基于數據暢連的智慧化實驗室設計與實現

摘 要：為了輔助科研和生產制造，實現小批量、多種類的電動工具開關、傳感器開關等一系列工程樣品測試驗證的自動化、智能化，采用一套基于LabVIEW虛擬儀器的軟件平臺構建智慧檢測系統，集成了實驗室內儀器、儀表、工裝治具的通信控制與數據采集、數據共享以及實時視頻監控訪問功能。整套系統采用C/S架構模型來管理和協調硬件資源沖突、測試方法控制、測試過程管控、數據報告共享與處理等一系列現實問題。該平臺適用于實驗室日常運作中面臨的各種復雜的應用場景，實現智慧實驗室的運作和互聯網的切實融合。

關鍵詞：電動工具開關；傳感器開關；上位機；下位機；智慧化實驗室；數據暢連

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-0-03

0 引 言

當下，人們正處于以互聯網產業化、工業智能化、無人控制技術、虛擬現實以及量子信息技術為代表的第四次工業革命浪潮中，必須主動去擁抱新技術、新工藝、新產品、新應用，才能適應時代的發展。

檢驗檢測認證產業是當前我國重點支持的高技術服務業和生產性服務業，是“質量強國”戰略的重要基石[1-2]。在“中國制造2025”和“互聯網+”的時代背景下，需要人們更加主動地深度融合自動化技術和信息技術，構建智慧測試系統來輔助科研和生產制造。

1 需求分析

一個綜合性的實驗室中包含各種測試系統，如力學測量系統、溫濕度老化測試系統、電學老化測試系統、機械壽命測試系統、產品功能測試系統、防水防塵環境測試系統。測量儀器/儀表包括示波器、高功率電子負載、大功率交直流程控電源、數字式萬用表、毫歐表、電橋、數據采集儀（DAQ）等。同時還需要配合各種工藝裝備、輔助工裝治具等一系列裝備。如果仍然依靠傳統手段操作和管理，無疑將是一項耗費巨大人力、物力和工時的富有挑戰性的工作。

在網絡基礎設施全面覆蓋傳統實驗室的硬件基礎上，導入信息管理系統的全部功能，同時增設在線監控、質量管控、數據采集、數據匯聚、數據追溯、數據分析等功能，旨在通過精準跟蹤測試樣品動態、嚴格監控檢測過程、實時讀取測試數據，提高檢驗檢測產能和效率，推動檢測過程、檢測進度、檢測結果等數據公開化、透明化。

2 研究方法

梳理實驗室的日常工作流程后，設計系統架構如圖1所示。通過TCP/IP網絡實現硬件設備的互聯互通，以計算機系統作為主要的人機交互設備，幫助工程師管理和控制局域網內的硬件設備資源，并對網絡中各個工作站上傳的數據進行處理。運行操作系統的計算機既可以是客戶端，也可以作為服務器端。利用Modbus-RTU/TCP、RS 232/485、CAN BUS等工業現場應用總線技術，將儀器/儀表等設備連接到同一個網絡中。

3 概念界定

3.1 上位機

上位機是一個相對概念，主要是指那些在系統拓撲結構中處于發送指令位置的計算機，也可以叫做主控計算機（Main PC）。上位機作為人們與底層硬件交互控制的窗口，位于整個系統的最上層，負責控制和管理網絡中的通信[3]以及網絡中的設備資源等，并收集各個節點的數據[3]，如電壓、電流、溫濕度、扭力等；最后經過處理與分類匯總，在顯示屏幕上呈現出來，方便人類識別和分析。用PC作為主控機，利用RS 232C總線與下位機通信[4]，實現調用與控制底層嵌入式系統設備的功能。

3.2 下位機

在實驗室應用環境中，考慮到不同的測試項目需求、不同的測試產品外觀尺寸、不同產品的電氣功能以及空間布局等因素，采取最優組合方式，如工裝和夾治具的匹配、儀器儀表的協調共用等。這些輔助裝置中包含有氣缸、伺服電機驅動控制器、PLC/MCU等嵌入式控制系統的，被統稱為下位機系統。其主要負責接收指令，完成特定的動作切換，代替作業人員完成對被測物品的操作。

4 系統總體設計

綜合測試站點整合了Web服務器、PC系統、CCD網絡相機、DQA數據采集儀、PLC可編程邏輯控制器、工業觸摸屏、溫濕度測試儀、大功率程控電源以及大功率電子負載等硬件設備。通過編寫通用控制平臺軟件，利用LAN TCP/IP網絡、RS 232、USB、Modbus TCP/RTU 等協議，集成互聯儀器/儀表等外設。通過.NET技術開發云服務，然后把相應的信息在主控PC中顯示出來，最終將數據保存到服務器中。各測試站根據實際需要，可以實現聯機或單機使用。

通過整合各設備功能，實現了圖2所示的單一測試站集合多項自動測試的功能，實時監控測試狀態，自動判斷測試結果，及時自動上傳保存數據，實現測試動作及數據圖形化顯示、數據的遠程監控和獲得、數據云端共享。

