王文輝

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400）

基于OPC的Labview仿真軟件與PLC通訊實現(xiàn)

王文輝

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400）

介紹了基于Labview的抽水蓄能機組運行信號仿真軟件特點，并描述了仿真軟件通過NI OPC Sever與西門子S7-400PLC通信實現(xiàn)的過程。

Labview；OPC Sever；PLC；OPC Client

0 引言

抽水蓄能機組是同時具有抽水與發(fā)電功能的機組，是電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的重要手段，相比一般發(fā)電機組運行工況更復雜。為模擬抽水蓄能機組現(xiàn)實運行情況，采用Labview軟件編寫了抽水蓄能機組運行仿真軟件，模擬機組正常運行過程中所涉及設備的運行信號。仿真軟件與運行機組控制程序的PLC通訊就能模擬抽水蓄能機組在正常運行過程中各工況流程。因抽水蓄能機組工況復雜，運行過程中涉及設備較多，對運行信號進行模擬的仿真軟件中變量數(shù)量十分龐大，仿真軟件與PLC通訊需交換大量數(shù)據(jù)。仿真軟件與PLC不能直接通訊，需選擇合適的方法實現(xiàn)Labview仿真軟件與PLC的實時通訊。

OPC(OLE for Pmcess Contml)是基于Windows NT技術(shù)的OLE,COM/DOOM接口的擴展，其本質(zhì)是OPC Client用一種開放的、標準化的通訊方式與OPC Server進行通訊[1]。OPC規(guī)范定義的標準接口，系統(tǒng)能夠以OPC Server（服務器）/OPC Client（客戶端）標準方式從服務器獲取數(shù)據(jù)并傳遞給客戶應用程序，利用NI OPC server可實現(xiàn)Labview仿真軟件與S7-400PLC實時通訊[2]。

1 通訊方案設計

仿真軟件安裝于PC機上，與PLC連接方式如圖1所示，通過Ethernet經(jīng)交換機與PLC連接。PLC通過網(wǎng)線與交換機相連，PC可以通過網(wǎng)線，亦可通過無線方式與交換機連接。在以上硬件條件下，因PLC與Labview通訊有不同的接口和規(guī)范，PLC無法直接通過Ethernet與Labview仿真軟件進行實時通訊，關(guān)鍵在于選擇標準化、通用規(guī)范的接口實現(xiàn)硬件與軟件的數(shù)據(jù)交互[3]。通過此標準、規(guī)范的通用接口，安裝有Labview仿真軟件的PC才能通過Ethernet從PLC地址塊中讀出數(shù)據(jù)或向地址塊中寫入數(shù)據(jù)。NI公司有自己的OPC Server，已得到廣泛使用，穩(wěn)定性及可靠性都得到證明，因此選用NI OPC服務器作為仿真軟件與PLC的通訊接口交互數(shù)據(jù)。

圖1 PC與PLC連接圖

2 I/O點通訊實現(xiàn)

PLC程序中的I/O點（輸入/輸出點）必須經(jīng)輸入/輸出端與外部硬點連接交換數(shù)據(jù)。本項目中Labview仿真軟件與PLC通訊過程中沒有硬點連接，因此無法直接實現(xiàn)仿真軟件中模擬信號與PLC中I/O點的通訊。因模擬程序可以通過PLC中的DB塊（數(shù)據(jù)塊）向PLC讀/寫數(shù)據(jù)，因此在PLC程序中建立新的DB塊（數(shù)據(jù)塊），使程序中I/O點與數(shù)據(jù)塊中的點映射。如建立數(shù)據(jù)塊DB3000作為輸入數(shù)據(jù)塊，使數(shù)據(jù)塊中點DB3000.DBX0.0對應I0.0，使數(shù)據(jù)塊中點DB3000.DBX0.1對應I0.1，如此可將所有I點（輸入點）與數(shù)據(jù)塊DB3000中的點對應，同樣也可以建立輸出數(shù)據(jù)塊與O點（輸出點）對應。Labview仿真軟件通過與數(shù)據(jù)塊中點的通訊實現(xiàn)與I/O點通訊。

