基于​LabVIEW​和​CompactRIO​的​生物​反应​器​加工厂

- Sanka Hettiarachchi, Providev

"作为​开发​人员,​我们​切实​体验​了​LabVIEW​具有​的​系统​级​集成​功能​带来​的​高​效率,​我们​知道​我们​所​选择​的​开发​框架​将使​我们​保持​领先​地位。"

- Sanka Hettiarachchi, Providev

挑战

搭建​一个​全​尺寸​生物​反应​器​加工​厂,​集成​基于​平板​电脑​的​监测​和​控制,​让​学生​了解​工厂​自动​化​以及​传感器​如何​与​移动​计算​平台​相​集成。

解决​方案

通过​使用​多功能​NI CompactRIO​平台​来​连接​致​动​器​和​传感器;LabVIEW​软件​架构​与​NI​扫描​引擎、​NI​共享​变量​和​LabVIEW​数据​仪表​板,​我们​可以​搭建​一个​全​功能​生物​反应​器​加工​厂,​为​学生​提供​基于​动手​实践​的​学习​方法,​帮助​他们​了解​处理​自动​化​的​未来。

作者:

Sanka Hettiarachchi - Providev
​Kevin Kho - Technologies Unlimited

 

将​工业​带​入​课堂中

为​学生​提供​基于​动手​的​工业​知识​学习​体验​一直是​高等教育​的​目标。 学习​体验​越​接近​实际​工业​应用,​学生​对​所​涉及​的​概念​以及​真实​世界​的​挑战​的​理解​就​会​越​深刻。 南洋​理工​大学​化学​工程系​的​教师​希望​搭建​一个​全​功能​生物​反应​器​加工​厂,​让​学生​可以​在​实验​室​中​生产​酸奶。

 

这​一​设想​是​构​建​一个​生物​反应​器​工厂,​其中​包含​四​个​生物​反应​器​以及​比例​积分​微分​(PID)​控制​的​水​加热​装置,​学生​可以​通过​平板​电脑​实​时​查看​数据,​监测​并​控制​温度​设置​值。 通过​分析​各种​输出,​学生​可以​验证​加工​操作,​并​对​记录​的​加工​数据​进行​分析,​以​确定​热​平衡。 我们​的​目的​是​创造​一种​尽可能​接近​真实​环境​的​学习​体验。

 

这​一​构想​是​Kevin Kho​先生​先后​与​新加坡​南洋​理工​大学​以及​Providev​和​NI​一起​进行​初步​讨论​时​面临​的​挑战。 我们​的​使命​是​搭建​一个​先进​的​加工​厂​以及​开发​一个​集成​平板​电脑​的​应用。

 

Providev​是​NI​的​联盟​伙伴​之一,​拥有​八年的LabVIEW开发​经验,​是​NI​销售​团队​向​客户​推荐​的​项目​开发​和​集成​支持​厂商。 CompactRIO平台​和​LabVIEW​完全​可以​满足​客户​的​这些​需求。 新​推出​的​LabVIEW​数据​仪表​板​及其​改进​功能​恰好​可以​帮助​我们​无​需​跨​平台​开发​即可​连接​平板​电脑。 这个​工具​和​强大​的​NI​开发​者​社区​支持​对​项目​的​成功​起​到了​非常​关键​的​作用。

 

 

系统​概述

实验​室内​的​加工​控制​厂​包括​以下​几个​子​系统​(如​图​1​所​示):

  1. 反应​器​A、​B、​C​和D
  2. 水​回流管
  3. 冷水管
  4. 热​水管
  5. 蒸汽​输入

 

三​个​CompactRIO​实​时​控制器​用于​监视​和​控制​子​系统。 两​个​cRIO-9075​控制器​共同​控制​四​个​反应​器,​其中​所有​水​参数​(冷​热水​温度​和​贮​水​水位)​由​其中​一个​控制器​进行​控制。 所有​参数​都可以​通过​以太​网​实​时​监测​并​发送​到​教师​的​PC,​然后​通过​WiFi​发送​到​学生​的​平板​电脑​(图​2、​图​3​和​4)。

