USB数据采集控制器在工业控制中的应用

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。

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。

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。

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，使用以上介绍的系统结构可能不满足要求。LabJack U12提供了提高系统可靠性的条件，可以避免系统在计算机死机时造成的问题。
3.1 采用外部电源为LabJack U12供电
如果采用USB供电方式，在计算机司机重启时会造成U12失电而被复位，因此建议采用外部电源为其供电，甚至可以考虑使用小型UPS供电，因为U12耗电很少。U12的自保持特性保证了在计算机重启过程中的所有输出值和状态保持不变，这样就不会使得过程被中断。而在程序重启后可以读入当前状态以继续原来控制过程。
3.2 使用看门狗功能
U12有看门狗功能。它可以检测到和计算机的通讯是否正常，当计算机死机时，通讯就会丢失，看门狗就会动作。使用看门狗的输出口（默认为D0口）可以进行报警或自动复位计算机。在此期间，整个过程将按照原来的方式或设定运行。
3.3 使用冗余技术
冗余技术是提高系统可靠性的一个常用技术，图4是一个采用冗余技术的系统图。其中关键的设备是OD25-USB和两台互相连接的电脑。当然LabJack是采用外部电源供电的。

图4：采用冗余技术的工控系统
  
一般情况下系统由主控机控制，备用机也同时运行，但它主要用来执行系统历史数据的查询、显示、打印等辅助功能。备用机时刻监视着主控机的数据和运行以便在任何时候接替主控机来控制整个系统，而主控机也时刻监视着备用机，一旦备用机出问题，它也会发出报警信号，提示用户及时更换或修理备用机。
一旦主控机出现问题，U12的看门狗动作，控制OD25-USB把USB通讯切换到备用机上，同时也发出报警信号。备用机在检测到USB的通讯有效后就代替主控机来对整个系统进行控制，直到主控机的控制程序恢复为止，这时备用机输出强制D0为低电平，USB通讯就被切换到主控机上。
整个冗余切换过程十分简单，但很有效。这样的系统可靠性会得到很大的提高，毕竟两台计算机同时出现问题的概率极低。
我们在DAQFactory组态软件中提供了这样冗余系统的程序，为用户的使用提供了极大的方便。
4. 结束语
上面介绍了以LabJack U12组成的PC-Based的工控系统。它不但具有所有PC-Based系统的优点，而且还可以使用冗余技术提高系统的可靠性，实现系统的自恢复性。它不但适合于小系统的控制，也可以很方便地扩展成一个高可靠的、庞大的控制系统，因此其适用场合广泛。
本公司为该系统配备了各种配件，使系统的组成模块化、方便化。系统不但在软件上具有很高的可更新性，而且在硬件方面也有着很强的可扩展性。它不失为一个性能价格比高的系统。