NI LabVIEW及PAC平臺與傳統自動化系統的無縫集成

現今，流程型和離散型工業生產企業正面臨全球化市場競爭下不斷增長的壓力：最大化效率，提高產出與質量，縮短新產品投產周期等等。隨著與需求對應的工業用機器和工廠測控系統的復雜性的增加，要求自動化系統集成更多更先進的I/O、處理和控制策略，以及生產過程信息在三層體系架構中的無縫傳遞。在傳統的PLC 掃描方式的梯形圖開發方式基礎上，發展出了PLCopen 組織的IEC61131-3 的編程語言，控制系統進一步走向開放化，軟件平臺也逐漸成為工業控制器的核心。目前，除了一些PLC、IPC 廠商通過對基于IEC 61131-3 的開發環境添加高級或者特殊應用的模塊以擴展控制系統功能，提高其競爭力外；也進一步出現了以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平臺（LabVIEW、流程圖方式等），以更靈活的方式實現等跨多領域的自動化功能需求，所帶來的開放性即保證了與現場級和過程級的設備無縫連接，也實現了生產信息與上層制造執行系統的透明傳遞。

LabVIEW 高級圖形化開發語言(圖1)作為NI PAC 平臺的核心，包含了實時分析、監測、高級控制以及嵌入式技術。幫助工程師們在統一的平臺下實現諸多復雜的功能與應用，并簡化系統開發的難度。例如，自定義控制和處理算法，機器視覺與多軸運動控制，設備狀態監控，以及網絡通信等等。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備中去，從而以最低的成本、復雜度完成其機器或生產系統的效率的提升。

圖1 NI LabVIEW 圖形的化工業測控軟件開發平臺

下面我們將結合這個應用熱點，介紹通過LabVIEW 及NI PAC 平臺連接任何工業設備、網絡及PLC 系統的技術方法。并結合典型應用分析幫助大家了解各類方法適應的場合及其帶來的優勢。

方法一：數字或模擬I/O

數字或模擬I/O 是實現LabVIEW、PAC 軟硬件平臺與已有PLC 等設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，設置單通道數字I/O 連接，即可實現1bit 信息傳輸，例如系統單向快速狀態量（正常/故障）或單步運行邏輯。對于任務代碼、過程握手通信這類更為復雜或以組為形式的數據通信，可以結合多路數字通道或數字端口來實現。此外，通過LabVIEW可以NI PAC 平臺上的FPGA 芯片的圖形化開發，從而實現自定義的數字脈沖的輸出格式與協議，幫助用戶完成其與PLC、執行驅動機構間的復雜通信，同步與觸發這類高級應用。

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，如工業儀器儀表常用的4-20mA 總線方式，相比數字I/O 能夠實現測量和處理數據值傳遞。模擬參量值傳遞的不足在于，當控制系統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據的真實性。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，響應快速，適用小規模系統擴展，或直接集成某種特定功能（如高速測量）需求，而對原有設備架構幾乎無需任何改變。例如，在氣溶膠罐裝系統中，某制造商產線上使用傳統的PLC 控制器系統完成瓶罐的氣溶膠原料填充機構的開關以及整個裝配輸送過程控制。和很多發展中的企業一樣，隨著市場需求的擴大，對產量和生產效率擴容都提出了新的要求。相對于投資于新的產線項目，如何在原產線基礎上挖掘效率，顯的更為經濟并且見效更快。對于該應用，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 技術的NI CompactRIO PAC 平臺（圖2）以實現這部分功能。在擴展的填充系統系統中，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，再通過8 路數字I/O 輸出，將判斷結果實時確定性的傳遞給PLC 系統，由其繼續完成裝配線運行任務。 LabVIEW 開發平臺的高效易用性，以及I/O 直連的便捷方式，最大程度的縮短了該工業系統升級的開發與調試周期。此外，在實現關鍵功能的基礎上，LabVIEW 平臺還幫助該制造商實現了遠程網絡發布以及企業級數據庫，從而進一步提高了管理效率。

方法二：工業網絡

計算機與通信技術的發展使得工業自動化控制也進入了網絡時代。各種現場總線或基于以太網的工業網絡協議應運而生，在完成各種控制器，傳感器，執行器或者I/O 連接與數據共享的基礎上，更大程度的考慮到了數據速率、節點數量、噪聲抗擾、網絡長度等特性。由于歷史原因，目前存在著種類繁多且源自不同陣營的現場總線與工業以太網協議。理想情況下，選用不同網絡的工業設備都應該互相兼容，實際卻可能極為困難，即使提供通信模塊或協議的支持，成本也非常之高。相比較而言，LabVIEW 平臺提供了多類的網絡協議支持以及硬件通信設備驅動，從而使得NI PAC 系統，乃至于不同PLC 設備間的集成與通信變得更加簡單。

