CANData和Out_CANData。对于输入通道In_CANData，服务器把从CAN网络接收到的数据存放到此数据项中，客户端只能读取它的数据;而对于输出通道Out_CANData，客户端把要发送的数据写入到此数据项中，服务器再把此数据项中的数据提取出来发送到CAN网络，客户端不能读取此数据项的数据。它们的存储格式都为字符串形式[2]。
5 结论
本文以PC作为监控系统的网关和主节点，用iCAN和CANOPEN协议分别组建低速网络和高速网络，利用MCGS组态软件开发了监控界面，实现了整个网络控制的自动化，具有较好的稳定性和精确度，在此基础上可以进一步的扩展，加深电动汽车CAN网络通信的研究。
摘要：为了解决电动汽车各部分之间的通信问题,基于iCAN和CANOPEN应用层协议设计了电动汽车车载网络平台,以MCGS组态软件开发了监控界面和以一台PC机作为数据处理中心。实验表明整个系统工作稳定可靠。
关键词：iCAN协议,CANOPEN协议,电动汽车,MCGS
参考文献
[1]卢珞先,陈元.基于CANOPEN协议的电动车车载网络设计[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2007,29(12):126-128.
[2]周立功.iCAN现场总线原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
网络组态 篇4
1 文献回顾与理论假设
1. 1 相关理论回顾
1. 1. 1 NPD网络组态研究
企业创新的合作网络是企业为获得创新资源、提升创新能力,通过契约关系或在反复交易的基础上,以及应用互联网信息技术手段与外部组织机构建立的彼此信任、长期合作、互利互动的各种合作制度安排[3]。新产品开发( New Product Development,NPD) 网络就是一种典型的创新合作网络。
按照传统的企业理论,较高的企业绩效来自于独特的企业内部资源或者有利的行业结构,但随着企业组织边界的日益模糊,跨组织的经营活动与管理决策逐渐成为新形势下企业面临的突出问题,古典经济学一分为二的方法对现实中企业的解释更加乏力,网络化的趋势已经成为当今企业较为普遍的选择,因此,越来越多的学者开始从企业间联系的角度解释企业竞争优势[4]。由于企业间网络和人与人结成的社会网络间存在着许多相似之处,社会网络理论( Social Network Theory) 很自然地被引入到管理学领域,大量的研究运用该理论和方法,在组织间的层次上,从企业所处的社会网络的构造出发来解释网络环境下企业的行为和绩效。随着产品创新对创新网络的依赖程度不断提高,当前企业行为的基本特征已经从追求自身效用最大化逐步转向竞争与合作的混合,所以,社会网络研究在管理领域已经成为一个重要的研究热点[5]。
Granovetter[6]的嵌入性理论来源于社会网络理论,界定了网络的关系嵌入与结构嵌入二维划分,其中关系嵌入是对嵌入网络中人际社会二元关系特征( 包括关系强度和关系质量等) 的刻画,而结构嵌入是对行动者嵌入网络的总体结构的描述( 包括网络密度和网络位置等) 。关系强度的大小描述了行为主体联系频率的高低和组织资源对关系承诺程度的高低; 网络密度描述了网络内实际存在的联系数量占到可能联系数量的比例。高密度网络会产生大量的企业间联系,网络内信息和资源将更快速地流动; 高密度的网络更容易发展出相互信任关系、共享准则,以及共同的行为模式[7]。网络位置是行动者之间关系建立的结果,是社会网络分析中的一个关键变量。网络位置的最重要的两个研究参数是节点中心度[8]( Degree Centrality) 和网络核心度[9]( Network Coreness) 。网络中心度描述的是该企业外部连接的单位的数量,网络核心度是以整体网络为视角来判断企业是处于网络核心还是网络边缘。
关系强度、网络密度、网络中心度、网络异质性等变量共同刻画了NPD合作网络主要特征,我们称之为NPD网络组态。上世纪90 年代以来,国内外学者对NPD网络组态对企业创新绩效的影响进行了大量的研究, 例如, 在关系嵌入性方面,Granovetter[6]提出了弱联结的假设,认为行动者之间的弱联结比强联结更可能带来多样化的信息,因此只有弱联结才能成为 “信息桥” ( Bridge) ; Martha等学者[10]通过实证研究,系统性地比较了强连接和弱连接的作用,认为总体而言,强连接在企业成立之初的确能给企业带来宝贵的信息资源,但资源类型单一且关系维护成本过高,因而多样化的弱连接关系在企业的整体生命周期中重要性更高。
在结构嵌入性方面,Burt[11]于1992 年提出 “结构洞”概念,强调 “桥联结”的作用,认为跨越结构洞或拥有较多桥联系的企业可以获得联结节点的异质性和信息优势; Fausto等学者[12]对瑞典医药行业员工的最新研究表明,结构洞作为社会资本的重要量度,同个人学习绩效间呈倒 “U” 型关系,结构洞适中的员工学习绩效最高。Akbar等[13]虽然通过研究证明了处于结构洞位置的企业有更高的创新绩效,但同时指出,单纯地从网络结构层面研究企业绩效而忽略目标企业的自身属性会导致信息严重失真。Yen等[14]通过研究发现,除了网络中心性外,企业自身的网络管理能力也是集群中企业提高创新绩效的一个重要因素。
近年来,越来越多的学者试图通过研究不同网络组态特征维度间的交互作用来更全面地分析合作网络对创新绩效或知识转移的影响,例如,Lechner等[15]认为高密度的网络结构保证了行为规范的形成和实施,若再通过关系加强,只会使企业陷入 “过度嵌入的困境”,而过度嵌入和企业有限的关系能力( 如建立、维持和发展关系) 会产生潜在的成长障碍。实际上,通过密集网络产生的相互联结与关系嵌入在一定程度上是相互替代的[16]。国内学者胡海青等[17]通过实证研究发现,网络位置的中心度与核心度在网络能力与创业绩效之间发挥着不同的中介调节作用; 徐勇等[18]则指出吸收能力对中心度和结构洞与企业绩效的关系有积极显著的调节作用。
此外,基于不同行业进行的实证研究也存在许多不一致的结论,例如,Powell等[19]在1996 年的研究表明,在生物技术领域,企业在合作网络中的位置中心性同其创新能力具有较高的相关性; 同一年,Madhavan等[20]基于钢铁行业的研究却得出了相反的结论; Akbar等[21]在2005 年的研究中发现,创新型企业如果占据着合作网络结构洞的桥梁位置,那么其创新绩效明显高于其它企业; 而Ahuja[22]在2000年对化工行业的研究中却发现,结构洞数量与创新能力呈负相关。
以上研究结果和差异反映了两个问题: 第一,由于合作网络对企业创新绩效的提升作用归根结底体现在外部知识的输入,包括 “质”和 “量”两个方面,而关系嵌入和结构嵌入均同时对企业吸收的外部知识的 “质”与 “量”产生影响,因此,网络组态特征变量之间存在内部相关关系。第二,NPD网络成员的创新绩效不仅受NPD网络组态的影响,还受企业创新导向、市场导向、网络能力、知识类型、转移能力等因素的影响,那么,研究网络组态和这些中间变量的关系也是一项颇有意义的课题。
1. 1. 2 创新战略导向与创新绩效
近年来,战略导向由于其重要性和管理可控性,在产品创新领域越来越受到学者的重视,其中受关注最多的两个维度是创新导向和市场导向。研究表明,创新导向、市场导向、顾客导向等战略导向均对企业新产品开发绩效有正向影响。
市场导向是现代营销战略和营销管理的核心,是在营销观念的执行中形成的一种组织行为,是指整个组织产生有关顾客需求的市场信息,跨部门传播市场信息,并举组织之全力来加以响应。大部分研究显示市场导向对新产品开发绩效有积极影响,但是,仍有学者认为市场导向将促使企业开发创新性较低的改良型和模仿型产品,原因在于现有顾客往往是短视的,他们缺乏洞察潜在需求和行业技术发展的能力,如果产品创新以顾客为中心,企业将很难研发出创新性的产品[23]。
