工业控制自动化行业解决方案

工业控制自动化行业

解决方案生产线自动化、钢铁冶金、机器制造、石油天然气、建筑结构监控、绿色节能与安全、水处理、电力与能源、机器状态监测、矿业、轨道运输、饮料加工、汽车行业......ni.com/pac/zhs

在1700℃高温下优化控制性能

Nucor钢铁厂的节能与优化

■16NI安全保障，FedEx使命必达FedEx货机全自动灭火系统■52

观奥运、享激情，一切尽在掌控

奥运鸟巢的结构健康监测■46华北平原上，原道的守望者长距离管道泄漏监测系统■40

NI工业控制平台—PAC（可编程自动化控制器）

NI PAC，以LabVIEW适合工业应用的图形化软件开发环境为核心，兼备可编程逻辑控制器（PLC）的可靠性，PC的多功能与开放性，以及自定义电路的灵活性。为工业自动化领域的新兴测控需求提供新一代的技术与完备的解决方案。

NI PAC助您快速完成：

精确测量

作为全球测量软硬件的引领者，NI将实时、精确的采集以及高级分析功能添加到严苛的工业环境应用中。为监测和控制打好基础。

高速控制

NI PAC拥有实时操作系统，配合独有的FPGA（现场可编程门阵列）芯片，帮助您自行定义并实现最可靠最高速的控制回路。

广泛连接

高性能的NI PAC能够方便地和您现有的系统通信，并可快速连接到HMI和企业级软件，实现生产管理自动化。

基于NI PAC的工业自动化架构

第三方管理网络

LabVIEW数据记录与监控(DSC)

HMI

PDA

数据库

SCADA

工厂监控管理系统

控制器开发软件

NI PAC开发平台

图形化的编程环境，开放灵活的平台内置丰富函数实现高级算法

支持包括61131标准在内的多种开发方式

NI PAC硬件第三方设备

CompactFiedPoint

PXI

PLC

工业控制器

CompactRIO

温度、压力、振动、继电器等各种传感器实时以太网I/O视觉系统运动控制

信号与传感器

NI PAC系统以LabVIEW软件为核心，不仅能够实现高性能测量和控制功能，还可以快速连接到工厂监控管理系统，帮助工程师优化现有系统的性能。

主要产品推介

NI LabVIEW图形化的开发环境，为要求严格的工业测量和控制应用提供了独一无二的灵活性和易用性。您可以：● 快速创建友好的工业用户界面通过以太网发布到硬件中运行丰富的分析和控制算法● ● 更多信息请登陆：ni.com/labview/zhs借助LabVIEW数据记录与监控（DSC）模块，您还可以集成NI和第三方OPC服务器，连接到已有PLC系统，完成实时的数据记录与分析，并具有警报和事件管理机制。DSC是您开发HMI/SCADA应用的理想工具。更多信息请登陆：ni.com/dsc/zhsNI Compact FieldPoint简单易用的分布式控制器，NI CompactRIO轻巧坚固、高性价比的工业实时控制器。配合带有FPGA的底板，满足您最高要求的工业测控应用。完成数据记录、高级分析和过程控制功能。更多信息请登陆：ni.com/compactfieldpoint/zhsNI CompactRIO为您提供以下性能：● 内置信号调理的模块，直接连接到任意传感器集成FPGA的底板实现高速高可靠性控制应用适应恶劣环境、抗冲击50g、工作温度范围-40 ℃到70 ℃NI PXI系统高性能密集型工业控制器上千种NI和第三方模块可供选择，理想的生产管理主控制器。更多信息请登陆：ni.com/pxi/zhsNI 工业触摸屏和显示器● ● ● 更多信息请登陆：ni.com/compactrio/zhsNI 智能相机● NI 运动控制系统● 集成工业图像传感器、采集设备、图像处理器和开发软件通过各种基于PXI、CompactRIO的电机控制模块完成运动控制6寸、12寸触摸屏以及更大尺寸的平板PC● 实现零部件的定位、识别、缺陷检测与测量● 易用的软件快速实现系统原型并生成LabVIEW代码● WinCE操作系统● 紧凑坚固的结构适合工业现场监视和控制● 易于集成到LabVIEW统一平台下更多信息请登陆：ni.com/motion/zhs● 更多信息请登陆：ni.com/vision/zhs直接连接可编程自动化控制器更多信息请登陆：ni.com/hmi目 录目 录NI工业控制与自动化行业案例集生产线自动化

PC还是µC？何不选择兼具两者优点的CompactRIO三个月，照明专家Sylvania的全新生产线每天检测两百万支铅笔？绝非天方夜谭！高效核对药品标签，确保患者生命安全

钢铁冶金

合作与超越，为PLC添加更高的测控性能在1700 °C高温下优化控制性能闲庭信步般实现“稳、准、快”降低成本还能提高指标，你相信么？

机械设备制造

在数千米深海行走自如的“蜘蛛侠”会思考的车，还是能直立行走的轮子？随时随地打印斑斓世界

高速压铸机控制——举重若轻，一挥而就电池分拣，您还依赖手工完成吗?

石油天然气

打造油井钻探的新型武器为油井配备全方位的贴身保镖管线不再堵塞，能源畅通无碍

原油——运筹LabVIEW之中，配送千里之外华北平原上的原道守望者

建筑结构监测

续写千年古塔的不老传奇为桥梁健康把脉

观奥运、享激情，一切尽在掌控保障乘客安全，刻不容缓

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目 录目 录NI工业控制与自动化行业案例集绿色工程

减少水银排放，让天更蓝，水更清NI安全保障，FedEx使命必达捕捉温室气体排量变化的蛛丝马迹量化问题，解决问题，绿色就在身边降低噪音，“静”化环境安全、快速、舒适的未来医院

水电设备的健康顾问给核电站多上一份保险

水处理

真水无香漾滇池

机器状态监测

机器状态 尽在掌握

汽车行业

跟上自动化的需求

食品饮料加工

一秒四！拥有属于自己的独特标签卡夫的“黑匣子”

矿业

防微杜渐 安全作业

轨道运输

差之毫厘，谬以千里

货物的自动分类就是这么简单车厢控制——打破封闭，提升性能智能控制系统让您的旅程更舒适

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电力与能源

6GE生产飞机发动机的历史可以追溯到1917年，为美国开发第一款飞机发动机“Booster”。多年来，GE也在不断钻研新的技术以维持其在飞机发动机生产厂商中的地位。GE中国采用了NI CompactRIO作为电火花加工机床的主要控制器，用于飞机发动机关键零部件的加工。PC还是µC？

何不选择兼具两者优点的CompactRIO

GE中国开发数控机床的电火花加工（EDM）过程控制器

在

工业生产中，我们需要各种形状的零部件，在现在，通常采用数控机床来实现对于细小零件的高精度加

制器首先通过100 kHz的模拟采集获得电火花放电间隙的信息，传送到CompactRIO底板的FPGA中，进行EDM伺服控制算法的处理，判断当前工艺处于开路，短路还是正常放电状态。然后通知加工电源和CNC采取相应的措施，调整机床的运动速度等。FPGA程序采用LabVIEW图形化语言进行开发，采用状态机结构，程序的最高循环周期可达到ns级。最后CompactRIO自带的实时操作系统还可以向上位机——带有Windows操作系统的工控机发送波形，

工。电火花加工（EDM）则是目前被广泛应用的一种加工方式，非常适用于高硬度导电工件的加工。它利用脉冲火花放电原理来腐蚀金属，使其被切割成型。GE中国的研发部门同样使用了数控电火花成型机床，对于飞机的关键零部件进行加工。

CompactRIO同时具备强大的功能和开放性

“传统的电火花放电加工过程控制器采用两种方法来设计：基于PC或者基于微控制器µC。”通用电气中国研发工程师詹移民介绍道：“前者实时性能弱，功能不强，稳定性差；而后者虽然功能

强大，却开放性差，最终用户无法修改，并且维护困难。利用NI CompactRIO开发的EDM过程控制器克服了两者的缺点，吸收了两者的优点。”

进行显示和控制。这样既可以断定每次电火花放电的好坏，操作者又可以直观的看到放电间隙的状况。

统一平台下完成对实时系统和FPGA硬件的开发

“我们利用NI LabVIEW和CompactRIO开发的EDM过程控制器与传统的方法相比加工时间大为减少，刀具损耗费用显著降低。”詹移民如此评价道：“而且这种控制器开发周期短，一个三层的分布系统：Windows平台，实时操作系统和FPGA硬件平台均采用LabVIEW编程，仅用两个月就能完成整个系统的开发。”

电火花放电系统主要由数控机床（CNC）运动控制器，EDM过程控制器和机床组成。CNC控制器负责机床的运动和辅助控制；EDM控制器则实现电火花放电加工工艺。EDM控

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NI工业控制与自动化行业案例集7

三个月，照明专家Sylvania的全新生产线利用机器视觉和运动控制改进现有系统，实现灵活的灯管生产线Sylvania生产线工厂Sylvania（西凡尼亚）公司是目前全球领先的光源及照明生产商之一，产品包括白炽灯、节能灯、固体LED灯等，曾被应用于上海金贸大厦、悉尼歌剧院以及巴黎地铁等地标性建筑物。为了开发体积更小的金属卤化物灯，Sylvania需要更新他们的生产线。仅三个月，Sylvania的工程师们在NI的LabVIEW以及PAC平台的帮助下便完成了这一开发，实现了快速投产。“我们需要更优化更灵活的灯具生产机器”

作为全球知名的照明生产商之一，Sylvania也推出了一系列的金属卤化物灯产品。他们已有的生产线采用的是标准的压板方法。也就是使用两个金属块挤压的方式使得围绕在电极周围的融化的玻璃定形，形成密封的灯罩。“我们Sylvania在比利时Tienen的工厂专门负责金属卤

金

属卤化物灯早在1961年就已问世，金属卤化物灯的出现显著提高了灯的显色指数和发光效率。经

化物灯的研发，新一代的金属卤化物灯产品将会有更小的体积，所以需要能够非常方便地改变所有的生产参数，”Sylvania的研发工程师Danny Hendrikx说：“原来的生产线采用的是基于PLC的系统，其灵活性无法满足我们的需求。”

过四十多年的开发和研究，金属卤化物灯的工艺日趋成熟，由于它的高光效，高显色性及寿命长等原因，受到了各国的青睐，被誉为新一代的绿色节能光源。

8NI工业控制与自动化行业案例集

NI PAC平台提供PC级的灵活性

Sylvania的工程师们对于新系统提出了一系列要求：首先，开发者可以对于不同的生产步骤和生产参数进行定义，并且需要自如地调整各步骤运行顺序。而操作者则需要一个全自动的操作界面，所有的操作步骤都已经被定义好，并有相关的操作指南进行指导。此外，同样的一个系统需要被用于生产多种不同的灯具。在更换生产的产品时，也要求有非常快的切换速度。

LabVIEW是项目的核心

“LabVIEW是整个项目的核心。我们在一套系统当中，同时使用了机器视觉和运动控制系统，并完成了对于CO2激光的精确操作。而基于LabVIEW的开发，使得我们比预定时间整整提前9个月就完成了项目。”Danny说道：“将来我们还要在系统中添加新的功能，包括测量灯管的容积，进行精确的统计等，以完成进一步的改进。”

与NI的工程师讨论后，Sylvania的研发工程师们确定了方案：采用NI带有FPGA的智能PAC产品，配合机器视觉以及运动控制平台，完成整个生产线的监测与控制工作。

机器视觉与运动控制集成的高效方案

在最终的设计中，NI的机器视觉采集设备被用于获取从1394相机中拍摄的玻璃灯管的图片，并传输到NI机器视觉助手中对于图片进行处理。NI机器视觉助手软件中集成了多样的图像处理算法，可以得到玻璃灯管的直径值，通过计算还可以获得放置电极的精确的定位点。机器视觉拍到的灯管图象之后，在两个线性伺服电机的控制下，灯管与CO2激光对准，并由激光进行加热。伺服电机的精度能够达到1.2 µm/30 cm，而CO2激光则由FPGA发送5 kHz的PWM波形进行控制，以保证时间上的确定性。当加热完成之后，NI的运动控制器将控制伺服电机和两个步进电机，精确的安放玻璃灯管中的电极并进行贴箔，从而完成整个灯管的生产。

整个系统的安全性完全由FPGA上运行的程序来保证：在FPGA芯片上运行的程序可以达到ns级的确定性，一旦发现问题能够在最短的时间内做出响应。

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NI工业控制与自动化行业案例集9

每天检测两百万支铅笔？绝非天方夜谭！

Soliton平台仅用16周开发出铅笔自动化检测与分拣系统

Soliton公司是一家在美国和印度运营的高科技公司，主要为客户提供机器视觉及自动化测试测量解决方案，其客户包括通用电气、波音、IBM等全球500强企业。在这个案例中，Soliton需要为一家世界排名前五的印度铅笔制造商设计一套全自动彩色铅笔分拣和质量检测系统。借助NI PAC硬件平台，以及LabVIEW、NI Vision Builder等软件，Soliton的工程师在16周内就完成了整套系统的开发，很快提高了客户的产能。人工检测无法满足快速、高标准的要求

铅笔制造过程中很重要的一道工序是用两片切削好的带槽木

相

信每个人都使用过由木材包层和石墨铅芯所组成的普通铅笔，而且大多数人都遇到过诸如木材劈裂

片包裹住圆柱形的铅芯。在这个过程中会引入一些质量问题，例如铅芯的缺失和偏移等。而且由于木材是一种天然材料，本身就可能具有一些缺陷。两片木片如果具有不同的纹理也会影响铅笔的质量。客户过去用120名工人进行人工质量检查，尽管消耗大量人力资源，检测的吞吐量依然有限，而且检测结果并不可靠。“例如一些发达国家市场要求铅芯偏移不超过300微米，依靠人工检查是不可能的。”Soliton的工程师Anand Chinnaswarmy提到。

等质量问题。当然，由于铅笔本身是一种价格便宜的消耗品，一般人默认这种情况是正常的。但是，要成为全球知名的铅笔制造商，则更需要一套检测系统以避免这种情况，达到更好的产品品质，从而进入高端市场。与此同时，这套系统必须具有很高的检测速度和灵活性，以提高企业的整体效率。

10NI工业控制与自动化行业案例集

采用灵活、易用的NI 软硬件产品

这家铅笔制造商对于新系统提出了一系列要求。首先，需要保证功能上的可靠性，能够准确检测出各种不合格的情况，并将合格的彩色铅笔按照不同铅芯颜色进行分拣。检测速度需要满足大吞吐量要求，每秒钟至少能够完成23支以上的铅笔检测。同时，该系统必须具有一定的灵活性，能够针对不同层次消费者的质量要求设定不同的检测参数。此外，客户还要求该系统能迅速投入使用，并且尽可能少占用厂房面积。当然，成本也是永远需要考虑的重要因素。

值得一提的是，NI交互式的机器视觉开发软件VisionBuilder AI帮助Soliton大大缩短了该项目的开发周期。即使不了解图像处理的专业知识，工程师们也可以用Vision

最终，Soliton的工程师们决定采用NI PAC平台开发该系统，选择机器视觉和数据采集方面的硬件产品，通过简单易用的NI Vision Builder AI软件进行图像处理和检测算法的验证，最终结合LabVIEW软件完成整个系统的开发。

Builder AI进行图像处理和检测算法的快速验证，还可以将这些算法直接转换为相应的LabVIEW代码。“没有NI提供的这些快速开发工具，我们绝不可能在16周的时间内成功开发出如此高速、可靠的分拣系统”Anand说。相应的分拣履带，从而完成铅笔的自动检测和分拣。

铅笔自动分类检测设备拍摄到的铅笔图像铅笔自动分类检测设备检测流程组图机器视觉、运动控制和数据采集的巧妙应用

Soliton的工程师们在铅笔生产线的传送带两旁放置了两台数字相机，正好对准一支铅笔的两端，然后通过NI图像采集卡将采集到的图像传给处理器进行实时处理和分析。同时，他们通过运动控制设备设置传送带速度，并在传送带转轴上安装了正交编码器，从而可以通过NI数据采集设备获取当前位置信息。他们在传送带下游安装了若干个空气喷，可以通过数据采集板卡的数字输出驱动某个喷喷射出压缩空气。结合前面获得的转轴位置和速度信息，就可以靠空气压力将满足某一条件的铅笔从传送带上吹落下来，落入

16周完成系统开发，绝非天方夜谭

借助最新的虚拟仪器和机器视觉技术，Soliton开发出了这套全自动铅笔检测和分拣系统。该系统紧凑、高效、易用，并且大大提高了检测的可靠性。印度自古是一个充满传奇的国度，然而使用了NI PAC平台及相关软硬件产品，在16周内开发出每天检测200万支铅笔的自动化系统，也绝非天方夜谭。

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NI工业控制与自动化行业案例集11

高效核对药品标签，确保患者生命安全

全自动，高效率，可靠稳定

的医用标签检测设备

Graftek公司为工业，医疗和图像处理提供完善的解决方案。其产品包括光源，相机，图像采集硬件及处理软件等。医药产品的标签需要保证完全可靠和安全。Graftek基于NI机器视觉、运动控制及LabVIEW平台，开发出了能够高精度地检测医药产品标签的自动化设备LabRead仪器，被多家医疗机构所采用，据估计能为用户节省超过$60,000的检测费用。NI机器视觉产品用于酒瓶标签检测“是

药三分毒”。服错药，不仅不能治愈疾病，严重然后，LabRead就可以根据标准自动开始对产品进行逐个识别和判断。NI的运动控制系统将控制药品有序地移动到摄像头下。两个正对着药品两边的摄像头将分别拍下药品两侧的图像，并进行综合分析，最后给出判断结果：“通过”或“不通过”。当所有的药品检测结束之后，LabVIEW将会控制打印机将测试报告打印出来，报告中包含了生产线的核对信息，产品检测状态（“通过”或“不通过”）以及不通过的原因。整个过程，仅仅需要8秒钟就可以完成。

的还将给患者带来生命危险。所以药瓶上的小小标签担任着重要的“防火墙”的作用。美国食品和药品管理局（FDA）一直在努力降低药品标签出错的可能性，

以防止错误的药物流入医院和病人手中，造成伤亡事故。然而，传统的人工检测既繁琐又容易出错，因此医药产品的生产厂家急需高可靠性的自动化系统来取代传统的人工检测方式，以达到更准确，更高效的目的。

