1 引言

過(guò)去，工程設(shè)計(jì)時(shí)一直需要大量的硬件系統(tǒng)，并且需要復(fù)雜的布線，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制幾乎是不可能的,如果設(shè)計(jì)師想要改進(jìn)設(shè)計(jì)，所有不相關(guān)的硬件需要丟棄，這樣會(huì)造成極大的浪費(fèi)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中可對(duì)可編程序邏輯控制器（PLC）進(jìn)行軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，大大減少了工程設(shè)計(jì)所需硬件，此外采用PLC的好處還在于可以使用第三方軟件LabVIEW方便的進(jìn)行訪問(wèn)和控制，只需要這種軟件安裝特定的驅(qū)動(dòng)程序就可以了。

2 工程設(shè)計(jì)配置與準(zhǔn)備

2.1 基于OMRON 網(wǎng)卡的NI OPC服務(wù)器

NI OPC服務(wù)器中有OMRON網(wǎng)卡的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)OMRON CJ1MCPU11 - ETN21PLC與LabVIEW之間的通信。歐姆龍編程人員一般使用以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為軟件的專用接口，讓PLC用戶實(shí)現(xiàn)通訊。

NI OPC服務(wù)器配備有歐姆龍PLC的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，用戶可以通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)置來(lái)設(shè)置服務(wù)器，創(chuàng)建可以直接鏈接到的PLC寄存器的變量標(biāo)簽，這些標(biāo)簽定義為OPC標(biāo)簽。NI OPC服務(wù)器還提供了NI OPC快速客戶端，使用戶能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控PLC的狀態(tài)。一旦創(chuàng)建了并正確配置OPC標(biāo)簽，就可以簡(jiǎn)化LabVIEW和PLC之間的通信，因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序可以自動(dòng)應(yīng)用相關(guān)的FINS命令,與此同時(shí)，在LabVIEW中，程序可以通過(guò)使用與OPC標(biāo)簽鏈接的共享變量來(lái)設(shè)計(jì)。

2.2 美國(guó)NI虛擬儀器

美國(guó)LabVIEW軟件是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作臺(tái)的縮寫，它是一個(gè)圖形化的開發(fā)環(huán)境，能夠以最小的成本快速生成靈活的、可伸縮的設(shè)計(jì)、控制和測(cè)試應(yīng)用程序。

LabVIEW由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，也是開發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。 LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問(wèn)題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。

通過(guò)LabVIEW，工程人員能夠與真實(shí)世界的信號(hào)進(jìn)行交互，分析數(shù)據(jù)以獲得有意義的信息，并通過(guò)直觀的顯示、報(bào)告和網(wǎng)絡(luò)分享結(jié)果。無(wú)論有沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)，LabVIEW讓所有用戶都能快速、輕松地進(jìn)行開發(fā)。LabVIEW擁有前端接口應(yīng)用程序，允許用戶設(shè)計(jì)并用于控制系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，LabVIEW有三個(gè)主要元素：前面板、塊圖和連接器面板。前面板允許用戶構(gòu)建控件和指示器,控件包括旋鈕、按鈕、刻度盤和其他輸入機(jī)制,指示器是圖形、發(fā)光二極管和其他輸出顯示。

2.3 可編程序邏輯控制器

用于實(shí)現(xiàn)的PLC是歐姆龍CJ系列，該P(yáng)LC有4個(gè)單元，即電源單元(CJ1M-PA202)，具有以太網(wǎng)功能的CPU單元(CJ1M-CPU11-ETN21)、基本輸入單元(CJ1M-ID211)和基本輸出單元(CJ1M -OC211)。所有這些單元都可以組裝在一起，并通過(guò)將它們移動(dòng)到單元的背面來(lái)鎖定滑動(dòng)器，最后的蓋板必須連接在PLC的右邊，否則會(huì)發(fā)生致命錯(cuò)誤。

2.4 變頻驅(qū)動(dòng)

OMRON SYSDRIVE 3G3MV -A2007型逆變器是一種可變頻率驅(qū)動(dòng)，用于改變電機(jī)提供給電機(jī)的頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。矢量控制功能的優(yōu)點(diǎn)是，它能保證輸出頻率為1赫茲的額定電機(jī)扭矩的150%，允許在低頻時(shí)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，并抑制負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。為了有效控制三相鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，需要對(duì)3G3MV逆變器的功能參數(shù)進(jìn)行配置。

3 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

為了實(shí)現(xiàn)這一項(xiàng)目，PLC和LabVIEW之間的通信是至關(guān)重要的，該實(shí)現(xiàn)使用LabVIEW來(lái)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止操作，在正向或反方向上，通過(guò)改變電機(jī)的頻率來(lái)改變速度。然而，該系統(tǒng)并不是一種監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)，因?yàn)闆](méi)有實(shí)際的數(shù)據(jù)測(cè)量從電機(jī)的實(shí)際輸出中獲得。

