1、计算机应用课设计算机应用 课程设计任务书20132014学年 第一学期第14周16周题目基于labview的现场总线的控制系统研究内容及要求1、要求电压稳定，输出电流1.5A；2、输出电压从1.5V-15V共分10档，步进电压为1.53、有专用5V电压输出档；进度安排1、方案论证 2天2、分析、设计、 3天3、焊接、调试、实现 3天4、检查、整理、写设计报告、小结 2天学生姓名：指导时间指导地点： 楼 室任务下达2013年12月1日任务完成2013年12月15日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师系（部）主任注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自
2、带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。引言 现场总线控制系统采用 Labview作为上位机监控软件利用其功能强大、 编程简单、 操作灵活、 节省开发时间和开发成本的优点,实现工业过程控制中的监控功能。并具体介绍了监控功能的实现方法。最后, 阐述了LabVIEW 在SHCAN2000 系统中的成功应用,论证了其作为监控软件适合于中小型控制系统。介绍了针对过程控制研发的DSC 模块,运用 LabVIEW+ DSC, 更节省开发时间,提高效率。上位机采用组态软件LabVIEW开发人机界面。能够很好的实现系统的本地和远程、自动和手动、管理和控制一体化需求。将
3、Labview与现场总线相结合，可以再Labview实时观测控制系统的运行状态，及时发现问题、解决问题。本文介绍的是SHCAN2000现场总线在Labview中的运用。关键词：现场总线、控制系统、DSC模块、监控软件、SHCA2000目录1Labview简介 21.1 什么是labview 21.2 Labview的作用 21.3 选择Labview的原因 22现场总线简介 32.1 体系结构 32.2数据通信原理 42.3通讯系统的协议模型 52.3.1协议的参考模型 52.4 PROFIBUS总线 63Labview的监控功能 73.1数据采集及流程显示 73.2实时与历史数据曲线显示 7
4、3.3故障诊断报警 73.4数据存储浏览及报表打印功能 83.5友好的人机交互 84实际应用 85结束语 96心得体会 9参考文献 101 Labview简介1.1 什么是labviewLabview是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据和指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而Labview则采用数据流程流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示数据流向。Labview提供很多外观与传统仪器类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在Labview中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形
5、化源代码，又称G（Graphics）代码。Labview的图形化源代码在某种程度上类似于数据流流程图，因此又称作程序图代码。前面板上的每一个控件对应于程序框图中的一个对象，当数据“流向”该控件时，控件就会根据自己的特性以一定的方式显示数据。Labview程序被称为VI，即虚拟仪器，这是因为它的很多界面控件与操作都模拟了现实世界中的仪器，例如示波器与万用表等。Labview的核心概念就是“软件即是仪器”，即虚拟仪器的概念。Labview还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。这些工具都是向导式的工具，用户只需要一步步按照提示就可以实现与仪器的连接和参数的设置。而程序员也不用记忆
6、这些大量的函数，因为这些函数都以图标与名称的形式存在于一个小小的函数面板上，当需要用到某个函数时把它从函数面板上拖放到程序框图中就可以了，这一切都是图形化带来的好处。1.2 Labview的作用由于Labview可以用来创建通用的应用程序，因此被称为一种通用的编程语言。但是它在测试、测量和自动化等领域具有更大的优势，因为Labview提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储。同时它还提供了大量常用于自动化测试测量领域的图形控件。这使得用户可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和储存的自动化测试测量系统。因此它被广泛地应用于汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产
7、、过程控制和生物医学等各个领域，涵盖了从研发、测试、生产到服务的产品开发所有阶段。1.3 选择Labview的原因选择Labview开发测试和测量应用程序的一大决定性因素是其开发速度。通常，使用Labview开发应用系统比使用其它编程语言块410倍。这一惊人速度背后的原因在于Labview易用易学，它所提供的工具使创建测试和测量应用变得更为轻松。Labview的具体优势主要体现在以下几个方面。（1）提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师从复杂枯涩的文本编程工作中解放出来。（2）内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。因此用户在编写程序过程中如果有语法错误，它
