1、基于 LabVIEW 與 PLC 的串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：詳細(xì)介紹了采用RS232串口完成LabVIEW與PLC之間通訊，并利用該方 法，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW與 PLC的串級控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：控制系統(tǒng) 已達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。關(guān)鍵詞：LabVIEW;PLC串級控制；串口通訊The design of a cascade control system based on LabVIEW and PLCXIE Jian jun,WANG Hong meng,XU Chun mei(Power and Mechanical Engineering School of WuhanUniv

2、ersity,Hube i Wuhan 430072,China)Abstract ：This article discusses an approac h to the realization of the RS232 serial transfer between LabVIEWand PLC.The ap p roach is used to design a cascade control system based on LabVIEW and PLC.The re sult of experiments shows that a satisfactory solution is re

3、ached.Key words ： LabVIEW;PLC;cascade control;serial transfer在過程控制中，由于工業(yè)現(xiàn)場非常分散， I/O 點(diǎn)數(shù)眾多，各種儀表的工作環(huán) 境非常惡劣，采用數(shù)據(jù)采集卡和 LabVIEW開發(fā)平臺來完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控 制顯然不可取。 考慮到過程控制中的過程參數(shù)變化不是很快，而PLC恰恰可以克服數(shù)據(jù)采集卡在過程控制 中的不足，并且具有較高的性能比， 因而采取以 PLC 為下位機(jī)，以裝有LabVI EW欠件的工控機(jī)為上位機(jī)開發(fā)平臺，通過RS232或 RS485 串口與PLC通訊，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的 監(jiān)控與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析。這樣可以利用 LabVI

4、EW炎件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和良好的人機(jī)交互環(huán)境通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 上位機(jī)的SCADA功能。1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)室中的雙容水箱對象為例來構(gòu)建基于 LabVIEW與 PLC的過程控制系 統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用OMRO公司C200HG系列的PLC為下位機(jī)， 用RS232型電纜將HO ST LINK模塊直接連到裝有LabVIEW的工控機(jī)的串口上。2PLC與上位機(jī)連接系統(tǒng)的通訊上位機(jī)與PLC之間的通信實(shí)際上是計(jì)算機(jī)與 PLC通信模塊HOSTJNK之間交 換命 令和響應(yīng)的過程。上位機(jī)具有初始傳送優(yōu)先權(quán)， 所有通訊均由上 位機(jī)啟動， 不需要PLC編寫通信程序，HOST LINK能夠?qū)ι衔粰C(jī)發(fā)

5、送來的字符串進(jìn)行分析， 檢查數(shù)據(jù)格式， 分析指令代碼， 然后根據(jù)指令代碼進(jìn)行相應(yīng)的操作， 并向上位機(jī) 發(fā)出響應(yīng)信號。通知上位機(jī)已完成或反映通信的錯誤，如奇偶校驗(yàn)錯誤、FCS錯誤、代碼錯誤等。在一次交換中傳輸?shù)拿罡袷胶蛻?yīng) 答數(shù)據(jù)稱之為一幀。命令幀要通過用戶編寫的上位機(jī)通訊程序?qū)崿F(xiàn)，PLC的上位鏈(HostLink )單元會根 據(jù)上位機(jī)發(fā)來的命令幀自動生成響應(yīng)幀返回給上位機(jī)。d n nIM*.ftFfctfiWi E - " J I EC ikL_2.1命令幀格式上位機(jī)命令格式如下: 俗點(diǎn)號|識別群IE文 p 卜車|其中砂示一幀的開始。節(jié)點(diǎn)號是上位機(jī)按該號來識別PLC識別碼是含有兩個字

