基于LabVIEW和PLC的过程控制系统的设计.doc

基于LabVIEW和PLC的过程控制系统的设计尹一鸣（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009）摘要：设计了以虚拟仪器和PLC为基础，以水箱和锅炉为被控对象的过程控制系统。采用调用动态链接库的方式，设计了LabVIEW与PLC的串口通讯模块，实现了上位机和下位机的通讯。PLC作为下位机，负责执行上位机指令和采集系统状态信息。上位机负责读取下位机采集信号，存储并实时图形显示，对设备状态进行监控，同时提供远程访问服务。系统采用模块化设计，开发效率高，界面友好，能够满足实时监控要求，运行稳定可靠。关键词：虚拟仪器；PLC；通讯接口；数据库访问 中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：Design of Process Control System Based on LabVIEW and PLCYIN Yi-ming(School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract: This paper designed a process control system based on LabVIEW and PLC to monitor water tank and boiler equipment. It used the way of calling dynamic link library files to achieve communication between LabVIEW and PLC. PLC was responsible for collecting the system state information and executed host computer instructions. PC machine received and stored the data on real-time, and at the same time it displayed the graphical on screen. PC machine monitor equipment status and provided remote access services. System uses modular design, the development is efficient and the interface is user-friendly. The system can meet the requirements and is proved to be functional properly.Key words: virtual instruments; PLC;communication interface; database access0 引言SIMATIC S7-300型PLC采用模块化、无排风扇结构，便于实现分布式的配置，在工业领域中有着广泛的应用。LabVIEW采用图形化的编程方式，具有丰富的图形界面模块，对各种通讯协议、网络以及数据库都有良好的支持。使用LabVIEW开发测控系统，界面友好，开发效率比其他语言高410倍。采用调用动态链接库的方式设计PLC与LabVIEW的通讯模块，实现上位机和下位机的通讯。并在此基础上设计了基于LabVIEW和PLC的过程控制系统。1 系统结构系统由下位机，上位机和远程客户端三部分所组成。下位机采用了西门子S7-300型PLC，CPU型号为 315-2DP。使用SM331模拟量输入模块和SM332模拟量输出模块作为信号模块，负责将不同的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配。Pt100传感器作为温度测量变送器；可移相SCR调压装置作为锅炉系统的加热控制器。BP800压力传感器用于采集水箱的液位压力，计算液位高度；QSVP-16K型电动调节阀作为水箱电磁阀的控制机构。上位机的操作界面由LabVIEW编写，负责记录采集信息，控制下位机工作和处理客户端请求。远程客户端可以对上位机进行访问。系统硬件结构如图1所示。图1 系统硬件结构2 系统软件设计2.1 数据通讯接口设计系统下位机采用的是西门子S7-300型PLC，它集成了MPI(Multi Point Interface多点接口)通信协议。MPI的物理层是RS-485，用户可以通过CP5611卡、CP5512卡或MPI适配器建立PLC的PC机之间的通讯连接。系统采用MPI适配器连接PC的COM口和PLC的MPI接口。西门子提供了PRODAVE(Process Data Traffic 过程数据交换)工具包，用于PG/PC和S7系列PLC之间的数据通讯。通过调用工具包中相应的函数，PG/PC可以对PLC中包括M, T, C, I/O各存储区中的数据进行读写。