摘 要：針對現(xiàn)代工業(yè)過程控制中實(shí)時(shí)通訊要求和現(xiàn)場總線存在的缺點(diǎn)，用現(xiàn)在流行的開放式標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)OPC規(guī)范，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的PC與PCC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊方案,并給出了具體的實(shí)現(xiàn)過程。該方案已成功運(yùn)用于“面向高分子及其復(fù)合材料開發(fā)的測試關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)”中，實(shí)際應(yīng)用證明了該方案可省去復(fù)雜的語言編程，簡化開發(fā)過程，是一種建立全面的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化的有效方法。

關(guān)鍵詞：OPC，PCC，LabVIEW，實(shí)時(shí)通訊

Abstract: To realize real-time communication in modern industrial process control and to ameliorate the deficiency of field-bus, the real-time data communication between PC and PCC based on OPC is designed, by using LabVIEW as the upper supervisory software. And also the detailed produces and programs are given out. This design method is successfully applied to the key technologies test platform on facing polymer macromolecule and polymer composite development. The result shows that this method can dispense with complicated programming, simplify the process of development. It is a efficient method to build facilely comprehensive industry automation control system and implement networked measurement and control system.

Keywords: OPC,PCC,LabVIEW,Real-time Communication

1 引言

PC機(jī)與PCC（Programmable Computer Controller）通訊時(shí)，PCC作為下位機(jī)完成輸出控制、數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)判別工作，PC機(jī)完成資料（數(shù)據(jù)）分析、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示、打印輸出，以實(shí)現(xiàn)對被控系統(tǒng)的監(jiān)控。此系統(tǒng)工作模式已在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，如何有效而簡便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊一直是人們想解決的問題。OPC（OLE for Process Control）技術(shù)的出現(xiàn)為解決此問題提供了可能。

OPC是一種基于window NT技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，使得在使用第三方硬件時(shí)，只要硬件開發(fā)商提供OPC Server軟件，開發(fā)人員無需編寫低層的驅(qū)動(dòng)程序，通過用戶軟件的OPC Client，即可與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，不同廠家之間軟硬件的集成變得易于實(shí)現(xiàn)。采用OPC技術(shù)，客戶不需要了解工控系統(tǒng)的內(nèi)核，而只需要以O(shè)PC Client/OPC Server的訪問方式獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[1,2,3,4]。

本文詳細(xì)介紹了一種基于LabVIEW的PC與B&R PCC2003實(shí)時(shí)通訊的具體實(shí)現(xiàn)過程，成功地實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

面向高分子及其復(fù)合材料開發(fā)的測試關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)用于聚合物材料的性能測試。主要包括毛細(xì)管流變單元、單螺桿擠出單元和注塑單元等功能模塊單元，其控制系統(tǒng)采用基于CAN的現(xiàn)場總線智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制器選用B&R可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC2003?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

其中，主控制站負(fù)責(zé)主機(jī)驅(qū)動(dòng)，CAN I/O擴(kuò)展站負(fù)責(zé)毛細(xì)管流變單元、密煉單元以及注塑單元等功能模塊單元的控制;人機(jī)界面為現(xiàn)場操作單元;計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理以及輸出測試結(jié)果。因此，實(shí)現(xiàn)PC與主控制站PCC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換是該測控系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

設(shè)計(jì)中上位機(jī)選用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)選用B&R（貝加萊）公司PCC2003系統(tǒng)。PC與PCC之間的物理連接采用RS232接口，上位機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)態(tài)信號(hào)處理系統(tǒng)基于LabVIEW8.0軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)。

3 通訊方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

LabVIEW將需要發(fā)布的數(shù)據(jù)送到OPC服務(wù)器后，通過串口RS232傳給底層設(shè)備（PCC）;PCC的數(shù)據(jù)傳到OPC服務(wù)器，LabVIEW讀取數(shù)據(jù)并在前面板中顯示出來，從而得到現(xiàn)場數(shù)據(jù)。其中，OPC可稱為“軟件總線”，應(yīng)用程序讀取OPC數(shù)據(jù)源， OPC Server將現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OPC統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)，從而可以使配置更加簡潔、通用。在這里，OPC提供的數(shù)據(jù)類型主要有：①實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)：料筒溫度、熔體壓力、螺桿扭矩、轉(zhuǎn)速等。②控制參數(shù)：開、關(guān)、運(yùn)行狀態(tài)信息、硬件連接狀態(tài)和軟件系統(tǒng)狀態(tài)等。 　　因此，基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)PC與PCC的實(shí)時(shí)通訊，關(guān)鍵在于如何建立OPC服務(wù)器各數(shù)據(jù)項(xiàng)與PCC中各端口地址一一對應(yīng)并實(shí)現(xiàn)連接，以及在LabVIEW中開發(fā)的各實(shí)時(shí)監(jiān)控程序如何訪問OPC服務(wù)器。

