基于OPC与PLC的远程监视系统的研究

夏璐杰, 孙首群, 卢华阳

(1.上海理工大学机械工程学院，上海 200093；2.上海宝信软件股份有限公司，上海 201900)

基于OPC与PLC的远程监视系统的研究

夏璐杰1, 孙首群1, 卢华阳2

(1.上海理工大学机械工程学院，上海 200093；2.上海宝信软件股份有限公司，上海 201900)

传统工业控制领域缺乏便携的远程监视系统，无法满足日益增长的智能自动化需求。针对这种情况，提出了一种基于LabVIEW的远程无线监视系统。该系统利用NI OPC、DSC等模块，实现了上位机与现场PLC设备的以太网通信；采用共享变量和WiFi通信的方法，进行以IPad为客户端的远程通信，并最终实现了IPad监视现场PLC设备的目的。测试结果表明，该系统运行良好，便于升级和维护，满足了移动监控软件对兼容性、实时性和安全性方面的要求，为传统工厂的升级改造提供借鉴。

智能； 远程监视； OPC技术； 实时通信； LabVIEW； 局域网； 虚拟仪器； 上位机； PLC

0 引言

近年来，随着可移动终端电子设备的高速发展，智慧型手机和平板式计算机的全球销量已经超过了传统的笔记本计算机和台式计算机。基于iOS系统的智能终端凭借其先进的硬件、完善的软件架构和良好的应用生态环境，受到各大软件巨头的追捧。美国国家仪器公司(NI)凭借其敏锐的观察力，开发了仪器仪表数据应用程序。工程师们可以采用这个应用程序，建立一个便携式的LabVIEW应用程序接口；通过移动技术和数据采集设备，创建一个高度可移植的、便携的互联测量系统，使其能够在更多场合进行测量。

可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)以其稳定可靠、抗干扰能力强和研发时间短等优良特性，已经被广泛应用于工业自动化领域中，是现代控制及自动化技术的重要组成部分[1-6]。在我国的工业测控领域，西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC产品凭借其自身的诸多优点和众多的可选可扩展延伸模块，占有了极高的市场份额。

本文以LabVIEW为软件开发平台，使用OPC技术和西门子S7-300进行实时通信，并通过Data Dashboard客户端实现在局域网内监视现场设备的目的。该系统很好地结合了虚拟仪器(virtual instrument, VI)技术与PLC技术，并紧跟时代发展趋势，建立了一套具有良好人机界面且性能稳定的远程无线监视系统。

1 测控系统整体设计

1.1 硬件配置

系统硬件配置包括PC、IPad、无线路由器、CPU314C-2DP处理器模块、CP343-1通信块等。其中，CP343-1模块可以实现上位机PC与现场PLC的工业以太网通信，无线路由器可实现上位机PC与IPad的局域网通信。

1.2 软件配置

LabVIEW 2014为上位机编程软件；LabVIEW 2013 DSC模块为用户提供数据技术且支持基于OPC技术的接入，方便建立全面的工业自动化控制系统、多通道数据档案；NI OPC Services 2013为组态OPC服务器，在上位机上通过工业以太网与PLC建立OPC服务；西门子SIMATIC STEP 7 V5.5用于西门子PLC的硬件组态、参数设置、通信配置；Data Dashboard为IPad编程软件。

1.3 系统总体构成

本测试系统的现场采集设备为绿色带灯按钮，将PLC作为下位机完成数据采集功能，将LabVIEW应用程序设置为上位机的程序软件，可实现对数据的储存、显示、处理加工及通信。IPad作为最终客户端，与操作人员完成交互体验。整个测试系统的结构框图如图1所示。

图1 测试系统结构框图

系统主要工作原理为：当系统运行时，监控人员按下绿色带灯按钮，便会将电流信号输入给下位机PLC的DI模块，PLC通过工业以太网总线将数据输送到上位机。以LabVIEW为基础研发的上位机通信软件，利用DataSocket技术手段对OPC服务器进行访问，从而读取该布尔量，然后发布共享变量到以太网。基于TCP/IP协议，IPad可通过路由器访问上位机的IP地址得到该布尔量，从而将数据显示在智能设备用户界面(UI)，呈现给操作人员。

