TwinCAT Scope：通過多核技術提高性能
http://www.debgrams.com 2016-08-19 11:24 來源：德國倍福自動化有限公司
特別是在工業 4.0 和“大數據”的背景下，對于測試設備制造商來說，設備的高級數據采集已經不再是問題。越來越多的生產設備需要在設備的整個生命周期內進行可靠的數據采集：在設備調試、性能優化以及實際生產時所收集的數據將用于狀態監測系統以提升設備的可用性。
在需求方面，工程階段和服務操作之間幾乎沒有區別。作為一項基本規則，數據必須以一個清晰、透明的方式顯示，保持其正確的順序并具有最高的性能。為了獲得最大的工程效率，將圖表工具集成到開發設備的軟件中是非常必要的。TwinCAT Scope 滿足所有這些要求，并對多通道的數據呈現進行了進一步的優化。
架構
TwinCAT 3 Scope 是一款示波器軟件，用于以圖形的方式顯示和分析自動化系統中的變量。TwinCAT 3 Scope 由兩個主要組件構成：Scope View 用于圖形化信號曲線顯示，Scope Server 用于記錄實際數據。對于只需要記錄數據的用途，Scope Server 可以單獨安裝在目標系統上而無需安裝 View 組件。在這種情況下，它通過一個 PLC 功能塊進行控制，該功能塊可以加載配置、啟動和停止記錄并保存數據。如果 Scope View 是用于控制目的，Scope Server 可以安裝在遠程設備上或安裝在本地的開發設備上。Scope 是技術服務人員的理想選擇，由于本地服務器已足夠用于記錄數據，因此在對設備進行高精度和增強型圖形化分析時無需在目標設備上安裝額外的軟件。例如，技術服務人員可以直接連接和啟動一個基于觸發器控制的配置。在使用Server時可以使用一個停止記錄觸發器，并設置他的預觸發時間或后觸發時間。在觸發事件發生前或事件正在記錄數據時，新獲取的數據將被存儲在一個環形緩存中。
與TwinCAT 3開發環境一樣，Scope的配置和顯示部分也同樣集成到了Microsoft Visual Studio®中。特別是在設備調試期間，如果測量項目中的 Scope View 可以與TwinCAT 項目同時并存在一個相同 Visual Studio®解決方案中，那將會帶來巨大優勢。Windows 的窗口停靠功能可以用于直接并排顯示 Scope View 和程序代碼或硬件配置。通過這種方式，執行程序段或新設置的硬件參數的效果將能夠直接通過圖形化的方式顯示出來，它們對于用戶在分析時是非常有用的。與此同時，因為 Scope View 有其自己的項目，它在一個解決方案中可以依賴其自身生存，即獨立于 TwinCAT 項目。如果一個 Runtime 系統上沒有 Visual Studio®，Scope View 會自動安裝 Visual Studio® 框架并將其自身集成到這個框架中。用戶無需再額外地進行單獨安裝。
圖 1：Visual Studio®中的 Scope 配置，也顯示了概述圖
Pascal Dresselhaus，德國倍福自動化有限公司 TwinCAT 產品經理
應用
在最初開發 TwinCAT Scope 時，其目標是開發一款在機器調試和故障排除期間給工程師、技術人員和程序員提供支持的工具。因此，非常重要的是，該工具在數據采集時是以同步周期的方式進行，即使周期時間為50μs，也能將數據全部采集而無遺漏。通過超采樣技術，甚至能夠以比實際 PLC 周期時間更快的速度掃描信號。當然，這些值也必須能夠被顯示出來。因此，圖表顯示能夠放大到μs范圍。例如，周期匹配分析可以通過 Scope View 中的光標輔助完成，Scope View 可以用于顯示 X 和 Y 軸上的不同之處。日期選擇器也很有益處，它在選擇數據點時呈現為一個工具提示插件，并顯示為 X 和 Y 軸值。此外，TwinCAT Scope 通常用于調試驅動軸，因為可以在圖表或 Y 軸中并行查看和比較信號，甚至在記錄時。XY 曲線圖繪制功能可以用于圖形化地顯示驅動器運行路徑 — 特別是對于 CNC 應用。只需輕點五次鼠標即可在 TwinCAT 配置中記錄第一個驅動軸以及所有關鍵參數：在 Project Wizard 中選擇一個合適的 NC 模板，然后按下 Start Record 按鈕，開始記錄主軸數據（位置，速度，等等）。復制和多選功能可用來將模板擴展到控制器配置內任意數量的軸。
圖 2：新多核支持下用于圖表設置的 Property 窗口
TwinCAT 3 開發環境安裝包總是包含 Scope View 和一個本地 Scope Server。這兩個組件都包含在基礎版中，具有所描述的功能及其它功能 — 都沒有額外的授權費用。TwinCAT Scope 的許多功能也適用于工藝監測。在這一情況下，主要功能是能夠執行長達幾天的記錄工作。觸發器控制的中間結果可以與長期記錄的數據一起保存在硬盤上。Scope 專用的數據文件可以手動或自動通過命令行調用導出成其它各種數據格式。即使在長期記錄期間，用戶可以停止在線顯示，以仔細檢查使用不同縮放功能取得的結果。總覽圖可提供用于跟蹤具有多根曲線的復雜圖表。這一“圖中圖”在一個絕對時間軸上顯示后臺所保存的數據。圖 1 中的藍色窗口在主圖中顯示當前位置。這個標記是可變的，可以很輕松地從事件跳轉到事件，而無需在主圖中滾動和縮放。