3 配置OPC服務器通道

先創(chuàng)建一個新的OPC文件，輸入通道名（channel name），再選擇合適的設備驅(qū)動程序，本方案選擇Siemens TCP/IP Ethernet（如圖2）。選擇驅(qū)動程序后，根據(jù)驅(qū)動的不同，將彈出不同的參數(shù)配置對話框，根據(jù)設備情況配置不同參數(shù)。

圖2 設備驅(qū)動程序選擇

通過OPC控制外部設備，需要計算機寫入到外部設備寄存器，這要求比較高的實時性，有3種寫入方式供選擇。①Write all values for all tags方式，所有的OPC客戶端，都會將需要寫入的數(shù)據(jù)保存在OPC的內(nèi)部隊列里；OPC以最快的速度不斷寫入外部設備，直至隊列為空；該模式寫入的數(shù)據(jù)有嚴格的次序，即使寫入的數(shù)據(jù)相同，也必須按照內(nèi)部隊列的次序逐個寫入。②Write only latest values for non_boolean方式，通常情況下，客戶端某段時間內(nèi)寫入的數(shù)據(jù)是相同的，由于絕大多數(shù)外部設備的寄存器具有保持功能，因此沒有必要連續(xù)寫入相同的數(shù)據(jù)；使用這種模式，不會寫入相同的數(shù)據(jù)，避免浪費通信的帶寬；該模式除了布爾類型外，其他的類型數(shù)據(jù)只有更新后才寫入。因為一般布爾控件要求瞬間效應，所以需要立即寫入更新。③Write only latest values for all tags方式，與“Write only latest values for non_boolean”模式基本相同，區(qū)別在于對布爾值的處理；如果對布爾值的實時性要求不高，可以選擇在所有值發(fā)生變化時才寫入外部設備[4]。

抽水蓄能機組控制程序中參與控制的信號多數(shù)是數(shù)字信號，對信號實時性要求較高。在機組正常運行過程中參與控制的模擬量一般都會在一定范圍內(nèi)變化，但不是每次變化都產(chǎn)生控制信號。只有當數(shù)值變化超過設定值時才能發(fā)出控制信號。因此在仿真軟件中對模擬量仿真可以采用在特定階段給定數(shù)值的方法，簡化仿真過程但不會影響控制要求。此時選擇Write only latest values for non_boolean模式，可以避免不斷向PLC寫入模擬量數(shù)據(jù)，浪費通信的帶寬，數(shù)字信號也能實時讀寫不影響控制，提高通訊效率。

Duty cycle（占空比）項設置寫次數(shù)與讀次數(shù)的比率，在仿真軟件與PLC通訊過程中，仿真軟件實時讀取PLC信號然后執(zhí)行相應的模擬仿真程序，再向PLC寫入控制命令。讀/寫時間要求一樣，因此將占空比設置為1（圖3），也就是每寫1次讀1次，如果長時間內(nèi)沒有寫入數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)將按照固定的周期進行[5]。

圖3 數(shù)據(jù)寫入方式及占空比選擇

4 PLC設備配置

完成通道配置后添加硬件設備，一個通道可以對應多個設備，通道下所擁有設備使用相同的驅(qū)動程序。本項目中因為仿真軟件與S7-400PLC通訊，所以在配置設備對話框中，選擇S7-400PLC（圖4），之后設置PLC所在網(wǎng)絡IP地址，IP地址設定后仿真軟件可以在網(wǎng)絡上通過訪問該IP地址與PLC進行通訊。PLC中包含大量的輸入/輸出點、計數(shù)器、定時器等，這些都對應著PLC的內(nèi)部寄存器。通過配置標簽（tag），使OPC的標簽與PLC內(nèi)部的寄存器一一對應，讀寫OPC項目如同直接讀寫PLC內(nèi)部的寄存器一樣方便，中間的通信與轉(zhuǎn)換完全由驅(qū)動程序自動完成。