2 测控系统软件设计

2.1 LabVIEW与PLC的数据通信

OPC通信技术是一种基于Windows NT的通信串口延伸技术，其原理是：OPC Client通过标准的、开放化的通信手段，实现对OPC Server的通信访问。通过OPC规范制定的标准化接口，为不同厂商研发的软硬件设备的集成与开发提供便利。在第三方硬件的使用方面，只要硬件开发服务商提供OPC服务器，程序开发人员就无需编写底层驱动，而是能够利用用户软件的OPC Client 来实现数据的交互操作[7]。

该系统采用LabVIEW DSC模块与PLC通信[8-13]，并通过I/O 服务器公布共享变量，易于监控程序和其他组件访问实时数据。

(1)PLC硬件组态与配置。

启动西门子SIMATIC Manager软件，选择与所需项目匹配中的CPU处理器类型站点。选中SIMATIC300站点，打开Hardware，启动HWConfig应用程序，对计算机参数进行设置。在硬件目录的窗口中，进行所需模块的选择。

硬件组态全部完成后，进行编译保存操作，并下载保存至现场CPU模块中。该测试系统的PLC硬件组态由CPU314-2DP与CP343-1组成。选择CP343模块，进行以太网节点编辑，设置IP地址为192.168.0.2，完成NetPro网络配置。

(2)实现西门子PLC和NI OPC服务器的通信。

基于NI OPC服务器技术手段来完成个人计算机与西门子PLC之间的通信，其操作重点是如何实现服务器和客户端端口的对应关系并完成通信连接。这其中包括上位机软件如何完成对OPC服务器的访问。具体操作步骤如下。

①新建通道，配置通道信息。在设备驱动下拉列表中选择SiemensTCP/IP Ethernet，其他参数选择默认即可。

②新建设备，配置设备信息。在 Device model 下拉列表中选择 S7-300，在Device ID中输入与PLC一致的IP地址(192.168.0.2)。

③设置与PLC中变量绑定的标签变量。首先把标签变量的名称输入指定位置，然后输入与该变量相对应匹配的地址(该地址已经在PLC组态中设置完成)，接着对该标签变量的属性进行设置，最终以地址的方式对其与PLC中的变量进行绑定。本测试系统中，须设置的通信变量为开关量，数据类型是布尔型。NI OPC Server与LabVIEW数据类型的对应关系如表1所示。

(3)通过LabVIEW DSC模块访问OPC Server。

目前，有三种方法能够实现LabVIEW对OPC服务器的访问，但其中两种方法由于受点数的增多而减缓读写速度，易导致系统的不稳定且不利于维护，因此建议使用内置的DSC模块与OPC服务器通信的机制。该方法具备编程方便且程序大小不受限制的优点。

表1 NI OPC Server 与LabVIEW 数据类型的对应关系

通过引用约束变量与OPC标签连接的方法，LabVIEW 2013 DSC模块就可以使约束变量与网络计算机内的OPC标签进行绑定。完成绑定后，LabVIEW就可像使用普通变量一样对约束变量进行读写操作。

在OPC标签设置完成后，可以通过创建约束变量来实现访问OPC标签值的目的，其具体操作方法如下。

①在新建的项目中创建一个I/O Server，然后在窗口界面中选择OPC Client条目，接着在OPC Client I/O界面中选择National Instruments.NI OPC Servers.V5条目，从而实现对OPC Server的访问。

②在plc.Lvlib库中建立约束变量，并与I/O服务器中所罗列出的OPC标签条目进行捆绑，完成后约束变量在本质上实现了与可编程逻辑控制器中变量的绑定。然后，程序员便能够像使用普通变量一样，将约束变量放到同一VI中进行读与写的操作。

2.2 LabVIEW与IPad之间的通信

Data Dashboard for LabVIEW是一个运行在智能手机和平板计算机上的瘦客户端应用程序。它可以利用LabVIEW的网络服务功能或通过网络发布的共享变量来实现对数据的读与写操作。在这一过程中，最简单的方式是增加一个网络发布的共享变量至LabVIEW VI中。使用共享变量后，就可以在单一程序图的不同循环中共用资料，也可以通过网络在不同的 VI 之间共享资料。使用属性对话框即可在编辑时间内设定变量，而且应用程序也不需要设定程序码。 IPad通过WiFi连接路由器(上位机PC已连接在路由器网络内，IP地址为10.25.162.217)。打开Dashboard，进入编辑好的UI界面，点击需要关联的变量，本测试系统关联indicators中LED和String控件。界面设置完成后，在LabVIEW程序中建立一个新的VI，然后依据工程需要在VI中编写能满足要求的程序框图。

