向 前， 楊 路， 陶 沙

(1.銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.安徽公安職業(yè)學(xué)院信息網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)察系，安徽 合肥 230031)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)是高等教育的必要環(huán)節(jié)，是提升學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的有效手段之一[1～2]。隨著高等教育改革的不斷進(jìn)行，各個(gè)高校都投入了巨大的人力物力建設(shè)實(shí)驗(yàn)室及購(gòu)買實(shí)驗(yàn)設(shè)備。銅陵學(xué)院與羅克韋爾公司共建Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于CCW等專用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器、PLC等工控設(shè)備控制功能。該系統(tǒng)存在如下不足：(1)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)投資較大，卻沒(méi)有提供相應(yīng)的監(jiān)控平臺(tái)，管理人員無(wú)法隨時(shí)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(dǎo)致巨大的損失；(2)需要專門學(xué)習(xí)Rockwell CCW等知識(shí)后方可使用等，通用性、可操作性較差。針對(duì)上述不足之處，基于LabVIEW對(duì)Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件與自動(dòng)化技術(shù)的深度交織，使得學(xué)生可以方便的開(kāi)展各種設(shè)備操作的同時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全狀況。提高了系統(tǒng)的利用率，方便實(shí)驗(yàn)室管理工作并且降低了維護(hù)成本，在教學(xué)和經(jīng)濟(jì)方面都具有重要意義。

1 總體結(jié)構(gòu)

Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括20套HOTS設(shè)備，每套設(shè)備包括：工控機(jī)、PLC、變頻器等。基于工業(yè)4.0理念，整合了工業(yè)自動(dòng)化中的順序控制、過(guò)程控制、傳動(dòng)控制等控制需求。針對(duì)該系統(tǒng)的不足之處，基于LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，融合嵌入式技術(shù)、OPC、LabVIEW web service、以太網(wǎng)通信等實(shí)現(xiàn)Rockwell-HOTS系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括：(1)基于LabVIEW與嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)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(jī)和瀏覽器等多種方式實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)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(jī)上開(kāi)發(fā)基于LabVIEW的HOTS設(shè)備控制上位機(jī)，可以方便的操作HOTS系統(tǒng)中的PLC、變頻器等設(shè)備，降低了使用門檻，擴(kuò)展應(yīng)用范圍，具備良好的可操作性。

圖1 Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 基于LabVIEW的HOTS控制上位機(jī)

基于LabVIEW在工控機(jī)上開(kāi)發(fā)HOTS控制上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC、變頻器等設(shè)備的控制，HOTS采用Rockwell Micro850PLC，PF525變頻器，工控機(jī)上包含多個(gè)232接口，通過(guò)232/485方式與PLC、變頻器通信。采用OPC Server與OPC Client[3～4]的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制功能，RSLink是Rockwell公司通用的通信配置程序，提供PLC產(chǎn)品和其它基于PC的應(yīng)用軟件如編程軟件、HMI軟件等的數(shù)據(jù)通訊驅(qū)動(dòng)和接口，數(shù)據(jù)的通信可以通過(guò)DDE/OPC實(shí)現(xiàn)，支持遠(yuǎn)程OPC應(yīng)用與OPC Server，基于RSLink實(shí)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(diǎn)：(1) OPC Server中設(shè)置的地址與波特率要與PLC的一致；(2) 使用串口訪問(wèn)PLC時(shí)，即使訪問(wèn)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(huì)發(fā)生變化。比如SBit_Bool和SBit都是關(guān)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(jìn)行OPC Server的使用，如果波特率設(shè)置為9600會(huì)發(fā)現(xiàn)OPC Server中讀取到的值和實(shí)際值不匹配，變化速度比實(shí)際上慢，原因是波特率太低了，測(cè)試修改為19200即可；(4) 在LabVIEW中建立OPC Client 的IO Server，注意默認(rèn)的更新時(shí)間為1000ms，在很多場(chǎng)合都不能滿足需求，可以適當(dāng)把更新時(shí)間該小，這里設(shè)置為100ms。

工控機(jī)與變頻器采用RS232/485方式進(jìn)行通信，工控機(jī)為主機(jī)，變頻器為從機(jī)。主要通信協(xié)議如下：03h：讀取保持寄存器；06h：寫入單個(gè)寄存器；10h：寫入多個(gè)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(cuò)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(dāng)需要運(yùn)行頻率20Hz，0.01Hz為單位，應(yīng)寫入數(shù)值2000，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制是7d0h，那么指令就是：01 06 2001 07d0，校驗(yàn)碼是從變頻器地址開(kāi)始到指令內(nèi)容結(jié)束求和，然后取2的補(bǔ)碼。所以上述指令的校驗(yàn)碼是：01h+06h+20h+01h+07h+d0h=ffh，然后取2的補(bǔ)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(shí)現(xiàn)控制功能，用到了VISA配置串口，讀取與寫入，關(guān)閉等vis。具體的流程如下：基于232/485方式的通信首先需要設(shè)定串口參數(shù)，比如端口號(hào)，數(shù)據(jù)的位數(shù)，波特率，校驗(yàn)停止位等等，設(shè)定參數(shù)完成端口的初始化操作，之后就可以寫入對(duì)變頻器的指令，針對(duì)寫入指令變頻器會(huì)有不同的返回信息，可以通過(guò)VISA讀取，通信結(jié)束后關(guān)閉串口，結(jié)束整個(gè)過(guò)程。

