基于LabVIEW與S7-200PLC的飛機電器裝置檢測系統(tǒng)

曹 陽， 盧 翠， 許 冰， 林 峰

（1.沈陽航空航天大學 電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽工業(yè)大學 軟件學院，遼寧 沈陽 110023）

飛機電器裝置主要是用于對機載設(shè)備進行自動化控制，其工作狀態(tài)直接關(guān)系到機載系統(tǒng)工作的可靠性，因此對其檢測及故障判斷極其重要。

目前，在飛機電器裝置檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案上，有學者提出上位機用匯編語言編程，硬件以單片機和液晶顯示子系統(tǒng)為核心構(gòu)成檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可擴展性好、檢測效率高，但可靠性低[1]；還有一些學者將Visual C++軟件平臺與嵌入式PC/104硬件設(shè)備結(jié)合構(gòu)成檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)界面較好、操作方便，但是費用較高[2]。針對以上方案的優(yōu)缺點和LabVIEW在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[3-4]，文中提出了采用LabVIEW與PLC結(jié)合的方式設(shè)計飛機電器裝置檢測系統(tǒng)，這樣可以將LabVIEW所具有的界面友好、編程直觀、顯示多樣化的特點和PLC可靠性好、抗干擾能力強的優(yōu)點有機結(jié)合，構(gòu)成界面友好、功能完善、檢測便捷的系統(tǒng)。

LabVIEW與PLC相結(jié)合構(gòu)成的檢測系統(tǒng)工作時有測試程序的傳送和測試結(jié)果的返回，這就需要裝有LabVIEW軟件平臺的計算機與PLC進行通信。通信方式主要有：1）采用OMRON公司的C200HG系列PLC，用RS232直接將HOST LINK模塊連接到上位機，該方式通信速度快，穩(wěn)定性高，但是可擴展性較差[5]；2）采用OPC技術(shù)，該方式的軟件開發(fā)周期短，可靠性和穩(wěn)定性較好，但需要配套的軟硬件設(shè)備，費用高[6]。除了以上方式，還可以在西門子S7-200 PLC的自由口模式（Free Port Mode）下自定義通信協(xié)議，進而實現(xiàn)串口通信[7]。S7-200PLC的自由端口通信模式有足夠的靈活性，用戶可以根據(jù)需要自行定義通信協(xié)議，包括計算機的發(fā)送信息格式和PLC反饋信息格式的約定。

文中應(yīng)用LabVIEW8.5為開發(fā)平臺，結(jié)合以S7-200 PLC為核心的硬件，提出了基于LabVIEW8.5與S7-200PLC的飛機電器裝置檢測系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)實際工程應(yīng)用證明，該系統(tǒng)性能良好，檢測效率高。

1 通信協(xié)議

計算機與PLC是通過RS-232/485轉(zhuǎn)接電纜通信的，為了避免通信過程中各方爭用通信線路，采用主從方式，即PC機為主機，PLC為從機[8]，二者連接的點對點方式如圖1所示。當然，也可以是一臺主機多臺從機的一對多方式。

圖1 PC機與PLC的通信示意圖Fig.1 PC and PLC communication diagram

1.1 計算機發(fā)送信息的格式

計算機發(fā)送信息的基本格式如表1所示[9]。當通信系統(tǒng)中有多臺PLC從機時，發(fā)送信息的格式中還應(yīng)包含對目標從機地址的定義。

表1 發(fā)送信息的格式Tab.1 Format of sending information

發(fā)送信息中包含控制字符和操作數(shù)據(jù)，因此，為了統(tǒng)一其數(shù)據(jù)格式、防止結(jié)束字符和數(shù)據(jù)字符混淆，所有字符都采用十六進制ASCII形式輸出。這樣，使用ASCII碼的30H到39H和41H到46H就可以表示任何數(shù)值數(shù)據(jù)了，而控制字符可以使用各自的ASCII碼。

文章在上位計算機中定義一個24字符長的發(fā)送信息指令，由16字符長的控制字符和8字符長的操作數(shù)據(jù)組成。計算機每次發(fā)送一條指令給下位機，實現(xiàn)一次讀/寫操作。具體的發(fā)送信息格式如表2所示。

