基于LabVIEW的多路数据采集系统下位机软件设计
江苏科技大学
本科毕业设计（论文）
学院电子信息学院
专业
学生姓名
班级学号
指导教师
二零一一年六月
江苏科技大学本科毕业论文
基于LabVIEW的多路数据采集系统
下位机软件设计
Lower Machine Software of Multi-channel Data Acquisition System Design Based on LabVIEW
江苏科技大学
毕业设计（论文）任务书
学院名称：电子信息学院专业：
学生姓名：学号：
指导教师：职称：
摘要
PLC( Programmable Logic Controller，可编程序控制器)控制系统是20世纪60年代末随着计算机技术飞速发展而发展起来的一种先进的工业计算机控制系统。PLC与其他微型计算机相比，更适于在恶劣的工业环境中运行，且数据处理功能大大增强。本文结合实际生产需要，介绍了PLC在多路数据采集过程中的作用以及工作过程，并给出相应的算法和程序图。
该系统由上位机和下位机两大部分组成。使用PLC（选用西门子公司的S7-200系列）作为下位机进行温度，压力，流量等多种数据的采集，并可以根据实际需要增加或替换新的模块，以便更好的适应现场的工作环境，然后对数据实现模数转化、数据比较、蜂鸣器报警、警示灯闪烁等各种功能。上位机部分使用装有美国国家仪器NI公司的LabVIEW软件的PC机。该系统可应用于船舶与各种生产环境的数据采集以及相应的过程控制。
关键词：船舶机舱；数据采集；下位机；PLC
Abstract
PLC (Programmable Logic Controller) control system is an advanced industrial computer control system. Which is developed along with the rapid development of computer technology in the end of 1960s. Compared with other micro-computer, PLC is more suitable for running in abominable industrial environments, and its data processing function is greatly enhanced. Combined with the production practices, this paper introduces the role and the working process of PLC in multiplex data-acquisition, This paper also presented the relevant arithmetic and program.
This system consists two parts of an upper and a lower machine. PLC（Selected Siemens S7-200 series）as a lower machine, to collect the temperature, pressure, flow and other data, and do some functions to the date about code conversion, data comparison, buzzer alarming, warning lights flashing and other functions. Take a PC with LabVIEW to be the upper machine. The system can be used in the ships and a variety of other production environments for data-acquisition and the corresponding process control.
Keywords：Ship’s engine room; data acquisition; lower machine; PLC
目录
第一章绪论 (1)
1.1 数据采集系统概述 (1)
1.2 国内外研究现状 (2)
1.3 本文主要研究内容 (3)
第二章下位机系统软硬件介绍 (4)
2.1 PLC简单介绍 (4)
2.1.1 PLC的基本概念 (4)
2.1.2 PLC的基本结构 (5)
2.1.3 PLC的工作原理 (5)
2.1.4 PLC内部运作方式 (6)
2.2 系统硬件选择 (7)
2.2.1各型号硬件比较及选择依据 (7)
2.2.2 系统硬件配置 (8)
2.3 系统软件介绍 (9)
第三章柴油机监控概论 (12)
3.1 船用柴油机监控报警装置 (12)
3.1.1 主要监视报警装置及工作过程 (12)
3.1.2 本系统主要需实现的功能 (13)
3.1.3 系统报警参数 (14)
3.1.4 本系统的特点 (14)
3.2 LabVIEW简介及做上位机的优势 (15)
第四章采集系统编程实现 (16)
4.1 数据采集硬件需求 (16)
4.1.1 传感器及其工作原理 (16)
4.1.2 转换器及其工作过程 (17)
4.2 系统的功能及工作过程 (18)
4.3 程序实现方法及详解 (19)
4.3.1主程序分析与理解 (20)
4.3.2 数据采集子程序的分析与理解 (20)
4.3.2 数据转换与运算子程序的分析与理解 (21)
4.3.3 数据比较子程序的分析与理解 (23)
4.3.4 闪烁电路子程序的分析与理解 (23)
4.3.5 报警子程序的分析与理解 (24)
结语 (28)
感谢 (29)
参考文献 (30)
第一章绪论
1.1 数据采集系统概述
“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。
