COD遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

Design and Implementation of an Online Remote Monitoring System for COD

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

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COD遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究基金資助項目(編號: BY2012070);

江蘇省環(huán)保科研課題基金資助項目(編號:2012051)。

修改稿收到日期: 2015－09－04。

第一作者季偉偉(1990－)，男，現(xiàn)為江南大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事智能檢測與自動化裝置的研究。

0　引言

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展及城市人口的集中，大量污染物未經(jīng)處理被直接排放至生態(tài)環(huán)境中，水體污染問題日益嚴重。化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)是反映水體受還原性物質(zhì)污染的綜合指標。水體中化學(xué)需氧量的增加會導(dǎo)致水體質(zhì)量下降，而城市水處理普遍存在效率低、能耗高、自動化程度低等問題［1］。因此，設(shè)計滿足COD在線檢測工藝要求的、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)具有實際重要意義。

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，虛擬儀器技術(shù)得到快速發(fā)展，主要有LabVIEW、WinCC、組態(tài)王等，其結(jié)合相應(yīng)的硬件，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送等方面的限制［3］，使用戶能夠方便快捷地對各項檢測指標進行監(jiān)測。

本監(jiān)控系統(tǒng)以LabVIEW為上位機開發(fā)平臺，采用WampServer的MySQL Server數(shù)據(jù)庫作為信息管理工具，利用Hostlink協(xié)議、OPC和DataSocke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、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、錯誤報警等功能。本系統(tǒng)不僅可以在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控室對整個檢測進程進行實時監(jiān)控，而且可以通過Web瀏覽器實現(xiàn)異地遠程實時監(jiān)控，完成COD在線監(jiān)控的自動化運行。

1　硬件組成與體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)COD在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能規(guī)劃與設(shè)計需求，可將系統(tǒng)控制分為現(xiàn)場控制級、監(jiān)控室控制級、Web遠程控制級，其優(yōu)先級由高到低［4］。臭氧進出濃度、流量、溫度、壓力等單元分別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－232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)出控制指令至臭氧發(fā)生器、紫外燈、電磁閥、繼電器等執(zhí)行部件，實現(xiàn)對各單元的控制，同時將各傳感器采集的數(shù)據(jù)在檢測界面實時地顯示。

COD在線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　COD在線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of COD online monitoring system

2　軟件實現(xiàn)

2.1 LabVIEW與PLC的通信

NI的LabVIEW的功能與其他文本類的編程語言一樣，它是基于功能塊圖、簡單但功能強大的圖形化語言［5］，可與任何可編程邏輯控制器(PLC)進行通信。本系統(tǒng)采用歐姆龍CP1H系列PLC。控制設(shè)備和人機界面(HMI)之間進行實時對象數(shù)據(jù)通信的標準可由用于過程控制的OLE定義。針對本系統(tǒng)所用PLC，OPC服務(wù)器在上位機一般可用兩種方式建立，一種是通過FINS協(xié)議的以太網(wǎng)通信;另一種是通過OMRON專屬協(xié)議Hostlink(FINS和C模式)，它可以建立高速通信，具有自動搜索設(shè)備并配置的功能。因此，本系統(tǒng)采用第二種方式建立OPC服務(wù)器。LabVIEW支持DataSocket技術(shù)，可以通過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)，方便地實現(xiàn)DataSocket Read和DataSocket Write與PLC高速通信。

Hostlink通信協(xié)議用來在PLC和主控電腦之間執(zhí)行各種控制操作。這些操作包括從I/O內(nèi)存中讀取或者寫入數(shù)據(jù)，改變PLC操作模式，執(zhí)行強制置位或者強制復(fù)位等。

Hostlink命令由計算機通過串口發(fā)送至PLC，PLC收到命令后作出響應(yīng)并返回給計算機。Hostlink命令幀和響應(yīng)幀格式如圖2所示。

圖2　Hostlink命令幀與響應(yīng)幀格式Fig.2 Formats of command frame and response frame of Hostlink

2.2 LabVIEW與MySQL的通信

本系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲與訪問，MySQL是一個小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由于其擁有體積小、速度快、成本低、源代碼開放等優(yōu)勢，非常滿足中小型數(shù)據(jù)存儲需求［6］。由于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，因此在LabVIEW中通過Database Connectivity Toolkit進行數(shù)據(jù)庫操作。對于簡單的數(shù)據(jù)庫操作，可以直接通過該工具包提供的常用數(shù)據(jù)庫節(jié)點對數(shù)據(jù)庫進行打開、查詢、更改、插入和刪除等操作。本系統(tǒng)采用Database數(shù)據(jù)庫工具包中的數(shù)據(jù)庫插入節(jié)點“DB Tools Insert Data.vi”將所測的“進流量”、“出流量”、“進濃度”、“出濃度”、“進CO2濃度”、“出CO2濃度”、“溫度”、“壓強”寫入數(shù)據(jù)庫“watercod”的數(shù)據(jù)表“cod”中，從而實現(xiàn)LabVIEW與MySQL的通信。

