USB數(shù)據(jù)采集控制器在工業(yè)控制中的應(yīng)用

1. USB數(shù)據(jù)采集控制器簡(jiǎn)介 LabJack U12是一個(gè)多功能USB數(shù)據(jù)采集控制器，它在同類產(chǎn)品中性價(jià)比最高。具有8個(gè)模擬輸入通道，2個(gè)模擬輸出通道和20個(gè)可編程數(shù)字輸入輸出通道。它已被廣泛地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)/試驗(yàn)設(shè)備、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、及其它PC-Based系統(tǒng)中。是一個(gè)理想的OEM部件。 它還越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制中。由它組成的PC-Based系統(tǒng)有所有PC-Based系統(tǒng)所固有的優(yōu)點(diǎn)，如系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短，系統(tǒng)變更容易，用戶界面漂亮、易操作，可以進(jìn)行過(guò)程監(jiān)視、報(bào)警、記錄、打印，可以利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)各種PLC無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制算法來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的過(guò)程控制，以及其他等等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合本公司為其配置了其它各種外圍設(shè)備和組態(tài)軟件，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更為簡(jiǎn)單、快速，其應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛。 本文將介紹以LabJack U12組成的控制系統(tǒng)以及所需要注意的方面，在其基礎(chǔ)上介紹如何擴(kuò)展系統(tǒng)的規(guī)模和需要的模塊，然后著重介紹如何使用冗余技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。 2. 系統(tǒng)的組成 2.1 單個(gè)LabJack U12系統(tǒng) 一些簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)只需要一個(gè)LabJack U12。其系統(tǒng)組成如圖1所示。其中U12由計(jì)算機(jī)通過(guò)USB供電，所有的輸入輸出口都可以在U12本身和CB25板上接入和接出。這樣的系統(tǒng)十分簡(jiǎn)單，被大多數(shù)OEM設(shè)備所采用。 圖1：?jiǎn)蝹€(gè)LabJack U12系統(tǒng) 2.2 系統(tǒng)擴(kuò)展 對(duì)于大多數(shù)工控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單個(gè)LabJack U12的輸入輸出口是不夠的，因此系統(tǒng)需要進(jìn)行擴(kuò)展。使用USB集線器可以十分方便地把整個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)展到一個(gè)很龐大的系統(tǒng)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以連接多達(dá)80臺(tái)LabJack U12，USB的集線器可以一層層地級(jí)聯(lián)。系統(tǒng)的擴(kuò)展拓?fù)鋱D如圖2所示。如果所使用的USB集線器是1出4的，擴(kuò)展后的系統(tǒng)就可以連接16個(gè)LabJack U12。如果是1出8的集線器，那么擴(kuò)展后的系統(tǒng)會(huì)有64個(gè)LabJack U12。 圖2：系統(tǒng)擴(kuò)展拓?fù)鋱D 2.3 數(shù)字口的驅(qū)動(dòng)模塊 在工控系統(tǒng)中，數(shù)字輸出常常用來(lái)控制繼電器或中間繼電器，而中間繼電器再控制接觸器以控制電氣設(shè)備。LabJack U12的數(shù)字口輸出驅(qū)動(dòng)能力有限，只能驅(qū)動(dòng)TTL門(mén)電路或LED，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)繼電器線圈；而且其輸出的電平是5V和工控上常用的24V不兼容。因此數(shù)字輸出需要接到一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊OD25。 OD25和LabJack U12的連接主要是通過(guò)一根DB25線。它為L(zhǎng)abJack U12所有的數(shù)字口提供了驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)50V，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)500毫安，可同時(shí)直接驅(qū)動(dòng)多個(gè)繼電器（如果有必要的話）。因此OD25在工控系統(tǒng)中一般是必不可少的。 OD25還提供了其它模塊和LabJack U12的連接。