基于LabVIEW和TCP的数据采集系统的开发及应用
第35卷第2期2011年3月
冶金自动化
Metallurgical Industry Automation
Vol．35No．2
Mar．2011
·企业信息化技术·
基于LabVIEW和TCP的数据采集系统
的开发及应用
张东，施奇峰，王云波
(中冶京诚工程技术有限公司电气工程技术所，北京100176)
摘要：在冶金自动化生产线调试及生产过程中，需要对过程数据进行记录以便于故障分析。现有的组
四不伤害是指什么态软件可以记录过程数据，但更新周期较长，数据记录不完整;IBA公司的过程数据采集(PDA)系统采集精度高，但价格又较昂贵。因此，中冶京诚工程技术有限公司自主开发了一套数据采集系统CERI PDA，它以LabVIEW为开发平台，通过TCP连接实现PLC与数据采集系统的通信，具有数据采集、数据监视和存储、离线数据分析等功能，能够一次接收多周期信号数据，并可以最小化加载数据文件。该系统先后应用于唐山春兴冷轧薄板厂的冷轧生产线和九江钢铁公司的方坯连铸生产线，取得了良好效果。该系统操作简单，功能实用，成本较低，是进行系统调试和故障分析的有力工具。
关键词:LabVIEW;TCP；数据采集；数据分析;PDA
中图分类号:TP319文献标志码:B文章编号:1000-7059(2011)02-0036-05
Development and application of data acquisition system
based on LabVIEW and TCP
ZHANG Dong，SHI Qi-feng，WANG Yun-bo
(Electric Division of Capital Engineering＆Research Incorporation Limited，Beijing100176，China) Abstract:It is necessary to record process data for fault analysis in metallurgical automated production lines．There are configuration software available on market which are capable of proces
s data record-ing，however the long updating cycle time of these software packages can not cope with intensive data recording as required in some cases．The PDA(Process Data Acquisition)product of the IBM might be a solution to high accuracy data recording，but it is expensive．Therefore，a data acquisition sys-tem，CERI PDA，is developed by Capital Engineering＆Research Incorporation Limited on the plat-form of LabVIEW．The system communicates with PLC by TCP connection and provides the functions of data acquisition，data monitoring and storage and offline data analysis．The data acquisition function of the system is capable of acquiring multi-cycle data in one packet，and the offline analysis function of the system offers minimized loadings of data files to reduce memory overhead．The practical applica-tions of the system in cold-rolled sheet production line of Tangshan Chunxing Cold-rolled Sheet Plant as well as in square billet continuous casting production line of Jiujiang Iron and Steel Company have demonstrated the features of the system as low cost，competent functionalities and easy to operate，and debuted the system as a powerful tool for system commissioning and fault analysis．
