OPC技术在电子电力控制器测试平台的应用.pdf

I 甸 化 O P C 技术在电子电力控制器测试平台的应用 Appl i ca t i on of oPC t echnol ogy i n po w er el ect r oni c uni t t est i ng b en ch 卢健俭 ，何永义 ，王永波 ，江芳波 L U J i a n - j i a n ， HE Y o n g y i ， WA NG Y o n g b o ， J I AN G F a n g _ b o ( 上海大学 机电工程与自动化学院，上海 2 0 0 4 3 6 ) 摘 要 ： 本文以电动汽车核心零部件电子电力控制器P E u 测试平台为具体应用背景， 介绍了测试平台的 工作原理： r I O P C 技术在测试平台通讯程序中的实现方法 ，采用S I M A T I C N E T O P C E 务器和 Vc + 实现上位机与西门子$7 -3 0 0 系 U P L C 之间的实时通讯，给出了OP C 通讯模块的设计步 骤和具体程序。 关键字：电子电力控制器；O P C技术 ；S I MAT IC N E T；V c + 中图分类号：T P 2 7 7 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 - 0 1 3 4 ( 2 0 1 3 ) 0 3 ( 下) -o o 6 o 一0 4 D o i ： 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 0 3 ( 下 ) 1 8 0 引言 新能源汽车是未来汽车产业的发展趋势，我 国各大汽车电子配件 生产厂商正在大力进行混合 动力汽车和纯电动汽车 核心零部件的研发 。针对 此类核心零部件，厂商需要采取严格的检测手段 来对产品进行功能 测试和数据采集以保证产品的 质量和 日后的技 术改进 。本文讲述的电子电力控 制器 ( P o we r E l e c t r o n i c Un i t )简称P E U，是混合动 力汽车或纯电动汽车 的核心零部件，具有广泛 的 市场应用前景 。其测试平台采用P L C 与上位机对工 业控制系统进行控制 ，下位机P L C选用的是西 门 子S 7 3 0 0 P L C，主要承担控制功能，上位机主要实 现与各仪 器仪 表的通讯 。为 了实现设备上下位机 的实时数据交互 ，提高系统的开放性和可互操作 性 ，该测试 系统软件采用OP C技术进行底层通讯 程序设计。 1 OP C 技术简介 OP C是 由OP C基金 会在 1 9 9 6 年提 出的工 业 控制 软件接 口标准 ，其全称 是OL E f o r P r o c e s s C o n t r o l ，即：面 向过程控制的OL E。它是一套以 OL E、C OM、DC OM ( Di s t r i b u t e C OM) 技术为背 景 ，基于Wi n d o ws 操作平台，为工业应用程序之间 提供高效的信息集成和交互功能 的组件对象模型 接 口标准 。O P C实质上 是提供 了一种机制 ，通过 这种机制 ，系统能够 以服务器 客户端标准方式从 服务器获取数据并将数 据传递给任何客户应用程 序。它 的 目的是使过程控制工业 中的 自动化控制 应用程序 、现场系统、仪表以及商业办公应用程 序之间有更强大的互操作性和兼容性n 】 。 OP C规范建 立的核 心是数 据存取规 范( OP C DA) ，它提供给用户访 问实时过程数据 的方法 。 在实际应用 中，应用程序采用C l i e n t S e v e r 结构 ， 服务器提 供标准的OP C接 口，客户端 则按照OP C 标准定义访 问服务器上 的数据对象 。OP C S e v e r 由三个对象组成 ：服务器( S e r v e r ) ，组( Gr o u p ) 和 项( I t e m) 。其 中组对象提供 了OP C客户程序用来组 织数据的一种方法 。项则代表 了OP C服务器到数 据源的一个物理连接 ，它可以是P L C的一个寄存 器 ，也可 以是P L C中的一个寄存器 的某一位 ， 因此O P C项是控制程序所需的直接数据。在程序 设计过程 中值得注意 的一点是 ，OP C规范中没有 对应 于项 的COM接 口，所 有对 项的访 问需要通 过包含项的OP C组对象来实现 。OP C项包括三个 属性值 ：值( Va l u e ) 、品质( Qu a l i t y ) 、时 间戳( T i me S t a mp ) ，其数据值是 以VARI ANT形式标识 的。 O P C 服务器、组、项的关系如图1 所示。 图1 OP C n Et 务器、组、项关系 收稿日期：2 0 1 8 - 0 1 - 0 5 基金项 目：工业机器人伺服驱动器和 电机工程化研究 ( 2 0 1 1 AA 0 1 A1 0 5 ) 作者简介：卢健俭 ( 1 9 8 7一)，男，江西人，硕士研究生，从事电气自动化测试设备关键技术研究。 