流程工業(yè)氣體濃度在線檢測系統(tǒng)的研究

孫 林 陸綺榮 黃媛媛 王 濤

(桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院1，廣西 桂林 541004;桂林理工大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心2，廣西 桂林 541004)

0 引言

在自動(dòng)化測量儀器領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)已成為測試測量行業(yè)的發(fā)展方向。由美國國家儀器公司提出的“軟件及儀器”思想經(jīng)過20多年的發(fā)展，正逐步替代傳統(tǒng)儀器儀表通用的測量模式。隨著計(jì)算機(jī)的普及和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，構(gòu)成虛擬儀器的軟硬件系統(tǒng)正朝著通用化、模塊化和高速化方向發(fā)展［1］。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的流程工業(yè)氣體在線檢測設(shè)備需要對工業(yè)過程中乙醇、CO、CO2、O2、HCl、HF 和 NH3等氣體的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、存儲(chǔ)和分析。所測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁髯庸ぷ髡荆瑢?shí)現(xiàn)信息共享［2］。為實(shí)現(xiàn)這些功能，不僅需要性能可靠、端口資源豐富的硬件支撐，而且要求操作簡便、具有豐富的信號(hào)分析處理算法功能、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸易于實(shí)現(xiàn)的軟件平臺(tái)。綜合考慮性價(jià)比、開發(fā)周期和系統(tǒng)功能擴(kuò)展性等因素，采用虛擬儀器是比較好的選擇［3］。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)采用氣體傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)傳輸裝置和PC機(jī)來實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)氣體濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、處理、記錄、顯示、存儲(chǔ)、分析以及遠(yuǎn)程通信等功能。目前，流程工業(yè)中的檢測參數(shù)為CO2、乙醇和O2等氣體和環(huán)境的溫度。

系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Functional block diagram of system

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件包括乙醇?xì)怏w傳感器、CO2氣體傳感器、溫度傳感器、PCI-6259數(shù)據(jù)采集卡、SCB-68接線端子盒、交換機(jī)和各客戶端計(jì)算機(jī)等。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware of the system

乙醇?xì)怏w傳感器選用MQ-303A，這是一種二氧化錫半導(dǎo)體型酒精氣體傳感器，具有響應(yīng)快速、功耗低和精度高等特點(diǎn)。該傳感器采用二氧化錫薄膜作為敏感材料，敏感材料的電阻在一定的工作溫度下隨被測環(huán)境中吸收氣體分子的變化而變化。通常還原性氣體使電阻減小，而氧化性氣體使電阻增大。

通過測量電阻變化的輸出信號(hào)，可得到與氣體特性相對應(yīng)的氣體濃度值。濃度測量范圍為38.2～1910 mg/m3、使用溫度范圍為 －20～+50℃、加熱電壓范圍為(0.9±0.1)V、回路電壓小于6 V、總功耗小于140 mW。

測量電阻變化的公式為:

式中:RS、RS0為敏感體電阻，Ω;RL為負(fù)載電阻，Ω;VL為負(fù)載電壓，V;VC為測試回路電壓，V;C0、C1為氣體濃度，mg/m3;α為電阻比。

MQ-303A傳感器電路如圖3所示。

圖3 MQ-303A傳感器電路圖Fig.3 Circuit of MQ-303A sensor

溫度傳感器選用由美國國家半導(dǎo)體公司所生產(chǎn)的LM35A，其輸出電壓與攝氏溫度呈線性關(guān)系。供電電壓范圍為－0.2～ +35 V，輸出電壓范圍為 －1.0～+6 V，輸出電流為10 mA，指定溫度范圍為 －55～+150℃、精度為 ±0.4 K。

NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6259是一款基于PCI總線32路模擬輸入通道、4路模擬輸出通道、48路TTL/CMOS電平的數(shù)字I/O端口的高速采集卡。它采用16 bit高速A/D轉(zhuǎn)換，采樣率達(dá)2.8 MS/s，數(shù)字時(shí)鐘可達(dá)10 MHz。測量模式分為差分測量模式(differential mode)、參考地單端測量模式(referenced single-ended mode)和無參考地單端測量模式(non-referenced single-ended mode)3 種方式［4］。模擬輸入通道增益可獨(dú)立編程，分為7個(gè)等級(jí)，輸入范圍分別為±100 mV、±200 mV、±500 mV、±1 V、±2 V、±5 V和±10 V。在±5 V時(shí)，量化精度達(dá)到160 μV。

