基于LabVIEW 和OPC 技术的自动化智能化检测系统的设计

徐高清,陈仲永,程 佳,邱明林,叶学松

（1.浙江省物品编码中心，浙江杭州,310006；2.浙江省质量技术监督信息中心，浙江杭州,310013； 3.浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，浙江杭州,310027）

0 引言

质监部门是技术性执法和综合管理部门，“凭技术执法、靠数据说话”是质监工作的显著特征。充分发挥科技对质监事业的支撑和引领作用，对于推动质监事业科学发展，意义重大。检测是人们认识客观世界取得定量和定性信息的基本方法，一个新的科学理论和现代装备如果没有先进的检测技术和仪器支持，其研究、设计及试验是很难发展的。检测不但是进行一切探索性的，开发性的科学发现或技术发明的重要，甚至必要手段，而且是现代化工业产品生产和质量控制的重要保证。在生产过程中，为了提高自动化水平和加强生产管理，需要进行大量的数据检测。自动检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。加强生产中原始数据的检测，以及时了解工艺过程、生产过程的情况及它们的结果，达到改善生产，降低成本的目的。随着科学技术进一步向高尖端的发展，随着我们对工业生产标准的提高，我们对检测工具与检测技术进一步发展的要求也越来越高且越来越迫切。例如检测的精度问题，检测实时性问题，检测的复杂性以及不可测性问题。这就要求提高检测系统的智能化，操作过程的自动化，虚拟仪器技术和OPC 技术作为解决方案应用而生。

1 系统概述

本系统采用虚拟仪器技术和OPC 技术来实现检测系统的自动化和智能化。OPC 技术是以Microsoft 公司的OLE/COM 技术为基础，采用客户/服务器模型制定的一种工业控制领域的开放式标准，在控制设备与应用软件之间建立了统一的软件接口标准，具有开放性、高生产率和即插即用的可连接性等优点。利用OPC 技术的即插即用特性，检测设备通过OPC 技术接入系统。通过虚拟仪器技术与OPC 技术之间的数据通信来实现对检测的控制，从而实现检测的自动化。最后，本系统通过虚拟仪器技术接入LIMS 管理系统来实现对检测仪器的管理和检测的智能化。

2 虚拟仪器技术与OPC 技术

2.1 虚拟仪器技术

LabVIEW 是实验室虚拟仪器工程平台的简称，是一种用图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发环境，主要用于开发数据采集、仪器监控及过程监测等领域的应用程序。

LabVIEW 的图像环境内置丰富的函数库，提供各种网络的接口，支持先进的流动数据传输等先进技术，使系统的开发更加方便，其中基于TCP/IP 协议的网络实时数据交换编程技术（DataSocket）便是一特色。这种技术是一种开放的技术，与人们已习惯采用的TCP/IP 编程接口、DDE 等网络环境下的数据共享技术比较，使用起来更方便，开发效率更高，而且不需要大量的编程工作量。数据套接提供统一的API 编程接口，从数据共享的角度，它是对WinSock 的高级封装，允许用户与各种服务器进行交互并在应用之间交换信息，比如LabVIEW 以及一些不同的数据源或目标，源和目标包括其他的应用、文件、OPC 服务器、Web 服务器以及FTP 服务器。使用DataSocket 类和统一源定位器( Uniform Resource Locator)，就可建立数据套接的源与目标的连接，用户可以像使用LabVIEW 中的其他数据类型一样用DataSocket 读写数据，实现测量数据的实时共享。

2.2 OPC 技术

OPC 全称是OLE for Process Control，它的出现为基于Windows 的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，OPC 标准应运而生。OPC 标准以微软公司的OLE 技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM 接口完成的，在OPC 技术中使用的是OLE 2 技术，OLE 标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。

OPC 是以OLE/COM 机制作为应用程序的通讯标准。OLE/COM是一种客户/服务器模式，具有语言无关性、代码重用性、易于集成性等优点。OPC 规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。

应用程序与OPC 服务器之间必须有OPC 接口，OPC 规范提供了两套标准接口：Custom 标准接口，OLE 自动化标准接口。通常在系统设计中采用OLE 自动化标准接口。

3 总体设计

如图1 所示：本系统包括OPC 控制端、基于LabVIEW 技术的中间控制层和LIMS 仪器管理系统。

图1 系统总体框架

3.1 OPC 控制端

OPC 控制端是检测仪器与系统应用程序之间的桥梁，主要负责与检测仪器相连，采集仪器设备信息，控制仪器并完成对采集数据的采集、整理、返回等操作，以及根据应用服务器的需求提供相应的服务。

根据上述功能，基于OPC 规范的控制端主要可以划分为两个部分：第一部分是数据采集卡及其读写接口，第二部分是OPC 服务器。实时数据服务器的总体结构如图2 所示。

图2 OPC 控制端技术框架

从数据服务器的总体结构我们可以看出，LabVIEW 中间层程序并不直接跟物理设备打交道，而是通过OPC 服务器，统一实现对检测仪器的读写。由于OPC 规范特有的开放性以及设备无关性，任何检测仪器只要提供了Windows 下的读写接口，都可以为其开发相应OPC 数据存取服务器，把它集成到OPC 平台上面来。

