基于Modbus协议的LabVIEW在溢流阀测试中的应用

2013年 10月第 41卷 第 19期机床与液压MACHINE T00L & HYDRAULICSOct．2013Vo1．41 No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—388 1．2013．19．026基于 Modbus协议的 LabVIEW在溢流阀测试中的应用沈文轩 ，黄新辉 ，黄志坚(1．广东工业大学机电工程学院，广东广州510006；2．深圳市雷诺智能技术有限公司，广东深圳 518000)摘要：采用基于 Modbus协议的 LabVIEW对 PLC模拟量和数字量进行控制，并将此方法应用于溢流阀的开启压力测试试验中。实验结果表明，该方法简单、经济、稳定 、实用性强，并已成功应用于实际液压系统中。

关键词：Modbus协议 ；LabVlEW软件；开启压力测试 ；数模量中图分类号 ：TP312；TH137 文献标识码：B 文章编号：1001—3881(2013)19—093—4Application of LabVIEW in Test of Overflow Valve Based on M odbus ProtocolSHEN Wenxuan ，HUANG Xinhui ，HUANG Zhijian(1．Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 5 10006，China；2．Shenzhen Lero Inteligent Technology Co．，Ltd．，Shenzhen Guangdong 5 1 8000，China)Abstract：The analog and digital values of programmable logical controler(PLC)were controled by using the method of Lab—VIEW based on the Modbus protocol，and the method was applied in the opening pressure test of overflow valve．The experimental re—sults show that the method has simple，stable，economy and practicability，and has been successfuly applied to practical hydraulic sys—ten .

Keywords：Modbus protocol；LabVIEW software；Opening pressure test；Analog and digital value在液压测控系统中越来越需要友好的人机界面进行实时监控。选择装有 LabVIEW软件的 PC机作为人机交互页面。LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式 ，能够将繁琐复杂的语言编程简单化，并用线条将各种功能连接起来，十分简便 。

该测试 系统以 PLC为下位机 ，以装有 LabVIEW软件的工控机为上位机的开发平台，采用 Modbus协议通过 RS一232串口与 PLC通信，可以实现对液压系统中的模拟量和数字量进行智能控制，经实践证明该系统具有较高的实时性和稳定性。

1 Modbus通讯协议内容及特点Modbus自 1979年被 MODICON公 司开发 以来 ，作为一种网络通信协议，Modbus使成千上万的自动化设备能够通信 ，并在工业自动化领域被广泛应用。Modbus协议可以使用 RS232兼容串行接口作为物理接 口，方便实现基于数模控制终端设备的控制。

Modbus协议有 ASCII和 RTU两种传输模式。其 中，当设备使用 RTU(Remote Terminal Unit)模式在 Mod—bus串行链路通信，RTU模式信息帧中的每个 8位字节包含有两个 4位十六进制字符，相对ASCI模式，RTU模式表达相 同的信息需要较少的位数 ，在相同通信速率下具有更大的数据流量，因此通常情况下都是选用 RTU模式来实现基于 Modbus协议 的主站 PC机和从站 PLC的通信，RTU模式的数据通信格式为 1个起始位 、8个数据位、1个奇偶校验位、1个停止位 (有校验)或2个停止位 (无校验)，其错误校验方式为 CRC校验 。Modbus协议是一个主从架构的协议，采用请求响应方式。包括一个主站，而其他使用 Modbus协议参与通信的节点为从站，每一个从站都有一个惟一的地址，并且定义了一个控制器能够识别使用的消息结构 ，以此描述了一个控制器请求访问其他设备的过程。数据段包含了从设备要执行功能的信息 。例如功能代码 06写一个单个保持寄存器的值到$7-200的V存储区。数据段必须包含要告之从设备的信息，从何寄存器开始写及要写的寄存器数量。

2 Modbus协议应用于 S7-200PLCPLC体积小，易装入控制柜中实现机、电、液一收稿日期：2012—09—06作者简介：沈文轩 (1985一)，硕士研究生，研究方向为智能测控技术及液压传动技术。E—mail：happyshenwenxuan###163．con。

· 94· 机床与液压 第 41卷体化 ；可以对模拟量和数字量进行控制，安装调试方便 ，能够很好地满足液压回路控制的要求 。通过Modbus协议，s7-200PLC可以方便与其他设备之间进行数据交换，包括 PLC的数字量输入点、数字量输出点、模拟 量输 入和保 持寄 存器 V 区。其 中 S7—200PLC自带 Modbus通信协议库，可以方便组建Modbus通信网络。为了便于快速寻找到相应的数据，将S7-200PLC存储地址与 Modbus的通用地址建立了一 一 对应的关系。 ，如表 1所示。S7-200PLC主站和从站通信配置在 s7—200的程序中使用 Modbus协议，指令编程步骤如下 ：(1)在用户程序 中调用 Modbus主站 和从站指令。

(2)完成主站和从站子程序的相关参数选择。

(3)为Modbus主站和从站协议指令分配库内存地址 。

(4)处理 Modbus协议与 PPI协议的切换。

在 s7—200PLC的编程软件 Step7一Micro／WIN 中，可以通过增加库文件的方式，来完成 Modbus主站和从站的配置和编程，该方法非常简单方便。为了完成主站的配置，需要添加 Modbus Master库文件，该文件包含 MBUS CTRL和 MBUS MSG两个子程序；为了完成从站的配置，需要添加 Modbus Procotol库文件，该文件包含 MBUS INIT和 MBUS SLAVE 2个子程序。

表 1 Modbus地址与 s7—200PLC地址的映射Modbus地址 PLC地址只要按照相关说明将上述4个子程序配置合适，就可以完成主站和从站PLC的通信所需的PLC程序。

