基于LabVIEW与PLC的开放式数控系统串口无线通讯的研究.pdf

第 7期 2 0 1 2年 7月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l Au t o ma t i c M a n uf a c t ur i ng Te c h ni qu e NO． 7 J u 1 ．2 0 1 2 文章 编 号 1 0 0 l一2 2 6 5 2 0 1 2 0 70 0 4 90 5 基于 L a b V I E W 与 P L C的开放式数控系统 串 口无线通讯的研究 李 英 ， 陈传凯 ， 苏 贞志 华东理 工 大学 机械 与动力 工程 学院 ， 上海2 0 0 2 3 7 摘 要 针对 无 线通讯 的 开放 式数 控 系统 ， 文章 介 绍 了其 结构 组 成 。根 据 串 口、 无 线 以 及 P L C通 讯 协 议 ， 设计 了通讯 流程 。使 用 L a b VI E W 开发 了上位机 软件 。利 用其 VI S A技 术 实现 了 L a b VI E W 与 P L C 串口无线通 讯 。 同时开发 了 P L C无 线通讯 数 控加 工程 序 。 最后 ， 在 立 式铣 床 的 开放 式 数控 系统 中， 以直 线加 ．Y - 为例 ， 测试 了 系统 无线通 讯控 制 的可行 性 ； 实验表 明 ， 所 开发 的无 线通 讯 系统 灵 活 、 便 捷 、 人 机 交互界 面友好 ， 满足 开放 式数控 系统 的使 用要 求 。 关键 词 L a b V I E W ； P L C； 串 口无线 通讯 ； V I S A技 术 ； 开放 式数 控 系统 中 图分类 号 T H1 6 2 ； T P 2 7 3 文献标 识码 A St ud y on Th e W i r e l e s s Co m muni c a t i on o f ONC S y s t e m Bas e d on La bVI EW an d PLC L I Yi n g，CHEN Ch u a n k a i ，S U Z he n z h i S c h o o l o f Me c h a n i c a l P o w e r E n g i n e e r i n g ，Ea s t C h i n a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7，C h i n a Ab s t r a c t Fo r t h e ONC s y s t e m b a s e d o n t he wi r e l e s s c o mmun i c a t i o n，t h e c o mp o s i t i o n o f t he s y s t e m ha s b e e n de s c r i b e d i n t h i s pa p e r ．Ac c o r d i n g t o t he c o mmu n i c a t i o n p r o t o c ol s o f t h e s e r i a l p o r t ，wi r e l e s s a nd PLC ，t h e p r o c e s s o f c o mmu n i c a t i o n ha s b e e n d e s i g n e d．The u p p e r c o mp u t e r s o f t wa r e i s d e v e l o p e d u n d e r La b VI EW ．Th e s e r i a l po r t wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n be t we e n t h e La b VI EW a n d P LC h a s b e e n r e a l i z e d by u s e o f t h e VI SA o f La b VI EW ．At t h e s a me t i me，NC p r o g r a ms o f P LC b a s e d o n wi r e l e s s c o mmu n i c a t i on h a v e b e e n d e v e l o pe d．