NI LabVIEW及PAC平臺(tái)與傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的無(wú)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下不斷增長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的工業(yè)用機(jī)器和工廠測(cè)控系統(tǒng)的復(fù)雜性的增加，要求自動(dòng)化系統(tǒng)集成更多更先進(jìn)的I/O、處理和控制策略，以及生產(chǎn)過(guò)程信息在三層體系架構(gòu)中的無(wú)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(yǔ)言，控制系統(tǒng)進(jìn)一步走向開放化，軟件平臺(tái)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(guò)對(duì)基于IEC 61131-3 的開發(fā)環(huán)境添加高級(jí)或者特殊應(yīng)用的模塊以擴(kuò)展控制系統(tǒng)功能，提高其競(jìng)爭(zhēng)力外；也進(jìn)一步出現(xiàn)了以NI 為代表的多個(gè)PAC（可編程自動(dòng)化控制器）廠商，基于高級(jí)語(yǔ)言的開發(fā)平臺(tái)（LabVIEW、流程圖方式等），以更靈活的方式實(shí)現(xiàn)等跨多領(lǐng)域的自動(dòng)化功能需求，所帶來(lái)的開放性即保證了與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和過(guò)程級(jí)的設(shè)備無(wú)縫連接，也實(shí)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(jí)圖形化開發(fā)語(yǔ)言(圖1)作為NI PAC 平臺(tái)的核心，包含了實(shí)時(shí)分析、監(jiān)測(cè)、高級(jí)控制以及嵌入式技術(shù)。幫助工程師們?cè)诮y(tǒng)一的平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)諸多復(fù)雜的功能與應(yīng)用，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)開發(fā)的難度。例如，自定義控制和處理算法，機(jī)器視覺(jué)與多軸運(yùn)動(dòng)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(bǔ)。隨著LabVIEW 平臺(tái)的強(qiáng)大功能與易用性不斷被工業(yè)控制用戶所認(rèn)可，越來(lái)越多的制造商開始考慮如何將基于LabVIEW 和PAC 平臺(tái)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(jī)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(cè)控軟件開發(fā)平臺(tái)

下面我們將結(jié)合這個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)，介紹通過(guò)LabVIEW 及NI PAC 平臺(tái)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(chǎng)合及其帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

方法一：數(shù)字或模擬I/O

數(shù)字或模擬I/O 是實(shí)現(xiàn)LabVIEW、PAC 軟硬件平臺(tái)與已有PLC 等設(shè)備連接最直接的方式。 NI 各系列PAC 平臺(tái)上都提供各類I/O 功能，最簡(jiǎn)單情況下，設(shè)置單通道數(shù)字I/O 連接，即可實(shí)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(yùn)行邏輯。對(duì)于任務(wù)代碼、過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，通過(guò)LabVIEW可以NI PAC 平臺(tái)上的FPGA 芯片的圖形化開發(fā)，從而實(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)間的復(fù)雜通信，同步與觸發(fā)這類高級(jí)應(yīng)用。

圖2 NI CompactRIO 通過(guò)I/O 方式與AB PLC 連接

LabVIEW 平臺(tái)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(cè)量和處理數(shù)據(jù)值傳遞。模擬參量值傳遞的不足在于，當(dāng)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(huì)一定程度上影響到數(shù)據(jù)的真實(shí)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(jiǎn)單，響應(yīng)快速，適用小規(guī)模系統(tǒng)擴(kuò)展，或直接集成某種特定功能（如高速測(cè)量）需求，而對(duì)原有設(shè)備架構(gòu)幾乎無(wú)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(jī)構(gòu)的開關(guān)以及整個(gè)裝配輸送過(guò)程控制。和很多發(fā)展中的企業(yè)一樣，隨著市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，對(duì)產(chǎn)量和生產(chǎn)效率擴(kuò)容都提出了新的要求。相對(duì)于投資于新的產(chǎn)線項(xiàng)目，如何在原產(chǎn)線基礎(chǔ)上挖掘效率，顯的更為經(jīng)濟(jì)并且見(jiàn)效更快。對(duì)于該應(yīng)用，可行的手段是盡可能縮短罐裝過(guò)程消耗的時(shí)間，為此需要對(duì)罐裝氣壓進(jìn)行高速測(cè)量和狀態(tài)判斷，但該要求卻超過(guò)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(tái)（圖2）以實(shí)現(xiàn)這部分功能。在擴(kuò)展的填充系統(tǒng)系統(tǒng)中，CompactRIO 完成同時(shí)對(duì)8 路瓶罐每秒2000 次模擬采樣與判斷決策任務(wù)，再通過(guò)8 路數(shù)字I/O 輸出，將判斷結(jié)果實(shí)時(shí)確定性的傳遞給PLC 系統(tǒng)，由其繼續(xù)完成裝配線運(yùn)行任務(wù)。 LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)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(jí)的開發(fā)與調(diào)試周期。此外，在實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵功能的基礎(chǔ)上，LabVIEW 平臺(tái)還幫助該制造商實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)布以及企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而進(jìn)一步提高了管理效率。