長期記錄自然會產生非常大的數據量。這些數據量是由于每通道 20 kHz 或以上的采樣率所形成的，并通過關鍵詞“大數據”來恰當地描述它。需要對它們合理進行管理和保存，以確保它們可以提供用于隨后的分析和評估。
舉例
1 ms 的現場總線周期時間等于 1 kHz 的采樣率。
這里以 65 個通道為例，即使僅一小時內產生的數據量就超過 3.8 GB，其中包括時間戳。有時并不需要以控制周期時間為采樣率記錄每一個過程記錄。驅動軸或加速度傳感器數據可能需要與周期相同的采樣率，但系統中的溫度傳感器并不一定需要。因此，在 Scope View 中，也可以為每個通道設置一個采樣率。例如，如果 40 個整數變量的采樣率從每秒鐘 1000 個值降低到每秒鐘才 1 個值，內存的使用量也會減少為每小時 1.5 GB。
性能
復雜 Scope 配置的瓶頸本質上在于極少的數據記錄。除了大數據量，主要挑戰在于以高采樣率顯示多個通道。關鍵參數是系統資源，如 CPU 性能、顯卡和內存。然而，即使系統本身具有高性能，軟件也必須能夠有效地利用現有資源。TwinCAT 3 就是這樣一款軟件：在 TwinCAT 3 運行時中，能夠在不同的 CPU 核上以不同的周期時間執行實時 PLC、NC、C++ 或 MATLAB®/Simulink®任務。這樣，自動化軟件可以直接從PC技術中獲益，隨著CPU核數量的增加而提升更高的性能。Scope View 現在也能夠充分利用多核系統，通過使用一個或多個 CPU 核來顯示信號。對于 Scope 配置內的每個圖表，用戶都可以靈活選擇用于信號顯示的CPU核和處理性能。對于復雜圖表，例如 XY 圖中具有多個通道和軸，一個圖表可以使用多個 CPU 核。用戶可以在 Visual Studio® 的 Property 窗口（見圖 2）中選擇所選的圖表。
圖 4：CPU 負載；頂部：單個核上的顯卡負載，底部：所有四個核上分配的顯卡負載
如果目標設備上的 CPU 核通過配置預留給TwinCAT專用，則它們對Windows系統不再可用，在 Scope 配置中也不能再選擇它們。通過這種方式，可以在專用的核中保證TwinCAT 實時性。
為了進一步提高顯示性能，并使其適應現有的設備，Scope View 還支持下面兩個繪圖庫：GDI+ 和 DirectX。對于具有 DirectX 功能的設備，這一繪圖庫能夠顯著提升圖形性能，DirectX 將圖形計算任務分發給顯卡，從而顯著減少 CPU 負載。顯卡芯片專為圖形繪制設計，可以顯示比通過CPU進行GDI+繪制時更多的數據點。由于支持多核系統，結合 DirectX 圖形，能夠大大提高信號顯示性能。
舉例
在一臺采用 Intel® Core™ i7 2715QE 2.1 Ghz 四核處理器的倍福 CX2040 嵌入式控制器上，能夠在五張圖表內同時顯示 60 個信號。通過從 GDI+ 切換到 DirectX，以及通過將每個圖表分配給一個或多個專用的 CPU 核，能夠現場記錄和顯示 230 多個信號。圖 3 顯示了在這一記錄過程中的 Scope View，在這里，所有信號都在 1 ms 的周期時間內采樣。
圖 3：CX2040 上的 Visual Studio® 宏，Scope View 中有 230 多個信號
這兩個功能，即支持多核系統和繪圖庫，也可以提供用于 Scope Control 集成。Scope Control 集成指的是選擇將 Scope View 繪圖作為一個控件集成到一個定制的基于 .NET 的可視化系統中，如圖 5 中的 XY 和 YT 圖表。這不僅包括記錄期間數據的處理，而且還包括諸如縮放、平移、概述圖等控制功能。因此，客戶專用的可視化程序既不需要一個自定義的圖表工具，也不需要第三方工具，這樣可以大大減少工程的工作量。最終，用戶使用由倍福提供的標準產品的好處是創建一個配置和外觀完全可定制化的軟件示波器。
圖 5：集成在 .NET 應用程序中的兩個 Scope 控件
結論
TwinCAT 3 Scope 是 TwinCAT 系統內的核心產品，并不斷升級更新。這一產品受益于七年多的開發經驗。它簡化了應用程序開發過程中的工程工作，同時也簡化了機器的故障排除和參數優化工作。它的模塊化使得集成到客戶專用的可視化程序成為可能。新的功能，特別是支持多核 CPU，凸顯了 TwinCAT Scope 作為 TwinCAT 軟件領域中高性能制圖工具的地位。
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