创新导向对创新绩效影响的研究结论比较一致,文献普遍认为创新导向是企业参与创新的意向,它决定了创新的范围和力度,最终有助于改善创新绩效。近年来的研究主要集中在创新导向对新产品绩效的影响机制上,如张婧等[23]在2010 年基于中国制造业企业的实证研究发现,创新导向也是促进新产品绩效的非常重要的战略,它不仅可以直接改善新产品研发的有效性,还能够帮助企业更大限度发挥市场导向的潜力; 杨智等[24]基于湖南省高新技术开发区企业的实证研究表明,营销能力在市场导向和创新导向对企业绩效的正向影响中具有完全中介效应; 郭贤达等[25]通过对欧洲390 多家制造企业的实证研究发现,顾客导向和创新导向均通过组织学习这一中介变量对新产品绩效产生正向影响。
1. 2 研究假设
通过文献综述可知,NPD网络组态和创新导向均是影响新产品绩效的前驱变量,那么二者之间是否存在着一定的相关性呢? 首先,分析NPD网络组态对创新绩效影响的内在机理,国外学者Balaji等[26]通过引入外部环境和公司战略因素对此给出了合理的解释。他们认为从公司战略视角分析,合作网络实质上只存在两种结构,一种是开拓型( Antrepreneurial) 结构,另一种是控制型( Prominent) 结构,两种结构均可能给企业带来竞争优势,只是机理不同: 开拓型网络结构更强调弱联结关系、结构洞和网络资源的异质性,这些特征能使企业获得更多的多样化、非冗余信息,并在此过程中反过来不断强化该企业的信息中介作用; 而控制型网络更强调强联结、高密度网络和位置中心性,这些特征有利于企业更加快速、高质量地获取核心的、有价值的外部信息,同时,核心企业在网络中具有主导地位和较强的影响力,它能够通过规范其它网络成员的行为来强化自身的网络控制力,从而保持竞争优势。而从创新导向上分析,企业在进行产品创新时也可以有两种战略: 探索式创新和利用式创新。探索式创新是一种大幅度的、激进的创新行为,其意图是寻求新的可能性; 利用式创新是一种小幅度的、渐进的创新行为,其意图是对现状进行改进。利用式创新提高短期的效率、增加当前的收入,探索式创新增强长期的竞争力、增加未来的收益[27]。
综上理论,不难发现,企业的两种网络战略布局和两种创新导向之间应该存在一定的相关性,例如,高密度、高中心性的网络结构有利于网络知识的获取,有利于知识的高效率转移,自然有利于实现企业在现有产品上的不断改进,实现产品的渐进式创新; 再如,处于网络结构洞位置的企业,由于能够接触到更多的异质性信息,企业更容易脱离和超越现有的知识基础,获取和创造全新的知识,从而进行探索式创新,生产出变革性技术或产品。已有的大量实证研究表明,不论是从企业内部还是企业间考虑,提高知识获取、整合、探索、利用等能力的最佳网络结构需要具备强联接特征并跨越富含异质性知识的结构洞。密集网络和稀疏网络结构间存在着互补关系: 富含异质性知识的结构洞有利于创造新思想,但同样需要适度密集的网络联接关系以提高知识的整合和交换效率[28]。此外,企业的网络规划是需要随着企业战略和现实需要而不断调整和改变的,而企业的短期绩效和长期绩效、效率与效果之间也存在紧密的联系,是可以相互转化的。可见,NPD网络组态与企业创新导向间的关系也并不是一一对应的,而应该是一种典型相关关系。
综上,本文的研究模型如图1 所示。
2 研究方法
2. 1 样本与数据收集
本文首先对上海惠普、IBM、富士达欧司照明等18 家公司进行了企业访谈,结合访谈结果和已有量表进行了问卷设计。问卷内容基本覆盖了刻画企业网络组态和创新导向的各个变量。问卷调查对象主要是上海和长三角地区相关企业中从事产品研发和新产品知识管理相关工作的人员,最后的数据获取主要是通过标准化问卷调查获得。本次发放问卷150 份,回收124 份,其中有效问卷118 份。
2. 2 变量测量
在网络组态的变量选取上,本文选择了网络异质性而没有考虑结构洞属性。一方面是因为结构洞的本质是获取异质性资源,网络资源的异质性是结构洞发挥作用的前提条件,因此本文认为网络异质性比结构洞更能反映企业的网络组态; 另一方面,本文各变量测度均采用的是问卷打分的方法,带有一定的主观性,而结构洞这一变量无法通过这种方式来获得。在网络组态各变量测量上,以往研究主要有两种方法: 一种是考察一个产业园区,然后通过问卷调查把园区内企业的合作关系统计起来,最后用软件计算出各变量的数值; 另一种根据每个变量的内涵,设计几个描述性的语句,然后让企业的管理人员或者新产品开发相关人员基于主观判断给出分值。本文采用第二种变量测量方法,具体变量设计如下:
( 1) 网络密度。网络密度是衡量整体网络内部成员发生相互联系的密集程度,因此可以从合作网络成员间的沟通交流水平、业务合作紧密度以及相互依赖程度等3 个维度反映,对应包含3 个题项,采用7 点LIKET量表测量。
( 2) 网络位置。网络位置一般用网络中心度来表示,指企业通过介入网络联系而在网络中占据战略位置的程度,反映了企业在网络中所处的地位次序,因此可以从行业( 产业链) 内的知名度、提供的产品( 技术) 或服务在产业链内的重要程度、长期合作伙伴的行业竞争力以及对网络内其他企业的资源输出程度等方面测量,共4 个题项,采用7 点LIKET量表测量。
( 3) 网络异质性。网络异质性主要是反映合作网络中流动的信息和资源的丰富程度,因此可以从合作网络成员间的行业差异性和行业内产品的多元化程度两个维度测量,对应两个题项,采用7 点LIKET量表测量。
( 4) 关系强度。按沟通频率的高低划分出7 个等级,对应1 ~ 7 分,根据企业同供应商、客户、竞争对手、科研机构、政府间关系强度的得分,取平均值作为该变量的测量值。
( 5) 创新导向。主要借鉴了张婧等研究的测量量表,包括探索式创新和利用式创新两个子构面,共有6 个度量指标,其中有关探索创新的指标3 个,包括公司是否鼓励全新产品的开发、公司是否欢迎具有创新性的各种建议、管理者是否积极寻求创新的思想; 利用式创新的指标3 个,包括公司是否主要依靠产品的升级改进来保持市场占有率、项目经理们是否积极支持创新的观点与实验和创造性的流程、变革性的创新是否被认为太过冒险因此常常被公司否决。
( 6) 创新绩效。参考Arundel、Kabla,Ahuja,Ritter、Gemnnden等人研究的相关量表,设置6 个题项来测量,包含了新产品或服务的推出、新技术的使用、创新的市场效果、产品创新的成功率、工艺情况、专利数等,同样采用7 点LIKET量表测量。
3 数据分析与结果
3. 1 信度、效度分析
本文采用Cronbach的内部一致性系数( α 系数)来分析信度,数据整体信度为0. 963,单一变量的 α值除网络异质性( α 值为0. 648) 外均在0. 7 以上,数据信度较好。在效度检验方面,由于本文所使用问卷项目虽然参考了成熟的设计量表,但同时也根据前期访谈的结果进行了调整,因此首先用SPSS软件对各个测量变量进行探索性因子分析以验证量表设计的有效性,具体结果分别如表1 和表2 所示。
旋转成份矩阵 a
注: 关系强度采用均值处理，因此无需列入，其方差为 1. 61
旋转成份矩阵 b
探索性因子分析结果表明,测量变量的问题项设计是有效的,不同变量的测量量表间有较好的区分度。另外,各维度因子分析的KMO值均在0. 7 以上,方差解释度在60% 以上,效果非常理想,具体数值见表3 所示。
3. 2 多元回归分析
