基于LabVIEW与PLC的船舶电站监控系统.pdf-资料库

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基于 LabVIEW 与 PLC 的船舶电站监控系统 http://www.paper.edu.cn 高岚，罗文锋，王克，赵永珠武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉（430063） E-mail：gaolan@126.com 摘要：基于 LabVIEW 虚拟仪器开发平台,设计了一种船舶电站实时监控系统。系统采用工控机和 PLC 两级控制模式, 构建了基于 LabviEW8.2 的可编程控制器（PLC）控制系统的实时控制和状态监测平台。该平台通过 Modbus 通信协议实现了自由通信模式下工控机与西门子 S7-200PLC 的串行通信，实现两级之间的实时通信,完成对船舶电站柴油发电机组的监控。阐述了开放式虚拟仪器平台 LabVIEW 的特点,在此基础上开发了一个由计算机控制的数据采集系统,提出了如何应用 LabVIEW 来实现船舶电站实时监控系统的方法。该监控系统界面友好,功能完善,可视性强。关键词：船舶电站；LabVIEW；可编程控制器；Modbus 协议 1. 引言 LabVIEW[1] 是实验室虚拟仪器集成环境 (Laboratory Virtual Instrument Engineerin Workbench)的简称,是美国 NI 公司推出的一种非常优秀的面向对象的图形化编程语言,它具有图形化虚拟仪器开发环境,使用图标代替文本代码创建应用程序。LabVIEW 作为一种开放型的通用程序开发系统,以其强大的数据采集、数据处理、数据分析和仪器控制功能在现代测控领域中得到了广泛的应用。在对硬件的支持方面,LabVIEW 集成了与 RS-232/485、PLC 和插入式数字采集设备等进行数据通信的全部功能。PLC 作为现代控制技术的重要支柱之一,具有可靠性好、抗干扰性能强、可与工业现场输入输出信号直接连接、功能模块扩展灵活、编程容易、安装简单、维修方便、比继电器控制速度快等特点[2],可以构建出可靠灵活的实时监控系统,并且具有较高的性价比。笔者利用虚拟仪器和 PLC 两者的技术优点,在 LabVIEW 开发平台下,设计了船舶电站实时监控系统。该系统界面友好,自行设计的虚拟仪表实时监控船舶电站的运行参数,可视性强,且编程容易,简化了开发流程,提高了系统开发效率。 2. 监控系统构成船舶电站实时监控系统[2]采用上、下两级控制模式（如图 1 所示）。由于工控机具有实时性好,可靠性高,输入/输出能力和网络支持能力强等普通计算机不可比拟的优点,故选用工控机作为上级监督计算机控制系统 SCC(Supervisory Computer Control),完成对柴油发电机组运行状态实时监控和运行参数的在线设置,遥控柴油发电机组启动/停止,实现发电机组自动并车;选用 S7-200 (安装在主配电板内)作为底层控制级,与柴油发电机组这一控制对象一起组成直接数字控制系统 DDC(Direct Digital Control),完成对柴油发电机组的启动、停机、怠速运行、故障报警、参数检测等多种控制。两级之间组成 RS-485 通信网络,软件协议采用支持 RS-485 网络的 Modbus 工业通信协议。RS-485 总线具有信号传输速率快、传输距离远、抗干扰能力强等优点.PLC 具有价格便宜、编程容易、接口简单等优点,但 PLC 不具备人机接口界面,为了以易于操作的图形界面实现远距离监控船舶电站的运行状态,本系统在 LabVIEW 图形化虚拟仪器集成环境下开发监控软件,通过 PLC 的硬件接口,以实时通信的方式,实现工控机与 PLC 之间的通信,完成对船舶电站的实时监控。 - 1 -

