陸 晨，鄒 鯤，李春龍，舒 暢

（東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620）

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，多機(jī)械手作為從站，PC作為監(jiān)控和控制主站的模式也得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，使用PC作為上位機(jī)，其中，采用功能強(qiáng)大的LabVIEW作為采集、監(jiān)控和控制軟件，西門子的PLC和變頻器的組合作為下位機(jī)，并介紹了一種比較通用的通信方式實(shí)現(xiàn)它們間的通信，具有很強(qiáng)的應(yīng)用意義。

工業(yè)以太網(wǎng)具有極強(qiáng)的總線帶寬和節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展能力，成本低廉、開(kāi)放性好、應(yīng)用廣泛、通信速率高，因此，將其作為L(zhǎng)abVIEW與多臺(tái)PLC間的通信媒介。但鑒于不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備通信協(xié)議不同，不同的上位機(jī)與下位機(jī)間的通信需要兼容的接口，而OPC技術(shù)是工業(yè)軟件中被廣泛采用的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，以O(shè)LE/COM機(jī)制作為應(yīng)用程序，是一種客戶與服務(wù)器模式，OPC規(guī)范同時(shí)又支持TCP/IP等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[1]，可以實(shí)現(xiàn)不同廠家的設(shè)備和應(yīng)用程序間的信息交換，而LabVIEW的DSC模塊提供各大廠家OPC服務(wù)器的客戶端及其協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，同時(shí)，西門子提供工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信軟件Simatic NET，它提供的OPC Server通訊速度快，能和各種上位機(jī)軟件通信，例如：VB、VC、LabVIEW等。而對(duì)于PLC與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通信，西門子PLC設(shè)置有多點(diǎn)式MPI和分布式DP接口，分別使用MPI協(xié)議和PROFIBUS協(xié)議[2]，PROFIBUS具有更高的通信速率，其中更有主從模式PROFIBUS-DP。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)由PC、工業(yè)以太網(wǎng)、OPC服務(wù)器以及多臺(tái)機(jī)械手組成。如圖1所示，PC采集工業(yè)生產(chǎn)線的信號(hào)，可了解生產(chǎn)線運(yùn)行情況；PC端使用LabVIEW DSC模塊建立OPC客戶端，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與多臺(tái)機(jī)械手的OPC服務(wù)器通信連接，OPC服務(wù)器由Simatic NET軟件創(chuàng)建；對(duì)于機(jī)械手，由集成式ET200S系列PLC，S120變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。而機(jī)械手的數(shù)量可以通過(guò)具體生產(chǎn)線工藝流程更改。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

PC根據(jù)生產(chǎn)線的情況通過(guò)OPC服務(wù)器將電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)任務(wù)發(fā)送給PLC，PLC再通過(guò)PROFIBUS-DP總線將任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送至S120變頻器控制單元中以驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)，并且也能讀取電機(jī)軸運(yùn)行和故障狀態(tài)。

2 機(jī)械手硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于每臺(tái)機(jī)械手使用的ET200S PLC及S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均由大量功能模塊組成，本設(shè)計(jì)采用如圖2的硬件結(jié)構(gòu)。

圖2 運(yùn)輸機(jī)械手硬件框圖

ET200S集成式PLC是模塊化的， CPU模塊選用可作為主站的IM151-8F，它是一種帶安全模塊的PLC CPU模塊，使用的編程語(yǔ)言為S7-300系列，可以通過(guò)LAN接口連接至PC；插入一個(gè)DP主站，通過(guò)PROFIBUS總線連接至S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制單元CU320-2DP；加入一些輸入輸出模塊，以安裝傳感器保護(hù)機(jī)械手的安全。S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是西門子的一種變頻器，基于PROFIBUSDP通信，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，這里選用最多帶6軸的CU320-2DP的控制單元；并加入電源模塊、電機(jī)模塊及編碼器模塊，以驅(qū)動(dòng)機(jī)械手多軸控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件介紹

