夏璐杰, 孫首群, 盧華陽

(1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

基于OPC與PLC的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的研究

夏璐杰1, 孫首群1, 盧華陽2

(1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

傳統(tǒng)工業(yè)控制領(lǐng)域缺乏便攜的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)，無法滿足日益增長(zhǎng)的智能自動(dòng)化需求。針對(duì)這種情況，提出了一種基于LabVIEW的遠(yuǎn)程無線監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用NI OPC、DSC等模塊，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備的以太網(wǎng)通信；采用共享變量和WiFi通信的方法，進(jìn)行以IPad為客戶端的遠(yuǎn)程通信，并最終實(shí)現(xiàn)了IPad監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備的目的。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，便于升級(jí)和維護(hù)，滿足了移動(dòng)監(jiān)控軟件對(duì)兼容性、實(shí)時(shí)性和安全性方面的要求，為傳統(tǒng)工廠的升級(jí)改造提供借鑒。

智能； 遠(yuǎn)程監(jiān)視； OPC技術(shù)； 實(shí)時(shí)通信； LabVIEW； 局域網(wǎng)； 虛擬儀器； 上位機(jī)； PLC

0 引言

近年來，隨著可移動(dòng)終端電子設(shè)備的高速發(fā)展，智慧型手機(jī)和平板式計(jì)算機(jī)的全球銷量已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的筆記本計(jì)算機(jī)和臺(tái)式計(jì)算機(jī)?；趇OS系統(tǒng)的智能終端憑借其先進(jìn)的硬件、完善的軟件架構(gòu)和良好的應(yīng)用生態(tài)環(huán)境，受到各大軟件巨頭的追捧。美國國家儀器公司(NI)憑借其敏銳的觀察力，開發(fā)了儀器儀表數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。工程師們可以采用這個(gè)應(yīng)用程序，建立一個(gè)便攜式的LabVIEW應(yīng)用程序接口；通過移動(dòng)技術(shù)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，創(chuàng)建一個(gè)高度可移植的、便攜的互聯(lián)測(cè)量系統(tǒng)，使其能夠在更多場(chǎng)合進(jìn)行測(cè)量。

可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)以其穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)和研發(fā)時(shí)間短等優(yōu)良特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，是現(xiàn)代控制及自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分[1-6]。在我國的工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC產(chǎn)品憑借其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)和眾多的可選可擴(kuò)展延伸模塊，占有了極高的市場(chǎng)份額。

本文以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，使用OPC技術(shù)和西門子S7-300進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并通過Data Dashboard客戶端實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)內(nèi)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的目的。該系統(tǒng)很好地結(jié)合了虛擬儀器(virtual instrument, VI)技術(shù)與PLC技術(shù)，并緊跟時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，建立了一套具有良好人機(jī)界面且性能穩(wěn)定的遠(yuǎn)程無線監(jiān)視系統(tǒng)。

1 測(cè)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 硬件配置

系統(tǒng)硬件配置包括PC、IPad、無線路由器、CPU314C-2DP處理器模塊、CP343-1通信塊等。其中，CP343-1模塊可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC與現(xiàn)場(chǎng)PLC的工業(yè)以太網(wǎng)通信，無線路由器可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC與IPad的局域網(wǎng)通信。

1.2 軟件配置

LabVIEW 2014為上位機(jī)編程軟件；LabVIEW 2013 DSC模塊為用戶提供數(shù)據(jù)技術(shù)且支持基于OPC技術(shù)的接入，方便建立全面的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、多通道數(shù)據(jù)檔案；NI OPC Services 2013為組態(tài)OPC服務(wù)器，在上位機(jī)上通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC建立OPC服務(wù)；西門子SIMATIC STEP 7 V5.5用于西門子PLC的硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、通信配置；Data Dashboard為IPad編程軟件。

1.3 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備為綠色帶燈按鈕，將PLC作為下位機(jī)完成數(shù)據(jù)采集功能，將LabVIEW應(yīng)用程序設(shè)置為上位機(jī)的程序軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、顯示、處理加工及通信。IPad作為最終客戶端，與操作人員完成交互體驗(yàn)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)控人員按下綠色帶燈按鈕，便會(huì)將電流信號(hào)輸入給下位機(jī)PLC的DI模塊，PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)總線將數(shù)據(jù)輸送到上位機(jī)。以LabVIEW為基礎(chǔ)研發(fā)的上位機(jī)通信軟件，利用DataSocket技術(shù)手段對(duì)OPC服務(wù)器進(jìn)行訪問，從而讀取該布爾量，然后發(fā)布共享變量到以太網(wǎng)?；赥CP/IP協(xié)議，IPad可通過路由器訪問上位機(jī)的IP地址得到該布爾量，從而將數(shù)據(jù)顯示在智能設(shè)備用戶界面(UI)，呈現(xiàn)給操作人員。