接下来分别分析网络组态和企业创新导向对新产品创新绩效的影响。利用上文因子分析中的因子载荷矩阵计算出各变量的因子得分,然后进行多元回归分析。关系强度的数据取均值并进行标准化处理后,直接作为自变量加入回归模型中,但相关性分析结果显示网络密度和网络位置两个变量间存在较强的相关性,如表4 所示。
自变量间相关性过高会导致多重共线性问题,因此,文本参阅张文彤等[29]编写的 《SPSS统计分析高级教程》中处理多重共线性的方法,对网络密度和网络位置两个变量的对应数据重新提取主成分,并将主成分命名为 “网络内聚性” ( NJX) ,然后作为新的自变量加入回归模型。提取的主成分对原有数据的方差贡献率为65. 52% ,最终回归模型如表5所示,模型R2值为0. 62,整体拟合效果较好,标准化系数分别为0. 544 ( 网络内聚性) 、0. 442 ( 网络异质性) 和- 0. 13 ( 关系强度) ,表明网络内聚性( 网络强度和网络位置) 、网络异质性同企业创新绩效正相关,而关系强度在本模型中同创新绩效负相关。
注: a. 预测变量: ( 常量) ，NJX; b. 预测变量: ( 常量) ，NJX，YZX; c. 预测变量: ( 常量) ，NJX，YZX，GXQD
创新导向包括利用式创新导向和探索式创新导向,二者同创新绩效间的回归模型如表6 所示,模型R2值为0. 48,最终的标准化系数分别为0. 487 和0. 324,表明企业的创新导向同创新绩效间存在正向相关关系。
注: a. 预测变量: ( 常量) ，TSCX; b. 预测变量: ( 常量) ，TSCX，LYCX
3. 3 典型相关分析
多元回归分析的结果表明网络组态和创新导向同企业创新绩效间均存在相关关系,下面进行网络组态和创新导向间的典型相关分析。仍然用主成分分析得到的 “网络内聚性”来代替 “网络位置”和“网络密度” 两个变量,以避免多重共线性带来的干扰,最终通过典型相关分析得到两组典型相关变量,结果分别如表7 和表8 所示。
从以上结果可知,共提取出两对典型相关变量,相关系数分别为0. 816 和0. 698,均通过了显著性假设检验,说明两组典型相关变量均有统计学意义。下面通过典型结构分析两对典型变量的现实意义:
从图2 可知,第一典型变量U1 具有较高的网络内聚性、适中的关系强度和较低的网络异质性,对应的典型变量V1 利用式创新导向显著而探索式创新导向很弱,因此,这一对典型变量描述的是那些主要依靠利用式创新的企业,这些企业的网络位置和网络密度较高,和合作伙伴的关系强度适中,而产品的多元化程度低、网络异质性低。
从图3 可知,第二典型变量U2 具有较高的网络内聚性和网络异质性,但关系强度对U2 的影响很小,对应的典型变量V2 利用式创新导向和探索式创新导向均较显著,因此,这一对典型变量描述的是那些对探索式创新和利用式创新同等重视的公司,也表明这些公司往往同时具有较好的网络位置以及较高的网络异质性,但关系强度的作用很不明显。
最后,通过典型冗余分析分析各典型变量对原始变量组的变差解释程度,具体结果分别如表9 和表10 所示。
典型冗余分析结果表明,提取的两组典型变量能够很好地代表各组原始变量的信息,对原始变量的解释能力较强,说明模型的拟合效果十分理想;同时,两对典型变量中,第二对典型变量的解释能力更高,说明第二对典型变量的结构关系在此次研究中更有代表性。
4 结论与启示
本文首先通过文献综述,提出了新产品开发合作网络组态和企业创新导向间存在典型相关关系的假设,并通过实证研究对假设进行了验证,最终提取出两对典型相关变量,两对典型变量均具有较好的现实意义。根据数据分析结果,得出以下几点结论和启示:
( 1) 目前国内企业在产品创新上大多采用利用式创新和探索式创新并举的战略,这些企业在构建新产品开发合作网络时侧重占据网络中心位置和高密度网络,同时强调合作网络的异质性,同上下游不同行业的企业均开展合作,同时自身经营产品的多元化程度高; 少部分企业在产品创新上仅注重利用式创新,通过对现有产品的不断优化来赢得市场,这些企业在构建新产品开发合作网络时仅同相关性高的企业形成合作关系并维持较高的沟通频率,产品种类较为单一。
( 2) 研究结果也表明,完全依赖探索式创新的企业是很少的,一方面可能是由于我国企业目前的创新水平还比较低,在很多行业不具备绝对的技术优势,不适合将探索式创新作为战略导向; 另一方面,也可能是由于利用式创新是任何企业都必不可少的,其创新周期更短、创新成果的市场化速度更快、用户接受成本也更低,因此利用式创新始终是产品创新的主要方式。
( 3) 典型相关分析的结果在一定程度上印证了国外学者Balaji和John的观点,即从战略视角分析,NPD网络组态主要包括两种结构: 开拓型结构和控制型结构。本文的研究结果也表明,企业的创新导向同这两种网络结构间存在着一定的对应关系。那么,创新导向在网络结构对新产品绩效的影响中是否存在调节作用? 这些推论为进一步的研究指出了方向。
摘要：通过文献综述,研究分析NPD合作网络组态、企业创新战略导向对合作网络创新绩效的影响,阐述以上影响的内在机理,进而提出NPD合作网络组态和企业创新战略导向间的典型相关关系假设;然后,通过实证研究方法对研究假设进行验证,最终提取出两对典型相关变量并分析其内涵,结合我国企业的发展现状对研究结论的现实意义进行讨论。
网络组态 篇5
关键词：测试系统,风电齿轮箱,组态王,网络集成
目前,大、中型风力发电机组已在世界40多个国家的陆地和近海并网运行,风电增长率比其他电源增长率高的趋势仍然继续。伴随着风电市场的高速发展,为了适应不同地区的要求,同时受周边环境的影响,各种功率的风机应运而生,小到700k W大到6MW甚至8MW的风电机组也已在研制或挂机运行。而对常见的风力发电机组的对比可以看到,目前主流机型是双馈异步风力发电机组,这种机型的典型结构采用了多级齿轮箱升速[1]。可见,风电齿轮箱在风电发展中的地位不容小视。
风机在整机安装之前都要对风电齿轮箱进行出厂试验,将一些故障与缺陷消除在出厂之前。 不同功率类型的齿轮箱就需要不同的试验台进行试车,而每个试验台要单独配备测试系统。笔者在原齿轮箱测试系统的基础上进行规划统一,建立网络集成化的测试系统,以期实时监测4个不同试验台的工作情况,并同时进行数据录入与处理。
1网络集成设计
组态王可运行在基于PCI/IP网络协议的网络中,帮助用户实现上、下位机以及更高层次的厂级联网。一台PC机通过PCI/IP协议可以与多个远程计算机( 即远程节点) 进行通信。
1.1组成测试网络的条件
要实现组态王的网络功能,必须满足以下条件:
a. 将组态王 软件安装 在网络版 的Windows98 /2000 / Windows NT或Windows XP上,对于更高版本的组态王软件( 如6. 55) 也可以安装在Windows7系统上,并在配置网络时绑定TCP / IP协议,即利用组态王网络功能的PC机必须首先是某个局域网上的站点并启动该网;
b. 客户机和服务器必须安装并同时运行组态王,除了Internet版本的客户端;
c. 组成网络的计算机上组态王的工程文件夹必须要设置成网络共享。
以上3点是网络集成系统的基础,可以保证集成系统中各测试系统间通信的建立。
1.2测试网络的站点建立
首先简单介绍6个术语: I/O服务器,进行数据采集的站点; 报警服务器,存储报警信息的站点; 历史记录服务器,接收I/O服务器传送的历史数据的站点; 登录服务器,唯一拥有系统网络中完整用户列表的站点; Web服务器,运行组态王Web版,保存组态王For Internet版本发布文件的站点; 客户,可以访问指定的I/O服务器、报警服务器和历史数据服务器上的数据。
在本设计中,集成系统设为数据服务器站点, 其余4个试验台测试系统作为I/O数据采集站点。站点的具体建立需要3个步骤完成。
