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控制系统 CD技术与应用CONTROL SYSTEM

北京动力源科技股份有限公司  张哲

摘要：随着压缩天然气加气站的数量在不断增多，对加气站监控系统的要求也在不断提高，由于LabVIEW的独特的图形化编程特点，LabVIEW技术已经被应用在越来越多的监控领域，加气站监控系统也就应运而生。伴随着LabVIEW软件功能的逐渐增多，应用范围的逐渐扩展，其性能也越发强大。因此，本文设计出一种基于LabVIEW的加气站监控系统。基于LabVIEW的加气站监控系统的设计主要集中体现在以下几个方面，在基于LabVIEW的平台上，编制出对加气站进行统一监控的系统的前面板以及程序框图，使监管人员通过PC机能够直观方便的观测加气站运行的状态以及对加气机进行管理，采用的主要硬件系统结构为星型结构，由于PC机上串口数量有限，那么我们在PC机与加气机之间添加一个多串口转接盒，通过RS-232串口与各加气机相连进行通信，采用下位机模拟现实中的加气机，本文中所用的下位机为PIC16F877单片机，通过编程驱动下位机模拟加气机向上位机发送模拟量，如温度，压力等数据，这样以便更好的实现信息的双向传输且更方便管理。主控上位机主要负责实时监测加气机的液位，压缩天然气的温度，压强等，当超过一定的上下限，报警系统会发出警报，同时还可以对液态气的单价进行设定下发。所设计的加气站监控系统可以实现加气机内温度，气压等参数的采集，液化天然气单价的设定，对加气机相关参数的采集，保存，以及对历史的数据查询等。

文章编号：160201

基于LabVIEW的加气站监控系统设计Filling Station Monitoring System Based on LabVIEW

1 引言二十世纪九十年代初以来，中国天然气汽车

迅速发展。一个相对功能完备且高效的加气站监

控系统，在燃气汽车加气站的发展过程中起着至

关重要的作用。考虑到加气站网络化和智能化的

发展前景，其中要求各分站必须有一个统一的控

制系统和管理系统，为了使它运行合理化，方便

企业总部的指挥，控制和及时获取加气站站点的

信息。这样，一个全面的监管系统是不可或缺的。

在工业领域中，随着现代企业生产的大型

化，复杂化，持续化和全面化，加上通信网络技

术，计算机技术和自动控制技术的飞速发展，对

监测和控制的要求也越来越高，所以，这个课题

是一个有理论意义和应用前景的研究课题。

对于一个现代化的加气站而言，一个完整的

自动化监控系统必不可少的。为了优化实验室的

资源配置格局，满足复杂系统的控制要求，基于

虚拟仪器的加气站监控系统的开发是必要的。

　　　

