特別是在工業(yè) 4.0 和“大數(shù)據(jù)”的背景下，對(duì)于測(cè)試設(shè)備制造商來說，設(shè)備的高級(jí)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(gè)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(shí)所收集的數(shù)據(jù)將用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(xiàng)基本規(guī)則，數(shù)據(jù)必須以一個(gè)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(duì)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(dòng)化系統(tǒng)中的變量。TwinCAT 3 Scope 由兩個(gè)主要組件構(gòu)成：Scope View 用于圖形化信號(hào)曲線顯示，Scope Server 用于記錄實(shí)際數(shù)據(jù)。對(duì)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(gè) PLC 功能塊進(jìn)行控制，該功能塊可以加載配置、啟動(dòng)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(duì)設(shè)備進(jìn)行高精度和增強(qiáng)型圖形化分析時(shí)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(dòng)一個(gè)基于觸發(fā)器控制的配置。在使用Server時(shí)可以使用一個(gè)停止記錄觸發(fā)器，并設(shè)置他的預(yù)觸發(fā)時(shí)間或后觸發(fā)時(shí)間。在觸發(fā)事件發(fā)生前或事件正在記錄數(shù)據(jù)時(shí)，新獲取的數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)在一個(gè)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(cè)量項(xiàng)目中的 Scope View 可以與TwinCAT 項(xiàng)目同時(shí)并存在一個(gè)相同 Visual Studio®解決方案中，那將會(huì)帶來巨大優(yōu)勢(shì)。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(duì)于用戶在分析時(shí)是非常有用的。與此同時(shí)，因?yàn)?Scope View 有其自己的項(xiàng)目，它在一個(gè)解決方案中可以依賴其自身生存，即獨(dú)立于 TwinCAT 項(xiàng)目。如果一個(gè) Runtime 系統(tǒng)上沒有 Visual Studio®，Scope View 會(huì)自動(dòng)安裝 Visual Studio® 框架并將其自身集成到這個(gè)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(dòng)化有限公司 TwinCAT 產(chǎn)品經(jīng)理

應(yīng)用

在最初開發(fā) TwinCAT Scope 時(shí)，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(shí)是以同步周期的方式進(jìn)行，即使周期時(shí)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(shí)間更快的速度掃描信號(hào)。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(shí)呈現(xiàn)為一個(gè)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(dòng)軸，因?yàn)榭梢栽趫D表或 Y 軸中并行查看和比較信號(hào)，甚至在記錄時(shí)。XY 曲線圖繪制功能可以用于圖形化地顯示驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行路徑 — 特別是對(duì)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(gè)驅(qū)動(dòng)軸以及所有關(guān)鍵參數(shù)：在 Project Wizard 中選擇一個(gè)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(gè)本地 Scope Server。這兩個(gè)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(cè)。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(dòng)或自動(dòng)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(gè)絕對(duì)時(shí)間軸上顯示后臺(tái)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(gè)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(dòng)和縮放。

長期記錄自然會(huì)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�?duì)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(píng)估。

舉例

1 ms 的現(xiàn)場總線周期時(shí)間等于 1 kHz 的采樣率。

這里以 65 個(gè)通道為例，即使僅一小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就超過 3.8 GB，其中包括時(shí)間戳。有時(shí)并不需要以控制周期時(shí)間為采樣率記錄每一個(gè)過程記錄。驅(qū)動(dòng)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(gè)通道設(shè)置一個(gè)采樣率。例如，如果 40 個(gè)整數(shù)變量的采樣率從每秒鐘 1000 個(gè)值降低到每秒鐘才 1 個(gè)值，內(nèi)存的使用量也會(huì)減少為每小時(shí) 1.5 GB。

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(gè)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(shí)中，能夠在不同的 CPU 核上以不同的周期時(shí)間執(zhí)行實(shí)時(shí) PLC、NC、C++ 或 MATLAB®/Simulink®任務(wù)。這樣，自動(dòng)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(gè)或多個(gè) CPU 核來顯示信號(hào)。對(duì)于 Scope 配置內(nèi)的每個(gè)圖表，用戶都可以靈活選擇用于信號(hào)顯示的CPU核和處理性能。對(duì)于復(fù)雜圖表，例如 XY 圖中具有多個(gè)通道和軸，一個(gè)圖表可以使用多個(gè) 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(gè)核上的顯卡負(fù)載，底部：所有四個(gè)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(duì)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(shí)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(gè)繪圖庫：GDI+ 和 DirectX。對(duì)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(jì)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(jì)，可以顯示比通過CPU進(jìn)行GDI+繪制時(shí)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(hào)顯示性能。

舉例

在一臺(tái)采用 Intel® Core™ i7 2715QE 2.1 Ghz 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(shí)顯示 60 個(gè)信號(hào)。通過從 GDI+ 切換到 DirectX，以及通過將每個(gè)圖表分配給一個(gè)或多個(gè)專用的 CPU 核，能夠現(xiàn)場記錄和顯示 230 多個(gè)信號(hào)。圖 3 顯示了在這一記錄過程中的 Scope View，在這里，所有信號(hào)都在 1 ms 的周期時(shí)間內(nèi)采樣。

圖 3：CX2040 上的 Visual Studio® 宏，Scope View 中有 230 多個(gè)信號(hào)

這兩個(gè)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(gè)控件集成到一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè) 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(jí)更新。這一產(chǎn)品受益于七年多的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。它簡化了應(yīng)用程序開發(fā)過程中的工程工作，同時(shí)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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