基于LabVIEW和RS-485總線的鍋爐測控系統設計

漆鵬杰，劉秀波，仲兆準

(1.蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州大學 沙鋼鋼鐵學院，江蘇 蘇州 215021)

基于LabVIEW和RS-485總線的鍋爐測控系統設計

漆鵬杰1，劉秀波1，仲兆準2

(1.蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州大學 沙鋼鋼鐵學院，江蘇 蘇州 215021)

提出了一種基于LabVIEW軟件和RS-485總線的鍋爐測控系統方案。利用開放式圖形設計語言LabVIEW進行軟件編程，并通過Modbus-RTU協議實現控制端和現場之間的信息交換，通過軟、硬件結構設計實現了鍋爐管道內溫度、壓力的自動遠程監控，通過實驗驗證表明了該系統的有效性。

LabVIEW；RS-485總線；鍋爐測控系統；遠程監控

電站鍋爐是一種直接接受火焰加熱的特種加工設備，其內部是高溫高壓，所以存在潛在的泄漏和爆炸危險。通過檢測主蒸汽管道內的溫度、壓力，并使其處于正常范圍，是保證電站鍋爐正常運行的有效措施。近年來，隨著自動控制技術的不斷發展，傳統的人工單一操作控制及檢測方式已經不能滿足現代化大工業的生產要求。由于各回路之間相互作用，控制效果不盡人意，設計復雜和成本高，有相當數量的鍋爐，特別是中、小型鍋爐的狀態仍然采用簡單的起動和停止操作，控制由人工實現，鍋爐運行的好壞完全取決于工人的經驗和責任，不能全程實行監控，無法及時發現危險，進行補救[1]；因此，實時的數據采集、存儲、處理以及控制等內容成為生產的主要研究方向。

本文設計了一套以Modbus-RTU作為通信協議，利用LabVIEW軟件編程并通過RS-485總線進行信息傳輸的控制系統，可以采集火電站鍋爐內的溫度、壓力參數，通過RS-485總線傳輸到計算機中進行處理，由控制端做出判斷，從而達到對溫度、壓力的監測和控制。

1 鍋爐測控系統總體方案設計

1.1 系統的硬件結構設計

系統硬件主要由控制機柜和現場監控組件組成，如圖1所示。控制機柜主要包括：1)計算機界面(RS-485通信界面)，顯示監測到的現場實時數據；2)短信報警模塊和空氣開關，當出現緊急情況，并且控制者不在機柜旁邊時，短信報警模塊可以發送報警信息給控制者，并且通過空氣開關進行斷開處理；3)其余部分均為數據串口設備，現場監控組件主要由溫度和壓力監測儀表組成。控制機柜和儀表兩部分之間通過Modbus-RTU協議進行通信，把監測的模擬信號通過相關的信號處理得到數據值，之后LabVIEW軟件虛擬儀器檢測得到的數據值，并將其與預設定的數據值進行比較，并由虛擬儀器邏輯系統進行相關操作，從而達到對現場溫度和壓力的控制[2]。

1.2 系統的軟件結構設計

本文最主要的研究內容是如何通過LabVIEW軟件編寫出鍋爐測控系統程序，主要包括LabVIEW系統的軟件主程序、子程序和RS-485指令程序。主程序主要是用來操控整個過程中系統的運行；子程序是LabVIEW的子VI程序；輔助程序完成對溫度、壓力的監控；RS-485指令程序把溫度、壓力信號轉換為數字信號輸入計算機進行分析和處理。編寫完成控制程序后就能夠實現精確地測量和控制[3]。

系統的軟件結構如圖2所示。首先輸入指令，即指示要執行的操作,然后設定延時等待時間，避免程序反應不及時而覆蓋上一次回應。數據處理、計算,對采集的溫度、壓力模擬信號進行數制轉換計算，然后與設定的數值比較，判定故障是否發生。發生故障時立刻報警，反之繼續返回程序再次進行檢測。如此，就可以對現場鍋爐管道內溫度、壓力進行實時的遠程監控。

圖1 系統硬件結構

圖2 系統軟件結構

2 基于LabVIEW的鍋爐測控系統設計

對于現場中的監控儀表，它們都是通過RS-485總線和控制系統的主計算機進行通信、傳輸數據。主計算機在安裝了圖形化工業軟件LabVIEW后，運行編寫的通信系統程序，就能做到與現場監控儀表實時地通信，實時監控現場環境，及時做出分析、處理。

