西門子模塊6ES221-1BF22-0XA8原裝代理

一、引言

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美國國家儀器公司（National Instruments）推出一種基于圖形語言（G 語言）的開發環境，編程非常方便，人機交互界面直觀友好，用戶可以創建獨立的可執行文件，能夠脫離開發環境而單獨運行，是目前較流行的虛擬儀器編程平臺，廣泛應用于測試測量、過程控制、實驗室研究與自動化等方面。

可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）是將計算機技術、通信技術和自動控制技術結合在一起的自動控制設備，具有可靠性高、體積小、功耗低、抗干擾能力強等諸多優點，**其在溫度和濕度都較高、空間較小、工作環境惡劣的環境下穩定、可靠、長時間連續地工作。

將 LabVIEW 與PLC 結合起來應用于工程實踐，不僅可以大大降、縮短開發周期，而且可以使得控制操作方便、界面美觀。

二、應用背景

在某遙控模型裝置的研制過程中，因被遙控裝置的體積小、重量輕、內部結構復雜，以及其惡劣的工作環境決定了不適合在裝置內部安裝普通計算機，所以選用體積小重量輕、工作可靠的松下公司FPE 型PLC 來作為被遙控裝置被控端的主控單元。該型號的PLC 有16點輸入和16 點輸出，程序容量可達32KB。PLC 在遙控裝置中的作用主要是采集模型裝置的狀態、接收遙控端的控制信號以及驅動電機等。遙控端選用普通計算機，作用主要是負責讀取PLC 中模型裝置的相關動態數據并進行相關運算、根據具體工作模式給PLC 端自動發送控制信號或者通過采集人工輸入信號并將其發送給被遙控裝置的PLC。

鑒于 LabVIEW 軟件可方便實現數據采集和信號處理，具有強大的外部接口能力，而且采用LabVIEW 編寫控制程序主界面的既簡單美觀，又能節約開發時間，大大提高了程序設計效率等優點，遙控端的控制程序采用LabVIEW 編寫。

三、LavVIEW 與PLC 的無線通信

由于模型裝置的遙控端和被控端相隔的距離較遠，為方便控制被控裝置的運動，所以考慮采用無線通信的方式讓遙控端與被控端進行通信聯系。LabVIEW 與PLC 之間的通信通常是采用串口方式，為此只需在這兩者之間架設無線電臺，并以無線電臺為橋梁實現LabVIEW與PLC 之間通過串口進行無線通信。

3.1 無線電臺及其與終端的連接

我們采用深圳市友訊達科技發展有限公司生產的 FC211LP 微功率無線數傳模塊作為無線電臺。該電臺工作頻率在ISM 頻段（載波頻率433MHz），基于FSK 的調制方式，采用信道編碼技術，提高了數據抗突發干擾和隨機干擾的能力。其傳輸性能優良，接口多樣，且設置使用方便，共提供三種內部接口方式：TTL/RS232/RS485，并提供透明的數據接口，接口波特率為1200/2400/4800/9600Bit/s，空中波特率為1200/2400/4800/9600Bit/s，用戶均可根據實際需要進行設置。另外，該電臺還具有可靠性高、體積小、重量輕等特點。

該電臺采用單片射頻集成電路及單片 MCU，外圍電路少，

將電臺和用戶終端連接好后，只需打開其附帶的編程軟件Fc211sp，進行相關設置即可使用。在這個編程軟件中，可以讀取電臺當前設置，也可以改變信道、空中頻率以及端口等的相關設置。由于PLC 與LabVIEW 之間數據傳送是雙向的，所以兩個電臺的設置應當完全一致。

3.2 LabVIEW 與PLC 的串口通信

利用串口實現 LabVIEW 與PLC 之間通信的常用方法一般有兩種，*一種方法是利用VISA 進行串口通信。VISA 是應用于儀器編程的標準I/O 應用程序接口，它本身并不具有儀器編程能力，VISA 是調用底層驅動器的高層API。*二種方法是利用標準串口通信函數進行串口通信。LabVIEW 中提供了幾個標準的串口通信函數，包括串口初始化函數、數據寫入串口函數、從串口讀出數據函數以及關閉端口函數等。這兩種方法雖然都可是實現LabVIEW 與PLC 的串口通信，但是前提是程序設計人員必須充分熟悉串口通信的工作原理及LabVIEW 的程序編寫，并且還需要設置相關的參數以及出錯處理等，保串口通信正常進行，程序編制過程相對比較復雜。

實際上，LabVIEW 本身就帶有“Instrument I/O Assistant”，這個I/O 助手可幫助程序設計人員輕松完成串口通信相關參數的設置，并實現與相關設備的串口通信。下面就以LabVIEW 與PLC 的串口通信為例說明如何利用I/O 助手實現串口通信。

