CO氣體遠程數據采集系統的設計

宋 濤 謝 波 熊 旺 賈傳強 崔黎麗 郭俊民 劉曉亞

(中國工程物理研究院核物理與化學研究所 四川綿陽 621999)

CO氣體遠程數據采集系統的設計

宋 濤 謝 波 熊 旺 賈傳強 崔黎麗 郭俊民 劉曉亞

(中國工程物理研究院核物理與化學研究所 四川綿陽 621999)

為建立多探頭的CO氣體探測系統，開展了CO氣體遠程數據采集系統的設計。設計內容包括總體設計、硬件功能設計與軟件功能設計3個部分：總體設計以Groov為核心建立了簡單、高效、基于網絡的用戶界面；硬件功能設計實現了數據的采集與遠傳；軟件功能設計包括控制器下位機編程與Groov Box編程。對采集系統開展了示值引用誤差、重復性、報警設定值與報警功能、響應時間、穩定性、零點與量程漂移等性能測試，測試結果表明，該采集系統能滿足特定環境中CO氣體的探測與數據采集需求。

數據采集 氣體探測系統 一氧化碳

CO是中毒事件中致死人數最多的毒氣[1]，這是因為CO是無色、無臭、無味的氣體，極易與血紅蛋白結合，使血紅蛋白喪失攜氧的能力和作用，造成組織窒息。為解決特定密封環境中CO氣體的探測和遠程數據采集，保證安全預防措施萬無一失，必須建立一套模塊化的多探頭CO氣體探測系統，用于監控遠程4～20 mA不同來源CO氣體的探頭信號。過去的研究工作主要是對氫同位素分離裝置和液態金屬鼓泡器的測控系統軟件進行了設計、優化與升級，也多次應用到VORTEX RACK設備，因為它的可靠性令人滿意[2-5]。目前CO濃度的實時監測手段主要有兩種：一種是用于CO濃度限值監測與報警的電化學傳感方式；另一種是用于本底監測的紅外分析方式[6]。在實際需求中，既需要CO濃度的限值監測，也需要其本底濃度。現有的VORTEX RACK設備雖然是一種常規的氣體探測系統，但不能入網提供遠距離的信號數據，無法進行基于網絡的人機界面開發，且采集的CO數據無法保存[7-8]。針對現有系統性能上的不足，重新設計了CO氣體遠程數據采集系統。

1 總體設計

CO氣體遠程數據采集系統(以下簡稱采集系統)的總體技術指標要求是：提供各監測點的CO濃度實時監測結果，同時采集4～6個點的CO濃度數據，檢測質量濃度范圍1～200 mg/m3，響應時間不大于30 s，并提供濃度異常報警功能和監測結果的實時遠程傳輸數據。因此，采集系統由VORTEX RACK設備及連接的TXGard Plus傳感器、OPTO 22的PAC系統、Groov Box等部件構成，采集系統總體設計如圖1所示。由VORTEX RACK設備RS485接口和OPTO 22的SNAP-PAC-R2控制器RS485接口方式進行RS485通信，PAC-R2控制器通過以太網口和Groov Box通信。

圖1 CO氣體遠程數據采集系統的總體設計Fig.1 The integrated design of remote data collection system for CO

Groov屬于OPTO 22系統，用戶可通過計算機建立簡單、高效、基于網絡的界面。監測控制系統和裝備只需通過網絡瀏覽器就可使用戶快速建立并部署基于網絡的人機界面(HDI)，可運行在幾乎基于任意操作系統的計算機上。采集系統選擇Groov產品主要基于以下3個方面的考慮：

(1)任何獲得授權的用戶可以使用任意操作系統的計算機，只需通過網絡瀏覽器即可以對系統進行監控；(2)界面組態簡單有效，開發快速，并方便嵌入圖片及視頻；(3)安全套接層(SSL)加密保護數據，數據的安全性得到了保障。

