基于LabVIEW和Web技術(shù)的水處理遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)

熊偉麗 湯斌斌 陳敏芳 徐保國

(輕工過程先進控制教育部重點實驗室1，江蘇 無錫 214122;江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院2，江蘇 無錫 214122)

基于LabVIEW和Web技術(shù)的水處理遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)

熊偉麗1，2湯斌斌2陳敏芳2徐保國2

(輕工過程先進控制教育部重點實驗室1，江蘇 無錫 214122;江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院2，江蘇 無錫 214122)

隨著水處理工藝的發(fā)展，相應(yīng)的控制系統(tǒng)成為保證處理后水質(zhì)、提高工作效率的關(guān)鍵。詳細描述了在線與遠程監(jiān)控水處理控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺，通過SIMATIC.NET建立OPC服務(wù)器與西門子S7-300 PLC的連接;以SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制;并通過LabVIEW內(nèi)嵌的Web工具將系統(tǒng)發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了異地遠程在線監(jiān)控;采用GSM無線通信模塊，利用手機短信方式查詢系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時能夠自動通知高層管理人員。應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能較好地實現(xiàn)水處理過程的集中和遠程監(jiān)控。

水處理 LabVIEW OPC服務(wù)器 遠程監(jiān)控 GSM無線通信

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號:30971689);

中國博士后基金資助項目(編號:2012M511198);

江蘇省博士后基金資助項目(編號:1101021B);

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目PAPD。

修改稿收到日期:2012-05-29。

0 引言

我國污水處理相對于發(fā)達國家起步較晚，普遍存在效率低、能耗高、自動化程度低等問題［1］。水處理過程設(shè)備種類多、操作步驟繁瑣、工藝復(fù)雜多樣，所以，實現(xiàn)水處理系統(tǒng)的自動控制很有必要，它是保證處理后水質(zhì)、提高水廠工作效率不可缺少的環(huán)節(jié)。因此，設(shè)計滿足污水處理工藝要求的、具有集中和遠程監(jiān)控功能、使控制和管理一體化的綜合控制系統(tǒng)具有重要意義。

虛擬儀器系統(tǒng)概念是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是計算機系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物［2］。近年來，以LabVIEW為代表的虛擬儀器技術(shù)得到快速發(fā)展［3-4］，其利用計算機系統(tǒng)的強大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、處理等方面的限制，使用戶可以方便地對其進行維護、擴展、升級［5-6］。

本系統(tǒng)基于LabVIEW開發(fā)平臺，以SQL Server數(shù)據(jù)庫作為信息管理工具，采用OPC和DataSocket技術(shù)，連接下位機PLC進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、實時曲線顯示、歷史記錄、故障報警等功能。系統(tǒng)不僅可以在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控室對整個工藝流程實時監(jiān)控，而且可以通過瀏覽器實現(xiàn)異地遠程實時監(jiān)控。系統(tǒng)采用GSM無線模塊，管理人員可在全球范圍內(nèi)通過手機短信查詢工業(yè)現(xiàn)場參數(shù)，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，自動以短信和電子郵件兩種方式通知指定的多個管理人員。本系統(tǒng)在湖北勁酒污水處理廠得到很好的應(yīng)用，提高了污水處理控制的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)水處理工藝控制要求，系統(tǒng)控制分為三級，包括現(xiàn)場控制級、中控室集中控制級、互聯(lián)網(wǎng)遠程控制級［7］。其中現(xiàn)場就地控制的級別最高，互聯(lián)網(wǎng)遠程控制級別最低。現(xiàn)場集水井、調(diào)節(jié)池、事故池、移動床反應(yīng)器、厭氧反應(yīng)器等單元安裝傳感器采集相關(guān)參數(shù)，傳感器采集的數(shù)據(jù)和各種設(shè)備狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過PLC和RS-485總線傳送到上位機，上位機和PLC內(nèi)部程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行分析處理，并發(fā)出控制指令至潛水泵、攪拌機、氣浮、鼓風(fēng)機、加藥泵等執(zhí)行部件，實現(xiàn)對各單元的集中控制。

污水處理監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 污水處理監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of sewage treatment monitoring system

2 系統(tǒng)關(guān)鍵部分功能實現(xiàn)

