LabVIEW與基于Modbus協議的溫度控制器通信研究

崔陽

摘 要：溫度控制軟件是工業控制軟件中的一類，對溫度數據采集有嚴格要求。為了能夠準確實現溫度數據的采集和表示，首先總結了溫控數據的主要特點，對Modbus協議和地址規范做了介紹。在此基礎上對LabVIEW與基于Modbus協議的溫控硬件設備通信模式進行了研究，對通信過程中可能出現的一些問題做出分析，并予以解決。最后在橫河電機的UP35A溫控調節器上進行了編程實驗。實驗結果表明這一通信模式能夠較好地滿足溫控數據采集的要求。

關鍵詞：Modbus協議；LabVIEW；溫度控制

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

Abstract：Temperature data collection is one of the critical issues in temperature control software.To solve the problem of accurateness in collection and display of temperature data，specification of the Modbus protocol and address，as well as characteristics of the temperature data are introduced briefly at first，based on which the communication model between LabVIEW and Modbus-supported hardware is studied and programmed on Yokogawa UP35A.Results show that model can meet the requirements of temperature control data collection and display better.

Keywords：modbus protocol；LabVIEW；temperature control

1 引言（Introduction）

溫控系統軟件是工業控制軟件中常用的一類，廣泛用于紡織品印染、鋰電池制造、家電生產等領域。由于對溫控數據的采集、處理、顯示要求都比較高，因此當前對溫控數據的采集和處理已經基本實現了自動化[1]。

LabVTEW是由美國國家儀器（NI）公司研制開發的一種程序開發環境，它使用圖形化編輯語言編寫程序，是NI設計平臺的核心，在開發工業控制系統方面具有極大優勢[2]。目前很多溫控設備是基于Modbus協議通信的，這類設備不但可以實現對溫控數據的準確、實時、多通道采集，還能在無線網絡環境下進行配置，這就擴大了設備的使用范圍。因此在溫控軟件系統研發中越來越多地采用以LabVIEW作為溫控數據顯示界面、Modbus設備實現溫控數據采集的模式。本文針對工作中LabVIEW與基于Modbus協議設備的通信原理、過程及常見問題進行研究。

2 溫控數據的主要特點（Primary characteristics of thermostat data）

溫控系統數據的特點與其應用領域密切相關，主要有以下幾點[3]：

（1）數據量大。由于溫控軟件一般處于長時間運行狀態，對溫控數據的采集間隔短，且基本是多通道并行采集，因此產生的數據量非常大。例如一款用于鋰電池制造的溫控軟件的一次運行時間通常在幾天到十幾天之間，此期間每0.2秒采集一次數據，數據分若干組，每組最多同時對四個通道進行采集。數據量以GB甚至TB計。

（2）處理過程復雜。溫控軟件對數據的處理一般要遵循相關的行業標準，處理時除數據本身外，還要綜合軟件運行時間閾值、采集頻率、數據狀態等計算得出溫變趨勢，以便進行決策。

（3）實時性強。由于溫控軟件屬于工業控制軟件，因此實時性是其重要指標之一。例如在鋰電池制造中，溫度值超過某一閾值不能連續達到用戶設定的最大時間，否則就有可能出現報廢。

正是由于溫控數據的上述特點，要特別注意數據的準確性和同步性。這也是使用LabVTEW對溫控數據進行采集、顯示和監控的主要目的之一。

3 Modbus地址規范（Specification of modbus address）

Modbus是世界上第一個真正用于工業現場的總線協議，1979年由Modicon公司發明。LabVIEW和PLC的通信方式主要有兩種：Modbus和NI OPC Server。前者需要PLC安裝Modbus模塊，后者需要對特定PLC設備支持才能保證正常連接[4]。在實現方面Modbus的物理接口有以太網與串口兩種。近年來很多支持Modbus協議的設備已能夠在無線網環境下進行配置和連接，因此更為靈活方便。例如橫河電機的UP35A設備就可以同時提供有線和無線兩種連接方式。

通常，Modbus地址是一個包含數據類型和偏移量的6個字符的數值。其中前兩個字符指定數據類型，后4個字符給出該數據類型中的序號。不同公司開發的設備Modbus地址有所不同[5]。例如40001—4XXXX是美國Modicon公司和GE公司PLC使用的Modbus地址，它是基于1的地址（即同類元件的首地址為1）。這一地址左起第2位用于表示元件類型，如i0.0的Modbus地址為010001。而西門子PLC的Modbus地址是基于0的，如i0.0的Modbus地址實際上為000000，i2.0的Modbus地址為000016而非010017等等。在配置Modbus地址時要注意。

