NI LabVIEW及PAC平臺與傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的無縫集成

NI LabVIEW及PAC平臺與傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的無縫集成

現(xiàn)今，流程型和離散型工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)正面臨全球化市場競爭下不斷增長的壓力：最大化效率，提高產(chǎn)出與質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品投產(chǎn)周期等等。隨著與需求對應(yīng)的工業(yè)用機器和工廠測控系統(tǒng)的復(fù)雜性的增加，要求自動化系統(tǒng)集成更多更先進的I/O、處理和控制策略，以及生產(chǎn)過程信息在三層體系架構(gòu)中的無縫傳遞。在傳統(tǒng)的PLC 掃描方式的梯形圖開發(fā)方式基礎(chǔ)上，發(fā)展出了PLCopen 組織的IEC61131-3 的編程語言，控制系統(tǒng)進一步走向開放化，軟件平臺也逐漸成為工業(yè)控制器的核心。目前，除了一些PLC、IPC 廠商通過對基于IEC 61131-3 的開發(fā)環(huán)境添加高級或者特殊應(yīng)用的模塊以擴展控制系統(tǒng)功能，提高其競爭力外；也進一步出現(xiàn)了以NI 為代表的多個PAC（可編程自動化控制器）廠商，基于高級語言的開發(fā)平臺（LabVIEW、流程圖方式等），以更靈活的方式實現(xiàn)等跨多領(lǐng)域的自動化功能需求，所帶來的開放性即保證了與現(xiàn)場級和過程級的設(shè)備無縫連接，也實現(xiàn)了生產(chǎn)信息與上層制造執(zhí)行系統(tǒng)的透明傳遞。

LabVIEW 高級圖形化開發(fā)語言(圖1)作為NI PAC 平臺的核心，包含了實時分析、監(jiān)測、高級控制以及嵌入式技術(shù)。幫助工程師們在統(tǒng)一的平臺下實現(xiàn)諸多復(fù)雜的功能與應(yīng)用，并簡化系統(tǒng)開發(fā)的難度。例如，自定義控制和處理算法，機器視覺與多軸運動控制，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，以及網(wǎng)絡(luò)通信等等。這些特性與基于IEC61131-3 的PLC 形成了非常好的互補。隨著LabVIEW 平臺的強大功能與易用性不斷被工業(yè)控制用戶所認可，越來越多的制造商開始考慮如何將基于LabVIEW 和PAC 平臺所提供的高性能解決方案集成到其已有的設(shè)備中去，從而以最低的成本、復(fù)雜度完成其機器或生產(chǎn)系統(tǒng)的效率的提升。

圖1 NI LabVIEW 圖形的化工業(yè)測控軟件開發(fā)平臺

下面我們將結(jié)合這個應(yīng)用熱點，介紹通過LabVIEW 及NI PAC 平臺連接任何工業(yè)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及PLC 系統(tǒng)的技術(shù)方法。并結(jié)合典型應(yīng)用分析幫助大家了解各類方法適應(yīng)的場合及其帶來的優(yōu)勢。

方法一：數(shù)字或模擬I/O

數(shù)字或模擬I/O 是實現(xiàn)LabVIEW、PAC 軟硬件平臺與已有PLC 等設(shè)備連接最直接的方式。 NI 各系列PAC 平臺上都提供各類I/O 功能，最簡單情況下，設(shè)置單通道數(shù)字I/O 連接，即可實現(xiàn)1bit 信息傳輸，例如系統(tǒng)單向快速狀態(tài)量（正常/故障）或單步運行邏輯。對于任務(wù)代碼、過程握手通信這類更為復(fù)雜或以組為形式的數(shù)據(jù)通信，可以結(jié)合多路數(shù)字通道或數(shù)字端口來實現(xiàn)。此外，通過LabVIEW可以NI PAC 平臺上的FPGA 芯片的圖形化開發(fā)，從而實現(xiàn)自定義的數(shù)字脈沖的輸出格式與協(xié)議，幫助用戶完成其與PLC、執(zhí)行驅(qū)動機構(gòu)間的復(fù)雜通信，同步與觸發(fā)這類高級應(yīng)用。

圖2 NI CompactRIO 通過I/O 方式與AB PLC 連接

LabVIEW 平臺也支持模擬I/O 方式的通信，如工業(yè)儀器儀表常用的4-20mA 總線方式，相比數(shù)字I/O 能夠?qū)崿F(xiàn)測量和處理數(shù)據(jù)值傳遞。模擬參量值傳遞的不足在于，當控制系統(tǒng)或通信回路處于干擾較大的工況中，各類不同的噪聲在線路上的疊加會一定程度上影響到數(shù)據(jù)的真實性。為此，NI 提供隔離的模擬輸入輸出模塊，以最大可能的減小接地回路，尖峰電壓或環(huán)境噪聲的干擾。

