基于LabVIEW与PLC的土壤热物性测控系统设计与实现

贲宝峰



基于LabVIEW与PLC的土壤热物性测控系统设计与实现

贲宝峰

（南京科技职业学院 南京 210048）

为了在土壤热物性测试过程中精确的进行数据采集和仪器设备自动化智能控制，通过运用LabVIEW的VISA串口通讯技术与互连接口技术及PLC的自由口通讯技术，开发了土壤热物性测控系统。该系统实现了LabVIEW与PLC之间数据实时传输，完成数据采集与设备控制，并快速准确的将试验数据保存到数据库中。测控系统在测试过程的智能反馈控制与远程监控功能保证了系统的稳定运行和精确测量，同时也降低了测试人员的劳动强度，大大的提高了测试效率，对真实的反应地下换热能力具有重要的意义。

土壤热物性；自由口通讯；远程监控

0 引言

土壤源地源热泵空调系统具有低耗高效，绿色环保等特点，在国内得到了广泛的运用。该空调系统的核心技术在于地下换热系统设计，为了能够准确进行系统设计，需要现场进行土壤热物性测试。在现有的相关测试装置中大都以数据采集卡进行数据采集，以PLC或电气元件进行系统控制，测试过程中需现场守候测试，无自动反馈控制和远程监控功能，测试人员的劳动强度大，无法保证测试试验工况的稳定性和精确性，导致测试结果的准确性受到影响[1,2]。因此，运用LabVIEW的VISA串口通讯技术和PLC自由口通讯技术设计了一种土壤热物性测控系统，集数据采集与设备自动反馈控制为一体，使测控系统功能齐全，测试过程智能化，稳定性和精确性高，并且最终将测试结果以报表的形式输出，从而可全面的解决测试过程中的相关问题，达到了智能测试的目的。

1 测控系统结构与工作原理

1.1 测控系统结构

根据土壤热物性现场测试系统研究的相关文献显示，各个测试设备在结构上基本相似，通过对水加热循环与土壤换热完成土壤热物性测试，但测试系统中的测控系统都各不相同。为了在测试过程中精确测量试验数据，自动化控制系统，将测控系统设计成多参数并行数据采集，根据参数阈值自动反馈控制，并且可手动进行现场或远程控制。该系统分为两大系统：（1）本地系统，（2）远程系统。本地系统放置在测试现场，通过PC与PLC之间串口通讯，实现LabVIEW与PLC之间的数据传输交换，完成测试试验，远程系统通过以太网在异地完成现场测试数据查看与设备控制，其系统结构如图1所示。

1.客户端计算机；2.主站计算机；3.PLC控制器；4.PLC模拟量模块；5.报警蜂鸣器；6.加热器；7.阀门组；8.水泵；9.传感器组；10.流量调节阀；11.电力调整器

1.2 测控系统工作原理

土壤热物性测控系统在工作过程中主要完成试验数据测量与设备控制。通过自行定义PC串口与PLC控制器之间的通讯协议，并基于LabVIEW的VISA技术与PLC的自由口通讯技术，运用LabVIEW进行测控系统程序编写，通过该程序实现主站计算机与PLC控制器之间实时通讯进行数据传输，完成试验数据采集与设备自动控制[3]。在数据采集时运用ActiveX互连接口技术和ADO.NET技术将LabVIEW与Access数据库建立联系，通过数据库语言将测试数据保存到主站计算机的数据库中，从而完成数据测量与保存[4]。设备控制可通过程序自动反馈控制或人工手动操作程序控制，无需手动操作设备。自动反馈控制过程中测控系统进行在线状态监测及故障诊断分析，将测试数据的实时值与预设阈值进行比较，判断设备运行状态与判定故障点并报警。若发生异常时自动完成PID反馈控制，在长时间无法自动消除故障或异常情况，控制系统将自动断电停机，亦可通过手动操作完成故障清除或停机[5]。同时通过LabVIEW编写远程客户端程序在客户端计算机上实时查看测试数据，也可人工手动操作程序远程控制设备。从而达到了测控系统智能化目的，保证测试试验工况的稳定性和精确性[6]。

2 测控系统设计

2.1 测控系统功能设计

土壤热物性测控软件系统的设计以土壤热物性测试规范要求和实际测试应用需求为准则，为了让测控软件系统达到测量精确度高、操控智能、性能稳定、适用范围广的目的，因此，该测控系统应具有试验参数设置、硬件设备控制、数据采集、加热功率与流量自动控制、远程监控、测试报表输出等功能。为了让系统结构清晰、操作方便，将系统以模块化的形式进行架构，其组成如图2所示。

图2 测控系统各功能模块

2.2 测控系统程序设计

根据测控系统以模块化设计，测试流程需要，将测控系统程序分为：LabVIEW测控程序和PLC执行程序。在测试过程中两个软件通过串口建立通讯，完成数据交换，从而实现相应的测试功能。

2.2.1 LabVIEW测控程序

LabVIEW测控程序用来实现测试试验参数设置、控制设备、空载运行、测试试验及其过程中设备状态监测与故障诊断分析、数据采集与保存、输出测试结果等功能，其结构流程如图3所示。

