基于LabVIEW的复合系统监测与控制

张若青 王小奇

摘要

针对工业自动化过程控制中不同控制单元的实时通讯需求，以LabVIEW为上位机软件，使用OPC技术和共享变量技术实现了PLC控制器与cRIO控制器之间的实时通讯，完成了对AGV小车与气动元件筛选系统的状态监测与控制。

【关键词】LabVIEW OPC PLC cRIO

随着工业生产自动化规模的不断壮大，工业控制已经从单机控制过渡到分散控制、集中控制的新时期，而控制系统的发展也趋向于分散化和复杂化。目前，由于不断吸收新技术，实现更高效、更可靠的生产，很多工厂都出现了更为开放的分散控制系统（DCS），形成不同厂商、不同结构形式控制系统所集成的复杂控制系统。例如，DCS系统和PLC系统构成的混合控制系统、由变频器和PLC组成的电动机控制系统以及PLC与controllogix控制器组成的混合控制系统等等，即多种形式的DCS控制系统并存已经成为一种常态。这种并存可以赋予用户更大的系统集成自主权，用户可根据实际需要选择不同厂商的设备连同软件资源连入控制系统，达到最佳的系统集成。

作为工业基础自动化中的主流控制产品，PLC控制器紧跟技术发展，历经小型化、模块化、集成化的变革，性能向更快、更可靠、更智能方向发展。同时为适应信息化的趋势，PLC控制器也更为开放，不仅可以与上位计算机系统联网，实现信息交流，还利用现场总线技术与现场的其他智能化设备，构成现场工业控制网络。

CompactRIO控制器是搭载了实时处理器和用户可编程FPGA的高性能工业级嵌入式控制器，强大的高速硬件和信号调理功能，使其可以连接到任何总线上的任何传感器或设备。以LabVIEW可视化编程软件为开发平台，将实时操作系统的性能与Linux的开放性相结合，具有优秀的数据采集能力较快的程序开发速度。

本文根据气动元件筛选、储运系统的实际应用情况，设计了以LabVIEW为上位机监控平台软件的复合式分布控制系统，采用OPC技术，通过在PLC系统与cRIO系统之间建立实时通讯的方式，实现两类系统之间的数据交换，从而完成监测与控制目标。

1 系统说明

气动元件筛选系统采用组合气动机械手的形式，分别完成轴承端盖、螺栓等工件的筛选，工件运输AGV小车将完成筛选的工件运送至工件仓库。各个筛选系统以PLC为从控制器，实现对多气缸构成的气动机械手的控制，完成元件筛选。AGV小车采用cRIO控制器，控制多自由度机械手及运动机构，抓取工件并完成输送。

1.1 基于PLC控制器的气动元件筛选系统

在气动元件筛选子系统中，PLC控制器通过控制電磁开关阀动作来实现气动机械手的运动与抓取，并检测各个执行元件的状态（磁性开关）。当存在多个PLC控制器时，通过组态软件、以太网将现场数据实时上传到上位机，上位机组态软件使用OPC技术来读取PLC的上载数据，进而实现对现场工作情况的控制和监视。系统典型结构如图I所示。

1.2 基于cRIO拉制器的工件输运小车

由于AGC小车需要在各个工件筛选系统之间移动，故采用具有WIFI信号的cRIO控制器实现对行走机构、机械手的控制，系统由上位机CLabVIEW平台）、以太网、cRIO控制器组成。通过以太网将现场数据上传至上位机，然后通过上位机HOST端程序的开发来实现对现场的控制和监视，cRIO控制系统结构如图2所示。

可以看出，以上两种系统除控制器不同外，结构形式基本相同，都是采用以太网+控制器+控制对象+传感器的基本结构，同类控制器（PLC）之间能够通过以太网实现通讯，不同类控制器之间则不能。

2 基于LabVIEW的监控系统设计

LabVIEW是目前虚拟仪器领域最具代表性的图形化编程软件，良好的图形化编程环境和可视化界面使其广泛的应用于工业自动化、过程处理等领域。LabVIEW编程高效、灵活、面向对象的特点有助于提高项目开发效率，降低系统成本。

