基于LabVIEW的抽真空裝置數據采集系統的設計

呂 俊

（浙江機電職業技術學院 電氣工程系，浙江 杭州 310053）

0 引言

隨著自動化技術的發展，越來越多的手段被用于自動化系統的數據采集與監控之中，目前常見的硬件平臺主要有PLC、DCS、計算機控制系統等，常用的軟件有VB、VC、LabVIEW 和各種組態軟件等[1]。自動化監控系統通常會采用同一硬件平臺，但也常出現多種硬件出現于同一個監控系統中，并需要統一的監控軟件完成任務，LabVIEW 的虛擬儀器技術可以替代傳統的儀器，通過硬件接口和OPC 技術等實現多種硬件集成一體的信號采集、分析與處理等功能[2]。本系統在設計時采用PXISCXI 嵌入式控制器和S7-200/300 PLC 等硬件，上位采用WINCC 和LabVIEW 雙軟件平臺的模式工作，WINCC主要負責PLC 系統的監控，而LabVIEW 由于其虛擬儀器的特性，能更好的實時采集PLC 和PXI-SCXI 數據，作為數據的監視、歸檔平臺。

1 系統組成

抽真空裝置為航空航天領域火箭試驗平臺的組成部分，用于模擬太空的真空環境，裝置由噴水降溫裝置、冷凝器系統、水環泵柴油機系統、高真空抽真空裝置等子系統組成。

抽真空裝置控制系統管理層采用以太網、控制層采用現場總線Profibus-DP、現場層采用RS485 Modbus 的3 級網絡控制系統結構，控制采集系統總體框圖見圖1，由工控機、S7-300 PLC、S7-200 PLC 和NI PXI-SCXI 等部分組成。

圖1 抽真空裝置系統控制框圖Fig.1 Block diagram of vacuum extractor control system

控制系統以S7-300 PLC 為核心，主要負責各子系統的總體控制，現場模擬量和開關量數據的采集和控制，S7-200 PLC 專門負責水環泵柴油機子系統的控制。上位機運行WINCC 組態軟件監控整個抽真空裝置的運行，并進行數據的記錄，形成報表。

采集系統主要采集溫度、壓力、流量、真空度等模擬量信號，由于實時性和數據精度要求比較高，故采用PXI 技術，以NI 公司PXI-8115 嵌入式控制器和數據采集板卡SCXI-1100 為基礎的PXI-SCXI 混合機箱來采集現場各類模擬量信號。上位機運行LabVIEW 開發的程序，包含控制參數管理、狀態顯示和數據處理等人機交互程序。

2 系統軟件設計

2.1 軟件結構和功能設計

按照抽真空裝置系統的控制及數據采集要求，需要在試驗過程中采集試驗過程中的各項參數，包括冷卻系統的進出水的溫度、壓力、流量，水環泵柴油機系統進出水的溫度、壓力、流量，高真空抽真空裝置的進出氣的真空度等。根據控制流程及質量的要求，數據采集頻率要求1KHz 以上，數據本地存儲，并實時地將試驗數據傳送至上位機，傳遞頻率不低于5Hz。

針對上述要求，本采集系統采用LabVIEW 軟件，在下位PXI 中編寫實時數據采集程序，采集頻率在1KHz，并通過共享變量的方式進行TCP 網絡發布；上位工控機運行采集系統軟件，在試驗開始后從PXI 設備實時讀取試驗數據，PLC 數據從OPC 服務器反饋，并存儲于MySQL 數據庫中，在試驗結束后以5Hz 頻率將試驗數據批量上傳給數據庫服務器進行歸檔，另外，試驗用傳感器參數的管理、試驗數據處理分析、試驗數據的實時顯示及歷史回放等功能。采集系統的軟件框圖如圖2 所示。

圖2 采集系統的軟件框圖Fig.2 Block diagram of acquisition system's software

2.2 試驗實時數據采集

在PXI-SCXI 中運行的程序主要用于試驗實時數據的采集，在VI 的程序框圖編制時從函數選項板中選擇測量I/O--＞DAQmx 數據采集--＞DAQ 助手，根據采集的信號類型選擇采集信號為模擬量輸入--＞電流，將對應采集數據的物理通道加入，并配置成4mA～20mA，分流電阻為內部方式，采集模式為連續采樣，采樣率為100Hz。在項目中建立共享變量data_pxi，類型為網絡發布，單精度數組。將DAQ 助手采集到的數據通過該共享變量進行網絡發布[3]。