6、 符的上位機(jī)鏈接命令代碼，它表示上位機(jī)要對 PLC進(jìn)行何種操作，其識 別碼的含義見文獻(xiàn)4。正文”包括起始字和字?jǐn)?shù)，起始字指的是要讀寫通道 的起始地址，字?jǐn)?shù)是指要讀寫的通道個數(shù)。FCS設(shè)置兩個字符幀檢查順序碼，F(xiàn)CS 碼由上位機(jī)計(jì)算，并設(shè)置在命令幀里。它主要是用來保證在傳送一幀數(shù)據(jù)時，在終止符前安排一個FCS碼，以檢查在傳送數(shù)據(jù)時，是否發(fā)生錯誤。FCS碼的具體算法是：從一幀數(shù)據(jù)的開始到幀正文結(jié)束(FCS之前)所有數(shù)據(jù)字符的ASCII 碼執(zhí)行 異或”操作的結(jié)果，此結(jié)果是一個8位二進(jìn)制數(shù)，然后分別把其高4位和 低4位轉(zhuǎn)換成兩個16進(jìn)制數(shù)并看成ASCII碼。終止符是“叮 回車”符表示命令 的結(jié)束。其中

7、 結(jié)束碼”是兩位16進(jìn)制數(shù)，它是PLC返回給上位機(jī)的通訊錯誤代碼， 其中00表示通訊無錯誤，不同錯誤代碼的含義可參考編程手冊。正文”中每4位16進(jìn)制表示一個通道的數(shù)據(jù)。2.3LabVIEW與PLC通訊的實(shí)現(xiàn)(1) PLC上位機(jī)鏈接設(shè)置采用RS232C端口時，需要置DM6645勺1215位為0, PLC的節(jié)點(diǎn)號設(shè)置在DM6648勺0007位。文中采用OMRON C200 PL的默認(rèn)設(shè)置。即在 CPU勺DIP開關(guān)J腳置OFF的情況下，PLC與上位機(jī) 之間采用如下參數(shù)進(jìn)行通訊：啟動位：1位；數(shù)據(jù)長度：7位；停止位：2位；奇偶校驗(yàn)：偶校驗(yàn)；波特率：9 600 b/s。(2) LabVIEW中串口通訊的

8、步驟LabVIEW共有5個串行通訊節(jié)點(diǎn)，包括初始化端口 (Serial Port Init.vi) 、 串口寫(S erial P ort Write.vi)、串口讀(Serial Port Read.vi)、檢測串口輸入緩存中的字節(jié)數(shù)(Bytes at Serial Port.vi) 、串口中斷(Serial PortBreak.vi)等功能，各個節(jié)點(diǎn)端口參數(shù)表見文獻(xiàn)2。在LabVIEW的程序中可采用下列步驟實(shí)現(xiàn)與 PLC之間的通訊： 初始化串口，設(shè)置雙方通訊的端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校 驗(yàn)等； 把要發(fā)送的數(shù)據(jù)按PLC命令幀的格式打包，包括計(jì)算幀校驗(yàn)序列FCS 寫端口，把整個命令

9、幀發(fā)送到串口； 延時等待PLC的應(yīng)答幀到達(dá)串口； 讀串口，讀取PLC的應(yīng)答幀； 把讀取的應(yīng)答幀解包，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。(3) LabVIEW中串口通訊的實(shí)現(xiàn) 初始化串口，按照PLC串口通訊的要求，通過Serial Port Init.vi節(jié)點(diǎn)設(shè)定，端口號設(shè)為0，即設(shè)定上位機(jī)的串口 COM與 PLC通訊，若設(shè)其他串口， 端口號依此類推；波特率設(shè)為9 600 b/s;數(shù)據(jù)位為7位；停止位設(shè)定為2位； 奇偶校驗(yàn)設(shè)定為2，即對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行偶校驗(yàn)。 對PLC數(shù)據(jù)幀計(jì)算FCS并把數(shù)據(jù)幀打包，其子程序如圖2所示：第0步為計(jì)算幀校驗(yàn)序列FCS程序；第1步為數(shù)據(jù)幀打包程序。在編程時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）對于長度為n的

10、字符串，要進(jìn)行n-1次 異或”因此循環(huán)次數(shù)應(yīng)為n-1 ；2）利用循環(huán)結(jié)構(gòu)的移位寄存器對每個字符的ASCII碼進(jìn)行 異或”時，要對左側(cè)的移位寄存器進(jìn)行初始化3。在系統(tǒng)中，由于任何一幀數(shù)據(jù)都是以 開始，因此程序中采用 的ASCII碼來初始化左側(cè)的移位寄存器；3）在For循環(huán)與循環(huán)外部的數(shù)據(jù)交換通道采用無索引（Disable Indexing）形式，這樣就可在循環(huán)結(jié)束后一次性讀取FCS的數(shù)值；4）由于數(shù)據(jù)幀中FCS的數(shù)字是字符型的，要通過 Number To Hexadecimal String ”這個節(jié)點(diǎn)把整型表示的FCS數(shù)值轉(zhuǎn)換成2個以16進(jìn)制表示的ASCII碼字符；5）程序中的13”是回車符A