采用這種基于I/O 的定制通信方式，連接簡單，響應(yīng)快速，適用小規(guī)模系統(tǒng)擴展，或直接集成某種特定功能（如高速測量）需求，而對原有設(shè)備架構(gòu)幾乎無需任何改變。例如，在氣溶膠罐裝系統(tǒng)中，某制造商產(chǎn)線上使用傳統(tǒng)的PLC 控制器系統(tǒng)完成瓶罐的氣溶膠原料填充機構(gòu)的開關(guān)以及整個裝配輸送過程控制。和很多發(fā)展中的企業(yè)一樣，隨著市場需求的擴大，對產(chǎn)量和生產(chǎn)效率擴容都提出了新的要求。相對于投資于新的產(chǎn)線項目，如何在原產(chǎn)線基礎(chǔ)上挖掘效率，顯的更為經(jīng)濟并且見效更快。對于該應(yīng)用，可行的手段是盡可能縮短罐裝過程消耗的時間，為此需要對罐裝氣壓進行高速測量和狀態(tài)判斷，但該要求卻超過了邏輯序列控制為主的PLC 的能力。為此該制造商選擇基于FPGA 技術(shù)的NI CompactRIO PAC 平臺（圖2）以實現(xiàn)這部分功能。在擴展的填充系統(tǒng)系統(tǒng)中，CompactRIO 完成同時對8 路瓶罐每秒2000 次模擬采樣與判斷決策任務(wù)，再通過8 路數(shù)字I/O 輸出，將判斷結(jié)果實時確定性的傳遞給PLC 系統(tǒng)，由其繼續(xù)完成裝配線運行任務(wù)。 LabVIEW 開發(fā)平臺的高效易用性，以及I/O 直連的便捷方式，最大程度的縮短了該工業(yè)系統(tǒng)升級的開發(fā)與調(diào)試周期。此外，在實現(xiàn)關(guān)鍵功能的基礎(chǔ)上，LabVIEW 平臺還幫助該制造商實現(xiàn)了遠程網(wǎng)絡(luò)發(fā)布以及企業(yè)級數(shù)據(jù)庫，從而進一步提高了管理效率。

方法二：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

計算機與通信技術(shù)的發(fā)展使得工業(yè)自動化控制也進入了網(wǎng)絡(luò)時代。各種現(xiàn)場總線或基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)運而生，在完成各種控制器，傳感器，執(zhí)行器或者I/O 連接與數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上，更大程度的考慮到了數(shù)據(jù)速率、節(jié)點數(shù)量、噪聲抗擾、網(wǎng)絡(luò)長度等特性。由于歷史原因，目前存在著種類繁多且源自不同陣營的現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。理想情況下，選用不同網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)設(shè)備都應(yīng)該互相兼容，實際卻可能極為困難，即使提供通信模塊或協(xié)議的支持，成本也非常之高。相比較而言，LabVIEW 平臺提供了多類的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持以及硬件通信設(shè)備驅(qū)動，從而使得NI PAC 系統(tǒng)，乃至于不同PLC 設(shè)備間的集成與通信變得更加簡單。

目前市場上安裝設(shè)備節(jié)點最多的工業(yè)總線/協(xié)議是Modbus TCP/Serial，對于工業(yè)用戶采用LabVIEW 實時模塊或LabVIEW DSC（數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控）模塊，都可以快速創(chuàng)建標準Modbus 寄存器的讀寫操作，從而在雙絞線、以太網(wǎng)物理層乃至無線媒質(zhì)上實現(xiàn)Modbus 通信功能。用戶還可以基于更底層LabVIEW 函數(shù)庫，根據(jù)應(yīng)用需求開發(fā)出自定制的Modbus 協(xié)議（如校驗功能的實現(xiàn)等）。

對于涉及到數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，一方面可以使用NI 提供通信接口模塊以及LabVIEW 的高級驅(qū)動，實現(xiàn)CAN，CANopen，DeviceNet，Profibus 及Foundation Fieldbus 等通信方式。另一方面，對于沒有直接通信模塊支持的設(shè)備，可以利用NI 合作伙伴的工業(yè)網(wǎng)關(guān)，將諸如EthernetIP，ProfiNet 等轉(zhuǎn)換為Modbus 協(xié)議，滿足LabVIEW 平臺上透明的與PLC，工業(yè)設(shè)備連接的需求。

