基于LabVIEW的Rockwell-HOTS实验系统优化设计①

向 前， 杨 路， 陶 沙

(1.铜陵学院电气工程学院，安徽 铜陵 244000；2.安徽公安职业学院信息网络安全监察系，安徽 合肥 230031)

0 引 言

实验是高等教育的必要环节，是提升学生实践能力、创新能力和综合素质的有效手段之一[1～2]。随着高等教育改革的不断进行，各个高校都投入了巨大的人力物力建设实验室及购买实验设备。铜陵学院与罗克韦尔公司共建Rockwell-HOTS实验系统，基于CCW等专用软件实现对变频器、PLC等工控设备控制功能。该系统存在如下不足：(1)该实验系统投资较大，却没有提供相应的监控平台，管理人员无法随时监控系统的环境情况，一旦发生突发状况可能导致巨大的损失；(2)需要专门学习Rockwell CCW等知识后方可使用等，通用性、可操作性较差。针对上述不足之处，基于LabVIEW对Rockwell-HOTS实验系统进行优化设计，基于网络、计算机技术、软件与自动化技术的深度交织，使得学生可以方便的开展各种设备操作的同时监控实验系统的安全状况。提高了系统的利用率，方便实验室管理工作并且降低了维护成本，在教学和经济方面都具有重要意义。

1 总体结构

Rockwell-HOTS实验系统结构如图1所示，包括20套HOTS设备，每套设备包括：工控机、PLC、变频器等。基于工业4.0理念，整合了工业自动化中的顺序控制、过程控制、传动控制等控制需求。针对该系统的不足之处，基于LabVIEW开发环境，融合嵌入式技术、OPC、LabVIEW web service、以太网通信等实现Rockwell-HOTS系统的优化设计。具体内容包括：(1)基于LabVIEW与嵌入式技术设计了Rockwell-HOTS监控系统，包括监控器与监控程序，提供了上位机和浏览器等多种方式实时监控实验系统情况，降低了人力与物力成本，提高了可靠性；(2)在每套HOTS工控机上开发基于LabVIEW的HOTS设备控制上位机，可以方便的操作HOTS系统中的PLC、变频器等设备，降低了使用门槛，扩展应用范围，具备良好的可操作性。

图1 Rockwell-HOTS实验系统图

2 优化设计

2.1 基于LabVIEW的HOTS控制上位机

基于LabVIEW在工控机上开发HOTS控制上位机实现对PLC、变频器等设备的控制，HOTS采用Rockwell Micro850PLC，PF525变频器，工控机上包含多个232接口，通过232/485方式与PLC、变频器通信。采用OPC Server与OPC Client[3～4]的方式实现对PLC的控制功能，RSLink是Rockwell公司通用的通信配置程序，提供PLC产品和其它基于PC的应用软件如编程软件、HMI软件等的数据通讯驱动和接口，数据的通信可以通过DDE/OPC实现，支持远程OPC应用与OPC Server，基于RSLink实现LabVIEW与PLC通信流程如图2所示。

图2 基于RSLink的通信流程图

这里需要注意以下几点：(1) OPC Server中设置的地址与波特率要与PLC的一致；(2) 使用串口访问PLC时，即使访问PLC中的某一位，也要使用byte类型，如果使用bool类型，则在OPC Server中的值不会发生变化。比如SBit_Bool和SBit都是关联SM0.5这一位，SBit定义为Byte类型，而SBit_Bool定义为bool类型，在Quick Client中观察到SBit_Bool的值始终不发生改变；(3) 使用串口进行OPC Server的使用，如果波特率设置为9600会发现OPC Server中读取到的值和实际值不匹配，变化速度比实际上慢，原因是波特率太低了，测试修改为19200即可；(4) 在LabVIEW中建立OPC Client 的IO Server，注意默认的更新时间为1000ms，在很多场合都不能满足需求，可以适当把更新时间该小，这里设置为100ms。

工控机与变频器采用RS232/485方式进行通信，工控机为主机，变频器为从机。主要通信协议如下：03h：读取保持寄存器；06h：写入单个寄存器；10h：写入多个寄存器。寄存器地址2000h：变频器的控制指令；寄存器地址2001h：变频器的通信频率指令，以0.01Hz为单位；寄存器地址2100h：变频器的逻辑状态；寄存器地址2101h：变频器的错误代码；寄存器地址2102h到210Ah：变频器的操作值。变频器地址为01h，当需要运行频率20Hz，0.01Hz为单位，应写入数值2000，转换为十六进制是7d0h，那么指令就是：01 06 2001 07d0，校验码是从变频器地址开始到指令内容结束求和，然后取2的补码。所以上述指令的校验码是：01h+06h+20h+01h+07h+d0h=ffh，然后取2的补码=01h。所以最终发送的指令是：01 06 2001 07d0 01h。确定好指令后，在LabVIEW中利用VISA vis发送指令实现控制功能，用到了VISA配置串口，读取与写入，关闭等vis。具体的流程如下：基于232/485方式的通信首先需要设定串口参数，比如端口号，数据的位数，波特率，校验停止位等等，设定参数完成端口的初始化操作，之后就可以写入对变频器的指令，针对写入指令变频器会有不同的返回信息，可以通过VISA读取，通信结束后关闭串口，结束整个过程。

