關(guān)鍵詞：
TwinCAT
Scope
數(shù)據(jù)采集
波器軟件
摘要：越來越多的生產(chǎn)設(shè)備需要在設(shè)備的整個生命周期內(nèi)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)采集：在設(shè)備調(diào)試、性能優(yōu)化以及實(shí)際生產(chǎn)時所收集的數(shù)據(jù)將用于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以提升設(shè)備的可用性。
特別是在工業(yè) 4.0 和“大數(shù)據(jù)”的背景下，對于測試設(shè)備制造商來說，設(shè)備的高級數(shù)據(jù)采集已經(jīng)不再是問題。越來越多的生產(chǎn)設(shè)備需要在設(shè)備的整個生命周期內(nèi)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)采集：在設(shè)備調(diào)試、性能優(yōu)化以及實(shí)際生產(chǎn)時所收集的數(shù)據(jù)將用于狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以提升設(shè)備的可用性。
在需求方面，工程階段和服務(wù)操作之間幾乎沒有區(qū)別。作為一項基本規(guī)則，數(shù)據(jù)必須以一個清晰、透明的方式顯示，保持其正確的順序并具有最高的性能。為了獲得最大的工程效率，將圖表工具集成到開發(fā)設(shè)備的軟件中是非常必要的。TwinCAT Scope滿足所有這些要求，并對多通道的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。
架構(gòu)
TwinCAT 3 Scope 是一款示波器軟件，用于以圖形的方式顯示和分析自動化系統(tǒng)中的變量。TwinCAT 3 Scope 由兩個主要組件構(gòu)成：Scope View 用于圖形化信號曲線顯示，Scope Server 用于記錄實(shí)際數(shù)據(jù)。對于只需要記錄數(shù)據(jù)的用途，Scope Server可以單獨(dú)安裝在目標(biāo)系統(tǒng)上而無需安裝 View 組件。在這種情況下，它通過一個PLC功能塊進(jìn)行控制，該功能塊可以加載配置、啟動和停止記錄并保存數(shù)據(jù)。如果Scope View是用于控制目的，Scope Server可以安裝在遠(yuǎn)程設(shè)備上或安裝在本地的開發(fā)設(shè)備上。Scope是技術(shù)服務(wù)人員的理想選擇，由于本地服務(wù)器已足夠用于記錄數(shù)據(jù)，因此在對設(shè)備進(jìn)行高精度和增強(qiáng)型圖形化分析時無需在目標(biāo)設(shè)備上安裝額外的軟件。例如，技術(shù)服務(wù)人員可以直接連接和啟動一個基于觸發(fā)器控制的配置。在使用Server時可以使用一個停止記錄觸發(fā)器，并設(shè)置他的預(yù)觸發(fā)時間或后觸發(fā)時間。在觸發(fā)事件發(fā)生前或事件正在記錄數(shù)據(jù)時，新獲取的數(shù)據(jù)將被存儲在一個環(huán)形緩存中。
與TwinCAT 3開發(fā)環(huán)境一樣，Scope的配置和顯示部分也同樣集成到了Microsoft Visual Studio?中。特別是在設(shè)備調(diào)試期間，如果測量項目中的Scope View可以與TwinCAT項目同時并存在一個相同Visual Studio?解決方案中，那將會帶來巨大優(yōu)勢。Windows 的窗口停靠功能可以用于直接并排顯示 Scope View 和程序代碼或硬件配置。通過這種方式，執(zhí)行程序段或新設(shè)置的硬件參數(shù)的效果將能夠直接通過圖形化的方式顯示出來，它們對于用戶在分析時是非常有用的。與此同時，因為Scope View有其自己的項目，它在一個解決方案中可以依賴其自身生存，即獨(dú)立于TwinCAT項目。如果一個Runtime系統(tǒng)上沒有Visual Studio?，Scope View會自動安裝Visual Studio?框架并將其自身集成到這個框架中。用戶無需再額外地進(jìn)行單獨(dú)安裝。