Key words:LabVIEW;TCP;data acquisition;data analysis;PDA
收稿日期:2010-10-26；修改稿收到日期:2010-12-08
作者简介：张东(1979-)，男，辽宁北票人，工程师，硕士，主要从事电气控制系统的设计和调试工作。
第2期张东，等：基于LabVIEW和TCP的数据采集系统的开发及应用
0引言
冶金自动化生产线一旦出现故障，往往需要尽快查明原因，恢复生产，以减少损失，而对过程数据进行分析是分析故障原因、出解决问题方法的有效途径，因此，有必要对过程数据进行实时监视和记录。在冶金自动化领域，广泛采用PLC 搭建控制系统，使用组态软件实现数据的监视和记录，但组态软件的数据更新周期较长，通常在200ms以上，而PLC的扫描周期只有几十ms甚至几ms，导致组态软件不能完整记录过程数据，给故障分析带来了困难。在控制精度要求比较高的场合，需要采用专门的过程数据采集系统对过程数据进行监视和记录。目前，德国IBA公司的PDA 在使用硬件采集卡的情况下，可以达到1ms的采集精度［1］，但是价格也很高。因为多数冶金自动化生产线的PLC没有那么快的扫描周期，所以并不要求PDA系统有过高的采集精度。另外，虽然IBA公司的PDA提供了大量用于数据采集和分析的功能，但多数生产线使用的却只是很小的一部分。针对这种情况，2009年1月，中冶京诚工程技术有限公司开始进行CERI PDA系统的研发，并于2010年1月研发成功。该系统功能实用，操作简单，并且不需要硬件采集模块，成本较低，采集精度可达10ms。2010年9月，CERI PDA
成功应用于唐山春兴冷轧薄板厂的冷轧生产线，同年10月，应用于九江钢铁公司的方坯连铸生产线，现场应用效果良好。
1系统设计
完整的CERI PDA系统由计算机和软件组成，计算机包括PDA服务器、PDA客户端、文件服务器、PDA分析终端，软件包括CERI PDA Server，CERI PDA Client和CERI PDA Analyzer。系统结构设计为C/S结构［2］。CERI PDA Server运行于PDA服务器上，启动时会同时启动DataSocket Server(美国国家仪器公司提供的用于网络通信的软件)。CERI PDA Server通过TCP/IP协议接收PLC端传输的数据包，并对数据包进行分解和重组，然后将重组后的数据发送给DataSocket Server。CERI PDA Client运行于PDA客户端上，通过DSTP(DataSocket Transfer Protocol)协议从DataSocket Server获取数据，以波形的方式进行显示，同时以文件格式存储到本地文件库或文件服务器的文件库里，完成数据显示和存储的功能。CERI PDA Analyzer运行于PDA分析终端上，用于从文件库中读取数据文件并进行离线数据分析。系统原理如图1所示。CERI PDA Client和CERI PDA Analyzer也可以与CERI PDA Server运行在同一台计算机上
。
图1系统原理图
Fig.1System principle scheme
2系统实现
PLC、PDA服务器、PDA客户端、文件服务器和PDA分析终端通过以太网相连，PDA服务器负责数据的接收、分解和重组，PDA客户端负责数据显示和存储，PDA分析终端负责数据分析。根据系统设计原理，首先对开发工具及关键技术进行简介，然后具体介绍PLC与PDA服务器的数据通信、PDA服务器中的数据分解和重组、PDA服务器与PDA客户端的通信以及PDA客户端的数据显示和存储等几个关键环节。
2.1开发工具及关键技术
CERI PDA系统采用了LabVIEW开发工具、TCP协议和DataSocket关键技术。
CERI PDA系统软件是基于LabVIEW开发的。LabVIEW是美国国家仪器有限公司推出的一种图形化编程语言［3］，它不仅在程序界面设计时采用了与其它高级语言类似的图形化方式，更重要的是在编写程序代码、实现程序功能时，使用的也是图形化的操作方式［4］。同时，LabVIEW集成了丰富的数据采集、存储、分析工具包，内置了多种通信协议的标准库函数，是一个功能强大且灵活的编程软件，可以大大提高编程效率。
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朋友圈怎么只发文字TCP协议是一种面向连接的运输层通信协议，具有编号系统、流量控制、差错控制、拥塞控制等机制，为数据的可靠传输提供了保障。同时，百兆、千兆甚至万兆以太网的出现，保证了数据传输的快速性。