2 加气站监控系统设计根据对加气站总体运作模式及流程的了解，

设计出一套功能完备的加气站监控系统。对基于

LabVIEW的加气站监控系统进行了系统的阐述，

主要从以下几个方面进行阐述：整体的硬件连接

设计、基于LabVIEW的加气站监控系统的软件设

计以及后续的仿真，软件性能的优化，稳定性以

及可靠性的分析等等。

2.1 监控系统的硬件架构设计基于LabVIEW的加气站监控系统主要包括两

个部分：以单片机为仿真系统核心的数据采集系

统的硬件设计和基于LabVIEW的软件设计，系统

的结构图如图1所示。

主控上位机的主要功能是控制整

个加气站的监控系统，通过串口RS-

232与多台加气机进行通信，通过串

口向各个加气机传输指令，同时也及

时响应各个加气机发来的信号以及进

行相应数据的采集，监控加气站监管

系统中各个加气机的工作状态，比如

查询某一加气机的工作状态，将信息

反馈给上位机的控制面板。然而还涉

及到一个问题，就是RS232总线为一

对一通信方式，而本系统需要通过多

个串口采集加气机上传的各种数据，

因此我们在上位机与下位机之间再加

一个多串口转接盒就可以了，本文将

上述的基于LabVIEW的加气站监控系

统与串口通信结合起来，设计出一套

完整的加气站监控系统。

本课题中设计的主要硬件系统结

构如图1所示，为星型结构，主控上

位机采用我们经常使用的PC机，通过

RS-232串口与各加气机相连，这样

以便更好的实现信息的双向传输且更

方便管理。主控上位机主要负责实时

监测加气机的液位，压缩天然气的温

度，压强等，当超过一定的上下限会

发出警报，同时还负责对液态气的单

价进行设定。

2.2 监控系统的软件架构设计加气站监控系统的软件架构进

行设计主要实现以下功能，系统帮助

对话框模块，软件信息介绍对话框模

块，时间显示模块，单价设定模块，

客户管理模块，加气机监管模块，温

压监控模块，数据采集模块，数据采

集模块中又分为数据存储与文件打开

模块。具体的软件功能图如图2所示。

加气站监控软件采用LabVIEW平

台编写，监控系统界面更加直观与人

性化，每个模块既联合又独立，各个

模块工作时互不影响，互不干扰，使

整个加气站监控系统的可靠性增强。

加气站监控系统运行时的软件流程进

行介绍，如图3是加气站监控系统的

软件流程图。

当整个系统开始运行时，系统

主循环，系统中显示时间的模块，还

有系统帮助和系统简介属于三个并行

的模块开始运行，相互之间互不干

扰，系统帮助和系统简介属于同一事

件结构的两个不同的分支。进入这三

大顶层模块中的系统主循环模块后，

便可触发已经放置好的选项卡进入条

件结构，此时可以根据用户的需要查

看不同的界面，每个界面都是相互独

立互不干扰的，例如在选项卡中选择

单价设定选项，主程序界面显示单价

设定界面，于是系统进入单价设定模

块中。需要注意的是，查看历史记录

和保存数据属于数据采集模块中的内

容，虽然查看历史记录页面可以始终

在程序主界面看到，但若要实现其功

能，必须选中选项卡中的数据采集选

项才行，否则内部程序无法运行，此

处运用一个形象的比喻，就像一个人

如果不进入自己的房子，就无法直接

从房子外边直接进入卧室一样。

3 加气站监控系统通信功能设计

本文中主要使用RS-232串口使

下位机与上位机进行通讯，本文采用

的是9针插座。

由于RS-232接口所采用的电

平标准与TTL电平完全不同，因此

要想实现单片机和计算机之间的通

信，我们还需要使用电平转换芯片

MAX232，由于单片机是采用正负电

压来表示的相应的逻辑状态，我们

需要使用电平转换芯片MAX232将单

片机的逻辑状态用RS-232电平来表

示，MAX232芯片如图4所示。

以采集加气机内液态天然气温

度为例，介绍温度采集的过程及实

现原理，将用C语言编写好的温度采

集程序下载并固化在PIC16F877单片

机中。PIC16F877单片机是整个温

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度采集系统的核心，它的作用是读取温度传感器

DS18B20所采集到的温度并上传给上位机监控系

统，基于PIC16F877单片机的温度采集系统的程

序主要分为三大部分：主程序模块、温度数据采集模

块、串行通信模块。主程序模块的作用是对各个端口

以及引脚，还有所用到的传感器配置进行初始化。

温度采集模块的程序主要是驱动单片机读取

温度传感器采集到的温度数据，串行通信模块的作

用就是将采集到的温度数据上传给上位机，如图5。

　　　

4 基于LabVIEW的上位机监控系统设计基于LabVIEW的加气站监控系统主要分为以

下几个模块：单价设定模块，客户管理模块，气

机监管模块，温压控制模块，数据采集模块。

4.1 监控软件的主面板图6是基于LabVIEW监控系统的主界面，其

中包括单价设定，客户管理，气机监管，温压控

制，数据采集，文件读取等功能。各模块嵌在一

个功能选项卡中，以便节省界面空间，同时方便

各功能的切换，使监控人员能够更方便快捷的了

解加气站的实时运行状况。

如图6系统的监控总界面所示，右侧各功能模

块所在的功能选项卡控件，左侧能够实时打开存

储在上位机上的文件，并设有日历表，作者相关

的按钮，按下此按钮时，将弹出带有作者简介的

对话框，此处用到了动态调用子面板的功能。当

程序开始运行时，右上角将自动实时显示当前时

间，此处用到了获取当前时间的函数。

4.2 时间显示我们想使监控系统的前面板上实时显示当前

的时间，以便监控人员能更好的掌握当前时间下

系统的运行状况，具体实现如下，我们在本系统

的程序框图中单独开辟一个空间用来编辑时间显

示部分，首先，在框图中加入一个While循环，在

循环中放置一个时间获取函数，将时间获取函数

与时间显示函数相连，由于我们想要的是另外一

种格式，于是我们选择当前时间函数的属性节点

中格式字符串的选项，并将其也放在同一While循

环中，将其输入端连接一个字符串，将想要得到

的时间显示格式设定好。

4.3 单价设定此部分的设计原理是将一段串口读写的程

序写入单片机中，它的作用是首先进行串口初始

化，并设置终端，当单片机中接收缓冲区收到串

口发送的数据后，再把接收缓冲区的内容传递给

发送缓冲区，通过串口向上位机发送。因此我们

通过这个过程来模拟加气站中单价的设定，具体

程序如下:

void init();

void main()

{

init();

while(1);

}

void init()

{

TRISC=0xff;

TXSTA=0x24;

RCSTA=0x90;

SPBRG=25;

GIE=1;

PEIE=1;

RCIE=1;

}

void interrupt com()

{

if(RCIE&&RCIF)