2.1 LabVIEW虛擬儀器概要

LabVIEW這一圖形化工業軟件開發平臺是由美國國家儀器(NI)公司研制并開發的專業測試軟件，它與傳統的C語言、C++語言等編程軟件不同，使用了圖形化的編程環境，具有強大的數據處理能力，適用于工業監控，同時還具備完備的儀器驅動程序、強大的網絡功能。LabVIEW軟件具有簡單易學、通用性好、編程效率高和交叉平臺交互性好等優點，是用于虛擬儀器開發的方便、快捷和功能強大的軟件工具[4-5]。本文采用LabVIEW軟件來進行鍋爐測控系統的程序設計。

2.2 Modbus-RTU協議通信工作方式

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其他設備之間可以進行通信；不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。多種設備(PLC、HMI、控制面板、驅動程序、動作控制、輸入/輸出設備)都能使用Modbus協議來啟動遠程操作。在基于串行鏈路和以太網的Modbus上可以進行相同通信。一些網關允許在幾種使用Modbus 協議的總線或網絡之間進行通信。Modbus網絡體系結構傳輸形式如圖3所示。

圖3 Modbus網絡體系傳輸結構

當在Modbus-RTU模式網絡上通信時，此協議決定了每個控制器需要知道自身的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus-RTU協議發出。在其他網絡上，包含了Modbus-RTU協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。Modbus-RTU通信協議信息幀格式見表1。

表1 Modbus-RTU通信協議信息幀格式

Modbus-RTV通信協議主要包括下述域。

1)地址(Address)域。信息幀地址域(信息地址)在幀的開始部分，由8位組成，主機把從機地址放入信息幀的地址區，并向從機尋址。從機響應時，把自己的地址放入響應信息的地址區，讓主機識別已作出響應的從機地址。

2)功能(Function)域。信息幀功能域代碼告訴了被尋址到的終端執行何種功能。當主機向從機發送信息時，功能代碼向從機說明應執行的動作。

3)數據(Data)域。數據域包含了終端執行特定功能所需要的數據或者終端響應查詢時采集到的數據。這些數據的內容可能是數值、參考地址或者極限值。功能域碼告訴終端讀取一個寄存器，數據域則需要指明從哪個寄存器開始及讀取多少個數據。Data start reg hi:數據起始地址寄存器高字節；Data start reg lo:數據起始地址寄存器低字節；Data of regs hi：數據讀取個數寄存器高字節；Data of regs lo：數據讀取個數寄存器低字節。

4)錯誤校驗(CRC)域。該域允許主機和終端檢查傳輸過程中的錯誤。出錯校驗能夠保證主機或者終端不去響應那些傳輸過程中發生了改變的數據，這就提高了系統的安全性和效率，出錯校驗使用了16位循環冗余的方法，即CRC校驗。錯誤檢測域包含16 Bits值(用2個8位的字符來實現)。錯誤檢測域的內容是通過對消息內容進行循環冗長檢測方法得出的。CRC域附加在消息的最后，添加時先是低字節然后是高字節。故CRC的高位字節是發送消息的最后一個字節。CRC Hi：循環冗余校驗高字節；CRC Lo：循環冗余校驗低字節。

2.3 RS-485總線

RS-485總線接口組成的半雙工網絡，一般是兩線制，多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓撲結構，在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS-485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。它采用差分信號負邏輯，邏輯“0”以兩線間的電壓差為2～6 V表示；邏輯“1”以兩線間的電壓差為-6～-2 V表示。當主機發送指令時，就使得兩線電頻不同，形成電壓差，發出信號通過尋址方式找到要找的從機，再由從機響應以同樣的方式回復指令。RS-485總線的節點是以菊花鏈或者總線拓撲方式聯網，如圖4所示。該接口總線通常設計為用于半雙工傳輸，也就是說它只用了1對信號線，驅動數據和接收數據不能在同一時刻出現在信號線上。

