魏立新，馮　曦，王洪慶，高江曼

(1．燕山大學工業(yè)計算機控制工程河北省重點實驗室，河北秦皇島　066004　2．天津電氣傳動設計研究所，天津　300180)

0　引言

在實際運用中，上位機與西門子系列PLC之間的通訊方式，主要有以下4種：(1)用WinCC、InTouch等組態(tài)軟件編程實現(xiàn)通信連接；(2)用OPC Server軟件實現(xiàn)通信連接；(3)用自由口實現(xiàn)通信連接；(4)用PRODAVE或LIBNODAVE函數庫實現(xiàn)通信連接。方式1雖然操作簡單、效率高，但是成本投入高[1]，并且此類軟件運行時十分占據上位機內存資源，對于僅需簡單實用功能的操作顯得過于復雜。方式2雖然現(xiàn)在被廣泛采用，但OPC在處理實時數據方面具有劣勢，并且由于其基于DCOM的技術使得OPC只能在Windows操作系統(tǒng)下使用[2]。方式3雖然靈活性好，但只適于小規(guī)模控制系統(tǒng)，并且PLC中也需要編寫通信程序[3]。方式4通過調用PRODAVE或LIBNODAVE函數庫，運用高級編程語言，可以直接靈活地對PLC進行數據操作，提升了實時性。而LIBNODAVE優(yōu)勢在于其開源免費，并且包含了更多的應用函數，為開發(fā)降低了成本、提供了便捷、完善了功能。因此，文中采用LIBNODAVE函數庫來進行上位機監(jiān)控軟件的設計開發(fā)。

1　LIBNODAVE簡介

LIBNODAVE是一款可與西門子系列PLC進行通信的開源、免費的函數庫，遵循GNU庫公用許可證版本2及以上，可運行在Windows、Linux 及Unix 操作系統(tǒng)上。LIBNODAVE可以訪問的存儲區(qū)域有：位存儲區(qū)、數據塊、輸入/輸出映像區(qū)、定時器和計數器等。另外，LIBNODAVE 還可以讀取PLC程序中的功能塊[4]。

參考文獻[4]對LIBNODAVE的使用做了比較詳細的例程說明，文中將其作為重要參考，在Windows操作系統(tǒng)下使用Visual Basic語言進行監(jiān)控軟件的設計開發(fā)，將LIBNODAVE的使用具體化、實際化。

2　上位機監(jiān)控軟件的設計與開發(fā)

LIBNODAVE提供了PROFIBUS、MPI、以太網等不同通信方式的接口函數，而由于以太網具有傳輸速率高、傳輸距離遠、可靠性高、開放性好、擴展靈活、方便等優(yōu)點[5]，文中選擇使用CP443以太網模塊進行以太網通訊。下面將對程序中關鍵功能的實現(xiàn)函數進行重點講解。

2．1連接建立

上位機與PLC之間連接建立的主要程序如下所示。

ph=openSocket(102，IP_address)’打開102端口

If (ph>0) Then

di=daveNewInterface(ph，ph，“IF1”，0，122，2)

’建立新接口

res=daveInitAdapter(di) ’初始化適配器

If res=0 Then

dc=daveNewConnection(di，2，Rack，Slot)

’建立新連接

res=daveConnectPLC(dc)’連接PLC

End If

End If

openSocket(ByVal port As Long，ByVal peer As String)函數中，由于西門子以太網中的ISO on TCP協(xié)議所使用的數據傳輸端口為102[6]，所以port被設置為102，而peer則為PLC的以太網地址。

daveNewInterface(ByVal fd1 As Long，ByVal fd2 As Long，ByVal name As String，ByVal localMPI As Long，ByVal protocol As Long，ByVal speed As Long)函數中，fd1、fd2和name設為默認值；由于是以太網通訊，所以localMPI設置為0；protocol表示協(xié)議類型常數，以太網對應的為122；speed表示速度常數，以太網對應的為2。

daveNewConnection(ByVal di As Long，ByVal mpi As Long，ByVal Rack As Long，ByVal Slot As Long)函數中，當連接單個PLC時，mpi固定為2，而Rack為PLC機架號，Slot為PLC的CPU槽位號。

