NI LabVIEW及PAC平台与传统自动化系统的无缝集成

NI LabVIEW及PAC平台与传统自动化系统的无缝集成

现今，流程型和离散型工业生产企业正面临全球化市场竞争下不断增长的压力：最大化效率，提高产出与质量，缩短新产品投产周期等等。随着与需求对应的工业用机器和工厂测控系统的复杂性的增加，要求自动化系统集成更多更先进的I/O、处理和控制策略，以及生产过程信息在三层体系架构中的无缝传递。在传统的PLC 扫描方式的梯形图开发方式基础上，发展出了PLCopen 组织的IEC61131-3 的编程语言，控制系统进一步走向开放化，软件平台也逐渐成为工业控制器的核心。目前，除了一些PLC、IPC 厂商通过对基于IEC 61131-3 的开发环境添加高级或者特殊应用的模块以扩展控制系统功能，提高其竞争力外；也进一步出现了以NI 为代表的多个PAC（可编程自动化控制器）厂商，基于高级语言的开发平台（LabVIEW、流程图方式等），以更灵活的方式实现等跨多领域的自动化功能需求，所带来的开放性即保证了与现场级和过程级的设备无缝连接，也实现了生产信息与上层制造执行系统的透明传递。

LabVIEW 高级图形化开发语言(图1)作为NI PAC 平台的核心，包含了实时分析、监测、高级控制以及嵌入式技术。帮助工程师们在统一的平台下实现诸多复杂的功能与应用，并简化系统开发的难度。例如，自定义控制和处理算法，机器视觉与多轴运动控制，设备状态监控，以及网络通信等等。这些特性与基于IEC61131-3 的PLC 形成了非常好的互补。随着LabVIEW 平台的强大功能与易用性不断被工业控制用户所认可，越来越多的制造商开始考虑如何将基于LabVIEW 和PAC 平台所提供的高性能解决方案集成到其已有的设备中去，从而以最低的成本、复杂度完成其机器或生产系统的效率的提升。

图1 NI LabVIEW 图形的化工业测控软件开发平台

下面我们将结合这个应用热点，介绍通过LabVIEW 及NI PAC 平台连接任何工业设备、网络及PLC 系统的技术方法。并结合典型应用分析帮助大家了解各类方法适应的场合及其带来的优势。

方法一：数字或模拟I/O

数字或模拟I/O 是实现LabVIEW、PAC 软硬件平台与已有PLC 等设备连接最直接的方式。 NI 各系列PAC 平台上都提供各类I/O 功能，最简单情况下，设置单通道数字I/O 连接，即可实现1bit 信息传输，例如系统单向快速状态量（正常/故障）或单步运行逻辑。对于任务代码、过程握手通信这类更为复杂或以组为形式的数据通信，可以结合多路数字通道或数字端口来实现。此外，通过LabVIEW可以NI PAC 平台上的FPGA 芯片的图形化开发，从而实现自定义的数字脉冲的输出格式与协议，帮助用户完成其与PLC、执行驱动机构间的复杂通信，同步与触发这类高级应用。

图2 NI CompactRIO 通过I/O 方式与AB PLC 连接

LabVIEW 平台也支持模拟I/O 方式的通信，如工业仪器仪表常用的4-20mA 总线方式，相比数字I/O 能够实现测量和处理数据值传递。模拟参量值传递的不足在于，当控制系统或通信回路处于干扰较大的工况中，各类不同的噪声在线路上的叠加会一定程度上影响到数据的真实性。为此，NI 提供隔离的模拟输入输出模块，以最大可能的减小接地回路，尖峰电压或环境噪声的干扰。

采用这种基于I/O 的定制通信方式，连接简单，响应快速，适用小规模系统扩展，或直接集成某种特定功能（如高速测量）需求，而对原有设备架构几乎无需任何改变。例如，在气溶胶罐装系统中，某制造商产线上使用传统的PLC 控制器系统完成瓶罐的气溶胶原料填充机构的开关以及整个装配输送过程控制。和很多发展中的企业一样，随着市场需求的扩大，对产量和生产效率扩容都提出了新的要求。相对于投资于新的产线项目，如何在原产线基础上挖掘效率，显的更为经济并且见效更快。对于该应用，可行的手段是尽可能缩短罐装过程消耗的时间，为此需要对罐装气压进行高速测量和状态判断，但该要求却超过了逻辑序列控制为主的PLC 的能力。为此该制造商选择基于FPGA 技术的NI CompactRIO PAC 平台（图2）以实现这部分功能。在扩展的填充系统系统中，CompactRIO 完成同时对8 路瓶罐每秒2000 次模拟采样与判断决策任务，再通过8 路数字I/O 输出，将判断结果实时确定性的传递给PLC 系统，由其继续完成装配线运行任务。 LabVIEW 开发平台的高效易用性，以及I/O 直连的便捷方式，最大程度的缩短了该工业系统升级的开发与调试周期。此外，在实现关键功能的基础上，LabVIEW 平台还帮助该制造商实现了远程网络发布以及企业级数据库，从而进一步提高了管理效率。