{

TXREG=RCREG;

while(!TRMT);

}

}

单价设定也是整个监控系统的重要模块之

一，前面板部分如图9所示，左上角为VISA资源名

称配置框，我们在操作时通过这个下拉列表框来

选择需要进行通信的串口，通过后面的四个数值

输入控件来配置串口通讯相应的参数。

下面分别在面板中添加一个字符串输入控

件和字符串显示控件，我们把单价设定这个字符

串输入控件作为串口通讯的写入控件，设定成功

这个字符串显示控件作为串口通讯一端的接收控

件，当我们把需要设定的单价填入单价设定的对

话框中时，点击发送按钮，如果在设定成功的字

符串显示对话框中也出现了同样的单价，说明设

定的单价已经下发至了下位机，同时下位机在接

图1 系统总体结钩图

图2 升降软件总体功能图

图3 系统软件流程图

图4 串行通信原理图

图10 单价设定程序框图

图7 时间显示程序框

图8 时间显示框

图9 单价设定程前面板

图6 监控系统前面板

图5 测温程序框图

图11 串口通讯第一帧

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收到数据的同时，把接收到的数据上传给了上位

机以证明下位机成功接收到了数据。仿真结果如

下，通讯正常，设定成功。

单价设定模块的程序框图如图10所示。我们

在选项卡选板的单价设定程序框图中，由于此处

我们采用串口进行通信，那么下面是关于串口通

信的底层程序框图的编写。

在第0帧中，单价设定中的字符串被送到VISA

写函数中的写入缓冲区，接下来如下图11所示，这

是第1帧内的程序开始运行，我们只在第1帧中加了

一个延时，防止程序运行过快而占用更多的内存。

待延时结束，进入第2帧。如图12所示。

当一个帧结束的时候，下位机就已经收到了

串口发送来的数据，但为了验证我们的数据是否

发送成功，因此我们还需要通过串口读取下位机

返回的数据，因此在2帧中，我们从VISA读函数的

读取缓冲区中取出串口发送回来的字符串，显示

在前面板的设定成功的字符串显示控件中。

进入第3帧后，我们把单价设定控件中的数

值与设定成功控件中的数值相比较，如果相等，

便在通信状态控件中显示“通信正常”，整个

通信结束，当然还有一点不要忘记，就是在通

信结束时要及时关闭串口，否则会造成内存泄

露，于是，我们在while循环的右侧添加一个串

口关闭函数。

4.4 客户管理对客户管理模块主要是进行客户信息的登

记，其中包括姓名，车牌号，联系电话，住址

等，当点击保存按钮是，客户信息将自动被载入

系统的客户登记表。

如图14所示，在选项卡的客户管理分支中，

在控件选板中，分别拖拽出四个字符串输入控件

放在客户管理的前面板中，这样客户管理模块的

前面板就完成了。

在客户管理的程序框图中，在前面板放置

控件的同时在程序框图中将自动出现相对应的函

数子VI，由于LabVIEW是通过数据流进行数据传

输，因此必须将各个函数分别连接起来，客户管

理模块程序框图的连线方式，如图15：。

首先在客户登记选项卡中添加一个事件结

构，在事件结构中我们把与前面板对应的姓名，

住址，车牌号，联系电话等控件放入事件结构，

编辑事件结构时，选择保存按钮为触发时间结构

的控件，再在事件结构中放入一个写入文本文件

的函数即可。

4.5 气机管理气机管理模块也是加气站监控系统的众多模

块之一，如图16所示，在气机管理模块的前面板

上放置三个液罐，模拟现实中加气机的液罐，通

过运行时模拟液罐液位的高度来使检测者直观的

看到真实加气机液罐大致的储液高度。

单击控件选板中的数值选板，将模拟液罐数

值显示控件拖拽到气机管理的前面板上，由于真

正地加气站加气机众多，此处我们只放三个以示

代表作用。在每个液罐的下方分别放置一个从控

件选板的数值选项卡中的数值显示控件，来记载

加气机真实液位的高度。以便观测者能实时的了

解加气机内液体的储量，以便更好地进行管理。

由于条件有限，我们通过模拟加气机的方式

来实现液罐储液量的观测，具体功能实现的程序

框图如图17。

在函数选板中的数值类中选择一个随机数

生成器，将其拖拽到程序框图中，由于随机数只

能生成0~1的小数，根据现实中加气机储液量的

大小，我们将生成的随机数乘以10后再与液罐

相连，同步显示，同时再从相乘的结果中引出一

条线与数值显示函数相连为了保证程序的连续运

行，我们在这个加气机监控模块整体程序框图

的外围加一个while循环，并在循环中放置一个

2000ms的延时，如果不放延时的话，运行速度太

快，会占用太多的系统资源，严重时可导致系统崩

溃。所以在while循环中加一个延时是非常有必要的。

