基于OPC技术的LabVIEW与PLCs通信.docx

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基于OPC技术的LabVIEW与PLCs通信

基于OPC技术的LabVIEW与PLCs通信

摘要

研究虚拟仪器软件LabVIEW与可编程控制器S7-200PLC的数据接口技术。

应用美国国家仪器公司的OPC服务器和LabVIEW的DSC模块技术建立工作站与PLC软件的数据通信方式，为LabVIEW环境下PLC软件控制系统的动态监控提供一种通用方法。

OPC接口技术的出现使工业自动化系统中独立单元之间的互联趋于标准化，顺应了自动化系统向开放、互操作、网络化、标准化方向发展的趋势,是自动化控制系统中很有发展前景的一种数据交换标准。

美国国家仪器公司的LabVIEW是一种应用于领先工业软件的工具测试设计、测量和工业控制系统。

可编程逻辑控制器（PLC），或可编程序控制器是一个数字化的计算机用于自动化的工业生产过程，如控制机械的工厂装配生产线。

对于过程控制的对象连接与嵌入（OPC）是一种标准发展的原始命名通过工业自动化的工业任务。

NIOPCServers是一个32位的Windows应用窗口，它能提供一种从工业设备和系统带入信息和数据进入到客户端的PC上。

该论文探讨了如何利用LabVIEW数据记录和监控模块（DSC）和OPC技术开发监控软件。

LabVIEW8.6DSC既可作为OPCClient从现场设备获取数据，又可作为OPCServer为其他的应用软件提供一种便捷的数据访问方式。

LabVlEWDSC和OPC技术的结合为系统集成提供了一种高效的解决方案。

关键词：

LabVIEW,OPC,PLC,数据通信

BasedonOPCbetweenLabVIEWandPLCsCommunication

Abstract

AnewtechniqueofdataexchangebetweenLabVIEWandPLCsispresentedinthispaper．ByusingtheOPC（OLEforProcessContro1）serverofNIandtheDSCtechniqueofLabVIEW，acommunicationmodebetweenLabVIEWandPLCsisbuiltup．ThispaperprovidesageneralmeanstomonitorPLCcontrolsystemonLabVIEWenvironment．

NationalInstrumentsLabVIEWisanindustry-leadingsoftwaretoolfordesigningtest,measurement,andcontrolsystems.Aprogrammablelogiccontroller（PLC）,orprogrammablecontrollerisadigitalcomputerusedforautomationofindustrialprocesses,suchascontrolofmachineryonfactoryassemblylines.OLEforProcessControl（OPC）istheoriginalnameforastandarddevelopedin1996byanindustrialautomationindustrytaskforce.NIOPCServersarea32-bitwindowsapplicationthatprovidesameansofbringingdataandinformationfromawiderangeofindustrialdevicesandsystemsintoclientapplicationsonyourwindowsPC.

Inthispaper,amethodbasedonLabVIEWDSCandOPCtechnologyisintroducedhowtodevelopmonitorandControlsoftware.TheLabVIEW8.6DataloggingandSupervisoryControl（DSC）ModulecanactasanOPCClientacquiringdatafromfielddevicesaswellasanOPCServerprovidingotherapplicationsaconvenientwaytoaccessdata.ThecombinationofDSCmoduleandOPCtechnologyisanefficientsolutionforsystemintegration.

KEYWORDS:

LabVIEW,OPC,PLC,Datacommunication

摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ

ABSTRACT…………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章绪论……………………………………………………………………1