字符1為起始字符，采用大寫“S”作為起始字符；字符2、3為目標PLC的站地址，用來標明要發(fā)送數(shù)據(jù)的目標地址，各個PLC據(jù)此判斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)；字符4～11為目標寄存器地址，其中字符4、5為寄存器類型（00H：I寄存器，01H：Q 寄存器，02H：V 存儲區(qū)，04H：M 存儲區(qū)），字符 6、7 為寄存器號，字符8～11為地址，如VB100為0200 0064H，是V存儲區(qū)中的字節(jié)，地址是64H；字符12為指令類型，該字符說明上位機發(fā)出的是讀指令還是寫指令，控制PLC做相應(yīng)的讀/寫操作，這里約定 R（52H）代表讀，W（57H）代表寫；字符13為讀/寫字節(jié)數(shù)，字符14～21為寫入PLC的數(shù)據(jù)，占用8個字符；字符22、23為校驗碼，是運用布爾函數(shù)中的“復合運算”節(jié)點中的“異或”模式，對字符2～21中的數(shù)據(jù)做異或運算的結(jié)果；字符24為結(jié)束字符，采用大寫“O”作為發(fā)送信息結(jié)束字符。

發(fā)送信息格式在上位機中的實現(xiàn)過程是，以LabVIEW8.5為開發(fā)平臺，利用“連接字符串”函數(shù)將發(fā)送信息封裝打包，通過VISA節(jié)點中的VISA Write節(jié)點發(fā)送給PLC。相關(guān)程序?qū)⒃诰幊虒崿F(xiàn)部分中給出。

表2 具體的發(fā)送信息格式Tab.2 Idiographic format of sending information

1.2 PLC返回信息的格式

PLC每接收到上位機的一條指令，就返回一條13字符長的反饋信息，其格式如表3所示。

表3 反饋信息的格式Tab.3 Format of feedbacking information

字符1為起始字符，標明反饋信息的開始，對于不同的從機需要定義不同的起始字符，上位機由此識別反饋信息來自哪個從機；字符2為狀態(tài)信息，表明PLC對上位機傳送的控制命令和數(shù)據(jù)的執(zhí)行狀態(tài)（01H：讀取正確，02H：接收正確，03H：校驗碼有誤，04H：非法指令）；字符 3～10為數(shù)據(jù)區(qū)，是PLC要反饋給上位機的數(shù)據(jù)，占用8個字符，以十六進制ASCII形式表示；字符11、12為校驗碼，是對字符2～10中的數(shù)據(jù)做異或運算的結(jié)果，發(fā)送給上位機用于判斷傳輸?shù)臓顟B(tài)；字符13為結(jié)束字符，標明反饋信息結(jié)束，各從機可選用同一結(jié)束字符，采用小寫“o”作為反饋信息結(jié)束字符。

上位機通過LabVIEW8.5開發(fā)環(huán)境中的VISA Read節(jié)點讀取下位機的反饋信息，首先對其解析，主要是用到字符串函數(shù)中的“截取字符串”，然后對解析得到的數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的分析和處理，以便監(jiān)測下位機的工作狀態(tài)。

2 基于LabVIEW和PLC檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 LabVIEW中的程序設(shè)計

LabVIEW中程序設(shè)計的總體思路：首先，將發(fā)送指令中的控制字符和數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)通過“連接字符串”函數(shù)封裝打包；然后將打包好的發(fā)送指令作為“VISA Write”節(jié)點的輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)接電纜發(fā)送給PLC。具體程序如圖2、圖3所示，其中圖2為計算異或校驗碼、連接字符串的程序，此處封裝得到的結(jié)果是要發(fā)送給下位機的信息；圖3為串口通信程序。

圖2 發(fā)送信息的封裝Fig.2 Package of sending information

圖3中的“發(fā)送給PLC的命令和數(shù)據(jù)”就是圖2中的“發(fā)送信息”。在該串口通信程序中，對串口的配置是，VISA資源名稱即串口號：COM1，波特率：9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位，無軟件握手協(xié)議（流控制）。

完成了發(fā)送信息的封裝和傳送，下一步的工作是處理PLC返回的信息，LabVIEW利用“截取字符串”函數(shù)解析PLC返回的信息[10]，具體過程如下。首先，截取第一個字符可以判斷是哪個從機的反饋信息；然后讀取第二個字符，檢查PLC對命令的執(zhí)行狀態(tài)；若寫入正確，則通過圖4中的程序讀取返回信息中的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，進一步作相應(yīng)的分析和處理，以便對儀器設(shè)備進行實時控制。部分程序如圖4所示。

