基于LabVIEW的Rockwell-HOTS實驗系統(tǒng)優(yōu)化設計①

向 前， 楊 路， 陶 沙

(1.銅陵學院電氣工程學院，安徽 銅陵 244000；2.安徽公安職業(yè)學院信息網絡安全監(jiān)察系，安徽 合肥 230031)

0 引 言

實驗是高等教育的必要環(huán)節(jié)，是提升學生實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質的有效手段之一[1～2]。隨著高等教育改革的不斷進行，各個高校都投入了巨大的人力物力建設實驗室及購買實驗設備。銅陵學院與羅克韋爾公司共建Rockwell-HOTS實驗系統(tǒng)，基于CCW等專用軟件實現(xiàn)對變頻器、PLC等工控設備控制功能。該系統(tǒng)存在如下不足：(1)該實驗系統(tǒng)投資較大，卻沒有提供相應的監(jiān)控平臺，管理人員無法隨時監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)境情況，一旦發(fā)生突發(fā)狀況可能導致巨大的損失；(2)需要專門學習Rockwell CCW等知識后方可使用等，通用性、可操作性較差。針對上述不足之處，基于LabVIEW對Rockwell-HOTS實驗系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，基于網絡、計算機技術、軟件與自動化技術的深度交織，使得學生可以方便的開展各種設備操作的同時監(jiān)控實驗系統(tǒng)的安全狀況。提高了系統(tǒng)的利用率，方便實驗室管理工作并且降低了維護成本，在教學和經濟方面都具有重要意義。

1 總體結構

Rockwell-HOTS實驗系統(tǒng)結構如圖1所示，包括20套HOTS設備，每套設備包括：工控機、PLC、變頻器等?；诠I(yè)4.0理念，整合了工業(yè)自動化中的順序控制、過程控制、傳動控制等控制需求。針對該系統(tǒng)的不足之處，基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境，融合嵌入式技術、OPC、LabVIEW web service、以太網通信等實現(xiàn)Rockwell-HOTS系統(tǒng)的優(yōu)化設計。具體內容包括：(1)基于LabVIEW與嵌入式技術設計了Rockwell-HOTS監(jiān)控系統(tǒng)，包括監(jiān)控器與監(jiān)控程序，提供了上位機和瀏覽器等多種方式實時監(jiān)控實驗系統(tǒng)情況，降低了人力與物力成本，提高了可靠性；(2)在每套HOTS工控機上開發(fā)基于LabVIEW的HOTS設備控制上位機，可以方便的操作HOTS系統(tǒng)中的PLC、變頻器等設備，降低了使用門檻，擴展應用范圍，具備良好的可操作性。

圖1 Rockwell-HOTS實驗系統(tǒng)圖

2 優(yōu)化設計

2.1 基于LabVIEW的HOTS控制上位機

基于LabVIEW在工控機上開發(fā)HOTS控制上位機實現(xiàn)對PLC、變頻器等設備的控制，HOTS采用Rockwell Micro850PLC，PF525變頻器，工控機上包含多個232接口，通過232/485方式與PLC、變頻器通信。采用OPC Server與OPC Client[3～4]的方式實現(xiàn)對PLC的控制功能，RSLink是Rockwell公司通用的通信配置程序，提供PLC產品和其它基于PC的應用軟件如編程軟件、HMI軟件等的數據通訊驅動和接口，數據的通信可以通過DDE/OPC實現(xiàn)，支持遠程OPC應用與OPC Server，基于RSLink實現(xiàn)LabVIEW與PLC通信流程如圖2所示。

圖2 基于RSLink的通信流程圖

這里需要注意以下幾點：(1) OPC Server中設置的地址與波特率要與PLC的一致；(2) 使用串口訪問PLC時，即使訪問PLC中的某一位，也要使用byte類型，如果使用bool類型，則在OPC Server中的值不會發(fā)生變化。比如SBit_Bool和SBit都是關聯(lián)SM0.5這一位，SBit定義為Byte類型，而SBit_Bool定義為bool類型，在Quick Client中觀察到SBit_Bool的值始終不發(fā)生改變；(3) 使用串口進行OPC Server的使用，如果波特率設置為9600會發(fā)現(xiàn)OPC Server中讀取到的值和實際值不匹配，變化速度比實際上慢，原因是波特率太低了，測試修改為19200即可；(4) 在LabVIEW中建立OPC Client 的IO Server，注意默認的更新時間為1000ms，在很多場合都不能滿足需求，可以適當把更新時間該小，這里設置為100ms。