At l a s t ，t h e f e a s i b i l i t y o f wi r e l e s s c o mmu ni c a t i o n s ys t e m h a s b e e n t e s t e d wi t h t h e e x a mp l e o f l i n e a r pr o c e s s i n g i n t h e ONC s y s t e m o f t h e v e r t i c a l mi l l i n g，Th e r e s u l t s ho ws t h a t t he wi r e l e s s c o mmun i c a t i on s ys t e m d e v e l o pe d i s n o t o nl y f l e x i bl e a n d c o nv e n i e n t ，b ut a l s o h a s a f r i e n d l y HM I a nd me e t t h e r e q u i r e me n t o f t h e ONC s y s t e m ． Ke y wo r dsLa b VI EW ；PLC ；wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n；VI SA ；ONC s y s t e m O 引 言 在 当今 社 会 ， 数 控 技 术 已经 成 为 制 造 业 实 现 现 代 化 的战 略 性 基 础 技 术 。 随着 微 电 子 技 术 、 计 算 机 技 术 和先进 制 造 技 术 的发 展 ， 开 放 式 数 控 系统 已 经 成 为 当前数 控技 术 发展 的主 要趋 势 。 同时 伴 随虚 拟 仪器 和 自动控 制 技 术 的发 展 ， 一 种 基 于 图形 化 编 程 的 L a b V I E W 软 件 和 P L C在 现代 工 业 生 产 中也 得 到 了更加 广 泛 的 应 用 。在 控 制 过 程 中 ， 由于 工 业 现 场 非常分 散 ， I ／ O端 口众 多 ， 甚 至有 时距离 遥 远 ， 导致 数 据 传输 线混 乱复 杂 ， 因此 ， 无 线 通 讯技 术 以其 无 线 可 移动、 灵活便捷、 抗干扰能力强等优势应运而生。 目 前 有些数 控 机 床 只是 利 用 远 程 无 线 通 讯 网 络 与 I n t e r n e t 网相连 ； 而新 型无 线 通讯 的开 放式 数 控 系统 一 般 由两部 分组 成 一 是控 制器 即数 控 P D A ； 另一 部 分则安装于机床上完成传统 的控制和 P L C功能， 两 部分 采用 Wi F i 或 蓝 牙 等实 现无 线 通 讯 ⋯ ， 但 是 数控 P D A具有 专用 性 ， 在 一 定 程 度 上 限制 了无 线 数 控 系 统 的开放性 。 随着 图形 化 编 程 的发 展 ， 利 用 L a b V I E W 软 件 ， 收稿 日期 2 0 1 11 20 8 ； 修回 日期 2 0 1 2 0 2 0 9 作者简介 李英 1 9 6 3 一 ， 女 ， 湖南人 ， 华东理工大学机械与动力工程学院副教授 ， 从 事 c AD ／ c A E ／ c AP P ／ c A M、 网络制造 自动 化等方面的研 究 ， Em a i l y i n g l i 1 6 3 s i n a ． c o m 2 0 1 2年 7月 李 英 ， 等 基 于 L a b V 1 E W 与 P L C的开放 式数控 系统 串 口无 线通讯 的研 究 ‘ 5 1 是计 算 发送 的数 据信息 是否 正确 。 2 ． 2 ． 2 L a b V I E W 与 P L C的通 讯协议 上 下位 机之 间采用 了 M o d b u s 协 议 的 A S C I I 模式 进行 通讯 。L a b V I E W 与 P L C进行 通讯 的通 讯协 议如 下 1 通讯接 口 RS 一 2 3 2 C。 2 采用 Mo d b u s 通讯 协议 A S C I I 模 式 。设 置 串 口通讯 参数 波特 率 ， 数 据位 ， 校 验位 和停 止位 等 。 3 通讯 协议 格式 如表 2所示 。 表 2 L a b VI EW 与 PLC 通 讯 协 议 的 格 式 l l L R C L R C A D R A D R C M D IC M D D A T A 』n A T D A T A E N D E N D CHK CHK S T X o I 1 I ⋯ n 一 1 1 O l O 1 l 0 l 』 1 O 起始 通讯 功能 数据 n个 8一b i t 命 令 侦误值 结束符 符‘ ’ 地址 代码 包含 了2 n个 A S C I I 码 L R C 使 用 A S C I I 模 式 ， 起 始 符 消 息 以 冒号 字 符 开 始 ， 它 通 知 P L C以 开 始 接 收传 输 来 的信 息 命 令 ； 通讯 地 址 是 通 知 与哪 台 P L C通 讯 ； 功 能 代 码 给 出该 条命 令将 执 行 的控 制 方 式 ； 数 据 位 中保 存 有 效 的通 讯信息 ； 侦误 值 L R C 判断命 令 是 否传 送 正确 无 误 ； 结 束 符 提示 由上位 机 传 输 来 的命 令 信 息 传 送 完 毕 。 