6 0 1 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 0 3 ( 下) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 似 2 系统工作原理及构成 2 1 P E U 功能简介 电子 电力控制器 ，简称P E U，由联 合汽车 电 子 有限公 司研 发生产，主要用于驱动汽车电动机 以及为车载低压 电器供电。如图2 所示 ，P E U主要 包括逆变器( I n v e r t e r ) 与DC DC转换 器( DC DC) ， I n v e r t e r将输入的直流 电压( 1 5 0 4 3 0 V) 转换为三相 幅值 与频率可变 的交流 电压驱动 电机 ：DC DC将 输入直流高压( 2 4 0 - 4 3 0 V) 转化为1 2 V的低压 ，给车 载 低压 电池及低压 电器供 电。P E U通过C AN总线 与外部设备( 如纯电动汽车上的整车控制器) 通信 。 整车控制器 向P E U发出获取 电机扭矩值 、DC DC 输 出电压 幅值 等指令 ，P E U根据 接收到的指令控 制I n v e r t e r 及DC DC 工作 ，并通过C AN向整车控制 器发送当前I n v e r t e r 实际输 出转矩值，DC DC实际 输 出电压及一些错误诊断信息等。 1 图2 P E U功能框 图 2 2 测试平 台工作原理及构成 测试平台需要模拟P E U实 际工作状 况，完成 各项功能 指标 测试 。为了保 证平台的可扩展性 ， P E U测试平台采用模块化设计 ，主要 由：控制模 块 、高 低压测试 模块 、高 低压 接触器模块 、负 载线圈模块、测试工作台、冷却水回路等6 大部分 组成 ，其中控制模块主要是 由P L C、I P C以及CC S ( C o mmo n Co r e S y s t e m)组 成 。控制模块 的核 , t , c cs 是 中央控制 系统 ，属于 工业网络的一个节 点 ，为P EU提供 内部 测试资源 ，并 负责将平台测 试 结果发送至远程数据 中心。控 制模块P L C采用 西 门子S 7 3 0 0 系列C P U3 1 4 C 一 2 DP ，其性能如下 ： 2 4 路D I 和l 6 路Do，4 路模拟量输入和2 路模拟量输 出，9 6 K B内存 。测试平台构成如图3 所示。 平 台工作原理 ：CC S 模块发送 测试 指令至控 制模块中的工控机 ( I P C)，I P C解析命令 后控制 测试模块中各仪器仪表就绪 ，同时发送指令至P L C 进行逻辑 电路控制 ，I P C根据P L C的反馈信息开始 对产品进行测试 ，测试的结果经 由测试模块反馈 至C C S 系统并将测试结果显示在C CS 系统的测试报 告面板上 。 图3 P E U测试平 台构成 在 整个 电气控 制 系统 中，P L C需要 控制 高 低压接触 器模块 ，由于CP U自身集成 的I O点数 不够 ，故 需要对数字 量输入输 出模块 进行扩展 ， 选用 1 块3 2 输入点的S M3 2 1 模块和1 块3 2 输出点的 S M3 2 2 模块 。测试过 程中，各项 高精度测量指标 则 主要 由YOKOGAWA横 河功 率计 进行数 据 采 集 。P L C的CP U模 块 自身集成的模拟量输入输 出 通道 已满足 测试要求 ，无需进行模拟量输入输 出 模 块 的扩 展 。为 了实现 数 据 的快速 有 效传输 和 工业局域 网设计 ，P L C采用了以太网模块C P 3 4 3 1 Le a n。 3 通讯方案实现 测试平台上 位机编程软件选用的是VC 2 0 0 8 。 一 般 S 7 3 0 0 P L C与上 位机 的通讯 有两种 实现方 式 ：一种 是 自定义 串行通 讯协 议 ，通 过 串 口与 上位机进行通讯 ；另一种 是利用OP C 技 术实现通 讯 ，无 需 自定义通讯协议 。鉴于前 一种通讯方法 抗干扰能 力差 ，传输速率低 ，传输距 离短 ，我们 选择 了后一种方案 。平台OP C 通讯 模块采用西 门 子S I MAT I C NE T 软件 提供的OP C I I 务器来号甲 一 位机P L C 进行通讯，并且根据数据存取规范在上位 机软件 内编写OP C客户端程序，以此来读取OP C 服务器内的各项值 。 3 1 OP C n , 务器组态 在S I MA T I C NE T 与S I MA T I C S T E P 7 软件安装 成功后，我们需要分四步对0 P C 服务器进行组态。 1 )配置P C 站 。