DataSocket技术是美国国家仪器有限公司推出的面向测控领域的网络通信技术，它基于Mi-crosoft的COM和ActiveX技术，源于TCP/IP协议并对其进行高度封装，面向测量和自动化应用，用于共享和发布实时数据，是一种易用的高性能数据交换编程接口。它能有效地支持本地计算机上不同应用程序对特定数据的同时应用以及网络上不同计算机的多个应用程序之间的数据交互，实现跨机器、跨语言、跨进程的实时数据共享。
重头再来
2.2PLC与PDA服务器的数据通信
PLC与PDA服务器通过TCP协议进行数据通信。PLC在网络配置时，需要配置标准TCP连接，设定本地和远程的通信地址及端口。PDA服务器需要设定远程地址、端口及本地端口，由于本地通信地址为本机，可不用设置，两边设置要分别对应，如PLC设置的本地通信地址为192.168.0.2，远程通信地址
为192.168.0.1，本地端口为6000，远程端口为5100，则PDA服务器设定的远程通信地址应为192.168.0.2，远程端口应为6000，本地端口应为5100。
TCP连接只是为PLC与PDA服务器建立了一个数据传输的通道，要使PDA服务器正确地再现PLC过程数据的信息，还需要将包长度、时间戳、采集周期、模块ID号等信息与数据打包在一起进行发送。包长度指整个数据包的长度，时间戳是每次采样的时间标记，采集周期代表PLC中断程序中两次采样的时间间隔，而模块ID则用来标注PLC不同的过程数据组织形式，如“32Real+ 32Bool”模块代表过程数据的组织形式是1个周期的32通道实型数据加上1个周期的32通道布尔型数据，而“2ˑ［32Int+32Bool］”模块则代表2个周期的32通道整型数据加上32通道布尔型数据。不同的数据组织形式，对应不同的模块ID，这样PDA就可以正确地解包了。CERI PDA系统支持多种模块，采样周期最短10ms，最多可以同时建立16个模块。
2.3PDA服务器中的数据分解和重组
PDA服务器对过程数据的分解和重组是通过CERI PDA Server软件实现的。如前所述，PLC发送的过程数据可以有多种数据类型，而对于PDA 而言，所有的数据类型都会被统一为一种数据类型———波形。波形是LabVIEW所特有的数据类型，该类型除了包含数据外，还包含起始时间和时间间隔等信息，因此，PDA服务器需要对PLC发送的数据进行分解和重组。
PDA服务器首先根据模块ID将PLC发送的数据分解，提取时间戳和采集周期信息，存储到缓冲区，然后再从缓冲区提取若干次分解的数据合成波形，写到DataSocket Server上，供PDA客户端读取。
2.4PDA服务器与PDA客户端的通信
PDA服务器与PDA客户端的通信通过Data-Socket Server实现，CERI PDA Server将重组后的波形数据写到DataSocket Server上，CERI PDA Cli-ent从DataSocket Server上读取数据。
DataScoket支持多种通信协议，如DSTP(Data-Socket Transfer Protocol)协议，http(hypertext trans-fer protocol)协议，ftp(file transfer protocol)协议等［5］。本系统采用dstp协议进行数据通信，dstp 协议通过URL(Uniform Resource Locator)对DataSocket Server上的数据项进行访问。如PDA 服务器的IP地址为192.168.0.1，CERI PDA Serv-er和CERI PDA Client在DataSocket Server上读写的波形数据项为Waveform1，则读写该数据项的URL为“dstp:\\192.168.0.1\Waveform1”。
2.5PDA客户端的数据显示和存储
PDA客户端将读取到的波形数据通过波形图显示，波形图是LabVIEW常用的波形显示控件，并且提供了简单的数据分析操作，如：放大、缩小、平移等。PDA客户端将需要显示的波形数据赋值给波形图，波形图实时更新即实现了数据显示的功能。
PDA客户端读取到数据后，采用TDMS文件格式对数据进行存储。TDMS是LabVIEW特有的专门针对测试、测量应用的高效数据存储格式。存储数据时，除生成一个以TDMS为扩展名的文件外，还生成一个以TDMS_Index为扩展名的二进制索引文件，这个索引文件包含了数据块的属性以及指针，可以加快数据读取时的访问速度。
3系统功能
CERI PDA系统具有数据采集、数据监视和存
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储以及离线数据分析功能［6］。
3.1数据采集
