基于OPC技術和工業以太網的多機械手控制系統設計

陸 晨，鄒 鯤，李春龍，舒 暢

（東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620）

0 引言

隨著工業自動控制技術的迅速發展，多機械手作為從站，PC作為監控和控制主站的模式也得到廣泛應用。本文設計了一套控制系統，使用PC作為上位機，其中，采用功能強大的LabVIEW作為采集、監控和控制軟件，西門子的PLC和變頻器的組合作為下位機，并介紹了一種比較通用的通信方式實現它們間的通信，具有很強的應用意義。

工業以太網具有極強的總線帶寬和節點擴展能力，成本低廉、開放性好、應用廣泛、通信速率高，因此，將其作為LabVIEW與多臺PLC間的通信媒介。但鑒于不同生產廠家的設備通信協議不同，不同的上位機與下位機間的通信需要兼容的接口，而OPC技術是工業軟件中被廣泛采用的數據交換協議，以OLE/COM機制作為應用程序，是一種客戶與服務器模式，OPC規范同時又支持TCP/IP等多種網絡協議[1]，可以實現不同廠家的設備和應用程序間的信息交換，而LabVIEW的DSC模塊提供各大廠家OPC服務器的客戶端及其協議的標準接口，同時，西門子提供工業網絡通信軟件Simatic NET，它提供的OPC Server通訊速度快，能和各種上位機軟件通信，例如：VB、VC、LabVIEW等。而對于PLC與電機驅動器的通信，西門子PLC設置有多點式MPI和分布式DP接口，分別使用MPI協議和PROFIBUS協議[2]，PROFIBUS具有更高的通信速率，其中更有主從模式PROFIBUS-DP。

1 控制系統方案設計

整體系統由PC、工業以太網、OPC服務器以及多臺機械手組成。如圖1所示，PC采集工業生產線的信號，可了解生產線運行情況；PC端使用LabVIEW DSC模塊建立OPC客戶端，通過工業以太網與多臺機械手的OPC服務器通信連接，OPC服務器由Simatic NET軟件創建；對于機械手，由集成式ET200S系列PLC，S120變頻驅動系統組成。而機械手的數量可以通過具體生產線工藝流程更改。

圖1 控制系統原理圖

PC根據生產線的情況通過OPC服務器將電機軸運動任務發送給PLC，PLC再通過PROFIBUS-DP總線將任務數據發送至S120變頻器控制單元中以驅動電機軸運動，并且也能讀取電機軸運行和故障狀態。

2 機械手硬件設計

對于每臺機械手使用的ET200S PLC及S120驅動系統均由大量功能模塊組成，本設計采用如圖2的硬件結構。

圖2 運輸機械手硬件框圖

ET200S集成式PLC是模塊化的， CPU模塊選用可作為主站的IM151-8F，它是一種帶安全模塊的PLC CPU模塊，使用的編程語言為S7-300系列，可以通過LAN接口連接至PC；插入一個DP主站，通過PROFIBUS總線連接至S120驅動系統的控制單元CU320-2DP；加入一些輸入輸出模塊，以安裝傳感器保護機械手的安全。S120驅動系統是西門子的一種變頻器，基于PROFIBUSDP通信，根據現場實際，這里選用最多帶6軸的CU320-2DP的控制單元；并加入電源模塊、電機模塊及編碼器模塊，以驅動機械手多軸控制。

3 系統軟件設計

3.1 軟件介紹

系統使用LabVIEW（帶DSC模塊）完成生產線信號采集和運輸機械手監控界面；STEP7編程軟件實現S7-300/400編程、軟硬件組態、網絡組態和參數設置等功能；SIMATIC NET PC SOFTWARE為一些與STEP7捆綁的軟件，其中Station Configurator用于PCstation配置和通信控制站的設置，OPC SCOUT用于設置已導入OPC服務器的符號表，以此讓LabVIEW端的OPC客戶端能訪問；STARTER軟件則負責對S120驅動系統的配置、參數設置、報文配置和電機調試等任務。西門子軟件均可于西門子官網下載獲得。這里，將通過這些軟件將實現兩個部分的通信實現，第一部分為LabVIEW與運輸機械手ET200S PLC通信實現；第二部分為PLC與S120驅動間的通信實現。

3.2 LabVIEW與PLC通信實現流程

LabVIEW與PLC間的通信實現流程如圖3所示。

圖3 LabVIEW與PLC通信實現流程圖

步驟1：在PC中配置PCstation工作站控制臺。打開SIMATIC NET中的Station Configurator插入OPC服務器及IE通用（以太網），將配置映射到之后的STEP7 PCstation中。

步驟2：在Step7 SIMATIC Pcstation，根據Station Configurator中的順序加入OPC服務器與以太網（IE通用），在IE通用中設定好IP地址及子網掩碼。再插入SIMATIC 300 Station，對應具體硬件訂貨號，在300站點卡槽中根據實際進行硬件組態，插入相應模塊，并加入PROFIBUS拓撲線，于其上掛上S120驅動系統的控制單元CU320-2DP[3]。