 

使用​正确​工具​满足​需求

我们​需要​反应​器​参数​显示​器​和​控制器​必须:

  1. 通过​电阻​温度​检测​器​(RTD)​传感器​反馈​和​电磁​阀​执行​器​驱动​温度​控制​回路
  2. 监测​RTD​传感器​和​4-20 mA​的​传感器;​控制​4-20 mA​模拟​执行​器​和​230 VAC​电磁​执行​器;​读​取​24 V​工业​I/ O​以及​执行​频率​测量
  3. 提供​快速​开发​和​部署,​以​在​紧凑​的​时间​进度​表​内​完成​项目
    ​可​通过​平板​电脑​轻松​查看​监测​的​数据​以及​发送​特定​控制​信号​指令
  4. PC​与​控制器​相​连接
  5. 小巧、​坚固,​因为​仪器​柜​的​空间​有限
  6. 满足​设计​需求​且​成本​最低

 

通过​需求​分析,​我们​确定​了​一个​适合​该​应用​的​理想​小型​CompactRIO​系统。 CompactRIO​支持​的​各种​C​系列​模​块​可​满足​所有​类型​的​控制​和​测量​信号​连接​需求。 由于​C​系列​模​块​具有​内​置​信号​调理​功能,​因此​传感器​布置​和​连接​非常​简洁​明​了。 我们​选择​了​以下​模​块:

 

模块

信号​类型

传感器/​致​动​器​连接

NI-9203

8​通道,​±20 mA,​200 kS/​s,​16​位​模拟​电流​输入​模块

直接​连接​用于​监测​的​pH​传感器​信号

NI-9217

4​通道, 100 Ω RTD, 24​位​模拟​输入​模块

直接​连接​所有​RTD​温度​信号,​以​提供​反馈​温度

NI-9481

4​通道​继电器​[30 VDC(2 A), 60 VDC(1 A), 250 VAC
​(2 A)]

直接​驱动​230VAC​电磁​阀​进行​水流​控制

NI-9422

8​通道,​24 V​至​60 V,​250 µs,​漏​极/​源​极​数字​输入

流量​传感器​的​水位​传感器​测量​和​脉冲​频率​测量

NI-9265

4​通道, 100 kS/​s, 16​位, 0​至​20 mA​模拟​输出​模块

驱动​气​动​阀​以​控制​热水​箱​加热

 


​表​1. CompactRIO​模​块​信号​连接

 

一个​2 Hz​温度​控制​环​路​足以​满足​反应​器​和​热水​温度​控制​的​需求。 因此,​我们​决定​使用​NI​扫描​引擎​接口​来​加速​我们​的​开发​进度。 NI​扫描​引擎​接口​为​选定​模​块​提供​了​基本​功能​和​底层​FPGA​代码。 我们​的​开发​人员​只需​在​LabVIEW​项目​中​插入​模​块​和​I/​O​就​可​配置​LabVIEW​项目,​从而​轻松​获得​可​立即​用于​测试​的​基本​I/​O​连接。 使用​NI​扫描​引擎,​我们​无​需​连接​任何​代码​就​可​控制​和​监测​信号。

 

使用​项目​范​例​更​快速​开发

确定​初始​系统​需求​和​验证​I/​O​连接​后,​下​一个​步骤​是​确定​应用​系统​架构。 在​这​一​阶段,​LabVIEW​内含​的​项目​范​例​就​起​到了​非常​重要​的​作用,​因为​这些​项目​范​例​为​我们​提供​了​一个​可​扩展、​记录​详细​的​起点,​完全​符合​我们​的​整体​系统​需求。 我们​使用​的“基于​CompactRIO​的​NI LabVIEW​实​时​控制​(RIO​扫描​接口)”项目​范​例​模板​包含​了​丰富​的​文​档,​清晰​地​解释​了​代码​的​工作​原理​以及​添加​和​修改​功能​的​有用​意见。