圖4 RS-485總線結構與半雙工總線結構

2.4 系統軟件程序設計

本文以溫度控制程序為例，分析和說明鍋爐測控系統程序設計過程。

1)讀取溫度儀表數據程序設計。為了實現主機與現場溫度監控儀表的通信，首先確定溫度儀表的地址為03H，然后再根據Modbus-RTU協議的功能碼03確定是讀取從機保持寄存器采集到的基本數據，此處不需要同時讀取太多的數據，只需要設置讀取地址為0000H和0001H的這兩個寄存器采集到的數據就可以了；同時因為Modbus-RTU方式中是采用CRC方法來計算錯誤校驗碼的，在這里它占用2個字節，也在指令的最后寫出來，確定為E9C5H。這樣就可以開始通過RS-485總線來與溫度儀表進行通信、傳輸數據[6]。該程序如圖5所示。

主程序框圖由順序結構和While循環結構組成，將VISA OPEN函數放在循環之外，而將讀寫函數放在循環中，這樣可以避免VISA的多次打開，達到節約資源和時間的目的。While循環是用于當讀入的數據值高于警報值時來關閉串口，當串口關閉后，再次開啟時會因為程序中加入的VISA清空I/O緩沖區函數和VISA設備清零函數，從而對出現異常的數據進行清零，使得程序能夠正常運行。在順序結構框圖中這是第1個進行的流程，主機發出讀取1號溫度儀表的數據的Modbus指令，等待數據傳輸過來，并且經過字節到字符串的轉換之后，再寫入到VISA寫入函數的寫入緩沖區中，等待讀取。

2)設置延時等待時間程序設計。由于在VISA讀取函數讀取數據時，不能做到同時完成所有數據的讀取和分析，這就需要在程序中編寫一個延時設備來保持程序的有序運行。如圖6所示，在順序結構的第2個框圖中添加了1個延時設備。在添加延時設備之后，需要對其進行延時設置，根據儀表傳輸數據的速度和各方面的綜合考慮，決定將延時設備的毫秒倍數設定為300，從而達到了延時300 ms的目的。

圖5 讀取溫度儀表數據程序

3)溫度數據的讀取和分析程序設計。本文現場的儀表通過RS-485總線傳輸過來的數據并不是可以直接讀取的十進制數制，而是通過Modbus-RTU協議傳遞過來的一串代碼[7]。這就需要程序能夠將這些代碼正確地處理分析，并且能夠從中將系統所需要的隱藏數據準確地讀取出來。在讀取到正確的數據后，將其與設定的警戒值進行比較，若超過了警戒值就需要程序能夠及時地做出反應及操作。溫度數據讀取和處理如圖7所示，它完成了數據的讀取和分析，并且做出相應的處理。

當數據從寫入緩沖區中提取出來時，先經過一個屬性節點，這就相當于一個讀取緩沖區，它先讀取出傳遞來的字符串有多少字節，并且這也就確定VISA讀取函數需要讀取的字節數，代表著VISA讀取函數可以讀取出VISA中已有的所有數據。本文設計的通信系統的RS-485總線所使用的是Modbus-RTU協議，當發送命令后，主機所收到的回復的字節數是固定的，因此，VISA讀取的參數就確定了，這大大方便了后面數據解析程序的編寫。

在經過VISA讀取函數之后，通過字符串轉換字節數組函數，先將這一結果在用戶界面通過2種方式顯示出來：一種是直接以原字符串的形式顯示；另一種是以數組數值的形式顯示。這也方便了檢驗數據讀取過程中是否出現了錯誤。通過數制轉換把溫度信息轉換成十六進制形式的一連串代碼。由圖6所示，讀取的十六進制數值每位都進行了真假校驗，這是因為在現場的溫度信息是不穩定的，總會出現波動，導致返回的代碼不能全顯示，所以通過真假判斷自動設置，可以讓界面數據不再跳動。溫度數制轉換程序如圖8所示。壓力儀表程序同樣可以通過上述方法實現。

圖8 溫度數制轉換程序

2.5 RS-485通信界面設計

在整個程序編寫完成之后，一個精致、友好的通信調試界面也是相當重要的。在界面上能夠清楚地看到各種形式的溫度和壓力數據信息，并且有上限報警燈。將各項顯示原件進行重新合理地布局后，通信界面顯得和諧、美觀。