从严格意义上说，数据采集系统应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算，以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。
数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制。
数据采集系统一般由数据输入通道、数据存储与管理、数据处理、数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除干扰噪声、无关信息和不必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索：或者把数据恢复成原来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，如打印、显示、绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。
在本系统中，数据采集过程主要指下位机从传感器和其它设备中获取电压、电流、温度、压力或声音等各种外界的物理现象，并将这些数据转换成规则的电信号传送到上位机中进行分析、处理的过程。
在计算机广泛应用的今天，计算机可以快速的进行复杂的运算进而帮助人类解决
很多靠人不能解决的问题，但是，计算机可以识别的信息是有限的，因此，这就需要我们尽可能多的对数据进行采集，并转化成计算机可以识别的数字信号提供给计算机，然后由计算机对采集到的信号进行处理，由此可见，数据采集的重要性是十分显著的，它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。
数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。比如在生产过程中，对生产中的工艺参数进行实时采集、监测，并以此判断当前设备的运行状况，进而采取相应措施，便可以为提高效率，降低成本。
很多工业现场具有高温度，高湿度以及强干扰等恶劣的环境，本文研究采用PLC 做下位机对船舶机舱进行数据采集[1]，并将采集到的数据传送给PC机，通过运行在PC机上的LabVIEW软件对这些数据进行分析，以此判断当前运行设备的状况，进而采取相应措施，本系统具有精度高、运行稳定、实时性好、抗干扰能力强、性价比高等特点，可以在各种工业场合中广泛应用，可以达到我们的设计初衷。
1.2 国内外研究现状
国内外对数据采集的方法有很多，比如基于ARM，单片机，FPGA等方式，而这些方式又都有其各自的优缺点：
(1)基于ARM的数据采集：
优点：功能强大，与传统的8位微处理器相比速度更快，性能更强，资源丰富；
缺点：价格相对比较贵，开发也有些难度，在低端应用时ARM性价比较低，开发难度也更大，新手入门较困难。
(2)基于单片机的数据采集：
优点：成本低廉，广泛应用于干扰不强的场合，性价比高；
缺点：对电路保护要求高，抗干扰能力弱，容易受外界各种原因影响。单片机技术含量高，使用灵活但是工作量很大。
(3)基于FPGA的数据采集：
优点：相对于单片机工作需要依靠其上运行的软件进行，FPGA全部的控制逻辑是由延时更小的硬件来完成的。因此，实时性更好。高速化、集成化，设计周期短，灵活。适合用于小批量系统，提高系统的可靠性和集成度；
缺点：功耗大，编程语言熟悉时间长，不容易熟练掌握。
综上所述，我们需要找到一种既可以能够适应不同工业场所环境，又要减少材料成本，降低功耗，简单易入门的数据采集方式，而以PLC做下位机便能更好的实现这些诉求。
1.3 本文主要研究内容
本文研究以西门子S7-200系列PLC做下位机进行数据采集和处理过程，主要有以下几个方面的内容：
（1）从PLC的I/O输入模拟量和数字量（本身端口不足的话加入扩展模块），并利用传送指令将这些数据传送的指定的存储空间；
（2）按照要求对存储空间内的数据进行运算和处理，使其能够完成代码转化、蜂鸣器报警、警示灯闪烁、计时器计时等功能；
（3）将运算处理的数据通过有效地通讯方式与以LabVIEW为上位机的PC机通信，使之可以向上位机传送数据以及接受上位机的指令。
第二章下位机系统软硬件介绍
PLC与其他微型计算机相比，更适于在恶劣的工业环境中运行，且数据处理功能大大增强，编程指令具有模块化功能，能够解决就地编程、监控、通讯等问题。在现代控制领域占有越来越重要的地位，本系统选用德国西门子公司生产的S7-200系列PLC，该系列PLC具有体积小、软硬件设计合理、编程简单、数据处理功能强、指令系统丰富、抗干扰能力强、可与PC机通讯、使用方便灵活等特点。并且将模块式和一体式PLC的优点结合起来：即CPU本身自带一部分I/O，同时又具有扩展能力。
编程软件STEP-7 Micro为用户提供了界面友好而功能强大的开发工具，其配套的E2PROM存储卡也使修改和调试程序、维护设备十分方便和可靠。
2.1 PLC简单介绍
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用，西门子公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为适应于较小规模的自动控制系统的微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。
2.1.1 PLC的基本概念
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，它主要用来代替传统实物继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机控制技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，而且这些可编程控制器已经应用在现代生产生活中的各个方面，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC，PLC自1966年美国