在S t a t i o n c o n fi g u r a t o r 中对P C 站进行配置，配置界面一号槽 内添加OP C S e r v e r ， 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 3 ( 下) 6 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I lI8 化 三号槽 内添加I E Ge n e r a l ，并且在其 属性对话框中 进行以太网接 口参数设置 。配置完成后，我们对 此P C 站的S t a t i o n Na me 命名为 “ P E UO P C”。 2 )配置控制 台Co n f i g u r a t i o n Co n s o l e 。在配 置 的时候 ，我们 在Ac c e s s P o i n t s 设定 窗 口中将 S 7 O NL I NE 指向P C i n t e r n al ( 1 o c a 1 ) ，为P C站组态下 载做准备。 3 )建立P L C 站 。首先在S I MAT I C Ma n a g e r 中 新建项 目，通过I n s e r t P C S t a t i o n 插入一个P C 站 ， 插入的P C 站 的名称必须重新命 名为第一步配置时 P C站的S t a t i o n Na me ，否则无法将组态下载到P C 站 内。接下来打开硬件配置界面，在硬件 目录窗 口选择与已安装的S I MAT I C NE T 软件版本相符的 硬件插入到相应插槽 中。 4 )网络节点配置。进入Ne t P r o 置界面，选择 OP C S e r v e r ，在连接表第一行插入新的连接， 由于上 面已经配置好了P L C 站， 所 以连接会 自动创建， 直接 确认即可 。编译无错后，在Ne t P r o 窗 口点击下载按 钮将组态下载到P C 站中，O P C 服务器组态完成。 3 2 OP C 通讯类程序设计 O P C 客户端不仅能将P L C 传入O P C 服务器 中的 数据读取 出来，还可 对OP C 务器进行写操作 来 将数据传入P L C 【 4 】 。测试平 台编程语言采用C + + ， 为 了能将O P C客户端嵌入 测试平 台软件 内，我 们 设计了一个 自定义 类My P L C，对OP C 客户端进行 类封装。 程序开头必须包含O P C 接口和O P C 标准库文 件 ：# i n c l u d e o p c h “和# i n c l u d e“o p c i C o 类方 法主要有 ：I n i t i a l ( LP CT S T R S e r v e r Na me ， L P C T S T R Gr o u p Na me ， i n t I t e mNu m) 、Re a d ( i n t I t e mNu m， i n t I t e mt y p e ) 、 W r i t e ( i n t I t e mNu m， i n t I t e mt y p e )、E x i t ( i n t I t e mN u m) 。 I n i t i a l ( ) 初始化函数，程序主要 内容如下： C o l n i t i a l i z e ( N UL L ) ； ， ， C O M库初始化 C L S I D F r o mP r o g I D ( S e r v e r Na me ， & c l s i d) ； 注 册P r o g l D C o Cr e a t e I n s t a n c e( c l s i d ， NUL L ， C LS C T X L0CAL S E R VE R， I I DIO P CS e e r ， ( v o i d ) m p l O P C S e r v e r ) ； 创建O P CI 务器对象 m _p l O P C S e r v e r 一 Ad d G r o u p ( G r o u p Nam e ， T R U E， 20 0， 1 ， &Ti m e Bi a s ， &Pe r c e nt De a d ba n d，L0CALE I D ，m Gr pHa nd l e ，& Re vi s e dUpda t e Ra t e，I I D I OP C I t e mMg t ， ( L P UN KNo WN ) &m_ p l OP C I t e m) ； 1 6 2 1 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 3 ( 下) ， 添 J i l G r o u p 组，数据更新周期为2 0 0 ms ， m pI OPCI t e mMg t 一 Ad dI t e ms ( I t e mNu m， m I t e m s ，& mpl t e m Res ul t ， m E r r o r s ) ； 添 力 I t e mNu m个项 ； Re a d ( ) 数据读取 函数主要是利用O P C 库 函数中 的同步读取函数 ：m p I OP CS y n c l O一 R e a d ( O P C DS _DEVI CE， I t e mNu m ， p Re a d Se r v e r ， &p l t e m Va lu e ， &p E r r o r s ) ； 该函数会将读取到的值存入p I t e mVa l u e 指针指向的存储区内，并返回读取状态 。 