摘要：工业现场数据采集系统是获取设备运转信息、监测设备和产品状态和品质的重要组成部分。将采集到的信号进行分析，通过统计学方法、时频域及其他变换域分析方法可以有效地发现设备运转过程中和产品中存在的质量缺陷。本文通过采用倍福（Beckhoff）CX系列控制器、双通道同步采样模块（EL3632）和加速度传感器和速度传感器实现振动加速度和速度的数据采集，在上位机通过TWINCAT 3实现对数据的获取与数据分析。
1.引言
随着计算机控制技术、工业现场总线技术和微机电系统的发展，针对自动化生产设备的数据采集系统为设备正常运转和产品质量监控提供了有力的数据支撑。针对设备或产品的数据采集是将被检测对象的物理、化学等参量通过合适的传感元件进行转化后，在通过信号的调理、量化和编码等步骤变为数字信号，在经过信道（如工业现场总线）传输至控制单元进行存储和处理的过程。
工业现场数据采集与一般场景中的数据采集系统有所不同，首先工业现场环境较为恶劣，工业粉尘、噪音、强光等对设备影响较大；其次，大功率变频器和伺服电机驱动器的电磁波辐射会对现场信号传输和数据采集设备工作的可靠性产生较大影响，较为严重的情况下可能导致信号畸变与传输数据的丢失；最后，针对高速运转的设备，需要进行较高速率的实时同步采样才可满足数据采样需求。针对以上问题，采用德国倍福公司提供的CX系列控制器进行数据的存储与处理，通过EL3632双通道数据采集模块实现最高50KHz的双通道同步采样，在数据传输中，采用支持EtherCAT工业现场通信的E-bus实现采集数据的传输，从而有效地解决了数据的多通道同步采集、数据传输、存储及处理中的可靠性问题。本文将在接下来的章节中着重介绍倍福软PLC控制技术，以及采用的双通道同步数据采集模块EL3632及数据处理业务流程。
2.Beckhoff软PLC实时控制技术
传统工业现场控制构架通常包含有上位机（工控机），下位机（PLC）和上下位机通信模块。上位机由于其高性能的CPU和较大内存，可以进行较为负责的数据处理并寻优进行控制角色的选择，下位机PLC主要负责对设备的直接控制，同时进行简单的模拟量和数字量的输入输出控制。这种控制构架较为复杂，在项目现场调试时需要分别对上位机和下位机程序进行调试，而且需要针对上下位机通信时可能存在的通信故障进行排查，确保数据传输的可靠性与可信性。而Beckhoff公司采用的软PLC控制技术（software PLC）通过在嵌入式视窗操作系统（如wince，win7p）虚拟出PLC运行时（Runtime）的方式，对设备、执行机构或输入输出模块进行控制，如图1所示。
图 1虚拟PLC
众所周知，视窗操作系统由于其特性，并非实时操作系统，在执行硬实时要求的运动控制等任务时无法胜任。通过英特尔CPU虚化技术（intel CPU virtualization）可以将CPU资源单独开辟出部分用于PLC实时核运行，通过周期扫描的方式显示对特定机构或设备的实时控制。基于此，Beckhoff提出了基于视窗的实时自动控制技术TwinCAT（The windows Control Automation Technology），并开发出相应的自动控制集成开发环境TwinCAT 2/3，如图2所示，在多核CPU系统中，由于CPU资源较为丰富，可以虚拟多个PLC Runtime实现不同的控制需求，。其中TwinCAT 3与微软结合更加紧密，与微软开发的Microsoft Visual Studio兼容性较好，通过插件的方式实现在Visual Studio中的自动化应用开发，同时可以在原生VS中实现上位机的开发，并将两者整合发布后在控制器中运行。
在TwinCAT集成开发环境中，针对PLC编程可以采用IEC 61131-3标准中规定的梯形图（LADDER），结构化文本语言（STL），GRAPHICS等。采用TwinCAT软PLC实现工业实时控制具有以下较多优势:
1)开放，兼容的PC硬件
2)嵌入式IEC 61131-3软件PLC，Windows NT / 2000 / XP / Vista中的软件NC和软件CNC，Windows 7，嵌入式NT / XP，CE
3)编程和运行时系统，可选地一起在一台PC上或分开
4)连接到所有常见现场总线
5)PC接口支持
6)通过开放的Microsoft标准（OPC，OCX，DLL等）与用户界面和其他程序进行数据通信。
3.双通道同步采集模块介绍
为满足多点同步高精度数据采集的需求，本实验系统采用双通道同步超采样模块EL3632实现双通道的同步数据采集（如有更多采集点同步采样需求，可以通过串联方式显示多点同步数据采样）。EL3632模块如图3所示。
图 2多PLC任务
图3 EL3632模拟量输入模块
该模块利用E-Bus方式加入EtherCAT工业现场总线，通过在TwinCAT环境中配置，可以实现最高50倍扫描周期的采样（扫描周期1ms时）。因此，该模块可以实现最高50Khz的采样，如表1所示。该模块的主要参数如表1所示
表1 EL3632主要性能参数
4.数据处理业务流程
针对采集数据的实时处理业务可以利用多PLC runtime的方式在虚化出的多个任务中运行，通常数据采集业务的扫描周期会短于数据处理的扫描周期，因为数据处理相对于数据采集来说所需计算量更大，更加耗费CPU资源。有两种方式可以实现数据的处理，针对不复杂的运算，如数据均值、方差等统计信息，可以通过编写相应的PLC程序实现，而较为复杂的运算如求取数据的快速傅里叶变化、数据的功率谱密度等可以采用自带的工具软件实现，如TF3600/3601工具包。TF3600/3601可以实现的数据处理如下表所示：
表2 TF3600数据处理功能
5.系统搭建与实验
实验平台搭建采用一块Beckhoff CX2020系列控制器作为控制单元和数据处理单元，采用一块EL3632作为数据采集模块，双通道连接一个IEPE结构加速度传感器（型号：311V02-100）和速度传感器器（型号：CA-YD-160）。EL3632与控制器连接通过E-Bus，架构如图4所示。
图 4采集系统架构
数据采集任务对应的扫描周期为1ms，设置如图5所示，数据处理任务对应扫描周期为1ms，设置如图 所示，EL3632超采样周期为10倍数据采集周期，即数据采集频率为10KHz。该系统运行后，
图 5采样周期与超采样
采集到的信号如图6所示，对其求取功率谱密度，得到结果如图7所示。
图 6振动信号
6.结束语
本文介绍了一种基于Beckhoff CX系列控制器的数据采集与处理方案，利用软PLC技术实现上位机与下位机一体化工业控制，并通过EL3632实现对振动加速度和速度数据的10倍超采样，采样频率为10KHz。最后针对数据进行分析处理，求取数据的功率谱密度。
图 7功率谱密度
作者简介
孟勇（1982-12），男，汉族，籍贯：安徽六安市，当前职务：部门经理，当前职称：副研究员（副高），学历：本科，研究方向：自动化装备、智能机器人。
论文作者:孟勇,左根明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
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