基金項目：江蘇航運職業(yè)技術學院科技科研類項目；項目名稱：無線數(shù)傳電臺在門機遠程監(jiān)控系統(tǒng)中應用研究；項目編號：HYKY/2019B04。

作者簡介：夏長鳳（1970— ），女，副教授，碩士；研究方向：機電工程。

摘要：文章使用LabVIEW進行上位機軟件開發(fā)，在 LabVIEW中采用OPC技術與PLC進行通信實現(xiàn)控制，完成了對汽車踏板疲勞測試裝置試驗過程的實時監(jiān)測和控制。實際運行結果證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠對疲勞測試裝置進行控制，實時采集、監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)，導出數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)報警等任務。

關鍵詞：LabVIEW；OPC；PC Access；Smart PLC

中圖分類號：TP271.4" 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展和人們對美好生活的追求，許多人選擇汽車作為代步工具。在消費者考慮汽車性能指標時，首先考慮的是汽車的操控性、舒適性和安全性。年輕消費者越來越喜歡SUV車型，而踏板作為SUV車型的重要組成部分之一，其選擇也顯得越來越重要。新型材質的踏板是一種高品質的選擇，不僅為汽車增添一份豪華感，還提供了卓越的駕駛體驗。同時，它還能提高踏板的安全耐用性能。因此，踏板的抗撞擊和安全性能的優(yōu)異表現(xiàn)，不僅能帶來良好的使用效果，還能有效地保護車輛底部，減少損壞。在確保踏板安全性能時，踏板性能的抽檢測試是必不可少的環(huán)節(jié)。經(jīng)過數(shù)十萬次的沖壓帶載實驗，才能確保踏板的安全性能。本文主要研究內容是汽車踏板疲勞測試裝置的控制系統(tǒng)。

1" 汽車踏板疲勞測試控制系統(tǒng)方案

汽車踏板疲勞測試裝置采用電缸帶動壓頭，以速度V施加垂直向下的壓力F于實驗產(chǎn)品，持續(xù)時間t，壓頭固定在電缸上方，而后返回初始位置，此為一次循環(huán)。通過N次的循環(huán)試驗，如果實驗產(chǎn)品未損壞，則證明產(chǎn)品質量合格；若損壞，則質量不合格。其中，F(xiàn)、t、V、N均為可調節(jié)參數(shù)。在測試過程中，實時監(jiān)控并顯示力-時間曲線，記錄已經(jīng)進行的循環(huán)次數(shù)。整個控制程序通過LabVIEW和PLC來實現(xiàn)，參數(shù)的設置、測試、顯示由LabVIEW以及NI采集卡完成，電缸的控制由PLC實現(xiàn)。本系統(tǒng)可同時控制3臺施力設備，即可同時進行3個樣品的實驗，互不干擾。其疲勞試驗裝置結構如圖1所示。電缸底部配備壓力傳感器，傳感器通過連接桿連接壓頭，壓頭對實驗樣品施加作用力，壓力經(jīng)傳感器傳至PLC和NI采集卡，通過程序顯示出來。測試過程確保實驗產(chǎn)品受到足夠的沖擊載荷，模擬駕乘人員多次踩踏，以檢測測試效果。

測試裝置控制系統(tǒng)主要采用LabVIEW二次開發(fā)程序作為上位機控制程序，通過OPC服務器與西門子S7-200SMART可編程序控制器進行數(shù)據(jù)交換，控制現(xiàn)場設備，滿足控制功能，其控制流程如圖2所示。

2" OPC技術

OPC技術源自微軟的構件對象模型（Component Object Model，COM）技術，通過定義一組標準接口和規(guī)范，使得不同的設備和系統(tǒng)能夠以統(tǒng)一的方式進行數(shù)據(jù)交換。在這套技術中，核心要素包括OPC服務器和OPC客戶端。OPC服務器作為橋梁，與設備和系統(tǒng)進行通信，從中采集數(shù)據(jù)，提供給OPC客戶端。而OPC客戶端的職責在于與OPC服務器建立連接，獲取數(shù)據(jù)，進行處理和分析。

OPC技術的優(yōu)勢在于其具有開放性和跨平臺性［1］ 。另外，OPC技術還支持多種通信協(xié)議，以滿足不同應用場景的需求?？梢詫崿F(xiàn)不同設備和系統(tǒng)之間的無縫集成，無論是在同一工廠中的不同設備，還是在不同工廠之間的系統(tǒng)集成。

3" LabVIEW和LabVIEW DSC模塊

LabVIEW最初的研發(fā)目的在于測量。市面上大多數(shù)的測量儀器和數(shù)據(jù)采集設備都支持LabVIEW軟件進行二次開發(fā)。而LabVIEW軟件內置了豐富的測量領域工具包，這些工具包幾乎涵蓋了測量領域所需功能［2］。

