无隔水管泥浆回收钻井技术在深海钻探领域的应用，对水下核心设备的远程监控提出了高要求。水下泵组作为该技术的动力核心，部署于深水环境，其运行参数采集、设备状态监控及远程操控需突破距离传输、环境适配、通信稳定等技术难点。为实现甲板端对水下泵组的实时监测与精准控制，设计一套基于 LabVIEW、PLC 及 Modbus RTU 协议的监控系统，利用 LabVIEW 的图形化编程优势、PLC 的模块化测控能力及 Modbus RTU 的工业通信稳定性，构建水下 - 甲板的一体化监控架构，满足深海环境下设备测控的可靠性、实时性与扩展性需求。

硬件系统架构

系统硬件分为甲板监控单元、脐带缆传输单元、水下测控单元三部分，形成 “采集 - 传输 - 监控” 的闭环架构，各单元功能与设备配合围绕 LabVIEW 上位机的测控需求搭建，保障数据交互的高效性。

甲板监控单元以工控机为核心，搭载 LabVIEW 上位机软件，配合视频录像机、显示器、甲板光端机构成监控核心，负责数据处理、状态显示、指令下发；脐带缆作为光电复合传输介质，承担水下单元的供电与光纤信号远距离传输，解决深海环境下的信号衰减问题；水下测控单元集成 PLC、水下光端机、网络摄像机、各类传感器、执行机构及辅助设备，完成泵组运行参数、环境数据的采集和甲板端指令的执行。

测控通信采用主从架构，LabVIEW 上位机作为 Modbus RTU 主站，PLC 作为从站，通过 RS232 串口经光端机实现 “串口 - 光纤 - 串口” 的双向透传，为 Modbus RTU 通信提供物理通道；视频监控则通过水下网络摄像机采集画面，经光端机完成 “网络 - 光纤” 转换后传输至甲板端，实现视频与测控数据的独立传输、互不干扰。

PLC 选型与 IO 配置

PLC 作为水下测控的核心执行单元，其选型与 IO 配置直接决定 LabVIEW 上位机的数据采集范围和控制精度，需兼顾水下环境的适配性、IO 点类型需求及与上位机的通信兼容性。

本系统选用紧凑型定制 PLC，核心主控芯片为 STM32F103VET7，外形小巧满足水下测控舱的轻量化要求，工作温湿度覆盖 - 40~85℃/95%，适配深海复杂环境。该 PLC 内置 Modbus RTU 从站协议，配备 2 路 RS232 通信口、1 路 CAN2.0B 接口，可通过 CAN 总线扩展多台同规格 PLC，满足多设备的 IO 点需求；同时内置 A/D 转换模块，支持 4~20mA、0~10V 模拟量输入，无需额外转接模块，直接对接传感器信号，减少硬件链路复杂度。

根据水下泵组的测控需求，PLC 的 IO 点配置覆盖三类信号：16 路开关量输出，用于控制水下摄像机、照明灯、云台、电机等设备的启停与通断；4 路 4~20mA 模拟量输入，采集球阀角度位置信号，1 路 0~5V 模拟量输入，采集油补偿器油量信号；2 路 RS232 数字输入，读取深度计、高度计的数值数据。所有采集数据经 PLC 预处理后，通过 Modbus RTU 协议上传至 LabVIEW 上位机，上位机下发的控制指令也经 PLC 解析后驱动执行机构，实现双向测控。

LabVIEW 上位机设计

LabVIEW 作为上位机开发平台，凭借图形化编程、丰富的库函数、友好的人机交互及强大的硬件适配能力，成为系统测控软件的核心载体，其功能实现围绕数据采集、指令下发、状态显示三大核心需求展开，全程调用内置 Modbus VI 子程序，简化开发流程，提升程序稳定性。

串口初始化配置

LabVIEW 上位机的通信基础为串口配置，程序启动后自动搜索工控机的串口资源，在通信设置界面以下拉菜单形式展示，操作人员可直接选择对应串口，程序内置默认串口参数（波特率、数据位、停止位、校验位），无需手动配置，降低操作门槛。初始化子程序通过 LabVIEW 的串口 VI 实现，若初始化失败，程序将弹出提示并终止运行；初始化成功后，进入主程序循环，为 Modbus RTU 通信奠定基础。

