发表于:2007-03-07 16:08:00
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摘要:USB数据采集控制器使用于PC-Based的系统,由于其使用方便性和高性价比,它已经占领了原来数据采集控制卡的一大部分市场,不但在OEM设备中得以广泛应用,而且在很多场合取代传统的PLC系统,应用于工业控制。本文将以LabJack U12为例,介绍如何正确地在工业过程控制中使用USB数据采集控制器。
关键词:USB,LabJack,工业过程控制,PC-Based,系统可靠性
1. USB数据采集控制器简介
LabJack U12是一个多功能USB数据采集控制器,它在同类产品中性价比最高。具有8个模拟输入通道,2个模拟输出通道和20个可编程数字输入输出通道。它已被广泛地应用于实验/试验设备、自动测试设备、及其它PC-Based系统中。是一个理想的OEM部件。
它还越来越多地应用于工业过程控制中。由它组成的PC-Based系统有所有PC-Based系统所固有的优点,如系统开发周期短,系统变更容易,用户界面漂亮、易操作,可以进行过程监视、报警、记录、打印,可以利用计算机的计算能力实现各种PLC无法实现的控制算法来进行复杂的过程控制,以及其他等等优点。结合本公司为其配置了其它各种外围设备和组态软件,系统开发更为简单、快速,其应用场合更加广泛。
本文将介绍以LabJack U12组成的控制系统以及所需要注意的方面,在其基础上介绍如何扩展系统的规模和需要的模块,然后着重介绍如何使用冗余技术来提高系统的运行可靠性。
2. 系统的组成
2.1 单个LabJack U12系统
一些简单的控制系统只需要一个LabJack U12。其系统组成如图1所示。其中U12由计算机通过USB供电,所有的输入输出口都可以在U12本身和CB25板上接入和接出。这样的系统十分简单,被大多数OEM设备所采用。
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图1:单个LabJack U12系统
2.2 系统扩展
对于大多数工控系统来说,单个LabJack U12的输入输出口是不够的,因此系统需要进行扩展。使用USB集线器可以十分方便地把整个系统扩展到一个很庞大的系统。一台计算机可以连接多达80台LabJack U12,USB的集线器可以一层层地级联。系统的扩展拓扑图如图2所示。如果所使用的USB集线器是1出4的,扩展后的系统就可以连接16个LabJack U12。如果是1出8的集线器,那么扩展后的系统会有64个LabJack U12。
[url=http://www.ade-tech.com/products/labjack/images/USB_img_1.jpg]http://www.ade-tech.com/products/labjack/images/USB_img_1.jpg[/url]
图2:系统扩展拓扑图
2.3 数字口的驱动模块
在工控系统中,数字输出常常用来控制继电器或中间继电器,而中间继电器再控制接触器以控制电气设备。LabJack U12的数字口输出驱动能力有限,只能驱动TTL门电路或LED,无法直接驱动继电器线圈;而且其输出的电平是5V和工控上常用的24V不兼容。因此数字输出需要接到一个驱动模块OD25。
OD25和LabJack U12的连接主要是通过一根DB25线。它为LabJack U12所有的数字口提供了驱动,驱动电压可达50V,驱动电流可达500毫安,可同时直接驱动多个继电器(如果有必要的话)。因此OD25在工控系统中一般是必不可少的。
OD25还提供了其它模块和LabJack U12的连接。一般来说它的另一个DB25插座连接到CB25或OI25,作为数字输入的接线板。当数字输入为高时,OD25上的相应数字位的LED会点亮,该LED显示在系统调试和程序调试中十分有用。使用OD25的系统如图3所示。
[url=http://www.ade-tech.com/products/labjack/images/USB_img_2.jpg]http://www.ade-tech.com/products/labjack/images/USB_img_2.jpg[/url]
图3:使用数字驱动模块的系统简图
2.4 CB25和OI25模块
CB25只是一个接线板,提供了D0-D15的数字口的接线柱,数字口的输入输出方向是由软件决定的,因此如果数字输入口不需要隔离的话,用CB25即可。
OI25是数字输入口光电隔离模块。光电隔离的应用情况比较复杂,采用怎样的隔离完全取决于信号的来源(如是否有被雷击的危险,是否来自不同的电系统)、信号的性质(交流或直流),以及系统在这方面的要求。而且必须指出的是如果采用隔离,必须对整个系统进行考虑,而不该仅仅考虑数字口的隔离,如485通讯口是否有隔离,模拟信号是否有隔离等等。在这方面常常存在一些误区,但在这里我们就不做详细说明了。下面我们仅介绍不需要隔离的系统应用,但这并不说明LabJack组成的系统在隔离方面有任何问题或不方便之处。其实和其他任何系统都一样,需要隔离的系统要增加隔离模块,系统的成本会随之大幅增加。
2.5 其它设备的使用
在工控系统中常有其它设备,如变频器和其他仪表。它们和计算机的连接大多数是通过485接口的,是独立于LabJack U12之外的。PC-Based系统在结构上是单个处理器的,即所有的数据处理和控制都依赖于PC上的处理器,因此在某些对象的控制上需要引入DCS系统的概念,即局部控制采用单独的仪表。实时的控制由仪表或控制器来完成,而PC只是在宏观上调整仪表的参数、控制目标值等。
LabJack U12上有计数器,可以用来检测频率信号。如果有许多频率信号,可以采用频率-电压变换电路,输出到模拟输入口上。对于旋转编码器的信号,可以使用专用仪表,也可以采用本公司的DSS-FC2模块。该模块利用声卡的处理器,对PC的主CPU负担极小,因此效率较高。
2.6 系统软件
LabJack U12提供了通用的动态链接库,所以用户可以使用任何编程语言。本公司提供的组态软件DAQFactory却应该是首选软件开发平台,因为该组态软件包括了所有免费的LabJack U12的驱动程序,用户在使用该组态软件时不需要知道如何对LabJack U12进行编程,只要在屏幕上进行一些简单的设置即可,开发周期会大幅度缩短。
该软件较其它组态软件系统还具有许多其它优点,如十分丰富的图标,而且图标是矢量化的图标;数据采集时间精确;系统资源分配合理;价钱合理等等。在此我们不予细表。
2.7 系统的安装
LabJack U12、USB集线器、中间继电器和其它控制器等设备一般会被安排在一个控制柜中。如果整个系统较小,那么计算机一般会放在现场,要么安放在控制柜内,要么放在控制柜旁。计算机和LabJack设备间的距离较短。一般的USB线可以使通讯距离达到5米。因为LabJack U12是USB1.1设备,所以在实际应用中,计算机和U12间的距离可以达到10米左右。
对于较大系统,一般计算机会放置在中控室中,控制柜和电器柜可能在同一个地方,也可能在例外一个附近的设备间内。这样的布局便使得计算机和U12间的距离增加,一般的USB线就不满足要求了。这时需要使用带有中继的USB线,一般每根USB线长为5米,可级联到25米长。在绝大多数的应用场合,这样的长度已经足够满足要求了。
2.8 传感器的选用
和其它系统的要求一样,LabJack U12的模拟输入信号的范围是0-10V,传感器的信号必须要放大,而且一般来说传感器和LabJack U12(或其它采集器件)间有一段距离,非放大的信号是不宜长距离传输的。因此建议采用一体化的传感器,如果现场需要直接显示的话,也可以使用带显示的放大仪表。
3. 系统的可靠性
某些工控系统对可靠性的要求很高,使用以