11、SCII碼數(shù)值。 對串口的發(fā)送與接收及解包程序數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收主要是通過串口寫、串口讀節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。在寫串口完成后要延時一段時 間（如延時250 ms）后再讀串口，這樣才能保證串口通訊正常進(jìn) 行。解包程序與打包程序類似，其過程正好相反。數(shù)據(jù)收發(fā)子程序如圖3所示。3系統(tǒng)的分析及方案設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)分析通過作雙容水箱上升階躍，采用 LabVIEW的波形顯示控件可得到一條與 S” 型相近的響應(yīng)曲線，可用一階慣性環(huán)節(jié)加純遲延近似表示其傳遞函數(shù)：1.S61 + 4.275由于TT=1.06> 1,故系統(tǒng)遲延較大4，且動態(tài)特性存在非線性。經(jīng)分析， 動態(tài)特性的非線性主要是由于變頻器及水泵的非線性造成的。

12、在采用單級PID控制時，由于系統(tǒng)遲延較大，在水箱 B出現(xiàn)正偏差、降負(fù)荷的初級階段，水箱 A 中的水位值已經(jīng)開始下降，但水箱B中的水位繼續(xù)上升，使系統(tǒng)的動態(tài)特性變差； 基于上述現(xiàn)象的存在，系統(tǒng)動態(tài)特性呈現(xiàn)一種近似等幅振蕩狀態(tài)。因而系統(tǒng)不宜 采用單級PID控制。3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)分析，采用串級控制系統(tǒng)可以改善對象的動態(tài)特性， 提高系統(tǒng)的工作頻率; 對負(fù)荷的變化具有一定的自適應(yīng)力；適用于非線性對象1o故采用串級控制 方案，其控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。*«aJ-Vibi主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器是在LabVIEW中用公式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，整個串級控制算法 為1】：- 1) * /<*j (- 2)u(

13、(/») - I) + i ( k)e；( h) = if (左 - Vj( k )心 1 it) =k其中:Kp、Ti、Kd分別為調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時間、微分時間。在整個串級控制中，把整個控制對象分為導(dǎo)前區(qū)（水箱A）和惰性區(qū)（水箱B）， 其中副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速消除系統(tǒng)內(nèi)擾，以及克服變頻器及水泵在系統(tǒng)負(fù)荷 變化時對水位測量值的影響，起粗 調(diào)作用，故采用P調(diào)節(jié)規(guī)律；而主調(diào)節(jié)器的 任務(wù)是維持水箱B水位的穩(wěn)定，采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律0PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊DA004 是12位的，所能接收最大數(shù)字量為 OFFF即4095），這時在主調(diào)節(jié)器積分的作 用下，在整個系統(tǒng)開始啟動、停止或給定值變化

14、幅度較大時，由于短時間內(nèi)出現(xiàn) 很大的偏差，在積分作用下，整個調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)入深度飽和狀態(tài)， 產(chǎn)生積分飽和1，使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)和振蕩。 在控制程序中采用積分分離的PID算法。在偏差大于某一值M時，主調(diào)節(jié)器采用PD控制，在水位測量值接近給定值時，采用PID控制。整個控制 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線見圖5o圖5強(qiáng)冊懷和卜的眾咗:-利心湘幄4小結(jié)以PLC為下位機(jī)，以LabVIEW為上位機(jī)開發(fā)平 臺，利用LabVIEW軟件強(qiáng)大 的數(shù)據(jù) 運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)分析能力并通過 LabVIEW與 PLC之間的串口通訊，組成 了完整的串級控制系統(tǒng)，試驗(yàn)表明，調(diào)節(jié)后水位的波動范圍在 ± mm范圍內(nèi)， 而且作系統(tǒng)擾動試驗(yàn)時，水位能夠很快的實(shí)現(xiàn)平衡。從而符合