基于LabVIEW的空調(diào)熱工設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

【摘 要】本文以圖形化語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以一臺(tái)典型的柜機(jī)空調(diào)為被控對(duì)象，以松下FP2型PLC為下位控制器實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制，以一臺(tái)PC為上位機(jī)通過(guò)RS232與PLC交互實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)設(shè)備的上位監(jiān)控，以另一臺(tái)PC為遠(yuǎn)程終端通過(guò)以太網(wǎng)與上位PC的通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而建立了從空調(diào)設(shè)備-下位控制-上位監(jiān)控-遠(yuǎn)程監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)控制構(gòu)架，開(kāi)發(fā)出一套完整的空調(diào)熱工設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)踐了LabVIEW在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW PLC 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

空調(diào)作為一類(lèi)重要的熱工設(shè)備在日常生產(chǎn)生活中占據(jù)及其重要的地位，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控非常重要，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，本文需要構(gòu)建一個(gè)從空調(diào)設(shè)備-下位控制-上位監(jiān)控-遠(yuǎn)程監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)控制構(gòu)架，這需要一個(gè)優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)監(jiān)控功能。因此，本文以圖形化語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選擇一臺(tái)典型的柜機(jī)作為被控對(duì)象，以PLC對(duì)其進(jìn)行下位操控，利用LabVIEW強(qiáng)大的人機(jī)交互與網(wǎng)絡(luò)拓展功能，實(shí)現(xiàn)上位PC、遠(yuǎn)程PC通過(guò)PLC對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控。

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，作者需要解決的問(wèn)題有：軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇、監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)架、PLC與上位機(jī)間的通訊交互、上位機(jī)監(jiān)控軟件界面的開(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視的功能實(shí)現(xiàn)。

1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇

本文選擇軟件平臺(tái)有以下兩個(gè)宗旨。

一是軟件編寫(xiě)應(yīng)簡(jiǎn)單快捷，靈活方便，做到“化難為易”、“化繁為簡(jiǎn)”。為了實(shí)現(xiàn)日益強(qiáng)大而復(fù)雜的監(jiān)控、通訊功能而使工程師陷入軟件開(kāi)發(fā)的泥沼是得不償失的。LabVIEW是圖形化編程語(yǔ)言的代表，它的程序是一個(gè)個(gè)高度封裝的框圖，易學(xué)易用，編程就像“搭積木”一般組裝搭建，而不必去鉆研那些眼花繚亂、晦澀難讀的程序代碼，特別適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、生產(chǎn)線(xiàn)工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可在很短的時(shí)間內(nèi)掌握并實(shí)踐各項(xiàng)監(jiān)控功能。

二是軟件平臺(tái)應(yīng)具備完全適用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所需的各項(xiàng)功能。本系統(tǒng)需要良好的人機(jī)交互，典型而成熟的封裝模塊，簡(jiǎn)單而美觀(guān)的編制界面、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能。LabVIEW是虛擬儀器的優(yōu)秀代表，流行的G語(yǔ)言，它不僅內(nèi)置了信號(hào)采集、分析測(cè)量與數(shù)據(jù)顯示功能，可以制作性能優(yōu)異的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控的語(yǔ)言平臺(tái)，而且提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)化組件，集成了各種通信協(xié)議，是方便工程師研發(fā)具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)通信能力的虛擬儀器系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控。因此，本系統(tǒng)選用LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠較為方便快捷的實(shí)現(xiàn)所需各項(xiàng)功能。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)架

本系統(tǒng)的基本框架為空調(diào)設(shè)備-下位控制-上位監(jiān)控-遠(yuǎn)程監(jiān)控。這是較為典型的過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。

空調(diào)設(shè)備即被控對(duì)象，為RF7N單元式空調(diào)機(jī)組，為了實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對(duì)其各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)與控制（包括各溫度、壓力等參數(shù)），各硬件設(shè)備運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)與控制（包括壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等的啟?？刂疲?，關(guān)鍵設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)以及一些輔助功能的監(jiān)視。

下位監(jiān)控選用一臺(tái)松下FP2型PLC，負(fù)責(zé)對(duì)空調(diào)設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集。FP2型PLC集三電（電控、電儀、電信）于一體，具有體積小、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。它提供的多點(diǎn)模擬量和數(shù)字量輸入輸出模塊能夠滿(mǎn)足本項(xiàng)目的需求，用以實(shí)時(shí)采集空調(diào)設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)、各設(shè)備工況，輸出控制信號(hào)實(shí)施運(yùn)行控制；PLC的串口通訊功能也能夠滿(mǎn)足與上位PC的交互通訊，為工業(yè)級(jí)的控制提供了通訊紐帶。

上位機(jī)選用一臺(tái)支持串口通訊的，安裝了LabVIEW軟件平臺(tái)的PC機(jī)。操作人員通過(guò)LabVIEW平臺(tái)下的監(jiān)控軟件界面，通過(guò)PC與PLC串口通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視，數(shù)據(jù)處理分析，發(fā)出指令啟?？刂葡嚓P(guān)設(shè)備等最主要的控制。

遠(yuǎn)程PC同樣安裝了LabVIEW軟件平臺(tái)，與上位PC間通過(guò)以太網(wǎng)交互，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