4.6 温压监控温度压力监控模块是加气站监控系统中一个

非常重要的模块，它运行的好坏直接影响加气站

的安全系数，监测人员通过对温压的实时监测，

可以及时发现加气站中的不安全因素。

打开控件选板，然后将里面的温度计控件和

仪表盘控件拖拽到温压监控前面板中，再打开布

尔选板，将两个指示灯拖拽到温压监控的前面板

上，然后再在温压监控前面板上放置四个数值输

入控件，分别用来设定温度上限，温度下限，压

力上限和压力下限，当加气站中的温度或压力超

过规定的上下限时，报警指示灯将点亮，以提示

工作人员有可能出现危险，应及时进行有力的控制。

温压监控的程序框图如图19所示，当把相应

图18 温压监测界面

图20 数据采集界面

图19 温压监测界面案

图21 数据采集程序框图

图22 数据采集模拟仿真图17 气罐监测界面

图12 串口通讯第二帧

图13 串口通讯第三帧

图14 客户登记信息栏

图15 客户登记信息栏

图16 气罐监测界面

图16 气罐监测界面

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控件放置在温压监控模块的前面板上时，在程序

框图中将会自动出现相对应的函数，我们要完成

的只是连线即可。

将随机数乘以100与温度计相连，在将生成的

虚拟温度与温度计相连的同时我们把生成的虚拟

温度与我们已经设定好的温度的上限和下限相比

较，如果超出了规定的范围，温度报警指示灯将

被点亮。

压力监控的程序设计与温度相似，不同的是

随机数乘以10而不是100，同样将得到的虚拟压力

传送给压力仪表的同时，与气压上限和下限相比

较，一旦超出规定范围，压力报警指示灯将被点

亮。我们同样在这个温压模块的程序框图外围放

置一个while循环，以保证程序联系不断的运行，

并在循环中放置一个1000ms的延时函数。

4.7 数据采集加气站监控系统中的数据采集模块，它用于

连续采集下位机不断向上位机不断发送的数据，

利于实时的温度，压力，并同时具有存储功能，

我们可以事后根据不同时间点温度压力等其他因

素的变化来绘制曲线，并进行分析，以便能掌握

规律，有利于后续的改进和研究。如图20所示，

为数据采集的虚拟仪器界面。

程序框图，如图21所示将运用LabVIEW中的

事件结构来完成这一温度采集的过程，首先设置

一个开始运行分支，设置为通知事件，值改变，

虽然在前面板添加控件的同时，程序框图中会显

示相应的函数，但这些函数要完成所需的功能是

远远不够的，我们还需在程序框图中添加一些另

外的函数，我们在程序框图中还需添加一个串口

配置函数，串口读取函数，数组索引函数，字符

串连接函数，数值至16进制字符串转换函数，字

符串至数值数组的转换函数，比较函数，还需再

开始运行事件结构分支中再添加一个循环结构和

条件结构。

在通道中就可以显示出实际的温度了，再把

采集到的数据与波形图表相连，这样可以更直观

的看出温度变化的趋势。将PIC16F877单片机通

过串口与PC上位机相连，上电并下载相应的程序

后，单片机自动向上位机发送实时温度，上位机

通过虚拟仪器实时接收下位机发送来的数据，具

体仿真结果如图22。

具体仿真结果如图23:当点击打开文件按钮

是，会弹出相应对话框，让你选择需要打开的文

件，我们这里以打开DS18B20温度采集。

当选择相应文件后，文件里的内容便会出现

在对话框中，方便工作人员及时对采集到的数据

进行读取和分析。

5 结论随着压缩天然气加气站数量的不断增多，

对加气站监控系统的要求也在不断提高，由于

LabVIEW的独特的图形化编程特点， LabVIEW

技术已经被应用在越来越多的监控领域。伴随着

LabVIEW软件功能的逐渐强大，基于LabVIEW的

监管系统也随之提出了更高的要求。而监控系统

的实时和准确性能是衡量其好坏的关键参数，对

加气站更方面指标的监测与分析具有重要的理论

及实际意义。加气站内温度过高，储气容器内压

力过大会直接影响加气站的安全、工作效率、以

及各部分的使用寿命等。因此，本文针对加气站

的监控，设计出了一套基于LabVIEW的加气站监

控系统，根据加气站基本理论的研究，提出了一

种基于LabVIEW的加气站监控系统的设计方法，

并且成功的应用于加气站运作的管理之中，实现

了对加气站各种参数的实时采集与分析，基于此

软件的种种特性，可以将其进一步进行优化，产

品的升级也更加方便和快捷。

提出一种基于LabVIEW的加气站监控系统的

设计方案，并通过单片机的模拟仿真进行验证，

为基于LabVIEW的加气站监控系统能够在实际的加气

站监管领域发挥更大的作用奠定了坚实的基础。CD

图23 文件显示