Wr i t e ( ) 数据写 函数主要利用O P C库函数 中的 同步写函数 ：m p l OP CS y n c l O一 Wr i t e ( I t e mNu m， p Wri t e S e v e r ， Wri t e Va l u e ， &p E r r o r s) ； Wri t e Va l u e 为 写入 的数 据 ，数据类型 为VARI ANT数组 。由于 OP C 在读写时数据类型使用的是VAR I A NT，而上 位机与P L C 数据交互时，需要使用布尔型、整型、 浮 点型 等数 据 类型 ，因此 我们 在写 入时 需要 对 VAR T YP E 数据类型进行准确赋值 。布尔型数据使 用VT B OOL，整型使用VT _ I 2 ，浮点型使用VT R 4 。其中VT j2 代表3 2 位整型 ，这与P L C 数据存储 区D区整型量相符，故选择V T _ I 2 而不是VT I_ I 4 。 E x i t ( ) 对象释放退 出函数 ，对象释放时一定要 先移除数据项 ，再 移除组 ，然后再依次删除已经 创建好 的OP C对象，同时断开与OP C J 务器的连 接 ，释放C O M库： m _p l O P C I t e mMg t 一 R e mo v e l t e ms ( I t e mNu m， p R e a d S e r v e r ， & i t e m E r r o r s ) ； 移除数据项 m pl OPCSe r v e r 一 Re mov eGr oup( m Gr p S r v Ha n d l e ， F AL S E ) ； 移除组 m _p l OP C S y n c I O- R e l e a s e ( ) ； m _p l OP C I t e mMg t 一 Re l e a s e( ) ； m _p l OP C S e r v e r - R e l e a s e( ) ； C o U n i n i t i ali z e( ) ； 释 放C O M 3 3 P L C 通讯程序实现 P E U测试平台通讯有：C AN通讯，串口通讯， GP I B 通讯 ，OP C网络通讯等 。由于通讯类型多， 数据量大，为 了避免各通讯问互相干涉 ，各通讯模 块分别单独使用线程与仪器进行数据交互。上位机 P L C 通讯数据交互程序设计流程图如图4 所示 。 测试平 台OP C线程初始化 ： m p l c Th r e a d= Cr e a t e T h r e a d( NULL，1 0 2 4 ， O P C P r o c ， t h i s ， 0 ， NU L L ) ； 回调函数 O P C P r o c 实现上位机与P L C的数据循 环读写，其格式如下： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 化 图4 上位 机P L C 数据交互程 序流程图 D W o RD 一一s t dC a l 1 OPCPr o c ( LPVOI D l p P a r a me t e r ) l ； 数 据 交 互 过 程 中 ，上 位 机 通 过 项 的 属 性 Qu a l i t y 来判定读写是否成功 ，如果成功Qu a l i t y 值 为Goo D，失败则为BAD。当同一读写操作失败 次数超过 1 0 次 以上，系统判定oP c l J 务器与P L C 连 接断开并报警提示。为了保持P L C实时采集数据和 系统状 态在上位机 的及 时更新，线程需 要不断读 取o P C 服务器的项以获取P L C中的实时数据。 4 结束语 本文详细说明了测试平 台上位机和P L C间的通 讯原理和方法 ，并利用OP C技术实现了O P C客户 端程序在 测试平 台软件 中的嵌入以及P C 机与P L C 之间的实时通讯 。经过半年 的开发和调试 ，P E U 测试平台运行 良好、稳定，已正式投入使用 。测 试平 台底层控制使用了OP C技术，保证 了现场检 测信息及时准确的送入C CS 中央控制器 ，而且 将 来我们 可以进行平台扩展，实现 一中央 控制器多 工作平台的局域网工作模式。 