基于OPC技术和工业以太网的多机械手控制系统设计

陆 晨，邹 鲲，李春龙，舒 畅

（东华大学 纺织装备教育部工程研究中心，上海 201620）

0 引言

随着工业自动控制技术的迅速发展，多机械手作为从站，PC作为监控和控制主站的模式也得到广泛应用。本文设计了一套控制系统，使用PC作为上位机，其中，采用功能强大的LabVIEW作为采集、监控和控制软件，西门子的PLC和变频器的组合作为下位机，并介绍了一种比较通用的通信方式实现它们间的通信，具有很强的应用意义。

工业以太网具有极强的总线带宽和节点扩展能力，成本低廉、开放性好、应用广泛、通信速率高，因此，将其作为LabVIEW与多台PLC间的通信媒介。但鉴于不同生产厂家的设备通信协议不同，不同的上位机与下位机间的通信需要兼容的接口，而OPC技术是工业软件中被广泛采用的数据交换协议，以OLE/COM机制作为应用程序，是一种客户与服务器模式，OPC规范同时又支持TCP/IP等多种网络协议[1]，可以实现不同厂家的设备和应用程序间的信息交换，而LabVIEW的DSC模块提供各大厂家OPC服务器的客户端及其协议的标准接口，同时，西门子提供工业网络通信软件Simatic NET，它提供的OPC Server通讯速度快，能和各种上位机软件通信，例如：VB、VC、LabVIEW等。而对于PLC与电机驱动器的通信，西门子PLC设置有多点式MPI和分布式DP接口，分别使用MPI协议和PROFIBUS协议[2]，PROFIBUS具有更高的通信速率，其中更有主从模式PROFIBUS-DP。

1 控制系统方案设计

整体系统由PC、工业以太网、OPC服务器以及多台机械手组成。如图1所示，PC采集工业生产线的信号，可了解生产线运行情况；PC端使用LabVIEW DSC模块建立OPC客户端，通过工业以太网与多台机械手的OPC服务器通信连接，OPC服务器由Simatic NET软件创建；对于机械手，由集成式ET200S系列PLC，S120变频驱动系统组成。而机械手的数量可以通过具体生产线工艺流程更改。

图1 控制系统原理图

PC根据生产线的情况通过OPC服务器将电机轴运动任务发送给PLC，PLC再通过PROFIBUS-DP总线将任务数据发送至S120变频器控制单元中以驱动电机轴运动，并且也能读取电机轴运行和故障状态。

2 机械手硬件设计

对于每台机械手使用的ET200S PLC及S120驱动系统均由大量功能模块组成，本设计采用如图2的硬件结构。

图2 运输机械手硬件框图

ET200S集成式PLC是模块化的， CPU模块选用可作为主站的IM151-8F，它是一种带安全模块的PLC CPU模块，使用的编程语言为S7-300系列，可以通过LAN接口连接至PC；插入一个DP主站，通过PROFIBUS总线连接至S120驱动系统的控制单元CU320-2DP；加入一些输入输出模块，以安装传感器保护机械手的安全。S120驱动系统是西门子的一种变频器，基于PROFIBUSDP通信，根据现场实际，这里选用最多带6轴的CU320-2DP的控制单元；并加入电源模块、电机模块及编码器模块，以驱动机械手多轴控制。

3 系统软件设计

3.1 软件介绍

系统使用LabVIEW（带DSC模块）完成生产线信号采集和运输机械手监控界面；STEP7编程软件实现S7-300/400编程、软硬件组态、网络组态和参数设置等功能；SIMATIC NET PC SOFTWARE为一些与STEP7捆绑的软件，其中Station Configurator用于PCstation配置和通信控制站的设置，OPC SCOUT用于设置已导入OPC服务器的符号表，以此让LabVIEW端的OPC客户端能访问；STARTER软件则负责对S120驱动系统的配置、参数设置、报文配置和电机调试等任务。西门子软件均可于西门子官网下载获得。这里，将通过这些软件将实现两个部分的通信实现，第一部分为LabVIEW与运输机械手ET200S PLC通信实现；第二部分为PLC与S120驱动间的通信实现。

3.2 LabVIEW与PLC通信实现流程

LabVIEW与PLC间的通信实现流程如图3所示。

图3 LabVIEW与PLC通信实现流程图

步骤1：在PC中配置PCstation工作站控制台。打开SIMATIC NET中的Station Configurator插入OPC服务器及IE通用（以太网），将配置映射到之后的STEP7 PCstation中。

步骤2：在Step7 SIMATIC Pcstation，根据Station Configurator中的顺序加入OPC服务器与以太网（IE通用），在IE通用中设定好IP地址及子网掩码。再插入SIMATIC 300 Station，对应具体硬件订货号，在300站点卡槽中根据实际进行硬件组态，插入相应模块，并加入PROFIBUS拓扑线，于其上挂上S120驱动系统的控制单元CU320-2DP[3]。