3 鍋爐測控通信系統功能實驗驗證

3.1 傳感器介紹

溫度及壓力傳感器是能夠感知外部的溫度及壓力信息，并將其轉換成可用輸出信號的傳感器。傳感器主要由敏感元件、通信芯片和變送器三部分組成。其結構示意圖如圖9所示。

1)敏感元件。能夠靈敏地感受被測變量并做出響應的元件，是傳感器中能直接感受被測量的部分。本文中直接感受溫度和壓力。

2)通信芯片。把感知的物理信號量轉換為數字信號量，能夠在RS-485總線上進行傳輸通信的信號量。

3)接口傳送元件。連接線插座，把轉換的溫度、壓力信息傳送到處理終端。

圖9 溫度及壓力傳感器結構示意圖

3.2 通信系統實驗

在上述程序設計好之后，需要通過實驗對系統的功能進行全面驗證，從中找到不足之處加以改正和優化。對系統功能進行驗證的實驗需要的硬件包括：安裝有LabVIEW軟件的計算機1臺、溫度及壓力傳感器各1個、RS-485總線轉換裝置1個以及可控制輸出電壓的電源儀器1臺。驗證實驗如圖10所示。

圖10 系統驗證實驗

3.3 通信功能驗證

首先應考慮在數據未發生錯誤時，數據的傳輸是否正常。在實驗的過程中， 通過人為的方式不斷

改變溫度傳感器感應的溫度，使溫度產生一定的上下波動，同時觀察通信調試界面(見圖11)上的溫度儀表是否產生變化。同樣，改變壓力傳感器感應到的壓力，同時觀察通信調試界面上壓力數據是否會產生合理的變化波動。經過驗證，確定了通信功能運行良好。

圖11 通信功能驗證界面

3.4 報警功能驗證

報警功能的驗證是在驗證通信功能的過程中，突然增大溫度傳感器感應的溫度，并且要高于設定的警戒值，看警戒燈是否會亮，系統的運行是否會中斷。如圖12所示，通信功能調試界面中包含報警功能驗證模塊。經過驗證，確定了警報功能運行良好。

圖12 報警功能驗證界面

4 結語

本文應用LabVIEW軟件進行編程并以Modbus-RTU作為通信協議，通過RS-485總線在上位機控制端和現場儀表進行信息交換，設計了一套完整的鍋爐測控系統。它能對現場的溫度、壓力進行實時遠程監控，當超過上限值時，能及時發出警報并處理。最后的驗證實驗表明，該鍋爐測控系統在工業控制中具有實用價值。

[1] 張磊,龔成龍,郭鳳雨.基于LabVIEW的多路溫度測控系統設計及其在管道熱處理中的應用[J].儀表技術與傳感器,2013(9):79-81.

[2] 謝啟，顧啟民，涂水林，等.基于LabVIEW的Modbus RTU通信協議實現[J]. 煤礦機械, 2006(12):95-97.

[3] 韋雪潔，劉良聰，張智美，等.基于LabVIEW的通信系統構建[J]. 北華航天工業學院學報, 2014(4)：22-23.

[4] 鄢志丹,孫立東,胡春光,等.基于LabVIEW的溫控系統[J].儀表技術與傳感器,2012(9):67-75.

[5] 李林，張生斌，申立中.基于LabVIEW高壓共軌柴油機燃燒過程的建模及仿真[J].新技術新工藝，2013(11):79-82.

[6] 李桂艷,趙文娟.RS-485總線多機通信系統設計[J].科學之友,2013(10):159-160.

[7] 鮑磊,馬鴻飛.單片機應用Modbus RTU通信的伺服控制系統[J].制造業自動化,2014(2):48-51.

責任編輯彭光宇

TheSystemDesignofBoilerMeasurementandControlbasedonLabVIEWandRS-485Bus

QI Pengjie1, LIU Xiubo1, ZHONG Zhaozhun2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China；2.School of Iron and Steel, Soochow University, Suzhou 215021, China)

The design of a boiler measurement and control system based on LabVIEW and RS-485 bus is presented. The software programming is designed using the open graphical language platform LabVIEW, and the information exchange between the remote control terminal and the scene field boiler is realized utilizing the Modbus-RTU communication protocol. The automatic remote monitoring of the temperature and pressure in the pipe of theboiler is achieved by the proposed software and hardware structure. The experiment results show the effectiveness of the suggested system.

LabVIEW，RS-485 bus，boiler measurement and control system，remote monitoring

TH 7

:B

漆鵬杰(1989-)，男，碩士研究生，主要從事數字圖像處理、機械設計制造等方面的研究。

劉秀波

2015-03-06