LabVIEW与PLC串控制系统设计方案8

1、基于 LabVIEW 与 PLC 的串级控制系统设计摘 要：详细介绍了采用 RS232 串口完成 LabVIEW 与 PLC 之间通讯，并利用该 方法，设计了一种基于 LabVIEW 与 PLC 的串级控制系统。实验结果表明：控制 系统已达到了预期的设计效果。关键词：LabVIEW PLC 串级控制；串口通讯The desig n of a cascade con trol system based on LabVIEW and PLCXIE Jianjun ,WANG Ho ngmen g,XU Chu nmei(Power and Mecha ni cal Engin eeri ng Sc

2、hool of Wuha nUn iversity,Hube i Wuha n430072,Ch in a)Abstract : This article discusses an approac h to the realization of the RS232serial tra nsfer betwee n LabVIEW and PLC.The ap p roach is used to desig n a cascadecon trol system based on LabVIEW and PLC.The re sult of experime nts shows that a s

3、atisfactory soluti onis reached.Key words : LabVIEW。PLC。cascade control。serial transfer在过程控制中，由于工业现场非常分散，I/O 点数众多，各种仪表的工作 环境非常恶劣，采用数据采集卡和LabVIEW 开发平台来完成现场的数据采集和控制显然不可取。考虑到过程控制中的过程参数变化不是很快，而PLC 恰恰可以克服数据采集卡在过程控制中的不足，并且具有较高的性能比，因而采取以 PLC 为下位机，以装有 LabVI EW 软件的工控机为上位机开发平台，通过RS232或 RS485 串口与 PLC 通讯，实现对工业现

4、场的监控与现场数据的分析。这样可 以利用 LabVIEW 软件强大的数据处理功能和良好的人机交互环境通过简单的编 程实现上位机的 SCADA 功能。1 1 系统的基本结构现以实验室中的双容水箱对象为例来构建基于LabVIEW 与PLC 的过程控制系统。系统结构如图 1 所示。系统采用 OMRO 公司 C200H(系列的 PLC 为下位机，用 RS232 型电缆将 HO ST LINK 模块直接连到装有 LabVIEW 的工控机的串口上。2PLC2PLC 与上位机连接系统的通讯上位机与 PLC 之间的通信实际上是计算机与PLC 通信模块 HOST LINK 之间交换命令和响应的过程。 上位机具有

5、初始传送优 先权，所有通讯均由上位机启动，不需要PLC 编写通信程序，HOST LINK 能够对上位机发送来的字符串进行分析，检查数据格式，分析指令代码，然后根据 指令代码进行相应的操作， 并向上位机发出响应信号。 通知上位机已完成或反 映通信的错误，如奇偶校验错误、FCS 错误、代码错误等。在一次交换中传输 的命令格式和应答数据称之为一帧。命令帧要通过用户编写的上位机通讯程序实现，PLC 的上位链(HostLink )单元会根据上位机发来的命令帧自动生成响应帧返回给上位机。2.1 命令帧格式上位机命令格式如下:号是上位机按该号来识别 PLC 识别码是含有两个字符的上位机链接命令代 码， 它表

6、示上位机要对 PLC 进行何种操作，其识别码的含义见文献4。正 文”包括起始字和字数，起始字指的是要读写通道的起始地址，字数是指要读写 的通道个数。FCS 设置两个字符帧检查顺序码，FCS 码由上位机计算，并设置在 命令帧里。它主要是用来保证在传送一帧数据时，在终止符前安排一个FCS码，以检查在传送数据时，是否发生错误。FCS 码的具体算法是：从一帧数据的开始到帧正文结束(FCS 之前)所有数据字符的 ASCI I 码执行异或”操作的结 果，此结果是一个 8 位二进制数， 然后分别把其高 4 位和低 4 位转换成两个 16 进制数并看成 ASCII 码。终止符是“*：回车”符表示命令的结束。2

7、.2 应答帧格式应答帧是由 PLC 自动返回的，其应答格式如下：节点讥别结!k k 止丈* * i ii i号 码 码 丨牢其中 结束码”是两位 16 进制数，它是 PLC 返回给上位机的通讯错误代码，其中00 表示通讯无错误，不同错误代码的含义可参考编程手册。正文”中每 4 位 16 进制表示一个通道的数据。2.3LabVIEW 与 PLC 通讯的实现(1) PLC 上位机链接设置采用 RS232C 端口时，需要置 DM6645 勺 1215 位为 0, PLC 的节点号设置何其中砂示一帧的开始。节点在 DM6648 勺 0007 位。文中采用 OMRON C200 PL 的默认设置。即在

8、CPU 的DIP 开关 J 脚置 OFF 的情况下，PLC 与上位机之间采用如下参数进行通讯：启动位：1 位；数据长度：7 位；停止位：2 位；奇偶校验：偶校验；波特率：9 600 b/s。(2) LabVIEW 中串口通讯的步骤LabVIEW 共有 5 个串行通讯节点，包括初始化端口 (Serial PortInit.vi)、串 口写(S erial P ort Write.vi)、串 口读(Serial PortRead.vi)、检测串口输入缓存中的字节数 (Bytes at Serial Port.vi) 、串口中 断(SerialPort Break.vi)等功能，各个节点端口参数表见