1.l课题的来源、名称及引言……………………………………………………1

1.1.1本研究课题的来源…………………………………………………………1

1.1.2本研究课题名称……………………………………………………3

1.2LabVIEW概述……………………………………………………………3

1.3PLC概述……………………………………………………………………………3

1.4OPC概述……………………………………………………………………………5

1.5论文的内容简介……………………………………………………6

第二章系统的总体方案设计…………………………………………………………7

2.1系统总体设计方案概述…………………………………………………………7

2.2方案论证……………………………………………………………………………8

2.2.1可编程控制器PLC可行性论证…………………………………………8

2.2.2上位机LabVIEW开发平台的论证……………………………………10

2.2.3上位机LabVIEW开发平台与PLC连接的论证……………………12

第三章OPC技术规范介绍…………………………………………………………16

3.1OPC服务器的组成……………………………………………………………16

3.2OPC服务器对象（OPCServerObject）介绍……………………………18

3.3OPC组对象（OPCGroupObject）介绍………………………………………19

3.4OPC项对象（OPCItemObject）介绍………………………………………20

3.5采用OPC技术的适用范围…………………………………………………20

3.6本章小结………………………………………………………………………21

第四章LabVIEWDSC模块………………………………………………………22

4.1LabVIEW发展历程及功能介绍…………………………………………22

4.2LabVIEWDSC介绍……………………………………………………………24

4.3LabVIEWDSC模块功能介绍……………………………………………25

4.4LabVIEWDSC模块与OPCServer连接……………………………25

4.4.1LabVIEW访问OPCServer的途径………………………………………25

4.4.2通过LabVIEW8.6DSC模块访问NIOPCServer…………………………25

4.4.3PLC控制LabVIEW程序设计………………………………………27

4.4.4利用LabVIEW开发自己的OPCServer…………………………………29

4.4.5LabVIEW与OPC标签建立联系………………………………………29

4.5本章小结…………………………………………………………………………32

第五章LabVIEW通过OPC与PLCs之间的连接与通信……………………33

5.1测试系统的应用环境…………………………………………………………33

5.2NIOPC技术测试系统………………………………………………………33

5.3基于LabVIEW和OPC的测试系统的前期准备…………………………41

5.4LabVIEW通过DSC模块与NIOPC服务器通信………………………………42

5.5LabVIEW与PLCs进行读写数据……………………………………………………43

5.6本章小结…………………………………………………………………………44

第六章总结和展望………………………………………………………………45

6.1论文总结………………………………………………………………………45

6.2论文的展望……………………………………………………………………45

致谢………………………………………………………………………………46

参考文献…………………………………………………………………………………47

第一章绪论

引言

“软件即仪器“是一次彻底的计算机技术革命。

以信息化带动工业化，以工业化促进信息化。

虚拟技术、计算机通信技术和网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为是21世纪科学技术中的三大核心技术。

而虚拟仪器即使虚拟技术中的一个很重要的组成部分，自20世纪90年代以来,在计算机技术的推动下,以虚拟仪器为标志的通用化,智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅速的发展,使得测量仪器和数据采集系统的设计方法和实现技术产生了深刻的变化.所谓的虚拟技术,就是用户在通用的计算机平台上,根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能,其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统的仪器功能，虚拟仪器技术综合也用了计算机技术,数字信号处理技术,标准总线技术和软件工程方法,它缩短了开发和调试的周期。

“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质, 这个概念克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的缺陷,摆脱了由传统硬件构成一件件仪器再连成系统的模式,许多功能直接就由软件来实现,打破了仪器功能只能由厂家定义,用户无法改变的模式。

本文采用的是LABVIEW8.6版本如下图1：

图1-1LABVIEW8.6版本

1.l课题的来源及名称

1.1.1本研究课题的来源

随着时代的发展，工业自动化程度的不断提高，PLC行业已经在工业市场上占有一大片领地。

本课题来源于实际工程项目的需求,在工业汽车、石油、电力、钢铁等领域，具有广泛的应用价值。

可编程控制的选择：

由于市面上西门子产品型号较多，种类齐全，技术先

进，加之本人对西门子产品的青睐，在此次设计中，所以选择较前沿的西门子产品SLC系列产品。

本文以自动化工程中常用的西门子产品SLC系列产品为PLC研究背景,通过LabVIEW，可以将更高级的可编程自动化控制器（PAC）集成到现有基于PLC的工业系统，在工业系统中增加高速I/O和复杂的控制逻辑。

LabVIEW8.6增加了一系列I/O，以及在测量和显示的改进，适用于构建基于PAC的工业系统，包括全新的为LabVIEW用户扩展工业连接性的OPC驱动库等，几乎将可兼容PLC和工业设备的数量增加一倍。

此外，LabVIEW8.6还在LabVIEW实时环境中提供对称多线程处理（SMP）,嵌入式和工业系统的设计人员可以自动地将均衡的任务量分配到各核上，而无需以确定性为代价。