3.2 基于LabVIEW 技术的中间控制层

中间控制任务是通过LabVIEW 技术读写检测仪器的数据。由于LabVIEW 软件平台支持DataSocket 技术，DataSocket 技术是一种能很容易地通过各种连接传送测量数据，实现实时数据共享的技术。

DataSocket 技术支持OPC 通信协议，要使用OPC 通信协议，就要求运行一个OPC 服务器。OPC 与LabVIEW 的通信过程如下：LabVIEW 将要相应的操作命令先送到OPC 服务器，OPC 服务器通过接口传给检测仪器来控制检测仪器。LabVIEW 则通过读取OPC 服务器中的数据来读取检测仪器测的数据。

DataSocket 包 括DataSocket open，DataSocket write，DataSocket read 及DataSocket close 等 函 数，在 与OPC 服务器各项的连接建立之后，就可以利用DataSocket read 和DataSocket write 函数进行数据读写了。这里用URL 指定数据源与目标——OPC 服务器中的各项，数据套接技术中的URL 就像网络浏览器中的人们用到的网络地址一样，格式为：OPC://localhost/Matrikon.OPC.Modbus/ 项 名，其 中OPC 指DataSocket 传输协议，中间两段分别是宿主机IP 地址或标识和服务器的名字，最后一段是数据项，这一项名对应着OPC 服务器中一项。通过URL 指定了数据源与目标后，就可以通过DataSocket open 函数建立连接，然后向DataSocket 写数据或从DataSocket 读数据了。程序中用DataSocket open 函数打开URL 指定的与OPC 服务器中的项的连接，如果在OPC 服务器配置的项是写数据，在URL 中必须设置项名与它们一致，然后将这一连接自动产生的标识符(connection ID)传给DataSocket write 函数，在DataSocket open 函数中可以利用一个枚举类型的常数(Enum Constant)设置DataSocket 连接的模式，设置缓冲( buffer)是为了读取数据的用户用DataSocket read 函数读取数据保证数据不丢失。DataSocket write 函数的data 参数是要传输的数据, 这个参数具有多义性的特点, 可以输入大部分LabVIEW 支持的数据类型。

3.3 虚拟仪器管理系统

虚拟仪器管理系统是整个系统的后台，它连接了OPC 控制端和LIMS 系统，是二者数据通信的桥梁。该管理系统主要由三个功能组成。

（1）基于LabVIEW 的仪器管理系统。利用LabVIEW 强大的图形化编程语言和丰富的函数库,实现检测仪器的基本扩展和智能化功能搭配。

（2）LabVIEW 实现的Web 服务器。借助于LabVIEW 内置的Web 服务器,即远程面板技术能够实现该管理系统的网络化。该系统利用LabVIEW Web Publishing Tool 把虚拟仪器应用程序的前面板嵌入到Web 页面中，并借助LabVIEW Web 服务器提供的虚拟仪器Web 服务，只要服务器端的应用程序载入内存，客户端便可以通过浏览器对检测仪器进行控制。

（3）网络数据库服务器。MySQL 数据库是Microsoft 是一个开源的且功能强大的关系型数据库管理系统。由于其体积小、速度块和成本低等特点，本系统用该数据库来统一记录、存储和管理所有数据信息。

4 生物医学微小流项目

在上述设计的基础上，浙江省质量技术监督局实现了一款名为生物医学微小流计量仪器。整套装置的设计主要可以分为硬件设计和软件设计两个部分。

标准装置的硬件部分无源支路是整套标准装置的核心，主要是针对无流体源的被检装置进行设计，如玻璃转子流量计、质量流量计和输液泵检测仪等。该部分主要包括装置的结构和控制系统的硬件设计。标准装置采用了步进电机驱动标准活塞的结构形式，以活塞作为计量标准，提供标准体积，装置通过步进电机驱动标准活塞产生流体源。系统硬件平台设计框图如图1 所示，主要包括电子天平、上位机PC、下位机PLC、步进电机及其驱动器和光栅尺等。

图3 系统硬件平台设计框图

软件设计可分为上位机和下位机两个部分。上位机软件设计开发采用LabVIEW 图形化编程语言和OPC 技术，实现检定校准过程全自动，包括自动采集数据、等检定自动控制，并实现数据显示和自动存储、报表生成和打印等功能。下位机PLC 软件设计开发采用的是步进梯形图，以实现步进电机的控制、阀门等动作控制、定时和模拟量采集。

[1] 陈炜.GPIB/PXI/VXI 仪器转向LXI 的探讨.仪表与计量技术, 2009:43-45

[2] 栾秀春,吴祥成.基于S7-200 PLC 接口设备的虚拟仪器数据采集系统.,应用科技，2011，30(10): 29-32

[3] 张建武,高国琴.OPC 客户/服务器模型设计.计算机仿真,2005,22(4) : 152- 154.

[4] 田冠亚, 程佳, 李文军, 詹志杰.150mL 活塞式液体微小流量计量标准装置的研究, 传感器与微系统,2011,30(12):21-24