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        LabVIEW與S7-300 PLC的通信實(shí)現(xiàn)方式

        2019-04-25 00:13:22王樂平張春

        王樂平 張春

        摘?要:為了實(shí)現(xiàn)PC機(jī)(上位機(jī))對PLC的實(shí)時監(jiān)測與數(shù)據(jù)的獲取,本文介紹了一種基于 NI OPC Server 的通訊方式。建立虛擬儀器LabVIEW與PLC運(yùn)用工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時通信系統(tǒng),利用LabVIEW本身集成的TCP/IP協(xié)議與西門子S7-300 PLC的通訊模塊(CP 343-1 Lean)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和 S7-300 PLC 的以太網(wǎng)通訊。使得上位機(jī)可以通過以太網(wǎng)從PLC中獲取各階段狀態(tài)信息,該方法能夠在測試數(shù)據(jù)的現(xiàn)場通信中運(yùn)用,具有較好的項(xiàng)目實(shí)用價值。

        關(guān)鍵詞:OPC Server;LabVIEW; PLC通信;PLC監(jiān)測

        中圖分類號:TP273?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A?文章編號:2095-8153(2019)01-0063-05

        0?引言

        隨著工業(yè)的發(fā)展,對零部件生產(chǎn)工藝技術(shù)的要求也越來越高,生產(chǎn)中對各零部件的生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)控就尤為重要,所以現(xiàn)在由PC與PLC所組成的控制系統(tǒng)運(yùn)用得越來越廣泛。LabVIEW與PLC結(jié)合,可以搭建出分散且開放的現(xiàn)代智能工業(yè)控制系統(tǒng)。因?yàn)長abVIEW使用的是圖形化編程語言G語言,可以把復(fù)雜費(fèi)時的計(jì)算機(jī)語言程序簡化成菜單或圖形的形式進(jìn)行編程,從而提高編程效率。又因?yàn)槠渚哂胸S富的圖形界面模塊、虛擬儀表、數(shù)值分析模塊、數(shù)字信號處理模塊,運(yùn)用LabVIEW可以將復(fù)雜算法交給電腦完成減輕PLC的負(fù)擔(dān),提高整個控制系統(tǒng)響應(yīng)速度。并且LabVIEW編程簡單便于現(xiàn)場工作人員的二次開發(fā)。本文以S7-300 PLC為背景介紹如何使用LabVIEW通過以太網(wǎng)對S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控[1][2]。

        1?基于NI OPC Servers技術(shù)通信方案設(shè)計(jì)

        1.1系統(tǒng)軟件與硬件設(shè)計(jì)

        軟件系統(tǒng):LabVIEW 2014,SIMATIC Step 7 V5.5,Windows XP(sp3以上),OPC Server。其中OPC Server 用于對 OPC ( OLE for Process Control ) 進(jìn)行組態(tài);LabVIEW 2014 用于編寫PC機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序;SIMATIC Step 7 V5.5用于西門子S7-300 PLC的編程。

        硬件系統(tǒng):西門子S7-300 PLC (CPU-314),AI/AO(模擬量輸入/輸出)模塊,DI/DO(數(shù)字量輸入/輸出)模塊,存儲器以及編程線纜。PC 機(jī),網(wǎng)線,網(wǎng)卡。通信系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

        1.2 基于 OPC 技術(shù)的PC與西門子S7-300 PLC數(shù)據(jù)通信

        因?yàn)長abVIEW不能直接識別與讀取PLC中的數(shù)據(jù),所以需要將PLC中的數(shù)據(jù)上載到OPC服務(wù)器中。并由OPC Server將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為LabVIEW可以識別的數(shù)據(jù)形式,之后再由LabVIEW調(diào)用轉(zhuǎn)化之后的數(shù)據(jù)來進(jìn)行監(jiān)控。這種方式有很強(qiáng)的通用性。NI公司的OPC Server 可以為大多數(shù)PLC廠商提供驅(qū)動程序,生產(chǎn)廠商只需要提供PLC的OPC服務(wù)器就可以實(shí)現(xiàn)LabVIEW與任意PLC的連接,因此省去了許多編寫底層驅(qū)動的工作,提高了編程效率[3]。

        基于OPC技術(shù)的PC與西門子S7-300 PLC(CP 343-1 Lean)數(shù)據(jù)通信,從硬件上來說是通過網(wǎng)線連接PC與PLC,不需要增加其他硬件設(shè)施,只需要在SIMATIC Step 7上進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置編程并下載入PLC中實(shí)現(xiàn)連接[4]。

        從軟件上講,NI OPC Servers 在配置完之后,可以運(yùn)用以下四種方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信:OPC Server Client、共享變量方式、NI 分布式系統(tǒng)管理器以及Datasocket 數(shù)據(jù)綁定方式,如圖2所示。

        但后三種方式一般適用于和較少量點(diǎn)數(shù)的OPC標(biāo)簽連接,因?yàn)樵贚abVIEW中添加For循環(huán)命令讀寫或編寫多段重復(fù)代碼時,當(dāng)點(diǎn)數(shù)增多會使讀寫速度降低導(dǎo)致執(zhí)行效率降低,不利于通信實(shí)時性,使得維護(hù)困難,因此本文選用第一種方式來實(shí)現(xiàn)。