Groov由許多組件組成，包括硬件Groov Box，它是一個與OPTO 22各種控制系統配合的工業加強型設備并在Groov網絡應用上運行，可以存儲來自Groov界面的信息。Groov Box的控制系統和計算機網絡使用單獨的網絡界面。其他組件為三款應用軟件：Groov Build用來創建Groov項目(或界面)的網絡應用模式；Groov View用任何網絡瀏覽器來運行Groov項目的網絡應用模式；Groov View是iPhone和iPad版的瀏覽器模式。

Groov工具相對來說容易操作，使用起來像一個網頁瀏覽器，能將小工具拖曳到屏幕上，然后從OPTO 22的SNAP PAC控制系統中選擇一個數據標記來獲取信息。由于該工具基于開放標準界面，因此該界面可以在任何使用網絡瀏覽器的儀器上運行。將Groov Box作為Web服務器及界面組態應用平臺，可以在Groov Box上開發出監控界面，并幾乎在任意場合通過帶瀏覽器的計算機訪問系統信息。

2 采集系統硬件功能設計

2.1 數據采集

數據采集采用模塊化的三重冗余設計，實現3種相互獨立的數據采集：(1)采集器通過RS485方式與Vortex 8通道氣體和火災控制器連接，通過訪問Groov來讀取CO濃度及報警狀態，此為正常工作形式(A方式)；(2)采集器直接采集TXGard Plus傳感器的4～20 mA模擬信號輸出，訪問Groov獲得CO濃度及報警狀態(B方式)；(3)SNAP-PAC-R2控制器、串口通訊及模擬量輸入模塊可以獨立使用，利用取樣遠程測控程序來獲得TXGard Plus傳感器的CO濃度及報警狀態(C方式)。

VORTEX RACK設備連接TXGard Plus傳感器，TXGard Plus傳感器采用三線制，電源設計為24 V DC，電源正與信號正合二為一，提供CO氣體的探頭信號給VORTEX RACK設備，VORTEX RACK設備處理并顯示CO氣體數據，通過VORTEX RACK設備二線制RS485方式和SNAP-PAC-R2控制器的SNAP-SCM-485-422通信模塊進行通信。由OPTO 22的SNAP-PAC-R2控制器讀取VORTEX RACK設備上的數據。采集流程如圖2所示。

圖2 數據采集流程示意圖Fig.2 The chart of data collection process

2.2 數據遠傳

PAC系統包括SNAP-PAC-R2控制器及4個模塊，1個串口通信模塊(TX1)，3個模擬量輸入模塊(AI1-AI3)。PAC系統硬件結構如圖3所示。

圖3 PAC系統硬件結構Fig.3 The hardware structure of PAC

TX1是SNAP-SCM-485-422通信模塊。模塊帶2個通道2線制RS485方式或1個通道4線制RS485方式。VORTEX RACK設備只支持2線制RS485方式，即設計2個通道提供給設備，這2個通道為PORT A和PORT B，采集系統只使用了PORT A通道口。SNAP-SCM-485-422通信模塊與VORTEX RACK通信聯接如圖4所示。

圖4 通信模塊的聯接Fig.4 The connection of communication module

AI1-AI3是SNAP-AIMA-I2通道隔離模塊，用于直接采集CO氣體探頭4～20 mA濃度信號，作為VORTEX RACK設備數據采集備份。

Groov Box使用標準計算機網絡及協議，通過標準10/100/1000 Mb/s Ethernet 網絡實現網絡通信，采集系統Groov Box和 PAC-R2控制器由以太網口通過Modbus網絡協議通信。Groov Box結構如圖5所示。

圖5 Groov Box結構圖Fig.5 The chart of Groov Box

3 采集系統軟件功能設計

3.1 R2控制器下位機編程

采集系統軟件采用OPTO22兩套軟件：PAC PRO與Groov配套軟件。PAC PRO 用于R2控制器下位機編程，安裝完成后包括：

PAC Manager 9.3是核心軟件，可以實現對PAC硬件系統的設置與管理，包括設置及修改控制器IP地址、下載內核、特殊I/O模塊的設置等。由于采集系統使用SNAP-PAC-R2控制器，使用前必須先設置IP地址，OPTO 22控制器的IP地址為10.75.192.10，子網掩碼為255.255.255.0。通信模塊參數設置采用OPTO22 提供的SNAP-SCM-485-422模塊，用于讀取VORTEX RACK設備上的數據。通信模塊RS485接口參數設置為：Baud Rate 為9 600，Parity為none，Data Bits為8，Stop Bits為2。