9、文献2。在 LabVIEW 的程序中可采用下列步骤实现与 PLC 之间的通讯：1初始化串口，设置双方通讯的端口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验等；2把要发送的数据按 PLC 命令帧的格式打包，包括计算帧校验序列FCS3写端口，把整个命令帧发送到串口；4延时等待 PLC 的应答帧到达串口；5读串口，读取 PLC 的应答帧；6把读取的应答帧解包，读取相应的数据。(3) LabVIEW 中串口通讯的实现1初始化串口，按照 PLC 串口通讯的要求，通过 Serial Port Init.vi节点设定，端口号设为 0,即设定上位机的串口 COM 与 PLC 通讯，若设其他串口，端口号依此类推；波特率

10、设为 9 600 b/s。数据位为 7 位；停止位设定为 2位；奇偶校验设定为 2，即对数据帧进行偶校验。2对 PLC 数据帧计算 FCS 并把数据帧打包，其子程序如图 2 所示：第 0 步为计算帧校验序列 FCS 程序；第 1 步为数据帧打包程序在编程时应注意以下几点：1）对于长度为 n 的字符串，要进行 n-1 次 异或”因此循环次数应为 n-1；2）利用循环结构的移位寄存器对每个字符的ASCII 码进行 异或”时，要对左侧的移位寄存器进行初始化3。在系统中，由于任何一帧数据都是以开始，因此程序中采用 的 ASCII 码来初始化左侧的移位寄存器；3）在 For 循环与循环外部的数据交换通道

11、采用无索引（Disable Indexing）形式，这样就可在循环结束后一次性读取FCS 的数值；4）由于数据帧中 FCS 的数字是字符型的， 要通过 Number To HexadecimalString ”这个节点把整型表示的 FCS 数值转换成 2 个以 16 进制表示的 ASCII 码 字符；5）程序中的 13”是回车符 ASCII 码数值。3对串口的发送与接收及解包程序数据的发送与接收主要是通过串口写、串口读节点来实现的。在写串口完 成后要延时一段时间（如延时 250 ms）后再读串口，这样才能保证串口通讯正常 进行。解包程序与打包程序类似，其过程正好相反。数据收发子程序如图3 所示

12、。3 3 系统的分析及方案设计3.1 系统分析通过作双容水箱上升阶跃，采用 LabVIEW 的波形显示控件可得到一条与S”型相近的响应曲线，可用一阶惯性环节加纯迟延近似表示其传递函数：由于TT=1.06 1,故系统迟延较大4,且动态特性存在非线性。经分析，动态特性的非线性主要是由于变频器 及水泵的非线性造成的。在采用单级 PID 控制时，由于系统迟延较大，在水箱 B 出现正偏差、降负荷的初级阶段，水箱 A 中的水位值已经开始下降，但水箱 B 中的水位继续上升，使系统的动态特性变差；基于上述现象的存在，系统动态 特性呈现一种近似等幅振荡状态。因而系统不宜采用单级PID 控制。3.2 系统设计经分

13、析，采用串级控制系统可以改善对象的动态特性，提高系统的工作频率；对负荷的变化具有一定的自适应力；适用于非线性对象1。故采用串级控制方案，其控制系统框图如图 4 所示。主调节器和副调节器是在 LabVIEW 中用公式节点实现的，整个串级控制算法为1：川 =rx- rt3* I (4 ) u (*)-黑4 -I)+ t X - 2)if I ( - 4( Jt - I) + du | ( )2( (k) = k 1)匕(jt) m ApH*k其中*KP、Ti、Kd分别为调节器的比例增益、积分时间、微分时间。在整个串级控制中， 把整个控制对象分为导前区（水箱 A） 和惰性区（水箱 B） ，其中副调节

14、器的任务是快速消除系统内扰，以及克服变频器及水泵在系统 负荷变化时对水位测量值的影响，起粗调作用，故采用P 调节规律；而主调节器的任务是维持水箱 B 水位的稳定， 采用 PID 调节规律。 PLC 的 D/A 转换模块 DA004是 12 位的，所能接收最大数字量为 OFFF 即 4095），这时在主调节器积 分的作用下，在整个系统开始启动、停止或给定值变化幅度较大时，由于短时 间内出现很大的偏差，在积分作用下，整个调节器输出进入深度饱和状态，产 生积分饱和1 ，使系统产生较大的超调和振荡。在控制程序中米用积分分离 的 PID 算法。在偏差大于某一值 M 时，主调节器采用 PD 控制，在水位测量值接 近给定值时，采用 PID 控制。整个控制系统的阶跃响应曲线见图 5。UjtS)4；KIB用 5b 的眾咗:-轲心囱幄4 4 小结以 PLC 为下位机， 以 LabVIEW 为上位机开发平台， 利用 LabVIEW 炎件强大的数 据运算能力和数据分析能力并通过 LabVIEW 与 PLC 之间的串口通讯，组成了完 整的串级控制系统，实验表明，调节后水位的波动范围在 mm 范围内，而且作系统扰动实验时，水位能够很快的实现平