LabVIEW在基于Modbus-RTU協(xié)議的功率分析儀信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張日紅，陸金，朱立學(xué)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510225)

LabVIEW在基于Modbus-RTU協(xié)議的功率分析儀信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張日紅，陸金，朱立學(xué)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510225)

采用基于Modbus-RTU協(xié)議的功率分析儀對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，借助LabVIEW 2010虛擬儀器開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)功率分析儀的串口通信編程開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量參數(shù)顯示、波形顯示等功能。

LABVIEW;Modbus-RTU協(xié)議;功率分析儀;三相異步電動(dòng)機(jī)

功率分析儀能夠精確地計(jì)算出三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的有功功率、無(wú)功功率、有功電能、無(wú)功電能、功率因數(shù)、電壓諧波、電流諧波、電壓有效值、電流有效值、電流平衡度、電壓平衡度、三相電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率和綜合效率等多項(xiàng)指標(biāo)，滿足工業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)控制、電力監(jiān)控等要求，適用于對(duì)發(fā)電系統(tǒng)、普通電動(dòng)機(jī)、電網(wǎng)的能耗、電力質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析［1］。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，以虛擬儀器為標(biāo)志的通用化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量?jī)x器及測(cè)試系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，使得測(cè)量?jī)x器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)生了深刻的變化。利用虛擬儀器開發(fā)軟件，將提高測(cè)試系統(tǒng)的整體水平和集成程度，縮短軟件開發(fā)周期［2］。LabVIEW是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，它主要用于開發(fā)數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等領(lǐng)域的專用軟件開發(fā)平臺(tái)。通過(guò)LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)者不用過(guò)多地去考慮硬件底層的兼容和通信問(wèn)題，可以專注于系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定性提高方面［3］。

文中采用基于Modbus-RTU協(xié)議的功率分析儀對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，借助LabVIEW 2010虛擬儀器開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)功率分析儀的串口通信編程開發(fā)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)顯示、波形顯示等功能。

1 系統(tǒng)硬件組成及特點(diǎn)

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成

功率分析儀信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要由計(jì)算機(jī)、功率分析儀AWS2103B、電控箱、變頻器、三相異步電機(jī)組成。由于AWS2103和AWE2103系列功率分析儀通信接口的通信協(xié)議采用Modbus-RTU協(xié)議，可以使用通用的RS232串口通信數(shù)據(jù)線將功率分析儀與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)采用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)程序開發(fā)［4－5］。

圖1 功率分析儀信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

1.2 功率分析儀的特點(diǎn)

AWS2103B三通道功率分析儀是采用32位微處理器、以高速高精度A/D轉(zhuǎn)換器為核心的儀器，擁有高精度、高穩(wěn)定性、多種參數(shù)測(cè)量功能;通過(guò)USB、RS232、RS485等連接方式可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的傳輸，通信協(xié)議為Modbus-RTU協(xié)議。表1為AWS2103B功率分析儀的部分測(cè)量數(shù)據(jù)映像地址［7］。

表1 AWS2103B功率分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)映像地址

1.3 Modbus-RTU的數(shù)據(jù)幀格式

如表2所示，主機(jī)請(qǐng)求讀數(shù)據(jù)由8字節(jié)組成，字節(jié)1首先發(fā)送。以下所說(shuō)的主機(jī)是指計(jì)算機(jī) ，所指的從機(jī)是指AWS2103型功率分析儀，所涉及的數(shù)字如以0x開頭均為十六進(jìn)制數(shù)。從機(jī)地址，這里指儀器的地址值，在網(wǎng)內(nèi)是唯一的身份標(biāo)識(shí)，也表示主機(jī)將要指定和哪一臺(tái)從機(jī)通信的唯一識(shí)別碼。功能號(hào)用于識(shí)別此通信幀的功能或作用，請(qǐng)求讀功能號(hào)固定為:0x03。起始地址為十六位無(wú)符號(hào)整數(shù)，代表著將要讀的第一個(gè)數(shù)據(jù)的地址值。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為十六位無(wú)符號(hào)整數(shù)，表示將要讀取多少字節(jié)。CRC校驗(yàn)碼為十六位無(wú)符號(hào)整數(shù)。

