吕 俊

（浙江机电职业技术学院 电气工程系，浙江 杭州 310053）

0 引言

随着自动化技术的发展，越来越多的手段被用于自动化系统的数据采集与监控之中，目前常见的硬件平台主要有PLC、DCS、计算机控制系统等，常用的软件有VB、VC、LabVIEW 和各种组态软件等[1]。自动化监控系统通常会采用同一硬件平台，但也常出现多种硬件出现于同一个监控系统中，并需要统一的监控软件完成任务，LabVIEW 的虚拟仪器技术可以替代传统的仪器，通过硬件接口和OPC 技术等实现多种硬件集成一体的信号采集、分析与处理等功能[2]。本系统在设计时采用PXISCXI 嵌入式控制器和S7-200/300 PLC 等硬件，上位采用WINCC 和LabVIEW 双软件平台的模式工作，WINCC主要负责PLC 系统的监控，而LabVIEW 由于其虚拟仪器的特性，能更好的实时采集PLC 和PXI-SCXI 数据，作为数据的监视、归档平台。

1 系统组成

抽真空装置为航空航天领域火箭试验平台的组成部分，用于模拟太空的真空环境，装置由喷水降温装置、冷凝器系统、水环泵柴油机系统、高真空抽真空装置等子系统组成。

抽真空装置控制系统管理层采用以太网、控制层采用现场总线Profibus-DP、现场层采用RS485 Modbus 的3 级网络控制系统结构，控制采集系统总体框图见图1，由工控机、S7-300 PLC、S7-200 PLC 和NI PXI-SCXI 等部分组成。

图1 抽真空装置系统控制框图Fig.1 Block diagram of vacuum extractor control system

控制系统以S7-300 PLC 为核心，主要负责各子系统的总体控制，现场模拟量和开关量数据的采集和控制，S7-200 PLC 专门负责水环泵柴油机子系统的控制。上位机运行WINCC 组态软件监控整个抽真空装置的运行，并进行数据的记录，形成报表。

采集系统主要采集温度、压力、流量、真空度等模拟量信号，由于实时性和数据精度要求比较高，故采用PXI 技术，以NI 公司PXI-8115 嵌入式控制器和数据采集板卡SCXI-1100 为基础的PXI-SCXI 混合机箱来采集现场各类模拟量信号。上位机运行LabVIEW 开发的程序，包含控制参数管理、状态显示和数据处理等人机交互程序。

2 系统软件设计

2.1 软件结构和功能设计

按照抽真空装置系统的控制及数据采集要求，需要在试验过程中采集试验过程中的各项参数，包括冷却系统的进出水的温度、压力、流量，水环泵柴油机系统进出水的温度、压力、流量，高真空抽真空装置的进出气的真空度等。根据控制流程及质量的要求，数据采集频率要求1KHz 以上，数据本地存储，并实时地将试验数据传送至上位机，传递频率不低于5Hz。

针对上述要求，本采集系统采用LabVIEW 软件，在下位PXI 中编写实时数据采集程序，采集频率在1KHz，并通过共享变量的方式进行TCP 网络发布；上位工控机运行采集系统软件，在试验开始后从PXI 设备实时读取试验数据，PLC 数据从OPC 服务器反馈，并存储于MySQL 数据库中，在试验结束后以5Hz 频率将试验数据批量上传给数据库服务器进行归档，另外，试验用传感器参数的管理、试验数据处理分析、试验数据的实时显示及历史回放等功能。采集系统的软件框图如图2 所示。

图2 采集系统的软件框图Fig.2 Block diagram of acquisition system's software

2.2 试验实时数据采集

在PXI-SCXI 中运行的程序主要用于试验实时数据的采集，在VI 的程序框图编制时从函数选项板中选择测量I/O--＞DAQmx 数据采集--＞DAQ 助手，根据采集的信号类型选择采集信号为模拟量输入--＞电流，将对应采集数据的物理通道加入，并配置成4mA～20mA，分流电阻为内部方式，采集模式为连续采样，采样率为100Hz。在项目中建立共享变量data_pxi，类型为网络发布，单精度数组。将DAQ 助手采集到的数据通过该共享变量进行网络发布[3]。