5 上位機系統設計

以計算機控制及網絡技術為核心，基于NI? LabVIEW 虛擬儀器軟件平臺，通過自定義協議控制下位機PLC/MCU等，進而驅動伺服電機、電缸、氣動執行裝置，通過SCPI指令控制示波器、DAQ數據采集儀，同步協調各操作動作，并采集測試過程中的數據，如電壓、電流、溫度、濕度、扭力等信號，經過軟件處理記錄相應波形、自動生成相應的測試信息和報告，減少人工干預。將各種數據同步在中心監控顯示器上顯示，并上傳到主控PC。系統自動完成各種測試動作、數據采集及數據分析、圖形化處理。

智慧實驗室軟件架構如圖3所示。界面設計如圖4所示。

對于軟件編碼，基于圖5所示的NI? LabVIEW G語言平臺，在程序框圖中采用成熟的“狀態機”架構模型編寫控制測試邏輯，同時同步操控伺服驅動器，輔助按壓執行動作部件。對示波器、測力計、程控電源、電子負載等儀器/儀表等外設實施控制，同步完成數據采集。

6 下位機系統設計

系統硬件電路設計如圖6所示。

6.1 功能模塊分析

模塊分析最重要的任務是模擬作業人員操控產品，實現觸發產品電氣功能的目的。通常需要控制伺服電機、步進電機、氣缸、電缸等動作執行器件，主要涉及電磁閥和磁性接近傳感器、槽型光電傳感器以及氣壓、壓力傳感器等反饋信號的接收，脈沖驅動信號的產生等功能。因此使用可編程邏輯控制器（PLC）非常合適。以松下AFP0RF32CT PLC為例，它具有體積小巧、編程方便、運行可靠等特點，非常適用于本項目。

6.2 通信協議設計

數據通信是機器之間的通信，因此與其他通信方式一樣，需要在通信系統中規定一個統一的通信標準[5]。在邏輯應用層面上，它包括語法、語義等部分的控制定義。通信協議要相對簡單，適用范圍也應限于通信雙方設備本身，其內容都必須在通信實體之間達成共識，并確保大家都承認和遵守[6]。主要的目的是通過一種媒介實現從一個系統到另一個系統的信息交換與共享。概括地說，通信協議是對數據傳送方式的規定，包括數據格式定義和數據位定義等[7]。通信協議實現了消息的發送和接收的一致性和通用性。

在企業的實際應用中，我們采用自定義的通信協議，格式如圖7所示。其最大的優點是靈活，能夠滿足企業的現實需求，可擴展性和變異性強，適配不同的應用場合，方便后期設備升級。

7 視頻監視系統

IP-Camera是一種主要用于安全防控的視頻監控攝像頭，能夠通過互聯網發送視頻和音頻數據[8]，也可以接收控制數據。例如，一些帶有云臺的攝像頭可以接收來自監控室發出的指令，旋轉跟蹤目標移動。這些攝像頭也被稱為“網絡攝像頭”或者IP CCTV攝像頭。可以認為它是一臺網絡設備，就如同打印機、掃描儀一樣連接到網絡，只是IP攝像頭是一種有特定用途的網絡設備，即通過網絡將實時圖像傳輸到接收端。

通過視頻監控系統可以實時了解測試工作站的運行狀態，通過開啟后臺錄像功能，錄制測試過程視頻，并在需要的時候復現測試過程。

可通過如下方式訪問攝像頭：（1）通過瀏覽器直接訪問指定工作站的IP-Camera，如圖8所示；（2）通過IP-Camera管理軟件集中訪問所有視頻攝像頭。

8 Web遠程訪問服務

NI系統Web服務器是較早的基于Apache的Web服務器，用于托管SystemLink? Web界面，是SystemLink? 工作所需的唯一服務器[9-10]。基于Silverlight的Web界面，可以安裝運行在Windows以及Linux RT目標設備上。傳統方式下它與MAX界面工具一起被安裝在本地系統，為在單個系統上配置設備和接口提供客戶端選項。本地服務器配置如圖9所示。IE瀏覽器訪問Web UI服務器的界面如圖10所示。

至此，完成了上位機控制程序的Web頁面服務功能。上位機就是一臺網頁服務器，通過網絡瀏覽器可以方便地訪問每一個工作站的頁面服務，可以隨時查看測試進度。通過Web服務可以將控制程序UI界面共享給任何需要的人員查看。

9 結 語

通過幾年來的探索與實踐，東莞德豐電創科技股份有限公司-松山湖工程樣品測試實驗室在公司新產品的研發測試階段，建立了科學可靠、可信任的、開放的、創新性的實驗環境，為新產品的研發測試提供了有力的支撐。在此基礎上本文設計了一套智慧實驗室系統，具有功能性強、靈活性高、可靠性好、實時性高等優點，系統整體結構簡單、容易實現，符合實驗室系統的要求，體現了實驗室的現代管理模式，減少了實驗室人員成本，提高了資源的利用率，節能環保。

參考文獻

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