数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。
2.1.2 PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
(1) 电源：PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的。
(2) 中央处理单元(CPU)：中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
(3) 存储器：存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
(4) 输入输出接口电路：①现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，是PLC与现场控制的接口界面的输入通道；②现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用是使PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
(5) 功能模块：如计数、定位等功能模块。
(6) 通信模块：如以太网、RS-485、Profibus-DP通讯模块等。
2.1.3 PLC的工作原理
当PLC打到run状态下投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在PLC的整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(1) 输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应的单元内。
(2) 用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形
图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
(3) 输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
2.1.4 PLC内部运作方式
虽然PLC所使用的阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”。说明如下：
步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置；
步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端；
步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部分接点，并且重回步骤一。此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 的反应时间，PLC 输入讯号的时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。
2.2 系统硬件选择
2.2.1各型号硬件比较及选择依据
SIMATIC S7-200 PLC是超小型化的PLC[2]，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。在实际生产中，在不同的环境以及系统要求下，需要有不同的器件要求，既要满足生产需要，又要符合高性价比原则，因此，我们必须结合现场环境与要求，并对硬件配置有较好的理解，方能得到最好的产品。
CPU221集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间，CPU 221属于小型PLC，价格低廉，能满足多种集成功能的需要。特别适合于小点数控制的微型控制器。
CPU222集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。6K字节程序和数据存储空间。该型号CPU为S7-200 CN 家族中低成本的单元。通过可连接的扩展模块，即可处理模拟量。
CPU224集成14 输入/10 输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。224系列的CPU具有更多的输入、输出点及更大的存储器。
CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。此CPU是S7-200中功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。
本系统对多路数据进行数据采集，由于需要采集的信号以及用于控制的信号比较多，而且要根据实际需要添加或更换采集系统的模块，因此需要能够有更多输入/输出点以及方便扩展模块的型号，除此以外，为了能够更好的处理现场数据，还需要有更大的存储空间供我们使用，根据这些要求，我们选择西门子S7-200系列PLC中的功能最为强大的CPU226作为下位机中的CPU模块。
2.2.2 系统硬件配置
图2-1：CPU226 外观图
西门子S7-200 CPU226型PLC（如图2-1）的主机容量为26KB，I/ O点数为40 (输入点数24，输出点数16)，2个RS-485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。采用24 V DC电源来驱动I/ O接线端子；两个模拟量调节旋钮，在0～1范围内调节，也可用程序改变模拟量调节范围。根据实际生产需要可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，与其它型号PLC相比，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
图2-2：EM231 外观图