模擬輸入信號(hào)的采集采用差分信號(hào)輸入，根據(jù)儀器實(shí)際接地系統(tǒng)的不同，選擇不同的差分輸入電路。接地系統(tǒng)采用隔離與非隔離輸出分開，從而保證了測量電信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性。PCI-6259采集卡板載緩存空間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存緩存區(qū)域的靈活配置，實(shí)現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的快速、海量存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)的圖形化顯示［5］。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)基于Windows XP等操作系統(tǒng)，性能優(yōu)越、可靠。LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制是一種帶圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式，能夠快捷、可靠地創(chuàng)建多線程應(yīng)用程序系統(tǒng)［6］。依據(jù)模塊劃分，應(yīng)用程序可分為用戶界面、數(shù)據(jù)采集和儀器控制3個(gè)進(jìn)程。數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4 Flowchart of data acquisition

2.1 實(shí)時(shí)氣體濃度監(jiān)測界面

實(shí)時(shí)氣體濃度顯示模塊用于用戶監(jiān)測氣體濃度參數(shù)和控制設(shè)備。該面板既要能夠顯示一定量的信息，又要符合現(xiàn)場操作人員的使用習(xí)慣。設(shè)計(jì)界面由氣體濃度監(jiān)測區(qū)實(shí)時(shí)更新測量的氣體濃度值、系統(tǒng)溫度值和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)3部分組成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用表格的形式顯示，同時(shí)用曲線形式顯示所監(jiān)測氣體濃度數(shù)據(jù)的歷史趨勢。顯示的采樣間隔、曲線刷新周期和濃度范圍都可預(yù)先設(shè)置。設(shè)備設(shè)置包括氣體選擇、停止設(shè)備和退出系統(tǒng)按鈕，實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備的控制。功能設(shè)置包括遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按鈕，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息管理和業(yè)務(wù)功能。

2.2 數(shù)據(jù)記錄與查看

本模塊將氣體濃度的詳細(xì)信息存入本機(jī)硬盤，可供用戶調(diào)用查看和數(shù)據(jù)的分析處理。LabVIEW提供了多種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，包括文本文件、電子表格文件、二進(jìn)制文件、數(shù)據(jù)記錄文件和波形文件等。本系統(tǒng)采用了電子表格文件的存儲(chǔ)方式，用來將采集到的數(shù)據(jù)數(shù)組(包括濃度值與對應(yīng)的時(shí)間)轉(zhuǎn)換為ASCII碼并存放在電子表格文件中。用戶采用Excel等電子表格軟件可以快速查看數(shù)據(jù)。該方法存儲(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)組方便，且所需的硬盤空間相對較小。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用LabVIEW的DataSocket技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)之間現(xiàn)場數(shù)據(jù)的交換。DataSocket克服了傳統(tǒng)TCP/IP傳輸協(xié)議需要較為復(fù)雜的底層編程、傳輸速率慢等缺點(diǎn)。對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸，DataSocket支持 NI-PSP、DSTP、OPC 和 LOOKOUT 等多種協(xié)議［7］。本系統(tǒng)采用 DSTP協(xié)議進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸，多臺(tái)客戶機(jī)可以同時(shí)訪問服務(wù)器。在使用DataSocket之前，用戶必須在DataSocket Server Manager中建立預(yù)定義數(shù)據(jù)項(xiàng)和進(jìn)行相應(yīng)的各種配置，如設(shè)置服務(wù)器可連接的最大客戶機(jī)數(shù)、許可組(客戶端的計(jì)算機(jī)名或IP地址)以及數(shù)據(jù)項(xiàng)的訪問權(quán)限等。配置完成后，啟動(dòng)DataSocket Server，即可進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 數(shù)據(jù)分析

歷史數(shù)據(jù)分析是獨(dú)立的程序模塊，其處理比較靈活。通過選定不同的參數(shù)，可以進(jìn)行誤差分析，獲得不同特性的歷史數(shù)據(jù)曲線，從而提高系統(tǒng)的測量精度和靈敏度。本系統(tǒng)對測量中的系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了對前級(jí)系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整，完成了對自動(dòng)控制系統(tǒng)的反饋調(diào)整。