有時Modbus地址的后4位可能被標記為偏置。這時就需要在地址的一二位之間添0，使地址從5位變為6位。例如，若設備手冊上標示的一個Modbus地址40001用于某一寄存器通信，則編程人員就應將這一地址配置為400001。

4 LabVTEW與Modbus設備的通訊配置（Communication configuration of labVTEW and modbus device）

LabVIEW與Modbus設備在通訊前要進行設置，且必須安裝DSC模塊[6]。在安裝時需要注意的是DSC版本必須和LabVIEW版本相同，如LabVIEW為2013版，則DSC也應為2013版，否則將無法安裝。

具體配置工作可劃分為Modbus I/O Server配置、約束變量創建和Modbus I/O Slave配置幾部分。

4.1 Modbus I/O Server配置

首先在集成開發環境中新建工程，然后在工程中新建I/O Server，如圖1所示。之后在圖2的界面中選擇”Modbus”建立Modbus Server，同時在“Model”中選擇以太網或無線網模式，并輸入modbus設備的IP地址。由于在DSC中端口號已經默認為502，因此Modbus端口不需要再進行設置，只需配置IP地址。

以上是最基本的Modbus I/O Server配置。用戶可根據NI給出的“Modbus libraries for LabVIEW”庫，結合實際工作需求做進一步配置。

4.2 約束變量創建

約束變量創建也就是Modbus寄存器地址創建。在如圖3所示的約束變量創建界面中選擇“添加范圍”，將所需的約束變量項數添加進去，這時在I/O Server中會出現對應的Modbus地址。如果設備的Modbus地址是5位，還需要在一二位之間加“0”，使地址達到6位。之后將約束變量直接拖入LabVIEW生成的VI界面中即可。

4.3 Modbus I/O Slave配置

Modbus I/O Slave配置不是必需的，但可以用來模擬一些運行環境情況。Modbus I/O Slave的配置步驟與Modbus Server大體相同，但必須要將地址設置為與Server通信地址一致，否則無法通信。Modbus Server創建約束變量的方式也與“Modbus Server”相同。

5 實驗（Experiment）

實驗以橫河電機的UP35A設備為平臺，上層開發環境為Windows 7、LabVIEW2013和DSC2013。UP35A是橫河電機一款用于溫控軟件系統的新型溫控調節器，尺寸為1/4DIN，可設置四種程序模式，能夠同時監視兩個PV事件、四個時間事件和兩個報警，且支持Modbus協議和無線局域網連接。實驗中設置UP35A模擬發生PV值，以正弦波信號形式發送，LabVIEW創建的VI界面負責對PV值進行采集和顯示。

實驗環境中UP35A的IP地址可設置為192.168.X.X的內部地址。通過查找UP35A的配置XML表，可知UP35A的PV寄存器Modbus地址為42003，在第一二位之間添“0”后變為402003。按上節中的步驟完成配置后運行程序。數據采集頻率為10次/秒。從圖4可知，程序運行時LabVIEW對Modbus設備數據采集基本能夠做到準確和同步。

6 結論（Conclusion）

在溫控軟件中使用LabVIEW與Modbus設備通信非常方便和高效。上述方法對實現過程中可能遇到的一些問題進行了研究，并給出了解決辦法。實際編程中證明這一方法是行之有效的。今后可以在提高數據采集的多樣性和靈活性等方面加以改進。

參考文獻（References）

[1] 趙鵬.基于無線傳感器網絡的動態溫控系統分析[J].南京工程學院學報（自然科學版），2014，12（2）：18-23.

[2] Jeffrey Travis，Jim Kring.LabVIEW大學實用教程[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3] 劉蓁，尹鳳媛.PLC在溫控系統中的應用[J].微計算機信息，2012，28（9）：76-87.

[4] 袁文波，等.S7_PLC基于Modbus_TCP協議通信研究[J].計算機工程與設計，2014，35（2）：736-741.

[5] 史運濤，等.基于Modbus協議的通訊集成技術研究[J].化工自動化及儀表，2010，37（4）：67-72.

[6] 李琳芳，賈蕓芳，李國厚.基于LabVIEW的數據采集與處理系統設計[J].河南科技學院學報，2015，43（2）：51-55.

作者簡介：

崔 陽（1979-），男，博士，講師.研究領域：知識工程與知識發現.