图3 测控系统软件设计流程图

2.2.2 PLC执行程序

PLC执行程序是依靠PLC内部控制指令的执行来完成与LabVIEW测控程序的数据接收与发送。将接收到的数据根据自定义的通讯协议分配给各个端口，执行LabVIEW测控程序发出的命令，同时也读取测量的各个试验参数和各个设备的工作状态，发送给LabVIEW测控程序完成相应的功能执行，其工作过程流程图如图4所示。

3 测控系统关键技术实现

测控系统的各个功能模块交叉使用于测试过程中的相对应的步骤中，无法通过介绍功能模块的实现过程说明系统的实现过程，因此，通过对测控系统中相关的关键技术介绍，进一步说明实现该系统各个功能的设计思想和核心技术。

3.1 数据保存与读取

在测控系统中数据保存与读取功能实质为通过LabVIEW完成对数据库的读写操作。该功能在测控系统中主要应用于参数设置、实验数据采集、测试结果输出等过程中，下文以参数设置过程为例进行说明。

图4 PLC执行程序流程图

3.1.1 数据保存

完成参数设置保存过程主要为：（1）建立数据库连接；（2）创建数据表；（3）添加保存数据。首先通过使用自动化引用句柄和ActiveX互连接口技术打开自动化，即ADO引用。把引用句柄的对象设置为Connection，实现与相应的数据库建立初步连接。在打开ADO连接对象后，通过使用Connection对象的Open调用节点实现与数据库服务器之间的连接。将该调用节点中ConnectionString端口设置为预先设置好的数据源，即可与数据源对应的数据库建立连接。

完成数据库连接建立后需在数据库中创建保存数据的表，创建时利用Connection对象的Execute调用节点和SQL语句完成。将SQL创建表语句字符串赋予Execute调用节点的CommandText端口即可。同时利用“格式化日期/时间字符串”函数读取创建表的时间作为表名，时间格式设置为：%Y%m%d%H:%M:%S。

在表创建完成以后，使用引用句柄Recordset对象的Open调用节点和AddNew调用节点完成打开数据集和添加数据。所有列名称和数据都需要通过“转换为变体”函数转换为变体，将所有列名变体组成数组传送到FieldList端口；按照列名顺序把对应的数据转换为变体并组成变体数组赋予Values端口，实现数据添加与保存。参数保存程序如图5所示。

3.1.2 数据读取

数据读取同样是利用LabVIEW的ActiveX功能调用Microsoft ADO控件对数据库进行读取操作。读取数据的过程首先需要对数据库中的数据表名进行读取，再根据表名选择数据表，同时读取数据表中的相关数据。

数据读取程序连接好数据库后，利用Connection对象的OpenSchema调用节点和Recordset对象的MoveFirst调用节点读出数据库中所有大纲表。再利用Recordset对象的GetString调用节点读取数据库中所有表路径。在显示的表路径中有数据库中的系统表和储存数据的数据表，为了直观显示数据表，利用“模式匹配”函数将数据库中的数据表表名筛选出来，完成表名的读取，其实现过程如图6所示。

图6 数据表表名读取程序

在数据表表名读取完成后，通过选择数据表来进行表中的数据读取。读取过程中通过将Recordset对象的GetString调用节点的NumRows端设置为“-1”，读取数据表中的所有行，同时在ColumnDelimeter端设置为“/”作为列的标识符，在RowDelimeter端设置为“”作为行的标识符。完成所有数据后通过“模式匹配”函数读取表中数据，最后以数组的形式输出，该过程如图7所示。

图7 数据读取程序

3.2 PC与PLC串口通讯

通过自定义PC与PLC串口通讯协议，让两者建立联系，保证测控系统的软件部分和硬件时刻处于数据交换状态。在通讯过程中PLC能够及时接收PC发出的控制命令，同时PC也能及时接收PLC发送的设备状态并进行分析判断[7]。下面以PC端进行通讯过程相关技术说明。

实现通讯过程中需要同时编写LabVIEW的VISA串口的收、发信息程序和PLC执行程序。在LabVIEW程序中首先需要将发送的开关量信号和模拟量信号予以转换，再将所有的数据转换完成后进行“FCS校验”（异或校验），得到校验值。根据自定义的通讯协议将起始字符、发送数据、校验值、结束字符合成字符串形式通过串口发送给PLC，PLC执行程序在执行前对接收到的数据同样进行“FCS校验”，以保证接收信息准确无误，再将数据转换提取后分配给各个端口执行相应的控制。同时也将设备状态信息读取并转换后发送给LabVIEW程序，形成设备在线监测。若发生异警情况时，LabVIEW程序会根据接收到信息分析判断，并将具体的反馈措施通过串口发送给PLC。以此循环来完成数据的采集和设备的反馈控制，从而保证测试过程中测量精确，运行工况稳定。

为了避免数据在转换过程中与起始字符和终止字符发生冲突，采取了如下措施：（1）将开关量组成的布尔量数组最高位空缺（不使用），保证其有效值小于127；（2）在模拟量转换时，将数据转换为三个0到99的数字，小于128；（3）将选用起始字符和结束字符时都选用的是扩展ASCII字符，对应的十进制数字为：128和129。因此，在转换完成后的所有数据不会发生相同的情况，避免了接收错误信息的可能，数据转换过程如图8所示。

