基于OPC的Labview仿真軟件與PLC通訊實(shí)現(xiàn)

王文輝

（中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400）

基于OPC的Labview仿真軟件與PLC通訊實(shí)現(xiàn)

王文輝

（中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400）

介紹了基于Labview的抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行信號(hào)仿真軟件特點(diǎn)，并描述了仿真軟件通過(guò)NI OPC Sever與西門子S7-400PLC通信實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。

Labview；OPC Sever；PLC；OPC Client

0 引言

抽水蓄能機(jī)組是同時(shí)具有抽水與發(fā)電功能的機(jī)組，是電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的重要手段，相比一般發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況更復(fù)雜。為模擬抽水蓄能機(jī)組現(xiàn)實(shí)運(yùn)行情況，采用Labview軟件編寫(xiě)了抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行仿真軟件，模擬機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中所涉及設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)。仿真軟件與運(yùn)行機(jī)組控制程序的PLC通訊就能模擬抽水蓄能機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)程中各工況流程。因抽水蓄能機(jī)組工況復(fù)雜，運(yùn)行過(guò)程中涉及設(shè)備較多，對(duì)運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行模擬的仿真軟件中變量數(shù)量十分龐大，仿真軟件與PLC通訊需交換大量數(shù)據(jù)。仿真軟件與PLC不能直接通訊，需選擇合適的方法實(shí)現(xiàn)Labview仿真軟件與PLC的實(shí)時(shí)通訊。

OPC(OLE for Pmcess Contml)是基于Windows NT技術(shù)的OLE,COM/DOOM接口的擴(kuò)展，其本質(zhì)是OPC Client用一種開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通訊方式與OPC Server進(jìn)行通訊[1]。OPC規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)能夠以O(shè)PC Server（服務(wù)器）/OPC Client（客戶端）標(biāo)準(zhǔn)方式從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)并傳遞給客戶應(yīng)用程序，利用NI OPC server可實(shí)現(xiàn)Labview仿真軟件與S7-400PLC實(shí)時(shí)通訊[2]。

1 通訊方案設(shè)計(jì)

仿真軟件安裝于PC機(jī)上，與PLC連接方式如圖1所示，通過(guò)Ethernet經(jīng)交換機(jī)與PLC連接。PLC通過(guò)網(wǎng)線與交換機(jī)相連，PC可以通過(guò)網(wǎng)線，亦可通過(guò)無(wú)線方式與交換機(jī)連接。在以上硬件條件下，因PLC與Labview通訊有不同的接口和規(guī)范，PLC無(wú)法直接通過(guò)Ethernet與Labview仿真軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，關(guān)鍵在于選擇標(biāo)準(zhǔn)化、通用規(guī)范的接口實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的數(shù)據(jù)交互[3]。通過(guò)此標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的通用接口，安裝有Labview仿真軟件的PC才能通過(guò)Ethernet從PLC地址塊中讀出數(shù)據(jù)或向地址塊中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。NI公司有自己的OPC Server，已得到廣泛使用，穩(wěn)定性及可靠性都得到證明，因此選用NI OPC服務(wù)器作為仿真軟件與PLC的通訊接口交互數(shù)據(jù)。

圖1 PC與PLC連接圖

2 I/O點(diǎn)通訊實(shí)現(xiàn)

PLC程序中的I/O點(diǎn)（輸入/輸出點(diǎn)）必須經(jīng)輸入/輸出端與外部硬點(diǎn)連接交換數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目中Labview仿真軟件與PLC通訊過(guò)程中沒(méi)有硬點(diǎn)連接，因此無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)仿真軟件中模擬信號(hào)與PLC中I/O點(diǎn)的通訊。因模擬程序可以通過(guò)PLC中的DB塊（數(shù)據(jù)塊）向PLC讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)，因此在PLC程序中建立新的DB塊（數(shù)據(jù)塊），使程序中I/O點(diǎn)與數(shù)據(jù)塊中的點(diǎn)映射。如建立數(shù)據(jù)塊DB3000作為輸入數(shù)據(jù)塊，使數(shù)據(jù)塊中點(diǎn)DB3000.DBX0.0對(duì)應(yīng)I0.0，使數(shù)據(jù)塊中點(diǎn)DB3000.DBX0.1對(duì)應(yīng)I0.1，如此可將所有I點(diǎn)（輸入點(diǎn)）與數(shù)據(jù)塊DB3000中的點(diǎn)對(duì)應(yīng)，同樣也可以建立輸出數(shù)據(jù)塊與O點(diǎn)（輸出點(diǎn)）對(duì)應(yīng)。Labview仿真軟件通過(guò)與數(shù)據(jù)塊中點(diǎn)的通訊實(shí)現(xiàn)與I/O點(diǎn)通訊。

