國家同歩輻射研究中心使用NI LabVIEW完成Archive System

Author(s):
蔡 宗達 - 財團法人國家同步輻射研究中心

Industry:
Energy/Power, Electronics

Products:
LabVIEW, Internet Toolkit, CompactRIO, FPGA Module, Toolkits, Data Acquisition, Software, Distributed I/O, Real-Time Module

The Challenge:
希望能透過網路在任意時間與任意地點來監視儀器設備的狀態、趨勢與歷史記錄，進而找出影響加速器不穩定之關聯性。

The Solution:
為提供友善且單一的人機應用程式進行資料的記錄、分析、進而診斷機器的功能，遂在PC-BASE架構下利用LabVIEW強大的圖文及儀控功能，整合了軟體層與硬體層各類儀控設備，開發一套分散式資料擷取平台(Archive System)，這系統軟體層整合了各類開放式通訊協定與資料庫, 而硬體層則整合各廠牌的DDC，PLC，Power Meter，與資料搜集等裝置。這些原始訊號的資料將透過網路被彙整至光纖磁碟陣列系統，遠端則提供一直覺觀測軟體，進行比對分析等功能。

同步輻射加速器是一座龐大且複雜的機器，其儀控設備包含真空、磁鐵、RF、水、空調、低溫、電力、輻射安全、光學等裝置，這麼混雜的領域所採用最佳化的儀控設備也不盡相同，為了解加速器運轉的穩定性與各儀控系統的關聯性，必須整合這些儀器的控制系統與資料搜集系統，並採用單一介面之應用程式，希望能透過網路在任意時間與任意地點來監視儀器設備的狀態、趨勢與歷史記錄，進而找出影響加速器不穩定之關聯性。

 

Archive System是一套以LabVIEW 為主題，而發展的歷史觀測、比對之分散式資料記觮系統，它突破傳統工業用歷史記錄軟體的限制，利用LabVIEW與其相對應的toolkit所提供的各種儀器的通訊協定與驅動程式支援，使得我們易於開發對各種儀器設備的資料擷取軟體-- Archive Server，而Client端則提供單一、友善與彈性化的人機軟體– Archive Viewer，只要透過網路，就可以觀測到各類儀控設備的狀態，進而比對分析，其主要功能分述如下：

l   Archive System網路架構

為了資料透通性，我們將這混雜網路架構分為五個層次如圖1所示，分別由上而下有 remote viewer level, data service level, data processing level, controller level and device level，基本上這類的儀控設備在底下三層至少有一層級會提供開放的通訊協定或驅動程式，我們使用LabVIEW 可以在任意層級撰寫軟體來擷取原始資料，而資料的儲存將在data service level進行，採用光纖磁碟陣列系統以維持快速穩定的資料儲存，而除了提供上層remote viewer level各種資料伺服的服務外，本層也提供檢驗機制，不管資料擷取電腦有問題或底層IO超過上下限都將透過電子郵件與簡訊方式通知系統維護人員，使系統達到更高穩定與可靠度。

 

圖1Archive System網路架構

 

l   多樣化的資料擷取Archive Server

為了整合各類儀器裝置，如Ethernet, RS485/RS232, 1394, GPIB, USB 或特定的DAQ卡片，一般硬體廠商都會提供軔體或驅動程式來讓我們取得原始資料，可透過直接撰寫程式，或呼叫DLL or ActiveX 函式庫來進行，這種儀器裝置通常是最易自行定義且有著快速的資料擷取速度。然而有些系統則採用工業用或商業用的控制系統，如DDC, PLC, DCS or RTU，這類系統通常使用UDP, DDE, OPC, Modbus, SQL (structure query language) database來交換資料，這方面目前也已完全整合了Johnson, Sauter, AB, Simems, Mitsubishi, ABB, Advantech 各種廠牌的裝置，其資料擷取階層架構如圖2所示，除此外為了進行資料快速擷取與資料同步化，我們也建構一層NI CompactRIO的網路，並透過NI PSP的特有通訊協定來交換資料，達到全面分散式資料擷取與中央儲存之管理。

 

 

圖2資料擷取階層架構

 

l   直覺式 Archive Viewer

由於LabVIEW提供強大的圖文功能，我們採用此發展一直覺式的Archive Viewer軟體，讓我們隨時隨地掌握機器的狀況與歷史記錄，其中為了讓上萬點的資料有效的管理與分組，採用Tree view的型式呈現，而歷史時間的追蹤，更是提供月曆型式的物件來呈現，因而一般技術員層次人員，不用經過訓練也可以輕易掌握系統資訊。

而資料的取則得是採用FTP方式來與遠方資料庫連結，此方法可使資料分散式地座落在各資料管理伺服器，而且此軟體提供開放式的資料路徑，讓往後相異的資料庫也可使用同一介面來取得資料繪圖，繪圖的資料如果有需要更可以輸出文字檔與Excel檔，圖形也可進行週期性輸出至印表機。

在這繪圖資訊中提供幾個常用的功能，如the zoom(in, out, pan), scale define(log/linear, auto scale, range scale), data filter(delete zero, delete negative, delete threshold), show cursor value等如圖3所示，而除了繪圖資訊的呈現，比對分析功能是我們主要目的，在這裡提供幾個分析方式(overlap, normalize, two axes, eight drawings, moving mean, moving standard deviation, curve fitting)如圖4所示，但分析演算功能是永遠無法滿足使用者需求，此軟體亦提供代數數列的演算，也就是說使用者可以進行代數數學符號的加、減、乘、除與函數計算，如圖5所示，大大提供演算的便利性，更進一步整合了Mathscript更複雜演算法，只要透過FTP就可以嵌入Mathscript演算邏輯並繪圖顯示其結果。

 

圖3 Archive Viewer的座標指示功能

 

圖4Archive Viewer的比對功能

 

圖5 Archive Viewer的代數演算功能

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蔡 宗達
財團法人國家同步輻射研究中心
新竹市 科學園區 新安路101號
Taiwan

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