2.3人機界面設(shè)計

通過LabVIEW設(shè)計的COD在線監(jiān)測裝置的監(jiān)控界面由系統(tǒng)界面、控制界面、檢測界面和查詢界面四部分組成。系統(tǒng)界面實時顯示當(dāng)前監(jiān)測系統(tǒng)工作流程和每個器件的工作狀況;控制界面通過Hostlink通信協(xié)議與PLC通信控制整個檢測裝置的工藝流程，選擇工作模式，實現(xiàn)裝置中每個器件的控制;檢測界面實時顯示各傳感器測出的臭氧濃度、CO2濃度、流量、溫度、壓力等值，并通過MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的存儲;查詢界面可按測量時間段和臭氧、CO閾值進行數(shù)據(jù)查詢、生成數(shù)據(jù)報表。

2.3.1系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面實時顯示當(dāng)前監(jiān)測系統(tǒng)工作流程和每個器件的工作狀況，通過LabVIEW自定義控件設(shè)計系統(tǒng)中各個器件和傳輸管道(都具有動畫效果)，形象生動地顯示了整個系統(tǒng)的工作流程和工作狀態(tài)。系統(tǒng)界面實時讀取系統(tǒng)中各個器件的運行狀態(tài)，在界面上打開相應(yīng)的控件，顯示成工作狀態(tài)，同時該器件所連接的管道會變成流通狀態(tài)。

2.3.2控制界面

在線監(jiān)控系統(tǒng)采用歐姆龍CP1H型號PLC控制系統(tǒng)工藝流程，通過外部輸出端子控制各個器件工作。LabVIEW通過Hostlink串行通信協(xié)議與PLC通信;通過寫PLC的AR區(qū)(PLC程序中AR區(qū)控制外部輸出端子)來選擇系統(tǒng)工作模式，控制各個器件的打開和關(guān)閉;通過讀PLC的CIO區(qū)來顯示各個器件此時的工作狀態(tài)。

2.3.3檢測界面

檢測界面分別通過進出口的各傳感器測得臭氧、CO2、流量、溫度、壓力等值并實時顯示，通過MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的存儲與訪問。反應(yīng)管進出口處均安裝了臭氧濃度傳感器、CO2濃度傳感器和流量計，測得進出口的臭氧濃度、CO2濃度，剩下的即為氧氣的濃度;再結(jié)合流量，計算出進出口的臭氧和氧氣質(zhì)量。利用臭氧的減少量所對應(yīng)的氧量Δm1減去氧氣的增加量對應(yīng)的氧量Δm2，再減去溶于水樣中的總氧量M便得到耗氧量，除以水樣體積V，從而可由式(1)計算得到COD值。

2.3.4查詢界面

查詢界面通過讀取COD水樣數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)信息，根據(jù)不同查找條件進行數(shù)據(jù)篩選，生成臭氧、CO2含量曲線，同時生成報表。

2.3.4.1條件查詢

工作人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)測量時間查詢一個時間段內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，也可以設(shè)定臭氧、CO2的閾值進行查詢，這樣可以篩選出超出閾值的數(shù)據(jù)，方便工作人員獲知臭氧、CO2含量超出警戒值的時間點。在程序設(shè)計上，通過SQL語句設(shè)置“DB Tools Select All Data.vi”數(shù)據(jù)庫查詢節(jié)點的查詢條件來實現(xiàn)。如選擇查詢從2015 年1月1日至2015年6月6日所有的測量數(shù)據(jù)，則查詢條件為:“Where (time＞=＇2015－1－1 00: 00: 00＇and time＜=＇2015－6－700: 00: 00＇)”。如設(shè)定臭氧閾值為120 mg/L，CO2閾值為13 000×10－6，則查詢條件為: “Where (O3_in _content＜= 120 )and (CO2_out _ content＜=13 000)”。若既考慮測量時間又考慮閾值，比如需要查詢從2015年1月1日至2015年6月6日之間臭氧含量低于120 mg/L，CO2含量低于13 000 mg/L的數(shù)據(jù)，則查詢條件為:“Where(time＞=＇2015－1－1 00:00:00＇and time＜=＇2015－6－700:00:00＇)and (O3_ in_ content＜= 120 )and (CO2_ out _ content＜= 13 000)”。條件查詢設(shè)置程序通過三個條件結(jié)構(gòu)，分別選擇開始時間與結(jié)束時間、臭氧閾值和CO2閾值。若數(shù)據(jù)查詢時選擇了考慮時間和考慮閾值，則會生成相應(yīng)的SQL語句，查詢出數(shù)據(jù)庫中符合條件的數(shù)據(jù)記錄。

