基于LabVIEW的復合系統(tǒng)監(jiān)測與控制

張若青 王小奇

摘要

針對工業(yè)自動化過程控制中不同控制單元的實時通訊需求，以LabVIEW為上位機軟件，使用OPC技術(shù)和共享變量技術(shù)實現(xiàn)了PLC控制器與cRIO控制器之間的實時通訊，完成了對AGV小車與氣動元件篩選系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與控制。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW OPC PLC cRIO

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化規(guī)模的不斷壯大，工業(yè)控制已經(jīng)從單機控制過渡到分散控制、集中控制的新時期，而控制系統(tǒng)的發(fā)展也趨向于分散化和復雜化。目前，由于不斷吸收新技術(shù)，實現(xiàn)更高效、更可靠的生產(chǎn)，很多工廠都出現(xiàn)了更為開放的分散控制系統(tǒng)（DCS），形成不同廠商、不同結(jié)構(gòu)形式控制系統(tǒng)所集成的復雜控制系統(tǒng)。例如，DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)構(gòu)成的混合控制系統(tǒng)、由變頻器和PLC組成的電動機控制系統(tǒng)以及PLC與controllogix控制器組成的混合控制系統(tǒng)等等，即多種形式的DCS控制系統(tǒng)并存已經(jīng)成為一種常態(tài)。這種并存可以賦予用戶更大的系統(tǒng)集成自主權(quán)，用戶可根據(jù)實際需要選擇不同廠商的設(shè)備連同軟件資源連入控制系統(tǒng)，達到最佳的系統(tǒng)集成。

作為工業(yè)基礎(chǔ)自動化中的主流控制產(chǎn)品，PLC控制器緊跟技術(shù)發(fā)展，歷經(jīng)小型化、模塊化、集成化的變革，性能向更快、更可靠、更智能方向發(fā)展。同時為適應(yīng)信息化的趨勢，PLC控制器也更為開放，不僅可以與上位計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息交流，還利用現(xiàn)場總線技術(shù)與現(xiàn)場的其他智能化設(shè)備，構(gòu)成現(xiàn)場工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

CompactRIO控制器是搭載了實時處理器和用戶可編程FPGA的高性能工業(yè)級嵌入式控制器，強大的高速硬件和信號調(diào)理功能，使其可以連接到任何總線上的任何傳感器或設(shè)備。以LabVIEW可視化編程軟件為開發(fā)平臺，將實時操作系統(tǒng)的性能與Linux的開放性相結(jié)合，具有優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集能力較快的程序開發(fā)速度。

本文根據(jù)氣動元件篩選、儲運系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況，設(shè)計了以LabVIEW為上位機監(jiān)控平臺軟件的復合式分布控制系統(tǒng)，采用OPC技術(shù)，通過在PLC系統(tǒng)與cRIO系統(tǒng)之間建立實時通訊的方式，實現(xiàn)兩類系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，從而完成監(jiān)測與控制目標。

1 系統(tǒng)說明

氣動元件篩選系統(tǒng)采用組合氣動機械手的形式，分別完成軸承端蓋、螺栓等工件的篩選，工件運輸AGV小車將完成篩選的工件運送至工件倉庫。各個篩選系統(tǒng)以PLC為從控制器，實現(xiàn)對多氣缸構(gòu)成的氣動機械手的控制，完成元件篩選。AGV小車采用cRIO控制器，控制多自由度機械手及運動機構(gòu)，抓取工件并完成輸送。

1.1 基于PLC控制器的氣動元件篩選系統(tǒng)

在氣動元件篩選子系統(tǒng)中，PLC控制器通過控制電磁開關(guān)閥動作來實現(xiàn)氣動機械手的運動與抓取，并檢測各個執(zhí)行元件的狀態(tài)（磁性開關(guān)）。當存在多個PLC控制器時，通過組態(tài)軟件、以太網(wǎng)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時上傳到上位機，上位機組態(tài)軟件使用OPC技術(shù)來讀取PLC的上載數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)對現(xiàn)場工作情況的控制和監(jiān)視。系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖I所示。

1.2 基于cRIO拉制器的工件輸運小車

由于AGC小車需要在各個工件篩選系統(tǒng)之間移動，故采用具有WIFI信號的cRIO控制器實現(xiàn)對行走機構(gòu)、機械手的控制，系統(tǒng)由上位機CLabVIEW平臺）、以太網(wǎng)、cRIO控制器組成。通過以太網(wǎng)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳至上位機，然后通過上位機HOST端程序的開發(fā)來實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制和監(jiān)視，cRIO控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

可以看出，以上兩種系統(tǒng)除控制器不同外，結(jié)構(gòu)形式基本相同，都是采用以太網(wǎng)+控制器+控制對象+傳感器的基本結(jié)構(gòu)，同類控制器（PLC）之間能夠通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊，不同類控制器之間則不能。

2 基于LabVIEW的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

LabVIEW是目前虛擬儀器領(lǐng)域最具代表性的圖形化編程軟件，良好的圖形化編程環(huán)境和可視化界面使其廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動化、過程處理等領(lǐng)域。LabVIEW編程高效、靈活、面向?qū)ο蟮奶攸c有助于提高項目開發(fā)效率，降低系統(tǒng)成本。