如圖1所示，用戶有權(quán)通過(guò)一臺(tái)筆記本電腦作為主機(jī)進(jìn)行控制,然后，用戶的輸入數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)換為布爾數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)電纜和路由器發(fā)送到CJ1M-CPU11-ETN21可編程邏輯控制器,一旦布爾數(shù)據(jù)被PLC處理，將打開PLC的基本輸出中的相關(guān)地址,根據(jù)用戶給出的輸入數(shù)據(jù)，這一過(guò)程允許3G3MV變頻/變頻驅(qū)動(dòng)操作三相鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。此外，當(dāng)輸入功率為單相電源時(shí)3G3MV逆變器/變頻驅(qū)動(dòng)器在電源模塊和電動(dòng)機(jī)之間充當(dāng)逆變器，而鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)則仍以三相運(yùn)行。

4 VI設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)視覺識(shí)別（VI）程序的目的是讓用戶在正向或反向，通過(guò)改變電機(jī)的頻率來(lái)改變電機(jī)的起動(dòng)和停止運(yùn)行，并通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單的步驟來(lái)改變電機(jī)的運(yùn)行速度。首先按VI前面板中的向前或向后按鈕選擇轉(zhuǎn)向方向，其次，通過(guò)將頻率旋鈕轉(zhuǎn)換為用戶所期望的頻率值來(lái)改變速度。

在運(yùn)行VI之前，確保所有的硬件都被正確地打開并配置好，并且啟動(dòng)了NI OPC快速客戶端，使OPC標(biāo)簽可以被這個(gè)VI中的共享變量所瀏覽。在實(shí)現(xiàn)中創(chuàng)建了5個(gè)OPC標(biāo)記，并在表1中列出了標(biāo)記的詳細(xì)信息。

表1 OPC標(biāo)簽的細(xì)節(jié)及其與逆變器的連接

圖2中，綠色按鈕是確定電機(jī)正向運(yùn)行的開關(guān)，橙色按鈕是確定電機(jī)反轉(zhuǎn)的開關(guān)，右側(cè)的綠色和橙色指示燈均顯示按鈕是否已打開，標(biāo)有“頻率”的旋鈕是控制電機(jī)頻率以及速度的關(guān)鍵程序，標(biāo)有“停止”功能的按鈕停止執(zhí)行程序。

VI框圖由程序的兩個(gè)部分組成，程序的第一部分是允許用戶打開鼠籠式感應(yīng)電機(jī)的正向或反向方向，程序的第二部分是通過(guò)改變旋鈕值來(lái)改變電機(jī)的頻率。圖3中，如果用戶已經(jīng)打開了正向按鈕，信號(hào)將被傳送到處于寫入模式的“outputbit1”共享變量，即信號(hào)將被寫入PLC。一旦信號(hào)成功寫入PLC，PLC的輸出地址1.01的指示燈和LabVIEW前面板中的“正向”方向指示燈將點(diǎn)亮。反向時(shí)與該過(guò)程相同。

圖4中，紅色方框表示VI命名的公式節(jié)點(diǎn)，其中公式節(jié)點(diǎn)中使用的為C語(yǔ)言。 在用戶通過(guò)“頻率變量”旋鈕設(shè)置頻率值后，該值將被發(fā)送到公式節(jié)點(diǎn)，在此表示為“a”。

公式節(jié)點(diǎn)的輸出已分為x，y和z，其中數(shù)字為0或1.為了使共享變量可讀，有必要將數(shù)字轉(zhuǎn)換為布爾格式。當(dāng)信號(hào)為布爾格式并發(fā)送到共享變量時(shí)，信息將被寫入PLC，PLC的輸出地址1.05,1.06,1.07的指示燈將根據(jù)所需的輸出點(diǎn)亮。表2描述了多步速參考1至3與頻率參考1至8之間的關(guān)系。

表2 多步速度參考與頻率參考的關(guān)系

由于PLC與變頻驅(qū)動(dòng)器以布爾格式進(jìn)行通信，因此表2中頻率變化的概念至關(guān)重要，每個(gè)頻率參考值可以在變頻器的功能參數(shù)中設(shè)置。在本文中，每個(gè)頻率參考值的值已列在表3中。只要用戶根據(jù)任何條件設(shè)置輸入頻率，該數(shù)字將被轉(zhuǎn)換為布爾值，其中它將根據(jù)相關(guān)的多步速參考進(jìn)行排列,然后，該布爾值將觸發(fā)變頻驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)表3所列的輸出條件確定鼠籠式感應(yīng)電機(jī)的頻率和速度。例如，如果用戶將輸入設(shè)置為8 Hz，其中該值的輸入范圍在7到14之間。因此，多級(jí)速度給定值1的布爾數(shù)為1，其余為0。然后，該信號(hào)觸發(fā)變頻器傳送7Hz的頻率。

表3 LabVIEW中輸入頻率的變化頻率參考條件

5 結(jié)束語(yǔ)
總體而言，選擇LabVIEW作為人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)正確的決定，因?yàn)樗哂幸子诶斫夂褪褂酶鞣N類型的應(yīng)用程序和功能。此外，這種方法更經(jīng)濟(jì)，因?yàn)橄到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)僅通過(guò)使用的LabVIEW工具包的基本功能（共享變量和NI OPC服務(wù)器）來(lái)實(shí)現(xiàn)。歐姆龍CJ1系列PLC易于安裝和設(shè)置,硬件和軟件配置都可以輕松實(shí)現(xiàn)完成，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單地添加更多具有各種功能的單元（如以太網(wǎng)單元）來(lái)執(zhí)行附加功能。