2.3 OPC 數據的采集

本采集系統數據的來源包括兩部分： PXI 機箱的采集和S7-300 PLC 的數據采集。由于采集系統應用Lab-VIEW 軟件設計，故而S7-300 PLC 的數據采取OPC 的方案實現采集。

利用S7-300 PLC 編程軟件Step7，和SIMATIC Net軟件包，搭建主要步驟如下[4]：①在Station Configurator 工具軟件下配置PC 站的硬件機架；②利用配置控制臺（Configuration Console）工具軟件將網卡的PG 模式切換到組態模式；③在STEP 7 軟件下組態PC Station，配置OPC服務器，在NetPro 網絡組態界面中，創建S7 新連接,并下載站數據；④利用Simatic Net 軟件中的OPC Scout 工具，在OPC 服務器OPC.SimaticNET 下的S7 連接協議中添加定義需要采集的數據項。

LabVIEW 軟件訪問外部OPC 服務器的方法相對簡單，可簡單分為三個步驟：第一，創建I/O 服務器，類型為OPC Client，選擇上述由Simatic Net 軟件創建的OPC.SimaticNET.1 服務器，將LabVIEW 連接到OPC 標簽，見圖3；第二，創建通過I/O 服務器連接到OPC 標簽的綁定變量，見圖4；第三，在對應的VI 中引用上一步創建的綁定變量即可實現LabVIEW 訪問S7-300 PLC 中的數據。

圖3 配置OPC Client I/O 服務器Fig.3 Config OPC Client I/O server

圖4 創建OPC 的綁定變量Fig.4 Create bind variables of OPC items

2.4 數據存儲

本系統選用MySQL 作為數據庫，MySQL 是一種開放源碼的關聯數據庫管理系統，提供TCP/IP、ODBC 和JDBC 等多種數據庫連接途徑，優化標準SQL 語言訪問，有效地提高查詢速度，支持多線程技術，可充分利用CPU 資源[5]。

對實時采集數據進行顯示、查詢、統計、生成報表分析等是數據采集系統的重要工作，其主要任務是與數據庫進行交互，實現數據讀寫。在LabVIEW 編程環境下，通常有以下幾種方法來完成與數據庫的接口： 利用NI 公司的附加工具包LabVIEW SQL Toolkit 進行數據庫訪問；調用其他語言如VC 編寫的DLL 程序間接訪問數據庫；利用LabVIEW 的ActiveX 功 能，調 用Microsoft ADO 控 件，利用SQL 語言實現數據庫訪問。上述幾種均可完成對數據庫的訪問，但各有缺點，且不能滿足系統對數據庫實時訪問的要求，或對技術人員數據庫操作要求高。本系統使用免費的、多數據庫、跨平臺的LabVIEW 數據庫訪問工具包LabSQL，可簡單方便的操作MySQL 數據庫，而無需精通數據庫應用技術。LabVIEW 經LabSQL 通過ODBC 驅動可以直接訪問MySQL 數據庫。

以傳感器參數的查詢為例，主要使用了ADO.Create conn，ADO.Open conn，ADO.SQL Excecute 和 ADO.Close conn 四個VI，分別用于創建ADO 連接，打開指定DSN 數據庫的連接，執行SQL 查詢，及關閉ADO 連接，見圖5 所示。

圖5 參數管理VI 程序框圖Fig.5 Parameters management VI program diagram

3 結束語

抽真空裝置數據采集系統硬件配置的特殊性，采用了以太網卡OPC 方式讀取PLC 數據，經以太網獲取PXI-SCXI 數據，并統一在LabVIEW 開發的監控系統中實現了各類數據的實時采集、顯示，應用MySQL 數據庫實現了試驗數據的歸檔，并與管理信息系統實現數據的無縫對接。該系統的設計對多種不同控制器用于同一自動化監控系統的實施有一定的借鑒價值。

[1] 張良. 基于LabVIEW 的超低溫閥門性能測試軟件設計[J].低溫技術，2012，39.

[2] 楊繼志，郭敬. 基于LabVIEW 的閥門試驗數據采集系統[J]. 機電產品開發與創新，2011，9.

[3] 郝麗，趙偉. MAX、DAQ 助手及DAQmx VI 之間的邏輯關系[J]. 實驗室研究與探索，2012，6.

[4] 呂俊. 基于OPC 的PLC 在線PID 模糊自整定系統[J]. 輕工機械，2013，2.

[5] 易馳，文小玲，李鳳旭.基于LabVIEW 的溫度壓力采集系統的設計.微型機與應用，2013，17.