LabVIEW具有較多的工業(yè)接口，利用以太網(wǎng)，可以同時與PLC和cRIO進行通訊，又沒有傳統(tǒng)組態(tài)軟件的點數(shù)與價格限制，而且本身具有較強的擴展能力，因此將LabVIEW作為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機平臺軟件，不僅可以與cRIO控制器實現(xiàn)良好信息交換，還能夠完全取代PLC系統(tǒng)的傳統(tǒng)組態(tài)軟件。

由于移動的需要，AGE小車的cRIO控制器需要采用無線傳輸?shù)姆绞缴衔粰C通訊，于是在系統(tǒng)中添加無線路由器，以有線形式連接PLC控制器，無線形式連接cRIO控制器，構(gòu)建的基于Lab VIEW的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

雖然LabVIEW下，上位機能夠分別與PLC控制器與cRIO控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，但是AGV小車為了能夠收集篩選系統(tǒng)篩選出的工件，需要獲得各個篩選系統(tǒng)的狀態(tài)信息，以確定收集工件的位置，即cRIO控制器需要實現(xiàn)與各個PLC控制器的實時通信，本文采用OPC技術(shù)實現(xiàn)。

2.1 OPC技術(shù)簡介

OPC（OLE for Process Control）技術(shù)是一個工業(yè)標準，它以O(shè)PC Client/OPC Server為模型，所有符合OPC通訊規(guī)范的軟硬件都可以作為OPC客戶端，通過訪問OPC服務(wù)器的方式來獲取數(shù)據(jù)。

由于PLC控制器與cRIO控制器的硬件互不兼容，編輯程序所用的語言也不相同，所以無法直接通訊。另外，如果不使用原廠配套軟件，PLC控制器與上位機的通訊也很困難，這些都是在PLC控制器與cRIO控制器實現(xiàn)通訊時所要面對的問題，OPC技術(shù)的應(yīng)用能夠很好的解決這個問題。

2.2 通訊設(shè)計

首先，在PC機上建立基于以太網(wǎng)的PLC控制器與OPC服務(wù)器的通訊，OPC服務(wù)器讀取PLC上載的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，LabVIEW通過DSC模塊便可以訪問PLC上載到OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)信息;然后，在使用LabVIEW開發(fā)cRIO控制器程序時，可以將PLC上載數(shù)據(jù)通過共享變量技術(shù)直接調(diào)用到cRIO程序中，從而實現(xiàn)cRIO與PLC的實時通訊。通訊原理如圖4所示。

整個系統(tǒng)的通訊實現(xiàn)分為兩個部分：

（1）PLC與LabVIEW的通訊;

（2）PLC與cRIO的通訊。

具體實現(xiàn)方法如下：

2.2.1 基于OPC的PLC與LabVIEW的通訊

（1）建立PLC與PC機之間的以太網(wǎng)通訊。

（2）使用NI OPC Server創(chuàng)建OPC服務(wù)器。在這個過程中需要根據(jù)PLC類型選擇正確的設(shè)備驅(qū)動，并正確填寫PLC的IP地址。

（3）添加綁定變量，設(shè)置與需要讀取的PLC I/O口變量相綁定的標簽變量，如圖5所示。

（4）創(chuàng)建OPC快速客戶端（OPC QuikClient），PLC首先會將需要上載的數(shù)據(jù)傳送并儲存在OPC快速客戶端中，而LabVIEW則是通過讀取OPC快速客戶端中的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對PLC的數(shù)據(jù)采集。

2.2.2 基于OPC的PLC與cRIO的通訊通訊設(shè)計的意義

在完成PLC與LabVIEW的通訊以后，對于cRIO的程序開發(fā)過程便可以使用共享變量技術(shù)直接將PLC的I/O口狀態(tài)信息直接當成變量來調(diào)用到程序中。共享變量技術(shù)可以快速方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)在同一程序框圖的不同循環(huán)之間或者網(wǎng)絡(luò)上的不同VI之間的數(shù)據(jù)共享。

3 實驗分析

如前所述，PLC為控制器的氣動元件篩選系統(tǒng)的PLC控制器為西門子s7-300，以cRIO為控制器的AGV小車暫時采用一個伺服電機驅(qū)動行走機構(gòu)。由于PLC控制系統(tǒng)是通過控制兩位五通電磁閥<2個電磁鐵）的通斷來控制氣缸運動方向，氣缸的運動行程由磁性開關(guān)來確定。cRIO通過控制電機來驅(qū)動小車的運行，配合氣動系統(tǒng)完成運輸任務(wù)。

在實驗過程中，如前所述，電磁閥的I/O口數(shù)據(jù)創(chuàng)建為共享變量，這樣上位機LabVIEW便可以通過OPC服務(wù)器來實時獲取電磁閥的工作狀態(tài)。于是cRIO的程序開發(fā)過程中可以通過調(diào)用共享變量的方式，將電磁閥開關(guān)狀態(tài)添加到cRIO控制程序中，實現(xiàn)cRIO與PLC的共同合作，如圖6所示。

4 結(jié)論

本文根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實際需求，通過對PLC系統(tǒng)和cRIO系統(tǒng)的優(yōu)點和結(jié)構(gòu)分析，提出了一種實現(xiàn)這兩種系統(tǒng)融合的方法。與傳統(tǒng)多控制系統(tǒng)分別工作的方式相比，組合控制系統(tǒng)不但簡化了結(jié)構(gòu)組成、提高了系統(tǒng)工作效率還提升了系統(tǒng)的擴展能力，所有支持OPC規(guī)范的設(shè)備都可以通過以太網(wǎng)實現(xiàn)和系統(tǒng)的通訊。

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