3 PLC與PC間的通訊交互

PLC與PC間通過(guò)RS232串口通訊。

在PLC端，F(xiàn)P2型PLC采用的基本協(xié)議為MEWTOCOL。一是MEWTOCOL.COM，它封裝了串口通訊協(xié)議；二是MEWTOCOL.DATA，是關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，這是軟件開(kāi)發(fā)需要明確的。包括指令信息（讀取與寫(xiě)入指定寄存器的數(shù)據(jù)）、以及收發(fā)指令的應(yīng)答信息，其基本格式如圖1所示。上位機(jī)所有監(jiān)視控制動(dòng)作指令均遵照定義書(shū)寫(xiě)。

指令信息： 校驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍

% AD

（H） AD

（L） # 指令代碼 文本代碼

1 BCC

（H） BCC

（L） CR

應(yīng)答信息（正常時(shí)）：

% AD

（H） AD

（L） $ 響應(yīng)代碼 文本代碼

1 BCC

（H） BCC

（L） CR

應(yīng)答信息（發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)）：

% AD

（H） AD

（L） 1 錯(cuò)誤代碼

（H） 文本代碼

1 BCC

（H） BCC

（L） CR

圖1 基本指令格式

在上位機(jī)端，LabVIEW提供了輸入輸出應(yīng)用程序接口VISA，包括串口、各總線(xiàn)通訊模塊。我們選取串口模塊下的VISA Find Resource、VISA Open、VISA Read、VISA Write、VISA Close等函數(shù)結(jié)合MEWTOCOL.DATA對(duì)PLC操作的定義，可方便實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)控功能。其中，VISA Find Resource用于初始化串口，包括端口號(hào)、波特率、校驗(yàn)方式等；VISA Open、VISA Close用以建立及關(guān)閉串口通訊；VISA Read、VISA Write用以讀寫(xiě)操作，圖1所示的指令信息和應(yīng)答信息均由這兩個(gè)函數(shù)傳遞。

4 上位機(jī)空調(diào)設(shè)備監(jiān)控軟件界面的開(kāi)發(fā)

上位機(jī)的監(jiān)控界面功能劃分為：運(yùn)行參數(shù)顯示、設(shè)備狀態(tài)及故障查詢(xún)、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)處理。

運(yùn)行參數(shù)顯示：吸氣溫度、排氣溫度、吸氣壓力、排氣壓力、回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、液管溫度、出風(fēng)溫度、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間等。

設(shè)備狀態(tài)及故障查詢(xún)：壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、四通閥狀態(tài)、總故障、風(fēng)機(jī)故障、壓縮機(jī)故障、系統(tǒng)壓力故障等。

參數(shù)設(shè)置：溫度設(shè)定、控溫范圍、融霜時(shí)間、融霜延時(shí)等。

設(shè)備運(yùn)行控制：制冷制熱通風(fēng)等工況切換、自動(dòng)啟?？刂啤⒏髟O(shè)備啟?？刂疲ㄈ鐗嚎s機(jī)開(kāi)關(guān)、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)、四通閥開(kāi)關(guān)等）

數(shù)據(jù)處理：重要參數(shù)（如回風(fēng)溫濕度）的圖形顯示及數(shù)據(jù)記錄的查詢(xún)分析、報(bào)表生成及打印等。

要實(shí)現(xiàn)以上人機(jī)交互的功能，常規(guī)的高級(jí)文本語(yǔ)言如VB、VC、C#等均存在較大的工作量，而LabVIEW集成了大量功能強(qiáng)大的封裝模塊，只需要如圖形般的拖動(dòng)組態(tài)，后臺(tái)程序連接各數(shù)據(jù)流即可輕松完成。

5 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視的功能實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程PC與上位PC間的遠(yuǎn)程通訊有賴(lài)于LabVIEW提供的重要功能DataSocket。它是NI公司推出的一項(xiàng)基于TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)、面向測(cè)量且能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高效數(shù)據(jù)交換的新技術(shù)，可用于一個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)或者網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換。DataSocket對(duì)底層進(jìn)行高度封裝，所提供的參數(shù)友好簡(jiǎn)單，我們?cè)谶h(yuǎn)程PC上做完交互界面，通過(guò)DataSocket封裝的各項(xiàng)函數(shù)（Write VI、DS Sever和Read VI）可以輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，從而在遠(yuǎn)程PC上可以實(shí)現(xiàn)上位PC相同的功能。在日常使用遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，操作員只需正確輸入IP地址即可。

6 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了組建空調(diào)熱工設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，LabVIEW作為一個(gè)優(yōu)秀的圖形開(kāi)發(fā)軟件在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中起到了重要作用，在控制網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)環(huán)節(jié)都有重要貢獻(xiàn)。它大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，是人機(jī)交互的重要工具，是系統(tǒng)上下溝通的重要橋梁。此外，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控功能時(shí)，本項(xiàng)目運(yùn)用的是C/S服務(wù)器的模式，即上位PC為服務(wù)器、遠(yuǎn)程PC為客戶(hù)端，當(dāng)然我們也可以實(shí)踐流行的B/S模式，在遠(yuǎn)程PC上僅僅使用IE瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 松下公司.FP2型PLC通信協(xié)議.

作者簡(jiǎn)介：徐志偉（1982—），男，江蘇無(wú)錫人，民族：漢 職稱(chēng)：工程師，學(xué)歷：研究生。研究方向：熱能工程、溫濕度計(jì)量。