基于LabVIEW的復合系統監測與控制

張若青 王小奇

摘要

針對工業自動化過程控制中不同控制單元的實時通訊需求，以LabVIEW為上位機軟件，使用OPC技術和共享變量技術實現了PLC控制器與cRIO控制器之間的實時通訊，完成了對AGV小車與氣動元件篩選系統的狀態監測與控制。

【關鍵詞】LabVIEW OPC PLC cRIO

隨著工業生產自動化規模的不斷壯大，工業控制已經從單機控制過渡到分散控制、集中控制的新時期，而控制系統的發展也趨向于分散化和復雜化。目前，由于不斷吸收新技術，實現更高效、更可靠的生產，很多工廠都出現了更為開放的分散控制系統（DCS），形成不同廠商、不同結構形式控制系統所集成的復雜控制系統。例如，DCS系統和PLC系統構成的混合控制系統、由變頻器和PLC組成的電動機控制系統以及PLC與controllogix控制器組成的混合控制系統等等，即多種形式的DCS控制系統并存已經成為一種常態。這種并存可以賦予用戶更大的系統集成自主權，用戶可根據實際需要選擇不同廠商的設備連同軟件資源連入控制系統，達到最佳的系統集成。

作為工業基礎自動化中的主流控制產品，PLC控制器緊跟技術發展，歷經小型化、模塊化、集成化的變革，性能向更快、更可靠、更智能方向發展。同時為適應信息化的趨勢，PLC控制器也更為開放，不僅可以與上位計算機系統聯網，實現信息交流，還利用現場總線技術與現場的其他智能化設備，構成現場工業控制網絡。

CompactRIO控制器是搭載了實時處理器和用戶可編程FPGA的高性能工業級嵌入式控制器，強大的高速硬件和信號調理功能，使其可以連接到任何總線上的任何傳感器或設備。以LabVIEW可視化編程軟件為開發平臺，將實時操作系統的性能與Linux的開放性相結合，具有優秀的數據采集能力較快的程序開發速度。

本文根據氣動元件篩選、儲運系統的實際應用情況，設計了以LabVIEW為上位機監控平臺軟件的復合式分布控制系統，采用OPC技術，通過在PLC系統與cRIO系統之間建立實時通訊的方式，實現兩類系統之間的數據交換，從而完成監測與控制目標。

1 系統說明

氣動元件篩選系統采用組合氣動機械手的形式，分別完成軸承端蓋、螺栓等工件的篩選，工件運輸AGV小車將完成篩選的工件運送至工件倉庫。各個篩選系統以PLC為從控制器，實現對多氣缸構成的氣動機械手的控制，完成元件篩選。AGV小車采用cRIO控制器，控制多自由度機械手及運動機構，抓取工件并完成輸送。

1.1 基于PLC控制器的氣動元件篩選系統

在氣動元件篩選子系統中，PLC控制器通過控制電磁開關閥動作來實現氣動機械手的運動與抓取，并檢測各個執行元件的狀態（磁性開關）。當存在多個PLC控制器時，通過組態軟件、以太網將現場數據實時上傳到上位機，上位機組態軟件使用OPC技術來讀取PLC的上載數據，進而實現對現場工作情況的控制和監視。系統典型結構如圖I所示。

1.2 基于cRIO拉制器的工件輸運小車

由于AGC小車需要在各個工件篩選系統之間移動，故采用具有WIFI信號的cRIO控制器實現對行走機構、機械手的控制，系統由上位機CLabVIEW平臺）、以太網、cRIO控制器組成。通過以太網將現場數據上傳至上位機，然后通過上位機HOST端程序的開發來實現對現場的控制和監視，cRIO控制系統結構如圖2所示。

可以看出，以上兩種系統除控制器不同外，結構形式基本相同，都是采用以太網+控制器+控制對象+傳感器的基本結構，同類控制器（PLC）之間能夠通過以太網實現通訊，不同類控制器之間則不能。

2 基于LabVIEW的監控系統設計

LabVIEW是目前虛擬儀器領域最具代表性的圖形化編程軟件，良好的圖形化編程環境和可視化界面使其廣泛的應用于工業自動化、過程處理等領域。LabVIEW編程高效、靈活、面向對象的特點有助于提高項目開發效率，降低系統成本。