2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 LabVIEW與PLC的數(shù)據(jù)通信

OPC通信技術(shù)是一種基于Windows NT的通信串口延伸技術(shù)，其原理是：OPC Client通過標(biāo)準(zhǔn)的、開放化的通信手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC Server的通信訪問。通過OPC規(guī)范制定的標(biāo)準(zhǔn)化接口，為不同廠商研發(fā)的軟硬件設(shè)備的集成與開發(fā)提供便利。在第三方硬件的使用方面，只要硬件開發(fā)服務(wù)商提供OPC服務(wù)器，程序開發(fā)人員就無需編寫底層驅(qū)動(dòng)，而是能夠利用用戶軟件的OPC Client 來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互操作[7]。

該系統(tǒng)采用LabVIEW DSC模塊與PLC通信[8-13]，并通過I/O 服務(wù)器公布共享變量，易于監(jiān)控程序和其他組件訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

(1)PLC硬件組態(tài)與配置。

啟動(dòng)西門子SIMATIC Manager軟件，選擇與所需項(xiàng)目匹配中的CPU處理器類型站點(diǎn)。選中SIMATIC300站點(diǎn)，打開Hardware，啟動(dòng)HWConfig應(yīng)用程序，對(duì)計(jì)算機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在硬件目錄的窗口中，進(jìn)行所需模塊的選擇。

硬件組態(tài)全部完成后，進(jìn)行編譯保存操作，并下載保存至現(xiàn)場(chǎng)CPU模塊中。該測(cè)試系統(tǒng)的PLC硬件組態(tài)由CPU314-2DP與CP343-1組成。選擇CP343模塊，進(jìn)行以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)編輯，設(shè)置IP地址為192.168.0.2，完成NetPro網(wǎng)絡(luò)配置。

(2)實(shí)現(xiàn)西門子PLC和NI OPC服務(wù)器的通信。

基于NI OPC服務(wù)器技術(shù)手段來完成個(gè)人計(jì)算機(jī)與西門子PLC之間的通信，其操作重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和客戶端端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系并完成通信連接。這其中包括上位機(jī)軟件如何完成對(duì)OPC服務(wù)器的訪問。具體操作步驟如下。

①新建通道，配置通道信息。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)下拉列表中選擇SiemensTCP/IP Ethernet，其他參數(shù)選擇默認(rèn)即可。

②新建設(shè)備，配置設(shè)備信息。在 Device model 下拉列表中選擇 S7-300，在Device ID中輸入與PLC一致的IP地址(192.168.0.2)。

③設(shè)置與PLC中變量綁定的標(biāo)簽變量。首先把標(biāo)簽變量的名稱輸入指定位置，然后輸入與該變量相對(duì)應(yīng)匹配的地址(該地址已經(jīng)在PLC組態(tài)中設(shè)置完成)，接著對(duì)該標(biāo)簽變量的屬性進(jìn)行設(shè)置，最終以地址的方式對(duì)其與PLC中的變量進(jìn)行綁定。本測(cè)試系統(tǒng)中，須設(shè)置的通信變量為開關(guān)量，數(shù)據(jù)類型是布爾型。NI OPC Server與LabVIEW數(shù)據(jù)類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

(3)通過LabVIEW DSC模塊訪問OPC Server。

目前，有三種方法能夠?qū)崿F(xiàn)LabVIEW對(duì)OPC服務(wù)器的訪問，但其中兩種方法由于受點(diǎn)數(shù)的增多而減緩讀寫速度，易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定且不利于維護(hù)，因此建議使用內(nèi)置的DSC模塊與OPC服務(wù)器通信的機(jī)制。該方法具備編程方便且程序大小不受限制的優(yōu)點(diǎn)。

表1 NI OPC Server 與LabVIEW 數(shù)據(jù)類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過引用約束變量與OPC標(biāo)簽連接的方法，LabVIEW 2013 DSC模塊就可以使約束變量與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的OPC標(biāo)簽進(jìn)行綁定。完成綁定后，LabVIEW就可像使用普通變量一樣對(duì)約束變量進(jìn)行讀寫操作。

在OPC標(biāo)簽設(shè)置完成后，可以通過創(chuàng)建約束變量來實(shí)現(xiàn)訪問OPC標(biāo)簽值的目的，其具體操作方法如下。

①在新建的項(xiàng)目中創(chuàng)建一個(gè)I/O Server，然后在窗口界面中選擇OPC Client條目，接著在OPC Client I/O界面中選擇National Instruments.NI OPC Servers.V5條目，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC Server的訪問。

②在plc.Lvlib庫中建立約束變量，并與I/O服務(wù)器中所羅列出的OPC標(biāo)簽條目進(jìn)行捆綁，完成后約束變量在本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了與可編程邏輯控制器中變量的綁定。然后，程序員便能夠像使用普通變量一樣，將約束變量放到同一VI中進(jìn)行讀與寫的操作。