2.1 LabVIEW與PLC通信

NI LabVIEW平臺可以通過多種方式與任何可編程邏輯控制器(PLC)進行通信。用于過程控制的OLE(OLE for process control，OPC)定義了在控制設(shè)備和人機界面(HMI)之間進行實時對象數(shù)據(jù)通信的標準，OPC服務(wù)器適用于幾乎所有PLC和可編程自動化控制器(programmable automation controller，PAC)。

系統(tǒng)采用的是工業(yè)過程控制中應(yīng)用較廣的西門子S7-300系列PLC。對于此系列PLC，在上位機有兩種方式建立OPC服務(wù)器。其中一種方式是通過西門子公司的SIMATIC.NET軟件建立用于S7-300/400 PLC的OPC.SimaticNET服務(wù)器，前提條件是為工控機安裝西門子CP通信卡，具體分為三個步驟。

① 安裝 SIMATIC.NET，在 Station Configurator中配置所要建立OPC服務(wù)器的站點名稱、地址、通信方式和參數(shù)。

②在Configuration Console中確認模塊的模式為Configured mode，然后在Access points中將 S7 ONLINE的接口參數(shù)設(shè)置為CP5611(MPI)。

在Simatic Manager的項目管理目錄下，新建一個Simatic PC站點，站點的命名與Station Configurator中配置所要建立OPC服務(wù)器的站點名稱一致;然后對其進行硬件組態(tài)，設(shè)置對應(yīng)PLC的MPI連接地址，并下載到PC站點內(nèi)。

③ 在 OPC Scout的本地服務(wù)器中，選擇 OPC.SimaticNET，新增加一個組，并在組內(nèi)添加想要觀測的目標項目，完成后如果在Quality列表內(nèi)觀察到其通信質(zhì)量為Good，說明通信成功建立。

OPC服務(wù)器建立流程如圖2所示。

圖2 OPC服務(wù)器建立流程Fig.2 Flowchart of OPC server establishment

另外一種方式是采用NI公司自己提供的NI OPC Servers，其內(nèi)含工業(yè)控制領(lǐng)域常用的PLC驅(qū)動，如AB、三菱及西門子等。但是對于西門子S7-300系列PLC，NI只提供了基于PC Adapter的串口驅(qū)動，目前尚不支持CP5611通信卡。因此，出于通信速率考慮，本系統(tǒng)采用第一種方式建立OPC服務(wù)器。

OPC服務(wù)器建立之后，可利用LabVIEW內(nèi)部的共享變量與PLC內(nèi)部目標寄存器綁定，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。同時，LabVIEW支持DataSocket技術(shù)。

DataSocket技術(shù)是NI開發(fā)的專門面向測量和網(wǎng)絡(luò)的實時高速數(shù)據(jù)交換技術(shù)，支持包括OPC、LOGOS、FILE、FTP和 DSTP等協(xié)議。通過 DataSocket Read和DataSocket Write節(jié)點，LabVIEW可以方便地實現(xiàn)與PLC高速通信。

2.2 LabVIEW和SQL Server數(shù)據(jù)庫連接

在用LabVIEW平臺開發(fā)應(yīng)用程序時，不可避免地要和數(shù)據(jù)庫進行信息交互。用戶利用數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)信息的存儲、讀取、歸納分析等操作。

LabVIEW是一個開放性的編程平臺，為用戶訪問數(shù)據(jù)庫提供了多種接口，對現(xiàn)行主流數(shù)據(jù)庫如Microsoft SQL Server、ACCESS、Oracle、DB2 等提供了很好的支持。

本系統(tǒng)采用以下兩種方法連接SQL Server數(shù)據(jù)庫。

①利用NI公司提供的LabVIEW SQL Toolkit函數(shù)工具包進行數(shù)據(jù)庫訪問，其中包括數(shù)據(jù)庫連接、創(chuàng)建表、選擇數(shù)據(jù)、插入數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)等常用子函數(shù)以及一些高級函數(shù)。用戶可以通過這些函數(shù)和SQL語句對目標數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)各種操作。

②除了用NI官方提供的工具包之外，還有一些LabVIEW愛好者們自己開發(fā)的工具包，LabSQL是應(yīng)用較廣的一個。把工具包內(nèi)的子函數(shù)復(fù)制到LabVIEW安裝目錄下的user.lib文件夾內(nèi)，在LabVIEW編程環(huán)境下就可以直接調(diào)用。

為了比較兩種連接方法和數(shù)據(jù)庫進行通信的速率，本文選取了兩個雙精度數(shù)值寫入SQL Server數(shù)據(jù)庫目標表的對應(yīng)兩列中，以比較通信所用時間，如表1所示。