圖 1：Visual Studio? 中的 Scope 配置，也顯示了概述圖
Pascal Dresselhaus，德國倍福自動化有限公司 TwinCAT 產(chǎn)品經(jīng)理
應(yīng)用
在最初開發(fā)TwinCAT Scope時，其目標(biāo)是開發(fā)一款在機(jī)器調(diào)試和故障排除期間給工程師、技術(shù)人員和程序員提供支持的工具。因此，非常重要的是，該工具在數(shù)據(jù)采集時是以同步周期的方式進(jìn)行，即使周期時間為 50μs，也能將數(shù)據(jù)全部采集而無遺漏。通過超采樣技術(shù)，甚至能夠以比實(shí)際PLC周期時間更快的速度掃描信號。當(dāng)然，這些值也必須能夠被顯示出來。因此，圖表顯示能夠放大到μs范圍。例如，周期匹配分析可以通過Scope View中的光標(biāo)輔助完成，Scope View可以用于顯示X和Y軸上的不同之處。日期選擇器也很有益處，它在選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)時呈現(xiàn)為一個工具提示插件，并顯示為X和Y軸值。此外，TwinCAT Scope通常用于調(diào)試驅(qū)動軸，因為可以在圖表或Y軸中并行查看和比較信號，甚至在記錄時。XY 曲線圖繪制功能可以用于圖形化地顯示驅(qū)動器運(yùn)行路徑 — 特別是對于CNC應(yīng)用。只需輕點(diǎn)五次鼠標(biāo)即可在TwinCAT配置中記錄第一個驅(qū)動軸以及所有關(guān)鍵參數(shù)：在Project Wizard中選擇一個合適的NC模板，然后按下Start Record按鈕，開始記錄主軸數(shù)據(jù)（位置，速度，等等）。復(fù)制和多選功能可用來將模板擴(kuò)展到控制器配置內(nèi)任意數(shù)量的軸。
圖 2：新多核支持下用于圖表設(shè)置的 Property 窗口
TwinCAT 3開發(fā)環(huán)境安裝包總是包含Scope View和一個本地Scope Server。這兩個組件都包含在基礎(chǔ)版中，具有所描述的功能及其它功能 — 都沒有額外的授權(quán)費(fèi)用。TwinCAT Scope 的許多功能也適用于工藝監(jiān)測。在這一情況下，主要功能是能夠執(zhí)行長達(dá)幾天的記錄工作。觸發(fā)器控制的中間結(jié)果可以與長期記錄的數(shù)據(jù)一起保存在硬盤上。Scope 專用的數(shù)據(jù)文件可以手動或自動通過命令行調(diào)用導(dǎo)出成其它各種數(shù)據(jù)格式。即使在長期記錄期間，用戶可以停止在線顯示，以仔細(xì)檢查使用不同縮放功能取得的結(jié)果。總覽圖可提供用于跟蹤具有多根曲線的復(fù)雜圖表。這一“圖中圖”在一個絕對時間軸上顯示后臺所保存的數(shù)據(jù)。圖1中的藍(lán)色窗口在主圖中顯示當(dāng)前位置。這個標(biāo)記是可變的，可以很輕松地從事件跳轉(zhuǎn)到事件，而無需在主圖中滾動和縮放。
長期記錄自然會產(chǎn)生非常大的數(shù)據(jù)量。這些數(shù)據(jù)量是由于每通道20 kHz或以上的采樣率所形成的，并通過關(guān)鍵詞“大數(shù)據(jù)”來恰當(dāng)?shù)孛枋鏊?。需要對它們合理進(jìn)行管理和保存，以確保它們可以提供用于隨后的分析和評估。
舉例
1 ms 的現(xiàn)場總線周期時間等于 1 kHz 的采樣率。
這里以65個通道為例，即使僅一小時內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就超過3.8GB，其中包括時間戳。有時并不需要以控制周期時間為采樣率記錄每一個過程記錄。驅(qū)動軸或加速度傳感器數(shù)據(jù)可能需要與周期相同的采樣率，但系統(tǒng)中的溫度傳感器并不一定需要。因此，在Scope View中，也可以為每個通道設(shè)置一個采樣率。例如，如果40個整數(shù)變量的采樣率從每秒鐘1000個值降低到每秒鐘才1個值，內(nèi)存的使用量也會減少為每小時1.5GB。
性能