2．2連接斷開

上位機與PLC之間連接斷開的主要程序如下所示。

If dc<>0 Then

res=daveDisconnetPLC(dc) ’斷開PLC

Call daveFree(dc)’釋放內存

dc=0

End If

If di<>0 Then

res=daveDisconnetAdapter(di) ’斷開適配器

Call daveFree(di)’釋放內存

di=0

End If

If ph<>0 Then

res=closeSocket(ph)’關閉端口

ph=0

End If

daveFree(ByVal item As Long)過程中，調用相應變量，對其釋放內存。

closeSocket(ByVal fh As Long)函數中，調用ph這一返回變量，關閉數據傳輸端口102。

2．3數據讀取

實際情況中，幾乎所有數據都是從PLC的數據塊(DB)、位存儲區(qū)(Markers)、輸入映像區(qū)(Inputs)和輸出映像區(qū)(Outputs)中讀取，因而針對上述4個區(qū)域，開發(fā)讀取功能，并可通過BOOL、BYTE、INT、WORD、DINT、DWORD以及REAL#7種形式讀取。

以DB讀取為例，BOOL、BYTE、WORD、REAL讀取形式的主要程序，如下所示。

Case “BOOL”

If daveReadBits(dc，&H84，DB_read(i)，(start _

address_read(i)*8+bit_read(i))，1，0)=0 Then

read_text(i)．Text=daveGetS8(dc)

End If

Case “BYTE”

If daveReadBytes(dc，&H84，DB_read(i)，(start _

address_read(i)，1，0)=0 Then

read_text(i)．Text=daveGetS8(dc)

End If

Case “WORD”

If daveReadBytes(dc，&H84，DB_read(i)，(start _

address_read(i)，2，0)=0 Then

read_text(i)．Text=Hex(daveGetS16(dc))

End If

Case “REAL”

If daveReadBytes(dc，&H84，DB_read(i)，(start _

address_read(i)，4，0)=0 Then

read_text(i)．Text=daveGetFloat(dc)

End If

daveReadBits(ByVal dc As Long，ByVal area As Long，ByVal areaNumber As Long，ByVal start As Long，ByVal numBytes As Long，ByVal buffer As Long)函數中，area為區(qū)域常數，DB對應的為&H84(Inputs對應&H81，Outputs對應&H82，Markers對應&H83)；areaNumber為DB塊號(若為Inputs、Outputs以及Markers時，設置為0)；start為數據起始地址；numBytes為讀取Byte的數目；buffer為數據緩沖區(qū)，設置為0。該函數用來進行位的讀取操作。

daveReadBytes(ByVal dc As Long，ByVal area As Long，ByVal areaNumber As Long，ByVal start As Long，ByVal numBytes As Long，ByVal buffer As Long)函數與daveReadBits基本相同，只是該函數是用來進行字節(jié)的讀取操作。

函數daveGetS8獲取一個字節(jié)(BYTE型)，daveGetS16獲取2個字節(jié)(INT型與WORD型)，daveGetS32獲取4個字節(jié)(DINT型與DWORD型)，daveGetFloat獲取實型量(REAL型)。

2．4數據寫入

文中設計數據向DB、Markers、Inputs和Outputs中寫入的功能，并可通過BOOL、BYTE、INT、WORD、DINT、DWORD以及REAL 7種形式寫入。

以Markers寫入為例，BOOL、BYTE、WORD、REAL寫入形式的主要程序，如下所示。

Case “BOOL”

a1=CByte(write_text(i)．Text)

res=daveWriteBits(dc，&H83，0，(startaddress_

write(i)*8+bit_write(i))，1，a1)

Case “BYTE”

a=davePut8(writebuffer(1)，write_text(i)．

Text)

res=daveWriteBytes(dc，&H83，0，(startaddress_

write(i)，1，writebuffer(1))

Case “WORD”

a=davePut16(writebuffer(1)，HEX_to_DEC(write_text(i)．Text))

res=daveWriteBytes(dc，&H83，0，(startaddress_

write(i)，2，writebuffer(1))

Case “REAL”

a=davePutFloat(writebuffer(1)，write_text(i)．Text)

res=daveWriteBytes(dc，&H83，0，(startaddress_

write(i)，4，writebuffer(1))

daveWriteBits(ByVal dc As Long，ByVal area As Long，ByVal areaNumber As Long，ByVal start As Long，ByVal numBytes As Long，ByRef buffer As Byte)函數中，area為區(qū)域常數；areaNumber為DB塊號；start為數據起始地址；numBytes為寫入Byte的數目；buffer為數據緩沖區(qū)，設置為一個Byte。該函數用來進行位的寫入操作。

daveWriteBytes(ByVal dc As Long，ByVal area As Long，ByVal areaNumber As Long，ByVal start As Long，ByVal numBytes As Long，ByRef buffer As Byte)函數與daveWriteBits基本相同，只是該函數是用來進行字節(jié)的寫入操作。