方法二：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的發(fā)展使得工業(yè)自動(dòng)化控制也進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。各種現(xiàn)場(chǎng)總線或基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)運(yùn)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(diǎn)數(shù)量、噪聲抗擾、網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)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(yíng)的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(tái)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(dòng)，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(jiǎn)單。

目前市場(chǎng)上安裝設(shè)備節(jié)點(diǎn)最多的工業(yè)總線/協(xié)議是Modbus TCP/Serial，對(duì)于工業(yè)用戶采用LabVIEW 實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(wú)線媒質(zhì)上實(shí)現(xiàn)Modbus 通信功能。用戶還可以基于更底層LabVIEW 函數(shù)庫(kù)，根據(jù)應(yīng)用需求開發(fā)出自定制的Modbus 協(xié)議（如校驗(yàn)功能的實(shí)現(xiàn)等）。

對(duì)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(jí)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)CAN，CANopen，DeviceNet，Profibus 及Foundation Fieldbus 等通信方式。另一方面，對(duì)于沒(méi)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(tái)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(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。杭州鋼鐵集團(tuán)，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(cè)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(kuò)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(tái)（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(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將之前從不同廠家購(gòu)置的，互相獨(dú)立的分系統(tǒng)集成到LabVIEW 統(tǒng)一的平臺(tái)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(jí)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(tái)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(guò)程控制的OLE），建立在微軟的ActiveX、COM、DCOM 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之上，為過(guò)程制造領(lǐng)域的不同自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。上面談到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，一般建立在對(duì)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(huì)話層。為此，OPC 基金會(huì)通過(guò)對(duì)這兩層的功能規(guī)范的確認(rèn)，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)“軟件總線”的方式提供了過(guò)程控制系統(tǒng)兼容的思路。作為一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，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(wú)需關(guān)心底層數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

在NI 工業(yè)自動(dòng)化OPC 服務(wù)器軟件中，涵蓋了對(duì)NI PAC、各類常見(jiàn)型號(hào)PLC 及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接口支持，對(duì)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(shí)，LabVIEW 平臺(tái)能夠自動(dòng)查找計(jì)算機(jī)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(guò)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(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)的查看記錄，事件的管理與報(bào)警，安全機(jī)制設(shè)置等，進(jìn)一步擴(kuò)展了LabVIEW 的圖形化開發(fā)環(huán)境在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。

相對(duì)來(lái)說(shuō)在工業(yè)機(jī)器制造領(lǐng)域?qū)偩€通信速率有較高的要求，而通過(guò)OPC 的集成方式，更多的用在過(guò)程控制應(yīng)用中。例如在制藥過(guò)程中，對(duì)藥劑混合步驟需要嚴(yán)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(tái)的機(jī)器視覺(jué)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(duì)采集到的混合藥品過(guò)程中成分的光譜矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，同時(shí)LabVIEW 作為OPC 服務(wù)器實(shí)時(shí)發(fā)布判斷的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，過(guò)程控制中的主體系統(tǒng)以O(shè)PC 客戶端的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的共享與測(cè)量功能的集成。

總結(jié)：

在過(guò)去的20 多年中，NI LabVIEW 革命性地改變了工程師們測(cè)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(shí)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性能控制系統(tǒng)。基于LabVIEW 的NI PAC 平臺(tái)，憑借其超過(guò)600 個(gè)高級(jí)分析控制函數(shù)、廣泛的面向高速監(jiān)測(cè)的I/O 和與企業(yè)層次系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)了與您的面向工廠自動(dòng)化的PLC系統(tǒng)的極佳互補(bǔ)。