高分辨率，全自动的标签检测仪LabRead

“由于在生产线上，所有的药品都被堆在一起，要逐个核对标签的内容和颜色非常困难。而且，要清晰地辨认标签内容，需要很高的图像分辨率。所以，最好的方法就是把每个产品逐一移动到摄像机镜头的范围内进行检测。”基于以上考虑，Graftek Imaging的总裁Steve McCool最终选择了NI机器视觉与运动控制相结合的解决方案，实现了全自动的标签检测仪LabRead。LabRead的检测过程是完全自动化的。首先，计算机将会生成一个标准格式的文件，文件上记录了药品标签上印着的产品说明或者条形码等信息。

LabRead预计可为客户节省$60,000

“在LabRead的系统中，融合了图像处理，运动控制等强大功能，如此一个完美，可靠且灵活的检测系统，如果脱离了LabVIEW环境，就不可能如此轻易就开发成功。” Steve说道：“这一应用再次证明了基于NI产品和技术的系统能够应对工业检测领域的强大挑战。而且，相比现存即用的技术，我们估计LabRead预计可节省$60,000的费用。”

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12NI工业控制与自动化行业案例集

其它相关案例：知名日用消费品生产商利用NI产品生产罐装除臭剂的生产线。原有的生产线由Allen Bradley的PLC控制罐头排成一列，依次灌装。全新的生产线上需要添加压力测量功能，防止罐头压力不均匀。由于PLC的模拟测量采样率无法满足要求，他们选用NI CompactRIO实现高速模拟测量（8通道，2 kHz/通道），并能够实时记录测量数据，并可通过数字I/O线与现有的PLC实现无缝的融合。更多相关信息请登陆：ni.com/industrial/zhsNI工业控制与自动化行业案例集1314合作与超越，为PLC添加更高的测控性能

I2S为自动化轧钢机添加高速的模拟采集和分析

成立于1974年的美国I2S公司在全球范围内专注于生产黑色金属和有色金属的工业轧机设备和控制系统。I2S曾被闻名于加拿大和美国的的《钢铁工程》刊物选为最具有生命力和最现代的轧机设备制造商。作为行业内的先驱和创新者，I2S不断致力于高性能产品的开发。为了提高轧钢机自动化的速度和处理能力，I2S选用了带有高速I/O和实时处理器的NI PAC设备并基于LabVIEW平台快速而简便地实现了轧钢机性能的优化。轧

钢机就是通过压力对金属进行加工，将其制造成各种所需形状的机器。早在14世纪，达·芬奇绘制了

能提供高速模拟I/O和高级处理能力。

世界上第一款轧钢机的草图。至今，人们仍然在使用这一工艺，生产出了汽车板、桥梁钢、螺纹钢、镀锡板甚至火车轮等各类钢材。而轧钢机的自动化程度也随着时间的流逝，不断的发展和创新。现在，人们逐渐把自动化的元素添加到了轧钢机的系统中，使用PLC等各类可编程控制器对轧钢机进行控制。

CompactRIO实现高速I/O及高级处理

I2S的工程师Clark Hummel在多种方案中选择了NICompactRIO平台作为其解决方案。CompactRIO不仅能够在恶劣环境或系统控制临界点提供可靠性和坚固性，同时具有高速模拟I/O和高级信号处理能力。将基于伽玛射线的厚度传感器与CompactRIO的模拟输入模块相连，CompactRIO中的实时处理器处理从传感器接收数据，并

生产线上，PLC无法快速计算钢材厚度

I2S公司自1974年成立以来，就专注于轧钢机设备的生产并成为全球的先驱者和创新者。他们通常使用伽玛校正系统的精确厚度控制来提高轧钢机的效率和质量。整个系统使用伽玛射线传感器进行厚度检测，并需要具有高速、高精度的模拟I/O和高级处理能力的控制器将传感器信号转化为金属厚度。然而，用于自动化轧钢机的传统PLC却不

利用内置的函数将数据直接转化为精确的厚度值，最后通过以太网络将数据发送到联网的PLC中。利用CompactRIO底板上的FPGA芯片和实时处理器进行运算，CompactRIO可以完成所有I/O和信号处理，并将高精度厚度测量值直接插入以太网数据包中，并保证不减慢原有的PLC系统中的控制回路。

PAC与PLC简易快捷地集成

Clark Hummel在他的文章中说道：“借助LabVIEW，可以对CompactRIO的FPGA和实时处理器进行快速编程。且CompactRIO和PLC都带有网络功能，只需做较小改动就能将PAC与已有的PLC成功地集成，优化轧钢机的性能。”

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NI工业控制与自动化行业案例集15

在1700 °C高温下优化控制性能

Nucor公司成功运用NI PAC平台改造马里恩炼钢厂

Nucor公司以美国和加拿大作为主要生产基地，是世界最大的钢梁钢板制造商以及美国最大的钢筋制造商，其产品广泛用于汽车、建筑等行业。Nucor同时也是北美最大的循环材料利用企业。每

天，世界上大约三分之二的钢材是由废旧钢铁经过重新冶炼而制成的。相比直接使用铁矿石这样

的初级原料，废铁回炉再炼不仅可以节省铁矿石资源，而且可以减少60-74%的电力消耗，整个北美因此而节约的电能能够满足1800万个家庭一年的能源需求。但是通过废铁回炉生产合金的过程有较高的技术要求，不仅需要控制好添加的碳素及其他金属原料比例，还要控制好炉温，因此需要根据原料的多少不断调整供电量。Nucor公司收购马里恩钢铁厂之后，成为了全美最大的废旧钢铁回收利用公司。为了进一步节能增效，并保障生产环境的安全性，Nucor决定对马里恩工厂原有生产线进行全面的自动化升级改造。

废铁回炉过程中的精打细算

在马里恩工厂，废铁的边角料被投入电弧炉（EAF）中加热融化，并加入碳素或其他金属炼成具有高附加值的合金产品。这个过程需要大量的电能，而且所需电量取决于投入电弧炉的废铁角料数量。在马里恩工厂被Nucor兼并之前，操作工人只能根据估计来判断炉中废钢的重量，因此常常造成过度加热的情况，这时，生产出的产品达不到质量标准，需

16NI工业控制与自动化行业案例集

2005年，Nucor收购了位于俄亥俄州的马里恩钢铁厂，随后采用NI的CompactRIO等PAC平台对其生产线进行了技术改造。改造后的生产线自动化程度大大提高，产生了显著的综合效益。Nucor工程师Dave Brandt要回炉再炼，就造成了额外的时间、能源和成本的花费。为了减少这种情况，Nucor采用NI PAC产品CompactFieldPoint和图形化编程工具LabVIEW开发了一套原料称量系统，可以自动并准确称量每一炉的入料量，从而可以精确计算出所需的电能。在使用这套系统之前，马里恩工厂只能偶尔对入料量进行抽样检查，造成的回炉重炼次数多得甚至无从记录；而在这套系统投入使用之后，在2007年全年6000多炉作业中，一共只有10 次需要回炉重炼，不仅提高了生产效率，而且大大减少了能源消耗。

接近预先设定的警戒水平，系统就立即切换控制参数以减小输入功率。“通过NI PAC平台，我们能够主动监控用电量，尽最大努力减少了企业对马里恩市居民生活的影响。”Nucor工程师Dave Brandt说。

以人为本，为员工打造更安全的工作环境

Nucor一向将安全生产视为头等大事，因此在兼并马里恩钢铁厂之后，立即着手打造一个更加安全的车间操作环境。在生产系统的自动化升级改造之前，操作员需要直接手动操作电弧炉的继电开关，如果保险装置出现问题就十分危险。现在，自动化控制系统中采用NI Compact FieldPoint

减小电网压力，做对社会负责的企业

由于耗电量巨大，钢铁循环冶炼所造成的另一个问题是严重增加马里恩小城的电网负担。马里恩市的三万多居民过去不得不忍受电网上的电压闪变，作为罪魁祸首的这家钢铁厂也常常因为峰值用电功率太大而遭受罚款。作为坚持企业社会责任的公司，Nucor决定针对马里恩工厂里的电弧炉开发一个在线用电量监控系统。这次Nucor的工程师们仍然想到的是NI PAC平台：他们利用NI可编程自动化控制器CompactRIO实现了对用电量的实时监测，一旦

和一个人机操作界面（HMI）实现了开关切换的远程控制。操作员只要用指尖轻轻点击触摸屏电脑就可以轻松安全地控制大功率开关。

基于NI提供的软硬件平台，Nucor成功开发了一系列自动化系统，为企业带来了显著效益。“这些自动化系统的运用，大大减少了企业的电能消耗，并且消除了安全隐患。”Dave Brandt说，“相比于传统的用梯形语言对PLC进行编程，NI PAC平台和LabVIEW图形化开发工具的应用使控制系统的开发效率提高了十多倍，大大降低了工业自动化的实现成本。”

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NI工业控制与自动化行业案例集17

闲庭信步般实现“稳、准、快”

杭州钢铁实现对于原料混合系统的精确监控

具有50多年历史的杭州钢铁集团公司是我国的百强企业。进入新世纪，杭钢集团以建设精品作业线为目标，用高新技术改造传统产业，先后新建了一批具有世界先进水平的生产线。在本案例中，杭钢集团与求是科教设备有限公司合作，利用NI PAC平台对现有原料混合系统进行改造，对冶铁原料的混合过程进行高精度监测和快速控制。钢

铁冶金行业原有的原料混合系统存在着控制精度低、操作复杂等问题，直接影响到最终成品的含铁

全新的生产线操作体验

传统系统由的多套系统组成（例如温度测量、压力测量、转速控制等），每套系统都有相应的计算机和人机界面，运行时需要多人负责监视和操纵。新的系统将多种功能统一到一个平台上，而且通过工业以太网连接多个车间的PAC，实现数据交换和远程控制。这样就可以通过总监控台对每个车间的生产情况进行实时监控并生成报

量。现在，基于NI PAC平台，可以实现一个灵活、坚固的闭环控制系统，具有比传统PLC更快的响应时间。同时，新系统还具有成本低、体积小、精度高、易于操作和维护、扩展性好等特点。

控制更快、精度更高、成本更低

传统的控制系统采用PLC，其典型的控制循环周期为100至500毫秒。使用NI PAC平台之后，杭钢集团的原料混合系统控制循环周期降低至50毫秒，改善了产品质量。在NI PAC平台基础上，有多种输入输出模块可供灵活选择，借助NI在测量领域的领先地位，可以做到很高的输入输出精度；而且可以使用体积很小的采集模块代替体积庞大的传统采集器，从而提高了系统的集成度。

表。所有工作只需一人即可完成，大大提高了生产线自动化程度。

NI为PAC硬件平台提供了极为方便的软件开发工具。开发人员借助简单易用的NI LabVIEW控制设计工具包设计并实现了PID算法。统一的软件环境再加上NI一系列硬件模块所固有的灵活性，使杭钢集团这套原料混合系统的开发时间缩短到原定计划的1/5，降低了项目的综合成本。NI模块化的PAC平台下，拥有多样的模块可供选择，从而也进一步降低了未来系统维护和升级的成本。

智能PID控制器LabVIEW程序界面本系统的LabVIEW界面18NI工业控制与自动化行业案例集

杭钢集团的二次料场原料混合车间企业的福音

该原料混合系统现已成功应用于杭钢集团的二次料场原料混合车间。工程师赵志巍在撰文总结该系统开发的成功经验时写道：“使用NI公司的PAC平台，简化了原来的硬件

设计，大大缩短了系统的开发周期，降低了开发风险，提高了系统的灵活性和控制的准确性。在完成相同功能的情况下，总体成本只是原来的二分之一，而且系统体积也大大减少。”

整个系统由测量传感器、信号隔离调理、数据采集、数据分析处理、控制计算、控制信号输出等部分组成。系统中转速、温度、压力等信号经过传感器以及必要的信号调理后输入数据采集模块，再在控制器上经PID算法计算得到模拟量和数字量输出信号从而形成闭环控制。通过工业以太网可以连接多个控制器和总监控台上的人机界面。ni.com/industrial/zhs

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NI工业控制与自动化行业案例集19

降低成本还能提高指标，你相信么？基于PXI和实时操作系统提高轧钢机控制速率和精度Pitel Engineering公司主要从事多种用于冶金工业的热&冷轧钢机加工线的设计和生产。为了提高轧机的控制速度和精度，他们选择了带有实时操作系统的NI可编程自动化控制器（PAC）平台来取代已有的基于PLC的监测和控制系统，同时降低了成本和开发周期。黑

色金属和有色金属加工工业中通常使用冷轧机来制造均匀厚度的钢板，作为日后深加工的材料。要想

输入并改变辊对钢板施加的压力，从而确保钢板的厚度与设定值尽可能地接近，提高钢板的质量。

获得高质量的钢板，轧钢机中就必须带有高精度、高速度的监测和控制系统，实时调节轧钢机的力度，从而快速而准确地控制轧钢机的自动化加工过程。

在系统中PXI-6040用于获取钢板厚度并产生辊所需的压力信号；PXI-6602计数器板卡用于测量编码器的输出以决定辊的运动速度；PXI-6711模拟输出模块用于控制伺

万里挑一，“我们选择NI PAC”

Pitel的研发工程师Shekar Patil提到：“为了实现这个复杂的系统，我们对多种平台进行了比较，最终选择了LabVIEW Real-Time和PXI硬件，实现了坚固的在线冷轧机厚度监测和闭环控制系统。和PLC相比，该系统具有更快的响应速度、更高的监测精度和更少的人工干涉，并能实现每周7天，每天24小时的连续运行。”

服阀来改变液压缸位置，从而控制钢板的厚度。“我们面临的另一个难题是需要一个常规的按钮式控制板，可以在意外时使用，例如当实时系统和主机间的连接断开时。使用PXI-6527工业数字输入/输出模块，可以很容易地解决这一难题。”

PAC平台提高控制速率并降低开发时间

“相比传统的设备和PLC，NI PAC平台增加了灵活性且降

系统使用厚度计量仪来实时监测钢板的厚度，并以微米级的精度测量其与设定点的偏差并形成模拟信号输入到硬件。系统有两个辊，一个是固定的，另一个是可动的，与液压缸相连。可动的辊根据输入信号向钢板上施加所需的压力来对钢板进行加工。位置传感器用于确定液压缸的位置并为控制器提供与钢板厚度相关的数字量。编码器与旋转的升降辊相连，表明钢带运动的速度。利用从多种传感器中获得的数据，运行LabVIEWReal-Time的PXI控制器在快速及确定的时间内响应这些

低了响应时间，并提高了产品质量。在一个典型的基于PLC的系统中，控制循环速率是100到500 ms；而使用基于PXI的控制系统，我们将循环的时间降低为10 ms，提高了输出的质量。我们还利用PXI背板来同步测量。另外，由于我们使用了单一的开发环境和灵活的硬件，系统的开发时间减少了1/6，从而降低了整个项目的成本。”

ni.com/pxi/zhs

20NI工业控制与自动化行业案例集

从钢材的熔炼，压铸直到切割，NI PAC为您提供更快的控制循环，更高的测量精度，更自动化的生产线以及更少的开发成本。更多相关信息请登陆：ni.com/solutions/zhsNI工业控制与自动化行业案例集2122Nexans的水下挖掘机Spider准备入海工作在数千米深海行走自如的“蜘蛛侠”

NI CompactRIO为Nexans打造高精度水下挖掘机Spider

作为世界电缆业的领先者，Nexans（耐克森）公司服务于全球基础设施、工业、建筑业及局域网四大领域。针对天然气田Ormen Lange的开采，Nexans研发了水下挖掘机Spider（蜘蛛）。基于NI CompactRIO平台实现的Spider能在环境极其恶劣的深海中进行挖掘和管道铺设，且简易地实现了高精度的远程控制。1

997年，Ormen Lange天然气田在挪威的东海岸被发现。这是在挪威架上发现的第二大天然气田，

命令发送给Spider处于1000米深度下的挖掘机。通过ActiveX控件还能够将三维模型实时显示在屏幕上，帮助操作者观察Spi-der的动作。

Ormen Lange意为“长蛇”，大约有40公里长和8公里宽，它具有每年两百亿立方米天然气的生产潜力。但整个气田位于海平面3000米以下，对它的开采面临着极大的挑战。

极端条件下的高性能的开采装置

在开采Ormen Lange天然气田的过程中，面临着极其恶劣的环境——低于零点的温度、有暴风雨的海洋和水下湍急的水流。另外，将天然气从海底输送到处理工厂所需的管道必须从多岩石的地形中穿过，这样才能保证管道无支撑的部分不会轻易的损坏。这些极端条件都对完成开采所使用的工具提出了极高的要求。为了解决这个问题，Nexans公司开发了Spider，它是一种远程控制的水下挖掘机，用于平整海床，为在海平面深处陡峭的斜坡和多岩石的地形上架设管道做准备。

三个用于工业控制和信号采集的分布式NI CompactRIO系统被安装在IP62 密封箱内，它们长期放置在挪威海的船上，暴露在严酷的海上环境中，受到大范围温度变化、盐性海洋空气和高湿度的侵袭。这套设备需要进行升沉补偿、吊拉和功率控制等操作并且与LabVIEW主应用程序进行通信，这些算法都在CompactRIO系统上实时运行。

坚固、易于维护的开采系统

借助于人机接口和嵌入式控制的统一编程规范，LabVIEW软件平台帮助Nexans公司开发出了一个在极端情况下也能方便维护的系统，值得强调的是，Spider甚至可以在

克服恶劣环境的远程挖掘机

Nexans选用了基于NI LabVIEW的CompactRIO平台来完成Spider的开发。通过在Spider上安装多个传感器和摄像机，可以实时地显示并更新Spider的全景图和海床模型。在远程控制室里，操作者通过NI LabVIEW软件观察并控制Spider。LabVIEW从操纵杆读取命令，并通过光纤把控制

1000米的深度下提供10到20厘米的控制精度。

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NI工业控制与自动化行业案例集23

会思考的车，还是能直立行走的轮子？

机电一体化设计方式下快速实现思维车模型

Sagway赛格威（Segway）公司开发的思维车，作为一种全新的交通工具，自2001年商业化量产销售以来，被认为是划时代的科技发明。美国伦斯勒理工学院（RPI）的教授Kevin Craig决定带领学生仿制一个类似装置，挑战机电一体化的设计模式。按照传统的设计流程，一次试验失败可能就要整体返工，不仅耽误时间，而且浪费研究经费。然而借助NI CompactRIO平台，这一切变得不再困难。思维车实物赛