表1 連接SQL Server通信時間Tab.1 Communication time in connecting SQL server

分析表1可以看出，當寫入數(shù)據(jù)庫1次時，兩者所用時間基本相同，主要時間用于建立連接通道;而隨著通信次數(shù)的增加，LabSQL通信時間方面的優(yōu)勢性越來越明顯。但是，LabVIEW SQL Toolkit內(nèi)部包含許多安全和容錯機制，可以防止客戶端競爭、保護連接以及保障通信的穩(wěn)定性。因此，兩種方法不能籠統(tǒng)地定論孰優(yōu)孰劣，應(yīng)用中需要按照實際情況選擇訪問數(shù)據(jù)庫的方法。

如果用戶對Microsoft ADO底層代碼較為熟悉，可以在LabVIEW中用ActiveX功能調(diào)用Microsoft ADO控件;或者利用C、C++等語言編寫DLL程序，通過LabVIEW內(nèi)部的DLL接口訪問其內(nèi)部程序，間接地訪問數(shù)據(jù)庫文件。這兩種方法需要對數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)編程語言有較深的理解，且編程工作量較大，對大多數(shù)設(shè)計者來說不太容易實現(xiàn)，一般很少采用。

2.3 GSM無線短信收發(fā)

全球移動通信系統(tǒng)(global system of mobile communication，GSM)，是當前我國應(yīng)用較為廣泛的移動電話標準［8］。短消息服務(wù)(short message service，SMS)作為基于GSM的增值業(yè)務(wù)，價格低廉、服務(wù)穩(wěn)定，除了手機之間的短消息通信外，SMS被廣泛應(yīng)用到遠程數(shù)據(jù)采集、電子商務(wù)、辦公自動化等領(lǐng)域［9-10］。

系統(tǒng)上位機通過RS-232串行總線和本地GSM模塊相連，LabVIEW內(nèi)嵌VISA串口通信組件，采用AT指令和GSM模塊通信實現(xiàn)短信收發(fā)。相關(guān)的AT指令如表2所示。

表2 短信息服務(wù)相關(guān)的GSM AT指令表Tab.2 GSM AT instructions related to SMS service

短信編碼方式采用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocol data unit，PDU)模式，PDU 模式下支持 UTF7、UTF8 和Unicode三種編碼［11］。其中，UTF7 只能對標準的ASCII字符信息進行編碼;UTF8則主要用于圖像和鈴聲等多媒體信息的編碼;UCS2是兩個字節(jié)的Unicode編碼。由于中文是采用兩個字節(jié)的編碼，因此要發(fā)送和接收中文，只能采用UCS2編碼。

PDU字符串是一串ASCII碼，由0～9、A～F等數(shù)字和字母組成，是8字節(jié)的十六進制數(shù)，或者BCD碼十進制數(shù)。PDU字符串不僅包含要發(fā)送的內(nèi)容編碼，還包含許多附加信息編碼，如目標號碼、SMS服務(wù)器中心號碼、編碼方式及服務(wù)時間等。

設(shè)定發(fā)送號碼為+8613912345678，目標號碼為+8613987654321，短信中心號碼為+8613800510500，則上位機通過串口發(fā)送的PDU字符串為:08 91 68 31 08 50 01 05 F0 11 00 0D 91 68 31 89 67 45 23 F1 00 08 00 06 4F 60 59 7D FF 01。

2.4 人機界面設(shè)計

本系統(tǒng)為湖北勁酒污水處理廠開發(fā)。整個工藝中，有格柵井、集水井、調(diào)節(jié)池、事故池、移動床生物膜反應(yīng)器、氣浮、初沉池、二沉池、污泥池等處理單元，設(shè)備包括機械格柵、潛水泵、攪拌機、羅茨鼓風(fēng)機、加藥泵、溶藥裝置、污泥螺桿泵等電機設(shè)備，共有570個I/O點。系統(tǒng)通過上位機(西門子工控機)監(jiān)控整個水處理工藝。

上位機操作界面分為工藝流程、設(shè)備控制、實時趨勢、歷史數(shù)據(jù)及曲線、故障報警和報表輸出等部分。

在工藝流程界面中，可以直觀地顯示水處理整個工藝，每個設(shè)備有運行、停止、故障三個狀態(tài)顯示燈，用戶可在監(jiān)控室了解當前設(shè)備運行狀態(tài)，現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)，如液位、溫度、pH及溶氧等可在此界面實時顯示。

