基于電力載波和LabVIEW的過程參數(shù)測控系統(tǒng)設(shè)計*

杜嘉明，李澤滔，夏　磊

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

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基于電力載波和LabVIEW的過程參數(shù)測控系統(tǒng)設(shè)計*

杜嘉明，李澤滔，夏磊

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

摘要：目前的工業(yè)生產(chǎn)測控領(lǐng)域還在廣泛采用專用信號電纜鋪設(shè)的傳統(tǒng)測控系統(tǒng)，它存在成本高、維護(hù)難等問題，并限制了測控系統(tǒng)傳感器所能覆蓋的范圍。為了解決這些問題，本設(shè)計將電力載波通信技術(shù)應(yīng)用到過程參數(shù)測控系統(tǒng)中，系統(tǒng)由采用PL3201芯片設(shè)計的三塊相同載波通信模塊、使用LabVIEW設(shè)計的配套上位機(jī)軟件、采用AT89S52芯片設(shè)計的終端采集模塊、電力線構(gòu)成，系統(tǒng)主要采集溫濕度、煙霧等數(shù)據(jù)，經(jīng)實驗室和工業(yè)現(xiàn)場測試該系統(tǒng)實時性、可靠性符合一般過程參數(shù)測控系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞:PL3201電力載波LabVIEWAT89S52單片機(jī)過程參數(shù)

0引言

所謂電力線載波通信(PLC，Power Line Communication)是指利用電力線作為傳輸通道的載波通信方式。其利用現(xiàn)有交流電源線作為通訊線路，省去了不切實際的鋪線工程，因此能夠大大方便測控系統(tǒng)傳感器的安裝，擴(kuò)大傳感器的覆蓋面，提高控制系統(tǒng)的可觀測性進(jìn)而提高系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、節(jié)能減排的目的[1]。

本項目所研究的通信模塊和測控樣機(jī)系統(tǒng)，降低了測控系統(tǒng)的工程費(fèi)用和工程難度，使測控系統(tǒng)的精確性、實用性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性大大增加，為提高生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)能降耗提供了條件[2]。

1總體方案設(shè)計

本設(shè)計集成了低壓電力載波技術(shù)、單片機(jī)及傳感器、數(shù)據(jù)采集控制等于一體的系統(tǒng)。同時，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)測控系統(tǒng)的特點，設(shè)計出配合上位機(jī)的整體架構(gòu)。

上位機(jī)下發(fā)命令到載波通信主模塊，再通過電力線載波通訊將命令傳遞給連接在電力線上的各個載波通信從模塊，下位機(jī)采集控制模塊通過串口連接起載波通信從模塊，用來采集溫濕度、煙霧、紅外、雨滴數(shù)據(jù)和控制繼電器。通過系統(tǒng)主機(jī)下發(fā)命令確定采集某一從模塊的某種數(shù)據(jù)或者啟停繼電器，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體方案

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1溫濕度模塊

本設(shè)計采用的溫濕度采集模塊是DHT11，該傳感器應(yīng)用廣泛，能同時采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，硬件電路如圖2。

圖2　溫濕度采集模塊

2.2煙霧、紅外、雨滴、繼電器模塊

本設(shè)計采用Arduino機(jī)器人套件的煙霧、紅外、雨滴模塊和1路繼電器模塊。煙霧、紅外、雨滴傳感器顧名思義，分別用來監(jiān)測是否有煙霧、是否有人經(jīng)過、是否有雨滴落下[3]。

系統(tǒng)采用天津銳志RZ-51V20開發(fā)板制作終端采集模塊，該開發(fā)板集成了Atmel公司的AT89S52單片機(jī)，我們將溫濕度模塊、煙霧、紅外、雨滴、繼電器模塊連接在開發(fā)板上，并將采集模塊和載波通信從模塊通過串口連接起來。當(dāng)有命令時，指令通過單片機(jī)和載波通信模塊傳至上位機(jī)，在LabVIEW界面進(jìn)行溫濕度、繼電器狀態(tài)顯示，或煙霧濃度、紅外、雨滴報警指示等，根據(jù)指令信息執(zhí)行相應(yīng)的動作。

