COD遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(wú)錫　214122;輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，江蘇無(wú)錫　214122)

?

COD遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

江蘇省環(huán)?？蒲姓n題基金資助項(xiàng)目(編號(hào):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(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生;主要從事智能檢測(cè)與自動(dòng)化裝置的研究。

0　引言

近年來(lái)，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(wèn)題日益嚴(yán)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(biāo)。水體中化學(xué)需氧量的增加會(huì)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(dòng)化程度低等問(wèn)題［1］。因此，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足COD在線(xiàn)檢測(cè)工藝要求的、具有集中和遠(yuǎn)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(shí)際重要意義。

虛擬儀器系統(tǒng)概念是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物［2］。近年來(lái)，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(hù)能夠方便快捷地對(duì)各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本監(jiān)控系統(tǒng)以L(fǎng)abVIEW為上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用WampServer的MySQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)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(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、錯(cuò)誤報(bào)警等功能。本系統(tǒng)不僅可以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控室對(duì)整個(gè)檢測(cè)進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且可以通過(guò)Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成COD在線(xiàn)監(jiān)控的自動(dòng)化運(yùn)行。

1　硬件組成與體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)COD在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能規(guī)劃與設(shè)計(jì)需求，可將系統(tǒng)控制分為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)、監(jiān)控室控制級(jí)、Web遠(yuǎn)程控制級(jí)，其優(yōu)先級(jí)由高到低［4］。臭氧進(jìn)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(guò)PLC和RS－232總線(xiàn)傳送到上位機(jī)，上位機(jī)和PLC內(nèi)部程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)各單元的控制，同時(shí)將各傳感器采集的數(shù)據(jù)在檢測(cè)界面實(shí)時(shí)地顯示。

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

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

2　軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 LabVIEW與PLC的通信

NI的LabVIEW的功能與其他文本類(lèi)的編程語(yǔ)言一樣，它是基于功能塊圖、簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言［5］，可與任何可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)行通信。本系統(tǒng)采用歐姆龍CP1H系列PLC。控制設(shè)備和人機(jī)界面(HMI)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)象數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)可由用于過(guò)程控制的OLE定義。針對(duì)本系統(tǒng)所用PLC，OPC服務(wù)器在上位機(jī)一般可用兩種方式建立，一種是通過(guò)FINS協(xié)議的以太網(wǎng)通信;另一種是通過(guò)OMRON專(zhuān)屬協(xié)議Hostlink(FINS和C模式)，它可以建立高速通信，具有自動(dòng)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(guò)NI開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)面向測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)交換技術(shù)，方便地實(shí)現(xiàn)DataSocket Read和DataSocket Write與PLC高速通信。

Hostlink通信協(xié)議用來(lái)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(xiě)入數(shù)據(jù)，改變PLC操作模式，執(zhí)行強(qiáng)制置位或者強(qiáng)制復(fù)位等。

Hostlink命令由計(jì)算機(jī)通過(guò)串口發(fā)送至PLC，PLC收到命令后作出響應(yīng)并返回給計(jì)算機(jī)。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(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與訪(fǎng)問(wèn)，MySQL是一個(gè)小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，由于其擁有體積小、速度快、成本低、源代碼開(kāi)放等優(yōu)勢(shì)，非常滿(mǎn)足中小型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求［6］。由于LabVIEW SQL Toolkit內(nèi)部包含許多安全和容錯(cuò)機(jī)制，可以防止客戶(hù)端競(jìng)爭(zhēng)、保護(hù)連接以及保障通信的穩(wěn)定性，因此在LabVIEW中通過(guò)Database Connectivity Toolkit進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作。對(duì)于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫(kù)操作，可以直接通過(guò)該工具包提供的常用數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行打開(kāi)、查詢(xún)、更改、插入和刪除等操作。本系統(tǒng)采用Database數(shù)據(jù)庫(kù)工具包中的數(shù)據(jù)庫(kù)插入節(jié)點(diǎn)“DB Tools Insert Data.vi”將所測(cè)的“進(jìn)流量”、“出流量”、“進(jìn)濃度”、“出濃度”、“進(jìn)CO2濃度”、“出CO2濃度”、“溫度”、“壓強(qiáng)”寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)“watercod”的數(shù)據(jù)表“cod”中，從而實(shí)現(xiàn)LabVIEW與MySQL的通信。

2.3人機(jī)界面設(shè)計(jì)