表2 主機(jī)請(qǐng)求讀數(shù)據(jù)的格式

從機(jī)正常應(yīng)答的數(shù)據(jù)格式如表3所示，返回的從機(jī)地址，這里指儀器的地址值，其意義是告訴主機(jī)，該數(shù)據(jù)包是屬于哪一臺(tái)從機(jī)的。功能號(hào)用于告訴主機(jī)此通信幀的功能或作用，返回的讀功能號(hào)與請(qǐng)求讀的功能號(hào)是一樣的，固定為:0x03。數(shù)據(jù)量表示將返回多少個(gè)有效的數(shù)據(jù)字節(jié)。

表3 從機(jī)正常應(yīng)答的數(shù)據(jù)格式

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 功率分析儀信號(hào)監(jiān)測(cè)程序的開發(fā)流程

以三相異步電動(dòng)機(jī)的有功功率為測(cè)試對(duì)象的LabVIEW串口通信程序開發(fā)流程如圖2所示。程序的功能模塊主要包括:串口通信的設(shè)置，定時(shí)數(shù)據(jù)采集，CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與曲線繪制等［8－10］。

圖2 LabVIEW串口通信程序開發(fā)流程

2.2 串口通信的初始化設(shè)置

圖3 基于LabVIEW的功率分析儀串口通信的設(shè)置

波特率定義了數(shù)據(jù)交換的通信速度，當(dāng)外部系統(tǒng)通過(guò)RS232儀器互聯(lián)，選擇正確的波特率是必須的，計(jì)算機(jī)和功率分析儀分析的波特率必須一致才能正確通信［6］。在該系統(tǒng)中，波特率選定為115.2 Kb/s。數(shù)據(jù)校驗(yàn)位設(shè)置為無(wú)校驗(yàn)，這是因?yàn)楹竺鎸⒉捎酶鼮榭煽康腃RC循環(huán)冗余校驗(yàn)方式，如果執(zhí)行串口打開指令成功則進(jìn)一步設(shè)置I/O緩沖區(qū)大小為20 480個(gè)字節(jié)，基于LabVIEW的串口通信的詳細(xì)設(shè)置程序如圖3所示。

2.3 CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)

即使最好的通信硬件系統(tǒng)，都無(wú)法保證所傳送的數(shù)據(jù)100%正確。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的事例說(shuō)明:當(dāng)系統(tǒng)正在傳送某個(gè)數(shù)據(jù)包，但因?yàn)槟撤N未知原因，或突然受外部EMC干擾，導(dǎo)致通信線路的電平不能正確定位，那么從機(jī)所收到的數(shù)據(jù)將無(wú)法保證其正確性［11］。

循環(huán)冗余校驗(yàn)是一種查錯(cuò)算法，發(fā)送方對(duì)待發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算，并將得到的結(jié)果附在幀的后面，接收設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后也執(zhí)行類似的算法，然后與發(fā)送方的CRC結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果相等，則數(shù)據(jù)正確，否則數(shù)據(jù)有誤，接收方可請(qǐng)求發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。它是一類重要的線性分組碼，編碼和解碼方法簡(jiǎn)單，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力強(qiáng)，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制［12］。

常用的CRC算法有CRC16和CRC32算法，該采集系統(tǒng)采用CRC16算法。在LabVIEW編程中引用C語(yǔ)言子程序件實(shí)現(xiàn)CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)的程序如圖4所示。

圖4 CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)程序

2.4 通信中的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式

計(jì)算機(jī)通過(guò)功率分析儀實(shí)時(shí)采集到的32位單精度浮點(diǎn)數(shù)由4個(gè)字節(jié)組成，數(shù)據(jù)排列按照ANSI/IEEE Std 754-1985《IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，字節(jié)的排列順序采用的是小端格式，具體如下:

Bit31:S為符號(hào)位，S=1表示浮點(diǎn)數(shù)為負(fù)數(shù)，S=0表示浮點(diǎn)數(shù)為正數(shù);Bit30～23:EXP為8位元階碼;Bit22～0:Fraction為22位元分?jǐn)?shù)部分。

浮點(diǎn)數(shù)的正負(fù)取決于符號(hào)位，基于LabVIEW的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序如圖5所示。