步驟3：在PLC的CPU模塊中，能夠對PLC進行編程，對應程序中需要用來通過上位機LabVIEW通信讀取、寫入的輸入輸出IO、M觸點、DB數據塊都需要添加到符號表中，為之后導入到OPC服務器中做準備。完成編程后，設置PG/PC接口為TCP/IP（Auto），將整個項目包括組態的硬件及程序下載到PLC中。

步驟4：進入NetPro網絡配置，選擇OPC服務器，對每臺機械手均插入S7連接，并分配以太網節點地址，建立PC站點與運輸機械手間的S7通信[4]，如圖4所示。

圖4 NetPro網絡組態

步驟5：進入OPC服務器，在S7一欄中將已組態的符號表導入，這樣就將需要通信的數據已符號的形式映射到OPC服務器中。之后將PG/PC接口轉成PC internal并下載PCStation。

步驟6：在LabVIEW端，為了能夠將導入到OPC服務器的通信數據鏈接至LabVIEW中，需要先后在項目中創建IO server、OPC客戶端、約束變量，其中的約束變量即為STEP7軟件中導入OPC服務器的符號表內容[5]。

步驟7：最后即可在LabVIEW VI中添加共享變量，并鏈接至對應OPC服務器中的變量數據，通過這些共享變量讀取與寫入控制PLC中的程序

3.3 ET200S PLC與S120驅動系統通信實現

基于上述LabVIEW共享變量與PLC間的通信，這里介紹PLC如何通過S120驅動系統實現對電機軸的控制。

1）使用STARTER軟件配置S120驅動系統?；谇拔腟TEP7組態配置的S120驅動CU320-2DP控制單元，在STARTER軟件中，將IP地址設備號下載至CU320-2DP單元中，將設備在線，進行自動配置。系統根據硬件自動完成相關硬件索引，包括CU單元、選件和Servo軸等。CU單元上的端子接口可以連接電機軸的限位開關和接近開關，一個Servo軸對應一個電機。對于第三方電機需離線配置，根據設備的調試手冊步驟完成配置。

完成上述配置后，最為關鍵的是配置通信報文，其為西門子公司定義的PROFIdrive行規的報文結構，有對應不同功能的報文庫，可以根據不同項目工藝使用不同報文，這里CU單元選用390報文；Servo軸選用111報文。這些報文反應在SATRTER中是以p參數和r參數的形式展現，p參數為寫參數，r為讀參數。在STARTER中，配置相應報文，并對每個報文分配的地址映射到PLC對應地址區，建立起通信。如圖5所示，111報文共有12個字，即24個字節長，地址從262至285，Input data為PLC向S120端發送數據，Output data為S120的數據反饋回PLC端。

圖5 通信報文配置

完成報文配置后，所有的p、r參數自動連接至報文結構中，如圖6所示為111報文的接收端報文結構， 所有的參數已完成互聯，每一位參數位都對應一個功能，可以從S120通信報文參數手冊中查詢。STW1、STW2為控制字，用于驅動報文，POS_STW1、POS_STW2為參考點、點動控制方式，OVERRIDE為定位速率，MDI_TARPOS為定位位置，MDI_VELOCITY為定位速度，MDI_ACC為加速度，MDI_DEC為減速度。若要完成PLC與S120的通信，只需在程序中對對應地址的每一位寫入相應的值即可。

圖6 111報文接收端報文結構

2）PLC通信程序。在STARTER中配置完報文后，需在PLC程序中寫入報文內容，發送給相應S120驅動的映射地址。編寫程序時，通過調用系統功能塊SFC14、SFC15建立起PLC與S120驅動間的報文循環通信，并輸入初始報文值47E到以262-263為地址的STW1控制中，這些地址位定義在DB1數據塊中；再對STW1輸入47F使得驅動使能；之后根據控制軸的相關運動需求，如位、回零和程序段運行等功能編寫對應報文內容賦給相應地址。所有的程序前置控制觸點M均由上位機LabVIEW控制，即3.2節中論述。

4 結論

本文設計了基于OPC技術和工業以太網的多機械手控制系統，并實現了：1）通過PC（采用LabVIEW作為上位機軟件），采用共享變量的形式對PLC的數據進行讀寫，實現監控及控制的目的。2）PLC發送通信報文對S120驅動的伺服軸進行控制。最終實現LabVIEW與多機械手各軸間的通信控制。該系統軟硬件可靠性高，高度模塊化，靈活性強，又加入了OPC技術，使得第三方的上位機軟件能夠應用于該系統，適用于各種工業自動化通信項目。

[1] 周新民,涂錚.基于OPC技術的PC與S7-200PLC的實時通信[J]. 武漢理工大學學報,2008,4：354-355.

[2] 吉順平,等.西門子PLC 與工業網絡技術[M].北京：機械工業出版社,2008：296-298.

[3] 王占富,謝麗萍,豈興明.西門子S7-300/400系列PLC快速入門與實踐[M].人民郵電出版社,2010：141-144.

[4] 崔堅.西門子工業網絡通信指南（下冊）[M].機械工業出版社,2005：88-90

[5] 陳數學,劉萱.LabVIEW寶典[M].電子工業出版社,2011：441-445.

[6] 崔堅.西門子工業網絡通信指南（上冊）[M].機械工業出版社,2005.