 

LabVIEW​范​例​项目​向导​可​帮助​我们​创建​全​功能​项目,​其中​包含​了​CompactRIO​扫描​引擎​接口、​实​时​应用​程序、​主机​通讯​和​采样​监测​和​控制​用户​界面。 我们​可在​可​扩展​的​文件​夹​结构​中​清晰​地​组织​所有​代码。 作为​开发​人员,​我们​切实​体验​了​LabVIEW​具有​的​系统​级​集成​功能​带来​的​高​效率,​我们​知道​我们​所​选择​的​开发​框架​将使​我们​保持​领先​地位。

 

开发​团队​以​上述​项目​作为​起点,​定制​和​修改​了​模板​项目,​使​其​满足​应用​的​需求。 在​项目​的​最后,​我们​将​模板​扩展​至​CompactRIO​系统,​并​在​项目​模板​的​基础​之上​实现​了​许多​附加​功能。

 

集成​平板​电脑,​无​需​跨​平台​开发

客户​希望​能​开创​全新​的​下一代​学习​体验。 通过​iOS​和​Android​平板​电脑​监测、​控制​过程​控制​系统​并与​之​交互​是​该​构想​的​一个​主要​部分。 我们​有​信心​实现​这​一​构想​主要是​由于​用于​LabVIEW​的​数据​仪表​板​应用​程序。

 

使用​iOS​上​的​这个​免费​应用​程序,​我们​的​工程​师​可以​通过​实​时​数据​更新​制作​精美​的​学习​页​面,​所有​数据​均​通过​主机​PC​的​NI​共享​变量​接收。 通过​利用​LabVIEW​中的​Web​服务​支持​和​数据​仪表​板​应用​程序,​我们​能够​以​最小​延迟​显示​监测​的​数据,​且​学生​可以​输入​他们​的​电子​邮件​地址,​请求​在​每​个​实验​室​操作​后​将​记录​的​数据​通过​电子​邮件​发送​给​他们。 由于​在​iOS​上​创建​的​仪表​板​无​需​任何​修改​即可​与​Android​平板​电脑​完全​兼容,​因此​进一步​加快​了​开发​过程。

 

在​项目​完成后,​我们​成功​地​将​iOS​设备​连接​至​系统​而无​需​进行​任何​跨​平台​开发​工作​(图​5​和​图​6)。 平板​电脑​开发​工具、​设备​和​聘请​专门​应用​程序​开发​人员​所需​的​成本​基本上​要​达​数​万​美元。 但是​借助​数据​仪表​板​应用​程序,​我们​节省​了​大量​的​开发​时间​和​工作。

 

 

结论

帮助​学生​学习​和​体验​工业​系统​的​未来​需要​一个​明确​的​理念​和​合适​的​工具。 NI​硬件​和​软件​提供​了​所需​的​工具​来​帮助​我们​以​最大​效率​和​效益​满足​这些​需求。

 

NI​不再​为​LabVIEW​更新​Data Dashboard,​并且​App Store​或​Google Play​也​不再​提供​Data Dashboard​下载。​对于​基于​LabVIEW​的​Web​应用​程序,​如有​需要,​建议​使用​WebVI。

 

作者​信息

Sanka Hettiarachchi
Providev
​Singapore
​Singapore
​Tel: (65) 90077375
sanka@providevintl.com

​ ​生物​反应​器​加工​厂​系统 ​
​ ​系统​硬件​配置​概​览 ​
​ ​实验​室​设置 ​
​ ​安装​在​电器​柜​中的​CompactRIO ​
​ ​LabVIEW​数据​仪表​板​屏幕​截​图 ​
​ ​LabVIEW​数据​仪表​板​屏幕​截​图 ​