工控機與變頻器采用RS232/485方式進行通信，工控機為主機，變頻器為從機。主要通信協(xié)議如下：03h：讀取保持寄存器；06h：寫入單個寄存器；10h：寫入多個寄存器。寄存器地址2000h：變頻器的控制指令；寄存器地址2001h：變頻器的通信頻率指令，以0.01Hz為單位；寄存器地址2100h：變頻器的邏輯狀態(tài)；寄存器地址2101h：變頻器的錯誤代碼；寄存器地址2102h到210Ah：變頻器的操作值。變頻器地址為01h，當需要運行頻率20Hz，0.01Hz為單位，應寫入數值2000，轉換為十六進制是7d0h，那么指令就是：01 06 2001 07d0，校驗碼是從變頻器地址開始到指令內容結束求和，然后取2的補碼。所以上述指令的校驗碼是：01h+06h+20h+01h+07h+d0h=ffh，然后取2的補碼=01h。所以最終發(fā)送的指令是：01 06 2001 07d0 01h。確定好指令后，在LabVIEW中利用VISA vis發(fā)送指令實現(xiàn)控制功能，用到了VISA配置串口，讀取與寫入，關閉等vis。具體的流程如下：基于232/485方式的通信首先需要設定串口參數，比如端口號，數據的位數，波特率，校驗停止位等等，設定參數完成端口的初始化操作，之后就可以寫入對變頻器的指令，針對寫入指令變頻器會有不同的返回信息，可以通過VISA讀取，通信結束后關閉串口，結束整個過程。

2.2 基于LabVIEW的監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.2.1 硬件設計

監(jiān)控器是監(jiān)控系統(tǒng)的硬件單元，借助各種環(huán)境傳感器監(jiān)控Rockwell-HOTS實驗系統(tǒng)的環(huán)境情況。硬件結構如圖3所示，由信息處理模塊和供電模塊組成：(1)信息處理模塊是硬件的核心單元，包括信號調理電路、模擬/數字轉換電路、光信號隔離電路、微處理器及周邊電路、傳感器電路、液晶顯示電路和無線網卡電路等?？紤]到可能存在的各種干擾的影響，傳感器電路將溫濕度等非電信號轉換成電信號后，首先經過信號調理與光耦隔離，提高了信號的精度與可靠性，再傳輸給AD進行采樣。無線網卡電路在核心處理器STM32F103VET6的控制下進行數據的傳輸的工作，液晶顯示面板可以實時顯示實驗系統(tǒng)的環(huán)境信息；(2)實驗系統(tǒng)提供了220V的交流電，所以采用降壓-整流-濾波-穩(wěn)壓的原理設計。光信號隔離電路要求兩端供電不共地，所以在設計中應用了隔離模塊，LDO輸出供給AD等精密器件。