格威（Segway）思维车是一种前所未见的崭新交

通工具，借助内置的精密固态陀螺仪和高速的微处理器，它可以自动驱动马达来达到平衡，驾驶人只要改变自己身体的角度就能够自如地左右旋转或者前进后退。这是一款真正意义上的人类运输器，并且不需要任何平衡技巧。

伦斯勒理工学院的Craig教授负责“机电一体化系统设计”课程的教学工作，在这一门交叉学科中，学生们在课程学习中可以接触到电气工程、机械工程、自动控制和计算机科学等多领域的相关知识。在征得Segway公司许可后，Craig教授领导的开发团队决定对思维车进行仿制，让学生直接体验机电一体化的设计模式。

CompactRIO和LabVIEW提供了统一平台，为团队合作扫除障碍

一切从零开始，工作量不可小觑。然而在开发伊始，Craig教授就遇到了不小的困难：系统设计工作分为若干部分，如果让某些学生专心负责一部分（例如设计控制器或传感器的外围电路），那么他们就只能得到某一方面的实践经验，这显然与Craig教授的初衷相违背。而且如果某一部分的设计出现失误，可能导致其他人也需要返工，这不但将花费更多时间，也会使Craig教授在经费方面为难。显然，Craig教授需要一个现成的可编程自动控制平台，将学生从具体而细节的工作中出来，从而能够有更多精力考虑并设

Craig教授展示自己的双轮平衡车计不同的控制算法——这才是这门课程最重要的内容。令人兴奋的是，Craig教授找到了NI可编程自动化控制器

24NI工业控制与自动化行业案例集

CompactRIO。CompactRIO结合图形化的LabVIEW开发工具为机电一体化设计提供了一个极佳的平台。CompactRIO机箱小巧而坚固，能非常方便地固定在小车上。此平台还兼具灵活性，可以插接多种模拟或数字I/O模块，即使反复修改设计也不需要担心因硬件返工而耽误时间，此外还可以将算法代码部署到不同的执行平台上。扫除障碍的Craig教授终于可以全力指导学生完成整个设计了。

遥控操作同样成为可能

仅仅达到复制的要求？不，我们可以设计出更强大的平衡车。团队在LabVIEW PDA模块的帮助下开发了平衡车的遥控装置。通过PDA就能够直接连线CompactRIO控制器，观察小车的运行状态（例如车速及电池剩余电量等）。在未来，无线将不是梦想，借助CompactRIO配合无线路由，未来的使用者甚至不需要站在车上，就可以远程操作装载着重物的平衡车进行移动。

软硬件的无缝结合

为期四个月的开发过程大致可以分为模型仿真验证、原型设计验证、系统整合调试等阶段。在每个阶段，都有NI的软硬件产品协助Craig教授的团队尽快实现目标。在模型仿真阶

Craig教授的学生与他们开发的双轮平衡车双轮平衡车内部结构段，开发团队利用LabVIEW控制与仿真模块设计了全状态反馈（FSF）控制器，控制算法中采用了线性二次调节（LQR）技术。随后，他们决定

搭建两个验证原型：一个形制较小，主要用于测试各种传感器，取得传感器数据并验证控制算法；另一个更接近真实尺寸，电机马力也更强劲，可以搭载真人或重物。

假设我们以站在车上的驾驶平衡的秘诀自动平衡车的运动过程主要建立在“动态稳定”的基本原理上。以内置的传感器来判断车身所处的姿态，通过控制器快速计算出适当的指令，驱动电机运动达到平衡的效果。NI LabVIEW软件为基于CompactRIO的应用提供了极为友好的开发环境，使得软硬件联合调试非常顺利。由于整个开发过程使用了统一的软件环境，因此从仿真设计阶段到两次原型验证，代码只需要做很少的修改。例如，将代码从第一个验证原型移植到第二个验证原型只需要将部分I/O接口重新定义，整个过程仅用了几个小时。可重用的代码大大提高了系统的开发效率。

者与车辆的总体重心纵轴作为参考线，当这条轴向前倾斜时，电机会产生向前的力量，一方面可以平衡人与车向前平衡车原理倾斜所产生的扭矩，另一方面产生让车辆前进的加速度。相反，当传感器发现驾驶者的重心后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果。因此，驾驶者只要改变自己身体的角度向前或向后倾斜，小车就会根据倾斜的方向前进或后退，而速度则与驾驶者身体倾斜的程度呈正比。只要小车有足够的电在平衡车的开发过程中，整个团队发挥才智，战胜了许多困难和挑战，但是Craig教授认为他们最引以为傲的成就在于：从概念设计到建模分析验证、控制设计、原型设计、再到最终系统实现，他们一共只用了短短的四个月！Craig教授将这归功于采用了统一的NI平台：“NI软硬件平台天衣无缝的紧密结合，才使我们所做的这一切成为可能。”

力，车上的人就不用担心会倾倒跌落，这与一般需要靠驾驶者自己进行平衡的独轮车或滑板车等工具大大不同。ni.com/compactrio/zhsni.com/mechatronics/zhs

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NI工业控制与自动化行业案例集25

Boston Engineering公司为多种工程领域的用户提供解决方案，以帮助其更快地将产品推入市场。为了帮助其客户建造自助式数码照片打印亭，Boston Engineering公司为其设计一个精度高、速度快、成本低的张力控制器，以保证照片的打印质量。Boston选择NI PAC平台来实现整个控制器的仿真、原型构建直至部署，不仅降低了成本，还获得了比市场上同类产品高出10倍的打印速度。随时随地打印斑斓世界

NI机电一体化方案快速构建照片打印系统，完美重现精彩瞬间

保证照片打印质量，需要高性能张力控制器

Boston Engineering公司应客户的需求为数字打印亭设计控制器。在打印机中，由驱动电机将彩色媒体卷轴送入打印头，并使用收紧电机和进给电机来控制张力。在整个

相

机的诞生让我们将这个五彩斑斓的世界尽收眼底，数码相机更为我们的工作和生活带来了极大的便利。

过程中，绞刀头的振动、一次照片打印数量的变化以及两个电机中任一个转速的变动都会影响照片打印纸的张力。如果张力没有被准确地控制，配准误差会导致照片色彩发生偏差。从而降低打印照片的质量。因此精度高、速度快

然而，相比于拍照，数码照片的冲印则显得不那么便捷。照片的打印能否像ATM机一样随时随地，立等可取呢？

26NI工业控制与自动化行业案例集

的张力控制器在整个打印设备中显得极为重要。为了对张力进行控制，他们用两个模拟霍尔效应传感器监测两个活动辊的位置，从而间接控制打印纸的张力。与此同时，产品开发成本也是项目开发过程中的重要问题之一。

NI CompactRIO取代了原来的系统。NI CompactRIO整合了嵌入式实时操作系统以及FPGA芯片，并能够在统一的LabVIEW环境下进行开发，同时还有多样的数字I/O、模拟I/O或者总线通信模块可供选择。在设计过程中，他们将用户定制的信号调理电路与CompactRIO上的模块相连，

为满足客户的需求，Boston Engineering提出了一系列要求：“我们需要性价比很高的开发工具，用于开发基于计算机的机械、电气和嵌入式软件控制的仿真，图形用户

实现了多样的功能：两个脉冲宽度调制信号来控制两个电机；两个编码器提供两个电机的速度反馈；两个模拟输入通道供霍尔传感器探测活动辊位置。

机电一体化的开发方式实现完整设计从建模、仿真、原型到最终发布界面（GUI）和系统功能原型验证，并且之后我们还能有效地将它们转化成最终产品。”他们最终选择了NILabVIEW及NI CompactRIO，实现该张力控制器的仿真，原型构建和部署。

最后Boston的工程师们在CompactRIO的嵌入式控制器上实现了监测程序，并在FPGA上实现了电机控制算法，通过自定义的6阶控制算法，保证了照片打印纸的张力，并将系统快速部署到了最终的平台，高速DSP芯片上。

基于NI PAC快速实现系统仿真、原型构建直至部署

利用LabVIEW，Boston的工程师们开发了控制系统，对于热量，张力，灰尘等影响打印质量的因素进行控制。它包含了建模以及对于控制系统和机械系统的设计，改善了整体的控制稳定性和控制速度。LabVIEW图形化的开发模式能够快速构建界面，同时还提供了多种工具包，极大地简化了仿真程序的开发难度。

开发时间短，打印速度却快了10倍

“使用开放式、高效率的LabVIEW图形化系统设计平台，我们可以在仿真、原型构建直至部署阶段节省大量时间。在我们的行业中，节省时间就意味着节省成本，LabVIEW嵌入式技术使我们对客户而言更有价值，在市场中更有竞争力。与建模、设计、测试和目标众多的工具和开发环境相比，LabVIEW嵌入式模块为我们提供了

在整个设计过程中，最为复杂的就是原型构建，通过在pc上将仿真得到的算法在原型上实现，设计者们可以在早期判断设计是否完善。Boston Engineering的工程师ErikGoethert提到：“在以前，我们使用现成的带有可编程DSP、FPGA或微处理器的开发板，以方便在原型构建阶段进行重复配置。然而即便使用了可编程元件，我们还碰到了许多问题，包括必须使用专利语言、缺少技术文档和技术支持、控制器缺乏灵活性、I/O端口数量不足以及不能轻易修改的封闭控制器算法等。”在这个项目中，他们使用了

一套整合工具链，使我们把时间花费在工程上，而不再是语法上。基于NI PAC平台开发的数码照片打印机不仅可靠性好、照片质量高，打印速度也比市场上同类的产品快了10倍。”

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NI工业控制与自动化行业案例集27

高速压铸机控制——举重若轻，一挥而就

采用NI CompactRIO构建大型高速液压压铸机的高速控制系统

EUROelectronics是一家位于意大利的机电系统集成商，受客户委托，需要设计压铸机器的液压缸闭环控制系统。借助NICompactRIO平台，EUROelectronics的设计团队在短短三个星期的时间内就完成了从原型设计到整机调试的全过程。NI CompactRIO在FPGA上实现图形化的PID控制器压

铸机是在压力作用下把熔融金属液压射到模具中冷却成型，开模后得到固体金属铸件的一种工业

的开发，使开发人员不再需要掌握VHDL等复杂的逻辑描述语言。NI CompactRIO平台和LabVIEW FPGA模块的这些优势，使其成为了EUROelectronics团队在开发大型液压压铸机控制系统时的自然选择。

机械。液压缸的位置和压力控制需要非常的精确，由于其高速高压特性，使得此类控制的设计成为系统设计的主要挑战。在这个项目中，客户要求液压缸依照预先设定的速度与加速度参数，以用户定义的轨迹进行移动。在这个过程中，必须保持运动参数的准确和稳定，即使在速度高达10 m/s时依然如此。而在液压缸猛然提速或制动时，则需要以高于1 kHz的循环执行速度完成闭环控制。

构建以CompactRIO为核心的控制系统

液压缸必须精确按照控制台预先设定的位置、速度、加速度等参数进行运动。首先一个问题就是实时采集位置、压力、温度等信号。NI为CompactRIO平台提供了丰富的模拟和数字I/O模块，可对各种传感器信号进行采集。

控制设计与嵌入式设计的结合

在传统的机电一体化设计中，除了机械和控制算法设计外，还需要进行电路设计和嵌入式程序开发等工作，不但费时，而且对开发人员的专业水平要求很高。现在，NI CompactRIO硬件平台和LabVIEW图形化开发环境大大简化了机电一体化设计过程，最大限度降低了系统开发的风险。此外，在CompactRIO平台中还嵌入了现场可编程门阵列（FPGA），支持高达40 MHz的时钟周期，可以使程序具有硬件级的执行速度，这无疑非常适合用于高速闭环控制等应用场合。NILabVIEW FPGA模块软件的推出，进一步简化了FPGA应用

EUROelectronics仅使用两路高速数字输入通道，就可通过位移编码器获得液压缸的当前位置信息。

控制系统在不到1 ms的循环周期中，必须完成位置测量和速度计算，并与设定轨迹参数进行比较，通过PID算法修正控制参数。为了保证液压管路平衡，还必须同时控制液压缸前端和后端的压力，以避免出现破坏性的瞬时峰值。这些要求对于具有极高时间确定性（Deterministic）的FPGA程序来说轻而易举即可做到。CompactRIO以更优秀的实时性表现替代了传统的PLC。

28NI工业控制与自动化行业案例集

EUROelectronics借助CompactRIO快速开发液压压铸机的闭环控制系统大型液压压铸机通过CompactRIO上的以太网接口可以连接上位机。通过在上位机运行的监控界面，操作人员可以设定液压缸运动的控制参数，监视控制效果。通过监控界面还可以看到压力、温度等其他参数，并完成速度平均值计算、最大值统计等实时性要求不高的操作。

在FPGA上实现PID，实现2000倍的速度提升PID算法的参数调整通过一个“真值表”来完成，FPGA根据液压缸的响应参数可以迅速计算出下一周期的控制信号，保证液压装置无论在低速（小于0.3 m/s）还是高速（大于7.5 m/s）运动的情况下都能对其精确控制。通过LabVIEW FPGA模块在CompactRIO平台上进行高速控制系统的开发，使整个项目进展十分顺利。开发人员不需要自己设计电路，也不需要编写底层程序，就可以通过小巧而坚固的CompactRIO实现对大型液压压铸机的高速控制，真是有一种举重若轻的感觉。更令人惊叹的是，整个项目从原型验证到完成整机调试仅仅用了三个星期时间，真可谓一挥而就。“该项目开发周期如此之短，多亏了NI提供的一整套软硬件解决方案。”项目负责人Paolo Catterina如是说。

相比较于一般PLC小于100次/s的控制循环，FPGA下的PID控制算法能够达到最大的时间确定性，获得大于200k次/s的控制速度。同时控制系统能够在短暂而严格的时间周期对液压装置输出控制信号。此案例中，在CompactRIO平台上通过一个模拟输出模块输出液压缸控制信号。ni.com/compactrio/zhs

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NI工业控制与自动化行业案例集29

为填补国内高速电池分拣装备方面的空白，天津大学结合NI PAC及运动控制产品开发完成了自动、多机并联、稳定、高速的电池分拣控制系统。

基于NI PAC平台，不仅使整个系统的成本低于同类产品的

1/3，借助于LabVIEW，更使得整个软件开发周期缩短至一个月。

电池分拣，您还依赖手工完成吗?基于NI PXI与运动控制建造高速电池分拣线数控系统随着便携式电子产品的日益普及，锂离子电池以其能量高、绿色环保等优点，逐渐占领了高端充电电池的控制。上位机根据用户在人机界面上设定的电池类别及位置，运用优化算法生成机械手的运动轨领域，而依据锂离子电池的各种电化学性能参数进行电池分拣是高端电池制造时的必经工序。目前，国外电池分拣一般选用一些知名企业（如ABB、SIG等公司）开发的成套系统，这些设备技术门槛很高，系统复杂，成本高。与此同时，国内在此方面还没有相关研究，分选基本依赖手工完成，效率低、出错率高。为此，研究开发一套多机同步、高速、稳定的全自动电池分拣控制系统显得十分必要。

迹，并将运动轨迹写入运动控制器的缓存中，根据轨迹驱动各伺服电机运行，进而控制机械手和进给平台的运动以实现自动分拣。

数控系统硬件结构研发人员在LabVIEW开发环境下开发了相应的控制系统

NI PXI+运动控制的开放式平台

电池分拣线的主要任务是根据上位机提供的电池分类数据，自动生成机械手的运动轨迹，利用电机控制进给平台与机械手实现分拣。为填补国内此方面的空白，天津大学基于NI公司的PXI上位机系统与PXI-7350高性能运动控制器，搭建了电池分拣线的硬件平台。在该系统中，PXI上位机同时配置两块运动控制卡实现多机械手与进给平台

软件。通过LabVIEW中的通知器同步通信技术实现分拣平台与分拣机械手的高精度运动控制及其时序同步；利用运动控制器Breakpoints高速捕获技术，实时控制机械手抓放电池，完成电池自动分拣。

“NI提供近乎完美的支持”

“硬件上，以NI PXI架构加运动控制器为核心搭建的系统平台，集成度高、运行稳定，整个分拣线的成本比同类产

Diamond600品低1/3；软件上，NI提供的运动控制模块对其运动控制产品提供了近乎完美的软件支持，运用LabVIEW图形化开发环境，仅一个月就完成了整个软件的开发。”

高速电池分拣线布局电池传送带托盘进给平台ni.com/pxi/zhsni.com/motion/zhs

30NI工业控制与自动化行业案例集

机电一体化的开发方式集成了现代机器中需要的机械、电气、控制等多样的功能。并避免了传统的开发模式下开发时间长，以及设计过程中由于沟通而造成问题的缺点。在LabVIEW统一的平台下，机械、电子、控制系统和嵌入式软件的设计被有机的融合在了一起，从设计转化为原型直至最终的发布都能够同时完成：● 机械：LabVIEW Solidworks工具包 电子：仿真工具包 NI Multisim 控制：控制设计、信号处理、系统辨识工具包 嵌入式：实时与FPGA结合的嵌入式平台●●●其他相关案例：DAC（Design & Assembly Concepts）公司在机电一体化的模式下设计了接插件镀锡设备。首先通过LabVIEW开发了相对应的运动控制算法，结合LabVIEW Solidworks工具包，对该算法进行虚拟原型验证，调整相应的参数及进行碰撞检测，最后将经验证的算法直接发布到控制器上，无缝完成了整个实际系统的运动控制与逻辑控制设计与发布。更多相关信息请登陆：ni.com/mechatronics/zhsNI工业控制与自动化行业案例集3132Impact Drilling Group（IDG）是一家在钻井技术方面具有领先地位的公司。该公司利用Compact FieldPoint和LabVIEW开发了一个名为Secure Drilling的压力控制钻井系统，已被多家公司所采用，其中包括雪佛龙、PEMEX、斯伦贝谢、巴西石油公司等石油业巨头。

打造油井钻探的新型武器NI控制系统协助钻井平台的压力监控，提升钻井性能S

ecure Drilling是一种基于压力管理钻井技术（Managed Pressure Drilling）的系统，通过动态

监测，并使用高级控制算法，可以自动控制油井的表面背压，也即反向压力，从而大幅提升钻井作业性能。SecureDrilling能够被应用于一些过去难以开发的油井，减少钻井所需的时间，同时对钻井工人和设备提供了更好的安全保障。Impact Drilling Group在NI PAC平台和LabVIEW软件的帮助下成功开发了这套系统。