一般來(lái)說(shuō)它的另一個(gè)DB25插座連接到CB25或OI25，作為數(shù)字輸入的接線板。當(dāng)數(shù)字輸入為高時(shí)，OD25上的相應(yīng)數(shù)字位的LED會(huì)點(diǎn)亮，該LED顯示在系統(tǒng)調(diào)試和程序調(diào)試中十分有用。使用OD25的系統(tǒng)如圖3所示。 圖3：使用數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 2.4 CB25和OI25模塊 CB25只是一個(gè)接線板，提供了D0-D15的數(shù)字口的接線柱，數(shù)字口的輸入輸出方向是由軟件決定的，因此如果數(shù)字輸入口不需要隔離的話，用CB25即可。 OI25是數(shù)字輸入口光電隔離模塊。光電隔離的應(yīng)用情況比較復(fù)雜，采用怎樣的隔離完全取決于信號(hào)的來(lái)源（如是否有被雷擊的危險(xiǎn)，是否來(lái)自不同的電系統(tǒng)）、信號(hào)的性質(zhì)（交流或直流），以及系統(tǒng)在這方面的要求。而且必須指出的是如果采用隔離，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行考慮，而不該僅僅考慮數(shù)字口的隔離，如485通訊口是否有隔離，模擬信號(hào)是否有隔離等等。在這方面常常存在一些誤區(qū)，但在這里我們就不做詳細(xì)說(shuō)明了。下面我們僅介紹不需要隔離的系統(tǒng)應(yīng)用，但這并不說(shuō)明LabJack組成的系統(tǒng)在隔離方面有任何問(wèn)題或不方便之處。其實(shí)和其他任何系統(tǒng)都一樣，需要隔離的系統(tǒng)要增加隔離模塊，系統(tǒng)的成本會(huì)隨之大幅增加。 2.5 其它設(shè)備的使用 在工控系統(tǒng)中常有其它設(shè)備，如變頻器和其他儀表。它們和計(jì)算機(jī)的連接大多數(shù)是通過(guò)485接口的，是獨(dú)立于LabJack U12之外的。PC-Based系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是單個(gè)處理器的，即所有的數(shù)據(jù)處理和控制都依賴于PC上的處理器，因此在某些對(duì)象的控制上需要引入DCS系統(tǒng)的概念，即局部控制采用單獨(dú)的儀表。實(shí)時(shí)的控制由儀表或控制器來(lái)完成，而PC只是在宏觀上調(diào)整儀表的參數(shù)、控制目標(biāo)值等。 LabJack U12上有計(jì)數(shù)器，可以用來(lái)檢測(cè)頻率信號(hào)。如果有許多頻率信號(hào)，可以采用頻率-電壓變換電路，輸出到模擬輸入口上。對(duì)于旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)，可以使用專用儀表，也可以采用本公司的DSS-FC2模塊。該模塊利用聲卡的處理器，對(duì)PC的主CPU負(fù)擔(dān)極小，因此效率較高。 2.6 系統(tǒng)軟件 LabJack U12提供了通用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，所以用戶可以使用任何編程語(yǔ)言。本公司提供的組態(tài)軟件DAQFactory卻應(yīng)該是首選軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因?yàn)樵摻M態(tài)軟件包括了所有免費(fèi)的LabJack U12的驅(qū)動(dòng)程序，用戶在使用該組態(tài)軟件時(shí)不需要知道如何對(duì)LabJack U12進(jìn)行編程，只要在屏幕上進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的設(shè)置即可，開(kāi)發(fā)周期會(huì)大幅度縮短。 該軟件較其它組態(tài)軟件系統(tǒng)還具有許多其它優(yōu)點(diǎn)，如十分豐富的圖標(biāo)，而且圖標(biāo)是矢量化的圖標(biāo)；數(shù)據(jù)采集時(shí)間精確；系統(tǒng)資源分配合理；價(jià)錢(qián)合理等等。在此我們不予細(xì)表。 2.7 系統(tǒng)的安裝 LabJack U12、USB集線器、中間繼電器和其它控制器等設(shè)備一般會(huì)被安排在一個(gè)控制柜中。如果整個(gè)系統(tǒng)較小，那么計(jì)算機(jī)一般會(huì)放在現(xiàn)場(chǎng)，要么安放在控制柜內(nèi)，要么放在控制柜旁。計(jì)算機(jī)和LabJack設(shè)備間的距離較短。一般的USB線可以使通訊距離達(dá)到5米。因?yàn)長(zhǎng)abJack U12是USB1.1設(shè)備，所以在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)和U12間的距離可以達(dá)到10米左右。 對(duì)于較大系統(tǒng)，一般計(jì)算機(jī)會(huì)放置在中控室中，控制柜和電器柜可能在同一個(gè)地方，也可能在例外一個(gè)附近的設(shè)備間內(nèi)。這樣的布局便使得計(jì)算機(jī)和U12間的距離增加，一般的USB線就不滿足要求了。這時(shí)需要使用帶有中繼的USB線，一般每根USB線長(zhǎng)為5米，可級(jí)聯(lián)到25米長(zhǎng)。