復(fù)雜Scope配置的瓶頸本質(zhì)上在于極少的數(shù)據(jù)記錄。除了大數(shù)據(jù)量，主要挑戰(zhàn)在于以高采樣率顯示多個通道。關(guān)鍵參數(shù)是系統(tǒng)資源，如 CPU 性能、顯卡和內(nèi)存。然而，即使系統(tǒng)本身具有高性能，軟件也必須能夠有效地利用現(xiàn)有資源。TwinCAT 3就是這樣一款軟件：在TwinCAT 3運(yùn)行時中，能夠在不同的CPU核上以不同的周期時間執(zhí)行實(shí)時PLC、NC、C++ 或 MATLAB?/Simulink?任務(wù)。這樣，自動化軟件可以直接從PC技術(shù)中獲益，隨著CPU核數(shù)量的增加而提升更高的性能。Scope View現(xiàn)在也能夠充分利用多核系統(tǒng)，通過使用一個或多個CPU核來顯示信號。對于Scope配置內(nèi)的每個圖表，用戶都可以靈活選擇用于信號顯示的CPU核和處理性能。對于復(fù)雜圖表，例如 XY 圖中具有多個通道和軸，一個圖表可以使用多個CPU核。用戶可以在Visual Studio?的Property窗口（見圖 2）中選擇所選的圖表。
圖 4：CPU 負(fù)載；頂部：單個核上的顯卡負(fù)載，底部：所有四個核上分配的顯卡負(fù)載
如果目標(biāo)設(shè)備上的CPU核通過配置預(yù)留給TwinCAT專用，則它們對Windows系統(tǒng)不再可用，在Scope配置中也不能再選擇它們。通過這種方式，可以在專用的核中保證TwinCAT實(shí)時性。
為了進(jìn)一步提高顯示性能，并使其適應(yīng)現(xiàn)有的設(shè)備，Scope View還支持下面兩個繪圖庫：GDI+和DirectX。對于具有 DirectX功能的設(shè)備，這一繪圖庫能夠顯著提升圖形性能，DirectX將圖形計算任務(wù)分發(fā)給顯卡，從而顯著減少CPU負(fù)載。顯卡芯片專為圖形繪制設(shè)計，可以顯示比通過CPU進(jìn)行 GDI+繪制時更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于支持多核系統(tǒng)，結(jié)合DirectX圖形，能夠大大提高信號顯示性能。
舉例
在一臺采用Intel? Core? i7 2715QE2.1Ghz四核處理器的倍福CX2040嵌入式控制器上，能夠在五張圖表內(nèi)同時顯示60個信號。通過從GDI+切換到DirectX，以及通過將每個圖表分配給一個或多個專用的 CPU 核，能夠現(xiàn)場記錄和顯示230多個信號。圖3顯示了在這一記錄過程中的Scope View，在這里，所有信號都在1ms的周期時間內(nèi)采樣。
圖 3：CX2040 上的 Visual Studio? 宏，Scope View 中有 230 多個信號
這兩個功能，即支持多核系統(tǒng)和繪圖庫，也可以提供用于Scope Control集成。Scope Control集成指的是選擇將Scope View繪圖作為一個控件集成到一個定制的基于 .NET的可視化系統(tǒng)中，如圖5中的XY和YT圖表。這不僅包括記錄期間數(shù)據(jù)的處理，而且還包括諸如縮放、平移、概述圖等控制功能。因此，客戶專用的可視化程序既不需要一個自定義的圖表工具，也不需要第三方工具，這樣可以大大減少工程的工作量。最終，用戶使用由倍福提供的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的好處是創(chuàng)建一個配置和外觀完全可定制化的軟件示波器。
圖 5：集成在 .NET 應(yīng)用程序中的兩個 Scope 控件
結(jié)論
TwinCAT 3 Scope是TwinCAT系統(tǒng)內(nèi)的核心產(chǎn)品，并不斷升級更新。這一產(chǎn)品受益于七年多的開發(fā)經(jīng)驗。它簡化了應(yīng)用程序開發(fā)過程中的工程工作，同時也簡化了機(jī)器的故障排除和參數(shù)優(yōu)化工作。它的模塊化使得集成到客戶專用的可視化程序成為可能。新的功能，特別是支持多核 CPU，凸顯了TwinCAT Scope作為TwinCAT軟件領(lǐng)域中高性能制圖工具的地位。
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