PID、无模型自适应（MFA）等多种控制算法

Secure Drilling系统的核心是由LabVIEW开发的自适应控制算法。IDG的工程师在NI LabVIEW实时模块中采用状态机结构对六个进程变量进行监视，并执

行实时数据处理。在主动控制模式下，程序可以自动选择采用PID、无模型自适应（MFA）或模糊控制算法完成自适应控制。MFA为cybosoft公司的专利，无需建模或整定，就可以获得稳定、快速的控制性能。

该实时PAC平台为在恶劣条件下执行控制算法提供了一个坚固可靠的硬件环境。它可以通过多种工业总线协议与油井平台上的其他设备相连接。例如，这里采用了Modbus（RS485或TCP）以及一个自定义的串行通信协议与第三方的流量计和石英压力计相连接。此外，在算法编写时，也

在系统硬件部署之前，IDG的工程师采用LabVIEW控制设计与仿真模块对控制算法进行了设计和仿真。他们收集了实际数据并作为输入参数传递给控制算法进行处理，这样就可以在部署到实际钻井设备之前对控制算法进行验证。在办公室而非油井现场进行仿真和验证可以提高开发效率，降低风险并节约成本。此外，LabVIEW独特的图形化开发环境还使人机界面（HMI）与控制算法的集成不费吹灰之力。

可以在Compact FieldPoint控制器上通过LabVIEW调用用其他语言（如C#/C++）编写好的已有模块，从而为开发者提供了最大程度的便利。在将来IDG打算利用以太网为Secure Drilling系统添加分布式处理功能，从而使系统具有更大的灵活性和更加卓越的性能表现。

Secure Drilling系统的核心是使用LabVIEW实现的控制算法开放的平台，灵活的连接

Secure Drilling系统运行在Compact FiledPoint平台上，

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NI工业控制与自动化行业案例集33

为油井配备全方位的贴身保镖

从CompactRIO到SingleboardRIO，

设计并发布小巧可靠的油井监测与分析系统

Supreme Electrical Services公司是一家提供电子集成服务的全球供应商，主要为陆上石油钻井领域及能源工业领先的控制和仪器提供解决方案。基于NI CompactRIO和LabVIEW平台，Supreme Electrical仅在2个月的时间内就开发出了一套实时、高效的油井监测系统，并采用Single-Board RIO产品最终发布为自有产品，降低了整个系统的开发成本。NI RIO硬件平台提供最佳解决方案

Supreme Electrical公司为油井监测提供了相应的解决方案，他们设计的油井监测系统主要用于在作业期间监测泵的性能。为实现该监测系统，Supreme Electrical之前也考虑过其他的硬件解决方案，但均不能达到高速I/O与分析功能，无法捕获油井压裂泵产生的瞬间压力波峰和振动迹象。最终，他们选择了NI CompactRIO和LabVIEW平台作为该系统的解决方案。

NI RIO应用于油井监测系统中坚固、耐用的监测系统

在

石油开采过程中，为了保证原油的质量和操作人员的安全，就必须对油井内的物理量进行实时监测

Supreme Electrical将CompactRIO安装在上下移动的油井活塞上，利用其模块上的高速I/O采集压力、冲击和振动等信号。CompactRIO中的实时处理器和FPGA对这些数据进行实时、快速地分析，与此同时，还能够通过

和快速分析。这样，操作者就可以实时掌握当前油井内的状态，防止意外的发生。

34NI工业控制与自动化行业案例集

SAE J1939协议传输从引擎和传动系统输出的资料。最终的分析结果显示在用户界面上，这样操作员就可以根据分析结果来决定终止还是继续作业。CompactRIO坚固、耐用的特点，使其完全能够胜任高温、振动的工作环境。CompactRIO的开发，包括实时处理器，FPGA和I/O模块，都是基于LabVIEW平台实现的，这极大地简化开发的难度。“大多数C语言程序员必须花费2年时间才能写好的程序，我们只花了2个月就全部完成了，这可以让我们的产品尽快投入市场，省下来的时间则可以用于超越我们的竞争对手。”Supreme Electrical的工程师RobertStewart谈到。

义的能力，我们最终决定将系统发布到Single-Board RIO中。幸运的是，由于同样基于NI RIO和LabVIEW平台，NI Single-Board RIO与CompactRIO的硬件结构非常类似，我们可以轻松地将CompactRIO转换为Single-BoardRIO，不需要大幅度修改程序代码，即可在Single-BoardRIO中重复使用LabVIEW程序。在项目开发过程中，NI更为我们提供了高品质的产品与技术支持，为我们解决了迫切的技术问题，实现了系统的快速发布，我们很高兴能够与如此专业的团队进行合作。”

CompactRIO至Single-Board RIO的轻松转换

“由于NI Single-Board RIO的灵活性以及更高的可自定

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NI工业控制与自动化行业案例集35

管线不再堵塞，能源畅通无碍Shell采用NI Compact FieldPoint解决能源输送管线的段塞问题Shell是全球著名的石油化工产品供应商作

为“工业的血液”，石油在经济发展中发挥着举足轻重的作用，因此，将开采出来的原油通过输送管

线快捷高效地传送到生产平台显得至关重要。

输送管线的段塞严重影响能源输送

出于经济因素的考虑，常常需要使用单个管线将液态碳氢化合物、燃气以及水从各个卫星矿井输送至生产平台。然而，在单个管线中，隔离的液流和气流可能会引发液体阻塞现象，因为气相的实际速度快于液相的实际速度。液相趋向于在倾斜处和倾斜的管道部分累积，从而引发不规则流的现象，我们称之为段塞。在操作变化时，如启动或者增产，会引发大量的段塞液流，这会导致石油和燃气的大量损失，更严重的甚至可能影响管线两端的设施。

Compact FieldPoint平台保障管线畅通

针对输送管线的段塞现象，Shell公司采用NI CompactFieldPoint平台和LabVIEW软件开发了段塞流的抑制与控制系统“S3”。它由一个位于升管顶端和常见的首阶段分离装置之间的微型分离装置组成。该微型分离装置包含

36NI工业控制与自动化行业案例集

Shell（壳牌）作为一家具有100多年历史的公司，是全球最主要的石油、天然气和石油化工品的提供商之一。利用NI Compact FeildPoint和LabVIEW，Shell开发了一套名为“S3”的段塞流抑制系统，很好地解决了远距离管线输送过程中经常出现的段塞现象，从而大大提高了管线输送效率，降低了维护成本。两个出口，分别用于气流和液流。阀门接受来自控制系统的信号并对两个出口流进行控制。装置中由CompactFieldPoint的I/O模块采集各种压力信号，并在LabVIEW中利用PID以及其它控制算法，对系统进行控制，从而避免了段塞现象的发生。同时在系统中采用了NI CompactFieldPoint的冗余备份，可靠性高达99.95%。“LabVIEW代码可以直接下载到Compact FieldPoint实时控制器中，确保了实时、可靠的操作。控制环路能于PC上的操作系统，从而进一步优化了该控制系统。”系统完成后，Shell成功地在Shell U.K. E&P Gannet-Alpha平台（中北海）现场条件下评估了该系统。

Shell的S3系统原理图LabVIEW使得系统开发快速高效

“鉴于控制算法的复杂度，凭借现有的PLC和DSC工具实现这样的应用并非易事。现在我们可以通过LabVIEW和NI PAC平台方便快捷地检验新的创意并分析其可行性。这样一个过程显著地加快了S3的研发速度。”Shell的工程师Gert Haandrikman介绍道：“此外，无需聘请专业人员，我们仅仅通过几天的培训就成功地在LabVIEW中构建了应用程序。”

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NI工业控制与自动化行业案例集37

原油——

运筹LabVIEW之中，配送千里之外PEMEX使用LabVIEW DSC模块开发原油配送与管理系统

墨西哥国家石油公司（PetroleosMexicanos，简称Pemex）成立于1938年，是墨西哥最大的石油和石油化工公司，也是全球第五大原油生产商。为了加强对各分站原油输送和分配的管理，Pemex采用了NI LabVIEW平台构建了一个SCADA系统，用于集成的、低成本的高效监控，为其避免了每天百万美金的损失。随

着原油资源的日益短缺，越来越多的石油供应商着手提高油田测量与控制的精度，并将底层分散的

以电话或Email的方式与主系统协同。“我们需要一套集成的、低成本的监测和管理系统，以便提高各分站间的协调性，并能利用已有测量系统来实现原油的输送和分配。”

自动化控制与上层的企业级管理信息库连接，从而精确了解生产到配送过程中的每个细节，提高管理的效率。对于这种需求，如何集成已有的设备及现场仪器仪表，并实现信息的透明，成为需要解决的关键问题之一。

PEMEX对该系统提出了一系列要求：该系统必须能与不同协议的网络进行通信，因此PEMEX选择OPC与各分站的设备进行通信；为了降低整个项目的成本，PEMEX

“我们需要集成的监测和管理系统”

作为全球第五大原油生产商，PEMEX每天管理着墨西哥约152万桶原油的输送与分配。之前，其下属的12个分站采用不同的设备及内网协议来监测各自的配送情况，再

需要其内部的工程师开发应用程序；由于在各分站已经安装了测量和控制设备及内部网络，该系统必须能够重复利用已有设备；必须保证系统的网络安全，以避免病毒的袭击和无权限用户的使用。

38NI工业控制与自动化行业案例集

PEMEX使用NI LabVIEW开发原油配送管理系统可靠、易用的监测系统

经过对市面上多种软件平台的评估，PEMEX最终选择了NI LabVIEW和LabVIEW数据记录与监控（LabVIEWDSC）模块来开发该系统，并为其取名为SIMVO。由于LabVIEW DSC能够与各种OPC规范兼容，因此它可以与各分站现场不同的测量设备进行通讯。另外，LabVIEW图形化的编程环境使PEMEX的工程师很容易地开发应用程序以实现各分站测量系统间的通讯、用户界面的设计及报表的生成。

据记录和历史数据的图形可视化，数据流盘，企业内部数据库互联及自动通过email发送报警和事件。

基于LabVIEW可以很方便地集成各分站现场的测量设备，该软件的主要优点是降低了开发应用程序的难度和时间，仅需要LabVIEW和LabVIEW DSC模块即可集成现有测量系统并与企业内网进行通信。

“LabVIEW帮助我们避免了每天百万美金的损失”

“简单易用的LabVIEW帮助我们提高了系统的设计速度，

要实现SIMVO的开发，首先需要对连接到测量设备的远程工作站进行编程。12个分站运行着不同的OPC服务器，这是由相连的设备决定的，例如U.T.R. ROC 3，BristolDPC 3330控制器和Foxboro I/A系列分布式控制系统。PEMEX为每个分站都开发了相应的LabVIEW DSC应用程序，用于将各站的数据及历史趋势实时显示在用户界面上。然后再将数据连接到企业内网，并通过LabVIEWDSC的标签引擎将变量发布到网络上。

并减少了开发成本。在第一阶段，我们已经将该系统安装在12个分站中，这使我们受益颇丰：首先，在整个过程中可以实时监测各点的数据，因此能够更快地做出决策；另外，通过将各分站的所有信息集中并且每日生成报表，使各站的通信更加协调。最重要的是，在原油配送过程中，仅1%的测量误差就有可能造成每天近1百万美金的损失，LabVIEW帮助我们避免了这一损失，我们将把这一系统发布到更多的站点。”

SIMVO主工作站的程序用于监测来自12个分站的所有运行变量（整个系统总共有超过3000个点）。另外，相对于各分站，主工作站的程序还需要有一些附加的功能，如数

ni.com/labview/zhsni.com/labviewdsc/zhs

ni.com/oilandgas

NI工业控制与自动化行业案例集39

针对原油在长距离传输过程中泄漏，导致损失的问题，天津大学基于NI LabVIEW开发了一套实时性较好的监测系统。利用NI硬件及LabVIEW强大的信号处理函数，能够及时而准确地定位泄漏点。目前这套系统已经成功地应用在胜利油田和华东输理局等管线，并取得了可观的经济效益。

华北平原上的原道守望者基于LabVIEW的长距离原道泄漏监测系统“首先，因为不同条件下的信号具有不同的特征，我们利用LabVIEW中丰富的信号处理函数对信号的特征作了深入的分析和预处理，使得系统能够针对不同的信号做出相应的处理。然后，我们采用Signal Processing软件包里提供的小波分析的动态库来捕捉压力波变化的特征点，从而确定泄漏位置。由于管道全线长180公里，我们采用电话网络实现数据通信，各个子站的数据都可以实时传到中心站，线路中断能够自动重新连接。主程序每一分钟调用一次泄漏判断子程序，该子程序综合运用负压波法、压力梯度法和

原

流量差法分析采集到的工况数据，判断是否有泄漏发生。”

油泄漏，不仅造成了巨大的经济损失，还严重地污染了河流、泥土等自然资源。然而，在绵延几千公

简单易用、功能强大的LabVIEW平台

“作为虚拟仪器开发平台，LabVIEW在采集、分析、显示等方面显示出了强大的优势。我们综合运用了数字滤波、中值滤波、频谱分析等信号处理函数，使用起来只需连连线；小波分析软件包也为现场应用提供了很大的方便。我们仅用了两个多月就在实验室完成了全部程序的编写，并很快实现了现场调

里的石道中，检测出原油泄漏的位置并非易事。我们迫切需要的是提高对石道的监测能力，并且及时而准确地定位泄漏发生的位置，以便最大限度地减少损失和污染程度。

当前，对于管道检测国际上已有各种成熟的技术，如压力梯度法、超声波检测法等。然而国外的现成技术不能完全适应中国原油输送的特点，而且价格昂贵。国内，天津大学等多家研究机构也在不断研发适合中国的管道监测系统。

试。”目前这套系统已经成功地安装在临盘-济南和沧州-临邑的两条管线上，并取得了不错的成绩。据统计，在胜利油田临盘-济南管线，2001年3、4月份，共监测到泄漏39次，抓获盗油车辆8辆；在沧州-临邑管线，2001年4、5月份，共抓获盗油车辆17辆，发现泄漏40多处，为国家挽回经济损失数

基于LabVIEW实现实时监测系统

在中国，原油泄漏的主要原因之一是人为，通常由偷油车造成。其特点是持续时间短、泄漏量较大，属于突发事故，对此，天津大学采用了负压力、流量联合等判断方法。他们使用LabVIEW以及NI采集卡平台不间断地采集压力、流量等参数，监视管道运行状况。但由于工业现场存在不可避免的电磁干扰、输油泵的振动等，因此采集到的信号序列附加了大量噪声，如何从噪声当中准确地提取出信号的特征点是定位的关键。

十万元。

ni.com/labview/zhsni.com/signalprocessing

40NI工业控制与自动化行业案例集

其它相关案例：在勘探领域，斯伦贝谢采用NI设备完成钻井冗余控制系统，对已有系统进行备份，并能提供出错报警、监控以及数据记录等功能。在生产领域，阿尔卡特在欧洲最大的油田中实现自动化，采用NI DSC完成了对油田生产流程的监控，实现了注水泵，电子潜水泵等设备的控制。在下游领域，NI PAC的高速采集和处理性能同样可以被成功应用于泵机涡轮等机械的状态监控系统中。更多相关信息请登陆：ni.com/oilandgasNI工业控制与自动化行业案例集4142续写千年古塔的不老传奇

监测Torrazzo钟楼的结构，估算墙体损伤始

建于公元7年，建成于感器接线会引入严重的测量噪声，此外，还必须考虑系统的可扩展性，以适应新的测量需求。

1309年的克雷莫纳教堂钟

楼“Torrazzo”是意大利小城克雷莫纳的标志性建筑。112.7米高的钟楼是欧洲现存最高的中世纪塔楼，同时也是欧洲最高的砖石结构钟楼。然而，饱经风霜的塔楼已出现多处裂缝和墙皮脱落，预示着结构上可能存在的潜在危险。于是，一个由米兰理工学院机械工程学教授GiovanniMoschioni领导的小组开始着手搭建一个测量系统，对塔楼的主体结构进行监测，以求通过塔楼在不同风力和温度条件下的动态数据分析建筑物的结构稳定性。

“我们只是一群对编程略懂皮毛的土木和机械工程师，但LabVIEW帮助我们轻松实现了目标。” Moschioni教授说到，“也许不好估计这套系统相比直接购买现成的测试系统所节约的花费，但是可以肯定的一点是：没有NI的开发平台，我

“健康诊断系统” 确保古塔身体健康

小组最终决定在古塔的上部和下部传感器最集中处分别放置两套NI Compact FieldPoint实时控制器，结合自带信号调理功能的采集模块，满足了监测系统的坚固性要求和传感器通道数需求，同时可以有效减小传感器连线长度。通过RS-485网络，控制器可以与古塔房间内的PC相连，通过LabVIEW程序完成数据的采集、传输、显示、分析和存储。若系统需要扩展，只需要再增加控制器和相关模块即可。

经历了千年的风吹日晒，位于意大利的Torrazzo中世纪钟楼已出现了多处墙体裂缝。米兰理工学院的Moschioni教授领导的小组利用NI Compact FieldPoint实现了对钟楼建筑结构的实时监测，为千年古塔上了一份健康保险。“实时体检”加“定期会诊”方案初步的方案是对塔楼结构的健康状况进行“实时体检”和“定期会诊”。实时体检是通过记录不同风力和风向时振动情况的动态数据建立塔楼结构的动态模型，如果检测到异常振动则能够迅速判断出结构方面的隐患并加以补救。定期会诊则是记录塔楼现有裂缝在不同温度时的错位变化情况。如果裂缝随着温度缓慢地周期性变化，则认为结构是安全的；如果裂缝显现出总体上越来越大的趋势，则需要提高警惕。

借助NI的领先科技，Torrazzo塔楼戴上了一套全天候的实时“健康诊断系统”，愈老弥坚地矗立在克雷莫纳市中心，继续散发着来自中世纪教会的威严气息，续写着千年的不老传奇。们不可能实现这样一套恰好能满足我们所有需求的系统。”始建于7年的Torrazzo古塔采用NI Compact FieldPoint平台进行结构监测由于古塔高达一百多米，需要在顶端中心和四角安装风力计和风速计，在墙体各处安装多个RTD温度传感器、LVDT位移传感器以及加速度传感器。所以必须考虑到过长的传

