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。隨著與需求對應的工業(yè)用機器和工廠測控系統(tǒng)的復雜性的增加，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)方式基礎上，發(fā)展出了PLCopen組織的IEC 61131-3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)跨多領域的自動化功能需求，所帶來的開放性既保證了與現(xiàn)場級和過程級的設備無縫連接，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。

                              圖1   NI LabVIEW圖形的化工業(yè)測控軟件開發(fā)平臺

    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。幫助工程師們在統(tǒng)一的平臺下實現(xiàn)諸多復雜的功能與應用，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、設備狀態(tài)監(jiān)控及網(wǎng)絡通信等等。這些特性與基于IEC 61131-3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備中去，從而以最低的成本、復雜度完成其機器或生產(chǎn)系統(tǒng)的效率的提升。

    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(yè)設備、網(wǎng)絡及PLC系統(tǒng)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(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(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。對于任務代碼、過程握手通信這類更為復雜或以組為形式的數(shù)據(jù)通信，可以結合多路數(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)動機構間的復雜通信，同步與觸發(fā)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(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，而對原有設備架構幾乎無需任何改變。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的開關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)線基礎上挖掘效率，顯的更為經(jīng)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(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，再通過8路數(shù)字I/O輸出，將判斷結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。 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)關鍵功能的基礎上，LabVIEW平臺還幫助該制造商實現(xiàn)了遠程網(wǎng)絡發(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

    計算機與通信技術的發(fā)展使得工業(yè)自動化控制也進入了網(wǎng)絡時代。各種現(xiàn)場總線或基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議應運而生，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)絡的工業(yè)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(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)絡協(xié)議支持以及硬件通信設備驅(qū)動，從而使得NI PAC系統(tǒng)，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(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備，可以利用NI合作伙伴的工業(yè)網(wǎng)關，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)這類通常涉及到復雜工業(yè)網(wǎng)絡與多類自動化設備控制系統(tǒng)的應用實例。杭州鋼鐵集團，為了提高其原料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)設備的條件下，升級完成高效靈活的智能型網(wǎng)絡化原料混合系統(tǒng)。

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

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(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，一般建立在對OSI七層網(wǎng)絡模型的物理層、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)在采用不同應用層協(xié)議的以太網(wǎng)或總線上所連接的設備和控制器之間，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(guī)范的格式即可完成數(shù)據(jù)讀寫，而無需關心底層數(shù)據(jù)細節(jié)。

                              圖4   基于OPC服務器實現(xiàn)自動化系統(tǒng)連接

    在NI 工業(yè)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(yè)網(wǎng)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(yè)設備的通信連接(圖4)。此外，LabVIEW DSC工具包提供分布式監(jiān)控應用的快速開發(fā)功能，統(tǒng)一完成NI PAC及三方OPC設備的實時與歷史數(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)自動化領域的應用。

    相對來說在工業(yè)機器制造領域?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(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OPC客戶端的方式來實現(xiàn)對應數(shù)據(jù)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(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)。基于LabVIEW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。