在进行溢流阀的开启压力测试试验前，根据 《$7-200系统手册》中的Modbus通信指导内容，在编程软件Step7一Micro／WIN的相应库文件帮助下 ，对从站 PLC进行如表 2的配置。根据表 2设定，然后可以通过上位机软件与三处的保持寄存器的地址对应起来，通过上位机软件基于 Modbus协议来改变这三处的值，以改变电机的启停和溢流阀的压力。

表 2 从站参数配置表参数类型 配置值模式波特率奇偶校验延时从站地址最大 I／O点数 目最大 AIW点数 目允许 V区数目V区起始地址3 LabVIEW 与PLC的通讯上位机软件 LabVIEW 与下位机设备 PLC通信需要协议。通信协议有 PPI协议、MPI协议、OPC协议 、Profibus协议、Modbus协议等。PPI和 MPI协议是西门子内部协议，对外不公开；OPC协议相对复杂；Profibus协议虽然公开，但是成本比较高。Modb.

1lS协议是基于自由口通信模式开发的，是完全对外公开的，其数据诊断能力强、成本低，能稳定可靠地实现S7-200PLC与其他智能设备的通信 。在这里采用 Modbus协议。通过装有 LabVIEW 的工控机的串口，用RS232转RS485电缆将 PLC的CPU模块和模拟量模块进行连接。上位机与 PLC之间的通讯实际上是计算机与 PLC内部通讯模块之间交换命令和响应的过程 。该系统 中的 PLC以从站的方式与上位机之间采用 Modbus RTU方式通过简易的 Modbus库进行通讯。

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Done图 1 PLC的从站程序 图2 PLC逻辑程序LabVIEW 中串口操作 的基本过程 为：配置串 口矧 瑚 =耋一臌。。 一＆
O 一 ■ 0 — 7 ∞ 一 ～ ×I rL。鲁 ～ ～ ～一 ～ 一一 ～ ～O 一 2 O ¨ 2 0 一 B 岫 一 一～一一～一一～一一～一第 19期 沈文轩 等：基于Modbus协议的LabVIEW在溢流阀测试中的应用 。95·参数 (打开串口)，发送或接受数据，关闭串口E1o]。

基于 Modbus协议的 LabVIEW 串口通讯的实现过程如下：(1)初始化串 口，按照 PLC串口通讯的要求 ，通过 VISA Open的 VISA资源名称节点设置 串口号 ，可在前面板选择串口号 COM1，即设定上位机的串口COM1与PLC通讯。若设置其他串口，选择其他端口号。

(2)通过 MB Serial Init．vi的 Baud Rate节点设置波特率为9 600 b／s，须与下位机PLC的波特率相匹配。

(3)通过 MB Serial Master Query Write Single Reg—isters(poly)．vi中节 点 的 Serial Parameters：Mode(RTU)、Slave Address (1)；Address (25／26)；Holding Registers(通过布尔控件)。

(4)通过 MB Serial Master Query Write MultipleRegisters(poly)．vi中节点的 Serial Parameters：Mode(RTU)、Slave Address(1)；Starting Addres (0)；Registers(该系统采用滑动杆控制)。

(5)通过 VISA Close关闭串口。

发送命令和读取响应。将命令通过串口COM1发给PLC，并接收来 自PLC的响应信息。如果响应正常，就将所得数据做显示、计算、分析、存储等后续处理，以便用于设备实时控制和在线状态监测；如果响应不正常则发出错误信息，退出程序，用户重新输入命令开始工作。

4 溢流阀开启压力的测试根据 JB／T 10374-2002液压溢流 阀测试标准，实验主要测试溢流阀的开启特性和压力稳定性。开启特性是指阀从关闭状态逐渐开启，流经阀的流量和对应的阀前压力之间的关系。

判断开启 的压力是 否满足原设 定 的开启压力(23 MPa)，溢流阀开启特性测试液压系统原理简图如图 3所示。由液压原理图可知需要控制和采集的点数如表 3和表4所示。由表 3逻辑控制器可选择西门子s7-200CN的PLC。具体型号为：CPU 222CN和EM232CN91一过滤器2m 电机卜 柱塞泵4-单 向阀2§一压力传感器6__被试阀卜 齿轮流量传感器8_涡轮流量传感器9_一电磁比例溢流阀lo__回油过滤器图 3 流阀开启特性测试液压系统原理简图表 3 系统控制点类型及数量表4系统采集点类型及数量由表4采集卡选用NI USB-6009，使用差分连接。

溢流阀开启压力测试系统 的上位机 LabVIEW 软件的前面板如图4所示。

图4 溢流阀开启压力测试系统的前面板其中上位机实现如下功能：(1)选择上位机的通信串口号；(2)测试系统的启停；(3)系统压力 (模拟量)的调节；(4)采集数据以曲线形式实时显示；(5)逻辑判断被试阀的开启压力是否与所设定的开启压力相符。

如果符合被试溢流阀所设定的开启压力，对应的布尔指示灯变为亮。

溢流阀开启压力测试实验步骤 ：(1)将压力传感器5和流量传感器7、8的输出信号线与测试仪连接；(2)在软件中将比例溢流阀9调至输出为0；(3)启动电机 2，待液压系统完全正常运行时，(4)缓慢调节比例溢流阀9，使输出的压力值逐渐变大，系统的压力也逐渐升高；(5)直至被试阀6完全开始溢流，暂停调节比例溢流阀9数秒；(6)然后将比例溢流阀9输出值逐渐调小，直至被试阀6停止溢流，暂停数秒；(7)重复步骤 (4)、(5)、(6)一次 ；(8)停止测试软件，实验完毕。

5 测试结果分析将上述测试数据通过深圳雷诺智能 HTDAD数据分析软件进行分析，如图5所示。