I/O 助手可以選擇不同的設備端口，設定延遲時間以及定義接收和發送時結尾字符。由于LabVIEW 與PLC 的串口通信是應答式的，并且設計中以LabVIEW 為主動，PLC 為被動，所以在“Select Instrument”中要先選擇加入“Write”，并將其輸入的字符串命名為bbbbb，用以存放給串口的寫入命令，來對PLC 進行讀或寫，然后選擇加入“Read and Parse”，并將其輸出的字符串命名為output，用以存放串口中的返回數據。

松下公司的 PLC 串口通信格式是采用MEWTOCOL 協議，所以還要根據其協議格式來組織輸入的命令字符串以及分解串口返回的字符串。以向PLC 中寫數據為例，如果要向PLC的DT600 到DT603 四個數據單元中分別寫入數據100、200、300、400，則輸入字符串，即控制命令字符串應為“%01#WD00600006036400C8002C019001CR”，其中CR 為校驗碼，控制命令字符串中的4 個數據項應當都為16 進制數據。命令字符串的組成可以通過LabVIEW提供的相關函數來完成，

其中 XOR 子VI 作用是求取“%01#WD00600006036400C8002C019001CR”這個字符串的校驗碼，其程序可采用LabVIEW 中的相關函數來編寫。命令字符串組成完后，將其賦值給bbbbb 字符串變量，然后建立bbbbb 字符串變量的一個局部變量，將其連接到“Instrument I/O Assistant”中bbbbb 項。另外，還要創建一個接收從串口返回的字符串的變量output，以及為串口通信報錯的error 變量，并將其都連接至“Instrument I/O Assistant”中的相關項，

對于向 PLC 寫入數據，如果串口通信正常，則返回字符串output 中將應是“%01$WD13”，否則將會報錯，并提示錯誤代碼，錯誤原因可根據錯誤代碼查閱MEWTOCOL 協議手冊。如果是從PLC 中讀出數據，與向PLC 寫入數據相比，則不僅輸入的命令字符串不同，而且返回字符串output 的內容也不同，返回字符串output 中將包含所讀取的數據信息以及其他校驗信息等，需要從這個字符串中將數據信息提取出來。例如，如果命令是讀取PLC中DT650到DT653 的數據，則寫入的命令字符串是“%01RDD0065000653CR”，其中CR 是校驗碼。

設PLC 中這幾個寄存器中的數據分別為150、250、350、450，則返回的字符串是“%01$RD9600FA005E01C201CR”，其中CR 是校驗碼。得到返回字符串后，還需要進一步將其分解，以便得到相應的數據，

因采用的是應答式串口通信，當數據量很大時，通信滯后可能是要面臨的一個問題。另外，因無線通信為**通信準確率，在距離較遠的情況下，需要適當調低無線通信的空中頻率，這也可能會造成串口無線通信的滯后。當通信的數據量較大，可采用數據分組的方法，將所有要交互的數據分成若干組，讓那些實時性要求很高的數據在每一組數據中都出現，而其他數據分布再不同的組中，但每一組的數據總量要適中，程序在每一次循環內只分別對一組數據進行讀操作和寫操作，這樣會在很大程度上減少大量數據通信滯后帶來的一些問題。

四、結束語

本文介紹了利用無線電臺實現LabVIEW 與PLC 之間通過串口的無線通信的方法。這種方法已經在某無線遙控模型裝置上通過測試并得到應用。實踐證明，這種無線通信方法不僅通信可靠，錯誤率較低，而且簡單易行，能完全滿足一些工程實際需求。

本文創新點：采用LabVIEW 中的“Instrument I/O Assistant”模塊與PLC 進行串口通信，并實現LabVIEW 與PLC 的無線通信，不僅通信可靠，且簡單易行。

1 可靠性高，抗干擾能力強

可靠性是電氣設備的關鍵性能。 在 PLC 的設計和制造過程中， 由于采用了現代大規模集成電路技術和嚴格的生產工藝來制造內部電路，PLC 具有**的抗干擾能力，使用 PLC 的平均無故障時間通常在 20000 小時以上，這是一般的其他電氣設備做不到的。

2、配套齊全，功能完善，適用性強

雖然 PLC 的種類繁多， 但由于其產品的系列化和模塊化，且軟件包齊全， 用戶可靈活組成各種規模和要求不同的控制系統。除了邏輯處理功能外，現代 PLC 大多具有完善的數據運算能力，可用于各種控制領域。 近年來 PLC 的功能單元大量涌現，使PLC 的應用擴展到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業控制中。加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用 PLC組成各種控制系統變得更加容易。

3、編程語言易學易用

PLC 一般采用易于理解和掌握的梯形圖語言及面向工業控制的簡單指令編寫程序，易于為工程技術人員所接受。 梯形圖語言的圖形符號和表達方式與繼電器電路圖相當接近，只用PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能，為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人打開了方便之門。