3 配置OPC服務(wù)器通道

先創(chuàng)建一個(gè)新的OPC文件，輸入通道名（channel name），再選擇合適的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，本方案選擇Siemens TCP/IP Ethernet（如圖2）。選擇驅(qū)動(dòng)程序后，根據(jù)驅(qū)動(dòng)的不同，將彈出不同的參數(shù)配置對(duì)話框，根據(jù)設(shè)備情況配置不同參數(shù)。

圖2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序選擇

通過(guò)OPC控制外部設(shè)備，需要計(jì)算機(jī)寫(xiě)入到外部設(shè)備寄存器，這要求比較高的實(shí)時(shí)性，有3種寫(xiě)入方式供選擇。①Write all values for all tags方式，所有的OPC客戶端，都會(huì)將需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)保存在OPC的內(nèi)部隊(duì)列里；OPC以最快的速度不斷寫(xiě)入外部設(shè)備，直至隊(duì)列為空；該模式寫(xiě)入的數(shù)據(jù)有嚴(yán)格的次序，即使寫(xiě)入的數(shù)據(jù)相同，也必須按照內(nèi)部隊(duì)列的次序逐個(gè)寫(xiě)入。②Write only latest values for non_boolean方式，通常情況下，客戶端某段時(shí)間內(nèi)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)是相同的，由于絕大多數(shù)外部設(shè)備的寄存器具有保持功能，因此沒(méi)有必要連續(xù)寫(xiě)入相同的數(shù)據(jù)；使用這種模式，不會(huì)寫(xiě)入相同的數(shù)據(jù)，避免浪費(fèi)通信的帶寬；該模式除了布爾類型外，其他的類型數(shù)據(jù)只有更新后才寫(xiě)入。因?yàn)橐话悴紶柨丶笏查g效應(yīng)，所以需要立即寫(xiě)入更新。③Write only latest values for all tags方式，與“Write only latest values for non_boolean”模式基本相同，區(qū)別在于對(duì)布爾值的處理；如果對(duì)布爾值的實(shí)時(shí)性要求不高，可以選擇在所有值發(fā)生變化時(shí)才寫(xiě)入外部設(shè)備[4]。

抽水蓄能機(jī)組控制程序中參與控制的信號(hào)多數(shù)是數(shù)字信號(hào)，對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)性要求較高。在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中參與控制的模擬量一般都會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，但不是每次變化都產(chǎn)生控制信號(hào)。只有當(dāng)數(shù)值變化超過(guò)設(shè)定值時(shí)才能發(fā)出控制信號(hào)。因此在仿真軟件中對(duì)模擬量仿真可以采用在特定階段給定數(shù)值的方法，簡(jiǎn)化仿真過(guò)程但不會(huì)影響控制要求。此時(shí)選擇Write only latest values for non_boolean模式，可以避免不斷向PLC寫(xiě)入模擬量數(shù)據(jù)，浪費(fèi)通信的帶寬，數(shù)字信號(hào)也能實(shí)時(shí)讀寫(xiě)不影響控制，提高通訊效率。

Duty cycle（占空比）項(xiàng)設(shè)置寫(xiě)次數(shù)與讀次數(shù)的比率，在仿真軟件與PLC通訊過(guò)程中，仿真軟件實(shí)時(shí)讀取PLC信號(hào)然后執(zhí)行相應(yīng)的模擬仿真程序，再向PLC寫(xiě)入控制命令。讀/寫(xiě)時(shí)間要求一樣，因此將占空比設(shè)置為1（圖3），也就是每寫(xiě)1次讀1次，如果長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有寫(xiě)入數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)將按照固定的周期進(jìn)行[5]。

圖3 數(shù)據(jù)寫(xiě)入方式及占空比選擇

4 PLC設(shè)備配置

完成通道配置后添加硬件設(shè)備，一個(gè)通道可以對(duì)應(yīng)多個(gè)設(shè)備，通道下所擁有設(shè)備使用相同的驅(qū)動(dòng)程序。本項(xiàng)目中因?yàn)榉抡孳浖cS7-400PLC通訊，所以在配置設(shè)備對(duì)話框中，選擇S7-400PLC（圖4），之后設(shè)置PLC所在網(wǎng)絡(luò)IP地址，IP地址設(shè)定后仿真軟件可以在網(wǎng)絡(luò)上通過(guò)訪問(wèn)該IP地址與PLC進(jìn)行通訊。PLC中包含大量的輸入/輸出點(diǎn)、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等，這些都對(duì)應(yīng)著PLC的內(nèi)部寄存器。通過(guò)配置標(biāo)簽（tag），使OPC的標(biāo)簽與PLC內(nèi)部的寄存器一一對(duì)應(yīng)，讀寫(xiě)OPC項(xiàng)目如同直接讀寫(xiě)PLC內(nèi)部的寄存器一樣方便，中間的通信與轉(zhuǎn)換完全由驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)完成。