2.2 LabVIEW與IPad之間的通信

Data Dashboard for LabVIEW是一個(gè)運(yùn)行在智能手機(jī)和平板計(jì)算機(jī)上的瘦客戶端應(yīng)用程序。它可以利用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的共享變量來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀與寫操作。在這一過程中，最簡(jiǎn)單的方式是增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的共享變量至LabVIEW VI中。使用共享變量后，就可以在單一程序圖的不同循環(huán)中共用資料，也可以通過網(wǎng)絡(luò)在不同的 VI 之間共享資料。使用屬性對(duì)話框即可在編輯時(shí)間內(nèi)設(shè)定變量，而且應(yīng)用程序也不需要設(shè)定程序碼。 IPad通過WiFi連接路由器(上位機(jī)PC已連接在路由器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，IP地址為10.25.162.217)。打開Dashboard，進(jìn)入編輯好的UI界面，點(diǎn)擊需要關(guān)聯(lián)的變量，本測(cè)試系統(tǒng)關(guān)聯(lián)indicators中LED和String控件。界面設(shè)置完成后，在LabVIEW程序中建立一個(gè)新的VI，然后依據(jù)工程需要在VI中編寫能滿足要求的程序框圖。

3 測(cè)試分析

系統(tǒng)測(cè)試主要包括連接功能驗(yàn)證和通信功能驗(yàn)證兩方面內(nèi)容。在此測(cè)試環(huán)境中，PLC與LabVIEW之間采用NI OPC Servers的通信方法。在NI OPC Servers中點(diǎn)擊Tools中的Launch OPC Quick Client，當(dāng)cpu314.cp343中的cpu314.cp343.Q Green Light Button的Quality為Good時(shí)，則通信正常。LabVIEW與IPad的通信，只要配置好上位機(jī)的IP地址(Windouws cmd中的ipconfig指令查詢服務(wù)器IP)，并運(yùn)行Data Dashboard中自定義的UI即可驗(yàn)證。若系統(tǒng)無報(bào)錯(cuò)，則通信正常。

4 結(jié)束語

本文基于iOS技術(shù)平臺(tái)、LabVIEW軟件和PLC控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于移動(dòng)平臺(tái)的PLC監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠給在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的PLC提供更好的人機(jī)界面及更強(qiáng)的控制決策能力，也為一些生產(chǎn)企業(yè)在“工業(yè)4.0”時(shí)代的產(chǎn)線改造提供了一種新思路。

[1] 陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW 寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[2] 劉小麗,張曉光.基于LabVIEW的 S7-300PLC與PC機(jī)的串口通信[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011(5):100-102.

[3] 熊健,余飛,張昌漢,等.基于PLC的清洗提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015(5):52-54.

[4] 王文輝.基于OPC的LabVIEW仿真軟件與PLC通信實(shí)現(xiàn)[J].水電站機(jī)電技術(shù),2015(B12):63-65.

[5] 喬俊飛,韓紅桂,張穎,等.基于LabVIEW的污水處理過程動(dòng)態(tài)仿真研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008,29(4):879-882.

[6] 臧其亮.基于OPC的S7-300與LabVIEW通信實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2015,192(6):193-195.

[7] 曾珞亞.基于OPC技術(shù)的PLC與LabVIEW通信實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009，25(6)：52-53.

[8] 王志強(qiáng),胡霞.基于LabVIEW和PLC采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2015,36(11):251-253.

[9] 徐桂華,徐保國.LabVIEW和PLC技術(shù)在燃煤鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(5):93-95.

[10]石靈丹,華斌,朱歆州.基于OPC技術(shù)的PC與西門子PLC的實(shí)時(shí)通信[J].船電技術(shù),2011，31(1)：9-12.

[11]王天石.基于LabVIEW和西門子S7-300 PLC的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化,2014(10):58-61.

[12]蘇力,雷瑛.LabVIEW與PLC通信方法研究[J].黑龍江科技信息,2015(29):73-75.

[13]劉小麗,張曉光.基于LabVIEW的 S7-300 PLC與PC機(jī)的串口通信[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011(5):100-102.

Research on the Remote Monitoring System Based on OPC and PLC

XIA Lujie1,SUN Shouqun1,LU Huayang2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China; 2.Shanghai Baosight Software Company,Shanghai 201900,China )

Lacking of portable remote monitoring systems in traditional industrial control field is unable to meet the increasingly progressed demand for intelligent automation.In view of this situation,a remote wireless monitoring system based on LabVIEW is proposed.The system uses NI OPC， DSC modules,etc.,to complete Ethernet communication between the host computer and the PLC on site,by using shared variables and WiFi communication,to achieve remote communication with iPad as the client and complete on-site monitoring for PLC by iPad.The test shows that the system runs well,and achieves operational requirements; it is easy to upgrade and maintain,and meets the demands for mobile monitoring software compatibility,as well as real-time and safety performance,and provide a reference upgrade and reconstruction of the traditional factory.

Intelligence; Remote monitoring; OPC technology; Real-time communication; LabVIEW; Local area network; Virtual instrument; Host computer; PLC

國家科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAK16B04)

夏璐杰(1991—)，男，在讀碩士研究生，主要從事工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用方向的研究。E-mail:514039858@qq.com。 孫首群(通信作者)，男，博士，教授,主要從事機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方向的研究和應(yīng)用工作。E-mail:jrssq@163.com。

TH-3;TP249

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702006

修改稿收到日期:2016-06-19