4、維護工作量小，維修方便

PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備的外部接線。 同時具有很強的自我診斷能力， 能隨時查出自身的故障，并顯示給技術人員，使技術人員能迅速檢查、判斷故障的原因。如果是PLC 自身的原因，在維修時只需更換插入式模塊及其它易損壞的部件即可，既方便又減少了影響生產的時間，使維護也變得容易起來。

    5、體積小，重量輕，能耗低

以**小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。

（1）繼電器輸出：
優點是不同公共點之間可帶不同的交、直流負載，且電壓也可不同，帶負載電流可達2A／點；但繼電器輸出方式不適用于高頻動作的負載，這是由繼電器的壽命決定的。其壽命隨帶負載電流的增加而減少，一般在幾十萬次至Jl百萬次之間，有的公司產品可達1000萬次以上，響應時間為10ms。
（2）晶閘管輸出：
帶負載能力為0.2A/點，只能帶交流負載，可適應動作，響應時間為1ms。
（3）晶體管輸出：
較大優點是適應于高頻動作，響應時間短，一般為0.2ms左右，但它只能帶DC5—30V的負載，較大輸出負載電流為0．5A/點，但每4點不得大于0.8A。
當你的系統輸出頻率為每分鐘6次以下時，應可以選擇繼電器輸出，因其電路設計簡單，抗干擾和帶負載能力強。當頻率為10次／min以下時，既可采用繼電器輸出方式；也可采用PLC輸出驅動達林頓三極管（5—10A），再驅動負載，可大大減小。
繼電器優點：交流及直流負載都可以驅動；負載額定電流大；
缺點：動作頻率不能太高，同時繼電器是有壽命的，一般100萬次；
晶體管優點：動作頻率可以達到幾百KHZ，無觸點，因此不存在機械壽命的說法；
缺點：只能接直流負載（一般DC30V以下），電流比較小；
雙向可控硅（晶閘管輸出）：只能接交流的負載，動作頻率比較高，壽命長，但負載的額定電流也比較小
晶體管主要用于定位控制，要用晶體的輸出來發出脈沖。而繼電器是不能用發出脈沖的，也就不能定位控制了。如果用繼電器去控制定位伺服或是步進的話就還要加定位模塊，經濟上不劃算。而用一個晶體管輸出的就可以控制伺服等。就這么回事。依據生產工藝要求，各種指示燈、變頻器/數字直流調速器的啟動停止應采用晶體管輸出，它適應于高頻動作，并且響應時間短;如果PLC系統輸出頻率為每分鐘6次以下，應可以選擇繼電器輸出，采用這種方法，輸出電路的設計簡單，抗干擾和帶負載能力強。
1.負載電壓、電流類型不同
負載類型：晶體管只能帶直流負載，而繼電器帶交、直流負載均可。
電流：晶體管電流0.2A-0.3A，繼電器2A。
電壓：晶體管可接直流24V（一般較大在直流30V左右，繼電器可以接直流24V或交流220V。
2.負載能力不同
晶體管帶負載的能力小于繼電器帶負載的能力，用晶體管時，有時候要加其他東西來帶動大負載（如繼電器，固態繼電器等）。
3.晶體管過載能力小于繼電器過載的能力
一般來說，存在沖擊電流較大的情況時（例如燈泡、感性負載等），晶體管過載能力較小，需要降額更多。
4.晶體管響應速度快于繼電器
繼電器輸出型原理是CPU驅動繼電器線圈，令觸點吸合，使外部電源通過閉合的觸點驅動外部負載，其開路漏電流為零，響應時間慢（約10ms）。
晶體管輸出型原理是CPU通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負載，響應時間快（約0.2ms甚至更小）。晶體管輸出一般用于高速輸出，如伺服／步進等，用于動作頻的輸出：如溫度ＰＩＤ控制，主要用在步進電機控制，也有伺服控制，還有電磁閥控制（閥動作頻）。
5.在額定工作情況下，繼電器有動作次數壽命，晶體管只有老化沒有使用次數限制
繼電器是機械元件所以有動作壽命，晶體管是電子元件，只有老化，沒有使用次數限制。繼電器的每分鐘開關次數也是有限制的，而晶體管則沒有。
6.晶體管輸出的價格稍貴一點.  一、美系廠家Rockwell ABRockwell的PLC主要是包括：PLC2、PLC3、PLC5、SLC500、ControlLogix等型號，PLC2和PLC3是早期型號，現在用的比較多的小型PLC是SLC500，中型的一般是ControlLogix，大型的用PLC5系列。DF1協議是Rockwell各PLC都支持的通訊協議，DF1協議可以通過232或422等串口介質進行，也可以通過DH、DH+、DH485、ControlNet等網絡介質來傳輸。DF1協議的具體內容可以在AB的資料庫中下載。AB的PLC也提供了OPC和DDE，其集成的軟件中RSLogix中就包含DDE和OPC SERVER，可以通過上述軟件來進行數據通訊。AB的中高檔的PLC還提供了高級語言編程功能，用戶還可以通過編程實現自己的通訊協議。