LabVIEW具有较多的工业接口，利用以太网，可以同时与PLC和cRIO进行通讯，又没有传统组态软件的点数与价格限制，而且本身具有较强的扩展能力，因此将LabVIEW作为监控系统的上位机平台软件，不仅可以与cRIO控制器实现良好信息交换，还能够完全取代PLC系统的传统组态软件。

由于移动的需要，AGE小车的cRIO控制器需要采用无线传输的方式上位机通讯，于是在系统中添加无线路由器，以有线形式连接PLC控制器，无线形式连接cRIO控制器，构建的基于Lab VIEW的监控系统结构如图3所示。

虽然LabVIEW下，上位机能够分别与PLC控制器与cRIO控制器实现数据通讯，但是AGV小车为了能够收集筛选系统筛选出的工件，需要获得各个筛选系统的状态信息，以确定收集工件的位置，即cRIO控制器需要实现与各个PLC控制器的实时通信，本文采用OPC技术实现。

2.1 OPC技术简介

OPC（OLE for Process Control）技术是一个工业标准，它以OPC Client/OPC Server为模型，所有符合OPC通讯规范的软硬件都可以作为OPC客户端，通过访问OPC服务器的方式来获取数据。

由于PLC控制器与cRIO控制器的硬件互不兼容，编辑程序所用的语言也不相同，所以无法直接通讯。另外，如果不使用原厂配套软件，PLC控制器与上位机的通讯也很困难，这些都是在PLC控制器与cRIO控制器实现通讯时所要面对的问题，OPC技术的应用能够很好的解决这个问题。

2.2 通讯设计

首先，在PC机上建立基于以太网的PLC控制器与OPC服务器的通讯，OPC服务器读取PLC上载的现场实时数据，LabVIEW通过DSC模块便可以访问PLC上载到OPC服务器中的数据信息;然后，在使用LabVIEW开发cRIO控制器程序时，可以将PLC上载数据通过共享变量技术直接调用到cRIO程序中，从而实现cRIO与PLC的实时通讯。通讯原理如图4所示。

整个系统的通讯实现分为两个部分：

（1）PLC与LabVIEW的通讯;

（2）PLC与cRIO的通讯。

具体实现方法如下：

2.2.1 基于OPC的PLC与LabVIEW的通訊

（1）建立PLC与PC机之间的以太网通讯。

（2）使用NI OPC Server创建OPC服务器。在这个过程中需要根据PLC类型选择正确的设备驱动，并正确填写PLC的IP地址。

（3）添加绑定变量，设置与需要读取的PLC I/O口变量相绑定的标签变量，如图5所示。

（4）创建OPC快速客户端（OPC QuikClient），PLC首先会将需要上载的数据传送并储存在OPC快速客户端中，而LabVIEW则是通过读取OPC快速客户端中的数据来实现对PLC的数据采集。

2.2.2 基于OPC的PLC与cRIO的通讯通讯设计的意义

在完成PLC与LabVIEW的通讯以后，对于cRIO的程序开发过程便可以使用共享变量技术直接将PLC的I/O口状态信息直接当成变量来调用到程序中。共享变量技术可以快速方便的实现数据在同一程序框图的不同循环之间或者网络上的不同VI之间的数据共享。

3 实验分析

如前所述，PLC为控制器的气动元件筛选系统的PLC控制器为西门子s7-300，以cRIO为控制器的AGV小车暂时采用一个伺服电机驱动行走机构。由于PLC控制系统是通过控制两位五通电磁阀<2个电磁铁）的通断来控制气缸运动方向，气缸的运动行程由磁性开关来确定。cRIO通过控制电机来驱动小车的运行，配合气动系统完成运输任务。

在实验过程中，如前所述，电磁阀的I/O口数据创建为共享变量，这样上位机LabVIEW便可以通过OPC服务器来实时获取电磁阀的工作状态。于是cRIO的程序开发过程中可以通过调用共享变量的方式，将电磁阀开关状态添加到cRIO控制程序中，实现cRIO与PLC的共同合作，如图6所示。

4 结论

本文根据工业生产实际需求，通过对PLC系统和cRIO系统的优点和结构分析，提出了一种实现这两种系统融合的方法。与传统多控制系统分别工作的方式相比，组合控制系统不但简化了结构组成、提高了系统工作效率还提升了系统的扩展能力，所有支持OPC规范的设备都可以通过以太网实现和系统的通讯。

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