3 測試實(shí)例

本系統(tǒng)在乙醇?xì)怏w在線檢測的應(yīng)用過程中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)和現(xiàn)場信息的快速發(fā)布。目前市場上的在線氣體分析系統(tǒng)中央分析儀器大多采用工控盒，以單片機(jī)或嵌入式處理器為核心完成信號(hào)處理，LCD模塊為顯示界面，數(shù)據(jù)傳輸使用 RS-232接口等［8］。這些測試系統(tǒng)開發(fā)周期長、消耗人力資源多、功能模塊的擴(kuò)展性欠佳。通過使用NI公司提供的PCI-6259高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和LabVIEW軟件平臺(tái)可以方便、可靠地完成在線氣體檢測。

以乙醇?xì)怏w測量為例，具體的工作過程為:將乙醇?xì)怏w傳感器模塊置于氣室內(nèi)，傳感器模塊上電;然后在PC機(jī)打開“氣體濃度檢測系統(tǒng)V1.0(服務(wù)器)”軟件，進(jìn)入系統(tǒng)界面參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后選擇界面菜單“文件”/“啟動(dòng)設(shè)備”，即開始測量。在功能設(shè)置中，可根據(jù)需求選擇遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。服務(wù)器端獲取氣體濃度實(shí)時(shí)曲線結(jié)果如圖5所示。

圖5 氣體濃度實(shí)時(shí)曲線Fig.5 Real-time curve of gas concentration

系統(tǒng)通過DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，用戶在客戶端(子站)獲得氣體濃度、溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)軟件全部采用LabVIEW編寫，硬件采集部分采用NI公司的PCI-6259數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)使用LabVIEW的NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序，通過PCI總線插槽與計(jì)算機(jī)連接，數(shù)據(jù)傳輸速率快、可靠性高［9］。LabVIEW提供強(qiáng)大、豐富的接口資源和數(shù)據(jù)處理功能，使軟件界面更人性化，系統(tǒng)功能易定制和升級(jí)。硬件部分采用基于半導(dǎo)體激光氣體檢測原理的傳感器和相應(yīng)電路，可實(shí)現(xiàn)對CO、CO2氣體的高速、高靈敏度的在線檢測［10－12］。項(xiàng)目后續(xù)工作是實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)中排污特殊氣體HCl、HF、NH3的檢測。

［1］黃漢橋，周軍，于曉洲.基于LabVIEW和DAQ的導(dǎo)彈通用測試平臺(tái)設(shè)計(jì)與仿真［J］.測控技術(shù)，2009，28(7):64－67，71.

［2］雷振山，魏麗，趙晨光，等.LabVIEW高級(jí)編程與虛擬儀器工程應(yīng)用［M］.北京:中國鐵道出版社，2009:162－184.

［3］任璐娟，韓焱.基于LabVIEW和PCI-5124的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(2):31 －33.

［4］柴敬安，廖克儉，張紅朋，等.LabVIEW環(huán)境下的虛擬數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2007，28(5):180 －181.

［5］Zhao Huibin，Jin Jianxun.LabVIEW and PCI DAQ card based HTS test and control platforms［J］.Journal of Electronic Science and Technology of China，2008，6(2):198 －204.

［6］林康紅.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程虛擬儀器多線程技術(shù)［J］.自動(dòng)化儀表，2003，24(8):25 －27.

［7］張玉萍，榮見華，付俊慶，等.基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究［J］.自動(dòng)化儀表，2004，25(4):21 －23.

［8］葉敦范，袁常聰，李虹杰.差分吸收光譜法煙氣監(jiān)測的硬件實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(1):67 －69.

［9］鄭鵬.基于虛擬儀器技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究［D］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

［10］賴薇，錢進(jìn)，原宗.光學(xué)檢測法用于工業(yè)氣體檢測的研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33(5):37 －39.

［11］柳明洙，劉永強(qiáng)，劉博，等.一種基于虛擬儀器建立的電壓閃變監(jiān)測方法［J］.中國測試，2009，35(3):118 －120.

［12］李啟斌，陳建業(yè).基于虛擬儀器的電壓閃變測量模塊設(shè)計(jì)［J］.大功率變流技術(shù)，2008(6):55－58.