LabVIEW在基于Modbus-RTU協(xié)議的功率分析儀信號監(jiān)測中的應(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監(jiān)測中的應(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)議的功率分析儀對三相異步電動機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，借助LabVIEW 2010虛擬儀器開發(fā)軟件實現(xiàn)對功率分析儀的串口通信編程開發(fā)，實現(xiàn)了測量參數(shù)顯示、波形顯示等功能。

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

功率分析儀能夠精確地計算出三相異步電動機(jī)運行的有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、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、三相電動機(jī)的運行效率和綜合效率等多項指標(biāo)，滿足工業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)控制、電力監(jiān)控等要求，適用于對發(fā)電系統(tǒng)、普通電動機(jī)、電網(wǎng)的能耗、電力質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測及分析［1］。

在計算機(jī)技術(shù)的推動下，以虛擬儀器為標(biāo)志的通用化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化測量儀器及測試系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，使得測量儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方法和實現(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、數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(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。通過LabVIEW開發(fā)平臺，開發(fā)者不用過多地去考慮硬件底層的兼容和通信問題，可以專注于系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和穩(wěn)定性提高方面［3］。

文中采用基于Modbus-RTU協(xié)議的功率分析儀對三相異步電動機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，借助LabVIEW 2010虛擬儀器開發(fā)軟件實現(xiàn)對功率分析儀的串口通信編程開發(fā)，實現(xiàn)測量參數(shù)顯示、波形顯示等功能。

1 系統(tǒng)硬件組成及特點

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

功率分析儀信號監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，主要由計算機(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算機(jī)連接，計算機(jī)采用LabVIEW軟件實現(xiàn)程序開發(fā)［4－5］。

圖1 功率分析儀信號監(jiān)測系統(tǒng)組成

1.2 功率分析儀的特點

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)測量功能;通過USB、RS232、RS485等連接方式可實現(xiàn)實時采集數(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量數(shù)據(jù)映像地址［7］。

表1 AWS2103B功率分析儀測量數(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。以下所說的主機(jī)是指計算機(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，也表示主機(jī)將要指定和哪一臺從機(jī)通信的唯一識別碼。功能號用于識別此通信幀的功能或作用，請求讀功能號固定為:0x03。起始地址為十六位無符號整數(shù)，代表著將要讀的第一個數(shù)據(jù)的地址值。數(shù)據(jù)長度為十六位無符號整數(shù)，表示將要讀取多少字節(jié)。CRC校驗碼為十六位無符號整數(shù)。

表2 主機(jī)請求讀數(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)包是屬于哪一臺從機(jī)的。功能號用于告訴主機(jī)此通信幀的功能或作用，返回的讀功能號與請求讀的功能號是一樣的，固定為:0x03。數(shù)據(jù)量表示將返回多少個有效的數(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)軟件實現(xiàn)

2.1 功率分析儀信號監(jiān)測程序的開發(fā)流程

以三相異步電動機(jī)的有功功率為測試對象的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，定時數(shù)據(jù)采集，CRC循環(huán)冗余校驗，數(shù)據(jù)實時顯示與曲線繪制等［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RS232儀器互聯(lián)，選擇正確的波特率是必須的，計算機(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)校驗位設(shè)置為無校驗，這是因為后面將采用更為可靠的CRC循環(huán)冗余校驗方式，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

即使最好的通信硬件系統(tǒng)，都無法保證所傳送的數(shù)據(jù)100%正確。舉一個簡單的事例說明:當(dāng)系統(tǒng)正在傳送某個數(shù)據(jù)包，但因為某種未知原因，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)將無法保證其正確性［11］。

循環(huán)冗余校驗是一種查錯算法，發(fā)送方對待發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式計算，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，編碼和解碼方法簡單，檢錯和糾錯能力強(qiáng)，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實現(xiàn)差錯控制［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語言子程序件實現(xiàn)CRC循環(huán)冗余校驗的程序如圖4所示。

圖4 CRC循環(huán)冗余校驗程序

2.4 通信中的浮點數(shù)據(jù)格式

計算機(jī)通過功率分析儀實時采集到的32位單精度浮點數(shù)由4個字節(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為符號位，S=1表示浮點數(shù)為負(fù)數(shù)，S=0表示浮點數(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。

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

圖5 LabVIEW浮點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

2.5 數(shù)據(jù)采集的定時循環(huán)

圖6 LabVIEW定時數(shù)據(jù)采集程序

利用LabVIEW的時間計數(shù)器和串口通信指令可以方便而精確地實現(xiàn)向功率分析儀定時發(fā)送讀取指令、并定時返回數(shù)據(jù)的功能，具體程序如圖6所示。

2.6 被測數(shù)據(jù)及波形的實時顯示

該信號監(jiān)測系統(tǒng)利用LabVIEW 2010虛擬儀器開發(fā)軟件進(jìn)行程序開發(fā)，以三相異步電動機(jī)的有用功率為實時采集對象，定時采集周期為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，程序可以實現(xiàn)三相異步電動機(jī)有功功率的瞬時值、最大值、最小值的實時顯示以及實時曲線的繪制。如果將功率分析儀的映像地址進(jìn)行更改，就可以實現(xiàn)對三相異步電動機(jī)其他參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集。

圖7 基于LabVIEW的三相異步電動機(jī)有功功率的實時采集界面

3 結(jié)束語

運用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW強(qiáng)大的串口通信功能對基于Modbus-RTU協(xié)議的功率分析儀編制了監(jiān)測程序，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)指令便可實現(xiàn)三相異步電動機(jī)各項測量參數(shù)及其波形的實時顯示，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。

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

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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，主要研究方向為現(xiàn)代機(jī)電工程設(shè)計與控制。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

國家自然科學(xué)基金項目 (51075406)