基于OPC與PLC的遠程監視系統的研究

夏璐杰, 孫首群, 盧華陽

(1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093；2.上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

基于OPC與PLC的遠程監視系統的研究

夏璐杰1, 孫首群1, 盧華陽2

(1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093；2.上海寶信軟件股份有限公司，上海 201900)

傳統工業控制領域缺乏便攜的遠程監視系統，無法滿足日益增長的智能自動化需求。針對這種情況，提出了一種基于LabVIEW的遠程無線監視系統。該系統利用NI OPC、DSC等模塊，實現了上位機與現場PLC設備的以太網通信；采用共享變量和WiFi通信的方法，進行以IPad為客戶端的遠程通信，并最終實現了IPad監視現場PLC設備的目的。測試結果表明，該系統運行良好，便于升級和維護，滿足了移動監控軟件對兼容性、實時性和安全性方面的要求，為傳統工廠的升級改造提供借鑒。

智能； 遠程監視； OPC技術； 實時通信； LabVIEW； 局域網； 虛擬儀器； 上位機； PLC

0 引言

近年來，隨著可移動終端電子設備的高速發展，智慧型手機和平板式計算機的全球銷量已經超過了傳統的筆記本計算機和臺式計算機。基于iOS系統的智能終端憑借其先進的硬件、完善的軟件架構和良好的應用生態環境，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，開發了儀器儀表數據應用程序。工程師們可以采用這個應用程序，建立一個便攜式的LabVIEW應用程序接口；通過移動技術和數據采集設備，創建一個高度可移植的、便攜的互聯測量系統，使其能夠在更多場合進行測量。

可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)以其穩定可靠、抗干擾能力強和研發時間短等優良特性，已經被廣泛應用于工業自動化領域中，是現代控制及自動化技術的重要組成部分[1-6]。在我國的工業測控領域，西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC產品憑借其自身的諸多優點和眾多的可選可擴展延伸模塊，占有了極高的市場份額。

本文以LabVIEW為軟件開發平臺，使用OPC技術和西門子S7-300進行實時通信，并通過Data Dashboard客戶端實現在局域網內監視現場設備的目的。該系統很好地結合了虛擬儀器(virtual instrument, VI)技術與PLC技術，并緊跟時代發展趨勢，建立了一套具有良好人機界面且性能穩定的遠程無線監視系統。

1 測控系統整體設計

1.1 硬件配置

系統硬件配置包括PC、IPad、無線路由器、CPU314C-2DP處理器模塊、CP343-1通信塊等。其中，CP343-1模塊可以實現上位機PC與現場PLC的工業以太網通信，無線路由器可實現上位機PC與IPad的局域網通信。

1.2 軟件配置

LabVIEW 2014為上位機編程軟件；LabVIEW 2013 DSC模塊為用戶提供數據技術且支持基于OPC技術的接入，方便建立全面的工業自動化控制系統、多通道數據檔案；NI OPC Services 2013為組態OPC服務器，在上位機上通過工業以太網與PLC建立OPC服務；西門子SIMATIC STEP 7 V5.5用于西門子PLC的硬件組態、參數設置、通信配置；Data Dashboard為IPad編程軟件。

1.3 系統總體構成

本測試系統的現場采集設備為綠色帶燈按鈕，將PLC作為下位機完成數據采集功能，將LabVIEW應用程序設置為上位機的程序軟件，可實現對數據的儲存、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。整個測試系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 測試系統結構框圖

系統主要工作原理為：當系統運行時，監控人員按下綠色帶燈按鈕，便會將電流信號輸入給下位機PLC的DI模塊，PLC通過工業以太網總線將數據輸送到上位機。以LabVIEW為基礎研發的上位機通信軟件，利用DataSocket技術手段對OPC服務器進行訪問，從而讀取該布爾量，然后發布共享變量到以太網?；赥CP/IP協議，IPad可通過路由器訪問上位機的IP地址得到該布爾量，從而將數據顯示在智能設備用戶界面(UI)，呈現給操作人員。

2 測控系統軟件設計

2.1 LabVIEW與PLC的數據通信

OPC通信技術是一種基于Windows NT的通信串口延伸技術，其原理是：OPC Client通過標準的、開放化的通信手段，實現對OPC Server的通信訪問。通過OPC規范制定的標準化接口，為不同廠商研發的軟硬件設備的集成與開發提供便利。在第三方硬件的使用方面，只要硬件開發服務商提供OPC服務器，程序開發人員就無需編寫底層驅動，而是能夠利用用戶軟件的OPC Client 來實現數據的交互操作[7]。

該系統采用LabVIEW DSC模塊與PLC通信[8-13]，并通過I/O 服務器公布共享變量，易于監控程序和其他組件訪問實時數據。

(1)PLC硬件組態與配置。

啟動西門子SIMATIC Manager軟件，選擇與所需項目匹配中的CPU處理器類型站點。選中SIMATIC300站點，打開Hardware，啟動HWConfig應用程序，對計算機參數進行設置。在硬件目錄的窗口中，進行所需模塊的選擇。

硬件組態全部完成后，進行編譯保存操作，并下載保存至現場CPU模塊中。該測試系統的PLC硬件組態由CPU314-2DP與CP343-1組成。選擇CP343模塊，進行以太網節點編輯，設置IP地址為192.168.0.2，完成NetPro網絡配置。