PAC Control 是一個基于圖形、流程圖的編程工具，用于機器控制與過程控制。除流程圖編程外，PAC Control 還包括一個功能強大的基于C語言和其他程序語言的內置腳本語言。采集系統的下位機由PAC Control編程主程序，包括4個Chart：Powerup,LogData,Modbus_Master_Example,Move。其中Powerup是系統自帶的Chart，完成系統初始化，啟動其他3個Chart。

LogData 流程圖完成數據組織并按照每天存貯一個文本文件在mSD卡里，文件名：DL_1_4表示：1月4日存儲的記錄文件。系統10 s采集一次數據，1 min向mSD卡存儲一次數據，因此1min向mSD卡存儲6組數據。本系統將控制器設置為Ftp Sever。

Modbus_Master_Example完成對VORTEX RACK設備的讀寫操作，將數據存在數字表變量ntMB_Holding_ Register_4X_Integer里，VORTEXRACK 設備采用標準Modbus協議，PAC系統為主，VORTEX RACK設備為輔，采用RTU傳輸模式。程序中調用兩個子程序，分別對應Modbus協議中的READ HOLDING REGISTER 功能碼(03)和WRITE MULTIPLE REGISTER 功能碼(16)，前者包括報警值、傳感器狀態及氣體的濃度值。后者向VORTEX RACK寫數據，完成對報警信號的確認。

Move 的功能是當界面設置為通過RS485方式讀取數據時，數據從表變量ntMB_Holding_Register_4X_Integer里取出，并存在相應的變量里。當界面設置為通過I/O取數據時，數據從I/O模塊上獲得，存在相應的變量里，并可以對報警值進行賦值和修改。雖然一個數據的來源有兩個，但最終只有一個數據變量與其對應，報警設定只有在通信方式為I/O取數據時才能修改，RS485方式取數據時報警設定只能讀取不能修改。

3.2 Groov Box 編程

Groov Box 配套軟件由Groov Admin，Groov Build與Groov View組成。

Groov Admin是對Groov box硬件進行設置的工具，設計特點為：

(1)配置一個固定IP, 采集系統為ETH0設置一個固定IP，以方便局域網內的其他計算機通過加密方式訪問Groov box。

(2)改變用戶名和密碼，可修改當前Groov Admin 的用戶名和密碼，不會影響Groov Build里的用戶名和密碼。

(3)在Groov組態界面修改完成后，對Groov程序進行備份，以防止Groov box故障或者Groov box上程序出錯時，能從備份的文件中恢復程序運行。

Groov Build 是組態界面的應用程序，提供一系列工具，用于開發HDI的圖片控件、屏幕部署，以監測、管理自動化層，完成與PAC控制器上的PAC Control控制策略的連接。Build具有管理客戶賬戶權限，可導入多個策略應用于HDI中。利用Build提供的各種控件及工具，在瀏覽器中可開發出用戶需要的界面。采集系統開發的組態界面的應用程序共有5個界面：CO數據采集、報警設定、地理信息、實時趨勢圖1和圖3，如圖6所示。

圖6 采集系統組態的界面設計Fig.6 The interface design of the collection system configuration

圖7 Groov View的運行界面Fig.7 The operation interface of Groov View

圖8 Groov Build的編輯界面Fig.8 The compile interface of Groov Build

4 性能測試

4.1 示值引用誤差的測試

采集系統依次通入濃度約為1.5倍儀器報警(下限)設定值、30%儀器量程上限值、70%儀器量程上限值的CO標準氣體，測定各濃度點的示值引用誤差，取絕對值最大的數值作為儀器的示值引用誤差。要求CO檢測報警器示值引用誤差≤±5% FS(儀器量程上限值)。檢測結果如表1所示，表明示值引用誤差滿足設計需求，符合國家職業衛生標準GBZ/T 223-2009《工作場所有毒氣體檢測報警裝置設置規范》的要求。