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NI工业控制与自动化行业案例集43

为桥梁健康把脉应用PAC对东海大桥以及Rion-Antirion大桥进行结构监测随

着区域经济与工程技术水平的发展，同时为了满足日益增长的交通需求，世界上越来越多的地区

域到达浙江嵊泗群岛的小洋山岛。该桥担负着连接上海市区与深水港枢纽的重任，因此需要对桥梁健康状况进行实时监测。监测数据的正确性对于桥梁的评估和研究尤为重要。然而，要全面监测一座超过30公里的特大桥梁，不仅需要在大桥上多个位置进行数据采集，还需要在每个位置上采集不同的参数，如变形、应力、温度、沉降等，因此整个监测系统需要成百上千个采集通道，这是传统的测试仪器无法实现的。而且由于桥梁结构特殊，构造范围广，监测点分散在各处，很多监测项目又具有实时性的特

开始兴修大型桥梁。据统计，在中国，仅仅横跨长江两岸的特大桥就有60余座，并且出现了多座已建成、在建或处于立项阶段的跨海大桥，如东海大桥、杭州湾大桥、虎门大桥等。这些桥梁设施不但要抵抗海水江水的冲击和腐蚀、地震台风等自然灾害，还要经受各种交通工具对桥梁结构造成的缓慢损害。

2007年8月到9月的短短两个月内，就在中国、美国、越南等地发生了四起重大大桥坍塌事故，造成了无法弥补的人员伤亡和经济损失，引发了各国和社会对桥梁安全的高度重视。那么，为了避免事故再次发生，可以做些什么呢？或许我们能从我国东海大桥和希腊Rion-Antirion大桥的结构监测系统中获得一些启发。

点，如地震、台风、交通事故等，因此各部位监测数据需要非常准确的时间同步，一旦出现微小偏差，会严重影响桥梁健康的研究分析。

为东海大桥量身定制“体检方案”

建成于2005年的东海大桥是我国第一座外海跨海大桥，全长32.5公里，从上海南汇区芦潮港跨越杭州湾北部海

东海大桥应用NI的GPS同步解决方案同步各个分布式机站44NI工业控制与自动化行业案例集

令人欣喜的是，NI PXI平台和动态信号采集卡的组合非常轻松地解决了通道数方面的难题，在一个PXI机箱中就可以实现超过150个通道的采集，通过为每个工作站配备一个PXI机箱，可以很好地满足全桥14个工作站的通道需求。为了实现同步，工程师们采用了NI基于GPS信号的同步解决方案。GPS除了可用于全球定位之外，还会不断发出精确的时间信号。通过接收该信号，每个工作站的PXI采集平台就会将这个信号作为参考时钟，整个系统的

了NI PXI机箱进行结构监测。该桥全长2883米，跨越柯林斯海湾连接了伯罗奔尼撒半岛和巴尔干。大桥采用钢索斜拉结构，具有四个斜拉塔，撑起了世界第二长斜拉桥面（仅次于法国的Millau公路桥）。法国Advitam公司在四个斜拉塔下分别放置了一个PXI/SCXI混合机箱，获取各种物理参数的测量数据。四个机箱通过光纤以太网连至大桥营运大楼内的PC机。由于这套系统在Rion-Antirion大桥上的成功应用，Millau公路桥也将建设一套类似的监测系统。

近年来，NI产品在桥梁结构监测领域有越来越多的应用。本文选取了我国东海大桥和希腊Rion-Antirion大桥的案例，以点代面地展现了NI产品在桥梁结构监测中的应用。东海大桥是我国第一座外海跨海大桥，全长32.5公里；希腊的Rion-Antirion大桥全长2883米，通过四座斜拉塔支撑起长度居世界第二的斜拉桥面。这两座跨海桥梁都成功运用了NI的PAC平台，以多机站方式实现了对桥梁结构的分布式实时监测。运行就好像拥有了一个“心脏”一样，达到多机站之间同步的要求。在此硬件基础上，工程师运用LabVIEW及相关软件开发包设计开发了整个同步监测系统，为东海大桥量身定制了一套实时的“体检方案”，可以及时获知桥梁的健康状况，对各种突发事件做出响应，以便进行必要的养护工作，从而延长桥梁的使用寿命。

事实上，除了PXI平台，NI PAC家族的CompactRIO和Compact FieldPoint也很适合用于桥梁的结构监测，由于它们更加小巧坚固，成本也更低，近年来的应用越来越多。在软件方面，基于LabVIEW平台，NI提供了声音与振动工具包等一系列开发工具，为土木与结构工程师的工作带来便利。

除了桥梁健康监测以外，类似的系统也完全适用于其他一

该系统目前已经全部开发完成并正式开始运行，对东海大桥的健康安全起着至关重要的作用，得到了业主及相关桥梁研究人员的肯定。

就像为了身体健康，我们需要定期去体检一样，桥梁的健些大型结构项目的健康监测。NI成熟的多机箱同步解决方案对于大型结构项目的分布式监测，有着得天独厚的优势。

NI为结构监测提供全方位软硬件支持

无独有偶，于2004年落成的希腊Rion-Antirion大桥也采用

康监测对于预防事故的发生以及延长桥梁寿命有着举足轻重的作用。NI PAC平台帮助建筑工程师们高效地搭建了东海大桥和Rion-Antirion大桥的监测系统，为桥梁健康把脉，从而树立了桥梁监测系统的新标准。

如玉带般蜿蜒于杭州湾的东海大桥采用NI技术监测结构健康ni.com/pxi/zhs

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希腊Rion-Antirion大桥采用PXI-SCXI混合机箱进行结构监测ni.com/compactfieldpoint/zhs

NI工业控制与自动化行业案例集45

观奥运、享激情，一切尽在掌控

利用CompactRIO平台实现对鸟巢、米兰圣西罗体育场结构健康状况的监测

作为北京奥运会的主赛场，鸟巢可容纳8万观众，整个体育场结构部件相互支撑，形成网状，外观酷似树枝织成的鸟巢。NI CompactRIO产品米兰圣西罗体育场最早建于1925年，之后，久经改造、重修，现在可容纳85,000名观众。作为久负盛名也

许您曾在电视机前为北京奥运会的体育健儿加油助威，也许您有幸步入国家体育馆——鸟巢内部，为

行情况。

米兰圣西罗体育场其精细复杂的结构而叹为观止，也许您曾亲临米兰圣西罗体育场欣赏意大利AC米兰或国际米兰的比赛，但您可能没有想到，这些宏大的建筑物内部，都有我们NI的CompactRIO在进行实时的监测，每时每刻汇报它们的运

建筑物同样需要健康

正如我们可以通过血压、心跳、呼吸等指标来监测人体的

46NI工业控制与自动化行业案例集

健康状况，建筑物的健康也可以通过结构形变、应力、索力，位移，温度等参数来进行实时在线监测。

消除体育场的结构振动

米兰圣西罗体育场每年都要举办无数次的足球赛事和音乐会，当人们随着节奏挥舞或者运动的时候，会引起其结构

NI——2008北京奥运会的幕后功臣之一

北京奥运会的三大宗旨之一是“科技奥运”，鸟巢更是把这一特点发挥得淋漓尽致。整个建筑通过巨型网状结构联

振动，当音乐的节奏与体育场的自然频率（共振频率）匹配时，振动会明显加强。所以需要测量这种情况下的振动，在达到引起破坏的量级之前采取控制措施。

的AC米兰和国际米兰的主场，这里曾经举办过无数次的世界级足球赛事，是世界最著名的足球场之一。这些大型的体育场能够同时容纳大量的观众，同时体育场的结构安全对于观众的生命安全也至关重要，NI为各种体育场提供了解决方案。系，内部没有一根立柱，因而与此相应的是，鸟巢采用了现代最先进的钢结构设计——“双向张弦大跨度空间结构”，呈近似扇形的波浪曲线，南北长144米，东西宽114米，是国内最大的双向张弦超大跨空间结构。如何检测他们的建筑安全，以及确保运动员和观众的安全受到了中国的重视。米兰体育场结构监测仔细评估各类方案后，CGM（NI合作伙伴之一）的SeismoCast建筑检测方案被采用了。此方案提供了简单即用的安装，多种I/O的选择，工程师可以快速简便地重新配置系统，以满足系统变化的要求。在不到一年的时间内，CGM便完成了开发和测试，为鸟巢提供了9套通道的CompactRIO系统，各机箱还能够以客户端-服务器的架构与主服务器连接，分布在各个关键点进行监测与预警。CompactRIO可以将数据通过以太网传送到主服务器进行发恩玺，一旦发生问题还可以通过email的方式，及时地将鸟巢的健康情况发送到有关部门和相关工作人员。

配合LabVIEW的编程环境，米兰大学的师生们说道：“即

系统的主要任务在于测量结构震动和加速度，因此保证各通道之间的同步非常重要，研究人员可以同时获取多个位置的振动，更好地理解和描述整个建筑结构所受的影响。由于鸟巢长宽都超过100米，这些监控系统是以一定的距离分布在其中的，为了达到信号的同步性，CompactRIO系统利用了GPS技术，通过GPS中包含的精确时钟信号来进行同步，并可以达到+/-10 µs的同步精度。

使没有专门的编程经验，使用LabVIEW也能快速上手，短时间内开发出实用的系统”。

米兰理工大学在经过结构评估，模态分析，动/静态测量和腐蚀测评等方法研究了体育场的状态之后，应用CompactRIO搭建了业内领先的系统。系统可以连续测量0-50Hz振动范围内的振动、应力、温度和其他物理量。通过可靠的数据采集、传输和存储以及定量分析，就可以评估长时间下体育场的结构特性、变化趋势并预报危险情况。CompactRIO系统能够有效缩短传感器到采集模块间的距离，并能够在主控PC不正常工作时，可靠地将数据存储于本地，提供了稳定可靠的监测系统。

ni.com/compactrio/zhs

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NI工业控制与自动化行业案例集47

英法海底隧道又名英吉利海峡隧道，是世界第二长的海底隧道，NI 紧凑型视觉系统仅次于日本的青函隧道。由于是海底隧道工程环境的特殊性和复杂性，必须对隧道内部的各种结构进行长期的结构健康监测。NI为隧道中的电缆提供长期监控解决方案。保障乘客安全，刻不容缓欧洲隧道公司采用机器视觉系统监测英法海底隧道电缆磨损情况英法海底隧道英

法海底隧道由欧洲隧道集团负责运营，它西起英国的福克斯通，东到法国的加来，全长50多公里，水

测量准确、快速，而且不影响正常工作

欧洲隧道公司利用NI的紧凑视觉系统（CVS），视觉开发模块（VDM）以及LabVIEW开发了隧道电缆的监测系统。该系统能够在不影响列车运行的前提下，测量隧道内电缆的磨损情况，同时，测量电缆的位置、高度以及宽度等。系统由IEEE1394相机获取图像，并传输给紧凑视觉系统

下长度38公里，整个隧道的修建历时8年多。隧道为往来于英国与欧洲的人们提供了极大的便利，旅途舒适便捷，不用再忍受搭乘飞机时的诸多不便。

小小电缆，关乎乘客安全

英法海底隧道由3条南北向平行

英国

这个实时处理模块。系统每秒钟能获取100次电缆的宽度与位置，同时每隔50 ms将测得的数据传递给监控的PC。

排列的隧道组成。南北两隧道相距30米，是单线单向的铁路隧道，直径为7.6米；中间隧道为辅助隧道，用于

上述两隧道的维修和救援工作，直径为4.8米。南北两隧道每年的载客量高达数千万人次。为了保证隧道内的灯光照明与通信，隧道内部铺设有电缆。随着时间流逝，电缆会出现磨损，同时位置也可能发生变化。为了保证隧道与列车的正常运行，欧洲隧道集团需要对电缆的状况进行实时监控。

英法轻松开发，灵活配置，一切变得如此简单

在隧道中短时间内安装和配置视觉系统往往是比较具有挑

海底战性的，但是，“使用LabVIEW和视觉开发模块，工程师

隧道法国

可以在个人计算机上开发和测试图像处理软件，验证之后，直接将LabVIEW下载至NI紧凑视觉系统就可以了，使得开发和配置变得非常简单”。

“欧洲隧道需要定期对隧道内的铁轨进行维护，以确保其安全性，使用NI 机器视觉和LabVIEW开发的系统之后，这项维护工作变得非常简单和高效，大大节省了维护成本”。

ni.com/vision/zhs/cvs

48NI工业控制与自动化行业案例集

在结构监测应用中，NI PAC提供了灵活可靠的分布式采集和处理节点，能够在几百米的范围内进行同步，从而作进一步的分析。同时在主控机中，LabVIEW多样的函数能够帮助用户方便地进行数据分析、存储、生成图片、文本等多样的报表并通过email、短信等方式进行快速报警。NI PAC平台为您的建筑物保驾护航。更多相关信息请登陆：ni.com/shm/zhsNI工业控制与自动化行业案例集4950减少水银排放，让天更蓝，水更清

使用Compact FieldPoint与PDA公司为燃煤发电厂提供水银排放监测系统以煤为燃料的发电厂正释放滚滚浓烟减少水银排放量一直是燃煤发电厂的一个重要目标。联合国环境署和美国联邦法案也出台相应的和法规，水银的排放量。布什出台的“清洁空气”法案中规定：到2010年，水银的排放量为34吨，到2018年，为15吨。水银是化学元素汞的俗称，是一种密度很大、银白色的液态金属。作为一种持久性的污染物，水银会污用传统的可编程逻辑控制器PLC是很难实现的，而可编程自动化控制器则能使得所有难题迎刃而解。染水质和海产品，导致新生儿神经系统失调。据统计，全美1100座燃煤发电站每年释放约48吨水银。排放，刻不容缓在美国，由燃煤发电厂排放的烟雾是水银最主要的来源。这些排放物最终在湖泊、河流甚至海洋中沉积下来，然后进入食物链，被人类所摄取，从而危害人类健康。虽然少量摄入水银不会对身体造成太大的危害，但它们会在人体累积，长期摄入，会造成水银中毒，轻则腹痛、腹泻，重则肌肉震颤、精神失常等。

还自然以本色针对联邦法律对燃煤发电厂的具体规定，Data ScienceAutomation公司采用NI的可编程自动化控制器CompactFieldPoint开发了一套灵活可靠、实时的监测系统。在该系统中，Compact FieldPoint与无线网桥相连，通过无线的方式与PDA进行数据的交互，如在PDA中显示相应监测状态，由用户输入命令进行参数调整、远程控制等。系统采集的数据，则是通过RS-485串行接口，以广播的

针对水银污染的特点和其危害，联合国环境保护署，美国环境保护署都提出了相应的解决措施。美国通过联邦法规对燃煤发电厂的水银排放提出了严格的要求。

方式记录在Compact Flash中。

“系统能够如此快捷高效地开发出来，并应用于现场，归功于NI可编程自动化控制器Compact FieldPoint-2120

按照联邦法律规定，燃煤发电厂排放的水银必须被实时的监测，而且，监测系统的采样率必须根据烟囱流量做相应调整，此外，系统的校准、维护和泄露检查也必须自动完成，最后，还希望系统能够灵活扩展，有效开发。这样苛刻的要求，使

的自动化处理能力与PDA控制模块的易用性。”

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NI工业控制与自动化行业案例集51

NI安全保障，FedEx使命必达

基于NI RIO构建FedEx货机中的全自动灭火系统

总部位于美国的FedEx（联邦快递）公司与UPS、DHL和TNT并列为全球四大快递公司。FedEx致力于提供快捷可靠的速递服务，率先提出“准时送达”理念，堪称世界运输业的领头羊。为了降低在货物运输过程中失火造成的损失，FedEx使用NI LabVIEW和NI RIO建立了货机主舱中的灭火系统，用于自动监控机舱温度并在火灾发生时，立刻控制消防系统进行灭火。作

为全球最具规模的快递公司之一，FedEx（联邦快递）自1973年成立以来就致力于为客户提供快

以保证飞行员、货物和飞机的安全。

速、可靠、及时的快递运输服务。经过30多年的发展，FedEx已覆盖全球220多个国家，50000多个投递点，拥有700多架货机和4万多辆货车，每个工作日运送的包裹超过320万个，堪称全球运输业的领头羊。

“我们选用NI RIO作为主要控制系统”

Ventura Aerospace选用NI RIO硬件作为该灭火设备中的主要控制系统，该系统主要包括两组NI RIO装置：火灾控制中心和火灾控制终端。火灾控制中心为系统的核心，它包含一组NI RIO、一组电源供应器、一组信号处

准时送达的前提——保障货物安全

FedEx是最早承诺“准时送达”的快递公司，为了赢得客户的信任，FedEx利用全球庞大的网络，将货物安全、准时地送达目的地。然而，由于货物在运输过程中不可避免地遇到撞击、受热等问题而引起火灾，据统计，若在空中起火，没有灭火装置的机舱将在60秒内完全烧毁。因此，保证货物的安全性是准时送达的重要前提。针对以上问题，FedEx委托Ventura Aerospace公司为其设计一套快速、有效的灭火系统，安装在FedEx所有货机的机舱内，

理子卡和一组以太网切换器。控制中心负责完成安全连锁检查、电力分配及通讯等功能；火灾控制终端则包含一组NI RIO和Ventura Aerospace自行研发的子卡，它通过16组红外线传感器读取机舱温度、处理资料，并记录相关结果。

在每架货机中，均需要一组控制中心和若干组控制终端。例如，MD-11型货机内共有14排货柜，每排货柜均需要配置其专属的控制终端，所以该货机需要1组控制中

52NI工业控制与自动化行业案例集

模拟/数字模块，并使用LabVIEW图形化设计工具，可以快速地开发高效的灭火系统原型。“虽然我们是第一次采用CompactRIO与LabVIEW FPGA模块，但由于LabVIEW FPGA的简单易用性，前后仅3个月即完成了可使用系统的原型构建。”

在系统完成之后，FedEx需要在每一架货机中均配备一套灭火系统，所以需要大规模的发布。Ventura Aerospace

决定采用更适合OEM应用的NI Single-Board RIO来进

NI RIO用于FedEx货机中的灭火系统行部署。SingleBoardRIO带有实时处理器、可重设FPGA与模拟和数字I/O。Ventura Aerospace的工程师能够将

被烧毁的货机心与14组控制终端。控制终端与控制中心的功能根据货机机型的不同而有所差异。“通过LabVIEW，我们为控制终端与控制中心添加了人工智能，使其能够通过安装而自动辨识货机机型，保证了所有货机间装置的可互换性与相容性。”