2 ． 3通讯 模块 开发 本 系统 在 L a b V I E W 8 ． 6开 发 环境 下 ， 以 串行 通 讯节 点 中的 V I S A函数 配置 串 口并 实 现命 令 发 送 、 数 据读 取等 功能 ， 采用 条 件 结构 实 现 进 给运 动 的 控 制 。 必须 指 出 在 编 写 程 序 之 前 ， 需 安 装 N I V I S A 驱 动 ， 其 必 须和 L a b V I E W 程 序 版 本相 匹配 ， 避 免 编 程 时 出 错 。下面 以直 线 加 工 为 例 来 说 明 系 统 通 讯 的 实 现 ， 其流程 如 图 4所示 。 1 系统初 始化 ， 按 照 P L C串 口通讯 的要 求 以 台达 D V P - 4 0 E H 2系 列 为 例 ， 通 过 V I S A C o n f i g u r e S e r i a l P o r t ． v i 节点设 定各 参数 值 ， 如 波 特 率 ， 数 据位 ， 停 止位 和奇 偶校 验等 。 2 在 L a b V I E W 前 面板 中输 人 所 要加 工 直 线 的 坐 标 、 进 给 速 度 等 ， 运 行 程 序 ， 生成 三轴 直 线 加 工 代 码 。 3 利用 V I S A Wr i t e ． V I 写 端 口， 把 设 定 的控 制 动 作命 令 参 数 变 成 命 令 帧 ， 然 后 把 整 条 命 令 帧 以 A S C I I 码 字 符 串 的形 式 写 人 V I S A Wr i t e ． V I的 缓 冲 区 。 4 命 令 帧 通 过 无 线 通 讯 模 块 传 输 给 下 位 机 P L C ， P L C根据 传输 过来 的代 码执 行指 令 。 5 利 用 Wa i t ms ． V I 延 时 等 待 模 块 ， 主 机 发 送 命 令 到 P L C， P L C判 断命 令 无 误 后 将 数 据 信 息 返 回给 P C机 需 要 一 定 时 间 ， 故 这 一 步 需 要 设 置 延 时 等 待 。等 待 时 问可 根据 P L C的 响应 时 间 包 括 P L C 扫描 周 期 、 继 电器 动 作 时 间 和 I ／ 0模 件 响 应 时 间 确 定 。 图 4 无 线 通 讯 系统 流 程 图 6 帧校验 采用 L R C L o n g i t u d i n a l R e d u n d a n c y C h e c k 侦 误 值 ， L R C错 误 校 验 用 于 A S C I I 模 式 。这 个错误校验 码 是 一个 8位 二进 制数 ， 可 作 为 2个 A S C I I 十六 进 制 字 节 传 送 。计 算 L R C码 时 ， 仅 设 备 地址 、 功能 代码 、 数 据 块 字 节参 加 运 算 ， 而 冒号 、 回车符号 C R 和换行字符 C F 不参加运算 。具体 计 算 L R C码 的 步骤为 需 运算 的所有 字节 相 加 ， 所 得 之 和丢弃 进 位 ； 将 上 步 计 算 出 的 8位 字 节 取 反 或 由 F F F F减去 该 8 位 字 节 ； 将 取 反后 的值 加 1即 为 L R C 码 。 接 收端判 断接 收 到 的信 息 是 否正 确 的 简单 方 法 是 将除 去 冒号 、 回车 符 号 C R 、 换 行 字 符 L F 以外 的所 有字 节相 加并 丢弃 进位 。若 结 果 为 0 ， 则 表 明信 息传 送正 确 ， 否则 出错 。 7 利用 V I S A R e a d ． V I 读 端 口， 读 取 P L C的响 应信 息 ， 即读取 缓 冲 区 的 内容 。如果 响应 正 常 ， 就 以 示 P L C已经接 收 到上 位 机 发 送 来 的指 令 ， 就 将 所 得 数据信息做显示 、 分析和保存等处理 ， 以便用于设备 实时控 制 和在 线 状 态 监 测 ； 如 果 响应 不 正 常则 发 出 错误信息 ， 以示命令帧不正确 ， 退 出程序 ， 用户需重 新运行 程 序 。 8 利 用 V I S A C l o s e ． V I 关 闭 串 口， 便 于 下 一次 打开或是其它设备使用。 开 发 的 L a b V I E W 程 序框 图如 图 5所 示 。 5 2 组合机 床与 自动化 加工 技术 第 7期 l 黼J 一 一 叠坦墨 | ⋯ ～ I 幽 1一 ⋯ 一 1 一 5 n_ ___ ___ ●_ _-_ 一 翮 圉{ 一 I 1 ～ 恒 { l _ 。 l 一嘀 。 - _j I ⋯ 进 一 露 一⋯ 耐 肝毒 斟 ] 雕 擐 r 一 圜 口 图 5 3 PLC编 程 串 口通 讯 的 框 图 程 序 y和 z轴按照规定 的速度 与脉 冲数 目动作 。 P L C使用 内部 数 据 寄 存 器 来 储 存 P C发 来 的信 号 ， 其 中 D O和 D 1保 存 轴 的脉 冲频 率 和脉 冲数 ， D 2和 D 3保 存 y轴 的脉 冲 频 率 和 脉 冲 数 ， D 4和 D 5 保存 z轴的脉冲频率和脉冲数 ， D 6保存控制三轴电 机 的转动 和转 动方 向的数据 指令 。 P L C接收 到 P C发 送 的数 据 后 按 照 如 图 6所 示 的梯形 图执 行 。 图 6 P LC 梯 形 图 其 中 ， P L S Y指 令用 于把 指 定 脉 冲输 出频 率 由脉 冲输出装置输 出脉冲输 出数 目， P L S Y D O D 1 Y 0 ， 即 P L C高速 脉 冲输 出端 口 Y 0根 据 D O和 D 1的值 输 出 脉 冲频 率与 脉 冲数 目 。 当按下 启 动 开 关 时 ， 点 击 直 线 插 补 按 钮 ， X 2 7 O n ， 给寄存器 D O到 D 6赋值 。执行 M O V D 6 K 2 Y 1 0指 令， 即将数据寄存器 D 6的值以二进制的形式赋给 Y 1 0 到 Y1 7 ， Y 1 0到 Y 1 7根据 高低 电平 ， 置 于开启 和关 闭状 态 ， 控制着 三轴 电机 的转 动及 其转 动方 向； 同时 ， Y 1 线 圈导通 ， 工作 指示灯点亮 ； P L S Y指令执行 ， 根据 数据 寄 存器 D O到 D 5的值 ， 输 出脉冲频率 和脉冲数 目， 即 、 4 系统 测试 在立式 铣 床 上 ， 以开 放 式 数 控 系 统 的 直 线 加 工 为例 ， 对 系统 的 串 口无 线 通 讯 进 行测 试 ， 加 工 如 图 7 所示 的直 角三 角形 ， 其 测试 过程 如下 。 c o,s o ， o 】 n 8 o , 5 0 , 0 图 7 系统 测 试 图 以加工 三角形 的斜 边直 线 A B为例进 行说 明 1 将 系统初 始化 ； 2 设 置系统 参 数 ， 如 步 进 电机 参 数 细 分设 为 5 ， 步 进 电机 每转 一圈需 要走 1 0 0 0步 ； 3 在 HM I 前 面 板 上输 入 加 工 坐标 和进 给 速 度 ， 如起 始 点 0 ， 0 ， 0 ， 终 止 点 8 0， 5 0， 0 ， 进 给 速 度 V0 ． 0 0 5m／s ； 4 点击 “ 直线插 补 ” 按 钮 ， 根据 进给 速度计 算各 轴 进给 的速度 ， 即频 率 ， 已知 立 式 铣 床 的螺 距 为 P 0 ． O 0 5 m， 根据进 给速 度 V 0 ． 0 0 5 m ／ s ， 计算 所得 P ／ V 1 0 0 00 ． 0 0 5 ／ 0 ． 0 0 5 1 0 0 0l O 0 0 p ／ s 。 f yN y ／ N x 6 2 5 p ／ s ， 胞 ／ f yO p ／ s ， 刀具 根据 当前 位 置默 认 为起 始 点 ， 根据 终 止 点计 算 x轴 、 】 ， 轴 和 z 轴 所要 走 的距 离 L x 8 0 m m， L y5 0 m m， L z O mm， 从 而计算 出 轴、 l ， 轴 和 z轴 所要走 的脉冲数 ， N x 1 6 0 0 0 p， 1 0 0 0 0 p ， N z O p ； 并 判断 三轴 电机 的 正反 2 0 1 2年 7月 李 英 ， 等 基于 L a b V I E W 与 P L C的开放 式数 控 系统 串 口无 线通讯 的研 究 。 5 3 转方 向 ， D 6 4 8 ； 5 根 据 轴 的 脉 冲频 率 、 脉 冲数 和 电机 正 反 转 ， 计算其 校 验码 L R C ， 其 为 4 7 H 十六 进制 ； 6 将 三轴 的脉 冲频 率 、 脉 冲数 和 电机 正 反 转 的 十进制的值转换成十六进制相应 的字符 串， 依次给数 据寄存器 D O到 D 6赋值 ， D O 0 3 E 8 H， D 1 3 E 8 0 H， D 2 0 2 71 H ， D3 2 71 0 H ， D4 0 0 0 0H， D5 0 0 0 0H ， D6 0 0 3 0 H， 通过字符 代码 封 装 生成 P L C可 识别 的加 工代 码 ， L a b VI E W P L C “ 0 l l 0 1 0 0 0 0 0 0 7 0 E 0 3 E 8 3 E 8 0 0 2 7 1 2 7 l 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 4 7＼ r ＼ n” 7 V I S A 写 入 ， 经 过 无 线 通 讯 模 块 ， 发 送 给 P L C，P L C程 序 运行 ， 从 而控 制 驱 动 器 ， 驱 动 轴 、 l ， 轴 和 Z轴 按 照各 自的频 率 和脉 冲数 运 转 ， 加 工 目标 直线 ， 直 到结 束 。 