1.2.1配置数据服务器站点
数据服务器站点即集成测试系统的计算机, 在工程浏览器左侧列表中打开网络配置窗口,在网络参数选项中选中连网模式,在本机节点名中输入本机的IP地址,其他不需要改动,配置界面如图1所示。
在节点类型选项中,选中“本机是登录服务器”、“本机是报警服务器”和“本机是历史记录服务器”,如图2所示。点击确定,暂时完成对该站点的配置。
1.2.2配置I/O采集站点
在本设计中有4个I/O采集站点,即1. 5MW试验台记为1号采集站、2MW试验台记为2号采集站、3MW试验台记为3号采集站和7MW试验台记为4号采集站。在工程浏览器左侧列表中打开网络配置,在网络参数中选中连网模式,在本机节点名中输入本机的IP地址; 节点类型中选中 “本机是登录服务器”,待网络配置完成以后再将此处改为“本机是I/O服务器”,若此时配置成为I / O服务器则后续有些配置无法进行; 在I / O采集站工程浏览器左边选中“站点”标签,进入站点管理界面,在左侧的节点名称列表区单击右键,选择“新建远程站点”,弹出“远程节点”对话框,如图3所示,点击“读取节点配置”,选择远程工程路径。在网络中选择数据服务器上共享的工程文件夹。“主机节点名”中输入数据服务器的IP地址,节点类型选“作为登录服务器”、“作为报警服务器”和“作为历史库服务器”。最后点击“确定” 完成配置。再次进入“网络配置”,在“节点类型” 中改成“本机是I/O服务器”。进入“客户配置” 选中“客户”,点击“确定”完成对I/O采集站的配置。
1.2.3继续配置数据服务器站点
按I/O采集站中远程站点的配置方法完成远程站点的配置,只是这里要新建4个远程节点,分别对应4个I/O采集站; 打开“网络配置”,在“节点类型”中的“报警服务器”与“历史记录服务器” 的列表中显示出连接到本机的I/O服务器的名称,选中它们; 选择“客户配置”页,选中“客户”。 在“I/O服务器”列表中选中I/O服务器的名称。 至此数据服务器站点配置完成。
经过以上3步就完成了组态系统的网络连接,接下来就可以在数据服务器站点访问I/O采集站的试验数据了。
1.3网络数据的访问
在网络条件满足,站点建立完备以后就可以很轻松地进行I/O采集站数据的访问。只要在测试界面中把要显示的变量关联到相应的I/O采集站点,就可以像访问本站点数据一样去访问数据了,如图4所示。
在关联某一变量时,先双击该变量,弹出“动画连接”对话框。选择“模拟输出”弹出“模拟值输出连接”对话框,单击表达式后面的“?”,弹出 “选择变量名”对话框,在该对话框左侧选中要关联的I/O采集站点的名称( 所在计算机的IP地址) ,右侧出现该站点下的所有变量,选中相应变量就完成了变量的关联。使用时就像使用本站点变量一样方便。
2集成系统的界面设计
对于每个独立的测试系统要实现的主要功能是实时测试并保存试车过程中齿轮箱的温度、压力、振动及流量等数据,以便后续处理与使用[2]。 集成测试系统实时跟踪每个试验台的测试情况, 并在集成系统完成独立测试系统的所有功能。为此,集成系统设计有3个主要功能界面。
2.1系统主工作界面
系统主工作界面是系统正常工作时重点使用的界面,如图5所示。在主工作界面中,同时实时显示4个试验台的测试情况,每个试验台的测试数据分别单独建立有数据库,当试验台开始工作时,相应标志位置启动,集成测试系统开始将数据录入到相应的数据库。对于每个试验台位可以分别进行数据查询与数据曲线的查询。如果此时只有一个试验台处于工作状态,只要单击“当前台位放大查看”即可单独查看该试验台的工作情况。每个单独台位的工作界面设有4个台位的工作状态标志,在单独查看该台位时可以及时了解其他试验台位当前是否处于工作状态。
2.2数据查询界面
每个试验台有一个单独的数据查询界面( 图6) ,由于具有单独的数据库,所以其数据查询是互不影响的。每个台位的查询功能也都一样。
在数据查询界面可以实现当前数据查询、历史数据查询、数据库维护、数据报表打印与数据另存功能。当前数据查询功能可以实现对当前数据库所有已存在数据的查询,单击相应的按钮就会在报表中显示所有数据库中已存在的数据; 历史数据查询完成按一定条件进行数据库中数据的查询功能,如按试验日期或试件编号进行查询,单击相应的按钮就会出现条件查询窗口; 数据库维护可以实现对现有数据库进行清零与部分删除功能,该功能是对系统长期运行导致数据库存储量庞大而进行的改进; 数据报表打印可以将查询的数据结果打印到A4纸上; 数据另存可以将从数据库中查询到的数据存储到计算机中指定的位置,以便对满足一定条件的试验数据进行处理与试验报告的整理。
2.3数据曲线查询界面
利用数据曲线查询界面( 图7) ,可以查看每个试验台在一定时间段内一个或几个数据量关于时间的变化曲线,如温升曲线等。该界面采用组态王中的历史趋势曲线控件实现该功能。历史趋势曲线控件不但可以实现组态王历史数据的曲线绘制,还可以实现工业库中历史数据的曲线绘制、 ODBC数据库中记录数据的曲线绘制。在运行状态下,可以实现在线动态增加或删除曲线、曲线图表的无级缩放、曲线的动态比较及曲线的打印等功能。
3结束语
监控组态软件特点分析 篇6
随着计算机技术和电子信息技术在电力建设中广泛和深入的应用, 综合自动化变电站已成为变电站发展的新趋势。目前, 盘锦电力公司已建成综合自动化变电站24座, 通过自动监视和控制极大地提高了工作效率和安全性。而要完成自动监视和控制, 采用灵活的组态方式, 快速构建自动监控控制系统十分重要。
1 组态软件的特点
传统的工业控制软件开发周期较长, 这是因为工业被控对象一旦有变动, 就必须修改控制系统的源程序;同时已开发成功的工控软件又由于控制项目的不同而很少重复使用, 增加了开发成本;在修改工控软件的源程序时相对复杂困难。组态软件能够很好地解决这些问题, 使用户可根据自己的控制对象和控制目的任意组态, 完成最终的自动化控制。
组态软件是数据采集与过程控制的专用软件, 是通过组态方式构建自动控制系统监控功能的软件工具。它支持各种工控设备和常见的通信协议, 通常也提供分布式数据管理和网络功能。实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持是组态软件的主要功能。组态软件的主要特点如下:
(1) 延续性和可扩充性。当现场的硬件设备、系统结构或需求发生改变时, 不需要很多修改就可方便地完成软件的更新和升级。
(2) 封装性。将所能完成的功能用一种方便实用的方法包装起来, 使用者不必专门学习编程语言技术就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。
(3) 通用性。根据工程实际情况, 利用组态软件提供的底层设备的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具, 就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、多媒体功能和网络功能的工程。
2 组态软件应用分析
目前, 盘锦电力公司在用组态软件是分别在不同时期投入使用的, 受当时市场环境、技术水平以及总体设计要求等因素影响, 所选产品种类型号都略有不同, 但是各款组态软件实际使用效果大致相同。目前主要使用的组态软件包括iFIX、Cimplicity、组态王KingView、Eyewin在线监控系统、PEMP组态软件、DF3000组态软件、ISA300变电站监控后台系统等。组态软件应用开发流程如图1所示。
(1) iFIX是美国通用电气公司 (GE) 旗下产品, 是目前世界上较为先进的HMI/SCADA自动化监控组态软件, 在电力、冶金、石油化工等行业中有较多应用。它集安全性、通用性和易用性于一身, 可适应各种生产环境。