用户可以手动将各部分代码分配到特定的处理器核上，来微调实时系统的性能，或者把时间关键的代码部分隔离在专用核上。

NI总裁、CEO暨创始人之一JamesTruchard博士说过，“工程师和科学家们依靠不断改进的PC处理器、操作系统和总线技术，在他们的测控系统中获得更高的性能。

随着多核处理器在PC上的普及，LabVIEW的编程人员们将受益于一种更简化的图形化方式来进行多线程操作，以尽可能地利用多核处理技术的最大性能，同时却几乎不用对他们的应用程序做任何修改。

”

在工业通信和自动化应用中日益采用以太网和OPC技术作为最主要的通信接口和手段的今天,向网络化、标准化、开放性方向发展将是各种控制系统技术发展的主要潮流。

以太网是在很广的范围内已经被证明了的先进技术,而作为21世纪未来工业网络的首选,它将成为在控制和现场设备级标准的高速工业网络。

因此研究基于以太网的分布式控制系统的设计有着重要意义。

本文是正是基于OPC技术的工业通信技术接口。

无论您与之通信的设备是过程仪器、可编程逻辑控制器（PLC）、智能传感器还是单循环控制器，LabVIEW都提供了各种可靠的、易于使用的工具，以帮助您满足您的任何通信需求。

LabVIEW支持用于不同自动化设备间信息交换的面向过程控制OLE（OPC）。

LabVIEW包含对OPC数据访问OPC3.0规范的一次新近扩展，它提高了访问来自过程控制软硬件的实时数据的性能与可靠性的兼容性。

利用面向NILabVIEW的Modbus函数库或者DSC模块中内置的ModbusI/O服务器，您可以使用任何以太网或串口作为一台ModbusTCP或Modbus串行主设备或从设备。

利用这一ModbusI/O服务器与通信网关，您可以将任意工业网络上的现有设备方便地吸纳至您的LabVIEW应用。

通信网关支持各种网络，其中包括DeviceNet、ControlNet、EthernetIP、PROFIBUS与PROFIN等。

本文是基于LabVIEW8.6的DSC模块中内置的ModbusI/OServers与NIOPCServers通信连接。

1.1.2本研究课题名称:

基于OPC技术的LabVIEW与PLCs通信

1.2LABVIEW概述

LabVIEW是虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）领域最具代表性的图形化编程软件，广泛应用于工业自动化测试、过程处理和控制领域。

虚拟仪器（VirtualInstruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorp.简称NI）于1986年提出的。

NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。

随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。

虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。

它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。

虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。

它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。

电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：

模拟仪器、数字化仪器、智能一起和虚拟仪器。

第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。

第二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。

第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，可能代替部分脑力，习惯上称为智能仪器。

它的功能模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。

第四代虚拟仪器，它是现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。

1.3PLC概述

可编程控制器（ProgrammableController）,简称PC，因早期主要应用于开关量的逻辑控制，因此也称为PLC（ProgrammableLogicController），即可编程逻辑控制器。

现代可编程控制器是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工业控制装置，是计算机技术和工业控制技术结合的产品。

可编程控制器是1969年美国数字设备公司（（DEC）研制成功的，并在通用汽车公司（GDI）汽车生产线上应用，获得成功从此，可编程控制器技术就迅速发展起来1971年日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器DCS-8,1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。

我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。

可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、面向用户的“自然语言”编程，是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。

目前，PLC在国内外已广泛应用于电力、钢铁、石油、化工、建材、机械制造、汽车、轻纺、环保以及文化娱乐等各行各业随着PLC性能价格比的不断提高，其应用会越来越广。

PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，初期主要侧重于开关量顺序控制PLC在60年代问世以后，于70年零散进入了实用化阶段，16位、32位微处理器和各种位片式处理器的应用，使它在技术和功能上发生飞跃，在初期的逻辑运算的基础上，增加了数值计算、闭环调节等功能，其运算速度提高，输入输出范围与规模扩大PLC与上位计算机之间相互连成网络，构成以可编程控制器为主要部件的初级控制系统。