步骤3：在PLC的CPU模块中，能够对PLC进行编程，对应程序中需要用来通过上位机LabVIEW通信读取、写入的输入输出IO、M触点、DB数据块都需要添加到符号表中，为之后导入到OPC服务器中做准备。完成编程后，设置PG/PC接口为TCP/IP（Auto），将整个项目包括组态的硬件及程序下载到PLC中。

步骤4：进入NetPro网络配置，选择OPC服务器，对每台机械手均插入S7连接，并分配以太网节点地址，建立PC站点与运输机械手间的S7通信[4]，如图4所示。

图4 NetPro网络组态

步骤5：进入OPC服务器，在S7一栏中将已组态的符号表导入，这样就将需要通信的数据已符号的形式映射到OPC服务器中。之后将PG/PC接口转成PC internal并下载PCStation。

步骤6：在LabVIEW端，为了能够将导入到OPC服务器的通信数据链接至LabVIEW中，需要先后在项目中创建IO server、OPC客户端、约束变量，其中的约束变量即为STEP7软件中导入OPC服务器的符号表内容[5]。

步骤7：最后即可在LabVIEW VI中添加共享变量，并链接至对应OPC服务器中的变量数据，通过这些共享变量读取与写入控制PLC中的程序

3.3 ET200S PLC与S120驱动系统通信实现

基于上述LabVIEW共享变量与PLC间的通信，这里介绍PLC如何通过S120驱动系统实现对电机轴的控制。

1）使用STARTER软件配置S120驱动系统。基于前文STEP7组态配置的S120驱动CU320-2DP控制单元，在STARTER软件中，将IP地址设备号下载至CU320-2DP单元中，将设备在线，进行自动配置。系统根据硬件自动完成相关硬件索引，包括CU单元、选件和Servo轴等。CU单元上的端子接口可以连接电机轴的限位开关和接近开关，一个Servo轴对应一个电机。对于第三方电机需离线配置，根据设备的调试手册步骤完成配置。

完成上述配置后，最为关键的是配置通信报文，其为西门子公司定义的PROFIdrive行规的报文结构，有对应不同功能的报文库，可以根据不同项目工艺使用不同报文，这里CU单元选用390报文；Servo轴选用111报文。这些报文反应在SATRTER中是以p参数和r参数的形式展现，p参数为写参数，r为读参数。在STARTER中，配置相应报文，并对每个报文分配的地址映射到PLC对应地址区，建立起通信。如图5所示，111报文共有12个字，即24个字节长，地址从262至285，Input data为PLC向S120端发送数据，Output data为S120的数据反馈回PLC端。

图5 通信报文配置

完成报文配置后，所有的p、r参数自动连接至报文结构中，如图6所示为111报文的接收端报文结构， 所有的参数已完成互联，每一位参数位都对应一个功能，可以从S120通信报文参数手册中查询。STW1、STW2为控制字，用于驱动报文，POS_STW1、POS_STW2为参考点、点动控制方式，OVERRIDE为定位速率，MDI_TARPOS为定位位置，MDI_VELOCITY为定位速度，MDI_ACC为加速度，MDI_DEC为减速度。若要完成PLC与S120的通信，只需在程序中对对应地址的每一位写入相应的值即可。

图6 111报文接收端报文结构

2）PLC通信程序。在STARTER中配置完报文后，需在PLC程序中写入报文内容，发送给相应S120驱动的映射地址。编写程序时，通过调用系统功能块SFC14、SFC15建立起PLC与S120驱动间的报文循环通信，并输入初始报文值47E到以262-263为地址的STW1控制中，这些地址位定义在DB1数据块中；再对STW1输入47F使得驱动使能；之后根据控制轴的相关运动需求，如位、回零和程序段运行等功能编写对应报文内容赋给相应地址。所有的程序前置控制触点M均由上位机LabVIEW控制，即3.2节中论述。

4 结论

本文设计了基于OPC技术和工业以太网的多机械手控制系统，并实现了：1）通过PC（采用LabVIEW作为上位机软件），采用共享变量的形式对PLC的数据进行读写，实现监控及控制的目的。2）PLC发送通信报文对S120驱动的伺服轴进行控制。最终实现LabVIEW与多机械手各轴间的通信控制。该系统软硬件可靠性高，高度模块化，灵活性强，又加入了OPC技术，使得第三方的上位机软件能够应用于该系统，适用于各种工业自动化通信项目。

[1] 周新民,涂铮.基于OPC技术的PC与S7-200PLC的实时通信[J]. 武汉理工大学学报,2008,4：354-355.

[2] 吉顺平,等.西门子PLC 与工业网络技术[M].北京：机械工业出版社,2008：296-298.

[3] 王占富,谢丽萍,岂兴明.西门子S7-300/400系列PLC快速入门与实践[M].人民邮电出版社,2010：141-144.

[4] 崔坚.西门子工业网络通信指南（下册）[M].机械工业出版社,2005：88-90

[5] 陈数学,刘萱.LabVIEW宝典[M].电子工业出版社,2011：441-445.

[6] 崔坚.西门子工业网络通信指南（上册）[M].机械工业出版社,2005.