(2) Cimplicity是GE旗下产品, 为其智能平台ProficyR提供集成的HMI/SCADA解决方案, 目前广泛用于各大电子、电力、餐饮、石油天然气以及其它行业的生产过程。
(3) 组态王KingView是由北京亚控科技发展有限公司开发的组态软件, 具有易用性强、动画功能丰富、技术性能卓越、稳定可靠且价格低廉等特点。
(4) Eyewin在线监控系统是国电南自面向电力监控当前及未来发展趋势全新设计的新一代电网监控自动化系统。它是PS6000自动化系统的子系统软件, 可兼容各种硬件平台 (服务器、工作站、微机) , 又可运行于不同操作系统 (Windows、Linux、Unix) , 能够满足电力监控系统对运行环境的不同需求;支持集控站/厂站监控系统的各种应用, 集SCADA、图模库一体化、拓扑分析、一体化五防、操作票管理、程序化控制、保护信息管理及仿真培训等高级应用于一体, 为各种规模的集控站/厂站监控提供完整、成熟的解决方案。
(5) PEMP监控组态软件是北京光耀电力自动化有限公司依靠GE在电力系统及自动化领域的先进技术, 汲取国内外变电站自动化先进成熟的网络通信和控制技术开发的适用于自身产品的一款软件, 目前广泛应用在变电站综合自动化系统中。其与GE Multilin数字保护单元、通信网络构成先进的自动控制系统。
(6) DF3000监控组态软件是东方电子集团有限公司开发的一套变电站自动化系统。目前, 东方电子已经推出了满足两层数字化要求的DF3300E/DF1900变电站自动化系统, 迄今为止已经有百余套系统在全国各地的110~500kV变电站稳定运行。
(7) ISA300变电站监控后台系统是由深圳南京自动化研究所 (南瑞) 开发的监控系统。该系统采用开放式的软件工作平台, 为多窗口多任务系统;界面风格采用Windows NT/9X画面输出和操作方式, 结构设计模块化, 通用数据库访问方式, 多进程、多线程模式。该系统是南瑞早期开发的监控系统, 目前已经被新版本取代。
软件特点比较分析如下:
(1) iFIX和Cimplicity虽然同属于GE旗下产品, 但是两款组态软件特点却有许多不同, 如果作为工程开发者, 那么iFIX要比Cimplicity更具优势。在图形界面设计方面, 两者的图库图形丰富、色彩方案齐全, 并支持外部导入;同时两者都内嵌VBA, 具有自己的内部函数, 又有广泛的VB函数, 支持所有类型的ActiveX、OLE。
两款软件在可扩展性以及二次开发灵活性上极其强大, 这些优点都是现阶段国内软件无法比及的。其中, iF-IX的优势在于它的编辑与运行是切换进行的, 这有利于保障现场生产安全, 且支持在线修改, 运行时可根据程序很方便地更换对象的链接数据源, 使控制更灵活;而Cimplicity对数据节点的修改不是在线的, 必须先停止工程, 再启动工程。另外在数据库编辑上, iFIX支持数据库导出和导入后编辑, 尽管Cimplicity也支持这种方式, 但在实际使用过程中却经常产生错误, 影响开发效率。两款组态软件功能上具有相当优势, 可实际应用中难免也有弱点, 比如产品版权注册复杂、软件价格昂贵、售后支持不够等, 都是其在国内应用的瓶颈。
(2) 组态王KingView是目前国内比较优秀的组态软件, 在开发过程中易于上手, 简单快捷, 图形丰富, 但是相比较国外软件还是存在差距。由于其内嵌了VBA并且集成多种驱动程序, 因此在可扩展性及二次开发方面有一定优势, 可应用在小型或低要求的自动化系统中。
(3) Eyewin在线监控系统与PEMP监控组态软件是国内近几年比较成熟且功能全面的组态系统软件, 其优势在于与厂商自己开发产品结合得好, 并且具有一套针对性很强的系统结构, 开发周期短、效率高;缺点是图形图库系统一般, 可扩展性不强。
(4) DF3000监控组态软件和ISA300变电站监控后台系统分别是东方电子和南瑞电气的早期版本软件, 受当时技术水平限制, 与当今市场产品相比, 其图形画面支持不够、可扩展性不强、数据库系统陈旧, 尽管目前运行比较稳定, 但由于产品已经退出市场, 或被更高版本系统软件取代, 因此无法保障售后支持。
3 结束语
信息系统组态开发模式探讨 篇7
关键词：信息系统,组态,传统方法
0、序言
长期以来, 信息系统为企事业的管理发挥了重要作用, 采用计算机进行信息管理是目前企事业实现现代化管理的主要手段。本文以信息系统在教育领域的应用为例, 通过研究信息系统开发方法的现状和存在问题, 探讨了如何通过组态模式简便快捷、有效地实现个性化的信息系统建设。
1、信息系统开发方法现状及存在问题
信息系统开发是一项创建和修改现有业务规则流程的活动。它涉及该过程中从确定待解决的问题到设计、实现、评估和改善选定方案的所有方面。传统的信息系统开发方法有:生命周期法、原型法等。其开发流程通常为:先由用户向系统分析设计人员描述用户原型系统, 提出需求, 系统分析设计人员从中提取有关信息建立逻辑模型, 经过软件开发人员编码、调试生成最终的应用系统, 最后交由用户使用和评价。任何一次用户需求的更改, 都是上述过程的重复, 同时, 系统设计的投入费用也相当大。此外, 这种开发流程, 还存在以下问题:
(1) 用户很难真正参与到系统开发中去, 一旦软件编制人员对用户需求理解出现偏差, 系统的有效性必然受到影响, 而单靠用户很难去维护和修正它, 系统可维护性差。
(2) 用户应用系统完成后, 一旦用户需求发生变化, 系统便无法满足新的需求。系统可扩充性差, 系统进一步扩展功能和升级困难。
(3) 大多数应用系统都是针对特定需求展开分析、设计及实现, 系统适应性差。
(4) 成型产品无形中规定了管理者用户的管理模式, 使得管理者受到管理手段的约束, 难以形成个性化的管理风格。
因此, 为了减少系统开发成本、提高软件系统性能, 必须优化软件的开发过程, 通过建立和使用好的工程原则来获得经济可靠的软件工具, 努力摆脱大量软件设计、开发人员的重复劳动, 使信息系统开发面向动态变化的用户需求, 向自动化方向发展。
2、组态开发模式
2.1 组态开发模式的提出
一个良好的应用系统应具有较高的性能指标、较低的开发成本、较快的开发速度以及适应动态变化的用户原型。那么, 如何才能完成这样的信息系统开发, 使之完全实现用户对系统的需求和设想?基于组态软件在工业控制自动化领域已经得到很好的示例应用所启发[4], 我们考虑这样解决问题:为用户提供一种操作简便直观、面向用户和主题业务的信息系统组态工具软件, 使不熟悉软件开发过程却了解业务需求的管理者用户可以直接使用该工具进行信息系统的组态实现。这种信息系统组态工具软件要以组态的方式实现信息系统, 我们称之为"组态平台"或"组态软件";而这种基于组态平台实现信息系统的开发方式, 称之为组态开发模式。
2.2 组态开发过程
组态意义不同于设计和编程。组态平台不是最终的用户应用系统, 而是实现最终用户应用系统的开发工具。它在组态开发信息系统的过程中, 省却了系统设计和开发人员这些中间环节, 而代之以组态平台来实现他们的工作, 从而使应用系统的开发过程变为由用户向组态平台描述业务流程、提出自己的需求, 这些描述和需求被组态平台转化为内部逻辑, 再由组件平台根据内部逻辑直接生成面向特定用户需求的应用系统。组态平台通过优化开发流程, 使用户能够以尽量少的投入获得一个比较完善的、易维护的应用系统, 从而促进计算机在企事业现代化管理中的推广应用。
2.3 组态开发模式与传统开发方法的对比