参考文献： 1 】O P C F o u n d a t i o n ， OP C D a t a A c c e s s C u s t o m S p e c i fi c a ti o n V ers i on2 05， D ecem ber 17， 2001， ht t p： w WW o p c f o u n d a t i o n o r g 2 】徐 志良， 宋志强， 吴 晓蓓 基 于O P C 技 术的上位机监控软件 设计 J 】 仪器仪表学报 2 0 0 3 ( $ 2 ) 3 】西门子 ( 中国)自动化与驱动集团 通过E T HE R N E T 建 立 S I MAT I C N E T oP C服务器 与P L C 的S 7连 接【 z 】 北 京： 2 0 0 5 4 】张景忠 基于OP C 技术的实时数据采集程序的实现【 J 1 包 钢 科技 2 0 1 0 ( 0 4 ) 【 5 】张 烈平 ， 李勤， 牛秦洲 O P C 数据存取 的接 口调用与软件实 现【 J 计算机应用研究， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 1 ) ： 1 6 2 1 6 4 出 山出 童 重 童 出 矗 蠡出出 盘 出重 矗 出 蠡矗重 矗 矗 矗 【 上接第5 9 页】 进行饮酒监测；利用声光控制和GP R S 发 出报警 。 若 驾驶员 出现状态异常则显示是何种异常 ，并发 出声光报警提示立即靠边停 车，同时通过GP R S 将 车辆信 息通知家人和交通管理部 门。实验结果表 明，该系统 比其它方法检测灵敏度及准确率高 ， 功 能覆盖面全，能够实现驾驶员状态综合 、实时 监测，对预防交通事故具有很强的实用价值 。 参考文献： 【 1 李庆梅， 钟燕科 机车司机疲劳驾驶监测 J 】 _ 制造业自动 化 ， 2 0 1 1 ， ( 1 2 ) 2 】马虹 一种基于单片机的多功能防醉驾系统装置设计 J 现 代电子技术， 2 0 1 1 ， ( 1 9 ) 【 3 】GA U S h i - r c h e n g De v e l o p me n t o f d u a l c o r e p r o c e s s o r ba s e d r e a 1 time wi r e l e s s e mbe d de d b r a i n s i g na l a c q ui s i tio n pr oces s i ng s ys t e m and i t s a ppl i ca t i on on dr i ve r S d r o ws i n e s s e s ti ma ti o n D 新 竹： 国立交通大学， 2 0 0 5 4 Z HANG Ho n g x i n ， WANG Ha i q i n g ， L I Xi a o mi n l ， L U Yi n g h u a ，ZHANG L i k u n I mp l e me n t a ti o n o f c o mp r e s s i v e s e ns i ng i n ECG a nd EEG s i g na l p r oc e s s i ng J 】 Th e J ou r na l o f Ch i n a Uni ve r s i t i e S of Po s t s a n d Te l e c o mmu n i c a t i o n s ， 2 0 1 0 ， ( 6 ) 【 5 】谢 宏， 葛棋棋 ， 姚楠 ， 董 耀华 脑 电信 号无线 采集 系统 设计 【 J 】 现代电子技术， 2 0 1 0 ， ( 1 8 ) 【 6 陈 曾， 刘光远 脑 电信 号在情 感识别 中的应用【 J 】 计算机 工程， 2 0 1 0 ， ( 9 ) 7 】曹 红 宝 ， BES 1 0 w a l t e r G， J ONES S t e y e n ， 周 鹏 I n d i v i d ua l i z a t i o n o f Da t a S e g me n t Re l a t e d Pa r a me t e r s f o r I mpr o ve me n t o f EEG Si g na l Cl a s s i f i c a t i o n i n B r a i n Co mp u t e r I n t e r f a c e J T r a n s a c t i o n s o f T i a n j i n Un i v e r s i t y ， 2 0 1 0 ， ( 3 ) 第3 5 卷第3 期2 0 1 3 - 0 3 ( 下) 6 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m