5 定義OPC變量

圖4 硬件模塊選擇

OPC是一種使用變量進(jìn)行通訊的方法。在通訊過(guò)程中，通訊變量與通訊變量之間地位是相等的，即一個(gè)布爾量與一個(gè)幾十或上百字節(jié)的數(shù)組在讀寫(xiě)時(shí)通訊時(shí)間基本相當(dāng)。壓縮通訊變量個(gè)數(shù)的方法可提高PC與PLC之間的通訊速率[5]。抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，運(yùn)行過(guò)程中涉及設(shè)備較多，對(duì)運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行模擬的仿真軟件中變量數(shù)量十分龐大。為了提高通訊效率、節(jié)省通訊時(shí)間，把類型相同的數(shù)據(jù)組合成一個(gè)數(shù)組，減少變量以加快PC與PLC之間的通訊。本方案中將PLC控制程序中同一數(shù)據(jù)塊中同一類型的點(diǎn)組合成一個(gè)數(shù)組，可將數(shù)千個(gè)變量縮減為幾十個(gè)變量，大大提高通訊效率、減少通訊時(shí)間。在設(shè)備上右鍵選擇New Tag Group，定義數(shù)組名稱，然后在數(shù)組里選擇New Tag定義數(shù)組，設(shè)置數(shù)組數(shù)據(jù)類型和地址（圖5）。OPC中變量地址設(shè)置與PLC中相應(yīng)變量地址相同，這樣OPC變量可以通過(guò)訪問(wèn)該地址與PLC變量通訊。

圖5 數(shù)組定義

6 仿真軟件讀/寫(xiě)PLC數(shù)據(jù)

OPC Server通過(guò)Ethernet以數(shù)組的形式統(tǒng)一讀取PLC變量，仿真軟件通過(guò)OPC Server讀/寫(xiě)變量時(shí)需查找出對(duì)應(yīng)變量，因此需要編寫(xiě)變量讀寫(xiě)子程序，從數(shù)組中讀取相應(yīng)變量或向相應(yīng)變量?jī)?nèi)寫(xiě)值[6]。對(duì)不同類型變量的讀/寫(xiě)需要不同的讀/寫(xiě)子程序，圖6和圖7是對(duì)數(shù)字量讀寫(xiě)子程序，通過(guò)索引數(shù)組查找變量在數(shù)組中位置，然后讀取或?qū)懭胱兞恐怠Ｔ贚abview仿真軟件中調(diào)用該讀/寫(xiě)程序就可以完成對(duì)OPC Server中相應(yīng)變量的讀寫(xiě)。OPC Server再與PLC通訊讀出或?qū)懭胱兞勘阃瓿闪朔抡孳浖絇LC的變量傳遞，從而實(shí)現(xiàn)Labview仿真軟件與PLC的通訊。

圖6 讀取BOOL型變量子程序

圖7 寫(xiě)B(tài)OOL型變量子程序

7 結(jié)論

隨著OPC的發(fā)展，越來(lái)越多的軟硬件通過(guò)OPC通訊?；贠PC的Labview軟件與PLC的通訊方法效率高、速度快，適用于存在大量變量的數(shù)據(jù)通訊。該方案已成功運(yùn)用于基于Labview的抽水蓄能機(jī)組控制程序測(cè)試平臺(tái)項(xiàng)目，應(yīng)用此通訊方法，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，效果良好。

[1]張俊彪,王鴻輝,何長(zhǎng)安.基于OPCServer的PLC與S7-300/400的通信，[J].水電站機(jī)電技術(shù),2007,30（1）：4-5.

[2]陳 欣,王浩宇,郎 朗.基于OPC技術(shù)的上位機(jī)與西門子PLC 的通信，[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2008（1）：70-73.

[3]石靈丹,華 斌,吳 明.基于OPC技術(shù)的LabView與西門子PLC的實(shí)時(shí)通訊[J].船電技術(shù),2011,31(1):9-12.

[4]曾珞亞.基于OPC技術(shù)的PLC與LabView通信實(shí)現(xiàn)[J].微機(jī)計(jì)算機(jī)信息,2009,25(6):52-54.

[5]李紅梁.基于OPC的PC與PLC實(shí)時(shí)通訊的LabView實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2003（12）：115-118.

[6]YANG Zhi，LU Wu-yi，XIONG Hong-yun.The Communi cation Between LabVIEW and PLC Based on OPC[J].Journal of Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，2006,36(3):36-40.

TN919

A

1672-5387（2015）S-0063-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.019

2015-10-26

王文輝（1985-），男，工程師，從事抽水蓄能電站自動(dòng)化技術(shù)研究工作。