8、会被立即显示出来。（3）由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程。从而能充分利用处理器尤其是多处理器的处理能力。（4）通过DLL、CIN节点、ActiveX、.NET或MATLAB脚本节点等技术，可以轻松实现Labview与其他编程语言混合编程。（5）通过应用程序生成器可以轻松地发布EXE、动态链接库或安装包。（6）Labview提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。（7）Labview内建了600多个分析函数，用于数据分析和忄、信号处理。（8）NI同时提供了丰富的附加模块，用于扩展Labview在不同领域中的应用，例如实时模块、PDA模块、FPGA模块、数据记录与监控（
9、DSC）模块、机器视觉模块与触摸屏模块等。2现场总线简介2.1 体系结构现场总线是20世纪90年代发展形成的，用于过程自动化、制造制动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成，并由此产生了新一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的现场局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代，并将对该领域的发展产生重大影响。20世纪50年代以前，由于生产规模小，检测控制仪表尚处于发展的初级阶段，采用安装在上产设备、仅具备简单测控功能的基地式起动仪表，其信号
10、只能在本仪表内起作用，一般不能传给别的仪表或系统，操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，对生产过程实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表。这些仪表采用统一的模拟信号，如0.020.1Mpa的气压信号，010mA、420mA的直流电流信号，15V直流电压信号将生产现场各处的参数送往集中控制室。操作人员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，实现对工艺生产的操作和控制。20世纪60年代初，由于生产流程向大型化、连续化发展，工业过程呈现出非线性、耦合性和时变性等特点，员有的简单控制系统已不能满足要求，模拟PID
11、控制器要完成复杂的控制运算显得力不从心。此外，模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的难度较大，信号传输的抗干扰能力也较差，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，与此同时，数字计算机的发展与普及也为实现直接数字控制提供十分重要的技术手段。为了强调计算机直接控制上产过程，所以第一代计算机集中控制系统又称之为直接数字控制（DDC）系统。DDC控制方式提高了系统的控制精度和控制灵活性同时也集中了危险，一旦计算机出现故障，便造成所有控制回路瘫痪，停产的严重局面。此外，由于只有一个CPU在工作，实时性差。系统越大，此缺点越突出。随着大规模集成电路研制成功和处理器的问世，计算机
12、可靠性大卫提高，价格大幅度下降，20世纪70年代中期出现了数字调节器、PLC以及多个计算机递阶构成的集成分散相结合的集散控制系统。 数据通道 通信系统 . . . . . .DCS与模拟仪表控制系统比较，具有连接方便、此阿勇软连接方法使系统容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据存储量大等优点；与DCS系统比较，它具有操作监视方便、危险分散、功能分散等优点，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。FCS与传统的DCS相比，它具有两个新特征：FCS将DSC中的I/O总线用现场总线来替代，并直接用于生产现场；FCS用现场总线数字仪表替代DCS中的现场模拟仪表，其变送器不仅具有信号变换、补偿、累加功能
13、，而且具有诸如PID等运算控制功能，其执行器不仅具有驱动和调节功能，而且哟特性补偿、自校验、自诊断和PID控制功能。2.2数据通信原理 计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息。这些数据通常以离散的二进制0、1序列的方式表示。码元是所传输数据的基本单位。在计算机网络通信中所传输的大多为二元码，它的每一位只能在1或0两个状态中取一个。这每一位就是一个码元。数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的，称为模拟数据编码。用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的，称为数字数据编码。 采用数字数据编码，在基本不改