表1 示值引用誤差的測試結果Table 1 Testing results of signal quotation errors

4.2 重復性測試

采集系統通入濃度約為70%儀器量程上限值的CO標準氣體，待儀器讀數穩定后，記錄儀器顯示值，重復上述測量6次。要求CO檢測報警器重復性檢驗結果的相對標準偏差≤2%，檢測結果如表2所示，符合國家職業衛生標準GBZ/T 160.28-2004《工作場所空氣有毒物質測定-無機含碳化合物》的要求，滿足CO本底分析測試需求。

表2 重復性的測試結果Table 2 Testing results of repetition

4.3 報警設定值與報警功能測試

儀器開機穩定后，通入濃度約為1.5倍儀器報警(下限)設定值的CO標準氣體，記錄儀器的報警(下限)設定值并觀察儀器聲或光報警是否正常，測試結果如表3所示。

表3 報警設定值與報警功能測試結果Table 3 Testing results of the alarm initialization and function

4.4 響應時間的測試

通入濃度約為70%儀器量程上限值的CO標準氣體，待儀器讀數穩定后，記錄儀器讀數。然后通入零點氣，待儀器穩定后，再通入上述濃度的標準氣體，同時啟動秒表開始計時，當儀器示值達到上次穩定值的90%時停表，記錄響應時間，重復3次取平均值，要求CO檢測報警器響應時間≤30 s，檢測結果如表4所示，滿足設計指標。

表4 響應時間的測試結果Table 4 Testing results of response time

4.5 采集系統穩定性測試

采集系統搭建完成后進行連續24 h×7自動運行，測定儀器的漂移性能，要求其零點漂移和量程漂移均不大于儀器的示值引用誤差，同時考察運行過程中的故障發生率，保證其現場運行的順暢。系統開機運行后連續運行61 d，未出現故障，證明系統穩定性滿足現場使用要求。零點漂移和量程漂移檢測結果如表5所示。

表5 零點漂移和量程漂移的測試結果Table 5 Testing results of zero excursion and range excursion

上述各項性能測試結果表明，該采集系統可以快速、有效地進行CO氣體樣品的收集分析，為現場測試提供可靠的實時監測結果。

5 結論

設備的網絡化是測控領域的流行趨勢，本文針對CO數據采集VORTEX RACK設備設計了基于網絡的CO氣體數據遠傳采集器，該方式能快速建立并部署基于網絡的人機界面(HDI)，可以運行在幾乎基于任意操作系統的計算機上，具有可靠、便利、簡單的特點，可以滿足對密封環境中CO氣體遠程監測的要求。

[1] 趙華絨, 方文軍, 王國平. 化學實驗室安全與環保手冊[M]. 北京: 化學工業出版社, 2013: 62.

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Design of Remote Data Collection System for CO Gas

SONG Tao, XIE Bo, XIONG Wang, JIA Chuanqiang, CUI Lili, GUO Junmin, LIU Xiaoya

(InstituteofNuclearPhysicsandChemistry,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

A remote data collection system for CO gas has been designed in order to establish the multi-detectors gas probe system. The design details include the integrated design, hardware function design and software function design. The user interface with simplicity, high effectiveness and based on the network has been set by Groov as the core. The data collection and remote transmission have been implemented by the hardware function design. The software function design includes the controller lower machine programming and Groov Box programming. Many performance tests have been developed for the collection system, including signal quotation errors, repetition, alarm initialization and function, response time, stability, zero excursion and range excursion. The testing results show that this system can satisfy the gas detection and data collection requirements under the specific conditions.

Design; Data collection; Remote; CO

2016-09-02

第一作者，宋濤(1967—), 男，高級技師，研究方向為放化氣體取樣技術研究；通信作者，謝波(1975—)，男，博士，副研究員，研究方向為放射性氣溶膠，E-mail: caepxiebo@163.com

O638.18

A

1671-8755(2016)04-0090-06