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(yīng)的工業(yè)用機(jī)器和工廠測控系統(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)過程信息在三層體系架構(gòu)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(chǔ)上，發(fā)展出了PLCopen 組織的IEC61131-3 的編程語言，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 廠商通過對基于IEC 61131-3 的開發(fā)環(huán)境添加高級或者特殊應(yīng)用的模塊以擴(kuò)展控制系統(tǒng)功能，提高其競爭力外；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，基于高級語言的開發(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，所帶來的開放性即保證了與現(xiàn)場級和過程級的設(shè)備無縫連接，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 高級圖形化開發(fā)語言(圖1)作為NI PAC 平臺(tái)的核心，包含了實(shí)時(shí)分析、監(jiān)測、高級控制以及嵌入式技術(shù)。幫助工程師們在統(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(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。對于任務(wù)代碼、過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)字端口來實(shí)現(xiàn)。此外，通過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)這類高級應(yīng)用。

圖2 NI CompactRIO 通過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（如高速測量）需求，而對原有設(shè)備架構(gòu)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(jī)構(gòu)的開關(guān)以及整個(gè)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(kuò)大，對產(chǎn)量和生產(chǎn)效率擴(kuò)容都提出了新的要求。相對于投資于新的產(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)并且見效更快。對于該應(yīng)用，可行的手段是盡可能縮短罐裝過程消耗的時(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8 路瓶罐每秒2000 次模擬采樣與判斷決策任務(wù)，再通過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)級數(shù)據(jù)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(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(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單。

目前市場上安裝設(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，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(dòng)，實(shí)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(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)，而通過工業(yè)以太網(wǎng)將之前從不同廠家購置的，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，升級完成高效靈活的智能型網(wǎng)絡(luò)化原料混合系統(tǒng)。