程序核心流程

上位机采用顺序执行 + While 循环的程序结构，核心为持续调用 Modbus RTU 主站 VI 子程序。程序启动后，完成串口初始化即进入 While 循环，循环内反复执行 Modbus 指令的发送与响应接收：向 PLC 从站发送数据查询指令，接收 PLC 上传的传感器、设备状态数据，经数据处理后在界面显示；同时实时检测操作人员的界面操作，将设备控制指令通过 Modbus 写指令下发至 PLC。循环过程中无需中断即可实现数据的实时更新与指令的即时响应，直至操作人员终止程序，调用关闭 VI 完成串口释放，程序结束运行。

LabVIEW 的数据处理函数为数据解析提供高效支持，通过 “数组 - 簇” 转换、解除捆绑、数据类型转换等内置函数，将 PLC 上传的原始数据解析为可直接显示的数值、百分比等格式，例如将球阀的 4~20mA 模拟量信号转换为 0~100% 的开度数值，直观反映设备状态；同时将操作人员的界面指令转换为 PLC 可识别的数字信号，确保控制指令的精准下发。

人机界面设计

LabVIEW 的前面板设计遵循工业操作的简洁性与实用性原则，搭建主界面、通信设置、设备架构三个可切换界面，各界面功能分区明确，数据显示与操作控制分离，符合工程师的操作习惯。

主界面为核心工作界面，分为下位机信息、测控舱状态、泵橇块状态、设备控制四大区域：下位机信息区显示 PLC 模块编号、程序版本、设备累计运行及本次运行时间；测控舱状态区实时显示舱内温湿度、油补偿器油量；泵橇块状态区展示泵体温度、下放深度、离底高度、环境温度及球阀开度；设备控制区设置按钮、旋钮等交互控件，实现摄像机、照明灯等设备的开关控制，HPU 电机的启停，以及 LED 灯的亮度无极调节，旋钮操作通过 LabVIEW 的 PWM 调制 VI 实现，将界面操作量转换为 0~5V 的调光信号，下发至 PLC 执行。

通信设置界面仅保留串口选择功能，设备架构界面以图形化形式展示系统硬件组成，为操作人员提供设备参考，整体界面无冗余元素，确保监控过程的高效性。

下位机程序配合

PLC 下位机程序采用 Easybuilder 软件编写，遵循 IEC 61131-3 标准，以主程序调用子程序的模块化结构设计，与 LabVIEW 上位机形成完美的通信配合，确保数据上传与指令执行的实时性。

主程序通过 STL 语句块顺序调用 7 个子程序，分别实现出厂设置、运行时间统计、温湿度数据采集、深度计数据解析、PWM 调光转换、上位机指令执行、掉电数据备份等功能。其中，深度计数据通过 RS232 串口采集后，经 ASCII 码转实数子程序处理，匹配 LabVIEW 上位机的数据解析格式；上位机开关控制子程序将 Modbus 接收到的指令直接映射至 PLC 的 Q 区，驱动执行机构动作；掉电数据备份子程序将累计运行时间等关键数据存储至铁电区，避免数据丢失。

多台 PLC 之间通过 CAN 总线实现数据交互，扩展 PLC 采集的高度计、油补偿器数据经 CAN 总线传输至主 PLC，由主 PLC 统一上传至 LabVIEW 上位机，实现多设备数据的集中采集与统一监控，保障系统测控的完整性。

系统测试与优势

系统完成软硬件搭建后，分两步进行测试：首先进行通信测试，通过 PLC 寄存器赋值模拟传感器数据，LabVIEW 上位机可准确读取并显示数据，验证 Modbus RTU 通信的稳定性；随后进行软硬件联调，接入全部外部设备，逐一测试各功能区的数据采集、显示及设备控制功能，所有参数读取实时无延迟，设备启停、通断动作响应精准，视频画面与测控数据同步显示，满足系统设计要求。

本系统依托 LabVIEW 的技术优势，结合 PLC 与 Modbus RTU 协议，展现出显著的应用价值：LabVIEW 的图形化编程大幅降低了上位机的开发难度，内置的 Modbus VI 子程序无需开发者自行编写通信协议，缩短开发周期，且程序的可视化程度高，便于后期调试与维护；LabVIEW 的人机界面设计灵活，可根据实际需求快速调整功能分区与显示形式，扩展性强，可通过增加 VI 子程序实现更多传感器数据的采集与设备控制；系统采用工业标准的 Modbus RTU 协议，通信兼容性强，可与不同品牌的 PLC、传感器对接，结合光端机与脐带缆的远距离传输，突破了深海环境的空间限制，实现了水下设备的远程精准测控。