目前市場上安裝設備節點最多的工業總線/協議是Modbus TCP/Serial，對于工業用戶采用LabVIEW 實時模塊或LabVIEW DSC（數據記錄與監控）模塊，都可以快速創建標準Modbus 寄存器的讀寫操作，從而在雙絞線、以太網物理層乃至無線媒質上實現Modbus 通信功能。用戶還可以基于更底層LabVIEW 函數庫，根據應用需求開發出自定制的Modbus 協議（如校驗功能的實現等）。

對于涉及到數據鏈路層的協議，一方面可以使用NI 提供通信接口模塊以及LabVIEW 的高級驅動，實現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備，可以利用NI 合作伙伴的工業網關，將諸如EthernetIP，ProfiNet 等轉換為Modbus 協議，滿足LabVIEW 平臺上透明的與PLC，工業設備連接的需求。

下面我們看一下將LabVIEW 與NI PAC 系統集成入冶金鋼鐵行業這類通常涉及到復雜工業網絡與多類自動化設備控制系統的應用實例。杭州鋼鐵集團，為了提高提高其成本的含鐵量和生產效率，需要在冶金原料混合系統測量參數、線路及外圍設備的情況下，提高系統控制精度與系統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 設備上移植到NI PAC 平臺（圖3），閉環控制速度從冶金行業傳統的100～500ms 提高至50ms 以內，而通過工業以太網將之前從不同廠家購置的，互相獨立的分系統集成到LabVIEW 統一的平臺下，從而在不淘汰現有多數生產設備的條件下，升級完成高效靈活的智能型網絡化原料混合系統。

圖3 基于LabVIEW PAC 平臺的智能型網絡化原料混合系統

方法三：OPC 服務器

OPC（用于過程控制的OLE），建立在微軟的ActiveX、COM、DCOM 技術標準之上，為過程制造領域的不同自動化廠商間設備的通信與數據傳遞定義了公共的接口、屬性與方法標準。上面談到工業網絡，一般建立在對OSI 七層網絡模型的物理層、數據鏈路層的定義，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范的確認，實現在采用不同應用層協議的以太網或總線上所連接的設備和控制器之間，可互操作的數據交換。 從而以標準“軟件總線”的方式提供了過程控制系統兼容的思路。作為一個開放的標準，OPC 規范用統一的方式描述不同類型不同源的數據，廠商根據該規范而開發硬件設備和軟件模塊的接口，再以服務器的形式交給用戶，用戶的應用程序作為客戶端使用同樣遵守OPC 規范的格式即可完成數據讀寫，而無需關心底層數據細節。

在NI 工業自動化OPC 服務器軟件中，涵蓋了對NI PAC、各類常見型號PLC 及工業網絡的接口支持，對于其它特殊的設備也可以使用其配套的OPC 服務器。同時，LabVIEW 平臺能夠自動查找計算機上安裝的所有OPC 服務器，這樣LabVIEW 應用程序就可以作為OPC 的客戶端，通過OPC 這座“橋梁”建立與工業設備的通信連接(圖4)。此外，LabVIEW DSC 工具包提供分布式監控應用的快速開發功能，統一完成NI PAC 及三方OPC 設備的實時與歷史數據的查看記錄，事件的管理與報警，安全機制設置等，進一步擴展了LabVIEW 的圖形化開發環境在工業自動化領域的應用。

相對來說在工業機器制造領域對總線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/物理成分的一致性與均勻度。為此，世界領先的制藥商AstraZeneca 公司基于LabVIEW 和NI PAC 平臺的機器視覺功能，構建了連續均勻度分析系統。利用LabVIEW 開發的 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據進行分析判斷，同時LabVIEW 作為OPC 服務器實時發布判斷的數據標簽，過程控制中的主體系統以OPC 客戶端的方式來實現對應數據的共享與測量功能的集成。

總結：

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品質量、更快速地產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，實現一個強大的實時性能控制系統。基于LabVIEW 的NI PAC 平臺，憑借其超過600 個高級分析控制函數、廣泛的面向高速監測的I/O 和與企業層次系統的連接，實現了與您的面向工廠自動化的PLC系統的極佳互補。