基于LabVIEW与S7-200PLC的飞机电器装置检测系统

曹 阳， 卢 翠， 许 冰， 林 峰

（1.沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳工业大学 软件学院，辽宁 沈阳 110023）

飞机电器装置主要是用于对机载设备进行自动化控制，其工作状态直接关系到机载系统工作的可靠性，因此对其检测及故障判断极其重要。

目前，在飞机电器装置检测系统的设计方案上，有学者提出上位机用汇编语言编程，硬件以单片机和液晶显示子系统为核心构成检测系统，该系统可扩展性好、检测效率高，但可靠性低[1]；还有一些学者将Visual C++软件平台与嵌入式PC/104硬件设备结合构成检测系统，该系统界面较好、操作方便，但是费用较高[2]。针对以上方案的优缺点和LabVIEW在监控系统中的应用[3-4]，文中提出了采用LabVIEW与PLC结合的方式设计飞机电器装置检测系统，这样可以将LabVIEW所具有的界面友好、编程直观、显示多样化的特点和PLC可靠性好、抗干扰能力强的优点有机结合，构成界面友好、功能完善、检测便捷的系统。

LabVIEW与PLC相结合构成的检测系统工作时有测试程序的传送和测试结果的返回，这就需要装有LabVIEW软件平台的计算机与PLC进行通信。通信方式主要有：1）采用OMRON公司的C200HG系列PLC，用RS232直接将HOST LINK模块连接到上位机，该方式通信速度快，稳定性高，但是可扩展性较差[5]；2）采用OPC技术，该方式的软件开发周期短，可靠性和稳定性较好，但需要配套的软硬件设备，费用高[6]。除了以上方式，还可以在西门子S7-200 PLC的自由口模式（Free Port Mode）下自定义通信协议，进而实现串口通信[7]。S7-200PLC的自由端口通信模式有足够的灵活性，用户可以根据需要自行定义通信协议，包括计算机的发送信息格式和PLC反馈信息格式的约定。

文中应用LabVIEW8.5为开发平台，结合以S7-200 PLC为核心的硬件，提出了基于LabVIEW8.5与S7-200PLC的飞机电器装置检测系统的设计，根据实际工程应用证明，该系统性能良好，检测效率高。

1 通信协议

计算机与PLC是通过RS-232/485转接电缆通信的，为了避免通信过程中各方争用通信线路，采用主从方式，即PC机为主机，PLC为从机[8]，二者连接的点对点方式如图1所示。当然，也可以是一台主机多台从机的一对多方式。

图1 PC机与PLC的通信示意图Fig.1 PC and PLC communication diagram

1.1 计算机发送信息的格式

计算机发送信息的基本格式如表1所示[9]。当通信系统中有多台PLC从机时，发送信息的格式中还应包含对目标从机地址的定义。

表1 发送信息的格式Tab.1 Format of sending information

发送信息中包含控制字符和操作数据，因此，为了统一其数据格式、防止结束字符和数据字符混淆，所有字符都采用十六进制ASCII形式输出。这样，使用ASCII码的30H到39H和41H到46H就可以表示任何数值数据了，而控制字符可以使用各自的ASCII码。

文章在上位计算机中定义一个24字符长的发送信息指令，由16字符长的控制字符和8字符长的操作数据组成。计算机每次发送一条指令给下位机，实现一次读/写操作。具体的发送信息格式如表2所示。

字符1为起始字符，采用大写“S”作为起始字符；字符2、3为目标PLC的站地址，用来标明要发送数据的目标地址，各个PLC据此判断是不是发给自己的数据；字符4～11为目标寄存器地址，其中字符4、5为寄存器类型（00H：I寄存器，01H：Q 寄存器，02H：V 存储区，04H：M 存储区），字符 6、7 为寄存器号，字符8～11为地址，如VB100为0200 0064H，是V存储区中的字节，地址是64H；字符12为指令类型，该字符说明上位机发出的是读指令还是写指令，控制PLC做相应的读/写操作，这里约定 R（52H）代表读，W（57H）代表写；字符13为读/写字节数，字符14～21为写入PLC的数据，占用8个字符；字符22、23为校验码，是运用布尔函数中的“复合运算”节点中的“异或”模式，对字符2～21中的数据做异或运算的结果；字符24为结束字符，采用大写“O”作为发送信息结束字符。