http://www.paper.edu.cn 虚拟仪表显示监控命令实时信号处理事件驱动控制 RS-232串口工控机 Modbus通信网络 RS-232/RS485转换器 PLC 1#发电机组 2#发电机组应急发电机组图 1 监控系统构成打印机键盘鼠标 3. 工控机与 PLC 的通信实现 3.1 硬件连接本系统采用西门子 S7-200PLC,采 Modbus 通讯模式。虽然工控机的标准串口为 RS232, 但西门子公司提供的 PC/ PPI 电缆带有 RS232 /RS485 转换器,因此在不增加任何硬件的情况下,可以很方便地将 PLC 和工控机互联。 3.2 通信协议实现上、下位机的 Modbus 通信[3]，不需要增加任何硬件设备，两者基于串口即可以实现通讯，S7-200PLCCPU224 与上位计算机通常通过串行通信接口实现 Modbus 通信，Modbus 通信协议虽然通过串行接口与上位机通信，但可以同时有几个从机，这种协议可以在不增加硬件开销的情况下，通过 Modbus 通信协议，很方便地通过串口实现点对多点的通信。Modbus 网络通讯模式有 ASCII 和 RTU 两种，这里采用 RTU(RemoteTerminalUnit)模式，通过发送指令(XMT)和接收指令(CRV)，使用自由端口模式，实现用户定义的通信协议(包括 Modbus 协议)与各种智能设备通信。 PC 机与 S7- 200PLC 之间的 Modbus 数据通信，是采用计算机作为主机，向作为从站的 S7- 200PLC 的端口 0 发送 Modbus 格式的数据报文，对 S7- 200PLC 各寄存器进行读或写操作，S7- 200PLC 接收到报文以后进行相关的数据校验。在编写上位机程序时，要使用 Modbus 协议访问 PLC，必须要弄清楚 Modbus 地址与 PLC-200PLC 的内存储单元的地址的映射关系。Modbus 地址通常是包含数据类型和偏移量的 5 个或 6 个字符值。第一个或前两个字符决定数据类型，最后四个字符是符合该数据类型的一个适当的值。Modbus 主设备将把这些地址映射到正确的功能中。Modbus 从机指令支持以下地址： (1)000001 到 000128 是实际输出，对应于 Q0.0-Q15.7 - 2 -

http://www.paper.edu.cn (2)010001 到 010128 是实际输入，对应于 I0.0-I15.7 (3)030001 到 030032 是模拟输入寄存器，对应于 AIW0-AIW62 (4)040001 到 04xxxx 是保持寄存器,对应于 V 区。所有 Modbus 地址都是从 1 开始编号的，图表 2 所示为 modbus 地址与 S7-200 地址的对应关系：表 2 映射 Modbus 地址到 S7-200 Modbus 地址 S7-200 地址 000001 000002 000003 ··· 000127 000128 010001 010002 010003 ··· 010127 010128 030001 030002 030003 ··· 030032 040001 040002 040003 ··· 04xxxx Q0.0 Q0.1 Q0.2 ··· Q15.6 Q15.7 I0.0 I0.1 I0.2 ··· I15.6 I15.7 AIW0 AIW2 AIW4 ··· AIW62 HoldStart HoldStart+2 HoldStart+4 ··· HoldStart+2×（xxxx-1） 4. LabVIEW 与 PLC 的串口通信实现基于 LabVIEW 开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序,简称为 VI。VI 包括三个部分: 程序前面板、框图程序和图标/连接器。LabVIEW 的串口通信[4]操作模块位于 Instrument I/O Platte 中的 Serial 程序库,在 LabVIEW 环境中使用串口与在其它开发环境中开发过程类似,对串行口的编程控制主要分为以下三个步骤: (1)初始化所选择的串行口。在 LabVIEW 中,初始化串口的过程同时也是创建串口资源的过程。VISA Configure Serial Port 模块用于初始化所选择的串行口。包括分配串口资源,设置缓冲区大小、通信波特率、数据位、停止位、校验位和流控方式等。 (2)读/写串口。发送数据时,VISA write 模块把输入缓冲区 write buffer 中的数据写到指定 - 3 -