14、变数据信号频率的情况下，直接传输数据信号的传输方式，称为基带传输。基带传输可以达到较高数据频率的数据传输速率，是目前广泛应用的数据通信方式。2.3通讯系统的协议模型 网络结构问题不仅涉及信息的传输路径，而且涉及链路的控制。对于一个特定的通讯系统，为了实现安全可靠的通信，必须确定信息从源点到终点所要经过的路径，以及实现通信所要进行的操作。在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则被称为协议。 对于一个计算机通信系统网络来说，接到网络上的设备是各种各样的，这就需要建立一系列有关信息传递的控制、管理和转换的手段和方法，并要遵守彼此公认的一些规则，这就是网络协议的概念。这些在功能上应该是有层次的
15、。为了便于实现网络的标准化，国际标准化组织ISO提出了开放式系统互连参考模型，简称ISO/OSI模型。2.3.1协议的参考模型 ISO/OSI模型将各种协议分为七层，自上而下依次为物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层如下图。 （1）物理层 物理层协议规定了通信介质、驱动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械特性。（2）链路层 通信链路是由许多节点共享的。这层协议的作用是确定在某以时刻由哪一个节点控制链路，即链路使用权的分配。它的另一个作用是确定比特级的信息传输结构，也就是说，这一规定了信息每一位和每一个字节的格式，同时还确定看检错和纠息的起始和停止标格式。帧是链路层传输信息的
16、基本单位，由若干字节组成，处理信息本身之外，它还包括表示帧开始与结束的标志段、地址段、控制段及校验段等。（3）网络层 在一个通信网络中，两个节点之间可能存在多条通信途径。网络层协议的主要功能就是处理信息的传输途径问题。在由多个子网络组成的通信系统中，这层协议还负责处理一个子网与另一个子网之间的地址变换和路径选择。如果通信系统只有一个网络组成，及诶到哪之间只有唯一的一条路径，那么就不需要这层协议了。（4）传输层 传输层协议的功能是确认两个节点之间的信息传输任务是否已经正确完成。其中包括：信息的确认、误码的检测、信息的重发、信息的优先级调度等。（5） 会话层 这层协议用来对两个节点之间的通信任务进
17、行启动和停止调度。（6）表示层 这层协议的任务是进行信息格式的转换，它把通信系统所用的信息格式转换成它上一层，也就是应用层所需的信息格式。（7）应用层 严格说，这一层不是通信协议结构中的内容，二是应用软件或固件中的一部分内容。它的作用是召唤协议为其服务。在高级语言程序中，他可能是向另一节点请求获得信息的语句。在功能块程序中，它可能是一个请求从另一个基本控制单元中读取过程变量的输入功能块。2.4 PROFIBUS总线PROFIBUS是得过标准DIN19245和欧洲标准EN50170，也是IEC标准IEC61158。PROFIBUS可以用于制造自动化、过程自动化，以及交通、电力等领域的自动化，实现
18、现场级的分散控制和车间或场级的集中监控。PROFIBUS含有三个兼容的协议：PROFIBUS-DP(分散外围设备),PROFIBUS-PA（过程自动化），PROFIBUS-FMS（现场总线报文规范）。PROFIBUS-DP传输速率最高为12Mbit/s，主要用于现场级和装置级的自动化。PROFIBUS-PA传输速率为31.25Mbit/s，主要用于现场级过程自动化，具有本质安全和总线供电特性。PROFIBUS-FMS主要用于车间级或厂级监控，构成控制和管理一体化系统，进行系统集成。3 Labview的监控功能3.1数据采集及流程显示工业控制过程中需要实时地了解现成的测量数据，而Labview在
19、实现实时数据采集功能有着无可比拟的选择性。为提高系统的开放性，选用了“Labview + OPC”的设计方法。OPC服务器采用Matrikon公司研发的软件，它作为一中间桥梁，实现看将孔软件Labview和现场总线之间的数据通信。针对Labview和OPC之间的通信问题，Labview提供了一种基于工业网络标准TCP/IP的专为测量数据实时传送而设计的DataSocket技术，其中DataSocket技术提供了一种数据源或目标是OPC Server的接口，因此考虑将DataSocket技术和开放的标准接口技术OPC相结合。在设计过程中首先建立了OPC服务器与智能测控组件的连接，通过在OPC服务
20、中配置项建立建立与现场总线每一个采样点一一对应。然后再Labview中应用Socket技术，用扩展的统一资源定位器（URL）定位数据源或目标OPC，通过直接在前面板进行Labview控制和显示元件与OPC中各项的连接，或者间接地在框图程序里用DataSocket读写函数编程，最终实现Labview与现场总线之间的数据通信功能。用Labview将现场的每个流程做成子VI进行显示。3.2实时与历史数据曲线显示Labview中带有图形显示控件Graph子模板，模板中包含Waveform Chart和Waveform Graph两种图形显示控件。采用 Waveform Chart 作为实时曲线显示控件
21、, 而用 WaveformGraph 作为历史曲线的显示控件, 将所要通过图形显示的数据点分别链接到图形显示控件上, 作为 y 轴, 然后通过设置曲线的 x 轴的形式,来分别表示系统的当时时间、 过去和以后的时间等。实时及历史趋势曲线控件,包含多种属性, 在框图程序里编程对控件的属性进行设置, 对控件带有的函数利用方法节点进行调用, 然后设置函数的参数值，可以在图形中显示多条颜色不同、 形状各异的曲线。3.3故障诊断报警故障诊断和事故报警就是通过运行控制技术中的Queue 技术设计实现的。考虑到 Queue 结构是一种先进先出的结构, 利用 Queue 技术, 将一个有序的事故报警信息以队列的
