COD远程在线监控系统设计与实现

Design and Implementation of an Online Remote Monitoring System for COD

季伟伟1　杨慧中1，2(江南大学物联网工程学院1，江苏无锡　214122;轻工过程先进控制教育部重点实验室2，江苏无锡　214122)



COD远程在线监控系统设计与实现

江苏省产学研前瞻性联合研究基金资助项目(编号: BY2012070);

江苏省环保科研课题基金资助项目(编号:2012051)。

修改稿收到日期: 2015－09－04。

第一作者季伟伟(1990－)，男，现为江南大学控制科学与工程专业在读硕士研究生;主要从事智能检测与自动化装置的研究。

0　引言

近年来，随着工业的发展及城市人口的集中，大量污染物未经处理被直接排放至生态环境中，水体污染问题日益严重。化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)是反映水体受还原性物质污染的综合指标。水体中化学需氧量的增加会导致水体质量下降，而城市水处理普遍存在效率低、能耗高、自动化程度低等问题［1］。因此，设计满足COD在线检测工艺要求的、具有集中和远程监控功能、使控制和管理一体化的综合控制系统具有实际重要意义。

虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物［2］。近年来，虚拟仪器技术得到快速发展，主要有LabVIEW、WinCC、组态王等，其结合相应的硬件，突破传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制［3］，使用户能够方便快捷地对各项检测指标进行监测。

本监控系统以LabVIEW为上位机开发平台，采用WampServer的MySQL Server数据库作为信息管理工具，利用Hostlink协议、OPC和DataSocke技术，连接下位机PLC进行数据通信，实现数据采集、设备控制、实时数据显示、历史数据查询、错误报警等功能。本系统不仅可以在工业现场监控室对整个检测进程进行实时监控，而且可以通过Web浏览器实现异地远程实时监控，完成COD在线监控的自动化运行。

1　硬件组成与体系结构

根据COD在线监控系统的功能规划与设计需求，可将系统控制分为现场控制级、监控室控制级、Web远程控制级，其优先级由高到低［4］。臭氧进出浓度、流量、温度、压力等单元分别安装传感器采集相关参数，传感器采集的数据和各种设备状态参数经过PLC和RS－232总线传送到上位机，上位机和PLC内部程序对采集的数据进行分析处理，并发出控制指令至臭氧发生器、紫外灯、电磁阀、继电器等执行部件，实现对各单元的控制，同时将各传感器采集的数据在检测界面实时地显示。

COD在线监控系统结构如图1所示。

图1　COD在线监控系统结构图Fig.1 Architecture of COD online monitoring system

2　软件实现

2.1 LabVIEW与PLC的通信

NI的LabVIEW的功能与其他文本类的编程语言一样，它是基于功能块图、简单但功能强大的图形化语言［5］，可与任何可编程逻辑控制器(PLC)进行通信。本系统采用欧姆龙CP1H系列PLC。控制设备和人机界面(HMI)之间进行实时对象数据通信的标准可由用于过程控制的OLE定义。针对本系统所用PLC，OPC服务器在上位机一般可用两种方式建立，一种是通过FINS协议的以太网通信;另一种是通过OMRON专属协议Hostlink(FINS和C模式)，它可以建立高速通信，具有自动搜索设备并配置的功能。因此，本系统采用第二种方式建立OPC服务器。LabVIEW支持DataSocket技术，可以通过NI开发的专门面向测量和网络的实时高速数据交换技术，方便地实现DataSocket Read和DataSocket Write与PLC高速通信。

Hostlink通信协议用来在PLC和主控电脑之间执行各种控制操作。这些操作包括从I/O内存中读取或者写入数据，改变PLC操作模式，执行强制置位或者强制复位等。

Hostlink命令由计算机通过串口发送至PLC，PLC收到命令后作出响应并返回给计算机。Hostlink命令帧和响应帧格式如图2所示。

图2　Hostlink命令帧与响应帧格式Fig.2 Formats of command frame and response frame of Hostlink