2.2 基于LabVIEW的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的環(huán)境情況。硬件結(jié)構(gòu)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(hào)調(diào)理電路、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、光信號(hào)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(wú)線網(wǎng)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，首先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理與光耦隔離，提高了信號(hào)的精度與可靠性，再傳輸給AD進(jìn)行采樣。無(wú)線網(wǎng)卡電路在核心處理器STM32F103VET6的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸?shù)墓ぷ鳎壕э@示面板可以實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的環(huán)境信息；(2)實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)。光信號(hào)隔離電路要求兩端供電不共地，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)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(jié)構(gòu)

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程圖

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由下位機(jī)與上位機(jī)程序構(gòu)成。下位機(jī)程序運(yùn)行在監(jiān)控器，主要功能包括：(1)通過(guò)溫濕度等環(huán)境傳感器周期性的采集環(huán)境信息；(2)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控上位機(jī)。數(shù)據(jù)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(kāi)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(kāi)始處于低功耗模式，在STM32F103VET6發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，DHT11切換到高速模式，開(kāi)始信號(hào)發(fā)送完畢，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)并觸發(fā)一次信號(hào)采集。DHT11在沒(méi)有接收到開(kāi)始信號(hào)的前提下不會(huì)進(jìn)行溫濕度采集，采集動(dòng)作完成后DHT11自動(dòng)轉(zhuǎn)換到低速模式。監(jiān)控器上設(shè)計(jì)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(wǎng)下載，找到STMicroelectronics，選擇Keil MDK平臺(tái)、在Cortex-M3內(nèi)核MCU評(píng)估板上測(cè)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(gè)硬件定時(shí)器驅(qū)動(dòng)SysTick (μC/OS-Ⅲ的時(shí)基時(shí)鐘)帶動(dòng)μC/OS-Ⅲ的運(yùn)行?？梢栽趹?yīng)用中調(diào)用μC/OS-Ⅲ的延時(shí)函數(shù)測(cè)試延時(shí)時(shí)間是否正確，正確即說(shuō)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(jī)

LabVIEW是NI公司的虛擬儀器平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件，采用了圖形化編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)，開(kāi)發(fā)效率高，在高校及企事業(yè)單位得到了廣泛的應(yīng)用?；贚abVIEW開(kāi)發(fā)的監(jiān)控上位機(jī)包括如下功能：(1)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度、視頻等信息；(2)報(bào)警指示，根據(jù)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(shù)值，如果是則指示燈會(huì)變紅；(3)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控器之間的數(shù)據(jù)傳輸。基于LabVIEW的web service提供基于瀏覽器端的訪問(wèn)功能，管理人員可借助瀏覽器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。web publish tool[7]和內(nèi)置函數(shù)是LabVIEW提供了兩種web訪問(wèn)方式， LabVIEW的web publish tool與其他web服務(wù)器功能類似，為了正確的發(fā)布并通過(guò)瀏覽器成功訪問(wèn)，需要注意如下問(wèn)題：(1) 進(jìn)入程序框圖面板的web服務(wù)器配置，勾選SSL選項(xiàng)，同時(shí)在主機(jī)上查詢證書信息；(2) 進(jìn)入前面板框圖的web 發(fā)布工具，在這里將看到顯示器，內(nèi)嵌與快照等三種選擇模式，一般選擇內(nèi)嵌模式；(3)管理人員通過(guò)瀏覽器端進(jìn)行訪問(wèn)前需要將瀏覽器模式切換到兼容模式，否則無(wú)法正常顯示內(nèi)容，設(shè)置完成后只需在瀏覽器輸入U(xiǎn)RL即可。內(nèi)置函數(shù)使用前要先配置LabVIEW的web server，包括monitor與snap兩種函數(shù)，其中monitor函數(shù)能夠發(fā)布動(dòng)態(tài)vis。這里選擇web publish tool提供web訪問(wèn)，需要注意的是，web publish tool允許瀏覽器端用戶請(qǐng)求vi控制權(quán)，當(dāng)瀏覽器端的用戶獲取控制權(quán)后，LabVIEW環(huán)境下會(huì)丟失控制權(quán)限。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)Rockwell-HOTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足之處，在原有平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)添加硬件設(shè)備，用LabVIEW取代原有CCW梯形圖編程方式開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制上位機(jī)與監(jiān)控上位機(jī)，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(hù)成本，在教學(xué)和經(jīng)濟(jì)方面都具有重要意義。同時(shí)，由于采用了OPC進(jìn)行通信，現(xiàn)有OPC只能在Windows平臺(tái)下運(yùn)用，在跨平臺(tái)等方面存在不足，OPC基金會(huì)提出了OPC UA，能夠?qū)PC技術(shù)拓展到Linux、Unix、Mac等平臺(tái)，具備較好的跨平臺(tái)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(jìn)行的研究工作包括：(1)基于OPC UA實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的跨平臺(tái)性,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。(2)基于LabVIEW針對(duì)HOTS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)更多的控制功能。(3)界面的美化。