22、形式显示出来。例如当现场采集来的温度超过或低于预先设定的温度上下限时, 利用Queue Vis 发出温度状态报警信息, 以便用户及时给予处理。而且在用 Queue 技术设计编程时通过对记录时间的设置可以得到历史报警信息。3.4数据存储浏览及报表打印功能现场采集来的数据可以以报表的形式输出到Microsof t Excel 中,以供存储和浏览。在Labview 与外部应用程序 Excel 之间通信的设计过程中, 首先考虑利用 DDE( 动态数据交换) 技术, 通过 Labview DDE 子模板中的VIs 编程, Labview 作为DDE 客户端与Microsoft Excel 之间通信, 但
23、是程序运行过程中发现数据传输速度慢,程序执行效率很低。由此改为采用 Labview支持的ActiveX 控制技术实现应用程序之间的数据共享。当 Labview向 Excel 中传输数据时, Labview 作为ActiveX 自动控制客户端( Client) , 它可以控制 ActiveX 服务端( Server) 的应用程序 Excel。 LabVIEW 应用程序控制Excel, 确切地说使用的是 OLE( 对象连接嵌入) 自动化技术。打开一个与 Excel 相连的 Refnum( 指针) , 然后通过此指针对 Excel 对象设置属性和方法, 读取 Labview中的数据,在 Excel
24、的Worksheets 中做成报表的形式, 最后关闭自动化 Refnum,回收系统资源。3.5友好的人机交互Labview的模块化思想体现在可以将任何一个应用程序VI 作为子程序, 在其他程序中可以灵活地调用它。但是在设计界面之间切换的过程中, 发现Labview不同于其他的编程语言, 它不允许通过调用子菜单的方式,两个子程序之间递归地互相调用。所以为了解决界面之间流畅地切换,采用Labview的程控技术- VI Server 技术。典型的 VI Server 技术顺序结构如下图。 按照上图的顺序，可以控制VI 的运行和 VI 的属性,编程动态地从一个界面切换到其他界面, 界面窗口位置及大小的
25、灵活调整,实现人机界面的友好化。4实际应用为了从实践中进一步证实 Labview 可用于监控软件, 现将Labview 和现场智能仪表组成的FCS 体系应用于大连绿源药业公司生产车间的监控系统中, 现场模拟量采集点共67 个,开关量采集点12 个。现场部分使用现场智能仪表构成CAN 总线网络完成数据采集, CAN 传输波特率为 125k bi t / s, 传输距离可达400 m. 2 台监控上位机通过交换机组成运行TCP/ IP 协议的以太网。在系统运行过程中, Labview 作为监控软件, 实现了上述的 5 个监控功能。但同时也遇到了 1 个工程问题。就是现场数据显示的速度慢, 达到 5
26、 s 的延迟,很显然这不符合工业现场过程控制实时性的要求。同是利用 DataSocket 技术编程实现数据的读和写,写数据的速度却很快。所以猜测可能是编程中出现的数据缓冲或者程序中等待事件的发生执行效率低的原因, 决定数据显示部分通过在前面板直接用Datasocket 连接 OPC 服务器。结果数据显示速度达到几百ms,满足了实时要求。5结束语 通过上述功能实现的研究和实测系统具体的应用,分别从理论上和实践中验证了利用现场智能仪表和 Labview组 成 FCS 体 系 结 构 的 可 行 性。现场总线系统充分利用了 LabVIEW 功能强大、 编程简单、 应用灵活、 应用成本低的特点,作为监
27、控软件实现监控功能。它为工作人员提供安全、 可靠、 友好的人机操作界面。但是在实测系统中发现, Labview作为监控软件只适合应用于中小型控制系统中, 即现场数据的点数较少的情况。在点数很多的情况下, 系统实时性较差。另外, 在用Labview 实现事故报警和系统事件发生、 实时与历史数据曲线显示、 安全性的功能时, 都是通过复杂编程实现的,所以对LabVIEW 不熟练的用户来说, 相对较难。鉴于此,NI 公司推出了LabVIEW 的附加模块- 数据记录监控模块 DSC, 此模块是专为过程控制设计的,它在上述功能的实现过程中, 操作简单,无需大量的编程工作。所以运用 “LabVIEW+ DS
28、C”相结合, 更能节省开发时间,提高开发效率。6心得体会通过此次计算机应用课程设计，使我对所学的Labview有了更深刻的认识，现在异能熟练的运用Labviewa软件进行一些设计，对以前的认识模糊之处有了清晰的认识，对于以后运用Labview进行大型的设计会有很大的帮助。此次课设是将Labview与现场总线相结合，将监控和控制功能相结合，更加有助于提高现场的工作效率，对于现场总线技术有了深刻的理解。在本次课设中不仅锻炼了自己寻找资料、运用办公软件的能力，更加要感谢的是指导老师的悉心指导，在这次课设中老师给予了宝贵的意见，使我有了下手之处，而且思路很清晰。参考文献1陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通.北京：清华大学出版社，2007.2刘泽祥，李媛.现场总线技术.北京：机械出版社，2011.3刘紫燕. 现场总线技术与现场总线控制系统.现代机械, 2002.4 BISHOP R H.LabVIEW 6i 实用教程. 乔瑞萍, 林欣, 译. 北京: 电子工业出版社, 2002.