圖5 LabVIEW浮點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

2.5 數(shù)據(jù)采集的定時(shí)循環(huán)

圖6 LabVIEW定時(shí)數(shù)據(jù)采集程序

利用LabVIEW的時(shí)間計(jì)數(shù)器和串口通信指令可以方便而精確地實(shí)現(xiàn)向功率分析儀定時(shí)發(fā)送讀取指令、并定時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)的功能，具體程序如圖6所示。

2.6 被測(cè)數(shù)據(jù)及波形的實(shí)時(shí)顯示

該信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用LabVIEW 2010虛擬儀器開發(fā)軟件進(jìn)行程序開發(fā)，以三相異步電動(dòng)機(jī)的有用功率為實(shí)時(shí)采集對(duì)象，定時(shí)采集周期為500 ms，由于功率分析儀映像地址704轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制為02C0，故主機(jī)請(qǐng)求讀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀格式應(yīng)為“01 03 02 C0 00 04 45 8D”。如圖7所示，程序可以實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)有功功率的瞬時(shí)值、最大值、最小值的實(shí)時(shí)顯示以及實(shí)時(shí)曲線的繪制。如果將功率分析儀的映像地址進(jìn)行更改，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)其他參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

圖7 基于LabVIEW的三相異步電動(dòng)機(jī)有功功率的實(shí)時(shí)采集界面

3 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW強(qiáng)大的串口通信功能對(duì)基于Modbus-RTU協(xié)議的功率分析儀編制了監(jiān)測(cè)程序，只需要更改功率分析儀采集參數(shù)的映像地址并發(fā)送相應(yīng)指令便可實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)及其波形的實(shí)時(shí)顯示，具備信息處理能力強(qiáng)、通用性好、人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)。

【1】張儀.WT3000三相功率分析儀在電源測(cè)試中的應(yīng)用研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19(7):172－176.

【2】張曉娟，師帥兵，張慧鵬，等.基于LabVIEW的發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008(3):175－177.

【3】胡軍，張惠明，呂筱萍，等.虛擬技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中的實(shí)踐［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2004(3):32－34.

【4】周兵，李娜.基于Modbus/TCP協(xié)議橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電力監(jiān)控設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2010，33(9):126－129.

【5】高瑞，苗長(zhǎng)云，王中偉.基于LabVIEW的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27 (6):58－61.

【6】朱偉偉，李菊芳，梁美玉，等.基于LabVIEW與Modbus通信協(xié)議的煤礦通風(fēng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.礦山機(jī)械，2010，38(15):37－39.

【7】華晶科技股份有限公司.功率分析儀用戶手冊(cè) －AWS2103系 列 ［EB/OL］.http://www.aitek.tw/ DataSheet/AWS2103_Manual_V10.pdf.

【8】蘇仔見，倪攀，許少倫.LabVIEW在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30 (10):38－39.

【9】徐艷雷.基于LabVIEW和Modbus總線的燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］.上海:上海交通大學(xué)工學(xué)，2009.

【10】謝啟，顧啟民，涂水林，等.基于LabVIEW的Modbus通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)［J］.煤炭機(jī)械，2006，27(12):95－97.

【11】王欣.靜止同步補(bǔ)償裝置監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:武漢工程大學(xué)，2011.

【12】許正榮，賈賢龍，楊敦毅.循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)編碼器設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(8): 4355－4357.

Application of LabVIEW for Signal Monitoring in Power Analyzer Based on Modbus-RTU Protocol

ZHANG Rihong，LU Jin，ZHU Lixue
(Department of Mechanical＆Electrical Engineering，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou Guangdong 510225，China)

Three-phase asynchronous motors was monitored by power analyzer based on Modbus-RTU.Measurement parameter display，waveform display and other functions for power analyzer could be implemented with the developed serial communication program in LabVIEW 2010.

LABVIEW;Modbus-RTU protocol;Power analyzer;Three-phase asynchronous motor

張日紅 (1980—)，男，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)電工程設(shè)計(jì)與控制。E－mail:zrh-neu@163.com。

TH274

B

1001－3881(2014)8－115－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.037

2013－04－08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51075406)