他们自己的控制算法，网路连接和数据记录等功能在实时处理器中运行。同时可以通过板上的模拟输入端口通过定制的信号处理与红外线传感器相连，以实现温度的监测。由于CompactRIO与Single-Board RIO具有相同的硬件架构，因此可以完美地实现原型到布署的转换。开发人员

一旦安装，控制系统就可以完全自动地运行。各终端持续监控各自范围内的机舱状态，一旦侦测到火灾发生，则立刻控制灭火系统对货柜喷射泡沫。此外，该系统还具有容错功能——不论是发生火灾或系统错误，均将继续高效地执行。在每次飞行结束之后，系统将会针对错误发生的位置发送通知信息。利用NI RIO硬件中稳定的实时处理器、FPGA与I/O，搭配LabVIEW的灵活性，完成了上述的多项功能。

无须大量修改，就可以重用LabVIEW中的原型代码，因此可轻松建立最终的解决方案。“利用NI提供的硬件与软件，能快速实现嵌入式系统的原型与布署，这使我们受益良多。可以说：若没有NI的开发工具，我们就不可能在期限之前完成所有任务。”

Single-Board RIO更低成本的大规模发布

基于嵌入式CompactRIO系统的灵活性，搭配NI C系列

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NI工业控制与自动化行业案例集53

捕捉温室气体排量变化的蛛丝马迹

利用CompactRIO和Compact FieldPoint在哥斯达黎加的雨林中进行环境监测

近年来，因全球变暖导致自然灾害频发。普遍观点认为，以二氧化碳为主的温室气体排放是引起全球变暖的罪魁祸首。为了研究温室气体排放到底对环境会产生多大影响，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员利用NI PAC平台在哥斯达黎加的热带雨林中部署了传感器网络，监测二氧化碳和其他物质之间的流通转变，并且利用LabVIEW的网络功能，使世界各地的研究人员可以共享监测结果，从而为全球变暖问题的研究提供了第一手的数据资料。地球表面以热辐射的形式释放吸收的太阳能，大气层会再吸收部分能量并进行循环，从而保持地球温暖。雨林中监测系统部署示意图这个过程就是温室效应。近年来，随着二氧化碳、甲烷等能够吸收红外线辐射的气体排放量增加，导致全球变暖。丛林中布下“天罗地网”

为了更好地理解温室气体排放对环境的影响，UCLA的研究团队在哥斯达黎加东北部加勒比海沿岸的雨林中开展工作，测量在雨林地面和大气之间的碳通量（Carbon Flux，即二氧化碳以及其他含碳物质的流通交换）变化。热带雨林具有天然的生物多样性，并且较其他陆地生态系统吸收更多的二氧化碳，从而影响了本地乃至全球的气候。但是在雨林中，由于多层次丰富多变的森林结构，碳通量的变化特别复杂。“缺口理论”是对碳通量复杂变化的一种假说性解释。它假设由树木倒落等原因形成了森林树冠层中的小缺口，这些小缺口像烟囱一样将呼吸作用产生的二氧化碳排放到大气中。但由于在雨林地面以及树冠层中的对应点进行三维测量比较困难，二氧化碳的平衡通量很难监测，这一理论一直难以证实。

过去，要进行多种物理量的测量需要使用来自多个厂商的多种数据记录设备。NI CompactRIO平台支持NI的C系列模块以及第三方厂商的模块，可进行广泛的数据测量，在单一平台上就可以满足该项目的测量需求，同时还为未来提供了扩展和升级空间。SensorKit系统被布置在森林地面要研究碳通量的特性，需要对许多参数进行测量，包括温度、二氧化碳、湿度、精确的三维风力、热通量、太阳辐射以及光合有效辐射（PAR）等。为了提高测量精度，确定不均衡碳通量的影响，研究人员开发了基于NI PAC平台的可移动无线自动传感系统，被称为“SensorKit”，能够测量在大气和地面之间的碳元素以及其他物质的流通交换。

NI工业控制与自动化行业案例集

量化问题，解决问题，绿色就在身边NI办公室电力能源的实时监测雨林，是不是离日常的生活与工作太远了呢？实际上，绿色并不仅仅在遥远的哥斯达黎加。在上海的NI总部，Sensorkit就帮助工程师们关注身边的绿色应用。NI上海的办公区域电耗一直居高不下，为了了解各种电器的耗电情况，工程师们决定在公司安装Sensorkit系统。系统被安装在总配电箱中，由于采用了非接触式的电流传感器，无需断开配电箱中现有的电路就能够轻松获取电流和电压的信息。通过内置的蓝牙发送器，传感器能够把数据信号无线发送到位于办公室内的CompactRIO主控制器中。在CompactRIO中就可以进行数据的初步处理和分析，并通过Web Service技术，经由公司网络发布到网络数据库中。工程师们无论在世界各地只要连上网络就能够实时观看公司用电情况。初步的测试系统运行后，工程师们发现照明用灯的耗电与服务器的耗电量相当，当即决定更换节能灯管，更换之后每只灯管的耗电量下降到原来的1/4，据测算若更换全部灯管，每月能为公司节省电费超过万元。在将来，Sensorkit将被安装到全公司，不仅检测用电能耗，同时监测公司的水流，号召员工做绿色环保的NI人。的多个位置，有些则被悬挂在空中的可移动装置上，从而构成了一个能够进行三维测量的环境监测系统。所有进行碳通量研究所需要的环境数据都通过模块化的方法进行采集，系统以CompactRIO作为测量单元，同时选用NICompact FieldPoint进行分布式无线测量，利用NI WAP无线接入点在分布式传感器、观测塔和地面之间传送数据。

且对CompactRIO控制器进行编程。LabVIEW能够为研究人员提供不同格式的测量数据，便于他们进行后期分析。“NI平台的灵活性使我们可以通过连接到系统的便携式电脑配置测量类型，选择通道，甚至增加扩展功能”，UCLA的William Kaiser博士说。该研究小组还通过互联网为不在现场的研究人员和学生提供远程数据访问。世界各地的研究人员使用网页浏览器和LabVIEW的网络功能，就可以访问

与全球科学工作者分享数据

研究人员利用LabVIEW连接到这些分布式“观测站”，并

和下载实时或存档数据进行进一步的处理和分析。

使用该三维监测系统可以为证实“缺口理论”假说提供所需数据，同时帮助科学家们更好地理解碳吸收对雨林的影响。Kaiser博士希望这项研究能最终为碳元素的变化提供一个量化的方法，从而为防止气候变暖提出更切实的办法。

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Kaiser博士与悬挂在空中的可编程分布式“观测站”ni.com/green/zhs

NI工业控制与自动化行业案例集55

降低噪音，“静”化环境基于NI LabVIEW和PXI平台实现噪声监测系统大型电子机械设备的运转为人类提供了便利，然而它们在运行时带来的噪声，也严重地影响了人们的生活。正确地测量和定位噪声是降低噪声的前提，NI提供了多种噪声测量方案，如DELTA公司和Boeing（波音）公司就选用了NI LabVIEW软件和PXI平台实现了风力涡轮机和飞机的噪声测试系统。当

今社会，噪声无处不在。包括汽车，飞机在内的大型设备运行时会引起大量的噪声，严重地影响了

为了降低商业喷气式客机在起飞、降落和持续飞行过程中发出的噪声，波音公司需要对应用在其飞机上的新降噪技术进行测试。“我们需要一个能在测试过程中进行相控阵声学成像的测试系统，来帮我们判断起飞过程中的噪声点。测试系统构架必须是分布式的，它可以扩展到一千或者更多个通道，同时在通道间保持严格的定时和同步。此外，该系统还要灵活精确而且可以升级。”基于以上要求，

人们的工作和生活。为此，有关部门提出了一系列的噪声排放标准，以噪声的产生。降低噪声的前提是正确地测量和定位噪声，作为声音振动领域的专家，NI一直致力于帮助工程师解决噪声监测问题。

为波音公司开发噪声测量与定位系统

Boeing（波音）公司创建于1916年，主要生产各种民用和军用飞机，是目前世界上航空航天领域规模最大的公司。波音公司制造的各类客机、货机被销往世界各地。由于飞机在起飞、降落和飞行过程中会带来很大的噪声，严重影响了周围的环境，引起了部门的关注。为了达到日益严格的噪声标准，波音公司也在不断地改进飞机的设计，以尽可能地降低噪声。

NI PXI软硬件平台为波音提供了满意的解决方案。

波音使用600多个基地麦克风来装备其测试系统，这些麦克风按照自定义的螺旋状安装在一个250英尺宽、300英尺长的跑道区域的末端。当777-300ER飞机飞过头顶时，利用PXI动态信号采集卡来获取它发出的噪音，立即恢复并处理数据，然后得到一幅该飞机的声学成像图。一个数据处理计算机集群通过千兆网连接到主计算机上，对这些

56NI工业控制与自动化行业案例集

数据和图像进行实时分析。在一个典型的测试周期中，飞机大约每隔6分钟飞过麦克风阵列。在这个周期内，系统可以把以前获得的数据上传，同时准备获取更多的新数据。“我们在单次测试中就进行了三百多次的数据获取，得到了78分钟的低空飞行结果，总数据量超过了1T字节。”

NI PXI-4472动态信号采集模块为该测量系统的硬件核心。DELTA通过4472采集麦克风获取的特定频率下的声音信号。与此同时，麦克风被安装在地面的圆板上，并使用符合IEC标准的挡风板覆盖之。挡风板可降低麦克风周围的风速和麦克风内的风力感应噪声，从而在低频的情况下，进一步提高信噪比。而测量软件平台noiseLAB

“利用NI公司的软硬件，我们得以创建一个低成本的高端系统：它可以把采集系统分布地放置在多个机箱中，严格同步所有通道，在提供大规模通道数量的同时，给所有的系统通道提供完整的带宽，而且可以允许无限数量的通道

则是使用LabVIEW开发。该软件实现了声音数据的记录及IEC标准所需的倍频程、音调等参数的测量。同时还可以根据ISO 1996-2标准，定义音调。“基于PXI硬件平台的系统，既可降低成本又能达到高通道数。此外，我们

放置在机场跑道上用于测量噪音的麦克风阵列基于LabVIEW的噪声分析软件noiseLAB的界面数扩展。”利用这一系统，波音成功地改进了原有的767型客机的设计，并应用在了噪音更小，更舒适的全新波音787型客机中。

使用LabVIEW图形化开发环境来实现自己的noiseLAB，简单而且高效。”

建立噪声检测平台，“静”化生活环境

风力涡轮机噪声监测系统

近年来，环境问题的加剧导致人类开始寻找各类更环保的能源。风能就是其中发展最为迅猛的一种。风力涡轮机实现了风能到电能的转换，为人类使用绿色能源创造了便利，然而风力发电厂所发出的噪声同时又影响了周围居民的生活环境。随着风力涡轮机噪声排放的统一测量标准IEC61400-11:2002的出台，风力发电场也必须兼顾降噪的要求。

在电子、机械设备的设计中，尽可能地降低噪音是每位工程师的理想。NI帮助DELTA和波音等公司成功地实现了噪声的测量与定位，为日后降低噪声的研究做好了充分的准备。帮助客户量化问题，解决问题，是每一位NI工程师的目标。

NI公司的合作伙伴之一：丹麦的DELTA公司基于NI PXI台，实现了风力涡轮机的噪声测量系统。

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NI工业控制与自动化行业案例集57

安全、快速、舒适的未来医院

基于NI LabVIEW和Compact FieldPoint构建挪威St. Olavs医院的智能信息系统

挪

威特隆赫姆市的St. Olavs医院的改扩建工程将持续到2015年，届时将建成一座集医疗服务和医学

CallManager以及微软的BizTalk技术。该系统通过网络管理并路由医院内的所有信息，例如病患记录、护士呼叫记录、医患交流信息、警报信息等等，甚至包括X光照片。医护人员可以随时随地通过运行LabVIEW程序的PC、PDA或者其它设备访问这些信息。护士办公室的终端上还运行着用NI Lookout开发的人机界面（HMI），可以基于网络进行监控和数据采集（SCADA）。通过分布式NICompact FieldPoint控制器，可以采集各种模拟信号并

研究于一体的超现代化设施。在已完成的第一阶段改建工程中，医院除了应用各种高科技自动装置和数据管理系统外，还基于LabVIEW引入了全IP的概念，使医护人员随时随地可以通过无线设备获取各种实时信息，而病人也可以全天候享受到这些设施所带来的安全和舒适。

随时随地无线连接

St. Olavs医院的“集成模块化信息管理系统”基于NILabVIEW并集成了Citadel实时数据库、Cisco的

通过IP网络传输。该系统还可以对各种无线装置进行定位。工程师Peter Malling称赞该系统是“一个在基础设施中完美融合通信技术和数据采集管理的典范”。

北欧小国挪威以国民高福利待遇著称于世，其医疗机构的管理水平和现代化程度即使在发达国家中也是首屈一指。经过改造的特隆赫姆市St. Olavs医院将这一点发挥到淋漓尽致。该医院基于NI LabVIEW和Compact FieldPoint建立的智能信息管理系统不但使医护人员的工作更加便捷，而且为患者提供了更加安全舒适的就诊环境。该系统还具有报警和远程控制功能，例如，病人房间的监测设备如果检测到异常结果（例如心脏停跳），则可以触发报警，使距离最近的医护人员和心血管科医生的PDA收到一条紧急消息。这一切都是实时的，使医护人员能够根据当前情况作出快速反应，从而使病人得到最快速及时的救治和护理。

如同酒店般舒适的病房

该系统不只方便了医护人员的工作，还为患者营造出轻松温馨的环境，从而有利于患者康复。该系统管理着460多个患者终端，病人可以通过这些终端控制病房内的照明和温度，甚至还可以预定餐食、上网或选择娱乐节目。

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58NI工业控制与自动化行业案例集

量化问题解决问题采集环境数据设计和模拟节能设备分析电源质量与能耗原型验证下一代能源技术显示数据结果，确保符合标准发布高级控制器，优化现有设备更多相关信息请登陆：ni.com/green/zhsNI工业控制与自动化行业案例集5960电力与能源

水电设备的健康顾问

VESKI推出基于LabVIEW的水电设备在线监测系统

VESKI基于NILabVIEW和CompactRIO开发的CoDiS系统界面VESKI是一家总部位于克罗地亚的技术咨询公司，其涉及领域主要为振动分析与诊断。基于NILabVIEW和CompactRIO，VESKI推出了名为CoDiS的监测系统，主要用于水电站机组设备的在线监测和故障诊断。长

期的机械振动会损坏机器设备的旋转部件，常常会减少机器的使用寿命。因此，对振动及相关信号的

整个系统基于NI LabVIEW开发，依靠CompactRIO实现实时诊断和保护功能，完成所有自定义的数据采集和在线监控，组成了一个SCADA系统。CompactRIO采用了可重新配置I/O的FPGA技术，从而易于实现实时状态监测和保护单元的功能，通过其网口可以与处理器的数据库通信；而LabVIEW声音与振动工具包提供了很多现成的分析工具，可以直接计算出总谐波失真(THD)等分析结果。

长期监测是预测机器故障的关键。这种长期监测需要连续的数据采集以及在线数据库分析。VESKI是一家致力于开发振动分析及机器状态诊断的公司，他们推出的CoDiS在线监测与故障诊断系统以NI LabVIEW和CompactRIO为核心，现已用于克罗地亚、斯洛文尼亚、冰岛等国的30多个发电机组。

用LabVIEW和CompactRIO实现的SCADA系统

对发电站而言， 在线监测系统是非常有必要的，它能通过检测系统运行中的不稳定因素预测系统故障，进而通过常规维护消除隐患，从而保证设备的长期使用，避免严重损失。水电设备的现代化监控系统通常要求采集振动、温度、压力、流量等一系列数据，并同步维护一个储存相关信息的数据库。VESKI开发的CoDiS系统可以监控发电机的一系列参数，如：相对轴振、绝对转子振动、定子和基座的动态特性、空气间隙状态、转子极磁通、电气参数(电压，电流)、有功功率/无功功率、以及大型旋转电机的水力学参数(效率η)，被客户称为“水电站的健康顾问”。

VESKI在冰岛水电站实现的成功应用

除了巴尔干地区的克罗地亚和斯洛文尼亚，VESKI的CoDiS系统还成功进入要求苛刻的冰岛市场，为Lagarfoss水电站中的两台水轮发电机提供监测。系统实现了对相关轴振动及转速监控，同时提供超速保护。所有相关数据都通过网络共享变量传递，以便用户通过PC上的运行界面观察当前系统状态。据统计，通过使用NI产品，VESKI使发电站的维护成本降低了50%。

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NI工业控制与自动化行业案例集61

电力与能源

给核电站多上

一份保险

基于PXI的核电站维护和监测控制系统

18槽的PXIe机箱在

国际原子能机构报告中预测，核能将在未来的几十年里继续作为全世界的主要能源。2006年，核能

部件，而NI运动模块则控制8个不同电机。最后，该系统还能监控全体电源并为操作人员提供系统掉电报告。

发电已占全球总发电量的15%。核能发电得到越来越广泛应用的同时，对核电站内部设施的自动监测也提出了越来越高的要求。

基于LabVIEW 实时操作系统的PXI PAC 平台，结合模

为了防止核辐射，核电站每年都需要进行数次检查，以杜绝放射性污染。这种检查一直以工作人员进入核反应堆区域的方式进行，成本和危险性都极高。而且由于防辐射服对行动和视角的，实际效果也不完全令人满意。

块化的I/O，可以实时采集现场的图像、温度、气压以及位置等信息。再进一步通过以太网方式与位于安全区的操作员进行实时通信，完成检测操作。该系统同时被用来监控反应堆总电源输出，实现了能源损失情况记录与报告的附加功能。

灵活、可靠的NI PAC给核能发电加一份保险

位于美国加州的Diablo 峡谷核电站找到Brooks 公司，希望他们能实现自动的监测装置。Brooks公司根设计了一套基于NI PAC 的解决方案。整个监测装置的核心——本地控制站LCS，由运行于LabVIEW实时系统的18槽PXI机箱构成，机箱中装有NI的机器视觉、运动控制、数据采集以及数字I/O板卡。LCS通过RS232总线、四个视频连接和TELEX音频连接，连接到放射区外的操作站。操作站控制LCS的一个视频多路复用器在8个摄像头之间进行切换，多功能DAQ模块测量来自位置、压力、温度和倾角传感器的数据。数字I/O控制照明、调光器、螺丝管和其它