函數davePutS8放置一個字節(jié)(BYTE型)，davePutS16放置2個字節(jié)(INT型與WORD型)，davePutS32放置4個字節(jié)(DINT型與DWORD型)，davePutFloat放置實型量(REAL型)。

2．5實時曲線監(jiān)控

使用Steema Software公司開發(fā)的圖表圖形組件TeeChart 2010來實現(xiàn)曲線監(jiān)控功能。TeeChart提供上百種2D和3D圖形風格、40余種數學和統(tǒng)計功能，加上無限制的軸和多種調色板組件可以選擇，以及20余種用于圖表操作的工具，將圖表制作與操作功能發(fā)揮得淋漓盡致，為程序設計人員提供了一個高效、直觀、節(jié)省時間的編程接口[7]。以下為該功能的主要程序。

TeeCommander1．Chart=TChart1

’啟用TeeCommander功能

TeeListBox1．Chart=TChart1

’啟用TeeListBox功能

TChart1．Axis．Bottom．SetMinMax Now，DateAdd

(“s”，20，Now) ’設置X軸時間范圍

With TChart1．Axis．Bottom

．Labels．DateTimeFormat=”yy-mm-dd HH：MM：SS”

’X軸格式顯示為年月日 時分秒

．Labels．MultiLine=True ’標簽分行顯示

End With

With TChart1．Series(Index)

．AddXY Now，mainform．read_text(Index+1)，””，

clTeeColor’按X軸時間，Y軸數值繪制折線圖

End With

監(jiān)控系統(tǒng)對PLC中以30 ms為周期產生隨機數的地址進行讀取測試，如圖1所示。

圖1　實時曲線界面

通過放大曲線圖，可以更加直觀地觀察每s數據的變化情況，并可以將曲線圖存入相連的數據庫中，供日后查詢歷史曲線使用。

3　運行效果

如圖2所示，文中所設計開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，已在某冷軋廠投入使用，目前運行穩(wěn)定。該系統(tǒng)投入使用之后，工程師在無需打開任何西門子相關軟件的情況下，通過以太網通訊，輸入PLC地址，建立好連接后，雙擊變量名稱進入數據讀取或數據寫入界面，輸入具體地址與變量類型，即可對PLC中指定地址的數據進行讀寫操作。由于系統(tǒng)是與數據庫相連，從而可將PLC設置、變量名稱、變量地址等保存在數據庫中，之后打開軟件時載入所保存的配置，方便直接使用。

通過系統(tǒng)中的曲線監(jiān)控，工作人員還可以實時直觀地觀察數據動態(tài)，并載入所保存的歷史數據曲線，進行分析比較，對生產管理起到一定的輔助作用。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)界面

4　結束語

文中將LIBNODAVE以太網通訊技術與S7-400系列PLC兩者有機地結合在一起，開發(fā)了實時高速、擴展性強、操作方便的監(jiān)控系統(tǒng)，并在實際中得到了很好地應用。鑒于LIBNODAVE的免費、開源、穩(wěn)定、靈活等特點，LIBNODAVE完全可以取代PRODAVE來開發(fā)基于西門子PLC的監(jiān)控系統(tǒng)軟件，從而降低成本，并擺脫西門子相關產品的局限性。文中選取了國內研究較少的LIBNODAVE作為研究對象，其研究成果可為鋼鐵行業(yè)其他企業(yè)生產現(xiàn)場的升級改造和建設提供有益合理的借鑒，而對其他領域實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的構建也具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]趙軍，時良平，黃春陽．基于Prodave技術的西門子PLC監(jiān)控調試軟件開發(fā)．自動化應用，2011(10)：26-28．

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[6]MARSHALL T ROSE，DWIGHT E．Cass．ISO Transport Service on top of the TCP Version：3．May 1987．

[7]羊昌燕，翟正軍，陸艷洪．總線數據采集系統(tǒng)事后分析處理軟件設計與實現(xiàn)．測控技術，2012，31(11)：84-87．