2.3載波通信模塊

本設(shè)計采用的載波通信模塊采用PL3201為核心，集成有PL3201的最小系統(tǒng)、電源電路、通信接口電路(串口)、功率放大電路、發(fā)送/接收濾波電路和耦合保護(hù)電路等[4]。載波通信模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　載波通信模塊結(jié)構(gòu)

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為三個部分，包括上位機(jī)程序、載波通信模塊程序和下位機(jī)程序。

3.1上位機(jī)程序設(shè)計

本設(shè)計采用圖形化編程語言LabVIEW設(shè)計上位機(jī)程序，設(shè)計的測控系統(tǒng)登陸界面和測控主機(jī)正常工作界面如圖4、圖5所示。

圖4　測控系統(tǒng)登陸界面

圖5　測控主機(jī)正常工作界面

每間隔一段時間，下位機(jī)主動采集一次溫濕度數(shù)據(jù)，并上傳到上位機(jī)，以數(shù)字和曲線波形形式表示，并保存數(shù)據(jù)[5]。當(dāng)下位機(jī)接收到紅外、煙霧、雨滴報警數(shù)據(jù)時，對應(yīng)的紅燈亮，切換標(biāo)簽頁，可顯示來自不同下位機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)[6]。圖6為采用LabVIEW編程的部分圖形程序。

圖6　LabVIEW編程的部分圖形程序

3.2載波通信程序設(shè)計

載波通信程序的流程圖如圖7所示。

圖7　載波通信程序的流程圖

3.3下位機(jī)程序設(shè)計

下位機(jī)采集溫濕度數(shù)據(jù)上傳需要等待上位機(jī)的命令，而煙霧、紅外、雨滴傳感器一旦采集到數(shù)據(jù)就直接上傳到上位機(jī)，繼電器開關(guān)的啟停則直接受上位機(jī)控制[7]。

4總結(jié)

本項目研究設(shè)計出的基于電力載波和LabVIEW的過程參數(shù)測控系統(tǒng)，經(jīng)實驗室調(diào)試與工業(yè)現(xiàn)場測試，能在常規(guī)的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作，通過載波通信模塊將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過電力線載波通

信方式可靠的傳送到測控系統(tǒng)主機(jī)，同時能準(zhǔn)確的將各種控制命令通過電力線載波通信方式傳送至各采集控制模塊。但在設(shè)計過程中，為提高載波通信方式的可靠性而犧牲了部分通信速度，雖然能準(zhǔn)確的獲取現(xiàn)場的相應(yīng)數(shù)據(jù)，實時性也能夠滿足一般的過程測控系統(tǒng)要求，但對于快速測控系統(tǒng)，其實時性還有待提高。

參考文獻(xiàn)

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李澤滔(1960-)，男，貴州人，教授，現(xiàn)主要從事計算機(jī)控制技術(shù)研究。

夏磊(1990-)，男，安徽人，碩士生，主要研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

Design of process parameter measurement and control system based on power-line communication and LabVIEW

DU Jiaming, LI Zetao, XIA Lei

Abstract:At present, the traditional measurement and control system with dedicated signal cables is widely used in industrial measurement and control field, but it is expensive, difficult to maintain, and has limited the coverage of the sensors. In order to solve these problems, we adopted the power-line communication technology for the design of the process parameter measurement and control system. The system consisted of three same power-line communication modules with PL3201 chips, host computer software developed with LabVIEW, terminal collecting module with AT89S52 microcontroller, and power lines. The system mainly collected temperature, humidity, smoke and other data. Through lab and field tests, the system was proved to be able to meet the requirements of instantaneity and reliability for process parameter measurement and control systems.

Keywords:PL3201;power-line communication; LabVIEW; AT89S52 microcontroller; process parameter

收稿日期：2016-01-14

作者簡介：杜嘉明(1989-)，男，湖北人，碩士生，主要研究方向為計算機(jī)控制技術(shù)。

基金項目：貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長專項資金項目(NO.Z103243)資助。

中圖分類號：TP386.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1002-6886(2016)02-0085-03