基于LabVIEW 和OPC 技術的自動化智能化檢測系統的設計

徐高清,陳仲永,程 佳,邱明林,葉學松

（1.浙江省物品編碼中心，浙江杭州,310006；2.浙江省質量技術監督信息中心，浙江杭州,310013； 3.浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，浙江杭州,310027）

0 引言

質監部門是技術性執法和綜合管理部門，“憑技術執法、靠數據說話”是質監工作的顯著特征。充分發揮科技對質監事業的支撐和引領作用，對于推動質監事業科學發展，意義重大。檢測是人們認識客觀世界取得定量和定性信息的基本方法，一個新的科學理論和現代裝備如果沒有先進的檢測技術和儀器支持，其研究、設計及試驗是很難發展的。檢測不但是進行一切探索性的，開發性的科學發現或技術發明的重要，甚至必要手段，而且是現代化工業產品生產和質量控制的重要保證。在生產過程中，為了提高自動化水平和加強生產管理，需要進行大量的數據檢測。自動檢測技術和裝置是自動化系統中不可缺少的組成部分。加強生產中原始數據的檢測，以及時了解工藝過程、生產過程的情況及它們的結果，達到改善生產，降低成本的目的。隨著科學技術進一步向高尖端的發展，隨著我們對工業生產標準的提高，我們對檢測工具與檢測技術進一步發展的要求也越來越高且越來越迫切。例如檢測的精度問題，檢測實時性問題，檢測的復雜性以及不可測性問題。這就要求提高檢測系統的智能化，操作過程的自動化，虛擬儀器技術和OPC 技術作為解決方案應用而生。

1 系統概述

本系統采用虛擬儀器技術和OPC 技術來實現檢測系統的自動化和智能化。OPC 技術是以Microsoft 公司的OLE/COM 技術為基礎，采用客戶/服務器模型制定的一種工業控制領域的開放式標準，在控制設備與應用軟件之間建立了統一的軟件接口標準，具有開放性、高生產率和即插即用的可連接性等優點。利用OPC 技術的即插即用特性，檢測設備通過OPC 技術接入系統。通過虛擬儀器技術與OPC 技術之間的數據通信來實現對檢測的控制，從而實現檢測的自動化。最后，本系統通過虛擬儀器技術接入LIMS 管理系統來實現對檢測儀器的管理和檢測的智能化。

2 虛擬儀器技術與OPC 技術

2.1 虛擬儀器技術

LabVIEW 是實驗室虛擬儀器工程平臺的簡稱，是一種用圖標代碼來代替編程語言創建應用程序的開發環境，主要用于開發數據采集、儀器監控及過程監測等領域的應用程序。

LabVIEW 的圖像環境內置豐富的函數庫，提供各種網絡的接口，支持先進的流動數據傳輸等先進技術，使系統的開發更加方便，其中基于TCP/IP 協議的網絡實時數據交換編程技術（DataSocket）便是一特色。這種技術是一種開放的技術，與人們已習慣采用的TCP/IP 編程接口、DDE 等網絡環境下的數據共享技術比較，使用起來更方便，開發效率更高，而且不需要大量的編程工作量。數據套接提供統一的API 編程接口，從數據共享的角度，它是對WinSock 的高級封裝，允許用戶與各種服務器進行交互并在應用之間交換信息，比如LabVIEW 以及一些不同的數據源或目標，源和目標包括其他的應用、文件、OPC 服務器、Web 服務器以及FTP 服務器。使用DataSocket 類和統一源定位器( Uniform Resource Locator)，就可建立數據套接的源與目標的連接，用戶可以像使用LabVIEW 中的其他數據類型一樣用DataSocket 讀寫數據，實現測量數據的實時共享。

2.2 OPC 技術

OPC 全稱是OLE for Process Control，它的出現為基于Windows 的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁。在過去，為了存取現場設備的數據信息，每一個應用軟件開發商都需要編寫專用的接口函數。由于現場設備的種類繁多，且產品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發商帶來了巨大的工作負擔。通常這樣也不能滿足工作的實際需要，系統集成商和開發商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設備驅動程序。在這種情況下，OPC 標準應運而生。OPC 標準以微軟公司的OLE 技術為基礎，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM 接口完成的，在OPC 技術中使用的是OLE 2 技術，OLE 標準允許多臺微機之間交換文檔、圖形等對象。

OPC 是以OLE/COM 機制作為應用程序的通訊標準。OLE/COM是一種客戶/服務器模式，具有語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優點。OPC 規范了接口函數，不管現場設備以何種形式存在，客戶都以統一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發中脫離出來。

應用程序與OPC 服務器之間必須有OPC 接口，OPC 規范提供了兩套標準接口：Custom 標準接口，OLE 自動化標準接口。通常在系統設計中采用OLE 自動化標準接口。

3 總體設計

如圖1 所示：本系統包括OPC 控制端、基于LabVIEW 技術的中間控制層和LIMS 儀器管理系統。

圖1 系統總體框架

3.1 OPC 控制端

OPC 控制端是檢測儀器與系統應用程序之間的橋梁，主要負責與檢測儀器相連，采集儀器設備信息，控制儀器并完成對采集數據的采集、整理、返回等操作，以及根據應用服務器的需求提供相應的服務。