本系统的模拟量输入模块[3]选用西门子EM231（如图2-2），它提供4个模拟量输入信道：A + 、A - ；B + 、B - ；C + 、C - ；D + 、D - ；对应地址由高到低排列，但具体地址的下标则由扩展的输入模块个数和与PLC 连接的先后顺序决定。此系统设计为对四路模拟量进行数据采集，因此只需一台模拟量输入模块(EM231)即可，设计中模拟量输入模块的地址排列依次为：AIW 0（转速），AIW 2（滑油压力），AIW 4（滑油温度），AIW 6（冷却水温度）。根据程序要求，程序设计中要满足将来易扩展
和易更换的需求，对于硬件来说，也是可以根据实际需要扩展更多模块。EM231和PLC 主机通过专门的总线联接器直接相联。
除了对模拟量的信号采集以外，我们还需要对一些开关量进行采集，如果需要采集的开关量较多，则只需要增加扩展模块即可，CPU226中可用的数字模块有很多，比如EM221，EM222，EM223等均可直接扩展使用。对于本系统，我们已经根据要求选择了I/O点较多的CPU 226作为下位机的模块。因此，不用扩展模块就能够满足对一定数量的开关量数据的进行采集。
2.3 系统软件介绍
SIMATIC STEP7作为一个平台可以集成各种控制设备的软件[4]，所有设备的编程、配置、调试、数据路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成，从而实现一个项目中所有控制任务的集成。掌握STEP7是学习西门子公司自动化产品的基础。
STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。适用于所有SIMATIC S7-200 PLC机型软件编程。支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。具有密码保护功能。STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助操作人员调试和测试程序。这些特征包括：监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。
为了方便编程人员的使用，STEP 7-Micro/WIN拥有丰富的指令向导功能：PID 自整定界面；PLC内置脉冲串输出(PTO)和脉宽调制(PWM)指令向导；数据记录向导；配方向导；支持TD 200和TD 200C 文本显示界面(TD 200向导)。
除了STEP 7-Micro/WIN自带的丰富的指令向导功能以外，也有很多其他的功能，这些功能使得程序编写更加方便也更加快捷。
(1) 运动控制：S7-200提供有开环运动控制的三种方式：脉宽调制（PWM）--内置于S7-200，用于速度、位置或占空比控制；脉冲串输出（PTO）--内置于S7-200，用于速度和位置控制；EM253位控模块--用于速度和位置控制的附加模块，对于位控模块，STEP 7-Micro/WIN还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试程序员的运动操作。
(2) 创建调制解调模块程序：使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到
一个模拟电话线上，并且支持S7-200与STEP 7-Micro/WIN的通讯。该调制解调模块还支持Modbus从站RTU协议，该模块与S7-200之间的通讯通过扩展I/O总线便可以实现。
STEP 7-Micro/WIN提供一个调制解调扩展向导，它可以帮助操作人员设置一个远端的调制解调器，或者设置将S7-200连向远端设备的调制解调模块。
(3) USS协议库：STEP 7-Micro/WIN指令库，该指令库包括预先组态好的子程序和中断程序，这些子程序和中断程序都是专门为通过USS协议与驱动通讯而设计的。通过USS指令，程序员可以控制这个物理驱动，并读/写驱动参数。也可以在STEP 7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。当选择一个USS指令时，系统会自动增加一个或多个相关的子程序（USS1到USS7）。
(4) Modbus从站协议指令：STEP 7-Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通讯设计的预先定义的子程序和中断服务程序，使得与Modbus主站的通讯简单易行。使用Modbus从站协议指令，可以将S7-200组态作为Modbus RTU从站，与Modbus主站通讯。可以在STEP 7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。通过这些新指令，可以将S7-200作为Modbus从站。当选择一个Modbus从站指令时，会有一个或多个相关的子程序自动添加到项目中。
(5) 使用配方：STEP 7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助操作人员组织配方和定义配方。配方存在存储卡中，而不是PLC中。STEP 7-Micro/WIN软件和S7-200 PLC已经支持配方功能。由于所有配方存在存储卡中。因此，为了使用配方功能，必须要在PLC中插入一块64K或者256K的存储卡。
(6) 使用数据归档：STEP 7-Micro/Win提供数据归档向导，将过程测量数据存入存储卡中。将过程数据移入存储卡可以节省V存储区的地址空间，否则这些数据将储存在V存储区中。
(7) PID自整定和PID整定控制面板：S7-200PLC已经支持PID自整定功能，STEP 7-Micro/WIN中也添加了PID整定控制面板。这就大大增强了S7-200PLC的功能，并且使这一功能的使用变得更加容易。
可以使用操作员面板中的用户程序或者PID整定控制面板来启动自整定功能。在同一时间，不仅仅只有一个PID回路可以进行自整定，如果需要的话，所有8个PID 回路可以同时进行自整定。PID自整定算法主要包括增益值、积分时间值和微分时间