        這樣PC機(jī)與PLC實(shí)時通信就需要解決兩個問題:一個是如何建立OPC服務(wù)器里數(shù)據(jù)與西門子PLC中變量地址的逐一對應(yīng)關(guān)系;第二個是LabVIEW的監(jiān)控程序如何訪問服務(wù)器里的數(shù)據(jù)[5]。

        2?通信實(shí)現(xiàn)

        2.1 西門子PLC以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)

        為了實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與西門子S7-300型號 PLC進(jìn)行通信,西門子公司S7-300型號的PLC提供了三種以太網(wǎng)通信模塊分別是:CP 343-1 Lean;CP 343-1;CP 343-1 Advanced,其自帶處理器,可獨(dú)立處理數(shù)據(jù)的擁塞問題,解除CPU通信任務(wù)。出于成本以及實(shí)際運(yùn)用場合考慮本文監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信模塊是CP 343-1 Lean(型號 6GK7 343-1CX10-0XE0)。用以太網(wǎng)通信方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,需要在SIMATIC Step 7 V5.5中進(jìn)行相應(yīng)配置并下載進(jìn)PLC中,如圖3所示。要注意的是以太網(wǎng)址要和PC機(jī)在同一個網(wǎng)段內(nèi),IP 的地址格式為:xxx. xxx. xxx. xxx[6]。

        2.2 NI OPC Server組態(tài)

        在PC機(jī)(上位機(jī))上建立OPC服務(wù)器,通過以太網(wǎng)建立OPC Server與PLC之間的映像關(guān)系,其關(guān)鍵步驟為:

        (1)運(yùn)行NI OPC Server程序,并在其中添加通道與設(shè)備信息并且添加上PLC中變量的相映射標(biāo)簽;(2)配置通道用的是以太網(wǎng)通信,在設(shè)備驅(qū)動中選擇SiemensTCP/IP Ethernet,其他均設(shè)為默認(rèn)項(xiàng);(3)創(chuàng)建新設(shè)備,配置設(shè)備信息,在設(shè)備模式(Device model)列表里選擇S7-300 PLC。注意在設(shè)備地址(Device ID)中輸入的IP地址一定要與2.1節(jié)中PLC的IP地址一致,否則無法正常通信;(4)設(shè)置與PLC中變量綁定的標(biāo)簽變量,輸入變量名稱以及PLC中的對應(yīng)變量的變量地址。這樣標(biāo)簽變量就通過地址與PLC中的地址變量一一綁定了,過程如圖4所示[7][8]。

        需要注意一點(diǎn),PLC與LabVIEW中對數(shù)據(jù)類型的定義稍有不同,如圖4(c)中DataTyp所示內(nèi)容。在設(shè)定變量數(shù)據(jù)的類型與訪問模式(讀,寫,讀/寫)時,要選取與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。否則會影響后續(xù)的編程,其對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

        2.3 利用LabVIEW DSC模塊實(shí)現(xiàn)對OPC Server的訪問

        NI公司設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控(DSC)模塊,是專門用于分布式數(shù)據(jù)的獲取與監(jiān)控的。它可以快速地與OPC Server進(jìn)行通信并生成自己的OPC Server。使用LabVIEW DSC模塊的主要優(yōu)勢在于LabVIEW可以與DSC模塊無縫集成。對比一般的分布式數(shù)據(jù)獲取與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA),它有更好的數(shù)據(jù)處理及分析能力且便于編程。

        DSC模塊通過引用圖4(c)中的約束變量與OPC標(biāo)簽連接,連接好后可以使約束變量通過工業(yè)以太網(wǎng)與PC機(jī)中OPC標(biāo)簽綁定。完成OPC標(biāo)簽綁定后,在LabVIEW中建立約束變量實(shí)現(xiàn)對OPC標(biāo)簽的訪問。其步驟是:(1)LabVIEW中創(chuàng)建項(xiàng)目,新建I/O Server,在類型中選擇OPC Client,配置并選擇LabVIEW要連的OPC Server,從而實(shí)現(xiàn)對OPC Server訪問。(2)創(chuàng)建庫(Library)添加其約束變量與I/O Server中OPC標(biāo)簽綁定,約束變量就通過NI OPC Server與PLC中的變量進(jìn)行了綁定。(3)綁定之后將其直接拖拽入LabVIEW 的新建的VI中,約束變量就與普通變量一樣可以在LabVIEW中進(jìn)行編程操作[9]。如圖5所示。

        通過新建VI進(jìn)行編程,初步建立監(jiān)控界面并測試通信是否成功。監(jiān)控界面如圖6所示[10]。

        對各階段數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集并保存如表2所示。

        通過試驗(yàn)證明,該方式構(gòu)建的系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)對各階段數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及采集。

        3?結(jié)語

        本文介紹了如何使用LabVIEW通過OPC通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與S7-300 PLC的實(shí)時通信。給出了實(shí)現(xiàn)方式的主要步驟并闡述了基本原理。該方法成功實(shí)現(xiàn)了對某液壓機(jī)的通信,PC與PLC之間通信良好。后期可通過對LabVIEW進(jìn)行編程,改進(jìn)監(jiān)控界面,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控界面的人性化及美觀的需求。該方法成功實(shí)現(xiàn)了對某壓機(jī)的實(shí)時工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和各階段數(shù)據(jù)的導(dǎo)出,有利于以后的試驗(yàn)研究工作。該方法方便、快捷、可靠,對各類型PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)均適用,具有較高的推廣價值。

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