LabVIEW提供了CLF（Call LibraryFunction）节点，用于调用DLL文件的。用户需要通过CLF节点中选择相应的DLL文件，根据DLL文件提供的函数，设置对应的函数名，参数类型，返回类型，接口方式等，完成LabVIEW与硬件的通信。图2是PC与PLC通讯的结构图。图2 PC与PLC通讯的结构图PRODAVE工具包包括W95_s7.dll和Komfort.dll两个动态链接库文件，其中包括大量的基于Windows操作系统的DLL函数，供用户解决PLC与PC之间的数据交换和数据处理问题。并且通过调用PRODAVE函数的方式对PLC进行读写时，不需要在PLC端编写相应的通讯程序。所用到的函数主要包括： (1)load_tool PC机与PLC系统初始化链接；(2)unload_tool 断开PC机与PLC系统链接；(3)db_read 从PLC的DB块中读数据字；(4)db_write 向PLC的DB块中写数据字。PC与PLC通讯分为三个步骤：初始化链接；对PLC进行读写操作；断开PC机与PLC系统链接。在使用LabVIEW设计驱动时，使用顺序控制结构，分三帧按照顺序执行三个步骤。执行初始化链接通过load_tool函数完成，需要设置可激活链接数量，使用的设备协议和连接部分的地址列表指针三个参数。这里设置激活的链接数是1，使用的设备协议为“S7ONLINE”。在读取PLC信息时，需要设置操作的DB块号，从第几个字开始读取以及读取信息长度。向PLC写入信息与读取相似。在读写操作结束后，需要使用unload_tool函数断开链接，释放资源。PC与PLC通讯的程序如图3所示。图3 PC与PLC通讯的主要程序2.2 数据存储使用数据库可以方便的实现数据的存储、管理和条件查询。LabVIEW可以通过LabSQL工具包实现对数据库的访问。LabSQL工具包是基于ADO技术的免费数据库访问工具，用户只需要调用封装好的VI（LabVIEW中的程序称为VI），不需要从底层开始编程，使用LabSQL工具包可以节约了开发时间和成本。数据库采用了Microsoft Access数据库，Access利用面向对象的方式将数据库系统中的各种功能对象化，将数据库管理的各种功能封装在各类对象中，使开发应用程序更为简便。LabVIEW调用LabSQL工具包，实现对Access数据库的操作过程分为4个步骤：创建与ADO的连接，制定并打开数据源，对数据源执行读写操作，关闭与数据库的连接。本系统设计了数据保存VI和查询VI，数据保存VI记录了从PLC读取的各项数据和采集时间，查询VI用于根据条件从数据库提取相关历史记录，并在前面板上显示。图4是LabVIEW的记录存储程序。图4 记录存储程序2.3 远程访问系统远程访问采用TCP的通讯方式，LabVIEW中带有相应的TCP通讯工具包。TCP通讯分为服务器端（Server）和客户端(Client)。服务器端先对指定的端口进行侦听，当客户端需要获取相关采集数据时，向服务器端侦听的端口发送连接请求，服务器端侦听到客户端的请求后，与客户端建立连接，相互传送数据，通讯完毕后，断开连接。设计的客户端可以从服务器端远程查询历史记录，也可以对设备进行实时远程监控。当服务器端允许远程用户控制设备时，远程客户端才能取得控制权，否则远程用户只能实时查看设备采集数据。需要注意的是，由于TCP传输的数据没有结束符，所以在发送数据时，需要告知接收端发送的数据包长度。在每次发送数据时，先发送一个4位长度的信息，通知接收端，下一步发送的数据长度。图6和图7分别是服务器端和客户端通讯的流程图。图6 服务器端TCP通讯流程图图7 客户端TCP通讯流程图2.4 控制器和界面设计在设计控制器时，设计了手动操作和PID控制器，用户可以根据需要使用用户操作面板上的按钮进行切换。为了保持操作界面的简洁，PID控制器的参数整定以窗口的形式设计，点击“PID参数设定按钮”，系统弹出参数整定界面，用户输入相应的参数，关闭窗口，参数值被赋予PID参数全局变量。控制器在控制时，参数从从全局变量中获取，远程用户对设备控制时，也是通过修改PID全局变量值，完成对设备的控制。系统界面用于显示设备状态信息，提供用户操作窗口。LabVIEW提供了开关，旋钮，波形显示等丰富的控件，用户可以通过鼠标键盘对其进行类似于真实仪器的操作。上位机界面如图5所示。图5 上位机界面3 结束语工作主要是设计基于西门子S7-300型PLC和LabVIEW的过程控制系统平台。通过调用库函数的方法实现LabVIEW与PLC的串口通讯，不仅开发效率高，而且数据传输速度快，正确率高。平台采用模块化的设计方法，方便更换控制策略。测试表明，平台能够满足实时采集数据的要求，运行稳定可靠。参考文献：1 吴成东,孙秋野,盛科. LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用. 北京:人民邮电出版社,2008 :198-217.2 郭铁桥,闫迎志. 基于LabVIEW的电梯远程监控系统. 仪