如果我们将用户原始需求假定为用户原型, 将最终用户应用程序系统假定为应用系统, 则应用组态平台实现信息系统过程中的用户原型与应用系统的对应关系不同于传统信息系统开发方法中用户原型与应用系统的对应关系, 其对比如图1、图2所示:
从图中可以看出:采用传统信息系统开发方法所开发的应用系统经过对原型的一次抽象获得。相对于静态原型实体, 传统信息系统开发方法开发出来的应用系统还能较准确地反映原型实体。然而用户需求 (即原型实体) 是动态变化的, 相对于动态的原型实体, 按照传统信息系统开发方法开发出来的应用系统不一定反映真实的原型。组态平台开发信息系统则经过对原型的二次抽象, 最后通过组态平台还原原型, 组态生成用户应用系统。这种还原通过用户对组态生成的应用系统的使用、补充和修正原型, 再反映到应用系统中去, 形成一个螺旋上升的过程;同时, 组态开发过程要通过用户的实际参与亲自组态, 这也是它表面上类似原型法而本质上与其不同的原因。
3、组态平台体系结构及其实例应用
3.1 组态平台体系结构及其功能
组态平台的研制开发涉及到多方面的理论与技术, 具有一定开发难度, 尤其体现在软件的设计思想和实现的机制方面。组态平台的开发是在传统开发方式的基础上, 对同类应用系统进行分析、归类、抽象, 使其面向一类对象, 具有普遍应用性和适用性。
基于以上组态思想, 体系结构上遵循Windows DNA三层应用程序体系结构, 应用COM/DCOM/COM+组件技术, 笔者研制开发了适合于开发校园信息管理系统的信息系统组态开发工具。该组态平台面向管理者用户可动态生成用户信息系统。使用者不需要进行计算机编程就可以通过平台依据自身需求简便地配制出个性化的、B/S结构的信息系统;同时, 对已生成的系统可进行修改和二次组态开发, 以满足不断变化的管理变革, 适应动态变化的用户需求。其结构功能上有四部分组成, 如图3所示:
具体实现功能有:网页组态;处理逻辑层组态;用户数据库组态;邮箱配置组态;公告牌、聊天室配置组态;信息提示及定时数据库组态;事务流数据库组态;下载文件库组态;用户系统维护逻辑组态。
3.2 组态开发实例应用
下面以校园信息管理系统的实现为例来描述组态平台实现信息系统的实际组态过程。
1) 系统规划及需求分析阶段:本阶段需要明确以下内容:确定校园信息系统的总体目标;确定校园信息系统的层次结构和各个管理子系统;分析资源需求;安排时间进度。
2) 组态生成系统阶段:根据第一阶段的需求分析, 首先应用组态工具实现应用系统数据库定义和用户页面组态, 然后将组态页面编译生成ASP或PHP格式的网页, 最后将编译后的网页上传到指定的Web服务器上, 供具有浏览器的客户机访问和操作, 从而生成B/S结构的用户应用系统。
3) 系统整体调试阶段:通过系统测试发现的问题可以通过组态平台的系统维护模块, 按照平台所提供的向导功能, 对系统进行修改。
4) 整理竣工文档阶段:本阶段将已设计完成的系统, 以书面形式整理成文档, 同时对组态实现的系统做备份, 以备今后的系统修改及升级。
由上述过程可以看出, 采用组态平台来开发用户应用系统, 比采用传统方法开发减少了很多中间环节, 目标的准确性大大提高, 开发周期大为缩短。在开发的四个阶段中, 第一阶段的好坏将直接影响整个过程的成败。但由于组态平台的使用, 对于系统规划的准确性的要求将有所降低。信息系统本身就是对事物规律的抽象, 当我们没有见到其完整面目时, 很难对其进行准确的定义, 许多信息系统开发的失败, 无不与此相关。组态平台所具有的方便维护升级改造的功能, 就能很好地解决这样的问题, 它的机制允许用户从简到繁, 从容易到复杂, 逐步完善所开发的系统, 并可不断地添加新的功能, 以适应新的需求, 从而延长信息系统的生命周期。
目前, 应用该组态平台生成个性化、B/S结构的信息管理系统已在多所中小学校园网中得到实际应用, 反馈良好。
4、结束语
通过实际应用和意见反馈, 可以看出组态模式开发信息系统更贴近动态用户原型及信息系统开发的实际过程。
目前, 以组态模式开发信息系统技术还不够成熟, 同时, 网络化、分布式系统也将成为组态软件发展的一个重要方向, 丰富软件接口功能以便为数据后处理和分析提供支持也是未来组态软件的必然趋势。
参考文献
[1]. (美) Ralph M.Stair、George W.Reynolds著;张靖、蒋传海译.信息系统原理 (第一版) [M]北京:机械工业出版社, 2000.1, 1-5 405-411
[2]. (美) Roger S.Pressman著;黄柏素、梅宏译.软件工程实践者的研究方法 (第一版) [M]北京:机械工业出版社, 1999.10, 1-35
[3].倪旻工业控制组态软件的产品对比及发展趋势测控技术2000 9 (19) :38-40
光伏阵列组态优化控制策略分析 篇8
太阳能作为一种新能源,与传统的能源相比具有储量丰富、分布广泛、清洁环保等优点,因此,它的研究与应用越来越受当今社会的重视[1]。
在很多应用场合,如大型光伏电站、一体化光伏建筑、阳光屋顶等,由于云层、树木、建筑物、甚至相邻光伏模组间的遮挡,都会产生阴影,从而使光伏阵列接受的太阳辐射强度不均匀,导致光伏阵列的最大输出功率大大降低。此外,太阳能电池板的光电转换效率较低[2],因此,充分利用太阳能电池板转换的能量显得尤为重要。
近年来,国内外学者针对阴影对光伏阵列的影响开展了深入的研究,提出了在阴影条件下要提高整个光伏系统的输出功率,可通过以下方式:
(1)加旁路二极管和防逆流二极管
为避免局部阴影条件下太阳能电池元出现热斑效应,通常将光伏模组中几个电池元作为一组,两端并联旁路二极管。为防止某串阵列出现遮挡或故障时,消耗能量和影响其他阵列的正常工作,一般都会在一串阵列中串联防逆流二极管[3]。
(2)最大功率点跟踪
局部阴影条件下,由于旁路二极管和防逆流二极管的加入,功率-电压曲线呈现多个峰值,传统的基于均匀光照强度下功率-电压单峰值曲线的最大功率跟踪算法失效。为提高光伏系统的输出功率,必须采用避免陷入局部峰值的最大功率跟踪算法[4]。此外,Robert H.Wills等人提出了交流光伏模块的概念。所谓交流光伏模块是指将每个光伏模组与DC-AC逆变器集成在一起,实现每个光伏模组的最大功率点跟踪的独立控制,但所需的DC-AC逆变器的数量较多,等于光伏阵列中模组的数量[5]。
(3)光伏阵列的组态优化
传统光伏阵列的组态方式是固定的,而不同阴影分布对光伏阵列最大输出功率影响很大,而且不同的串并联结构导致最佳阴影分布也呈现不同的特点[6]。因此,对光伏阵列进行组态优化,实时优化光伏阵列的结构,可以从根本上改变光伏阵列的输出特性,使由于阴影导致的光伏模组之间不匹配减到最小,提高光伏阵列输出功率的全局峰值。
在实际光伏系统中,光伏模组已并联旁路二极管,光伏阵列的每一串已串联防逆流二极管,整个光伏阵列已进行最大功率跟踪控制。因此,基于最大功率跟踪算法的光伏阵列组态优化控制策略集合了以上三种方法的优点,它将极大地提高局部阴影条件下光伏阵列的最大输出功率,因此具有巨大的应用前景。
本文首先通过仿真分析了局部阴影对光伏阵列最大输出功率的影响,并对现有的各种光伏阵列组态优化控制策略结合光伏阵列的结构图和开关矩阵结构图对其控制原理进行了详细分析,并总结了各种控制策略的异同和优缺点,最后提出了在光伏阵列组态优化中应注意的问题,为光伏阵列组态优化控制策略的进一步研究与应用提供参考。
1 局部阴影对光伏阵列输出特性的影响
通过光生伏特效应,单体太阳能电池产生的电压约有0.45 V,因此在实际应用中,一般将单体太阳能电池串联,组成光伏模组。为满足不同等级的输出功率,通常将光伏模组串并联连接,组成光伏阵列[2]。下面将详细分析局部阴影对单个光伏模组及阵列的影响。
