現今，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)競爭下不斷增長(cháng)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(zhù)與需求對應的工業(yè)用機器和工廠(chǎng)測控系統的復雜性的增加，要求自動(dòng)化系統集成更多更先進(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中的無(wú)縫傳遞。在傳統的PLC掃描方式的梯形圖開(kāi)發(fā)方式基礎上，發(fā)展出了PLCopen組織的IEC 61131-3的編程語(yǔ)言，控制系統進(jìn)一步走向開(kāi)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(chǎng)商通過(guò)對基于IEC 61131-3的開(kāi)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功能，提高其競爭力外；也進(jìn)一步出現了以NI為代表的多個(gè)PAC（可編程自動(dòng)化控制器）廠(chǎng)商，基于高級語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)平臺（LabVIEW、流程圖方式等），以更靈活的方式實(shí)現跨多領(lǐng)域的自動(dòng)化功能需求，所帶來(lái)的開(kāi)放性既保證了與現場(chǎng)級和過(guò)程級的設備無(wú)縫連接，也實(shí)現了生產(chǎn)信息與上層制造執行系統的透明傳遞。

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

    LabVIEW高級圖形化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言(圖1)作為NI PAC平臺的核心，包含了實(shí)時(shí)分析、監測、高級控制以及嵌入式技術(shù)。幫助工程師們在統一的平臺下實(shí)現諸多復雜的功能與應用，并簡(jiǎn)化系統開(kāi)發(fā)的難度。例如自定義控制和處理算法，機器視覺(jué)與多軸運動(dòng)控制、設備狀態(tài)監控及網(wǎng)絡(luò )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(zhù)LabVIEW平臺的強大功能與易用性不斷被工業(yè)控制用戶(hù)所認可，越來(lái)越多的制造商開(kāi)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)系統的效率的提升。

    下面我們將結合這個(gè)應用熱點(diǎn)，介紹通過(guò)LabVIEW及NI PAC平臺連接任何工業(yè)設備、網(wǎng)絡(luò )及PLC系統的技術(shù)方法。并結合典型應用分析幫助大家了解各類(lèi)方法適應的場(chǎng)合及其帶來(lái)的優(yōu)勢。

方法一：數字或模擬I/O

    數字或模擬I/O是實(shí)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(lèi)I/O功能，最簡(jiǎn)單情況下，設置單通道數字I/O連接，即可實(shí)現1bit信息傳輸，例如系統單向快速狀態(tài)量（正常/故障）或單步運行邏輯。對于任務(wù)代碼、過(guò)程握手通信這類(lèi)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(lái)實(shí)現。此外，通過(guò)LabVIEW可以NI PAC平臺上的FPGA芯片的圖形化開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現自定義的數字脈沖的輸出格式與協(xié)議，幫助用戶(hù)完成其與PLC、執行驅動(dòng)機構間的復雜通信，同步與觸發(fā)這類(lèi)高級應用。

                                 圖2   NI CompactRIO 通過(guò)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(xiàn)方式，相比數字I/O能夠實(shí)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(lèi)不同的噪聲在線(xiàn)路上的疊加會(huì )一定程度上影響到數據的真實(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(wú)需任何改變。例如，在氣溶膠罐裝系統中，某制造商產(chǎn)線(xiàn)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(kāi)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(zhù)市場(chǎng)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(xiàn)項目，如何在原產(chǎn)線(xiàn)基礎上挖掘效率，顯的更為經(jīng)濟并且見(jiàn)效更快。對于該應用，可行的手段是盡可能縮短罐裝過(guò)程消耗的時(shí)間，為此需要對罐裝氣壓進(jìn)行高速測量和狀態(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（圖2）以實(shí)現這部分功能。在擴展的填充系統系統中，CompactRIO完成同時(shí)對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路數字I/O輸出，將判斷結果實(shí)時(shí)確定性的傳遞給PLC系統，由其繼續完成裝配線(xiàn)運行任務(wù)。 LabVIEW開(kāi)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)系統升級的開(kāi)發(fā)與調試周期。此外，在實(shí)現關(guān)鍵功能的基礎上，LabVIEW平臺還幫助該制造商實(shí)現了遠程網(wǎng)絡(luò )發(fā)布以及企業(yè)級數據庫，從而進(jìn)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(dòng)化控制也進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò )時(shí)代。各種現場(chǎng)總線(xiàn)或基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)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(diǎn)數量、噪聲抗擾、網(wǎng)絡(luò )長(cháng)度等特性。由于歷史原因，目前存在著(zhù)種類(lèi)繁多且源自不同陣營(yíng)的現場(chǎng)總線(xiàn)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)設備都應該互相兼容，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平臺提供了多類(lèi)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議支持以及硬件通信設備驅動(dòng)，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(jiǎn)單。