CERI PDA Server主要实现数据采集功能。如图2所示，首先要在CERI PDA Server上设置“Remote address”(远程地址)、“Remote Port”(远程端口)和“Local Port”(本地端口)，此时，PLC侧也应该如前所述进行相应的设置，然后点击右侧的连接按钮与PLC建立TCP连接。连接建立后，按钮被按下同时变
为绿，表示正在进行该连接的数据采集。每个连接对应一种数据模块，图中已建立4个连接(0 3)，共可建立16个连接。同时，“Respond Time”(响应时间)、“Send Time”(发送时间)和“Send Counter”(发送包数量)可以作为通信诊断的依据。
图2CERI PDA Server运行界面Fig．2CERI PDA Server runtime interface
3.2数据监视和存储
CERI PDA Client有4个波形图，用于波形数据的监视和简单的数据分析。波形图可以显示和隐藏，并且可以自动调整大小以保证几个波形图的合理布局。用户可以从波形列表或波形组中拖拽信号到波形图中，进行实时监视。监视过程可以随时暂停，以便做简单的分析操作，如放大、缩小、查看数据值和时间信息等。监视过程的暂停并不会影响数据存储。波形图的X标尺对应采集时刻，Y标尺对应该时刻的波形数据值。每个波形图可以设置8个Y标尺，并且可以分别设置每个Y 标尺的标题、显示、颜、偏移量和放大倍数等。拖放到波形图的每个信号都会有一个图例与之对应。单击图例，可以对波形曲线的线形、粗细、颜、关联Y标尺等属性进行设置，做到最佳的显示效果。
数据存储时，可以按照时间间隔或文件大小进行存储，两者可同时启用，也可单独启用，如每隔5min或采集数据量大于20MB时，保存成一个数据文件。系统可以在存储文件的同时进行文件压缩，平均压缩比高达15ʒ1，大大提高了存储能力。数据文件可以存储在本地，也可以存储到专用的文件服务器
中，便于数据的集中管理和维护。
3.3离线数据分析
CERI PDA Analyzer是一款离线数据分析软件，具有多种分析工具，可以对波形曲线进行框选放大、点选放大、X向放大、Y向放大、点选缩小、缩小查看全貌、线性变换等操作；可以计算最大值、最小值、平均值、方差；利用双游标定位功能，可以对比不同时刻的信号值。同时，CERI PDA Analy-zer带有2个波形图，与CERI PDA Client的波形图具有同样的功能，如设置Y标尺属性，设置信号曲线属性等，另外，该波形图还可以导出波形曲线到Excel文件或保存成图像文件。
4系统特点
相对于IBA公司的PDA系统，CERI PDA系统具有一次接收多周期过程数据、最小化加载数据文件的特点。
4.1一次接收多周期过程数据
一次接收多周期过程数据，是指PLC将多个
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周期的数据打包后一次发送给PDA 服务器。这样不仅可以减少PLC 侧的通信负荷，提高PLC 控制程序的运行效率，而且还可以减少对PDA 服务器CPU 资源的占用，提升系统的整体性能。4.2
人力成本管控最小化加载数据文件
使用离线分析软件打开数据文件时，并不是将所有数据都加载到内存中，而只是加载模块索引和通道索引到波形列表中，当波形被拖拽到波形图时，波形数据才从文件读取到内存中，这种方式大大减少了内存的开销，是本系统的一个重要特。
5系统应用效果
春兴冷轧薄板厂冷轧生产线在调试阶段引入
该PDA 系统，用于实时检测生产线的过程数据。调试人员根据实时曲线调整控制参数，优化控制算法，加快了调试进度；操作人员根据实时曲线，监控设备运行情况，发现异常时及时停车，有效地保护了生产设备。
九江钢厂方坯连铸生产线在生产时发现连铸液面有突然降落10mm 的异常现象，根据组态软件WinCC
记录的波形曲线，未发现异常，后引入CERI PDA 系统，对拉矫机过程数据进行记录和分析。图3所示为1号电动机转矩、拉矫辊速度及方坯长度曲线。
从图中可以看到，转矩、速度有突然波动的现象，而且波动具有互补性，从而可以推断引锭杆
总
图3
1号电动机转矩、拉矫辊速度及方坯长度波形图
Fig.3
Graph of No.1motor torque ，strecher roller speed and billet length
体阻力突然消失和相继发生打滑是引起连铸液面
突降的根本原因，为解决该问题提供了重要的参考依据。
6结束语
中冶京诚工程技术有限公司研发的CERI PDA 系统，操作简单，功能实用，成本较低，可以广泛应用于多种冶金自动化生产线，能够提高生产效率，提升技术人员分析和处理故障的能力，降低故障发生率，是进行系统调试和故障分析的有力工具。参考文献:
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锐，傅连东，郑
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