2.2 LabVIEW与MySQL的通信

本系统采用MySQL数据库进行数据存储与访问，MySQL是一个小型关系型数据库管理系统，由于其拥有体积小、速度快、成本低、源代码开放等优势，非常满足中小型数据存储需求［6］。由于LabVIEW SQL Toolkit内部包含许多安全和容错机制，可以防止客户端竞争、保护连接以及保障通信的稳定性，因此在LabVIEW中通过Database Connectivity Toolkit进行数据库操作。对于简单的数据库操作，可以直接通过该工具包提供的常用数据库节点对数据库进行打开、查询、更改、插入和删除等操作。本系统采用Database数据库工具包中的数据库插入节点“DB Tools Insert Data.vi”将所测的“进流量”、“出流量”、“进浓度”、“出浓度”、“进CO2浓度”、“出CO2浓度”、“温度”、“压强”写入数据库“watercod”的数据表“cod”中，从而实现LabVIEW与MySQL的通信。

2.3人机界面设计

通过LabVIEW设计的COD在线监测装置的监控界面由系统界面、控制界面、检测界面和查询界面四部分组成。系统界面实时显示当前监测系统工作流程和每个器件的工作状况;控制界面通过Hostlink通信协议与PLC通信控制整个检测装置的工艺流程，选择工作模式，实现装置中每个器件的控制;检测界面实时显示各传感器测出的臭氧浓度、CO2浓度、流量、温度、压力等值，并通过MySQL数据库进行数据的存储;查询界面可按测量时间段和臭氧、CO阈值进行数据查询、生成数据报表。

2.3.1系统界面

系统界面实时显示当前监测系统工作流程和每个器件的工作状况，通过LabVIEW自定义控件设计系统中各个器件和传输管道(都具有动画效果)，形象生动地显示了整个系统的工作流程和工作状态。系统界面实时读取系统中各个器件的运行状态，在界面上打开相应的控件，显示成工作状态，同时该器件所连接的管道会变成流通状态。

2.3.2控制界面

在线监控系统采用欧姆龙CP1H型号PLC控制系统工艺流程，通过外部输出端子控制各个器件工作。LabVIEW通过Hostlink串行通信协议与PLC通信;通过写PLC的AR区(PLC程序中AR区控制外部输出端子)来选择系统工作模式，控制各个器件的打开和关闭;通过读PLC的CIO区来显示各个器件此时的工作状态。

2.3.3检测界面

检测界面分别通过进出口的各传感器测得臭氧、CO2、流量、温度、压力等值并实时显示，通过MySQL数据库进行数据的存储与访问。反应管进出口处均安装了臭氧浓度传感器、CO2浓度传感器和流量计，测得进出口的臭氧浓度、CO2浓度，剩下的即为氧气的浓度;再结合流量，计算出进出口的臭氧和氧气质量。利用臭氧的减少量所对应的氧量Δm1减去氧气的增加量对应的氧量Δm2，再减去溶于水样中的总氧量M便得到耗氧量，除以水样体积V，从而可由式(1)计算得到COD值。

2.3.4查询界面

查询界面通过读取COD水样数据库中数据信息，根据不同查找条件进行数据筛选，生成臭氧、CO2含量曲线，同时生成报表。

2.3.4.1条件查询

工作人员可以根据数据测量时间查询一个时间段内的测量数据，也可以设定臭氧、CO2的阈值进行查询，这样可以筛选出超出阈值的数据，方便工作人员获知臭氧、CO2含量超出警戒值的时间点。在程序设计上，通过SQL语句设置“DB Tools Select All Data.vi”数据库查询节点的查询条件来实现。如选择查询从2015 年1月1日至2015年6月6日所有的测量数据，则查询条件为:“Where (time＞=＇2015－1－1 00: 00: 00＇and time＜=＇2015－6－700: 00: 00＇)”。如设定臭氧阈值为120 mg/L，CO2阈值为13 000×10－6，则查询条件为: “Where (O3_in _content＜= 120 )and (CO2_out _ content＜=13 000)”。若既考虑测量时间又考虑阈值，比如需要查询从2015年1月1日至2015年6月6日之间臭氧含量低于120 mg/L，CO2含量低于13 000 mg/L的数据，则查询条件为:“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)”。条件查询设置程序通过三个条件结构，分别选择开始时间与结束时间、臭氧阈值和CO2阈值。若数据查询时选择了考虑时间和考虑阈值，则会生成相应的SQL语句，查询出数据库中符合条件的数据记录。