2.2 基于LabVIEW的监控系统设计

2.2.1 硬件设计

监控器是监控系统的硬件单元，借助各种环境传感器监控Rockwell-HOTS实验系统的环境情况。硬件结构如图3所示，由信息处理模块和供电模块组成：(1)信息处理模块是硬件的核心单元，包括信号调理电路、模拟/数字转换电路、光信号隔离电路、微处理器及周边电路、传感器电路、液晶显示电路和无线网卡电路等。考虑到可能存在的各种干扰的影响，传感器电路将温湿度等非电信号转换成电信号后，首先经过信号调理与光耦隔离，提高了信号的精度与可靠性，再传输给AD进行采样。无线网卡电路在核心处理器STM32F103VET6的控制下进行数据的传输的工作，液晶显示面板可以实时显示实验系统的环境信息；(2)实验系统提供了220V的交流电，所以采用降压-整流-滤波-稳压的原理设计。光信号隔离电路要求两端供电不共地，所以在设计中应用了隔离模块，LDO输出供给AD等精密器件。

图3 监控器硬件结构

图4 数据发送与接收流程图

2.2.2 软件设计

系统软件由下位机与上位机程序构成。下位机程序运行在监控器，主要功能包括：(1)通过温湿度等环境传感器周期性的采集环境信息；(2)通过无线网络传输给监控上位机。数据发送与接收流程图如图4所示[5～6]。以温湿度传感器DHT11为例，监控器上电初始化之后，由于不稳定状态的存在，一般需要等待1s后开始采集工作，不稳定状态期间不发送命令。需要注意的是，DHT11传感器一开始处于低功耗模式，在STM32F103VET6发送一次开始信号后，DHT11切换到高速模式，开始信号发送完毕，DHT11发送响应信号并触发一次信号采集。DHT11在没有接收到开始信号的前提下不会进行温湿度采集，采集动作完成后DHT11自动转换到低速模式。监控器上设计了液晶显示面板，移植μC/OS-Ⅲ操作系统提供了就地显示功能。源代码可以在Micrium官网下载，找到STMicroelectronics，选择Keil MDK平台、在Cortex-M3内核MCU评估板上测试的μC/OS-Ⅲ源码。将μC/OS-Ⅲ源码移植到监控器后为了保证移植成功，需要选择一个硬件定时器驱动SysTick (μC/OS-Ⅲ的时基时钟)带动μC/OS-Ⅲ的运行。可以在应用中调用μC/OS-Ⅲ的延时函数测试延时时间是否正确，正确即说明系统移植成功，如图5所示。

图5 监控器

图6 基于LabVIEW的变频器控制

图7 基于LabVIEW的监控上位机

LabVIEW是NI公司的虚拟仪器平台开发软件，采用了图形化编程语言，简单易学，开发效率高，在高校及企事业单位得到了广泛的应用。基于LabVIEW开发的监控上位机包括如下功能：(1)数据显示，实时显示当前环境的温湿度、视频等信息；(2)报警指示，根据各种环境传感器的采样信息(包括CO2、火焰、烟雾等)判断是否超出上下限数值，如果是则指示灯会变红；(3)数据通信，实现与监控器之间的数据传输。基于LabVIEW的web service提供基于浏览器端的访问功能，管理人员可借助浏览器实现监控功能。web publish tool[7]和内置函数是LabVIEW提供了两种web访问方式， LabVIEW的web publish tool与其他web服务器功能类似，为了正确的发布并通过浏览器成功访问，需要注意如下问题：(1) 进入程序框图面板的web服务器配置，勾选SSL选项，同时在主机上查询证书信息；(2) 进入前面板框图的web 发布工具，在这里将看到显示器，内嵌与快照等三种选择模式，一般选择内嵌模式；(3)管理人员通过浏览器端进行访问前需要将浏览器模式切换到兼容模式，否则无法正常显示内容，设置完成后只需在浏览器输入URL即可。内置函数使用前要先配置LabVIEW的web server，包括monitor与snap两种函数，其中monitor函数能够发布动态vis。这里选择web publish tool提供web访问，需要注意的是，web publish tool允许浏览器端用户请求vi控制权，当浏览器端的用户获取控制权后，LabVIEW环境下会丢失控制权限。

3 结 语

针对Rockwell-HOTS实验系统的不足之处，在原有平台的基础上，通过适当添加硬件设备，用LabVIEW取代原有CCW梯形图编程方式开发了实验设备控制上位机与监控上位机，如图6-7所示。方便了用户操作，提高了系统的可靠性，降低了维护成本，在教学和经济方面都具有重要意义。同时，由于采用了OPC进行通信，现有OPC只能在Windows平台下运用，在跨平台等方面存在不足，OPC基金会提出了OPC UA，能够将OPC技术拓展到Linux、Unix、Mac等平台，具备较好的跨平台性，并且在通信性能、安全性、可靠性等方面有了更好提升。因此，下一步可以进行的研究工作包括：(1)基于OPC UA实现应用的跨平台性,进一步提高系统的可靠性。(2)基于LabVIEW针对HOTS实验平台开发更多的控制功能。(3)界面的美化。