通過(guò)LabVIEW設(shè)計(jì)的COD在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)控界面由系統(tǒng)界面、控制界面、檢測(cè)界面和查詢(xún)界面四部分組成。系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程和每個(gè)器件的工作狀況;控制界面通過(guò)Hostlink通信協(xié)議與PLC通信控制整個(gè)檢測(cè)裝置的工藝流程，選擇工作模式，實(shí)現(xiàn)裝置中每個(gè)器件的控制;檢測(cè)界面實(shí)時(shí)顯示各傳感器測(cè)出的臭氧濃度、CO2濃度、流量、溫度、壓力等值，并通過(guò)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);查詢(xún)界面可按測(cè)量時(shí)間段和臭氧、CO閾值進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、生成數(shù)據(jù)報(bào)表。

2.3.1系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程和每個(gè)器件的工作狀況，通過(guò)LabVIEW自定義控件設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各個(gè)器件和傳輸管道(都具有動(dòng)畫(huà)效果)，形象生動(dòng)地顯示了整個(gè)系統(tǒng)的工作流程和工作狀態(tài)。系統(tǒng)界面實(shí)時(shí)讀取系統(tǒng)中各個(gè)器件的運(yùn)行狀態(tài)，在界面上打開(kāi)相應(yīng)的控件，顯示成工作狀態(tài)，同時(shí)該器件所連接的管道會(huì)變成流通狀態(tài)。

2.3.2控制界面

在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)采用歐姆龍CP1H型號(hào)PLC控制系統(tǒng)工藝流程，通過(guò)外部輸出端子控制各個(gè)器件工作。LabVIEW通過(guò)Hostlink串行通信協(xié)議與PLC通信;通過(guò)寫(xiě)PLC的AR區(qū)(PLC程序中AR區(qū)控制外部輸出端子)來(lái)選擇系統(tǒng)工作模式，控制各個(gè)器件的打開(kāi)和關(guān)閉;通過(guò)讀PLC的CIO區(qū)來(lái)顯示各個(gè)器件此時(shí)的工作狀態(tài)。

2.3.3檢測(cè)界面

檢測(cè)界面分別通過(guò)進(jìn)出口的各傳感器測(cè)得臭氧、CO2、流量、溫度、壓力等值并實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪(fǎng)問(wèn)。反應(yīng)管進(jìn)出口處均安裝了臭氧濃度傳感器、CO2濃度傳感器和流量計(jì)，測(cè)得進(jìn)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(jì)算出進(jìn)出口的臭氧和氧氣質(zhì)量。利用臭氧的減少量所對(duì)應(yīng)的氧量Δm1減去氧氣的增加量對(duì)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(jì)算得到COD值。

2.3.4查詢(xún)界面

查詢(xún)界面通過(guò)讀取COD水樣數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)信息，根據(jù)不同查找條件進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，生成臭氧、CO2含量曲線(xiàn)，同時(shí)生成報(bào)表。

2.3.4.1條件查詢(xún)

工作人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間查詢(xún)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)，也可以設(shè)定臭氧、CO2的閾值進(jìn)行查詢(xún)，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(shí)間點(diǎn)。在程序設(shè)計(jì)上，通過(guò)SQL語(yǔ)句設(shè)置“DB Tools Select All Data.vi”數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)節(jié)點(diǎn)的查詢(xún)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如選擇查詢(xún)從2015 年1月1日至2015年6月6日所有的測(cè)量數(shù)據(jù)，則查詢(xún)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(xún)條件為: “Where (O3_in _content＜= 120 )and (CO2_out _ content＜=13 000)”。若既考慮測(cè)量時(shí)間又考慮閾值，比如需要查詢(xún)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(xún)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(xún)?cè)O(shè)置程序通過(guò)三個(gè)條件結(jié)構(gòu)，分別選擇開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間、臭氧閾值和CO2閾值。若數(shù)據(jù)查詢(xún)時(shí)選擇了考慮時(shí)間和考慮閾值，則會(huì)生成相應(yīng)的SQL語(yǔ)句，查詢(xún)出數(shù)據(jù)庫(kù)中符合條件的數(shù)據(jù)記錄。