1.1 局部阴影对单个光伏模组的影响
为研究局部阴影对单个光伏模组的影响,本文采用光伏系统设计软件PVsystem仿真一块太阳能电池板在局部阴影条件下,输出最大功率的变化。选用的太阳能电池板型号是KC175GT,它包含48个电池元。设被同一旁路二极管保护的电池元组成一个子模组,P表示一个子模组中被阴影遮挡的电池的数目,Q表示一个光伏模组中旁路二极管的数目,S为遮挡率,S=1-G/G0,其中G为阴影中的电池接受的光强,G0=1000 W/m2。当P=1,Q=2时,光伏模组的示意图如图1所示。
设定的仿真参数如下,旁路二极管的数目Q=2,3,4,6;在Q一定的情况下,一个子模组中被阴影遮挡的电池的数目P=1,3,6,9,12,16,20,24,在Q和P一定的情况下遮挡率S=6%,10%,15%,20%,25%,30%,35%,40%,45%,50%,60%,70%,80%,90%,对上述情况分别仿真,并记录单个光伏模组产生的最大功率。选取两组代表性的数据如表1和表2所示。
比较表1表2在不同情况下的最大输出功率可得:
(1)光伏模组中旁路二级管的个数一定,被同一旁路二级管保护的太阳能电池在阴影中的数量不同,最大输出功率在遮挡率较大时相同。这是因为在遮挡率较大时,并联在该子模组两端的旁路二极管导通,将该子模组短路,但该子模组不影响其他子模组。
(2)若一个子模组在阴影中太阳能电池的数量相同,该光伏模组的旁路二极管的个数越多,在遮挡率较高时,输出的最大功率越大;在遮挡率较低时,最大输出功率相同。这是因为在遮挡率较高时,即使有一个电池被遮挡,旁路二极管也会将它保护的所有电池全部短路,故旁路二极管越多,光伏模组输出最大功率越大;而在遮挡率较低时,旁路二级管并没有导通,故输出最大功率相同。
旁路二极管的理想数目是,一个太阳能电池并联一个旁路二极管,但由于成本和工艺的限制这种情况不可能实现。文献[7]证明,当光伏模组中旁路二极管的数目增加到一定程度后,再增加数目,对模组的输出能力提高不大,由72个太阳能电池组成的光伏模组并联3到9个旁路二极管成效最好。
1.2 局部阴影对光伏阵列的影响
局部阴影使光伏阵列输出最大功率下降的原因是由于光伏模组之间的直接串联连接,流过未被遮挡的光伏模组的电流受被遮挡的光伏模组产生的小电流的限制。
设模组1和模组2接受的光强分别为1000 W/m2和600 W/m2,两个模组的温度都为45℃。标准测试条件下,光伏模组输出的功率为60 W。用Matlab软件分别画出两个模组单独工作和串联工作时的伏安特性和功率电压特性曲线[8,9],如图2所示。
由图2(a)可知,当两个模组单独工作时,模组1的最大输出功率为P1max=55.22 W,最大功率点处的电压U1max=15.53 V,最大功率点处的电流为I1max=3.556 A;相应的模组2的P2max=32.699 W,U2max=15.28 V,I2max=2.14 A。由图2(b),当两个模组串联工作时,最大输出功率为Pmax=72.01 W,最大功率点处的电压Umax=32.454 V,最大功率点处的电流为Imax=2.22 A。显然,Pmax
2 光伏阵列的组态优化控制策略
由上述分析可知,局部阴影降低了光伏阵列的最大输出功率。光伏阵列组态优化的目的是减少局部阴影对光伏阵列输出最大功率的影响。
2.1 光伏阵列的组态方式
光伏阵列是由光伏模组的串并联连接组成的,在满足系统工作电压、电流的前提下,光伏阵列的组态方式可以有很多种。若光伏阵列由4个光伏模组构成,其排列形式有1×4、4×1和2×2。对相同的排列形式,因其内部连接方式不同,又有不同的阵列组态。如对于2×2的排列形式有图3所示的阵列组态。
研究表明,太多模组直接串联会降低光伏系统的转换效率,而提高直接并联模组的数量能提高光伏系统的转换效率,但是太多模组直接并联,当阴影情况变化时,光伏系统的转换效率的稳定性差[10]。
2.2 基于电池元局部补偿思想的控制策略
局部阴影条件下,为使光伏阵列中串联连接的电池元(或模组)流过的电流免受被阴影遮挡的电池元(或模组)产生的小电流的限制,提高最大输出功率,文献[11-13]提出的组态优化控制算法的思想是:固定部分被阴影遮挡的某一行产生的小电流,可通过可调整部分受光照较好的电池元并联到该行来提高,从而减小了阴影的影响,提高整个阵列的最大输出功率。
文献[11]提出两种控制方法,一种是“冒泡排序”法,另一种是基于模型的控制方法。这两种方法在相同阴影情况下,最终提高的输出功率是一样的。
光伏阵列的结构如图4所示。光伏阵列分为两部分,固定部分和可调整部分,固定部分太阳能电池元的数量为m·n,其结构是TCT(Total Cross Total),每一行并联的n个电池元可以看做一个子模组。可调整部分有m个电池元,等于固定部分的行数,该部分的电池元可以并联到固定部分的任一行。
开关矩阵的结构如图5所示,S(i,j)代表将可调整部分的第j行电池元并联连接到固定部分的第i行的开关。因此,开关矩阵的每一列只能有一个开关闭合。光伏阵列的初始组态是开关S(i,i)导通,i=1,2,…,m,即将可调整部分的第i行并联连接到固定部分的每i行。
“冒泡排序”的控制策略:
(1)组态优化开始的条件
不断检测第一行的输出电压U1和整个阵列的输出电压Uout。在均匀光照条件下有Uout=m·U1;在局部阴影条件下,可能出现两种遮挡情况,第一行被遮挡或其他行被遮挡,故有U1<ΔU或Uout-(m·U1)<ΔU,ΔU表示对阴影的容忍度。在这两种情况下,光伏阵列开始组态优化,将所有的开关S(i,j)断开。
(2)测量可调整部分每一行的开路电压并按降序排列,重新编号使Uoc A1>Uoc A2>…>Uoc Am。
(3)测量固定部分每一行的电压,并将其按升序排列,重新编号使U1
(4)将可调整部分具有最大开路电压的电池元并联接到固定部分具有最小电压的一行。重复步骤(3)、步骤(4),直到可调整部分的所有电池元都被并联到固定部分。
(5)持续检测U1和Uout,当阴影改变方向或形状,满足(1)中的两种情况之一,光伏阵列开始组态优化。
基于模型的控制策略中所谓的“模型”是光生电流的模型,它是通过开关矩阵断开时实时测量的温度、固定部分每一行的电压、可调整部分每一行的开路电压和光伏阵列的输出电流等参数得到的[14]。基于模型的控制策略与“冒泡排序”的控制策略基本相同,只是将基于电压的排序和比较转化为对光生电流的排序和比较,因此模型的精度将直接影响控制效果的优劣。由于可调整部分是并联连接到固定部分的某行,并联后电流可相加得到,并与其他行做比较,不必重复步骤(3),因此,第二种方法能使所有开关调节一次完成,而第一种方法一次只能调节一个开关。通过实际实验证明后者较前者的控制速度快。
文献[12-13]在文献[11]的基础上提出基于太阳能电池元的遮挡率,运用模糊控制来实现阵列组态优化。文献[12]通过实验证明组态优化后,光伏阵列的输出电压仍小于未被遮挡时的输出电压,是因为阴影中的电池没有被剔除,仍吸收功率。文献[12]认为当有阴影发生时,理想的组态优化方法是改变整个阵列的结构,先将阴影中的电池从阵列中去除,以避免功率损失,然后再补偿阵列。本文认为局部阴影中的电池虽然比未被遮挡的电池产生的功率小,但也产生功率,通过调整阵列结构,可使其功率得到利用,若剔除,则造成功率浪费。
在组态优化过程中,由于固定部分的存在,光伏阵列可提供相对稳定的电压电流来满足与之相连的逆变装备的正常工作;所需的电压和电流传感器的总数为2m+1,开关数目为2m2,光伏阵列只需一个集中式的最大功率跟踪器。文献[11]中选用的开关器件为SO8封装的电子开关,文献[12-13]选用的是继电器。文献[11-13]提出的组态优化控制策略是基于太阳能电池的,避免了旁路二极管的使用,而实际应用中的绝大多数光伏阵列是由光伏模组构成,因此可以考虑将该算法扩展到光伏模组水平。