“我们共在全美四个核反应堆部署了这一系统，它的灵活性使得我们的工程师得以顺利设计新的工具并重复使用同样的控制系统，从而节省了培训和配置的时间”，Brooks的一位工程师说：“此外，未来的扩展也非常方便，我们计划将RS232的通信方式升级为以太网，并使用NI视觉模块采集更多来自IEEE-1394接口摄像机的图像。”

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62NI工业控制与自动化行业案例集

水处理

真水无香漾滇池

NI协助昆明湖污水处理出水水质监测和预报

美丽的昆明滇池滇池湖水开始逐渐变清。提

高污水处理过程的自动化程度、实现达标排放、避免水资源的二次污染，关键在于如何实现污水处

和界面操作。预测系统采用SQL Server数据库存放历史数据，通过LabVIEW数据库连接工具包中的ADO控件技术访问该数据库。

理出水水质的在线监测与控制。受制于水质在线分析仪价格昂贵、探头易损坏、维护困难等因素，大多数污水处理厂的出水水质目前主要靠人工化验得到，一些指标甚至需要若干天后才能得到结果。为改变这一状况，昆明理工大学利用NI的软硬件产品，通过实时监测、离线分析与预测预报相结合的方式，实现了对污水处理出水质量的在线“软测量”。

功能齐全、界面友好的水质预测预报系统

以软测量技术为核心，以LabVIEW为平台支撑的污水处理出水水质预测预报系统具有较强的功能，可以将自动采样参数和人工录入的化验值存入历史数据库，实现出水BOD5等指标的预测预报，并根据新的化验值自动修正预测模型，从而实现水质的实时软测量，确保排入滇池的水

软测量算法与虚拟仪器的集成实现

污水处理厂出水水质的一些指标难以实时测量，但它们往往具有一定的时间相关性，因此可以设计模型根据过去一段时间的测量结果实时“预测”出当前的出水水质指标，今后可以再根据实际的测量分析结果对模型不断加以修正，这就是软测量技术的基本原理。经过调研，昆明理工大学的研究人员决定基于NI LabVIEW构建这一水质软测量系统，并选择针对昆明市污水处理厂中常用的A2/O脱氮除磷工艺进行软测量建模。软测量算法较为复杂，采用C或Basic等语言编程实现比较困难，而通过LabVIEW中的MathScript节点，就可以直接用简单的Matlab语法编程实现软测量算法。LabVIEW还便于与硬件结合通过虚拟仪器技术实现现场数据采集，并且具有卓越的图形显示

质达标。实践证明该系统技术可行、功能齐全、界面友好。

污水处理出水水质预测预报系统主界面ni.com/labview/zhs

NI工业控制与自动化行业案例集63

F’IS (FAG Industrial Service) 的前身是一个专注于机器诊断系统开发的团队。如今的F’IS隶属于集团Schaeffler，该集团是享誉世界的轴承供应商，旗下拥有INA、FAG和Luk三大品牌，产品销往世界各地，应用于上千个不同的工业领域。

F’IS基于NI CompactRIO平台开发的FAG ProCheck是一套智能轴承在线监测系统，集成了数据采集、滤波、分析和评估功能，能够进行测量、记录和数据分析工作。FAG ProCheck能在机器运行过程中发现潜在问题，使维护工作尽早进行，从而有效地延长了机器的使用寿命，降低了维护成本。机器状态监测机器状态尽在掌握F’IS基于NI CompactRIO推出FAG ProCheck机器状态监测系统一些隐性征兆（例如异常振动）就已经出现，如果那时就能及时监测到异常并加以应对，就可以避免这些损失。现代化工业生产对机器的依赖与日俱增，生产线上的大型机器一旦出现重大故障，不但会影响企业的日常生产，严重的甚至会引发安全事故。稳健可靠的机器状态监测和故障诊断可有效预防机器故障，帮助企业消除计划外的储运损耗、优化机器性能、缩短返修时间并降低综合维护成本。崩溃后进行维护，还是预测式维护对于大型轴承设备的维护，当前有几种策略：一是“响应集成了NI CompactRIO的机器状态监测系统式维护”，即在设备崩溃以后进行维护；二是“预防式维护”，即在规定期限内进行设备替换；三是“预测式维护”，2

即根据设备的状态进行替换；四是“主动可靠式维护”，即

002年，德国Spenner Zement水泥公司一台磨机的齿轮箱发生故障，整台水泥磨机不得不停产三

根据“预测式维护”所得知识，优化机器设备的使用。显然，第三种和第四种策略是比较好的选择。主动式的状态监测和故障诊断需要获得更多的物理信息，如加速度、转速、位移、温度等，因此需要一个平台对这些信号测量提供全面支持。

个星期。该公司使用了温度传感器检测齿轮箱的健康状态，但是这个陈旧的监测方法反应太慢，等到其报警时整个轴承已经严重损毁。最后，Spenner Zement公司不仅要花费高昂的维修费用，而且因磨机停产蒙受了巨额经济损失。事实上，一般来说在温度出现异常之前的三个月，

“那些需要被监测的大型机器往往用于重工业，这意味着

NI工业控制与自动化行业案例集

可能的高温、灰尘、振动和碰撞因素，因此我们需要一个足够坚固的硬件平台，”F’IS的全球技术销售主管Tho-mas Schumacher说，“我们需要获得的数据也不仅仅是温度、转速等，还需要考虑来自其他自动化控制系统的信号，因此需要较多的I/O通道。幸运的是，NI总是能提供最先进的技术，满足我们的应用需求。”

该系统已在各种机器设备上获得成功应用，监测的对象包括INA、FAG等品牌的轴承产品。

NI OEM服务确保客户成功

由于NI CompactRIO平台的可靠品质，F’IS在原型开发验证之后选择NI继续作为其FAG ProCheck产品的OEM供应商。NI为F’IS提供硬件平台的工厂组装、测试和校

LabVIEW FPGA轻松实现状态诊断

在线机器状态监测系统的另一个难点是设计合适的算法根据采集到的数据进行故障诊断并在一定条件下给出及时的报警信号。经过验证，F’IS采用了宽带参数监测结合频率选择性监测算法进行故障诊断。算法运行在CompactRIO机箱中集成的FPGA上，从而具有硬件级的执行速度和稳定性，保证了响应的及时可靠。通常，在

准服务，同时安装配置好FAG ProCheck系统运行所需的NI软件，并且为F’IS的知识产权提供了电路级保护。这些OEM产品从NI出厂后就可以直接运至F’IS的客户所在位置。F’IS与NI的合作也使其客户能够获得持续的品质保证以及良好的技术支持与服务。“NI CompactRIO平台不仅缩短了系统原型的开发周期，而且完全可以作为一个可靠的OEM子系统集成到最终的产品中。”

信号处理流程LabvVIEW FPGA实现算法远程诊断中心FPGA上开发算法需要具有扎实的数字电路硬件背景，同时需要掌握VHDL或Verilog等硬件描述语言。但是NILabVIEW FPGA模块的推出使普通的机电工程师在LabVIEW图形化编程环境中就可以完成FPGA程序的开发，利用定点数学工具包和滤波器设计工具包还可以轻松实现复杂的数算和信号处理。这样，利用NICompactRIO平台上现成的I/O模块完成振动信号的调理采集、转速的测量以及其他传感器信号采集之后，经过FPGA上的实时算法处理，就可以实现在线轴承状态监测和故障诊断。

ComapctRIO平台可以直接对各种传感器的输出信号进行调理和采集。通过NI LabVIEW软件和LabVIEW FPGA模块，可以对CompactRIO进行快速开发，并可灵活地进行重新定义。此外，CompactRIO结构紧凑、小巧坚固，非常适合工业环境的应用。正是由于CompactRIO平台的这些优势，F’IS在研发FAG ProCheck轴承在线监测系统时，把CompactRIO作为理想的硬件平台。借助NI CompactRIO平台上的网络接口，FAGProCheck系统具备了以太网连接、串口通信、无线互联等功能，最终可以实现远程分析、诊断和数据服务。目前

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NI工业控制与自动化行业案例集65

汽车行业

跟上自动化的需求

NI PAC结合PLC实现汽车制动单元装配与测试系统

ABCO自动化公司成立于1977年，一直致力于在最短的时间内提供高质量的设备和服务。

PLC系统相兼容，ABCO选择了NI PAC科

技的发展和需求的增长对整个制造业提出了巨大的需求，自动化的程度无疑决定了生产的效率和成

台，从而实现高速、准确和协同工作的能力。通过使用NIPXI系统下的模拟采集模块，系统从一个连接到以2078RPM速度运转的转速脉冲轮的编码器中获得波形数据，通过分析波形数据的周期、峰值和其他坐标系决定合格的标准的参数。然后将合格的部件送去包装，同时把那些不合格的产品取出，标注和退回处理。

本。在当今竞争激烈的汽车市场中，应当考虑运用性价比更高的基于计算机技术的测试方案来改进传统高耗费的基于PLC的装配线，大幅度提升工作效率，生产出更加理想的产品。

NI PAC满足系统各项要求

ABCO自动化公司曾应一家汽车制动单元制造商的要求开发一套ABS制动单元的测试和控制系统，在整个装配流程中负责制造和测试每个制动单元。系统要求制动单元组装量提高到每六秒钟一个部件，并且必须可以和现有的Allen Bradley公司的基于可编程逻辑控制器(PLC)的系统兼容。这个项目包括两套大型机器：

在第一阶段的14站的组装和校验过程中，系统会浇铸部件并通过传送带系统传送。经过组装、校验、外观检查和焊接之后，制动单元组装完成。借助于多个DENSO机器人，系统将组装的制动单元传送到10站式测试线做最终检测，最后负责取回。测试阶段，系统选用了NI PAC平

NI PAC提升了性能，降低了成本

“项目成功的一个关键因素是LabVIEW OPC的能力和与PLC的协同工作的能力。运用NI LabVIEW DataSocket技术，我们将NI PAC硬件和传统PLC相集成从而实现了天衣无缝地监控全部数据。这大大地节省了我们宝贵的编程和集成工作时间，从而为客户提升了性能并节约了成本。这个项目是先进技术升级的完美典范。现在，工程师们可以实现将传统的PLC系统与更加高效、低耗且数据处理能力卓越的计算机技术之间的无缝结合。”

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66NI工业控制与自动化行业案例集

食品饮料加工

一秒四！拥有属于自己的独特标签 基于PXI视觉平台实现饮料自动包装系统

Innoventor是一家定制特殊系统和硬件产品的生产商，也是NI的合作伙伴。其产品多用于工厂现代化、工艺改进、测试验证和专业器材。

Innoventor基于NI PAC和视觉产品为饮料行业开发了一套自动化包装系统，它代替了传统的手工工作，降低成本的同时还提高了产量。

在

超市选购饮料的时候，我们会通过标签察看名称成分等信息。在结账的时候，售货员会扫描标签读取

120°的照相机用于拍摄并检查瓶底处的条形码。如果一次检查不成功，则图像处理设备将发送信号给PXI控制器，PXI控制一个步进电机来转动该平台，然后再进行拍照和检查。一旦识别出该条形码，检测部分将会瓶子放在出料传送带上，并为其贴上相应的标签。最后将瓶子通过厂商已有的六向索引轮盘导入到不同的传送带上进行装箱操作，从而降低人工分拣的强度。

商品价格信息。标签是饮料的唯一身份标识。所以，在饮料包装过程中，生产线上的工人必须根据不同种类的饮料而为其分门别类地贴上标签，并进行排序。显然在不间断运转的流水线上进行手工分类，不仅效率低，造成了生产的瓶颈，还容易伤及员工。

NI PAC实现包装的自动化

为此，Innoventor公司接受了饮料厂商的委托，开发一套自动化饮料包装系统。系统要求每个饮料瓶的平均包装周期为1.4s，而且由于饮料瓶上标签的颜色和背景图案有150种之多，需要查找和读取饮料瓶上的条形码进行分类。这就对控制系统提出了额外的要求：必须快速、可靠地实现复杂视觉算法。

高效、经济的包装系统

“利用PXI平台，只需一台控制器就能轻松同步所有工业数字I/O传感器和机器视觉。LabVIEW软件可以使机器视觉和工业数字I/O接口使用相同的编程语言。一台控制器使用一种语言控制所有操作，降低了系统总成本，使得系统不再像PLC那样昂贵。在同等数量工人的情况下，利用该自动化包装系统与手工粘

在最终发布的系统中，紧凑地集成了三部相机、三个步进电机和50个工业化数字I/O传感器及驱动器。饮料厂商的包装生产线需要对六种饮料产品进行分类包装，因此要求该系统能根据瓶上的条形码自动识别出饮料的类别。首先，系统的检测部分从入料传送带上取出一个瓶子，将其放在一个固定的平台上，平台的周围排布着三个夹角为

贴标签相比，产量提高了30%～50%，贴有标签的饮料且系统的精确定位有效地防止了标签文

字被覆盖的问题，工人可将精力集中在装箱发货上。”

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NI工业控制与自动化行业案例集67

卡夫的“黑匣子”

基于PXI平台开发机器故障监测与诊断平台

卡

夫这个名称也许您并不熟悉，但是提到奥利奥、果珍、太平梳打等品牌，却家喻户晓。他们正是卡夫

是用于食物与饮料机器的故障诊断。

旗下的品牌。ROME系统主要以信号采集和图像处理为基础，监测整个生产线的包装过程并将相关的数据记录下来，为工作人

作为知名的品牌，他们的包装已经成为了品牌的一部分。卡夫为食品的包装和分类配备了先进的流水线，夜以继日地生产出各种精美的食品。为了提高产品的质量，并尽量减少机械故障带来的损失，食品包装生产线需要能够正常、高效地运行，卡夫食品希望能够有一个系统帮助他们监管生产线，一旦发生故障就可以尽快尽早的确定问题所在。

员提供带有时间戳的数据包以便进行分析。系统使用2组以上的高分辨率彩色摄像机，它们以每秒30至60帧的速度来快速拍摄特定区域的图像。同时，ROME还有265路数字输入通道和16路模拟采集通道，用于对现场的多个信号进行实时监测。一但系统侦测到在这些输入通道上有数字触发或错误信号，就立即控制高速图像采集卡持续采集最多80次的10秒“事件”，且可预设储存在事件

100150机器故障的多米诺效应

在整个包装过程中，机器故障、效率低下甚至停机，均将影响整个生产线。由于产线上的机器间是按流水线的方式工作的，因此一个问题或故障，极可能造成整个系统的其他问题，发生多米诺效应；还有一些停机是由于操作员的误判引起的，因而无法记录问题；此外，问题也可能是无规律的，或为累积一段时间后才发生的。这些都导致故障源难以定位。

发生前10秒的数据，这样，就将故障发生时整个生产线上所有相关信息“图文并茂”地记录下来，方便后继的分析。另外，整个系统不具有输出通道，以将影响机器控制系统的可能性降至最低。

另外，由于包装生产线上一些已有的设备是基于其他品牌的可编程逻辑控制器(PLC)实现的，因此还要求ROME必须能对这些设备进行监控。通过OPC Server，可方便地实现ROME系统中NI PXI设备与PLC设备的通信，OPC

食品生产线上的黑匣子

为了解决该问题，卡夫的研发人员开发了一套制造设备远端监控软件ROME，它可以重建引起系统故障的事件。如同航空器上使用的黑匣子飞行记录器，ROME的设计则

Server相当于“翻译官”，它将LabVIEW“语言”与PLC“语言”互译，从而实现两者无障碍地“交谈”。目前ROME系统已升级为ROME-2，安装于多种生产线上，并成为主流的错误监测与诊断工具，提升整体设备的效能。

68NI工业控制与自动化行业案例集

为了解决在食品包装过程中由于机器故障或操作员误判而导致的停机、产线效能低等问题，Kraft选用了基于NI LabVIEW和PXI平台开发的故障诊断设备，提高了整个生产线的效率。

快速搭建实时监测与诊断平台

“针对此系统，我们选择现成的NI硬件及NI LabVIEW图形化设计环境，因为它能快速实现实时监测与诊断平台的开发。我们在Microsoft Windows环境中进行原型制作，然后布署到NI PXI嵌入式控制器的实时操作系统中。利用ROME，使用者不仅可以离线分析，亦可在线分析，从而有效地诊断和预测平时难以发现的问题。”

在薯片的生产过程中，需要实时计算传送带上土豆的体积，以便根据其大小来实时调整切割设备进行切片。基于NIPAC并结合NI视觉产品CVS成功地实现了该系统。其中，PAC的快速控制，CVS的强大图像处理，以及两者皆有的网络通信功能，很好地满足了生产的需求。ni.com/opcni.com/pxi/zhs

NI工业控制与自动化行业案例集69

防微杜渐 安全作业

基于NI CompactRIO的重型电动挖掘机在线状态监控系统如何对大型关键设备进行有效的维护、监测，将安全故障消除于萌芽之中一直以来是困扰人们的一个难题， NI的CompactRIO构建的在线状态监控系统可以为您提供一个灵活、高效的解决方案。LabVIEW编写的分析软件8槽CompactRIO挖掘机中。NI CompactRIO不负众望

面对上述挑战，智利的CADETECH公司利用NI的CompactRIO平台，构建了灵活的高级监控系统SiAMFlex。CompactRIO所具备的-40—70℃工作温度范围，50g抗振动能力使其完全能胜任野外工作的可靠、稳定性要求。

SiAMFlex系统的分析算法是基于NI LabVIEW 开发的，并发布到CompactRIO 平台。利用CompactRIO集成的FPGA 资源，系统能够完成振动、应变以及编码器这些关

过

去，我们对设备的维护、监测主要靠传统的听、摸、

键信号的高速同步采集，并将实时的信号处理结果与参量做连续高速的阈值比较，据此判断当前运行状况并根据设定做出及时报警。对于进一步健康预测所需的大量复杂数据分析，则是通过无线网络上传到主服务器的方式来实现的。

看等简单手段，这种感性判断与设备实际运行状态相差甚远，因此，经常出现一些突发性故障，使我们常处于一种被动检修状态，使小问题，酿成大事故，给安全生产和检修工作带来繁重的负担。那么我们是否能够在故障的初始阶段就准确判断事故的原因，使设备能够进行预维修，变被动为主动，从而防微杜渐，实现高效而安全的作业呢？

“所有高速测量、信号处理与控制，以及通信功能包括触摸屏应用的开发，都是基于LabVIEW 统一的平台完成的，充分体现了NI 可编程自动化控制器软硬件平台的开放性、