2.3.4.2報(bào)表生成

查詢(xún)數(shù)據(jù)之后可生成報(bào)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(bào)表生成工具中的“MS Office Report”工具生成報(bào)表，對(duì)Excel報(bào)表模板進(jìn)行配置。在模板中設(shè)置好“查詢(xún)數(shù)據(jù)”、“開(kāi)始時(shí)間”、“結(jié)束時(shí)間”、“臭氧閾值”、“CO2閾值”和“出表時(shí)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(chēng)中，則生成報(bào)表時(shí)即可將對(duì)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(bào)表，直接保存Excel表格即可。

2.4異地遠(yuǎn)程監(jiān)控

LabVIEW支持用戶(hù)程序的Web發(fā)布，LabVIEW Web服務(wù)可以生成超文本標(biāo)記語(yǔ)言(hyper text markup language，HTML)文檔并嵌入前面板靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖像，以便客戶(hù)端計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程查看和控制前面板［7－8］。通過(guò)LabVIEW的Web服務(wù)，可以使操作人員即使身在外地，只要利用計(jì)算機(jī)的瀏覽器連接到互聯(lián)網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)COD檢測(cè)過(guò)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(hù)程序［9］。

(1)快照:可在瀏覽器測(cè)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(yuǎn)程客戶(hù)端顯示連續(xù)更新的快照。

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

本系統(tǒng)采用內(nèi)嵌式，即將用戶(hù)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(jiàn)，且需提前設(shè)置服務(wù)器IP地址或計(jì)算機(jī)名的權(quán)限。設(shè)置完成后在客戶(hù)端打開(kāi)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(jì)算機(jī)名和通過(guò)LabVIEW生成的HTML文件的文件名，如http: / /ipaddress /filename.html，即可遠(yuǎn)程在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)［10］。系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)通道采用安全套接層證書(shū)加密，操作人員可以在異地申請(qǐng)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(yuǎn)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(yǔ)

系統(tǒng)采用LabVIEW編程平臺(tái)開(kāi)發(fā)，完成了對(duì)COD在線(xiàn)檢測(cè)整個(gè)工藝流程的數(shù)據(jù)采集與訪(fǎng)問(wèn)控制任務(wù)。本文把LabVIEW、DataSocket、Hostlink和Web等技術(shù)應(yīng)用到COD遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的監(jiān)控管一體化，提升了COD在線(xiàn)監(jiān)控的自動(dòng)化水平。

參考文獻(xiàn)

［1］李建民，裴永清，董國(guó)軍，等.基于PLC與WinCC的污水處理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2010，20(2): 20－24.

［2］Chiou R，Kwon Y.Network－based remote closed loop force control using LabVIEW［J］.Computers in Education Journal，2009，19(4): 2－11.

［3］陳志斌，王仲初，吳文波.基于LabVIEW的蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(6): 423－424.

［4］熊偉麗，湯斌斌，陳敏芳，等.基于LabVIEW和Web技術(shù)的水處理遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2012(8):41－44.

［5］Polaków G，Metzger M.Agent－based approach for LabVIEW developed distributed control systems［J］.Lecture Notes in Computer Science，2007(8):21－30.

［6］蘭旭輝，熊家軍，鄧剛，等.基于MySQL的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2004，25(3):442－443.

［7］Yee G O M，Korba L.Security personalization for Internet and Webservices［J］.International Journal of Web Services Research，2008，5(1): 1－23.

［8］Galizia S，Gugliotta A.A framework for selecting trusted semanticWeb services［J］.Lecture Notes in Computer Science，2009，54(8):130－140.

［9］Bayhan S.LabVIEW－based remote laboratory experiments for a multi－mode single－leg converter［J］.Journal of Power Electronics，2014(14):16－19.

［10］Abdulwahed M，Nagy Z K.Developing the TriLab，a triple access mode (hands-on，virtual，remote)laboratory，of a process control rig using LabVIEW and Joomla［J］.Computer Applications in Engineering Education，2013，21(4):614－626.

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(wú)錫214122;輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，江蘇無(wú)錫214122)

摘要:為適應(yīng)不斷完善的水質(zhì)COD處理工藝，一個(gè)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(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成和體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了COD遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。利用LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與訪(fǎng)問(wèn)控制以及異地遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)控和維護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能較好地實(shí)現(xiàn)水質(zhì)COD檢測(cè)處理過(guò)程的集中和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞:化學(xué)需氧量在線(xiàn)監(jiān)控LabVIEWHostlink協(xié)議遠(yuǎn)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(lèi)號(hào):TH－39; TP31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603020