方法二：工业网络

计算机与通信技术的发展使得工业自动化控制也进入了网络时代。各种现场总线或基于以太网的工业网络协议应运而生，在完成各种控制器，传感器，执行器或者I/O 连接与数据共享的基础上，更大程度的考虑到了数据速率、节点数量、噪声抗扰、网络长度等特性。由于历史原因，目前存在着种类繁多且源自不同阵营的现场总线与工业以太网协议。理想情况下，选用不同网络的工业设备都应该互相兼容，实际却可能极为困难，即使提供通信模块或协议的支持，成本也非常之高。相比较而言，LabVIEW 平台提供了多类的网络协议支持以及硬件通信设备驱动，从而使得NI PAC 系统，乃至于不同PLC 设备间的集成与通信变得更加简单。

目前市场上安装设备节点最多的工业总线/协议是Modbus TCP/Serial，对于工业用户采用LabVIEW 实时模块或LabVIEW DSC（数据记录与监控）模块，都可以快速创建标准Modbus 寄存器的读写操作，从而在双绞线、以太网物理层乃至无线媒质上实现Modbus 通信功能。用户还可以基于更底层LabVIEW 函数库，根据应用需求开发出自定制的Modbus 协议（如校验功能的实现等）。

对于涉及到数据链路层的协议，一方面可以使用NI 提供通信接口模块以及LabVIEW 的高级驱动，实现CAN，CANopen，DeviceNet，Profibus 及Foundation Fieldbus 等通信方式。另一方面，对于没有直接通信模块支持的设备，可以利用NI 合作伙伴的工业网关，将诸如EthernetIP，ProfiNet 等转换为Modbus 协议，满足LabVIEW 平台上透明的与PLC，工业设备连接的需求。

下面我们看一下将LabVIEW 与NI PAC 系统集成入冶金钢铁行业这类通常涉及到复杂工业网络与多类自动化设备控制系统的应用实例。杭州钢铁集团，为了提高提高其成本的含铁量和生产效率，需要在冶金原料混合系统测量参数、线路及外围设备的情况下，提高系统控制精度与系统总体的可操作性与扩展性。为此，其将核心的PID 控制算法由PLC 设备上移植到NI PAC 平台（图3），闭环控制速度从冶金行业传统的100～500ms 提高至50ms 以内，而通过工业以太网将之前从不同厂家购置的，互相独立的分系统集成到LabVIEW 统一的平台下，从而在不淘汰现有多数生产设备的条件下，升级完成高效灵活的智能型网络化原料混合系统。

图3 基于LabVIEW PAC 平台的智能型网络化原料混合系统

方法三：OPC 服务器

OPC（用于过程控制的OLE），建立在微软的ActiveX、COM、DCOM 技术标准之上，为过程制造领域的不同自动化厂商间设备的通信与数据传递定义了公共的接口、属性与方法标准。上面谈到工业网络，一般建立在对OSI 七层网络模型的物理层、数据链路层的定义，而较少涉及表示层和会话层。为此，OPC 基金会通过对这两层的功能规范的确认，实现在采用不同应用层协议的以太网或总线上所连接的设备和控制器之间，可互操作的数据交换。 从而以标准“软件总线”的方式提供了过程控制系统兼容的思路。作为一个开放的标准，OPC 规范用统一的方式描述不同类型不同源的数据，厂商根据该规范而开发硬件设备和软件模块的接口，再以服务器的形式交给用户，用户的应用程序作为客户端使用同样遵守OPC 规范的格式即可完成数据读写，而无需关心底层数据细节。

在NI 工业自动化OPC 服务器软件中，涵盖了对NI PAC、各类常见型号PLC 及工业网络的接口支持，对于其它特殊的设备也可以使用其配套的OPC 服务器。同时，LabVIEW 平台能够自动查找计算机上安装的所有OPC 服务器，这样LabVIEW 应用程序就可以作为OPC 的客户端，通过OPC 这座“桥梁”建立与工业设备的通信连接(图4)。此外，LabVIEW DSC 工具包提供分布式监控应用的快速开发功能，统一完成NI PAC 及三方OPC 设备的实时与历史数据的查看记录，事件的管理与报警，安全机制设置等，进一步扩展了LabVIEW 的图形化开发环境在工业自动化领域的应用。

相对来说在工业机器制造领域对总线通信速率有较高的要求，而通过OPC 的集成方式，更多的用在过程控制应用中。例如在制药过程中，对药剂混合步骤需要严格的分析控制，以保证成药的化学/物理成分的一致性与均匀度。为此，世界领先的制药商AstraZeneca 公司基于LabVIEW 和NI PAC 平台的机器视觉功能，构建了连续均匀度分析系统。利用LabVIEW 开发的 主成分分析法（PCA）算法对采集到的混合药品过程中成分的光谱矩阵数据进行分析判断，同时LabVIEW 作为OPC 服务器实时发布判断的数据标签，过程控制中的主体系统以OPC 客户端的方式来实现对应数据的共享与测量功能的集成。

总结：

在过去的20 多年中，NI LabVIEW 革命性地改变了工程师们测量并利用其改善产品质量、更快速地产品上市和提高工程与制造的效率的方式。您可以利用LabVIEW 所具有的图形化编程功能，实现一个强大的实时性能控制系统。基于LabVIEW 的NI PAC 平台，凭借其超过600 个高级分析控制函数、广泛的面向高速监测的I/O 和与企业层次系统的连接，实现了与您的面向工厂自动化的PLC系统的极佳互补。