恶劣环境下的实时监控是一大挑战

采矿业中，一辆用于露天采矿的重型电动挖掘机单次采集的矿物可以装满12 辆卡车。因此，任何预料之外的故障或停机都将严重影响生产。但是，由于缺乏既能在恶劣环境下可靠运行，同时又具备足够的信号处理与控制能力的设备，在线状态监测技术一直很难应用于这类电动

灵活性，到2008年4月，智利四个大型矿产开采区中的9辆重型电动挖掘机已采用SiAMFlex来进行监控和维护，而且效果良好。”

ni.com/mcm/zhs

70NI工业控制与自动化行业案例集

差之毫厘，谬以千里

清华大学采用NI LabVIEW与实现对钢轨顶面短波不平顺的自动检测

而传统检测钢轨顶面平顺度的方法是手清华大学采用NI LabVIEW与数据采集板卡搭建了一套钢轨顶面短波随

着中国经济的持续快速发展，人员与物资的流动变得越来越频繁，中国铁路多次提速，以缓减运输压

钢轨顶面短波不平顺检测系统，能够为钢轨打磨计划的制定提供科学依据，从而消除“毫厘之差”，提高旅客乘车舒适度，保障行车安全。

力，促进经济发展。2007年4月第六次铁路大提速以来，全国大多数干线的火车时速达到200公里，有条件的线路列车运行时速可达250公里。

NI LabVIEW大显神通

针对以上问题，清华大学采用NI LabVIEW与数据采集卡设计了钢轨顶面短波不平顺的自动检测系统，系统分为在线检测子系统与事后回放子系统两个部分。在线检测子系统在连续采集数据的同时，还将对采集到的数据进行必要的分析处理，按一定格式存储并动态地显示。事后回放子

列车的提速给人们带来便捷的同时，也给钢轨各方面的性能带来了一系列更高的要求，钢轨顶面的平顺度就是其中很重要的一个指标。

钢轨平顺与否关乎重大

钢轨顶面短波不平顺是产生噪音和引起火车轮轨相互作用

力变化的主要原因之一。随着铁路运输不断向高

系统则通过对现场检测得到的原始数据文件进行数据索引和调用，进行信息的回放及相关报表的显示和打印。

“利用NI 公司的LabVIEW开发此系统，不仅可以很方便地实现复杂的数据处理功能，而且用户界面也可以做得十分美观、友好和具有个性化特点，其模块化的设计，又大大方便了程序的修改和维护。”

速、重载方向发展，钢轨顶

面短波不平顺程度日益严重，这不仅加剧了轨道结构部件的伤损和几何尺寸的超限，而且影响了钢轨的使用寿命，甚至危及行车安全。

目前，系统的开发已基本完成，且测试情况良好，经过进一步完善，这个用LabVIEW 研制开发的钢轨顶面短波不平顺检测系统将填补国内有关短波不平顺自动检测系统方面的空白。

目前，中国检测钢轨顶面短波不平顺的现有方法仅是静态逐点手工测量，费时、费力、效率很低。研制和开发新型

ni.com/labview/zhs

NI工业控制与自动化行业案例集71

货物的自动分类就是这么简单

加拿大国家铁路公司构建火车的货物自动分类控制系统

加

铁

拿大国家铁路公司是加拿大最大、北美第五大的

理能力，分类的正确性都有着极高的要求。例如，要求设置冗余，并且系统不受风向和风速的影响。此外还需要：

路公司。 其经营范围遍及北美及各大港口的

铁路服务，以运输精确、负责、可靠及运力强大而著称。

2000V瞬时电压输入保护、所有通道间隔离、输入信号大幅度波动时过零检测、可编程的数字输入去抖动等。

作为加拿大最大的铁路公司，加拿大国家铁路公司承受了大量的货物的运输工作，在调度场。货物的分类光靠手工完成费时费力。NI PAC为货物的分类调动创建了一套全自动的系统。NI PXI 机箱与板卡为了提高生产效率，降低劳动成本，加拿大国家铁路公司采用NI的PAC构建火车调度场的货物自动分类控制系统。如何高效地构建符合特定要求的自动检测与分类系统，并且使之具有良好的可扩展性以适应未来的应用是我们必须面临的一个挑战。

根据以上要求，加拿大国家铁路公司

采用NI的PXI系统构建了高性能的物件自动分类控制系统。采用LabVIEW FPGA模块，我们可以编程设置去抖动间隔，过零检测，无反应波段，滞后时间以及滤波参数，并可以通过主机来进行设置。PXI嵌入式系统中运行中断和事件驱动实时程序，能够采集传感器信息，进行工程转

物超所值，当仁不让

当火车抵达时，布置在现场的传感器将对货物的重量、速度以及位置等信息进行实时的采集，经过信号调理、分析处理，最终做出分类决策。由于分类场每天要处理大量的物件，并且工作在恶劣环境下，所以对系统的处

换以及本地计算，最后通过串口连接发送到主机。在同一程序中，还能够完成接受控制器命令以及模拟输出的工作。主机与PXI的通信通过自定义的串口连接，能够完成CRC校验、通信状况报告、信号解析等工作。

同时，平台提供了超过3000通道的解决方案。通过PXI背板与信号调理模块的连接，显著降低了大通道数解决方案的成本。采用同步，通知以及中断等技术，系统只需要当货物通过传感器的时候触发并采集部分数据。这样能够为CPU节省大量资源。同时，PXI系统还能够执行基于看门狗的监测与报告。一旦硬件部分出了问题，将迅速切换到备份系统继续执行，保证系统可靠性。

“在PXI平台上，利用NI的LabVIEW实时模块与FPGA模块，使得系统具有很好的灵活性和可扩展性，对将来可能的需求具有很好的支持。”

ni.com/pxi/zhsni.com/fpga/zhs

72NI工业控制与自动化行业案例集

车厢控制—打破封闭，提升性能

广州地铁采用NI PXI和CompactRIO构建高速列车智能控制诊断网络系统

NI的PXI和I

TS（Intelligent Transportation System）智能化交通系统是交通发展的一次。随着微电子技术和分

络系统。系统的主体部分是车辆控制单元，由PXI设备充当，通过100M以太网与其它子系统相连，不能通过以太网控制的部分，则使用CompactRIO通过I/O口的方式来控制。系统通过LabVIEW的TCP控制模块及数据采集模块实现了自动组网与实时通信功能，控制周期可精确到100微妙，完全能够满足列车标准中最小2毫秒的通讯周期要求。

布式现场总线技术的发展，越来越多的列车采用了通信网络，利用网络来实现对车载设备的集散式监视、控制与管理，为乘客提供足够的安全和娱乐。我国也将ITS列入了发展规划日程并计划加大力度促进ITS技术和产业的发展。

但是，构建高性能的列车控制网络系统，使其具有处理上的实时性以及网络的开放性绝非易事。

󱍇!!󰾪󰫶!!󰽚󰀔󰀓󰀓0面临的挑战

目前列车运营商对列车的智能诊断水平及列车控制品质要求越来越高，这就需要列车具备先进的控制及诊断网络系统。这对系统的处理能力及网络实时性提出了前所未有的要求。为适应列车编组经常变换的特点，列车网络还必须具备自动重组的功能。目前仅有少数网络系统能够满足应用要求，如WTB/MVB、LonWorks，但这些网络是针对列车开发的专用网络，因此价格十分昂贵，而且都不是开放性网络，不对其他通用设备兼容。

$󰀃9&8󰀔󰀃%󰀃$󰀃%󰀃$󰀃9&8󰀕󰀃%󰀃9&8Q车辆总线拓扑图列车网络拓扑图提高效率、降低成本，一举双得

“使用NI的虚拟仪器设备可以方便地搭建列车控制网络系统的平台，特别是在设备开发试验阶段能够节省大量硬件制作成本的投入，而且开发快速，能够节省大量时间和精力。”

由于列车专用网络系统的应用受到多方面的制约，用户急需一种运算处理能力强，并具有很好开放性的网络系统。基于以上需求，广州地铁采用NI的PXI、CompactRIO设备及LabVIEW设计平台构建了高速列车智能控制诊断网

ni.com/pxi/zhs

ni.com/compactrio/zhs

NI工业控制与自动化行业案例集73

南车集团四方机车车辆股份有限公司(四方机车)的前身是成立于1900年10月的“胶济铁路四方工厂”，现在主要从事机车和城市轨道交通车辆的开发制造，是中国轨道交通装备重要的研发制造和出口基地以及铁路客车及相关产品的主导设计制造企业。采用NI PAC平台，四方机车对于铁路机车控制系统进行了一系列改进，满足铁路提速需要。轨道运输智能控制系统让您

的旅程更舒适

四方机车采用NI 可编程自动化控制器构建高性能列车机车控制系统

中

国铁路第六次大面积的提速，是在京哈、京沪、京广、陇海、浙赣、胶济、武九、广深线等既有干线实

PAC高效、稳定，为铁路提速添砖加瓦

为了克服原有控制系统在控制算法、处理能力以及温度适应范围上的缺陷，四方机车车辆采用NI的CompactFieldPoint可编程自动化控制器构建了一高性能列车机车控制系统。Compact FieldPoint具备-40~70℃的宽工作

施的200公里速度级的提速，有条件的线路列车运行时速可达250公里。提速后，北京到上海的时间只需10个小时。

火车提速给人们带来方便快捷的同时，也给工程技术人员提出了更高的要求，带来了一系列新的挑战。

温度范围，完全能胜任机车工作环境要求。整个系统基于NI LabVIEW图形化的软件开发平台，完成对信号采集、PID控制以及自定义的闭环控制算法的设计开发，直接发

快速、精确控制，PLC力不从心

在火车机车的主从控制室中，控制系统包括了火车启动/制动、柴油机温度/压力、变扭器、档位调整、机车车速、尾车红灯、车门开关等多类模拟、数字参量在内的复杂监测和控制。在具体控制策略方面，涉及档位变换、调速电流、微量充油等控制，一般需要用到多路PID以及基于特殊波形输入输出的自定义闭环控制算法。过去，基于传统PLC的的控制平台一方面受限于PLC在针对模拟量的测量精度及运算能力上的不足，了闭环控制的精度与速度；在开关量上，由于PLC采用轮询的方式，使得机车启动、车门开关等功能存在较大的响应延迟，这些都不能很好满足国内列车提速升级后对控制系统的实际要求。另一方面，由于机车会运行于中国北方较为寒冷的区域，控制系统对环境的适应能力也是一个严峻的考验。

布至LabVIEW实时操作系统。

Compact FieldPoint所采用的高性能浮点处理器以及大容量内存，大大提高了控制算法运行的效率以及控制系统的整体性能。位于列车头尾的主从机车控制系统采用Modbus的协议完成数据传输通信，并且可实现主从机车互换或重组，通信的方式灵活自主，突破了原来的固定。

“整套系统，从程序开发，到后期的安装调试，投入运行，只用了两个多月的时间。现在已经有多辆基于NI PAC高性能控制平台的机车，承载着旅客运输的重要责任，运行于中国辽阔的土地上。”

ni.com/compactfieldpoint/zhs

74NI工业控制与自动化行业案例集

请登陆NI主页，搜索与您行业更加相关的案例信息ni.com/solutions/zhsNI工业控制与自动化行业案例集75常见问题解答

1． PAC和PLC以及DCS相比有什么不同？

PLC(可编程逻辑控制器)的出现取代了原来的工厂的继电器，一直占据着工业控制的主流地位。然而在当前，人们需要的功能越来越多，例如快速运算、海量存储、与其他硬件平台以及网络的连接等，因而传统的PLC已不能满足所有的控制需求。

一套全新的工业系统，您都需要考虑以下几点因素：

一、控制系统的循环速率(Loop Rate)：无论是采用

开环控制还是闭环控制系统，您都需要考虑系统的循环速率。工业系统的一个循环周期通常包括采集、分析处理和控制输出三个环节，而循环速率则由输入的采样率，控制器的运算速度以及输出的刷新率所决定。

PAC(可编程自动化控制器)在2001年由权威咨询机构ARC Group提出。PAC是具有更高性能的工业控制器，在保留了PLC可靠性的同时，更添加了PC的强大的运算能力，为实现高级工业自动化应用铺平了道路。

二、分析和控制算法的应用：当获取来自工业现场

的各种信号之后，需要应用相关的分析算法提取信号中有用的信息，用以实时监测和故障诊断等应用。不仅如此，分析的结果还可以作为

PAC的概念一经推出，得到了行业内众多厂商的响应。包括NI、倍福、研华等在内的众多知名厂商纷纷推出各自的PAC控制器。而像GE、RockWell 等老牌PLC厂商也陆续跟进，推出了全新的PAC产品。目前PAC产品已经被应用到冶金，化工，纺织，轨道，建筑，水处理，电力与能源，食品饮料，机器制造等诸多行业中。

三、与现有工业系统的连接：工业系统通常牵涉到

多种工业设备的协同工作，所以控制系统必须

与PAC和PLC不同的是，DCS(集散控制系统)的核心在于系统网络，它和PLC或PAC的差异类似“系统”和“装置”的区别，系统可以实现任何装置的功能与协调，而装置只实现本单元所具备的功能。在实际应用中，我们可以采用PLC和PAC构成DCS网络，并将网络中的复杂控制交给PAC完成。

在选择PAC平台时，不仅需要考虑处理器以及I/O的性能以满足系统对循环速率的要求。更重要的是，选择一个合适的PAC开发平台，发挥其强大的软件能力，确保控制的性能和系统的连接性。

能够与各种传感器，以及现有的工业设备进行快速连接，以确保已有的投资。

控制系统的判决条件，通过合适的控制算法，实施决策性的控制，确保控制应用的稳、准、快。在开发合适的算法时，还需要考虑如何能将算法快速应用到物理I/O上，获取实际的运行结果。

2．在构建基于PAC 的现代化工业系统时，需要考

虑哪些因素？

3．NI的PAC与其他的PAC系统相比有什么优势？

无论您是在考虑升级现有的工业控制器还是准备构建作为基于计算机的测量与自动化技术的领导者，NI

76NI工业控制与自动化行业案例集

一直致力于将全新的科技带入工业领域。从处理器、I/O到开发软件，NI PAC均提供了高性能的产品供您选择。

不仅如此，在LabVIEW的平台下您还可以非常方便地集成各种工业总线，并通过OPC Server快速连接到现有的PLC系统。此外，LabVIEW还提供了对机器视觉、运动控制以及人机交互界面(HMI)等硬件的

NI PAC集成了工业实时的处理器和基于FPGA的硬件级的处理器，满足您对于高速工业控制应用的需求。常见的工业控制系统的循环周期一般为毫秒级，工业实时处理器则能提供微秒级的响应时间，而采用基于FPGA的NI PAC系统，能够在一秒钟内实现超过400亿次的运算，以及百万次以上的PID闭环控制，从而获得纳秒级的时间确定性。在高性能处理器的平台上，NI还提供了丰富的I/O模块可供选择，涵盖模拟、数字、总线通信以及其它可自定义的I/O，可以实现高达800kS/s的模拟采样速率，100kS/s的输出刷新率以及10M的高速数字I/O通信速率等。

支持，确保工程师在统一的平台下完成对整个工业系统的开发。

4． PAC会不会取代现在的PLC ？

PAC诞生的目的是为工控系统添加更高的测量和控制性能，所以它不会取代现有的PLC系统，并且能够作为您升级现有系统的首要选择。

在对PLC系统进行升级的时候，首要考虑的是对于PLC系统的连接性，NI的PAC平台能够通过NI OPCserver或多样的工业总线连接到几乎所有的现有

更重要的是，配合高性能的硬件平台，NI还提供了图形化的编程软件LabVIEW作为PAC的软件开发平台，可以针对多种工业处理器进行开发，并能够满足用户对高级算法应用以及与现有工业系统连接的要求。

PLC系统，确保您已有的对于PLC系统的投资，并将PAC高速模拟量的输入输出，多平台的联合工作、大容量存储能力、复杂高确定性的控制等性能添加到系统中。

例如：I2S钢铁公司需要在生产线上实现对钢板的厚

LabVIEW中内置了丰富的分析和控制的算法供用户选择，并能快速在硬件上实现。如下图所示，在LabVIEW图形化的开发平台下，算法的实现能够直观的对应于系统的框图，从而工程师得以快速完成代码的开发。

度的精确测量和轧钢控制，原有PLC系统采样率无法满足要求，NI CompactRIO则以800k/s的模拟采样率和200k的PID循环速率胜出。

5．PAC支持哪些工业总线？其扩展性如何？

PAC能够方便地连接到多样的控制设备，确保您已有的投资，同时方便升级和扩展。

NI PAC平台可以直接连接到串口、以太网、CAN、CANopen、DeviceNet、FOUNDATION Fieldbu、PROFIBUS、I2C/SPI、EtherCAT等工业总线。还可以通过第三方的Gateway连接到AS-Interface、CC-Link、ControlNet、EtherNetIP、FIPIO、InterBus、LonWorks、Modbus Plus、PROFINET I/O等工业网络。

NI工业控制与自动化行业案例集77

不仅如此，NI PAC平台的开放性还体现在与视觉系统，PDA远程控制，HMI人机交互等多样的连接性上，从而保证未来对于系统升级和扩展的需求。

6．是否可以使用NI PAC构建一套完整的生产管理

自动化系统？

是的。NI 的PAC平台不仅可以方便地集成到各种工业网络中，还能够以NI LabVIEW为架构，快速组织成一套完整的企业监控网络。

通过工业网络，用户可以在主控制器中将通过PAC传输来的数据进行快速处理、显示和分析，实现多点记录和监控功能。并完成快速的企业数据库连接、历史数据的记录和报警、安全管理机制(加密)、专业的工业界面设计工具、Word/Excel/Html报表生成以及网络发布的功能，从而构建一个完整的监控系统。

例如：世界第五大石油集团—墨西哥国家石油集团公司采用NI的监控系统及PAC硬件管理原油的运输和分配，实现超过4000个监控点，大于100公里的传输距离、以及对于上千种不同第三方硬件的连接。

7．我想进一步了解NI PAC的产品与技术，请问有

什么途径？

欲了解更多NI PAC产品和技术，您可以采用以下几种方式：

●

登陆ni.com/pac/zhs，查看更多关于NI工业自动化行业应用案例，最新技术，以及PAC平台硬件的详细介绍；

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在线报名(ni.com/china/events)参加针对PAC应用的研讨会。

78NI工业控制与自动化行业案例集

笔记

NI工业控制与自动化行业案例集79

笔记

80NI工业控制与自动化行业案例集

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