5 定義OPC變量

圖4 硬件模塊選擇

OPC是一種使用變量進行通訊的方法。在通訊過程中，通訊變量與通訊變量之間地位是相等的，即一個布爾量與一個幾十或上百字節(jié)的數(shù)組在讀寫時通訊時間基本相當。壓縮通訊變量個數(shù)的方法可提高PC與PLC之間的通訊速率[5]。抽水蓄能機組運行工況復雜，運行過程中涉及設備較多，對運行信號進行模擬的仿真軟件中變量數(shù)量十分龐大。為了提高通訊效率、節(jié)省通訊時間，把類型相同的數(shù)據(jù)組合成一個數(shù)組，減少變量以加快PC與PLC之間的通訊。本方案中將PLC控制程序中同一數(shù)據(jù)塊中同一類型的點組合成一個數(shù)組，可將數(shù)千個變量縮減為幾十個變量，大大提高通訊效率、減少通訊時間。在設備上右鍵選擇New Tag Group，定義數(shù)組名稱，然后在數(shù)組里選擇New Tag定義數(shù)組，設置數(shù)組數(shù)據(jù)類型和地址（圖5）。OPC中變量地址設置與PLC中相應變量地址相同，這樣OPC變量可以通過訪問該地址與PLC變量通訊。

圖5 數(shù)組定義

6 仿真軟件讀/寫PLC數(shù)據(jù)

OPC Server通過Ethernet以數(shù)組的形式統(tǒng)一讀取PLC變量，仿真軟件通過OPC Server讀/寫變量時需查找出對應變量，因此需要編寫變量讀寫子程序，從數(shù)組中讀取相應變量或向相應變量內(nèi)寫值[6]。對不同類型變量的讀/寫需要不同的讀/寫子程序，圖6和圖7是對數(shù)字量讀寫子程序，通過索引數(shù)組查找變量在數(shù)組中位置，然后讀取或?qū)懭胱兞恐怠Ｔ贚abview仿真軟件中調(diào)用該讀/寫程序就可以完成對OPC Server中相應變量的讀寫。OPC Server再與PLC通訊讀出或?qū)懭胱兞勘阃瓿闪朔抡孳浖絇LC的變量傳遞，從而實現(xiàn)Labview仿真軟件與PLC的通訊。

圖6 讀取BOOL型變量子程序

圖7 寫B(tài)OOL型變量子程序

7 結(jié)論

隨著OPC的發(fā)展，越來越多的軟硬件通過OPC通訊?；贠PC的Labview軟件與PLC的通訊方法效率高、速度快，適用于存在大量變量的數(shù)據(jù)通訊。該方案已成功運用于基于Labview的抽水蓄能機組控制程序測試平臺項目，應用此通訊方法，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，效果良好。

[1]張俊彪,王鴻輝,何長安.基于OPCServer的PLC與S7-300/400的通信，[J].水電站機電技術(shù),2007,30（1）：4-5.

[2]陳 欣,王浩宇,郎 朗.基于OPC技術(shù)的上位機與西門子PLC 的通信，[J].自動化與儀器儀表,2008（1）：70-73.

[3]石靈丹,華 斌,吳 明.基于OPC技術(shù)的LabView與西門子PLC的實時通訊[J].船電技術(shù),2011,31(1):9-12.

[4]曾珞亞.基于OPC技術(shù)的PLC與LabView通信實現(xiàn)[J].微機計算機信息,2009,25(6):52-54.

[5]李紅梁.基于OPC的PC與PLC實時通訊的LabView實現(xiàn)[J].計算機應用研究,2003（12）：115-118.

[6]YANG Zhi，LU Wu-yi，XIONG Hong-yun.The Communi cation Between LabVIEW and PLC Based on OPC[J].Journal of Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，2006,36(3):36-40.

TN919

A

1672-5387（2015）S-0063-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.019

2015-10-26

王文輝（1985-），男，工程師，從事抽水蓄能電站自動化技術(shù)研究工作。