在絕大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合，這樣的長(zhǎng)度已經(jīng)足夠滿足要求了。 2.8 傳感器的選用 和其它系統(tǒng)的要求一樣，LabJack U12的模擬輸入信號(hào)的范圍是0-10V，傳感器的信號(hào)必須要放大，而且一般來(lái)說(shuō)傳感器和LabJack U12（或其它采集器件）間有一段距離，非放大的信號(hào)是不宜長(zhǎng)距離傳輸?shù)?。因此建議采用一體化的傳感器，如果現(xiàn)場(chǎng)需要直接顯示的話，也可以使用帶顯示的放大儀表。 3. 系統(tǒng)的可靠性 某些工控系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求很高，使用以上介紹的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能不滿足要求。LabJack U12提供了提高系統(tǒng)可靠性的條件，可以避免系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)死機(jī)時(shí)造成的問(wèn)題。 3.1 采用外部電源為L(zhǎng)abJack U12供電 如果采用USB供電方式，在計(jì)算機(jī)司機(jī)重啟時(shí)會(huì)造成U12失電而被復(fù)位，因此建議采用外部電源為其供電，甚至可以考慮使用小型UPS供電，因?yàn)閁12耗電很少。U12的自保持特性保證了在計(jì)算機(jī)重啟過(guò)程中的所有輸出值和狀態(tài)保持不變，這樣就不會(huì)使得過(guò)程被中斷。而在程序重啟后可以讀入當(dāng)前狀態(tài)以繼續(xù)原來(lái)控制過(guò)程。 3.2 使用看門(mén)狗功能 U12有看門(mén)狗功能。它可以檢測(cè)到和計(jì)算機(jī)的通訊是否正常，當(dāng)計(jì)算機(jī)死機(jī)時(shí)，通訊就會(huì)丟失，看門(mén)狗就會(huì)動(dòng)作。使用看門(mén)狗的輸出口（默認(rèn)為D0口）可以進(jìn)行報(bào)警或自動(dòng)復(fù)位計(jì)算機(jī)。在此期間，整個(gè)過(guò)程將按照原來(lái)的方式或設(shè)定運(yùn)行。 3.3 使用冗余技術(shù) 冗余技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的一個(gè)常用技術(shù)，圖4是一個(gè)采用冗余技術(shù)的系統(tǒng)圖。其中關(guān)鍵的設(shè)備是OD25-USB和兩臺(tái)互相連接的電腦。當(dāng)然LabJack是采用外部電源供電的。 圖4：采用冗余技術(shù)的工控系統(tǒng) 一般情況下系統(tǒng)由主控機(jī)控制，備用機(jī)也同時(shí)運(yùn)行，但它主要用來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的查詢、顯示、打印等輔助功能。備用機(jī)時(shí)刻監(jiān)視著主控機(jī)的數(shù)據(jù)和運(yùn)行以便在任何時(shí)候接替主控機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，而主控機(jī)也時(shí)刻監(jiān)視著備用機(jī)，一旦備用機(jī)出問(wèn)題，它也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示用戶及時(shí)更換或修理備用機(jī)。 一旦主控機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，U12的看門(mén)狗動(dòng)作，控制OD25-USB把USB通訊切換到備用機(jī)上，同時(shí)也發(fā)出報(bào)警信號(hào)。備用機(jī)在檢測(cè)到USB的通訊有效后就代替主控機(jī)來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，直到主控機(jī)的控制程序恢復(fù)為止，這時(shí)備用機(jī)輸出強(qiáng)制D0為低電平，USB通訊就被切換到主控機(jī)上。 整個(gè)冗余切換過(guò)程十分簡(jiǎn)單，但很有效。這樣的系統(tǒng)可靠性會(huì)得到很大的提高，畢竟兩臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題的概率極低。 我們?cè)贒AQFactory組態(tài)軟件中提供了這樣冗余系統(tǒng)的程序，為用戶的使用提供了極大的方便。 4. 結(jié)束語(yǔ) 上面介紹了以LabJack U12組成的PC-Based的工控系統(tǒng)。它不但具有所有PC-Based系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以使用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自恢復(fù)性。它不但適合于小系統(tǒng)的控制，也可以很方便地?cái)U(kuò)展成一個(gè)高可靠的、龐大的控制系統(tǒng)，因此其適用場(chǎng)合廣泛。 本公司為該系統(tǒng)配備了各種配件，使系統(tǒng)的組成模塊化、方便化。系統(tǒng)不但在軟件上具有很高的可更新性，而且在硬件方面也有著很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。它不失為一個(gè)性能價(jià)格比高的系統(tǒng)。