LabVIEWDSC模塊包括數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控功能，能輕松與OPC Server通信，而且還具備生成自己的OPC Server的能力。LabVIEW DSC通過引用共享變量與OPC標簽進行連接。這些共享變量可以與本地OPC標簽綁定。一旦完成綁定，這些共享變量就可以像普通變量一樣進行操作。當需要讀取OPC服務器提供的數(shù)值時，可以直接將共享變量拖到軟件程序框前面板綁定運行，也可以拖到軟件程序框后面板以變量的形式進行編程。而在變量比較多的情況下，可以使用DSC模塊提供的事件方法進行編程。采用事件驅動方法，程序無需持續(xù)讀取OPC標簽值，只有OPC標簽值變化時才觸發(fā)相應的處理程序。無論Library中的共享變量有多少，都可以將OPC標簽值存儲到同一數(shù)組中，通過對該數(shù)組進行索引來獲取相應的變量值。這種方法效率高且實時性強。

4" LabVIEW和PLC通信

LabVIEW與PLC之間的通信通常涉及3種方式。（1）Modbus通信。Modbus是一種通信協(xié)議，被廣泛應用于PLC和計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸。借助LabVIEW提供的Modbus庫函數(shù)，可以輕松地建立通信連接，讀取和寫入PLC的寄存器數(shù)據(jù)。（2）OPC通信。LabVIEW通過OPC服務器與PLC通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入。利用LabVIEW的OPC工具包，建立OPC客戶端，與PLC進行通信并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制。（3）TCP/IP通信。TCP/IP是一種常用的網(wǎng)絡通信協(xié)議。本文采用OPC通信。

LabVIEW與PLC之間采用OPC通信的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下3個方面：（1）在實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控方面出色。（2）在控制與調試方面具備高效性。借助于LabVIEW圖形化的編程環(huán)境，工程師能夠輕松地對PLC程序進行修改和調試，從而提高工作效率和調試的準確性。（3）該通信方式還能靈活集成不同廠家、不同類型的PLC系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這為工業(yè)自動化系統(tǒng)的設計提供了更大的靈活性和擴展性，同時降低了系統(tǒng)集成的難度和成本。

本文運用LabVIEW DSC模塊，通過OPC 技術與S7-200SMART型PLC進行數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測各項參數(shù)并實現(xiàn)多種控制功能。在LabVIEW中，創(chuàng)建一個新的項目，添加DSC模塊。在項目中，創(chuàng)建一個全新的數(shù)據(jù)通道和PLC進行通信。配置通道的各項參數(shù)，包括PLC的IP地址和端口號等。在S7-200 PC Access SMART軟件中創(chuàng)建一個新的項目，添加PLC設備。在輸入PLC的IP地址和端口號后，保存配置。在LabVIEW中，使用DSC模塊的函數(shù)庫，編寫相應的代碼，實現(xiàn)與PLC的通信，運用庫函數(shù)讀取PLC的輸入、輸出狀態(tài)以及進行數(shù)據(jù)寫入等操作。在S7-200 PC Access SMART軟件中，設置PLC的變量和標簽，以便LabVIEW能夠進行讀取和寫入。務必確保變量的訪問權限設置正確，與LabVIEW中的通道對應。

在上位機Windows平臺上，用LabVIEW2018版進行程序編寫及界面設計。通過OPC服務器與西門子S7-200SMART PLC進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和保存。NI公司數(shù)據(jù)采集卡將被用于采集電缸壓頭壓力值，實時監(jiān)測擠壓過程中壓力及擠壓速度等狀態(tài)參數(shù)，以達到數(shù)據(jù)采集和顯示的目的。下位機是西門子S7-200SMART" PLC，通過高速脈沖輸出模塊、模擬量輸入、輸出模塊，控制電缸壓頭往返運動，檢測電缸壓頭壓力、電缸壓頭的位移等數(shù)據(jù)。模擬量輸入模塊將實時接收并轉換位移和壓力等傳感器的數(shù)據(jù)，傳送至CPU寄存器中，完成數(shù)據(jù)采集工作。此外，S7-200SMART PLC通過數(shù)字輸出模塊發(fā)送控制指令給伺服電機及其他控制元件。為了實現(xiàn)實時通信的效果，必須設置合適的掃描頻率，如果掃描速率過低，則達不到監(jiān)測的實際需求［3］。

5" 系統(tǒng)軟件設計

5.1" OPC服務器寄存器地址設置

Siemens公司推出的S7-200 PC Access Smart軟件，是一種專門為Smart 型PLC服務的OPC服務器軟件，可以通過OPC技術建立連接。PC Access 軟件附帶了一個OPC測試客戶端，方便檢測通信質量及配置是否正確［4-5］。配置PC Access OPC Server時，需要打開本地連接，將計算機的IP地址和PLC的IP地址設置在同一個網(wǎng)段。PLC地址為192.168.1.165，電腦的IP地址為192.168.1.1，通過cmd輸入命令：ping 192.168.1.165的PLC的IP地址，測試連接是否成功。打開西門子STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件，點擊項目、通信、查找CPU。當找到正確的CPU地址，如192.168.1.165時，點擊確定。點擊運行，使得PLC處于運行狀態(tài)。打開S7-200 PC Access SMART，右擊選擇網(wǎng)絡接口卡，選擇正確的網(wǎng)卡。新建PLC后，選擇查找PLC。當找到PLC時，如IP地址為192.168.1.165時，點擊確定按鈕。在右測點擊鼠標右鍵，選擇新建條目。在條目屬性中輸入名稱需要訪問PLC的寄存器名稱、訪問方式（讀或寫）、數(shù)據(jù)類型（Byte）以及工程單位上下限等信息。完成新建條目后，點擊保存，將新建的條目拖到下方測試客戶端。當測試客戶端的質量顯示“良好”，證明新建條目連接OK，具體寄存器如圖3所示。