(2)實現西門子PLC和NI OPC服務器的通信。

基于NI OPC服務器技術手段來完成個人計算機與西門子PLC之間的通信，其操作重點是如何實現服務器和客戶端端口的對應關系并完成通信連接。這其中包括上位機軟件如何完成對OPC服務器的訪問。具體操作步驟如下。

①新建通道，配置通道信息。在設備驅動下拉列表中選擇SiemensTCP/IP Ethernet，其他參數選擇默認即可。

②新建設備，配置設備信息。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設置與PLC中變量綁定的標簽變量。首先把標簽變量的名稱輸入指定位置，然后輸入與該變量相對應匹配的地址(該地址已經在PLC組態中設置完成)，接著對該標簽變量的屬性進行設置，最終以地址的方式對其與PLC中的變量進行綁定。本測試系統中，須設置的通信變量為開關量，數據類型是布爾型。NI OPC Server與LabVIEW數據類型的對應關系如表1所示。

(3)通過LabVIEW DSC模塊訪問OPC Server。

目前，有三種方法能夠實現LabVIEW對OPC服務器的訪問，但其中兩種方法由于受點數的增多而減緩讀寫速度，易導致系統的不穩定且不利于維護，因此建議使用內置的DSC模塊與OPC服務器通信的機制。該方法具備編程方便且程序大小不受限制的優點。

表1 NI OPC Server 與LabVIEW 數據類型的對應關系

通過引用約束變量與OPC標簽連接的方法，LabVIEW 2013 DSC模塊就可以使約束變量與網絡計算機內的OPC標簽進行綁定。完成綁定后，LabVIEW就可像使用普通變量一樣對約束變量進行讀寫操作。

在OPC標簽設置完成后，可以通過創建約束變量來實現訪問OPC標簽值的目的，其具體操作方法如下。

①在新建的項目中創建一個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，從而實現對OPC Server的訪問。

②在plc.Lvlib庫中建立約束變量，并與I/O服務器中所羅列出的OPC標簽條目進行捆綁，完成后約束變量在本質上實現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中進行讀與寫的操作。

2.2 LabVIEW與IPad之間的通信

Data Dashboard for LabVIEW是一個運行在智能手機和平板計算機上的瘦客戶端應用程序。它可以利用LabVIEW的網絡服務功能或通過網絡發布的共享變量來實現對數據的讀與寫操作。在這一過程中，最簡單的方式是增加一個網絡發布的共享變量至LabVIEW VI中。使用共享變量后，就可以在單一程序圖的不同循環中共用資料，也可以通過網絡在不同的 VI 之間共享資料。使用屬性對話框即可在編輯時間內設定變量，而且應用程序也不需要設定程序碼。 IPad通過WiFi連接路由器(上位機PC已連接在路由器網絡內，IP地址為10.25.162.217)。打開Dashboard，進入編輯好的UI界面，點擊需要關聯的變量，本測試系統關聯indicators中LED和String控件。界面設置完成后，在LabVIEW程序中建立一個新的VI，然后依據工程需要在VI中編寫能滿足要求的程序框圖。

3 測試分析

系統測試主要包括連接功能驗證和通信功能驗證兩方面內容。在此測試環境中，PLC與LabVIEW之間采用NI OPC Servers的通信方法。在NI OPC Servers中點擊Tools中的Launch OPC Quick Client，當cpu314.cp343中的cpu314.cp343.Q Green Light Button的Quality為Good時，則通信正常。LabVIEW與IPad的通信，只要配置好上位機的IP地址(Windouws cmd中的ipconfig指令查詢服務器IP)，并運行Data Dashboard中自定義的UI即可驗證。若系統無報錯，則通信正常。

4 結束語

本文基于iOS技術平臺、LabVIEW軟件和PLC控制技術，設計了一種基于移動平臺的PLC監控系統。該系統能夠給在工業控制領域得到廣泛應用的PLC提供更好的人機界面及更強的控制決策能力，也為一些生產企業在“工業4.0”時代的產線改造提供了一種新思路。

[1] 陳樹學,劉萱.LabVIEW 寶典[M].北京:電子工業出版社,2011.

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

[3] 熊健,余飛,張昌漢,等.基于PLC的清洗提升機控制系統設計[J].湖北工業大學學報,2015(5):52-54.

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

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

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

[7] 曾珞亞.基于OPC技術的PLC與LabVIEW通信實現[J].微計算機信息,2009，25(6)：52-53.

[8] 王志強,胡霞.基于LabVIEW和PLC采煤機調高控制系統的設計[J].煤礦機械,2015,36(11):251-253.

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

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

[11]王天石.基于LabVIEW和西門子S7-300 PLC的過程控制系統的設計[J].機電一體化,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機的串口通信[J].儀表技術與傳感器,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

國家科技計劃資助項目(2015BAK16B04)

夏璐杰(1991—)，男，在讀碩士研究生，主要從事工業機器人技術與應用方向的研究。E-mail:514039858@qq.com。 孫首群(通信作者)，男，博士，教授,主要從事機械系統動力學方向的研究和應用工作。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