根據上述功能，基于OPC 規范的控制端主要可以劃分為兩個部分：第一部分是數據采集卡及其讀寫接口，第二部分是OPC 服務器。實時數據服務器的總體結構如圖2 所示。

圖2 OPC 控制端技術框架

從數據服務器的總體結構我們可以看出，LabVIEW 中間層程序并不直接跟物理設備打交道，而是通過OPC 服務器，統一實現對檢測儀器的讀寫。由于OPC 規范特有的開放性以及設備無關性，任何檢測儀器只要提供了Windows 下的讀寫接口，都可以為其開發相應OPC 數據存取服務器，把它集成到OPC 平臺上面來。

3.2 基于LabVIEW 技術的中間控制層

中間控制任務是通過LabVIEW 技術讀寫檢測儀器的數據。由于LabVIEW 軟件平臺支持DataSocket 技術，DataSocket 技術是一種能很容易地通過各種連接傳送測量數據，實現實時數據共享的技術。

DataSocket 技術支持OPC 通信協議，要使用OPC 通信協議，就要求運行一個OPC 服務器。OPC 與LabVIEW 的通信過程如下：LabVIEW 將要相應的操作命令先送到OPC 服務器，OPC 服務器通過接口傳給檢測儀器來控制檢測儀器。LabVIEW 則通過讀取OPC 服務器中的數據來讀取檢測儀器測的數據。

DataSocket 包 括DataSocket open，DataSocket write，DataSocket read 及DataSocket close 等 函 數，在 與OPC 服務器各項的連接建立之后，就可以利用DataSocket read 和DataSocket write 函數進行數據讀寫了。這里用URL 指定數據源與目標——OPC 服務器中的各項，數據套接技術中的URL 就像網絡瀏覽器中的人們用到的網絡地址一樣，格式為：OPC://localhost/Matrikon.OPC.Modbus/ 項 名，其 中OPC 指DataSocket 傳輸協議，中間兩段分別是宿主機IP 地址或標識和服務器的名字，最后一段是數據項，這一項名對應著OPC 服務器中一項。通過URL 指定了數據源與目標后，就可以通過DataSocket open 函數建立連接，然后向DataSocket 寫數據或從DataSocket 讀數據了。程序中用DataSocket open 函數打開URL 指定的與OPC 服務器中的項的連接，如果在OPC 服務器配置的項是寫數據，在URL 中必須設置項名與它們一致，然后將這一連接自動產生的標識符(connection ID)傳給DataSocket write 函數，在DataSocket open 函數中可以利用一個枚舉類型的常數(Enum Constant)設置DataSocket 連接的模式，設置緩沖( buffer)是為了讀取數據的用戶用DataSocket read 函數讀取數據保證數據不丟失。DataSocket write 函數的data 參數是要傳輸的數據, 這個參數具有多義性的特點, 可以輸入大部分LabVIEW 支持的數據類型。

3.3 虛擬儀器管理系統

虛擬儀器管理系統是整個系統的后臺，它連接了OPC 控制端和LIMS 系統，是二者數據通信的橋梁。該管理系統主要由三個功能組成。

（1）基于LabVIEW 的儀器管理系統。利用LabVIEW 強大的圖形化編程語言和豐富的函數庫,實現檢測儀器的基本擴展和智能化功能搭配。

（2）LabVIEW 實現的Web 服務器。借助于LabVIEW 內置的Web 服務器,即遠程面板技術能夠實現該管理系統的網絡化。該系統利用LabVIEW Web Publishing Tool 把虛擬儀器應用程序的前面板嵌入到Web 頁面中，并借助LabVIEW Web 服務器提供的虛擬儀器Web 服務，只要服務器端的應用程序載入內存，客戶端便可以通過瀏覽器對檢測儀器進行控制。

（3）網絡數據庫服務器。MySQL 數據庫是Microsoft 是一個開源的且功能強大的關系型數據庫管理系統。由于其體積小、速度塊和成本低等特點，本系統用該數據庫來統一記錄、存儲和管理所有數據信息。

4 生物醫學微小流項目

在上述設計的基礎上，浙江省質量技術監督局實現了一款名為生物醫學微小流計量儀器。整套裝置的設計主要可以分為硬件設計和軟件設計兩個部分。

標準裝置的硬件部分無源支路是整套標準裝置的核心，主要是針對無流體源的被檢裝置進行設計，如玻璃轉子流量計、質量流量計和輸液泵檢測儀等。該部分主要包括裝置的結構和控制系統的硬件設計。標準裝置采用了步進電機驅動標準活塞的結構形式，以活塞作為計量標準，提供標準體積，裝置通過步進電機驅動標準活塞產生流體源。系統硬件平臺設計框圖如圖1 所示，主要包括電子天平、上位機PC、下位機PLC、步進電機及其驅動器和光柵尺等。

圖3 系統硬件平臺設計框圖

軟件設計可分為上位機和下位機兩個部分。上位機軟件設計開發采用LabVIEW 圖形化編程語言和OPC 技術，實現檢定校準過程全自動，包括自動采集數據、等檢定自動控制，并實現數據顯示和自動存儲、報表生成和打印等功能。下位機PLC 軟件設計開發采用的是步進梯形圖，以實現步進電機的控制、閥門等動作控制、定時和模擬量采集。

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