发送信息格式在上位机中的实现过程是，以LabVIEW8.5为开发平台，利用“连接字符串”函数将发送信息封装打包，通过VISA节点中的VISA Write节点发送给PLC。相关程序将在编程实现部分中给出。

表2 具体的发送信息格式Tab.2 Idiographic format of sending information

1.2 PLC返回信息的格式

PLC每接收到上位机的一条指令，就返回一条13字符长的反馈信息，其格式如表3所示。

表3 反馈信息的格式Tab.3 Format of feedbacking information

字符1为起始字符，标明反馈信息的开始，对于不同的从机需要定义不同的起始字符，上位机由此识别反馈信息来自哪个从机；字符2为状态信息，表明PLC对上位机传送的控制命令和数据的执行状态（01H：读取正确，02H：接收正确，03H：校验码有误，04H：非法指令）；字符 3～10为数据区，是PLC要反馈给上位机的数据，占用8个字符，以十六进制ASCII形式表示；字符11、12为校验码，是对字符2～10中的数据做异或运算的结果，发送给上位机用于判断传输的状态；字符13为结束字符，标明反馈信息结束，各从机可选用同一结束字符，采用小写“o”作为反馈信息结束字符。

上位机通过LabVIEW8.5开发环境中的VISA Read节点读取下位机的反馈信息，首先对其解析，主要是用到字符串函数中的“截取字符串”，然后对解析得到的数据区的数据进行相应的分析和处理，以便监测下位机的工作状态。

2 基于LabVIEW和PLC检测系统的实现

2.1 LabVIEW中的程序设计

LabVIEW中程序设计的总体思路：首先，将发送指令中的控制字符和数据区数据通过“连接字符串”函数封装打包；然后将打包好的发送指令作为“VISA Write”节点的输入，经转接电缆发送给PLC。具体程序如图2、图3所示，其中图2为计算异或校验码、连接字符串的程序，此处封装得到的结果是要发送给下位机的信息；图3为串口通信程序。

图2 发送信息的封装Fig.2 Package of sending information

图3中的“发送给PLC的命令和数据”就是图2中的“发送信息”。在该串口通信程序中，对串口的配置是，VISA资源名称即串口号：COM1，波特率：9 600 b/s，8位数据位，无奇偶校验，1位停止位，无软件握手协议（流控制）。

完成了发送信息的封装和传送，下一步的工作是处理PLC返回的信息，LabVIEW利用“截取字符串”函数解析PLC返回的信息[10]，具体过程如下。首先，截取第一个字符可以判断是哪个从机的反馈信息；然后读取第二个字符，检查PLC对命令的执行状态；若写入正确，则通过图4中的程序读取返回信息中的数据区内容，进一步作相应的分析和处理，以便对仪器设备进行实时控制。部分程序如图4所示。

2.2 PLC中的程序设计

要采用自由端口模式与上位机进行通信，PLC必须处于运行（RUN）状态，而且 PLC是通过调用发送指令（XMT）、接收指令（RCV），接收中断、发送中断来完成通信操作的，因此，为使通信正常进行，需要对PLC自由端口的控制寄存器和RCV指令进行初始化。部分程序如下：

图3 串口通信程序Fig.3 Serial communication program

图4 读取PLC返回信息Fig.4 Read returning information of PLC

以下是初始化子程序：

完成对控制寄存器和RCV指令的初始化后，还需要设置专门的缓冲区，用来存放接收到的控制命令和操作数据以及要发送的反馈信息，并定义标志位。主要包括以下几个子程序：

1）接收子程序PLC首先判断指令中的目标地址，与本机地址一致，并且指令类型为W（57H），校验码正确，则执行接收子程序，把数据存放在PLC的存储区中，并发送“接收正确（02H）”的反馈信息。

2）读取子程序PLC首先判断指令中的目标地址，与本机地址一致，并且指令类型为R（52H），校验码正确，则执行读取子程序，把要读取的数据转换为十六进制ASCII形式并存储到缓冲区，计算校验码，发送反馈信息。