圖3 監(jiān)控器硬件結構

圖4 數據發(fā)送與接收流程圖

2.2.2 軟件設計

系統(tǒng)軟件由下位機與上位機程序構成。下位機程序運行在監(jiān)控器，主要功能包括：(1)通過溫濕度等環(huán)境傳感器周期性的采集環(huán)境信息；(2)通過無線網絡傳輸給監(jiān)控上位機。數據發(fā)送與接收流程圖如圖4所示[5～6]。以溫濕度傳感器DHT11為例，監(jiān)控器上電初始化之后，由于不穩(wěn)定狀態(tài)的存在，一般需要等待1s后開始采集工作，不穩(wěn)定狀態(tài)期間不發(fā)送命令。需要注意的是，DHT11傳感器一開始處于低功耗模式，在STM32F103VET6發(fā)送一次開始信號后，DHT11切換到高速模式，開始信號發(fā)送完畢，DHT11發(fā)送響應信號并觸發(fā)一次信號采集。DHT11在沒有接收到開始信號的前提下不會進行溫濕度采集，采集動作完成后DHT11自動轉換到低速模式。監(jiān)控器上設計了液晶顯示面板，移植μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)提供了就地顯示功能。源代碼可以在Micrium官網下載，找到STMicroelectronics，選擇Keil MDK平臺、在Cortex-M3內核MCU評估板上測試的μC/OS-Ⅲ源碼。將μC/OS-Ⅲ源碼移植到監(jiān)控器后為了保證移植成功，需要選擇一個硬件定時器驅動SysTick (μC/OS-Ⅲ的時基時鐘)帶動μC/OS-Ⅲ的運行?？梢栽趹弥姓{用μC/OS-Ⅲ的延時函數測試延時時間是否正確，正確即說明系統(tǒng)移植成功，如圖5所示。

圖5 監(jiān)控器

圖6 基于LabVIEW的變頻器控制

圖7 基于LabVIEW的監(jiān)控上位機

LabVIEW是NI公司的虛擬儀器平臺開發(fā)軟件，采用了圖形化編程語言，簡單易學，開發(fā)效率高，在高校及企事業(yè)單位得到了廣泛的應用?；贚abVIEW開發(fā)的監(jiān)控上位機包括如下功能：(1)數據顯示，實時顯示當前環(huán)境的溫濕度、視頻等信息；(2)報警指示，根據各種環(huán)境傳感器的采樣信息(包括CO2、火焰、煙霧等)判斷是否超出上下限數值，如果是則指示燈會變紅；(3)數據通信，實現(xiàn)與監(jiān)控器之間的數據傳輸?；贚abVIEW的web service提供基于瀏覽器端的訪問功能，管理人員可借助瀏覽器實現(xiàn)監(jiān)控功能。web publish tool[7]和內置函數是LabVIEW提供了兩種web訪問方式， LabVIEW的web publish tool與其他web服務器功能類似，為了正確的發(fā)布并通過瀏覽器成功訪問，需要注意如下問題：(1) 進入程序框圖面板的web服務器配置，勾選SSL選項，同時在主機上查詢證書信息；(2) 進入前面板框圖的web 發(fā)布工具，在這里將看到顯示器，內嵌與快照等三種選擇模式，一般選擇內嵌模式；(3)管理人員通過瀏覽器端進行訪問前需要將瀏覽器模式切換到兼容模式，否則無法正常顯示內容，設置完成后只需在瀏覽器輸入URL即可。內置函數使用前要先配置LabVIEW的web server，包括monitor與snap兩種函數，其中monitor函數能夠發(fā)布動態(tài)vis。這里選擇web publish tool提供web訪問，需要注意的是，web publish tool允許瀏覽器端用戶請求vi控制權，當瀏覽器端的用戶獲取控制權后，LabVIEW環(huán)境下會丟失控制權限。

3 結 語

針對Rockwell-HOTS實驗系統(tǒng)的不足之處，在原有平臺的基礎上，通過適當添加硬件設備，用LabVIEW取代原有CCW梯形圖編程方式開發(fā)了實驗設備控制上位機與監(jiān)控上位機，如圖6-7所示。方便了用戶操作，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了維護成本，在教學和經濟方面都具有重要意義。同時，由于采用了OPC進行通信，現(xiàn)有OPC只能在Windows平臺下運用，在跨平臺等方面存在不足，OPC基金會提出了OPC UA，能夠將OPC技術拓展到Linux、Unix、Mac等平臺，具備較好的跨平臺性，并且在通信性能、安全性、可靠性等方面有了更好提升。因此，下一步可以進行的研究工作包括：(1)基于OPC UA實現(xiàn)應用的跨平臺性,進一步提高系統(tǒng)的可靠性。(2)基于LabVIEW針對HOTS實驗平臺開發(fā)更多的控制功能。(3)界面的美化。