系統(tǒng)使用LabVIEW（帶DSC模塊）完成生產(chǎn)線信號(hào)采集和運(yùn)輸機(jī)械手監(jiān)控界面；STEP7編程軟件實(shí)現(xiàn)S7-300/400編程、軟硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和參數(shù)設(shè)置等功能；SIMATIC NET PC SOFTWARE為一些與STEP7捆綁的軟件，其中Station Configurator用于PCstation配置和通信控制站的設(shè)置，OPC SCOUT用于設(shè)置已導(dǎo)入OPC服務(wù)器的符號(hào)表，以此讓LabVIEW端的OPC客戶端能訪問(wèn)；STARTER軟件則負(fù)責(zé)對(duì)S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配置、參數(shù)設(shè)置、報(bào)文配置和電機(jī)調(diào)試等任務(wù)。西門子軟件均可于西門子官網(wǎng)下載獲得。這里，將通過(guò)這些軟件將實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分的通信實(shí)現(xiàn)，第一部分為L(zhǎng)abVIEW與運(yùn)輸機(jī)械手ET200S PLC通信實(shí)現(xiàn)；第二部分為PLC與S120驅(qū)動(dòng)間的通信實(shí)現(xiàn)。

3.2 LabVIEW與PLC通信實(shí)現(xiàn)流程

LabVIEW與PLC間的通信實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 LabVIEW與PLC通信實(shí)現(xiàn)流程圖

步驟1：在PC中配置PCstation工作站控制臺(tái)。打開(kāi)SIMATIC NET中的Station Configurator插入OPC服務(wù)器及IE通用（以太網(wǎng)），將配置映射到之后的STEP7 PCstation中。

步驟2：在Step7 SIMATIC Pcstation，根據(jù)Station Configurator中的順序加入OPC服務(wù)器與以太網(wǎng)（IE通用），在IE通用中設(shè)定好IP地址及子網(wǎng)掩碼。再插入SIMATIC 300 Station，對(duì)應(yīng)具體硬件訂貨號(hào)，在300站點(diǎn)卡槽中根據(jù)實(shí)際進(jìn)行硬件組態(tài)，插入相應(yīng)模塊，并加入PROFIBUS拓?fù)渚€，于其上掛上S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制單元CU320-2DP[3]。

步驟3：在PLC的CPU模塊中，能夠?qū)LC進(jìn)行編程，對(duì)應(yīng)程序中需要用來(lái)通過(guò)上位機(jī)LabVIEW通信讀取、寫(xiě)入的輸入輸出IO、M觸點(diǎn)、DB數(shù)據(jù)塊都需要添加到符號(hào)表中，為之后導(dǎo)入到OPC服務(wù)器中做準(zhǔn)備。完成編程后，設(shè)置PG/PC接口為TCP/IP（Auto），將整個(gè)項(xiàng)目包括組態(tài)的硬件及程序下載到PLC中。

步驟4：進(jìn)入NetPro網(wǎng)絡(luò)配置，選擇OPC服務(wù)器，對(duì)每臺(tái)機(jī)械手均插入S7連接，并分配以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地址，建立PC站點(diǎn)與運(yùn)輸機(jī)械手間的S7通信[4]，如圖4所示。

圖4 NetPro網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

步驟5：進(jìn)入OPC服務(wù)器，在S7一欄中將已組態(tài)的符號(hào)表導(dǎo)入，這樣就將需要通信的數(shù)據(jù)已符號(hào)的形式映射到OPC服務(wù)器中。之后將PG/PC接口轉(zhuǎn)成PC internal并下載PCStation。

步驟6：在LabVIEW端，為了能夠?qū)?dǎo)入到OPC服務(wù)器的通信數(shù)據(jù)鏈接至LabVIEW中，需要先后在項(xiàng)目中創(chuàng)建IO server、OPC客戶端、約束變量，其中的約束變量即為STEP7軟件中導(dǎo)入OPC服務(wù)器的符號(hào)表內(nèi)容[5]。

步驟7：最后即可在LabVIEW VI中添加共享變量，并鏈接至對(duì)應(yīng)OPC服務(wù)器中的變量數(shù)據(jù)，通過(guò)這些共享變量讀取與寫(xiě)入控制PLC中的程序

3.3 ET200S PLC與S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)

基于上述LabVIEW共享變量與PLC間的通信，這里介紹PLC如何通過(guò)S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)軸的控制。