3.1 PCC與OPC服務(wù)器實(shí)時(shí)通信的實(shí)現(xiàn)

3.1.1 PCC通信參數(shù)設(shè)置

設(shè)置PCC與PC通訊的基本參數(shù)（如通訊端口地址、通訊協(xié)議、通訊波特率等）供OPC服務(wù)器使用，并開放PC訪問PCC需要的內(nèi)存區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。

3.1.2 OPC服務(wù)器的建立

使用OPC通信協(xié)議，需運(yùn)行一個(gè)OPC服務(wù)器，需對OPC Server組態(tài)[5]，如圖2所示。

圖2 OPC 服務(wù)器設(shè)置

1）通信路徑設(shè)置

通信路徑設(shè)置包括PVI（Process Visualization Interface）Connections, Lines, Devices, Stations, CPUs，Tasks的設(shè)置，其對應(yīng)功能如表1所示。其中PVI Connections可以設(shè)置為本地通信或基于TCP/IP的遠(yuǎn)程通信。

2） OPC Server對象設(shè)置

OPC Server由三類對象組成：服務(wù)器（Server）對象、組（Group）對象、數(shù)據(jù)項(xiàng)（Item） 對象，它們共同實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器接口定義功能。OPC服務(wù)器對象是OPC組對象的容器，通過調(diào)用OPC服務(wù)器對象建立應(yīng)用程序和底層設(shè)備的會(huì)話，并返回會(huì)話句柄，使用此句柄可以在OPC服務(wù)器對象的基礎(chǔ)上創(chuàng)建OPC組對象。OPC組對象是一系列相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，通過在它上面創(chuàng)建OPC項(xiàng)對象，建立與現(xiàn)場測試節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，訪問OPC項(xiàng)對象就可返回現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)。OPC項(xiàng)定義了數(shù)據(jù)的數(shù)值（Value）、品質(zhì)（Quality）、時(shí)間戳（TimeStamp）、設(shè)備號(hào)（Device NO.）、板卡號(hào)（Board NO.）、通道號(hào)（Channel No.）等屬性。

OPC Server對象對應(yīng)PCC內(nèi)存區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)特定地址的變量，LabVIEW通過OPC Client, OPC Server用這些變量與PCC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。服務(wù)器對象、組對象與數(shù)據(jù)項(xiàng)對象可以形成樹狀目錄管理，最多可建立6層目錄。在每個(gè)對象對應(yīng)的參數(shù)對話框中設(shè)置其參數(shù)并選擇其通信路徑，數(shù)據(jù)項(xiàng)對象的數(shù)據(jù)類型及地址等要與PCC變量一致。

3） OPC Server訪問方式配置

訪問OPC服務(wù)器的方式有兩種：本地訪問（Local Communication）和遠(yuǎn)程訪問（Network Communication）。在“Server Parameter”中配置OPC Server的訪問方式。通常情況下，為了實(shí)現(xiàn)透明訪問，OPC服務(wù)器和客戶程序位于不同的機(jī)器上，客戶程序通過提供遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)名和OPC服務(wù)器ID實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問OPC服務(wù)器。OPC服務(wù)器和客戶程序也可以位于同一計(jì)算機(jī)上，此時(shí)可以設(shè)置為本地訪問或遠(yuǎn)程訪問OPC服務(wù)器。

3.2 LabVIEW與OPC Server實(shí)時(shí)通訊的實(shí)現(xiàn)

PC與PCC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信任務(wù)是通過LabVIEW實(shí)時(shí)讀寫PCC中的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。由于LabVIEW軟件平臺(tái)支持DataSocket技術(shù)，因此LabVIEW可以通過DataSocket中隱含的一個(gè)NI OPC Client與B&R PVI OPC Server進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)PC與PCC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。

在LabVIEW中利用DataSocket技術(shù)訪問OPC服務(wù)器從而實(shí)現(xiàn)與PCC實(shí)時(shí)通訊的方法有兩種[6,7]：

1） 前面板控件直接鏈接

DataSocket的前面板對象連接是不需要任何編程的數(shù)據(jù)傳輸方法，只需將前面板對象與OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)對象一一對應(yīng)即可。因此在數(shù)據(jù)變量關(guān)系不是很復(fù)雜的情況下，用前面板對象連接方法更加簡單，可以大大節(jié)省編程時(shí)間，提高開發(fā)效率。建立前面板對象與OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)對象鏈接的方法是：在需要鏈接的前面板對象上右擊，在彈出的對話框中選擇Properties選項(xiàng)中的Data Binding，彈出如圖3所示的對話框進(jìn)行前面板對象的鏈接設(shè)置。