2.2 PLC中的程序設(shè)計

要采用自由端口模式與上位機進行通信，PLC必須處于運行（RUN）狀態(tài)，而且 PLC是通過調(diào)用發(fā)送指令（XMT）、接收指令（RCV），接收中斷、發(fā)送中斷來完成通信操作的，因此，為使通信正常進行，需要對PLC自由端口的控制寄存器和RCV指令進行初始化。部分程序如下：

圖3 串口通信程序Fig.3 Serial communication program

圖4 讀取PLC返回信息Fig.4 Read returning information of PLC

以下是初始化子程序：

完成對控制寄存器和RCV指令的初始化后，還需要設(shè)置專門的緩沖區(qū)，用來存放接收到的控制命令和操作數(shù)據(jù)以及要發(fā)送的反饋信息，并定義標志位。主要包括以下幾個子程序：

1）接收子程序PLC首先判斷指令中的目標地址，與本機地址一致，并且指令類型為W（57H），校驗碼正確，則執(zhí)行接收子程序，把數(shù)據(jù)存放在PLC的存儲區(qū)中，并發(fā)送“接收正確（02H）”的反饋信息。

2）讀取子程序PLC首先判斷指令中的目標地址，與本機地址一致，并且指令類型為R（52H），校驗碼正確，則執(zhí)行讀取子程序，把要讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十六進制ASCII形式并存儲到緩沖區(qū)，計算校驗碼，發(fā)送反饋信息。

3）RCV_OVER接收完成中斷程序，用于把接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)的存儲區(qū)，計算校驗碼，若無校驗錯誤則復位校驗錯誤指示位，若有誤則置位校驗錯誤指示位。

4）XMT_OVER發(fā)送完成中斷程序，發(fā)送完成后允許新的接收，緩沖區(qū)清零，復位各個標志位。

2.3 檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

采用上述通信協(xié)議的定義格式，文中實現(xiàn)了基于LabVIEW8.5開發(fā)平臺的計算機與PLC的飛機電器裝置檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)的前面板如圖5所示。

圖5 檢測系統(tǒng)前面板Fig.5 Front panel of detection system

控件“測試目錄選擇”被按下后，界面切換到測試目錄選擇主菜單界面，用于選擇要檢測的電器裝置；“開始”、“確認”、“單步測試”、“暫?！卑粹o用于控制檢測過程的開始、單步測試、暫停等操作。右側(cè)是檢測結(jié)果顯示界面：標準值中以指示燈的不同顏色來表示不同的測試功能；測試值中，指示燈“綠色”表明測試值與標準值一致，“紅色”表示有故障，同時以對話框形式給出故障信息，用戶可以根據(jù)需要選擇退出檢測或是忽略故障繼續(xù)進行下一步檢測。

實驗表明，檢測系統(tǒng)的通信正常，能夠完成檢測工作，操作方便、界面友好。

3 結(jié) 論

以LabVIEW8.5為軟件開發(fā)平臺、S7-200系列PLC為底層硬件，在自由端口模式下定義通信協(xié)議，實現(xiàn)了二者的串行通信。其優(yōu)點是：1）LabVIEW作為軟件平臺，提供了豐富的用于開發(fā)用戶界面的對象，包括圖形、圖表、按鈕與開關(guān)、指示燈等，用戶可以編制友好的人機界面，添加報警功能，進行系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，彌補了PLC不易實時顯示圖表和曲線、無良好界面、不便于監(jiān)控等缺陷。2）PLC有良好的可擴展能力和適應(yīng)性，以其為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、編程簡單靈活、抗干擾能力強的特點，可以執(zhí)行可靠有效的分散控制。3）采用自由端口模式下的通信，不用購買軟件，可以讀取PLC中任意存儲區(qū)的數(shù)據(jù)，成本低，靈活性好，特別適合于小規(guī)模的控制系統(tǒng)。自由端口模式下通信協(xié)議的設(shè)計還可以結(jié)合Internet實現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)測，具有較大的推廣空間和較好的應(yīng)用前景。

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