LabVIEW與S7-300 PLC的通信實現(xiàn)方式

王樂平 張春

摘?要：為了實現(xiàn)PC機(jī)（上位機(jī)）對PLC的實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)的獲取，本文介紹了一種基于 NI OPC Server 的通訊方式。建立虛擬儀器LabVIEW與PLC運用工業(yè)以太網(wǎng)的實時通信系統(tǒng)，利用LabVIEW本身集成的TCP/IP協(xié)議與西門子S7-300 PLC的通訊模塊（CP 343-1 Lean）結(jié)合，實現(xiàn)上位機(jī)和 S7-300 PLC 的以太網(wǎng)通訊。使得上位機(jī)可以通過以太網(wǎng)從PLC中獲取各階段狀態(tài)信息，該方法能夠在測試數(shù)據(jù)的現(xiàn)場通信中運用，具有較好的項目實用價值。

關(guān)鍵詞：OPC Server;LabVIEW; PLC通信;PLC監(jiān)測

中圖分類號：TP273?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：2095-8153（2019）01-0063-05

0?引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，對零部件生產(chǎn)工藝技術(shù)的要求也越來越高，生產(chǎn)中對各零部件的生產(chǎn)過程實時監(jiān)控就尤為重要，所以現(xiàn)在由PC與PLC所組成的控制系統(tǒng)運用得越來越廣泛。LabVIEW與PLC結(jié)合，可以搭建出分散且開放的現(xiàn)代智能工業(yè)控制系統(tǒng)。因為LabVIEW使用的是圖形化編程語言G語言，可以把復(fù)雜費時的計算機(jī)語言程序簡化成菜單或圖形的形式進(jìn)行編程，從而提高編程效率。又因為其具有豐富的圖形界面模塊、虛擬儀表、數(shù)值分析模塊、數(shù)字信號處理模塊，運用LabVIEW可以將復(fù)雜算法交給電腦完成減輕PLC的負(fù)擔(dān)，提高整個控制系統(tǒng)響應(yīng)速度。并且LabVIEW編程簡單便于現(xiàn)場工作人員的二次開發(fā)。本文以S7-300 PLC為背景介紹如何使用LabVIEW通過以太網(wǎng)對S7-300 PLC實現(xiàn)實時監(jiān)控[1][2]。

1?基于NI OPC Servers技術(shù)通信方案設(shè)計

1.1系統(tǒng)軟件與硬件設(shè)計

軟件系統(tǒng)：LabVIEW 2014，SIMATIC Step 7 V5.5，Windows XP（sp3以上），OPC Server。其中OPC Server 用于對 OPC （ OLE for Process Control ） 進(jìn)行組態(tài);LabVIEW 2014 用于編寫PC機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序;SIMATIC Step 7 V5.5用于西門子S7-300 PLC的編程。

硬件系統(tǒng)：西門子S7-300 PLC （CPU-314），AI/AO（模擬量輸入/輸出）模塊，DI/DO（數(shù)字量輸入/輸出）模塊，存儲器以及編程線纜。PC 機(jī)，網(wǎng)線，網(wǎng)卡。通信系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

1.2 基于 OPC 技術(shù)的PC與西門子S7-300 PLC數(shù)據(jù)通信

因為LabVIEW不能直接識別與讀取PLC中的數(shù)據(jù)，所以需要將PLC中的數(shù)據(jù)上載到OPC服務(wù)器中。并由OPC Server將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為LabVIEW可以識別的數(shù)據(jù)形式，之后再由LabVIEW調(diào)用轉(zhuǎn)化之后的數(shù)據(jù)來進(jìn)行監(jiān)控。這種方式有很強(qiáng)的通用性。NI公司的OPC Server 可以為大多數(shù)PLC廠商提供驅(qū)動程序，生產(chǎn)廠商只需要提供PLC的OPC服務(wù)器就可以實現(xiàn)LabVIEW與任意PLC的連接，因此省去了許多編寫底層驅(qū)動的工作，提高了編程效率[3]。

基于OPC技術(shù)的PC與西門子S7-300 PLC（CP 343-1 Lean）數(shù)據(jù)通信，從硬件上來說是通過網(wǎng)線連接PC與PLC，不需要增加其他硬件設(shè)施，只需要在SIMATIC Step 7上進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置編程并下載入PLC中實現(xiàn)連接[4]。

從軟件上講，NI OPC Servers 在配置完之后，可以運用以下四種方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信：OPC Server Client、共享變量方式、NI 分布式系統(tǒng)管理器以及Datasocket 數(shù)據(jù)綁定方式，如圖2所示。

但后三種方式一般適用于和較少量點數(shù)的OPC標(biāo)簽連接，因為在LabVIEW中添加For循環(huán)命令讀寫或編寫多段重復(fù)代碼時，當(dāng)點數(shù)增多會使讀寫速度降低導(dǎo)致執(zhí)行效率降低，不利于通信實時性，使得維護(hù)困難，因此本文選用第一種方式來實現(xiàn)。

這樣PC機(jī)與PLC實時通信就需要解決兩個問題：一個是如何建立OPC服務(wù)器里數(shù)據(jù)與西門子PLC中變量地址的逐一對應(yīng)關(guān)系;第二個是LabVIEW的監(jiān)控程序如何訪問服務(wù)器里的數(shù)據(jù)[5]。