LabVIEW具有較多的工業接口，利用以太網，可以同時與PLC和cRIO進行通訊，又沒有傳統組態軟件的點數與價格限制，而且本身具有較強的擴展能力，因此將LabVIEW作為監控系統的上位機平臺軟件，不僅可以與cRIO控制器實現良好信息交換，還能夠完全取代PLC系統的傳統組態軟件。

由于移動的需要，AGE小車的cRIO控制器需要采用無線傳輸的方式上位機通訊，于是在系統中添加無線路由器，以有線形式連接PLC控制器，無線形式連接cRIO控制器，構建的基于Lab VIEW的監控系統結構如圖3所示。

雖然LabVIEW下，上位機能夠分別與PLC控制器與cRIO控制器實現數據通訊，但是AGV小車為了能夠收集篩選系統篩選出的工件，需要獲得各個篩選系統的狀態信息，以確定收集工件的位置，即cRIO控制器需要實現與各個PLC控制器的實時通信，本文采用OPC技術實現。

2.1 OPC技術簡介

OPC（OLE for Process Control）技術是一個工業標準，它以OPC Client/OPC Server為模型，所有符合OPC通訊規范的軟硬件都可以作為OPC客戶端，通過訪問OPC服務器的方式來獲取數據。

由于PLC控制器與cRIO控制器的硬件互不兼容，編輯程序所用的語言也不相同，所以無法直接通訊。另外，如果不使用原廠配套軟件，PLC控制器與上位機的通訊也很困難，這些都是在PLC控制器與cRIO控制器實現通訊時所要面對的問題，OPC技術的應用能夠很好的解決這個問題。

2.2 通訊設計

首先，在PC機上建立基于以太網的PLC控制器與OPC服務器的通訊，OPC服務器讀取PLC上載的現場實時數據，LabVIEW通過DSC模塊便可以訪問PLC上載到OPC服務器中的數據信息;然后，在使用LabVIEW開發cRIO控制器程序時，可以將PLC上載數據通過共享變量技術直接調用到cRIO程序中，從而實現cRIO與PLC的實時通訊。通訊原理如圖4所示。

整個系統的通訊實現分為兩個部分：

（1）PLC與LabVIEW的通訊;

（2）PLC與cRIO的通訊。

具體實現方法如下：

2.2.1 基于OPC的PLC與LabVIEW的通訊

（1）建立PLC與PC機之間的以太網通訊。

（2）使用NI OPC Server創建OPC服務器。在這個過程中需要根據PLC類型選擇正確的設備驅動，并正確填寫PLC的IP地址。

（3）添加綁定變量，設置與需要讀取的PLC I/O口變量相綁定的標簽變量，如圖5所示。

（4）創建OPC快速客戶端（OPC QuikClient），PLC首先會將需要上載的數據傳送并儲存在OPC快速客戶端中，而LabVIEW則是通過讀取OPC快速客戶端中的數據來實現對PLC的數據采集。

2.2.2 基于OPC的PLC與cRIO的通訊通訊設計的意義

在完成PLC與LabVIEW的通訊以后，對于cRIO的程序開發過程便可以使用共享變量技術直接將PLC的I/O口狀態信息直接當成變量來調用到程序中。共享變量技術可以快速方便的實現數據在同一程序框圖的不同循環之間或者網絡上的不同VI之間的數據共享。

3 實驗分析

如前所述，PLC為控制器的氣動元件篩選系統的PLC控制器為西門子s7-300，以cRIO為控制器的AGV小車暫時采用一個伺服電機驅動行走機構。由于PLC控制系統是通過控制兩位五通電磁閥<2個電磁鐵）的通斷來控制氣缸運動方向，氣缸的運動行程由磁性開關來確定。cRIO通過控制電機來驅動小車的運行，配合氣動系統完成運輸任務。

在實驗過程中，如前所述，電磁閥的I/O口數據創建為共享變量，這樣上位機LabVIEW便可以通過OPC服務器來實時獲取電磁閥的工作狀態。于是cRIO的程序開發過程中可以通過調用共享變量的方式，將電磁閥開關狀態添加到cRIO控制程序中，實現cRIO與PLC的共同合作，如圖6所示。

4 結論

本文根據工業生產實際需求，通過對PLC系統和cRIO系統的優點和結構分析，提出了一種實現這兩種系統融合的方法。與傳統多控制系統分別工作的方式相比，組合控制系統不但簡化了結構組成、提高了系統工作效率還提升了系統的擴展能力，所有支持OPC規范的設備都可以通過以太網實現和系統的通訊。

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