5.2" LabVIEW監(jiān)控界面設計

新建VI，打開前面板進行設計。監(jiān)控畫面包括1個三通道的受力監(jiān)控畫面以及3個通道的監(jiān)控畫面。這些畫面包括手動模式和自動模式，還包括參數(shù)設置和采集數(shù)據(jù)顯示4個部分。在手動模式中，監(jiān)控畫面包括壓頭上升和下降按鈕，還有位移顯示和位置清零功能以及壓力校正按鈕。而參數(shù)設置部分包括設定壓力、設定速度、保壓時間、間隔時間、循環(huán)次數(shù)、剩余次數(shù)等選項。自動模式部分包括循環(huán)次數(shù)清零復位、啟動、暫停、停止等按鈕。

在選擇數(shù)值型控件后，點擊屬性-數(shù)據(jù)綁定。數(shù)據(jù)綁定選擇Data socket，訪問類型可讀、可寫，在彈出的URL中，選擇已經(jīng)在西門子OPC中編輯好的條目，如圖4所示。

程序框圖包括各種設置參數(shù)和顯示參數(shù)的布爾元件，還有壓力檢測顯示程序等。

5.3" PLC程序設計

本文選擇選擇西門子S7-200SMART PLC，CPU為ST30 作為系統(tǒng)控制裝置，配置了4路模擬量輸入模塊。通過傳感器、壓力變送器將3個通道的壓力檢測信號送到NI采集卡和PLC模擬量輸入模塊。高頻脈沖信號被發(fā)送到步進驅動器，以控制三組壓頭的上下運動，這些運動由伺服電機完成。

在主程序中，操作人員首先設置初始值，進行相關操作。程序判斷每個壓頭是否需要運行，控制伺服電機運行，控制流程如圖5左圖所示。主程序中包括3個子程序，3個子程序分別控制3個通道。在每個通道中，壓頭首先回原點，然后快速下降，一旦檢測到壓力信號，壓頭減速下降。當壓力達到設定值時，壓頭停止運行，進行保壓，在保壓時間達到設定的保壓值時，判斷循環(huán)次數(shù)。如果循環(huán)次數(shù)尚未達到預定值，壓頭繼續(xù)回原點并進行下壓實驗，直到完成循環(huán)次數(shù)，壓頭停止運行。單個通道壓頭程序控制流程如圖5右圖所示。

主程序采用MAN指令控制伺服電機的運行，以一通道為例，手動控制模式由M1.0和M1.1控制，自動控制M11.2電機速度由VD2000控制，原點位置由M1.2控制，控制程序如圖6所示。

6" 結語

基于LabVIEW和OPC汽車踏板疲勞測試控制系統(tǒng)實現(xiàn)了壓頭的循環(huán)控制并保證施加的壓力滿足要求，完成疲勞測試相關功能。設備投入使用后，功能齊全，性能良好，運行穩(wěn)定可靠，能實時在線監(jiān)測設備運行狀態(tài)，具有良好的應用價值。

參考文獻

［1］王平，李汝鵬，邢宏文.基于OPC技術的飛機自動化裝配生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集［J］.科技創(chuàng)新與應用，2021（20）：7-9，13.

［2］李浩.基于LabVIEW的智能溫室環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究［D］.濟南：山東農(nóng)業(yè)大學，2023.

［3］王樂平，張春.基于LabVIEW和S7-300 PLC的液壓機監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報，2018（4）：55-59.

［4］廖常初.“S7-200 SMART PLC”講座第10講：基于PC Access SMART的OPC通信［J］.電世界，2016（3）：34-36.

［5］羅賢明，郭杰，喬宇.基于網(wǎng)絡OPC技術的西門子PLC與計算機通信［J］.內江科技，2019（8）：22.

（編輯" 王永超）

Research on fatigue testing and control system for automotive pedals based on LabVIEW and OPCXIA" Changfeng

（School of Transportation Engineering， Jiangsu Shipping College， Nantong 226010， China）

Abstract：" This article uses LabVIEW to develop upper computer software， and uses OPC technology and PLC to communicate and control in LabVIEW， completing real-time monitoring and control of the testing process of car pedal fatigue testing equipment. The actual operation results have proven that the system operates stably and reliably， and can control the fatigue testing device， collect and monitor pressure data in real time， export data， and perform tasks such as system alarms.

Key words： LabVIEW; OPC; PC Access; Smart PLC