LabVIEW在基于Modbus-RTU协议的功率分析仪信号监测中的应用

张日红，陆金，朱立学

(仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州 510225)

LabVIEW在基于Modbus-RTU协议的功率分析仪信号监测中的应用

张日红，陆金，朱立学

(仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州 510225)

采用基于Modbus-RTU协议的功率分析仪对三相异步电动机进行监测，借助LabVIEW 2010虚拟仪器开发软件实现对功率分析仪的串口通信编程开发，实现了测量参数显示、波形显示等功能。

LABVIEW;Modbus-RTU协议;功率分析仪;三相异步电动机

功率分析仪能够精确地计算出三相异步电动机运行的有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、功率因数、电压谐波、电流谐波、电压有效值、电流有效值、电流平衡度、电压平衡度、三相电动机的运行效率和综合效率等多项指标，满足工业生产、工业控制、电力监控等要求，适用于对发电系统、普通电动机、电网的能耗、电力质量进行监测及分析［1］。

在计算机技术的推动下，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅猛发展，使得测量仪器和数据采集系统的设计方法和实现技术产生了深刻的变化。利用虚拟仪器开发软件，将提高测试系统的整体水平和集成程度，缩短软件开发周期［2］。LabVIEW是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发环境之一，它主要用于开发数据检测、数据测量采集系统、工业自动控制系统和数据分析系统等领域的专用软件开发平台。通过LabVIEW开发平台，开发者不用过多地去考虑硬件底层的兼容和通信问题，可以专注于系统的功能实现和稳定性提高方面［3］。

文中采用基于Modbus-RTU协议的功率分析仪对三相异步电动机进行监测，借助LabVIEW 2010虚拟仪器开发软件实现对功率分析仪的串口通信编程开发，实现测量参数显示、波形显示等功能。

1 系统硬件组成及特点

1.1 监测系统硬件组成

功率分析仪信号监测系统如图1所示，主要由计算机、功率分析仪AWS2103B、电控箱、变频器、三相异步电机组成。由于AWS2103和AWE2103系列功率分析仪通信接口的通信协议采用Modbus-RTU协议，可以使用通用的RS232串口通信数据线将功率分析仪与计算机连接，计算机采用LabVIEW软件实现程序开发［4－5］。

图1 功率分析仪信号监测系统组成

1.2 功率分析仪的特点

AWS2103B三通道功率分析仪是采用32位微处理器、以高速高精度A/D转换器为核心的仪器，拥有高精度、高稳定性、多种参数测量功能;通过USB、RS232、RS485等连接方式可实现实时采集数据的传输，通信协议为Modbus-RTU协议。表1为AWS2103B功率分析仪的部分测量数据映像地址［7］。

表1 AWS2103B功率分析仪测量数据映像地址

1.3 Modbus-RTU的数据帧格式

如表2所示，主机请求读数据由8字节组成，字节1首先发送。以下所说的主机是指计算机 ，所指的从机是指AWS2103型功率分析仪，所涉及的数字如以0x开头均为十六进制数。从机地址，这里指仪器的地址值，在网内是唯一的身份标识，也表示主机将要指定和哪一台从机通信的唯一识别码。功能号用于识别此通信帧的功能或作用，请求读功能号固定为:0x03。起始地址为十六位无符号整数，代表着将要读的第一个数据的地址值。数据长度为十六位无符号整数，表示将要读取多少字节。CRC校验码为十六位无符号整数。

表2 主机请求读数据的格式

从机正常应答的数据格式如表3所示，返回的从机地址，这里指仪器的地址值，其意义是告诉主机，该数据包是属于哪一台从机的。功能号用于告诉主机此通信帧的功能或作用，返回的读功能号与请求读的功能号是一样的，固定为:0x03。数据量表示将返回多少个有效的数据字节。

表3 从机正常应答的数据格式

2 系统软件实现

2.1 功率分析仪信号监测程序的开发流程

以三相异步电动机的有功功率为测试对象的LabVIEW串口通信程序开发流程如图2所示。程序的功能模块主要包括:串口通信的设置，定时数据采集，CRC循环冗余校验，数据实时显示与曲线绘制等［8－10］。

图2 LabVIEW串口通信程序开发流程

2.2 串口通信的初始化设置

图3 基于LabVIEW的功率分析仪串口通信的设置

波特率定义了数据交换的通信速度，当外部系统通过RS232仪器互联，选择正确的波特率是必须的，计算机和功率分析仪分析的波特率必须一致才能正确通信［6］。在该系统中，波特率选定为115.2 Kb/s。数据校验位设置为无校验，这是因为后面将采用更为可靠的CRC循环冗余校验方式，如果执行串口打开指令成功则进一步设置I/O缓冲区大小为20 480个字节，基于LabVIEW的串口通信的详细设置程序如图3所示。