在設(shè)備控制界面，用戶可以設(shè)置液位上下限、電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。每個設(shè)備控制功能塊中設(shè)有手自動切換和啟停按鍵，用戶可根據(jù)實際控制要求設(shè)置設(shè)備控制模式。同時，系統(tǒng)對設(shè)備中的電機運行時間進行累計并存入數(shù)據(jù)庫，方便檢修查詢。

除了上述界面，系統(tǒng)還包括用戶密碼登陸界面、設(shè)備控制界面、報警故障界面、歷史數(shù)據(jù)界面和報表生成界面等。

2.5 異地遠程監(jiān)控

LabVIEW支持用戶程序的 Web發(fā)布，LabVIEW Web服務(wù)可以生成超文本標記語言(hypertext markup language，HTML)文檔并嵌入前面板靜態(tài)或動態(tài)圖像，以便客戶端計算機遠程查看和控制前面板［12-13］。通過LabVIEW的Web服務(wù)，可以為操作人員提供一個非常便捷的工作方式，使其即使身在外地，打開計算機通過瀏覽器連接到互聯(lián)網(wǎng)，即可實現(xiàn)對水處理整個過程的監(jiān)視與控制。

LabVIEW的Web服務(wù)器提供以下三種方式發(fā)布用戶程序。

①“Snapshot”:快照方式，可遠程獲取監(jiān)控界面的靜態(tài)圖形［14］。

②“Monitor”:監(jiān)視器方式，可以根據(jù)需要配置遠程客戶端每N秒自動刷新監(jiān)視界面。

③“Embedded”:嵌入方式，將用戶程序完全嵌入Web服務(wù)器，從而發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)［15］。

本系統(tǒng)采用Embedded方式，即將用戶程序完全發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)。在客戶端打開的瀏覽器的統(tǒng)一資源定位(universal resource localization，URL)欄中，輸入服務(wù)器的IP地址或計算機名和通過LabVIEW生成的HTML文件的文件名，如 http://ipaddress/filename.html，即可遠程訪問系統(tǒng)。

系統(tǒng)訪問通道采用安全套接層(secure socket layer，SSL)證書加密，操作人員可以在異地申請程序控制權(quán)，得到本地允許之后可以獲得系統(tǒng)的操作權(quán)，從而代替本地人員管理控制系統(tǒng)。如果當前不允許遠程控制系統(tǒng)，可以在前面板設(shè)置“鎖定控制”來鎖住系統(tǒng)控制權(quán)，保障系統(tǒng)安全運行。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)采用LabVIEW編程平臺開發(fā)，完成了對水處理整個工藝流程的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制任務(wù)。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、人機交互界面友好美觀、操作簡便，利用GSM無線技術(shù)實現(xiàn)短信查詢系統(tǒng)參數(shù)，通過短信和E-mail等多種手段實現(xiàn)故障報警，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了隨時隨地的遠程在線監(jiān)控。

本文的創(chuàng)新點在于把 LabVIEW、DataSocket、GSM無線通信和Web等技術(shù)應(yīng)用到污水處理過程在線遠程監(jiān)控，實現(xiàn)了真正意義上的監(jiān)控管一體化，提升了水處理廠的自動化水平和故障實時處理能力。

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Online Remote Water Treatment Monitoring System Based on LabVIEW and Web Technologies

Following the development of water treatment technologic process，the corresponding control system becomes the key to ensure the water quality after treatment and to increase operational efficiency.The implementation of online and remote control system of water treatment is described in detail.By adopting LabVIEW virtual instrument developing platform，and through SIMATIC.NET，the connection between OPC server and Siemens S7-300 PLC is established;with SQL Server as background database，the data acquisition and equipment control are implemented，and through the Web tool embedded in LabVIEW，the system is released to Internet for achieving remote online control.GSM wireless communication module and mobile phone are adopted for implementing inquiry of real-time system data in SMS pattern，thus，when fault occurs in the system，alert information can be automatically notified to senior managers.The application shows that the system operates steadily and reliably，and well implements centralized and remote monitoring in water treatment process.

Water treatmentLabVIEW OPC server Remote monitoring GSM wireless communication

TP31

A

熊偉麗(1978-)，女，2007年畢業(yè)于江南大學(xué)輕工信息技術(shù)與工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授;主要研究方向為智能控制與優(yōu)化算法。