现代可编程控制器的模拟量功能很强，多数都配备了各种智能模块，以适应现场的多种特殊要求，同时也具有顺序控制功能。

到目前为止，PLC与集散系统发展越来越接近，很多工业生产过程既可用PLC，也可用集散控制系统实现其控制功能。

目前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统也成为世界潮流。

SEIMENS公司S7-200系列PLC是工业过程与现场控制广泛应用的一类控制器。

实现LabVIEW与PLC的数据通信，是建立基于PLC的虚拟仪器与控制系统的关键，具有很好的应用价值。

各种PLC型号如下图2所示：

图1-2各种PLC型号如图所示

本文是以SeimensS7-200软件为基础的通信连接。

如图所示

图1-3SeimensS7-200软件

1.4OPC技术概述

工业控制领域用到大量的现场设备，在OPC出现以前，软件开发商需要开发大量的驱动程序来连接这些设备。

即使硬件供应商在硬件上做了一些小小改动，应用程序就可能需要重写；同时，由于不同设备甚至同一设备不同单元的驱动程序也有可能不同，软件开发商很难同时对这些设备进行访问以优化操作。

硬件供应商也在尝试解决这个问题，然而由于不同客户有着不同的需要，同时也存在着不同的数据传输协议，因此也一直没有完整的解决方案。

自OPC提出以后，这个问题终于得到解决。

OPC规范包括OPC服务器和OPC客户两个部分，其实质是在硬件供应商和软件开发商之间建立了一套完整的“规则”，只要遵循这套规则，数据交互对两者来说都是透明的，硬件供应商无需考虑应用程序的多种需求和传输协议，软件开发商也无需了解硬件的实质和操作过程。

OPC（OLEforProcessContro1）技术的提出为这类异构设备、软件的通讯提供了有效的解决方法，它借用Microsoft的OLE（objectlinkingandembedding）和COM（componentobjectmode1）／DCOM技术，并将其应用于过程控制中，为过程控制和工业自动化领域提供了一套标准的接口、属性和方法，是实现控制系统现场设备级与过程管理级信息交互和控制系统开放性的关键技术。

1.5论文的内容简介

本文研究虚拟仪器软件LabVIEW8.6与S7-200PLC的OPC接口技术。

应用NI公司的OPC服务器和LabVIEW8.6的DSC模块技术建立工作站与PLC的数据通信方式，为LabVIEW8.6环境下PLC控制系统的动态监控提供了一种通用方法。

系统框图如下图5所示

图1-5基于OPC技术的LabVIEW与PLCs通信的系统框图

第二章系统的总体方案设计

2.1系统总体设计方案概述

系统总体设计如下图所示2-1

图2-1系统总体设计

本文是在PC运行的WINDOWSXP上完成的,系统上运行LabVIEW8.6，附加DSC模块技术modbusI/OServers，通过NIOPCClient/Server，完成添加S7-200软件（通信参数设置相一致），最终在LabVIEW8.6上建立新的OPC层上共享变量（数据常量），并把通过波形图显示出来。

2.2系统方案论证

2.2.1可编程控制器可行性论证

可编程控制器作为一个完整的自动化系统，可由三个层次组合而成:

信息层、控制层和设备层。

信息层是对现场采集到的数据和信息进行处理和管理的一层，是测试系统的最高层次控制层是操作所在的一层，它将处理器与处理器之间的信息、交流、将处理器与输入/输出接口之间的信息、交流集成在这一层。

设备层是面向现场设备的一层，也是整个测试系统的最低层，它可以将操作信息送到现场设备，也可以将现场设备的情况反馈到操作者。

PLC与PC架构如下图2-2所示：

图2-2PLC与PC架构

可编程控制器简称PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置其主要特点为：

1.块化结构、扩充方便、组合灵活PLC产品具有各种扩展模块，可以方便的对输入输出点、A/D通道等进行扩展;具有很强的继承性且降低了开发周期。

2.可靠性高、抗干扰能力强表现在下列两个方面:

其一，与继电器逻辑控制系统比较，可编程控制器不需要大量的活动和电子元件，它的接线也大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短;其二，与通用的计算机控制系统比较，它具有比通用计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。

3.编程方便、易于使用PLC编程采用梯形图语言，使得操作人员可以方便的调整系统编程和组态。

4.控制程序可变、具有很好的柔性在控制工艺流程发生变化时，不必改变硬件设备，只需要改变程序就可以满足。

5.控制功能强除了基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现PID运算、过程控制、数字控制等功能。

可以方便的与上位机通讯和远程通讯。

由于以上的原因，可以预见随着PLC成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。

无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面PLC都具有明显的优越性尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等