2.3 CRC循环冗余校验

即使最好的通信硬件系统，都无法保证所传送的数据100%正确。举一个简单的事例说明:当系统正在传送某个数据包，但因为某种未知原因，或突然受外部EMC干扰，导致通信线路的电平不能正确定位，那么从机所收到的数据将无法保证其正确性［11］。

循环冗余校验是一种查错算法，发送方对待发数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备在接收到数据后也执行类似的算法，然后与发送方的CRC结果进行对比，如果相等，则数据正确，否则数据有误，接收方可请求发送方重新发送数据，这样保证数据传输的正确性和完整性。它是一类重要的线性分组码，编码和解码方法简单，检错和纠错能力强，在通信领域广泛地用于实现差错控制［12］。

常用的CRC算法有CRC16和CRC32算法，该采集系统采用CRC16算法。在LabVIEW编程中引用C语言子程序件实现CRC循环冗余校验的程序如图4所示。

图4 CRC循环冗余校验程序

2.4 通信中的浮点数据格式

计算机通过功率分析仪实时采集到的32位单精度浮点数由4个字节组成，数据排列按照ANSI/IEEE Std 754-1985《IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic》标准执行，字节的排列顺序采用的是小端格式，具体如下:

Bit31:S为符号位，S=1表示浮点数为负数，S=0表示浮点数为正数;Bit30～23:EXP为8位元阶码;Bit22～0:Fraction为22位元分数部分。

浮点数的正负取决于符号位，基于LabVIEW的浮点数据转换程序如图5所示。

图5 LabVIEW浮点数据转换程序

2.5 数据采集的定时循环

图6 LabVIEW定时数据采集程序

利用LabVIEW的时间计数器和串口通信指令可以方便而精确地实现向功率分析仪定时发送读取指令、并定时返回数据的功能，具体程序如图6所示。

2.6 被测数据及波形的实时显示

该信号监测系统利用LabVIEW 2010虚拟仪器开发软件进行程序开发，以三相异步电动机的有用功率为实时采集对象，定时采集周期为500 ms，由于功率分析仪映像地址704转化为十六进制为02C0，故主机请求读数据的数据帧格式应为“01 03 02 C0 00 04 45 8D”。如图7所示，程序可以实现三相异步电动机有功功率的瞬时值、最大值、最小值的实时显示以及实时曲线的绘制。如果将功率分析仪的映像地址进行更改，就可以实现对三相异步电动机其他参数的实时数据采集。

图7 基于LabVIEW的三相异步电动机有功功率的实时采集界面

3 结束语

运用虚拟仪器开发软件LabVIEW强大的串口通信功能对基于Modbus-RTU协议的功率分析仪编制了监测程序，只需要更改功率分析仪采集参数的映像地址并发送相应指令便可实现三相异步电动机各项测量参数及其波形的实时显示，具备信息处理能力强、通用性好、人机界面友好等优点。

【1】张仪.WT3000三相功率分析仪在电源测试中的应用研究［J］.电子设计工程，2011，19(7):172－176.

【2】张晓娟，师帅兵，张慧鹏，等.基于LabVIEW的发动机性能测试系统的研究［J］.农机化研究，2008(3):175－177.

【3】胡军，张惠明，吕筱萍，等.虚拟技术在发动机台架试验中的实践［J］.小型内燃机与摩托车，2004(3):32－34.

【4】周兵，李娜.基于Modbus/TCP协议桥梁监测系统的电力监控设计［J］.电子测量技术，2010，33(9):126－129.

【5】高瑞，苗长云，王中伟.基于LabVIEW的多轴运动控制系统的设计与开发［J］.天津工业大学学报，2008，27 (6):58－61.

【6】朱伟伟，李菊芳，梁美玉，等.基于LabVIEW与Modbus通信协议的煤矿通风机性能监测系统［J］.矿山机械，2010，38(15):37－39.

【7】华晶科技股份有限公司.功率分析仪用户手册 －AWS2103系 列 ［EB/OL］.http://www.aitek.tw/ DataSheet/AWS2103_Manual_V10.pdf.

【8】苏仔见，倪攀，许少伦.LabVIEW在运动控制系统实验平台的应用和实现［J］.实验室研究与探索，2011，30 (10):38－39.

【9】徐艳雷.基于LabVIEW和Modbus总线的燃气轮机故障诊断系统研究与设计［D］.上海:上海交通大学工学，2009.

【10】谢启，顾启民，涂水林，等.基于LabVIEW的Modbus通讯协议的实现［J］.煤炭机械，2006，27(12):95－97.

【11】王欣.静止同步补偿装置监控系统的设计与实现［D］.武汉:武汉工程大学，2011.

【12】许正荣，贾贤龙，杨敦毅.循环冗余校验(CRC)编码器设计及FPGA实现［J］.安徽农业科学，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

张日红 (1980—)，男，硕士，副教授，主要研究方向为现代机电工程设计与控制。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

国家自然科学基金项目 (51075406)