3）RCV_OVER接收完成中断程序，用于把接收缓冲区的数据存放到相应的存储区，计算校验码，若无校验错误则复位校验错误指示位，若有误则置位校验错误指示位。

4）XMT_OVER发送完成中断程序，发送完成后允许新的接收，缓冲区清零，复位各个标志位。

2.3 检测系统的实现

采用上述通信协议的定义格式，文中实现了基于LabVIEW8.5开发平台的计算机与PLC的飞机电器装置检测系统。该检测系统的前面板如图5所示。

图5 检测系统前面板Fig.5 Front panel of detection system

控件“测试目录选择”被按下后，界面切换到测试目录选择主菜单界面，用于选择要检测的电器装置；“开始”、“确认”、“单步测试”、“暂停”按钮用于控制检测过程的开始、单步测试、暂停等操作。右侧是检测结果显示界面：标准值中以指示灯的不同颜色来表示不同的测试功能；测试值中，指示灯“绿色”表明测试值与标准值一致，“红色”表示有故障，同时以对话框形式给出故障信息，用户可以根据需要选择退出检测或是忽略故障继续进行下一步检测。

实验表明，检测系统的通信正常，能够完成检测工作，操作方便、界面友好。

3 结 论

以LabVIEW8.5为软件开发平台、S7-200系列PLC为底层硬件，在自由端口模式下定义通信协议，实现了二者的串行通信。其优点是：1）LabVIEW作为软件平台，提供了丰富的用于开发用户界面的对象，包括图形、图表、按钮与开关、指示灯等，用户可以编制友好的人机界面，添加报警功能，进行系统的监控和管理，弥补了PLC不易实时显示图表和曲线、无良好界面、不便于监控等缺陷。2）PLC有良好的可扩展能力和适应性，以其为核心构成的控制系统具有可靠性高、编程简单灵活、抗干扰能力强的特点，可以执行可靠有效的分散控制。3）采用自由端口模式下的通信，不用购买软件，可以读取PLC中任意存储区的数据，成本低，灵活性好，特别适合于小规模的控制系统。自由端口模式下通信协议的设计还可以结合Internet实现PLC控制系统的远程监测，具有较大的推广空间和较好的应用前景。

[1]贾承军，张先勇.航空器机载继电器盒测试仪的设计[J].机电产品开发与创新，2009，22（4）：134-135.

JIA Cheng-jun.ZHANG Xian-yong.The design of aero-relay box testing instrument[J].Development&Innovation of Machinery&Electrical Products，2009，22（4）:134-135.

[2]张树勇.飞机继电器盒综合检查仪研制[D].沈阳：东北大学，2007.

[3]WANC Chun-chieh，Hsia K H，SU Kuo-lan，et al.Application of a remote image surveillance system in a robotic weapon[J].Artif Life Robotics，2010，15:284-290.

[4]HlaM T，MarlarK，Zaw M N.Development of process monitoring system in drilling process using fuzzy rules[J].Int J Syst Assur Eng Manag，2011，2（1）:78-83.

[5]谢建君，王洪猛，徐春梅.基于LabVIEW与PLC的串级控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2005（2）：54-56.

XIE Jian-jun，WANG Hong-meng，XU Chun-mei.The design of a cascade control system based on LabVIEW and PLC[J].Industrial Instrument&Automation， 2005（2）:54-56.

[6]罗文锋.基于LabVIEW与PLC的船舶电站监控系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[7]汤光华，吴青.自由口模式下S7200PLC与上位机的通信[J].微计算机信息，2008，24（5-1）：62-64.

TANG Guang-hua，WU Qing.Communication between host computer and S7200 PLC under Free-port mode[J].Microcomputer Information，2008，24（5-1）:62-64.

[8]王晋杰.基于LabVIEW的PC与PLC实时监控的实现[J].武汉理工大学学报，2006，28（11）：53-55.

WANG Jin-jie.Implementation of PC and PLC real-time control based on LabVIEW[J].Journal of WUT，2006，28（11）:53-55.

[9]马振锋，刘献礼，王鹏，等.基于LabVIEW7.1的PC机与PLC通信[J].哈尔滨理工大学学报，2005，10（5）：30-36.

MA Zhen-feng，LIU Xian-li， WANG Peng，etal.Serial communication between PLC and PC based on LabVIEW7.1[J].Journal of Harbin UNIV：SCI.&TECH，2005，10（5）:30-36.

[10]柳剑，陈於学，杨曙年.基于编程口的三菱PLC与PC机串行通信实现[J].自动化仪表，2010，31（11）：31-37.

LIU Jian，CHEN Yu-xue，YANG Shu-nian.Implementing serial communication between PC and MITSUBISHI PLC based on self-contained programming port[J].Process Automation Instrumentation，2010，31（11）:31-37.