特別是在工業 4.0 和“大數據”的(de)背(bei)景(jing)下(xia)
，對(dui)於(yu)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)來(lai)說(shuo)
，設(she)備(bei)的(de)高(gao)級(ji)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)已(yi)經(jing)不(bu)再(zai)是(shi)問(wen)題(ti)。越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)生(sheng)產(chan)設(she)備(bei)需(xu)要(yao)在(zai)設(she)備(bei)的(de)整(zheng)個(ge)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)內(nei)進(jin)行(xing)可(ke)靠(kao)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)：在設備調試、性能優化以及實際生產時所收集的數據將用於狀態監測係統以提升設備的可用性。

在需求方麵
，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(tou)明(ming)的(de)方(fang)式(shi)顯(xian)示(shi)，保(bao)持(chi)其(qi)正(zheng)確(que)的(de)順(shun)序(xu)並(bing)具(ju)有(you)最(zui)高(gao)的(de)性(xing)能(neng)。為(wei)了(le)獲(huo)得(de)最(zui)大(da)的(de)工(gong)程(cheng)效(xiao)率(lv)，將(jiang)圖(tu)表(biao)工(gong)具(ju)集(ji)成(cheng)到(dao)開(kai)發(fa)設(she)備(bei)的(de)軟(ruan)件(jian)中(zhong)是(shi)非(fei)常(chang)必(bi)要(yao)的(de)。TwinCAT Scope 滿足所有這些要求，並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
，用於以圖形的方式顯示和分析自動化係統中的變量。TwinCAT 3 Scope 由兩個主要組件構成：Scope View 用於圖形化信號曲線顯示，Scope Server 用於記錄實際數據。對於隻需要記錄數據的用途，Scope Server 可以單獨安裝在目標係統上而無需安裝 View 組件。在這種情況下，它通過一個 PLC 功能塊進行控製，該功能塊可以加載配置
、啟動和停止記錄並保存數據。如果 Scope View 是用於控製目的，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(shi)技(ji)術(shu)服(fu)務(wu)人(ren)員(yuan)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)，由(you)於(yu)本(ben)地(di)服(fu)務(wu)器(qi)已(yi)足(zu)夠(gou)用(yong)於(yu)記(ji)錄(lu)數(shu)據(ju)，因(yin)此(ci)在(zai)對(dui)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)高(gao)精(jing)度(du)和(he)增(zeng)強(qiang)型(xing)圖(tu)形(xing)化(hua)分(fen)析(xi)時(shi)無(wu)需(xu)在(zai)目(mu)標(biao)設(she)備(bei)上(shang)安(an)裝(zhuang)額(e)外(wai)的(de)軟(ruan)件(jian)。例(li)如(ru)
，技(ji)術(shu)服(fu)務(wu)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)和(he)啟(qi)動(dong)一(yi)個(ge)基(ji)於(yu)觸(chu)發(fa)器(qi)控(kong)製(zhi)的(de)配(pei)置(zhi)。在(zai)使(shi)用(yong)Servershikeyishiyongyigetingzhijiluchufaqi
，bingshezhitadeyuchufashijianhuohouchufashijian。zaichufashijianfashengqianhuoshijianzhengzaijilushujushi
，xinhuoqudeshujujiangbeicunchuzaiyigehuanxinghuancunzhong。

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 項目同時並存在一個相同 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於直接並排顯示 Scope View 和(he)程(cheng)序(xu)代(dai)碼(ma)或(huo)硬(ying)件(jian)配(pei)置(zhi)。通(tong)過(guo)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)，執(zhi)行(xing)程(cheng)序(xu)段(duan)或(huo)新(xin)設(she)置(zhi)的(de)硬(ying)件(jian)參(can)數(shu)的(de)效(xiao)果(guo)將(jiang)能(neng)夠(gou)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)圖(tu)形(xing)化(hua)的(de)方(fang)式(shi)顯(xian)示(shi)出(chu)來(lai)，它(ta)們(men)對(dui)於(yu)用(yong)戶(hu)在(zai)分(fen)析(xi)時(shi)是(shi)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)的(de)。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)
，因(yin)為(wei) 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，即獨立於 TwinCAT 項目。如果一個 Runtime 係統上沒有 Visual Studio®，Scope View 會自動安裝 Visual Studio® 框架並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範圍。例如，周期匹配分析可以通過 Scope View 中的光標輔助完成，Scope View 可以用於顯示 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
，並顯示為 X 和 Y 軸值。此外
，TwinCAT Scope 通常用於調試驅動軸，因為可以在圖表或 Y 軸中並行查看和比較信號
，甚至在記錄時。XY 曲線圖繪製功能可以用於圖形化地顯示驅動器運行路徑 — 特別是對於 CNC 應用。隻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，然後按下 Start Record 按鈕，開始記錄主軸數據（位置，速度，等等）。複製和多選功能可用來將模板擴展到控製器配置內任意數量的軸。