2.3 OPC 数据的采集

本采集系统数据的来源包括两部分： PXI 机箱的采集和S7-300 PLC 的数据采集。由于采集系统应用Lab-VIEW 软件设计，故而S7-300 PLC 的数据采取OPC 的方案实现采集。

利用S7-300 PLC 编程软件Step7，和SIMATIC Net软件包，搭建主要步骤如下[4]：①在Station Configurator 工具软件下配置PC 站的硬件机架；②利用配置控制台（Configuration Console）工具软件将网卡的PG 模式切换到组态模式；③在STEP 7 软件下组态PC Station，配置OPC服务器，在NetPro 网络组态界面中，创建S7 新连接,并下载站数据；④利用Simatic Net 软件中的OPC Scout 工具，在OPC 服务器OPC.SimaticNET 下的S7 连接协议中添加定义需要采集的数据项。

LabVIEW 软件访问外部OPC 服务器的方法相对简单，可简单分为三个步骤：第一，创建I/O 服务器，类型为OPC Client，选择上述由Simatic Net 软件创建的OPC.SimaticNET.1 服务器，将LabVIEW 连接到OPC 标签，见图3；第二，创建通过I/O 服务器连接到OPC 标签的绑定变量，见图4；第三，在对应的VI 中引用上一步创建的绑定变量即可实现LabVIEW 访问S7-300 PLC 中的数据。

图3 配置OPC Client I/O 服务器Fig.3 Config OPC Client I/O server

图4 创建OPC 的绑定变量Fig.4 Create bind variables of OPC items

2.4 数据存储

本系统选用MySQL 作为数据库，MySQL 是一种开放源码的关联数据库管理系统，提供TCP/IP、ODBC 和JDBC 等多种数据库连接途径，优化标准SQL 语言访问，有效地提高查询速度，支持多线程技术，可充分利用CPU 资源[5]。

对实时采集数据进行显示、查询、统计、生成报表分析等是数据采集系统的重要工作，其主要任务是与数据库进行交互，实现数据读写。在LabVIEW 编程环境下，通常有以下几种方法来完成与数据库的接口： 利用NI 公司的附加工具包LabVIEW SQL Toolkit 进行数据库访问；调用其他语言如VC 编写的DLL 程序间接访问数据库；利用LabVIEW 的ActiveX 功 能，调 用Microsoft ADO 控 件，利用SQL 语言实现数据库访问。上述几种均可完成对数据库的访问，但各有缺点，且不能满足系统对数据库实时访问的要求，或对技术人员数据库操作要求高。本系统使用免费的、多数据库、跨平台的LabVIEW 数据库访问工具包LabSQL，可简单方便的操作MySQL 数据库，而无需精通数据库应用技术。LabVIEW 经LabSQL 通过ODBC 驱动可以直接访问MySQL 数据库。

以传感器参数的查询为例，主要使用了ADO.Create conn，ADO.Open conn，ADO.SQL Excecute 和 ADO.Close conn 四个VI，分别用于创建ADO 连接，打开指定DSN 数据库的连接，执行SQL 查询，及关闭ADO 连接，见图5 所示。

图5 参数管理VI 程序框图Fig.5 Parameters management VI program diagram

3 结束语

抽真空装置数据采集系统硬件配置的特殊性，采用了以太网卡OPC 方式读取PLC 数据，经以太网获取PXI-SCXI 数据，并统一在LabVIEW 开发的监控系统中实现了各类数据的实时采集、显示，应用MySQL 数据库实现了试验数据的归档，并与管理信息系统实现数据的无缝对接。该系统的设计对多种不同控制器用于同一自动化监控系统的实施有一定的借鉴价值。

[1] 张良. 基于LabVIEW 的超低温阀门性能测试软件设计[J].低温技术，2012，39.

[2] 杨继志，郭敬. 基于LabVIEW 的阀门试验数据采集系统[J]. 机电产品开发与创新，2011，9.

[3] 郝丽，赵伟. MAX、DAQ 助手及DAQmx VI 之间的逻辑关系[J]. 实验室研究与探索，2012，6.

[4] 吕俊. 基于OPC 的PLC 在线PID 模糊自整定系统[J]. 轻工机械，2013，2.

[5] 易驰，文小玲，李凤旭.基于LabVIEW 的温度压力采集系统的设计.微型机与应用，2013，17.