2?通信實現(xiàn)

2.1 西門子PLC以太網(wǎng)通信的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)PC機(jī)與西門子S7-300型號 PLC進(jìn)行通信，西門子公司S7-300型號的PLC提供了三種以太網(wǎng)通信模塊分別是：CP 343-1 Lean;CP 343-1;CP 343-1 Advanced，其自帶處理器，可獨立處理數(shù)據(jù)的擁塞問題，解除CPU通信任務(wù)。出于成本以及實際運用場合考慮本文監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信模塊是CP 343-1 Lean（型號 6GK7 343-1CX10-0XE0）。用以太網(wǎng)通信方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，需要在SIMATIC Step 7 V5.5中進(jìn)行相應(yīng)配置并下載進(jìn)PLC中，如圖3所示。要注意的是以太網(wǎng)址要和PC機(jī)在同一個網(wǎng)段內(nèi)，IP 的地址格式為：xxx. xxx. xxx. xxx[6]。

2.2 NI OPC Server組態(tài)

在PC機(jī)（上位機(jī)）上建立OPC服務(wù)器，通過以太網(wǎng)建立OPC Server與PLC之間的映像關(guān)系，其關(guān)鍵步驟為：

（1）運行NI OPC Server程序，并在其中添加通道與設(shè)備信息并且添加上PLC中變量的相映射標(biāo)簽;（2）配置通道用的是以太網(wǎng)通信，在設(shè)備驅(qū)動中選擇SiemensTCP/IP Ethernet，其他均設(shè)為默認(rèn)項;（3）創(chuàng)建新設(shè)備，配置設(shè)備信息，在設(shè)備模式（Device model）列表里選擇S7-300 PLC。注意在設(shè)備地址（Device ID）中輸入的IP地址一定要與2.1節(jié)中PLC的IP地址一致，否則無法正常通信;（4）設(shè)置與PLC中變量綁定的標(biāo)簽變量，輸入變量名稱以及PLC中的對應(yīng)變量的變量地址。這樣標(biāo)簽變量就通過地址與PLC中的地址變量一一綁定了，過程如圖4所示[7][8]。

需要注意一點，PLC與LabVIEW中對數(shù)據(jù)類型的定義稍有不同，如圖4（c）中DataTyp所示內(nèi)容。在設(shè)定變量數(shù)據(jù)的類型與訪問模式（讀，寫，讀/寫）時，要選取與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。否則會影響后續(xù)的編程，其對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2.3 利用LabVIEW DSC模塊實現(xiàn)對OPC Server的訪問

NI公司設(shè)計的數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控（DSC）模塊，是專門用于分布式數(shù)據(jù)的獲取與監(jiān)控的。它可以快速地與OPC Server進(jìn)行通信并生成自己的OPC Server。使用LabVIEW DSC模塊的主要優(yōu)勢在于LabVIEW可以與DSC模塊無縫集成。對比一般的分布式數(shù)據(jù)獲取與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），它有更好的數(shù)據(jù)處理及分析能力且便于編程。

DSC模塊通過引用圖4（c）中的約束變量與OPC標(biāo)簽連接，連接好后可以使約束變量通過工業(yè)以太網(wǎng)與PC機(jī)中OPC標(biāo)簽綁定。完成OPC標(biāo)簽綁定后，在LabVIEW中建立約束變量實現(xiàn)對OPC標(biāo)簽的訪問。其步驟是：（1）LabVIEW中創(chuàng)建項目，新建I/O Server，在類型中選擇OPC Client，配置并選擇LabVIEW要連的OPC Server，從而實現(xiàn)對OPC Server訪問。（2）創(chuàng)建庫（Library）添加其約束變量與I/O Server中OPC標(biāo)簽綁定，約束變量就通過NI OPC Server與PLC中的變量進(jìn)行了綁定。（3）綁定之后將其直接拖拽入LabVIEW 的新建的VI中，約束變量就與普通變量一樣可以在LabVIEW中進(jìn)行編程操作[9]。如圖5所示。

通過新建VI進(jìn)行編程，初步建立監(jiān)控界面并測試通信是否成功。監(jiān)控界面如圖6所示[10]。

對各階段數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集并保存如表2所示。

通過試驗證明，該方式構(gòu)建的系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)對各階段數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及采集。

3?結(jié)語

本文介紹了如何使用LabVIEW通過OPC通信技術(shù)實現(xiàn)PC機(jī)與S7-300 PLC的實時通信。給出了實現(xiàn)方式的主要步驟并闡述了基本原理。該方法成功實現(xiàn)了對某液壓機(jī)的通信，PC與PLC之間通信良好。后期可通過對LabVIEW進(jìn)行編程，改進(jìn)監(jiān)控界面，實現(xiàn)監(jiān)控界面的人性化及美觀的需求。該方法成功實現(xiàn)了對某壓機(jī)的實時工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和各階段數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，有利于以后的試驗研究工作。該方法方便、快捷、可靠，對各類型PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)均適用，具有較高的推廣價值。

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