圖 2：新多核支持下用於圖表設置的 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de許xu多duo功gong能neng也ye適shi用yong於yu工gong藝yi監jian測ce。在zai這zhe一yi情qing況kuang下xia
，主zhu要yao功gong能neng是shi能neng夠gou執zhi行xing長chang達da幾ji天tian的de記ji錄lu工gong作zuo。觸chu發fa器qi控kong製zhi的de中zhong間jian結jie果guo可ke以yi與yu長chang期qi記ji錄lu的de數shu據ju一yi起qi保bao存cun在zai硬ying盤pan上shang。Scope zhuanyongdeshujuwenjiankeyishoudonghuozidongtongguominglingxingtiaoyongdaochuchengqitagezhongshujugeshi。jishizaichangqijiluqijian，yonghukeyitingzhizaixianxianshi，yizaixijianzhashiyongbutongsuofanggongnengqudedejieguo。zonglantuketigongyongyugenzongjuyouduogenquxiandefuzatubiao。zheyi“圖中圖”在一個絕對時間軸上顯示後台所保存的數據。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，可以很輕鬆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。這些數據量是由於每通道 20 kHz 或以上的采樣率所形成的
，並通過關鍵詞“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於隨後的分析和評估。

舉例

1 ms 的現場總線周期時間等於 1 kHz 的采樣率。

這裏以 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qi中zhong包bao括kuo時shi間jian戳chuo。有you時shi並bing不bu需xu要yao以yi控kong製zhi周zhou期qi時shi間jian為wei采cai樣yang率lv記ji錄lu每mei一yi個ge過guo程cheng記ji錄lu。驅qu動dong軸zhou或huo加jia速su度du傳chuan感gan器qi數shu據ju可ke能neng需xu要yao與yu周zhou期qi相xiang同tong的de采cai樣yang率lv
，但dan係xi統tong中zhong的de溫wen度du傳chuan感gan器qi並bing不bu一yi定ding需xu要yao。因yin此ci，在zai 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鍾 1000 個值降低到每秒鍾才 1 個值，內存的使用量也會減少為每小時 1.5 GB。

性能

複雜 Scope 配置的瓶頸本質上在於極少的數據記錄。除了大數據量，主要挑戰在於以高采樣率顯示多個通道。關鍵參數是係統資源，如 CPU 性能、顯卡和內存。然而，即使係統本身具有高性能，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係統
，通過使用一個或多個 CPU 核來顯示信號。對於 Scope 配置內的每個圖表，用戶都可以靈活選擇用於信號顯示的CPU核和處理性能。對於複雜圖表

，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係統不再可用，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，並使其適應現有的設備
，Scope View 還支持下麵兩個繪圖庫：GDI+ 和 DirectX。對於具有 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製設計
，可以顯示比通過CPU進行GDI+繪製時更多的數據點。由於支持多核係統，結合 DirectX 圖形
，能夠大大提高信號顯示性能。

舉例

在一台采用 Intel® Core™ i7 2715QE 2.1 Ghz 四核處理器的倍福 CX2040 嵌入式控製器上，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
，在這裏，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，即支持多核係統和繪圖庫
，也可以提供用於 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製的基於 .NET 的可視化係統中
，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gai述shu圖tu等deng控kong製zhi功gong能neng。因yin此ci，客ke戶hu專zhuan用yong的de可ke視shi化hua程cheng序xu既ji不bu需xu要yao一yi個ge自zi定ding義yi的de圖tu表biao工gong具ju，也ye不bu需xu要yao第di三san方fang工gong具ju，這zhe樣yang可ke以yi大da大da減jian少shao工gong程cheng的de工gong作zuo量liang。最zui終zhong，用yong戶hu使shi用yong由you倍bei福fu提ti供gong的de標biao準zhun產chan品pin的de好hao處chu是shi創chuang建jian一yi個ge配pei置zhi和he外wai觀guan完wan全quan可ke定ding製zhi化hua的de軟ruan件jian示shi波bo器qi。

圖 5：集成在 .NET 應用程序中的兩個 Scope 控件

結論

TwinCAT 3 Scope 是 TwinCAT 係xi統tong內nei的de核he心xin產chan品pin
，並bing不bu斷duan升sheng級ji更geng新xin。這zhe一yi產chan品pin受shou益yi於yu七qi年nian多duo的de開kai發fa經jing驗yan。它ta簡jian化hua了le應ying用yong程cheng序xu開kai發fa過guo程cheng中zhong的de工gong程cheng工gong作zuo，同tong時shi也ye簡jian化hua了le機ji器qi的de故gu障zhang排pai除chu和he參can數shu優you化hua工gong作zuo。它ta的de模mo塊kuai化hua使shi得de集ji成cheng到dao客ke戶hu專zhuan用yong的de可ke視shi化hua程cheng序xu成cheng為wei可ke能neng。新xin的de功gong能neng，特te別bie是shi支zhi持chi多duo核he CPU，凸顯了 TwinCAT Scope 作為 TwinCAT 軟件領域中高性能製圖工具的地位。

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