同理 ， 加 工直线 B C和 C A 同加工 直 线 A B类 似 ， 程 序运 行 ， 分别 生成 加工 代码为“ 0l l 0l 0 0 0 00 0 7 0E0 3E8 3E8 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 011 l 0 ＼ r ＼ n”和 “ 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 7 0 E 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 E8 2 7 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 8 6 ＼ r ＼ n ” 。将 生成 的加 工 代 码 经过 无 线 通 讯 模块 传输 给下 位机 ， P L C接 收 到命 令 帧执 行 运 行 ， 控 制 驱动器 ， 驱 动各轴 电机 ， 直至 加工 结束 。 系统 测 试 加 工 结 果 见 图 8所 示 。 测 试 结 果 表 明 ， 基 于 V I S A技 术 的 L a b V I E W 与 P L C开 放 式 数 控 系统 串 口无 线 通 讯 能 够 正 确 、 稳 定 地 实 现 无 线 数 据 的传输 ， 从而完成了实时的加工控制。 图 8 系统 测 试 加 工 结 果 5 结束 语 本 文根 据 串 口、 无 线和 P L C三 者通 讯 协议 ， 利 用 L a b V I E W 中的 V I S A技 术 ， 开发 了 串 口无 线通 讯 控制 系统 ， 并 以此 开发 了人 机交 互 界 面 ， 在 立 式 铣床 上 进 行 了直 线加 工实 验 。试 验结 果表 明 L a b V I E W 与 P L C 无线通讯控制的实现， 使其摆脱了对数据线 的依赖 ， 具有更大的使用灵活性。人机交互 界面友好 ， 且在 功 能扩 展 和二次 开发 上具 有极 大的方 便性 。 [ 参考文献] [ 1 ]王治森 ， 曹斌 ， 高荣 ．采用无线通信技术 的新型数控 系统 [ J ] ．制造业 自动化 ， 2 0 0 5 ， 2 7 1 4 95 O ． [ 2 ]曾燕 飞 ， 李虎 山．基于 P L C的三面铣 组合机床 电气控 制 系统设计 [ J ] ．组合机床 与 自动化加工技术 ， 2 0 1 0 1 4 4 4 6． [ 3 ]A n X i n ， L i Y i n g ．R e s e a r c h o f t h e S e r i e s P o r t C o m m u n i c a t e S y s t e m b e t w e e n P C a n d MC U b a s e d o n Wi r e l e s s [ C] ．T h e I nt e r n a t i o n a l Co n f e r e nc e o n El e c t r i c a l Eng i n e e r i ng a nd Au t o ma t i e Co n t r o 1 ． 2 01 0． 9 31 73 2 0． [ 4 ]江和 ， 张培铭 ， 翁桂 华．基于无线通信 的高压设备温 度 监 测系统的设计 [ J ] ．仪器仪 表学 报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 9 5 1 5 2 ． [ 5 ]李瑞 ， 周 冰 ， 胡 仁喜 ， 等．L a b V I E W2 0 0 9中文版虚 拟仪 器 从入 门到精通 [ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 6 ]徐宏海 ， 陶广军 ， 张财政 ．台达 P L C与触摸屏在分子 筛灌 装机控 制 系 统 中 的应 用 [ J ] ．制 造 业 自动化 ， 2 0 1 0， 3 2 7 6 36 4 ． [ 7 ]马振锋 ， 刘献礼 ， 王 鹏 ， 等 ．基于 L a b V I E W7 ． 1的 P C机 与 P L C通信 [ J ] ．哈尔滨理 工大 学学报 ， 2 0 0 5 ， 1 0 5 3 2 3 6． 3 9． [ 8 ]熊幸 明．电气控制 与 P L C[ M] ．北 京 机 械工业 出版社 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