1）使用STARTER軟件配置S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?；谇拔腟TEP7組態(tài)配置的S120驅(qū)動(dòng)CU320-2DP控制單元，在STARTER軟件中，將IP地址設(shè)備號(hào)下載至CU320-2DP單元中，將設(shè)備在線，進(jìn)行自動(dòng)配置。系統(tǒng)根據(jù)硬件自動(dòng)完成相關(guān)硬件索引，包括CU單元、選件和Servo軸等。CU單元上的端子接口可以連接電機(jī)軸的限位開(kāi)關(guān)和接近開(kāi)關(guān)，一個(gè)Servo軸對(duì)應(yīng)一個(gè)電機(jī)。對(duì)于第三方電機(jī)需離線配置，根據(jù)設(shè)備的調(diào)試手冊(cè)步驟完成配置。

完成上述配置后，最為關(guān)鍵的是配置通信報(bào)文，其為西門子公司定義的PROFIdrive行規(guī)的報(bào)文結(jié)構(gòu)，有對(duì)應(yīng)不同功能的報(bào)文庫(kù)，可以根據(jù)不同項(xiàng)目工藝使用不同報(bào)文，這里CU單元選用390報(bào)文；Servo軸選用111報(bào)文。這些報(bào)文反應(yīng)在SATRTER中是以p參數(shù)和r參數(shù)的形式展現(xiàn)，p參數(shù)為寫(xiě)參數(shù)，r為讀參數(shù)。在STARTER中，配置相應(yīng)報(bào)文，并對(duì)每個(gè)報(bào)文分配的地址映射到PLC對(duì)應(yīng)地址區(qū)，建立起通信。如圖5所示，111報(bào)文共有12個(gè)字，即24個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，地址從262至285，Input data為PLC向S120端發(fā)送數(shù)據(jù)，Output data為S120的數(shù)據(jù)反饋回PLC端。

圖5 通信報(bào)文配置

完成報(bào)文配置后，所有的p、r參數(shù)自動(dòng)連接至報(bào)文結(jié)構(gòu)中，如圖6所示為111報(bào)文的接收端報(bào)文結(jié)構(gòu)， 所有的參數(shù)已完成互聯(lián)，每一位參數(shù)位都對(duì)應(yīng)一個(gè)功能，可以從S120通信報(bào)文參數(shù)手冊(cè)中查詢。STW1、STW2為控制字，用于驅(qū)動(dòng)報(bào)文，POS_STW1、POS_STW2為參考點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)控制方式，OVERRIDE為定位速率，MDI_TARPOS為定位位置，MDI_VELOCITY為定位速度，MDI_ACC為加速度，MDI_DEC為減速度。若要完成PLC與S120的通信，只需在程序中對(duì)對(duì)應(yīng)地址的每一位寫(xiě)入相應(yīng)的值即可。

圖6 111報(bào)文接收端報(bào)文結(jié)構(gòu)

2）PLC通信程序。在STARTER中配置完報(bào)文后，需在PLC程序中寫(xiě)入報(bào)文內(nèi)容，發(fā)送給相應(yīng)S120驅(qū)動(dòng)的映射地址。編寫(xiě)程序時(shí)，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFC14、SFC15建立起PLC與S120驅(qū)動(dòng)間的報(bào)文循環(huán)通信，并輸入初始報(bào)文值47E到以262-263為地址的STW1控制中，這些地址位定義在DB1數(shù)據(jù)塊中；再對(duì)STW1輸入47F使得驅(qū)動(dòng)使能；之后根據(jù)控制軸的相關(guān)運(yùn)動(dòng)需求，如位、回零和程序段運(yùn)行等功能編寫(xiě)對(duì)應(yīng)報(bào)文內(nèi)容賦給相應(yīng)地址。所有的程序前置控制觸點(diǎn)M均由上位機(jī)LabVIEW控制，即3.2節(jié)中論述。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于OPC技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)的多機(jī)械手控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了：1）通過(guò)PC（采用LabVIEW作為上位機(jī)軟件），采用共享變量的形式對(duì)PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控及控制的目的。2）PLC發(fā)送通信報(bào)文對(duì)S120驅(qū)動(dòng)的伺服軸進(jìn)行控制。最終實(shí)現(xiàn)LabVIEW與多機(jī)械手各軸間的通信控制。該系統(tǒng)軟硬件可靠性高，高度模塊化，靈活性強(qiáng)，又加入了OPC技術(shù)，使得第三方的上位機(jī)軟件能夠應(yīng)用于該系統(tǒng)，適用于各種工業(yè)自動(dòng)化通信項(xiàng)目。

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