二、GE現在在國內用的比較多的主要是90-70和90-30系列PLC，這兩款PLC都支持SNP協議，SNP協議在其PLC手冊中有協議的具體內容。現在GE的PLC也可以通過以太網鏈接，GE的以太網協議內容不對外公開，但GE提供了一個SDK開發包，可以基于該開發包通訊。
三、西門子系列PLC主要包括其早期的S5和現在的S7-200、S7-300、S7-400等各型號PLC，早期的S5PLC支持的是3964R協議，但是因為現在在國內應用較少，除較個別改造項目外，很少有與其進行數據通訊的。S7-200是西門子小型PLC，因為其低廉的價格在國內得到了大規模的應用，支持MPI、PPI和自由通訊口協議。西門子300的PLC支持MPI，還可以通過Profibus 和工業以太網總線系統和計算機進行通訊。如果要完成點對點通訊，可以使用CP340/341。S7400作為西門子的大型PLC，提供了相當完備的通訊功能。可以通過S7標準的MPI進行通訊，同時可以通過C-總線，Profibus和工業以太網進行通訊。如果要使用點對點通訊，S7-400需要通過CP441通訊模塊。西門子的通訊協議沒有公開，許多組態軟件都支持MPI、PPI等通訊方式，Profibus和工業以太網一般通過西門子的軟件進行數據通訊。
四、施耐德（）施耐德的PLC型號比較多，在國內應用也比較多。其通訊方式主要是支持Modbus和MODBUS PLUS兩種通訊協議。Modbus協議在工控行業得到了廣泛的應用，已不僅僅是一個PLC的通訊協議，在智能儀表，變頻器等許多智能設備都有相當廣泛的應用。MODBUS經過進一步發展，現在又有了MODBUS TCP方式，通過以太網方式進行傳輸，通訊速度更快。Modbus PLUS相對于MODBUS傳送速度更快，距離更遠，該通訊方式需要在計算機上安裝MODCON提供的SA85卡并需安裝該卡的驅動才可以進行通訊。除了上述兩種方式之外，的PLC還支持如TCP/IP以太網，Unibbbway， FIPWAY，FIPIO，AS-I，Interbus-s等多種通訊方式。
五、歐姆龍系列PLC在中國推廣的也比較多。在通訊方式上，OMRON現在主要采用兩種通訊方式：Host bbbb協議是基于串口方式進行的通訊方式。當PLC進入MONITOR方式時，上位機可以和歐姆龍PLC通訊。在和歐姆龍通訊時要注意，兩次通訊之間要留一定時間，如果通訊速度過快造成PLC通訊異常。Controlbbbb是歐姆龍PLC的一種快速通訊方式。Control bbbb通過板卡進行數據通訊，板卡之間有數據交換區，由板卡實現數據的交換從而完成數據采集功能。使用該方式通訊需配置歐姆龍的驅動。
六、三菱PLC的小型PLC在國內的應用非常廣泛。三菱的PLC型號也比較多，主要包括FX系列，A系列和Q系列。三菱系列PLC通訊協議是比較多的，各系列都有自己的通訊協議。如FX系列中就包括通過編程口或232BD通訊，也可以通過485BD等方式通訊。其A系列和Q系列可以通過以太網通訊。當然，三菱的PLC還可以通過CC-bbbb協議通訊。
七、松下PLC和計算機之間可以通過串口和以太網進行通訊。其采用的通訊協議是MEWTOCOL協議。如大多數日系PLC一樣，MEWTOCOL協議比較簡單。許多軟件都可以從PLC中直接讀取數據。
以上介紹的是國外的主流PLC設備通訊方式。除以上廠家外，還有很多PLC廠家：廠家型號協議介質LGSTER-K10S/30S/60S/80S/K200SMASTER-K串口日立H系列 EH150等Hi協議串口/USB光洋所有系列CCM2協議串口信捷所有系列Modbus串口凱迪恩全部MODBUS串口。
筆者認為目前市場上的PLC之間很難融合，較主要的原因就是它們之間缺少一種共同的通訊語言，這也直接限制了PLC發展的步伐。PLC與上位機之間通訊，也是由于各個廠家的PLC通訊協議不一致，我們在做網絡通訊時，往往被一大堆的通訊協議報文格式所阻礙。目前OPC 協議規范的出現打破了這種局面，但是要徹底解決不同品牌PLC之間的通訊，光靠一種技術規范是不夠的，我相信在未來一定PLC 一定會統一兼容規定的一種通訊協議的。

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