圖3前面板控件鏈接

在Data Binding Selecting的下拉菜單中選擇DataSocket;在Mode中選擇鏈接的類型后，在DataSocket URL旁選擇DSTP Server,這時(shí)就會(huì)鏈接到剛剛設(shè)置好的OPC服務(wù)器上，選擇與正在設(shè)置的變量對應(yīng)的服務(wù)器上的變量名即可，如圖4所示。鏈接后前面板對象的右上角會(huì)出現(xiàn)一個(gè)鏈接指示燈，運(yùn)行程序時(shí)，若鏈接正確指示燈顯示綠色，否則為紅色。

2）DataSocket 編程

利用控件屬性直接鏈接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，具有無須編程、簡單易用的特點(diǎn);缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)不透明，只能在客戶端設(shè)置好的控件間傳輸、顯示，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理。如果需要在客戶端處理服務(wù)器傳入的數(shù)據(jù)，必須利用DataSocket函數(shù)庫提供的API函數(shù)模塊，通過編程實(shí)現(xiàn)。

圖4 OPC服務(wù)器上的變量名的鏈接

DataSocket函數(shù)庫包含Open、Close、 Read、Write和Select等功能模塊。DataSocket Read和DataSocket Write函數(shù)讀寫數(shù)據(jù)之前，必須用DataSocket Open函數(shù)打開URL指定的與OPC服務(wù)器中的項(xiàng)相對應(yīng)的連接，其中URL的格式opc://localhost/servername/itemID，其中opc指DataSocket傳輸協(xié)議，中間兩段分別指宿主機(jī)IP地址或標(biāo)識(shí)和服務(wù)器的名字，最后一段是數(shù)據(jù)項(xiàng)，這一項(xiàng)名要與OPC服務(wù)器中對應(yīng)項(xiàng)項(xiàng)名一致。另外為了保證讀取數(shù)據(jù)不丟失，在DataSocket Open函數(shù)中利用一個(gè)枚舉類型的常數(shù)設(shè)置DataSocket連接的模式為緩沖模式;為了提高寫數(shù)據(jù)的效率，可以將讀寫的數(shù)據(jù)如單精度浮點(diǎn)數(shù)、無符號(hào)整型量和開關(guān)量都統(tǒng)一通過Variant函數(shù)轉(zhuǎn)換成變體的數(shù)據(jù)類型，尤其是在寫傳輸數(shù)據(jù)的屬性如時(shí)間、名稱的時(shí)候需要轉(zhuǎn)換函數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

“面向高分子及其復(fù)合材料開發(fā)的測試關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)”中的單螺桿擠出模塊是目前測試平臺(tái)所有模塊中最復(fù)雜的一個(gè)測試模塊，它要求測試精度高，涉及的變量種類多，要求能夠?qū)崟r(shí)顯示并保存現(xiàn)場的壓力值、四段溫度值，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩，振動(dòng)信號(hào)的幅度、頻率，擠出產(chǎn)品的重量等，并有嚴(yán)格的時(shí)間控制要求，還要進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的報(bào)警保護(hù)設(shè)置。運(yùn)行LabVIEW程序，設(shè)置完所有參數(shù)后，點(diǎn)擊“開始測試”進(jìn)行測試，如圖5所示。

圖5 基于OPC通信的單螺桿擠出模塊測試

在右側(cè)上方的單螺桿擠出模塊模型顯示區(qū)，能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前擠出機(jī)的四段溫度值，壓力值，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩，振動(dòng)信號(hào)的幅度、頻率，擠出產(chǎn)品的重量實(shí)際值等。整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率快，精確性好，達(dá)到了工業(yè)現(xiàn)場高效率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸要求，大大降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中的差錯(cuò)率，證明該通信方案的有效性。

5 結(jié)束語

此方法同樣適用于Profibus，CAN等通訊總線。 LabVIEW軟件平臺(tái)可以同時(shí)與多個(gè)OPC服務(wù)器相連，一個(gè)OPC服務(wù)器也可與多個(gè)PCC相連，用戶可以自行定義、增加或刪除，從而很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和具有更高的系統(tǒng)互連性，并且可以滿足大量數(shù)據(jù)源通信的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。本系統(tǒng)通信方案的有效實(shí)現(xiàn)對于同類型的系統(tǒng)有很高的實(shí)用參考價(jià)值。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：首次將工控領(lǐng)域的最新技術(shù)————OPC技術(shù)，應(yīng)用到聚合物加工領(lǐng)域;將OPC接口技術(shù)作為開放工控系統(tǒng)的中間件，LabVIEW作為上位機(jī)用戶界面開發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)了多變量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的批處理，最終實(shí)現(xiàn)精密化控制，并為系統(tǒng)的信息集成提供了全面解決方案。

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