http://www.paper.edu.cn 的串行口中。写入数据一般为字符串类型;接收数据时,VISA Read 模块从指定串行口中读取数据。可以根据需要,利用 VISA Bytes at Serial Port 模块设置当前串行口的接收缓冲区中存放的字节个数,如果缓冲区中的数据字节数小于要读取的字节数,VISA Read 操作将一直等待, 直至超时或缓冲区中的数据字节数达到要求的字节数。当然也可以分批读取接收缓冲区或者只从中读取一定字节的数据。 (3)关闭串口资源。系统不需要使用串口设备时,VISA Close 模块用于关闭所创建的串口设备对象,以免占用系统资源。 4.1 上位 PC 机基于 LabVIEW 的通信程序的实现方法在上位 PC 机 LabVIEW 程序中采用下列步骤实现与 S7 一 200PLC 之间的 Modbus 通讯，程序中调用了 LabVIEW 中的 VISA Serial 系列模块实现工控机与 PLC 的实时通信[5][6]: (l) 初始化串口，设置双方串口通讯的端口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验等（见图 3）; 图 3 串口初始化 (2)把要发送的数据按 Modbus 协议命令帧的格式打包，包括计算 CRC 码（程序见图 4）; - 4 - (3)写端口，将 Modbus 命令帧发送到串口（见图 5）; (4)延时，等待下位机的应答响应帧到达串口; (5)读串口，读取 PLC 的应答帧（见图 5）; 图 4 CRC 校验码生成程序框图

http://www.paper.edu.cn (6)把读取的应答帧解包，读取应答帧中有效的数据信息并显示。图 5 串口写读程序框图图 6 实现 Modbus 串口通信部分程序框图在设计上位机通信程序时，将上位机通信程序分为以下几个部分:Modbus 数据帧生成、串口通信(见图 6)以及响应帧解码程序等部分。 4.2 对船舶电站系统的参数监控实现串行通信程序基于事件驱动的方式,中断接收来自下位 PLC 的 Modbus 通信数据帧。程序中调用了 LabVIEW 中的 VISA Serial 系列模块实现工控机与 PLC 的实时通信。图 7 为发电机运行参数检测部分程序框图,该模块完成对柴油机滑油温度、冷却水温度和发电机电流、电压、功率、频率等参数的检测。发电机运行状态的前面板监控及虚拟仪表显示界面如图 8 所示。 - 5 -

http://www.paper.edu.cn 图 7 柴油机运行参数部分程序框图图 8 前面板监控界面 5. 结论 LabVIEW 建立在易于使用的图形数据流编程的 G 语言上,大大简化了过程控制和监控软件的开发,并且能提供丰富的、非常形象的虚拟化仪表。本文介绍的工控机与 PLC 实时通信方法,采用两级分布式系统,以 PLC 控制系统为下位机,利用 Modbus 通信协议,通过 RS-485 串行口与上位工控机端的 LabVIEW 监控系统实时通信,使得工控机能实时处理数据,包括对数据的分析和相关图形的显示等,为船舶电站监控系统的开发提供了一种更简便的方法,大大缩短了软件开发周期,并且功能完善,监控界面友好,可视性强。而且能够很方便地移植到其它实际应用系统,具有广泛的应用价值。 - 6 -

http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1] 周求湛.LabVIEW 7 Express 程序设计.北京航空航天大学出版社.2004. [2] 王焕文.舰船电力系统及自动装置[M].北京:科学出版社,2004. [3] Modicon Inc.Modicon Modbus 通讯协议参考手册[M].北京:中国标准出版社,2005. [4] 陈於学，杨曙年. 虚拟仪器与 PLC 串口通信的实现.自动化与仪表.2006（6） [5] S7-200 可编程控制器系统手册（版本 08/2005） [6」梁元郭科.基于 Modbus/TCP 协议的仪表驱动程序开发,低压电器，2003(4):40 一 43 Monitoring System of Marine Power Station Based on LabVIEW and PLC WANG Ke, LUO Weng-feng, GAO Lan, ZHAO Yong-zhu School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan (430063) Abstract According to the requirement of ship design , a real time monitoring system of ship power station is designed based on LabVIEW. This system applies both industrial control computer and PLC as two control parts, real- time control and state monitoring platform of PLC control system was designed based on LAbVIEW8.2.This platform used Modbus protocol to realize serial communication between industrial control computer and Siemens S7-200 PLC under free model. realizes the real time communication between them while achieving on lining monitoring of the diesel engines of the ship power station.The characteristics of opening virtual instrument LabVIEW were described Based on that a data acquisition system controlled by computer was developed. This paper presented a method For realization of real-time monitoring system of ship power plant based on LabVIEW.The system has advantages of a friendly interface between users and the computer, complete functions and great visual effect. Keywords：Marine power station;LabVIEW;PLC; Modbus protocol technology - 7 -

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