LabVIEW控制-基于PLC交流电机的以太网LabVIEW控制

1 引言

过去，工程设计时一直需要大量的硬件系统，并且需要复杂的布线，要实现系统的远程控制几乎是不可能的,如果设计师想要改进设计，所有不相关的硬件需要丢弃，这样会造成极大的浪费。在整个设计中可对可编程序逻辑（PLC）进行软件编程来实现，大大减少了工程设计所需硬件，此外采用PLC的好处还在于可以使用第三方软件LabVIEW方便的进行访问和控制，只需要这种软件安装特定的驱动程序就可以了。

2 工程设计配置与准备

2.1 基于OMRON 网卡的NI OPC服务器

NI OPC服务器中有OMRON网卡的以太网驱动程序，可以实现OMRON CJ1MCPU11 - ETN21PLC与LabVIEW之间的通信。欧姆龙编程人员一般使用以太网网关作为软件的专用接口，让PLC用户实现通讯。

NI OPC服务器配备有欧姆龙PLC的以太网驱动，用户可以通过几个简单的设置来设置服务器，创建可以直接链接到的PLC寄存器的变量标签，这些标签定义为OPC标签。NI OPC服务器还提供了NI OPC快速客户端，使用户能够实时监控PLC的状态。一旦创建了并正确配置OPC标签，就可以简化LabVIEW和PLC之间的通信，因为驱动程序可以自动应用相关的FINS命令,与此同时，在LabVIEW中，程序可以通过使用与OPC标签链接的共享变量来设计。

2.2 美国NI虚拟仪器

美国LabVIEW软件是实验室虚拟仪器工程工作台的缩写，它是一个图形化的开发环境，能够以最小的成本快速生成灵活的、可伸缩的设计、控制和测试应用程序。

LabVIEW由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。 LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。

通过LabVIEW，工程人员能够与真实世界的信号进行交互，分析数据以获得有意义的信息，并通过直观的显示、报告和网络分享结果。无论有没有编程经验，LabVIEW让所有用户都能快速、轻松地进行开发。LabVIEW拥有前端接口应用程序，允许用户设计并用于控制系统。一般来说，LabVIEW有三个主要元素：前面板、块图和连接器面板。前面板允许用户构建控件和指示器,控件包括旋钮、按钮、刻度盘和其他输入机制,指示器是图形、发光二极管和其他输出显示。

2.3 可编程序逻辑

用于实现的PLC是欧姆龙CJ系列，该PLC有4个单元，即电源单元(CJ1M-PA202)，具有以太网功能的CPU单元(CJ1M-CPU11-ETN21)、基本输入单元(CJ1M-ID211)和基本输出单元(CJ1M -OC211)。所有这些单元都可以组装在一起，并通过将它们移动到单元的背面来锁定滑动器，最后的盖板必须连接在PLC的右边，否则会发生致命错误。

2.4 变频驱动

OMRON SYSDRIVE 3G3MV -A2007型逆变器是一种可变频率驱动，用于改变电机提供给电机的频率，从而改变电机的转速。矢量控制功能的优点是，它能保证输出频率为1赫兹的额定电机扭矩的150%，允许在低频时产生较大的转矩，并抑制负载所引起的转速波动。为了有效控制三相鼠笼型感应电动机，需要对3G3MV逆变器的功能参数进行配置。

3 实现过程

为了实现这一项目，PLC和LabVIEW之间的通信是至关重要的，该实现使用LabVIEW来执行电动机的启动和停止操作，在正向或反方向上，通过改变电机的频率来改变速度。然而，该系统并不是一种监视控制和数据采集(SCADA)，因为没有实际的数据测量从电机的实际输出中获得。

如图1所示，用户有权通过一台笔记本电脑作为主机进行控制,然后，用户的输入数据将转换为布尔数据，并通过以太网电缆和路由器发送到CJ1M-CPU11-ETN21可编程逻辑,一旦布尔数据被PLC处理，将打开PLC的基本输出中的相关地址,根据用户给出的输入数据，这一过程允许3G3MV变频/变频驱动操作三相鼠笼感应电动机。此外，当输入功率为单相电源时3G3MV逆变器/变频驱动器在电源模块和电动机之间充当逆变器，而鼠笼式感应电动机则仍以三相运行。

4 VI设计的实现

本文设计视觉识别（VI）程序的目的是让用户在正向或反向，通过改变电机的频率来改变电机的起动和停止运行，并通过两个简单的步骤来改变电机的运行速度。首先按VI前面板中的向前或向后按钮选择转向方向，其次，通过将频率旋钮转换为用户所期望的频率值来改变速度。

在运行VI之前，确保所有的硬件都被正确地打开并配置好，并且启动了NI OPC快速客户端，使OPC标签可以被这个VI中的共享变量所浏览。在实现中创建了5个OPC标记，并在表1中列出了标记的详细信息。

表1 OPC标签的细节及其与逆变器的连接

图2中，绿色按钮是确定电机正向运行的开关，橙色按钮是确定电机反转的开关，右侧的绿色和橙色指示灯均显示按钮是否已打开，标有“频率”的旋钮是控制电机频率以及速度的关键程序，标有“停止”功能的按钮停止执行程序。

VI框图由程序的两个部分组成，程序的第一部分是允许用户打开鼠笼式感应电机的正向或反向方向，程序的第二部分是通过改变旋钮值来改变电机的频率。图3中，如果用户已经打开了正向按钮，信号将被传送到处于写入模式的“outputbit1”共享变量，即信号将被写入PLC。一旦信号成功写入PLC，PLC的输出地址1.01的指示灯和LabVIEW前面板中的“正向”方向指示灯将点亮。反向时与该过程相同。

图4中，红色方框表示VI命名的公式节点，其中公式节点中使用的为C语言。 在用户通过“频率变量”旋钮设置频率值后，该值将被发送到公式节点，在此表示为“a”。

公式节点的输出已分为x，y和z，其中数字为0或1.为了使共享变量可读，有必要将数字转换为布尔格式。当信号为布尔格式并发送到共享变量时，信息将被写入PLC，PLC的输出地址1.05,1.06,1.07的指示灯将根据所需的输出点亮。表2描述了多步速参考1至3与频率参考1至8之间的关系。

表2 多步速度参考与频率参考的关系

由于PLC与变频驱动器以布尔格式进行通信，因此表2中频率变化的概念至关重要，每个频率参考值可以在变频器的功能参数中设置。在本文中，每个频率参考值的值已列在表3中。只要用户根据任何条件设置输入频率，该数字将被转换为布尔值，其中它将根据相关的多步速参考进行排列,然后，该布尔值将触发变频驱动，并根据表3所列的输出条件确定鼠笼式感应电机的频率和速度。例如，如果用户将输入设置为8 Hz，其中该值的输入范围在7到14之间。因此，多级速度给定值1的布尔数为1，其余为0。然后，该信号触发变频器传送7Hz的频率。

表3 LabVIEW中输入频率的变化频率参考条件

5 结束语
总体而言，选择LabVIEW作为人机界面的实现是一个正确的决定，因为它具有易于理解和使用各种类型的应用程序和功能。此外，这种方法更经济，因为系统实现的目标仅通过使用的LabVIEW工具包的基本功能（共享变量和NI OPC服务器）来实现。欧姆龙CJ1系列PLC易于安装和设置,硬件和软件配置都可以轻松实现完成，它可以通过简单地添加更多具有各种功能的单元（如以太网单元）来执行附加功能。