下面我們看一下將LabVIEW 與NI PAC 系統(tǒng)集成入冶金鋼鐵行業(yè)這類通常涉及到復(fù)雜工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與多類自動化設(shè)備控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。杭州鋼鐵集團，為了提高提高其成本的含鐵量和生產(chǎn)效率，需要在冶金原料混合系統(tǒng)測量參數(shù)、線路及外圍設(shè)備的情況下，提高系統(tǒng)控制精度與系統(tǒng)總體的可操作性與擴展性。為此，其將核心的PID 控制算法由PLC 設(shè)備上移植到NI PAC 平臺（圖3），閉環(huán)控制速度從冶金行業(yè)傳統(tǒng)的100～500ms 提高至50ms 以內(nèi)，而通過工業(yè)以太網(wǎng)將之前從不同廠家購置的，互相獨立的分系統(tǒng)集成到LabVIEW 統(tǒng)一的平臺下，從而在不淘汰現(xiàn)有多數(shù)生產(chǎn)設(shè)備的條件下，升級完成高效靈活的智能型網(wǎng)絡(luò)化原料混合系統(tǒng)。

圖3 基于LabVIEW PAC 平臺的智能型網(wǎng)絡(luò)化原料混合系統(tǒng)

方法三：OPC 服務(wù)器

OPC（用于過程控制的OLE），建立在微軟的ActiveX、COM、DCOM 技術(shù)標準之上，為過程制造領(lǐng)域的不同自動化廠商間設(shè)備的通信與數(shù)據(jù)傳遞定義了公共的接口、屬性與方法標準。上面談到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，一般建立在對OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的定義，而較少涉及表示層和會話層。為此，OPC 基金會通過對這兩層的功能規(guī)范的確認，實現(xiàn)在采用不同應(yīng)用層協(xié)議的以太網(wǎng)或總線上所連接的設(shè)備和控制器之間，可互操作的數(shù)據(jù)交換。 從而以標準“軟件總線”的方式提供了過程控制系統(tǒng)兼容的思路。作為一個開放的標準，OPC 規(guī)范用統(tǒng)一的方式描述不同類型不同源的數(shù)據(jù)，廠商根據(jù)該規(guī)范而開發(fā)硬件設(shè)備和軟件模塊的接口，再以服務(wù)器的形式交給用戶，用戶的應(yīng)用程序作為客戶端使用同樣遵守OPC 規(guī)范的格式即可完成數(shù)據(jù)讀寫，而無需關(guān)心底層數(shù)據(jù)細節(jié)。

在NI 工業(yè)自動化OPC 服務(wù)器軟件中，涵蓋了對NI PAC、各類常見型號PLC 及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接口支持，對于其它特殊的設(shè)備也可以使用其配套的OPC 服務(wù)器。同時，LabVIEW 平臺能夠自動查找計算機上安裝的所有OPC 服務(wù)器，這樣LabVIEW 應(yīng)用程序就可以作為OPC 的客戶端，通過OPC 這座“橋梁”建立與工業(yè)設(shè)備的通信連接(圖4)。此外，LabVIEW DSC 工具包提供分布式監(jiān)控應(yīng)用的快速開發(fā)功能，統(tǒng)一完成NI PAC 及三方OPC 設(shè)備的實時與歷史數(shù)據(jù)的查看記錄，事件的管理與報警，安全機制設(shè)置等，進一步擴展了LabVIEW 的圖形化開發(fā)環(huán)境在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。

相對來說在工業(yè)機器制造領(lǐng)域?qū)偩€通信速率有較高的要求，而通過OPC 的集成方式，更多的用在過程控制應(yīng)用中。例如在制藥過程中，對藥劑混合步驟需要嚴格的分析控制，以保證成藥的化學(xué)/物理成分的一致性與均勻度。為此，世界領(lǐng)先的制藥商AstraZeneca 公司基于LabVIEW 和NI PAC 平臺的機器視覺功能，構(gòu)建了連續(xù)均勻度分析系統(tǒng)。利用LabVIEW 開發(fā)的 主成分分析法（PCA）算法對采集到的混合藥品過程中成分的光譜矩陣數(shù)據(jù)進行分析判斷，同時LabVIEW 作為OPC 服務(wù)器實時發(fā)布判斷的數(shù)據(jù)標簽，過程控制中的主體系統(tǒng)以O(shè)PC 客戶端的方式來實現(xiàn)對應(yīng)數(shù)據(jù)的共享與測量功能的集成。

總結(jié)：

在過去的20 多年中，NI LabVIEW 革命性地改變了工程師們測量并利用其改善產(chǎn)品質(zhì)量、更快速地產(chǎn)品上市和提高工程與制造的效率的方式。您可以利用LabVIEW 所具有的圖形化編程功能，實現(xiàn)一個強大的實時性能控制系統(tǒng)?；贚abVIEW 的NI PAC 平臺，憑借其超過600 個高級分析控制函數(shù)、廣泛的面向高速監(jiān)測的I/O 和與企業(yè)層次系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)了與您的面向工廠自動化的PLC系統(tǒng)的極佳互補。