    目前市場(chǎng)上安裝設備節點(diǎn)最多的工業(yè)總線(xiàn)/協(xié)議是Modbus TCP/Serial，對于工業(yè)用戶(hù)采用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊或LabVIEW DSC（數據記錄與監控）模塊，都可以快速創(chuàng )建標準Modbus寄存器的讀寫(xiě)操作，從而在雙絞線(xiàn)、以太網(wǎng)物理層乃至無(wú)線(xiàn)媒質(zhì)上實(shí)現Modbus通信功能。用戶(hù)還可以基于更底層LabVIEW函數庫，根據應用需求開(kāi)發(fā)出自定制的Modbus協(xié)議（如校驗功能的實(shí)現等）。

    對于涉及到數據鏈路層的協(xié)議，一方面可以使用NI提供通信接口模塊以及LabVIEW的高級驅動(dòng)，實(shí)現CAN、CANopen、DeviceNet、Profibus及Foundation Fieldbus等通信方式。另一方面，對于沒(méi)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(guān)，將諸如EthernetIP、ProfiNet等轉換為Modbus協(xié)議，滿(mǎn)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系統集成入冶金鋼鐵行業(yè)這類(lèi)通常涉及到復雜工業(yè)網(wǎng)絡(luò )與多類(lèi)自動(dòng)化設備控制系統的應用實(shí)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測量參數、線(xiàn)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(huán)控制速度從冶金行業(yè)傳統的100～500ms提高至50ms以?xún)?，而通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將之前從不同廠(chǎng)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(chǎn)設備的條件下，升級完成高效靈活的智能型網(wǎng)絡(luò )化原料混合系統。

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

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)標準之上，為過(guò)程制造領(lǐng)域的不同自動(dòng)化廠(chǎng)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(yè)網(wǎng)絡(luò )，一般建立在對OSI七層網(wǎng)絡(luò )模型的物理層、數據鏈路層的定義，而較少涉及表示層和會(huì )話(huà)層。為此，OPC基金會(huì )通過(guò)對這兩層的功能規范的確認，實(shí)現在采用不同應用層協(xié)議的以太網(wǎng)或總線(xiàn)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(xiàn)”的方式提供了過(guò)程控制系統兼容的思路。作為一個(gè)開(kāi)放的標準，OPC規范用統一的方式描述不同類(lèi)型不同源的數據，廠(chǎng)商根據該規范而開(kāi)發(fā)硬件設備和軟件模塊的接口，再以服務(wù)器的形式交給用戶(hù)，用戶(hù)的應用程序作為客戶(hù)端使用同樣遵守OPC規范的格式即可完成數據讀寫(xiě)，而無(wú)需關(guān)心底層數據細節。

                              圖4   基于OPC服務(wù)器實(shí)現自動(dòng)化系統連接

    在NI 工業(yè)自動(dòng)化OPC服務(wù)器軟件中，涵蓋了對NI PAC、各類(lèi)常見(jiàn)型號PLC及工業(yè)網(wǎng)絡(luò )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(wù)器。同時(shí)，LabVIEW平臺能夠自動(dòng)查找計算機上安裝的所有OPC服務(wù)器，這樣LabVIEW應用程序就可以作為OPC的客戶(hù)端，通過(guò)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控應用的快速開(kāi)發(fā)功能，統一完成NI PAC及三方OPC設備的實(shí)時(shí)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(jìn)一步擴展了LabVIEW的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應用。

    相對來(lái)說(shuō)在工業(yè)機器制造領(lǐng)域對總線(xiàn)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)程控制應用中。例如在制藥過(guò)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(jué)功能，構建了連續均勻度分析系統。利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的主成分分析法（PCA）算法對采集到的混合藥品過(guò)程中成分的光譜矩陣數據進(jìn)行分析判斷，同時(shí)LabVIEW作為OPC服務(wù)器實(shí)時(shí)發(fā)布判斷的數據標簽，過(guò)程控制中的主體系統以OPC客戶(hù)端的方式來(lái)實(shí)現對應數據的共享與測量功能的集成。

總結

    在過(guò)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(shí)現一個(gè)強大的實(shí)時(shí)性能控制系統?；贚abVIEW的NI PAC平臺，憑借其超過(guò)600個(gè)高級分析控制函數、廣泛的面向高速監測的I/O和與企業(yè)層次系統的連接，實(shí)現了與您的面向工廠(chǎng)自動(dòng)化的PLC系統的極佳互補。