图8 数据转换程序

3.3 远程监控

测控系统中采用通信技术为：DataSocket技术，其源于TCP/IP协议，基于Microsoft的COM和ActiveX技术，能够实现不同应用程序对数据传送与接受。在测试过程中测控软件将采集到的实时测试数据利用DataSocket技术传输给远端的客户端。远程客户端可查看测试参数变化情况，在出现紧急情况时，远程客户端也可远程操作设备，调节或关闭测试装置，保证测试工况的稳定性和测试装置的安全性。

测控系统和远程客户端之间相互传输的数据以测试数据和设备运行状态为主，把需要监控的数据通过DataSocket技术进行数据绑定。在绑定过程中根据需要设置不同数据的访问类型，如只读、只写、读/写。在两个界面上的写数据控件和读数据控件的路径都应一致为写数据控件上的路径，否则会出现通讯故障。在建立连接完成后不论是读数据控件还是写数据控件在其前面板控件右上方都有一个链接指示灯，绿色表示通讯成功，红色表示通讯失败。

3.4 报表输出

报表输出功能是在测试完成后将测试过程中所有使用到的数据进行分类汇总，其实质就是将保存在各个数据库中的数据读取出来进行分类筛选。在测控系统中运用LabVIEW的Report Generation Toolkit工具包实现对word的相关功能调用，将不同类别的测试数据以不同的方式在word中显示，如测试试验基本信息为文本形式；试验参数以表格形式；试验数据为图表形式等，其生成过程如图9所示。

图9 报表自动生成程序

4 实际应用

4.1 测试界面与远程控制

测试界面在测试过程中能够及时准确的调用各个功能模块，与PLC的串口通讯，精确的采集到各个试验参数，快速的控制各个硬件设备。远程界面在数据监测和系统控制上和测试界面能够达到同步使用效果，如图10所示。

图10 测试界面与远程控制

4.2 数据的保存与查看

图11 进口与出口水温度

将试验数据准确快速的保存与查看是系统是否智能化的一个重要标志。以“测试结果”功能为例，系统在测试过程中能正确的将试验数据保存到数据库的各个数据表中。根据需要可以直接选择不同时期的各项试验数据，同时将数据以图表的形式显示其变化趋势，图11为进出水温度变化趋势。

5 总结

土壤热物性测控系统的开发能够较好地完成各种热物性测试试验。在测试过程中软件系统人机交互性好，智能化程度高，快速准确实现各项功能操作。测试结果能够真实反应土壤换热能力，对发展土壤源热泵空调系统具有重要的意义。

[1] 孟祥瑞.便携式地层热物性原位测试仪的研究及应用[D].长春:吉林大学,2011.

[2] 程文龙,马然,宋嘉梁.基于随机近似热探针方法的土壤热物性高精度测量系统[J].流体机械,2013,41(8): 63-66.

[3] 陆龙胜,胡建军.基于LabVIEW的空气压缩机主机性能测试系统[J].流体机械,2010,38(11):49-51,54.

[4] 杨嘉,陈国泰,吴祥生,等.公共建筑风冷冷水机组的节能策略研究[J].制冷与空调,2014,28(6):644-648.

[5] 李如甲,程武山,董林.基于RS-485的智能仪表与PLC串行通讯[J].仪表技术与传感器,2011,(8):34-36.

[6] 徐桂华,徐保国.LabVIEW和PLC技术在燃煤锅炉自动控制系统中的应用研究[J].仪表技术与传感器,2014,(5):93-95.

[7] 马栋棋.PLC在电泵快速测试系统中的应用[J].流体机械,2011,39(11):54-57.

[8] 刘小丽,张晓光.基于LabVIEW的S7-300 PLC与PC机的串口通信[J].仪表技术与传感器,2011,(5):100-102.

[9] 郑宗和,肖衍党,韩丁.地埋管取热值测量系统[J].制冷与空调,2009,(1):33-35.

Design and Realization of Measurement and Control system for Soil Thermal Characteristic Based on LabVIEW and PLC

Ben Baofeng

( Nanjing Polytechnic Institute, Nanjing, 210048 )

A measurement and control system for soil thermal characteristic is designed using the VISA serial communication technology and Internet interface technology of LabVIEW and free port communication technology of PLC. This system can realize the functions of data real-time transmission between LabVIEW and PLC, data collection and equipments control, and quick and accurate storage of the testing data into the database. Through the intelligent feedback control and remote supervision function, this measure and control system can guarantee the stable operation and precise measurement and reduce the testers’ labour intensity during the testing as well as improving the testing efficiency greatly, which is of great significance to truly reflect the underground heat transfer capability.

Soil Thermal Characteristic; free port communication; remote supervision

TP23

A

1671-6612（2018）02-154-08

南京科技职业学院院级课题（00010913）

贲宝峰（1987.10-），男，本科，助理工程师，E-mail：870186839@qq.com

2017-06-30