3 测试分析

系统测试主要包括连接功能验证和通信功能验证两方面内容。在此测试环境中，PLC与LabVIEW之间采用NI OPC Servers的通信方法。在NI OPC Servers中点击Tools中的Launch OPC Quick Client，当cpu314.cp343中的cpu314.cp343.Q Green Light Button的Quality为Good时，则通信正常。LabVIEW与IPad的通信，只要配置好上位机的IP地址(Windouws cmd中的ipconfig指令查询服务器IP)，并运行Data Dashboard中自定义的UI即可验证。若系统无报错，则通信正常。

4 结束语

本文基于iOS技术平台、LabVIEW软件和PLC控制技术，设计了一种基于移动平台的PLC监控系统。该系统能够给在工业控制领域得到广泛应用的PLC提供更好的人机界面及更强的控制决策能力，也为一些生产企业在“工业4.0”时代的产线改造提供了一种新思路。

[1] 陈树学,刘萱.LabVIEW 宝典[M].北京:电子工业出版社,2011.

[2] 刘小丽,张晓光.基于LabVIEW的 S7-300PLC与PC机的串口通信[J].仪表技术与传感器,2011(5):100-102.

[3] 熊健,余飞,张昌汉,等.基于PLC的清洗提升机控制系统设计[J].湖北工业大学学报,2015(5):52-54.

[4] 王文辉.基于OPC的LabVIEW仿真软件与PLC通信实现[J].水电站机电技术,2015(B12):63-65.

[5] 乔俊飞,韩红桂,张颖,等.基于LabVIEW的污水处理过程动态仿真研究[J].仪器仪表学报,2008,29(4):879-882.

[6] 臧其亮.基于OPC的S7-300与LabVIEW通信实现[J].自动化与仪器仪表,2015,192(6):193-195.

[7] 曾珞亚.基于OPC技术的PLC与LabVIEW通信实现[J].微计算机信息,2009，25(6)：52-53.

[8] 王志强,胡霞.基于LabVIEW和PLC采煤机调高控制系统的设计[J].煤矿机械,2015,36(11):251-253.

[9] 徐桂华,徐保国.LabVIEW和PLC技术在燃煤锅炉自动控制系统中的应用研究[J].仪表技术与传感器,2014(5):93-95.

[10]石灵丹,华斌,朱歆州.基于OPC技术的PC与西门子PLC的实时通信[J].船电技术,2011，31(1)：9-12.

[11]王天石.基于LabVIEW和西门子S7-300 PLC的过程控制系统的设计[J].机电一体化,2014(10):58-61.

[12]苏力,雷瑛.LabVIEW与PLC通信方法研究[J].黑龙江科技信息,2015(29):73-75.

[13]刘小丽,张晓光.基于LabVIEW的 S7-300 PLC与PC机的串口通信[J].仪表技术与传感器,2011(5):100-102.

Research on the Remote Monitoring System Based on OPC and PLC

XIA Lujie1,SUN Shouqun1,LU Huayang2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China; 2.Shanghai Baosight Software Company,Shanghai 201900,China )

Lacking of portable remote monitoring systems in traditional industrial control field is unable to meet the increasingly progressed demand for intelligent automation.In view of this situation,a remote wireless monitoring system based on LabVIEW is proposed.The system uses NI OPC， DSC modules,etc.,to complete Ethernet communication between the host computer and the PLC on site,by using shared variables and WiFi communication,to achieve remote communication with iPad as the client and complete on-site monitoring for PLC by iPad.The test shows that the system runs well,and achieves operational requirements; it is easy to upgrade and maintain,and meets the demands for mobile monitoring software compatibility,as well as real-time and safety performance,and provide a reference upgrade and reconstruction of the traditional factory.

Intelligence; Remote monitoring; OPC technology; Real-time communication; LabVIEW; Local area network; Virtual instrument; Host computer; PLC

国家科技计划资助项目(2015BAK16B04)

夏璐杰(1991—)，男，在读硕士研究生，主要从事工业机器人技术与应用方向的研究。E-mail:514039858@qq.com。 孙首群(通信作者)，男，博士，教授,主要从事机械系统动力学方向的研究和应用工作。E-mail:jrssq@163.com。

TH-3;TP249

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702006

修改稿收到日期:2016-06-19