2.3.4.2报表生成

查询数据之后可生成报表，将界面上显示的所有的臭氧、CO2数据生成至Excel表格中。程序采用LabVIEW报表生成工具中的“MS Office Report”工具生成报表，对Excel报表模板进行配置。在模板中设置好“查询数据”、“开始时间”、“结束时间”、“臭氧阈值”、“CO2阈值”和“出表时间”的生成位置，在程序中将相应的数据内容连接到上述名称中，则生成报表时即可将对应的数据生成至Excel表格相应的位置上。若需保存所生成的报表，直接保存Excel表格即可。

2.4异地远程监控

LabVIEW支持用户程序的Web发布，LabVIEW Web服务可以生成超文本标记语言(hyper text markup language，HTML)文档并嵌入前面板静态或动态图像，以便客户端计算机远程查看和控制前面板［7－8］。通过LabVIEW的Web服务，可以使操作人员即使身在外地，只要利用计算机的浏览器连接到互联网，即可实现对整个COD检测过程的监视与控制。LabVIEW 的Web服务器发布工具提供三种方式发布用户程序［9］。

(1)快照:可在浏览器测试中显示前面板的静态图像。

(2)显示器:可以根据需要配置远程客户端显示连续更新的快照。

(3)内嵌:通过内嵌的VI前面板，客户端可以远程查看并控制前面板。

本系统采用内嵌式，即将用户程序完全发布到互联网。首先要在Web服务器配置中将该VI设置为可见，且需提前设置服务器IP地址或计算机名的权限。设置完成后在客户端打开的浏览器的统一资源定位(universal resource localization，URL)栏中，输入服务器的IP地址或计算机名和通过LabVIEW生成的HTML文件的文件名，如http: / /ipaddress /filename.html，即可远程在线访问系统［10］。系统访问通道采用安全套接层证书加密，操作人员可以在异地申请程序控制权，得到本地允许之后可以获得系统的操作权，从而代替本地人员管理控制系统。Web远程设备界面控制流程图如图3所示。

图3　控制流程图Fig.3　Control flow chart

3　结束语

系统采用LabVIEW编程平台开发，完成了对COD在线检测整个工艺流程的数据采集与访问控制任务。本文把LabVIEW、DataSocket、Hostlink和Web等技术应用到COD远程在线监控系统中，实现了真正意义上的监控管一体化，提升了COD在线监控的自动化水平。

参考文献

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

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［4］熊伟丽，汤斌斌，陈敏芳，等.基于LabVIEW和Web技术的水处理远程在线监控系统［J］.自动化仪表，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.

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［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

季伟伟1杨慧中1，2
(江南大学物联网工程学院1，江苏无锡214122;轻工过程先进控制教育部重点实验室2，江苏无锡214122)

摘要:为适应不断完善的水质COD处理工艺，一个完备的监控系统成为必不可少的关键要素。在介绍COD在线监控系统硬件组成和体系结构的基础上，详细描述了COD远程在线监控系统的实现。利用LabVIEW虚拟仪器开发平台设计监控系统界面，采用Hostlink协议、DataSocket和Web与欧姆龙CP1H系列PLC连接，建立OPC服务器，实现数据采集与访问控制以及异地远程在线监控和维护。实验结果表明，该系统界面友好，运行稳定可靠，能较好地实现水质COD检测处理过程的集中和远程监控。

关键词:化学需氧量在线监控LabVIEWHostlink协议远程监控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

中图分类号:TH－39; TP31

文献标志码:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603020