2.3 基于全部重组思想的控制策略
全部重组控制策略的目的是把受阴影影响的光伏模组重新分布在阵列中,减小因串并联连接产生的电压电流限制,从而提高光伏阵列的最大输出功率。
文献[15]提出用光强均衡算法控制开关矩阵,所谓光强均衡算法是指,使串联连接的子模组流过的电流相同,即每个子模组的平均光强相等,该文献中的子模组由光伏模组并联连接组成。
为满足逆变器输入电压电流范围的要求,减少开关的数量,文献[11,15]相同,将光伏阵列分为固定部分和可调整部分,组态优化只针对可调整部分,如图6所示。与文献[11]不同的是:(1)阵列的组态优化是基于光伏模组而不是基于电池元;(2)在阵列组态优化的过程中,可调整部分的结构是一定的,即2行3列,连接方式是TCT;(3)全部调整的控制策略只针对可调整部分,使该部分的每一个模组可以出现在任一行、任一列。
基于光强均衡算法的控制策略。
(1)离线计算所有模组的有效组合,即光伏阵列的有效组态。
(2)在线计算每个模组的光强、每行模组光强的平均值和每种组态的光强均衡指数。所谓光强均衡指数是指,每种组态的各行模组光强平均值的最大值与最小值之差。选择光强均衡指数最小的组态[16]。
(3)计算所需移动的模组的数目。由于光强均衡指数最小的组态可能不只一种,故需要选出由当前组态到这些组态所需移动模组数量最少的组态,作为阵列的最优组态。
(4)组态优化控制策略的执行,包括三级决策:(1)如果阵列的最优组态和初始组态相同,则无需优化。(2)检测阵列中是否有失效模组。(3)在一段固定时间内,反复进行第(2)、第(3)步,检测选择的最优组态是否稳定,如果稳定,则调整阵列的组态。
为叙述简洁,(1)~(4)中的模组均指可调整部分的模组。
文献[15]的控制算法中选用的开关类型为单稳态电磁继电器,所需开关的数量是2m·n-2,电压和电流传感器的总数为(m+1)·n,比文献[11]中的多。
文献[17]提出每个光伏模组都装有一个集成电路,通过该集成电路可对组成光伏模组中的每个电池独立寻址和调整工作状态(工作或被短路)。这个集成电路还可以和其他模组上的集成电路通信,根据系统的需要调节光伏模组位置,实现光伏阵列的组态优化。此外,该文献还提出了备用光伏模组的思想,在光伏阵列开始工作时,为避免产生过多的能量,备用模组不需加入光伏阵列,当光伏阵列老化时,为达到输出的功率和电压,此时将备用模组加入光伏阵列。
文献[18]提出一种太阳能电池阵列组态,在这种阵列组态中,两个电池之间不是单一的串联或并联,因此,这种阵列的输出功率比传统的串并联连接的光伏阵列的输出功率对单个电池产生的低电压或低电流敏感度低。
文献[17]中,组成光伏模组的太阳能电池的工作状态是可以根据检测到的电压和电流选择的,如果电池被遮挡,可以将其旁路,即每个电池都是可调整的。但这种方法所用的开关、检测器件和附加电路较多,成本相应较高,对m·n的电池的阵列,开关数量为2m到3m,电压电流传感器的总数为m·n[11]。此外,文献[17-18]只提出了构建阵列组态思想,并没有形成系统的组态优化控制算法。
2.4 基于分段调整的控制策略
相同数量的光伏模组并联连接提供大电流小电压,串并联连接提供中等的电流电压,串联连接提供低电流大电压。分段调整控制策略是根据实际需要在这三种组态中切换。
文献[19-20]针对独立光伏系统,利用光伏阵列分别驱动汽车和永磁直流电机(与容积式水泵耦合)。电流与电机转矩有关,电压与电机转速有关。根据电机实际工作状况(起动、匀速、加速)和外部环境(光强的低中高)的需要,通过控制电路控制开关矩阵,在如图7所示的三种阵列组态中选择。
文献[19]中,光伏阵列的组态切换是模糊控制器根据汽车的运动状态自动配置的:当汽车起动时,所需转矩较高,并联组态提供的转矩最高;当汽车需要高速时,需要高电压而不需要高转矩,选串联组态;当汽车正常行驶时,适中的电压电流即可,选串并联组态。该控制策略所需的电压电流传感器的总数为6。
电机起动时所需的转矩较高,为使电机产生足够的起动电流,尤其在光强较小或适中时,文献[20]提出的控制策略如下:
(1)运用硬件逻辑电路检测光强的低中高,具体是通过一片参考太阳能电池,将它产生的电流转换成电压信号,送入高电压和低电压比较器。
(2)当检测到的光强低于设定的低光强值时,将绝缘栅双极晶体管T4,T5,T6,T7,T8,T9导通,使4个单元并联;当光强高于设定的高光强值时,将T1,T2,T3导通,使4个单元串联;当光强适中时,将T1,T3,T4,T5导通,使4个单元串并联。假设有n个模组,所需开关的数量为3(n-1),开关矩阵的结构如图8所示。
文献[19-20]中所用的开关和检测器件的数目较少,控制方法简单,但由于只有三种阵列组态可以选择,控制效果不够精细。
2.5 基于模型预测控制的控制策略
模型预测控制包括预测模型、反馈校正和滚动优化三大部分内容[21]。文献[22-23]提出了一种基于模型预测控制的组态优化控制策略,该策略通过实际例子给出了东南西三个方向安装的光伏模组进行交叉重新组态的步骤。光伏阵列的初始状态是:各个方向上的光伏模组串联组成三个子阵列,三个子阵列并联组成光伏阵列。文献[22-23]控制算法的前提是假设每个方向上的模组接受的光强和温度一致,不同方向的光强和温度可能不一致;控制目标是使调整后各个方向上的子阵列最大功率输出电压一致,从而使每个子阵列都在最大功率点输出。
文献[23]在文献[22]基础上提出的控制策略是:
(1)根据检测到的光强和电池板的温度,得出每个方向上子阵列输出最大功率时的电压值,若东、西方向上的电压值相差超过1.5倍则重新组态,反之保持原态。
(2)结合模型预测控制进行光伏阵列的交叉重新组态。
文献[22-23]提出的控制策略是针对特定方阵下的控制算法。文献[23]选用的开关器件为继电器,所需要的检测器件为太阳辐射强度计和温度传感器。由于实验中光伏阵列规模较小,所需要的开关和传感器数量较少。
3 结论
本文对现有的各种光伏阵列组态优化控制策略的原理进行了详细分析,并总结了各种控制策略的异同和优缺点,在此基础上提出了在光伏阵列的组态优化控制策略中应注意的几个问题:
(1)在阵列组态优化过程中要考虑整个控制系统的成本,如开关器件和传感器的类型、数量;(2)开关器件可选择继电器或电力电子开关,根据开关器件流过的电流和所需的电压、功率等级,确定开关器件的型号;(3)保证控制算法的快速性、准确性和稳定性,尤其是对快速变化的阴影,像多云天气,为延长开关矩阵的寿命,要避免开关矩阵的频繁调整;(4)在开关矩阵调整过程中,要满足与光伏阵列连接的逆变装置对其输出电压电流的要求,以保证其正常工作;(5)在同一种阴影情况下,最优阵列组态可能不只一种,考虑到开关损耗等因素,最好移动较少的光伏模组,来实现最大功率输出;(6)由于阴影发生的随机性,整个光伏阵列的组态优化系统在白天都要处于工作状态,不断检测相关参数来判断是否进行组态优化,因此组态优化系统的损耗不可忽略。综上所述,光伏阵列的组态优化控制策略要在控制成本和提高的最大输出功率间折衷选择。
摘要：局部阴影条件下,光伏阵列的最大输出功率将大大减小。为克服阴影的影响,根据光伏阵列工作状况的变化,实时优化光伏阵列的连接结构,即光伏阵列组态优化,将极大提高阵列的最大输出功率。在仿真分析了局部阴影对光伏阵列最大输出功率影响的基础上,详细解析了现有的各种组态优化控制策略,从阵列初始组态、控制算法、所需开关器件和传感器的类型和数量等方面分析比较了各种控制策略的异同和优缺点,并提出了在光伏阵列组态优化过程中应注意的问题。