2.3.4.2報表生成

查詢數(shù)據(jù)之后可生成報表，將界面上顯示的所有的臭氧、CO2數(shù)據(jù)生成至Excel表格中。程序采用LabVIEW報表生成工具中的“MS Office Report”工具生成報表，對Excel報表模板進行配置。在模板中設(shè)置好“查詢數(shù)據(jù)”、“開始時間”、“結(jié)束時間”、“臭氧閾值”、“CO2閾值”和“出表時間”的生成位置，在程序中將相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容連接到上述名稱中，則生成報表時即可將對應(yīng)的數(shù)據(jù)生成至Excel表格相應(yīng)的位置上。若需保存所生成的報表，直接保存Excel表格即可。

2.4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(hyper text 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［7－8］。通過LabVIEW的Web服務(wù)，可以使操作人員即使身在外地，只要利用計算機的瀏覽器連接到互聯(lián)網(wǎng)，即可實現(xiàn)對整個COD檢測過程的監(jiān)視與控制。LabVIEW 的Web服務(wù)器發(fā)布工具提供三種方式發(fā)布用戶程序［9］。

(1)快照:可在瀏覽器測試中顯示前面板的靜態(tài)圖像。

(2)顯示器:可以根據(jù)需要配置遠程客戶端顯示連續(xù)更新的快照。

(3)內(nèi)嵌:通過內(nèi)嵌的VI前面板，客戶端可以遠程查看并控制前面板。

本系統(tǒng)采用內(nèi)嵌式，即將用戶程序完全發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)。首先要在Web服務(wù)器配置中將該VI設(shè)置為可見，且需提前設(shè)置服務(wù)器IP地址或計算機名的權(quán)限。設(shè)置完成后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，即可遠程在線訪問系統(tǒng)［10］。系統(tǒng)訪問通道采用安全套接層證書加密，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)。Web遠程設(shè)備界面控制流程圖如圖3所示。

圖3　控制流程圖Fig.3　Control flow chart

3　結(jié)束語

系統(tǒng)采用LabVIEW編程平臺開發(fā)，完成了對COD在線檢測整個工藝流程的數(shù)據(jù)采集與訪問控制任務(wù)。本文把LabVIEW、DataSocket、Hostlink和Web等技術(shù)應(yīng)用到COD遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了真正意義上的監(jiān)控管一體化，提升了COD在線監(jiān)控的自動化水平。

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Design and Implementation of an Online Remote Monitoring System for COD

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

摘要:為適應(yīng)不斷完善的水質(zhì)COD處理工藝，一個完備的監(jiān)控系統(tǒng)成為必不可少的關(guān)鍵要素。在介紹COD在線監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成和體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細描述了COD遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)。利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)界面，采用Hostlink協(xié)議、DataSocket和Web與歐姆龍CP1H系列PLC連接，建立OPC服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與訪問控制以及異地遠程在線監(jiān)控和維護。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)界面友好，運行穩(wěn)定可靠，能較好地實現(xiàn)水質(zhì)COD檢測處理過程的集中和遠程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞:化學(xué)需氧量在線監(jiān)控LabVIEWHostlink協(xié)議遠程監(jiān)控MySQL

Abstract:In order to adapt to the constantly improved COD (chemical oxygen demand)treatment process for water quality，a complete monitoring system becomes an indispensable key element.On the basis of introduction of the hardware composition and the system architecture of online monitoring system，the implementation of the remote online monitoring system of COD is described in detail.By adopting LabVIEW virtual instrument developing platform，the interface of monitoring system is designed.Hostlink protocol，DataSocket and Web are connected with PLC of OMRON CP1H series to establish OPC server for realizing data acquisition，access control，and remote online monitoring and maintenance.The experimental results show that the system offers good user－friendly interface，stable operation，and well implements centralized and remote monitoring in the detection and treatment process of COD.

Keywords:Chemical oxygen demand Online monitoring LabVIEWHostlink protocol Remote monitoring MySQL

中圖分類號:TH－39; TP31

文獻標志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603020