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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)，開展了CO氣體遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計。設計內(nèi)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(wǎng)絡的用戶界面；硬件功能設計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(tǒng)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(wěn)定性、零點與量程漂移等性能測試，測試結(jié)果表明，該采集系統(tǒng)能滿足特定環(huán)境中CO氣體的探測與數(shù)據(jù)采集需求。

數(shù)據(jù)采集 氣體探測系統(tǒng) 一氧化碳

CO是中毒事件中致死人數(shù)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(jié)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(huán)境中CO氣體的探測和遠程數(shù)據(jù)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(tǒng)，用于監(jiān)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(tài)金屬鼓泡器的測控系統(tǒng)軟件進行了設計、優(yōu)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(jiān)測手段主要有兩種：一種是用于CO濃度限值監(jiān)測與報警的電化學傳感方式；另一種是用于本底監(jiān)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(jiān)測，也需要其本底濃度?，F(xiàn)有的VORTEX RACK設備雖然是一種常規(guī)的氣體探測系統(tǒng)，但不能入網(wǎng)提供遠距離的信號數(shù)據(jù)，無法進行基于網(wǎng)絡的人機界面開發(fā)，且采集的CO數(shù)據(jù)無法保存[7-8]。針對現(xiàn)有系統(tǒng)性能上的不足，重新設計了CO氣體遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 總體設計

CO氣體遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(以下簡稱采集系統(tǒng))的總體技術指標要求是：提供各監(jiān)測點的CO濃度實時監(jiān)測結(jié)果，同時采集4～6個點的CO濃度數(shù)據(jù)，檢測質(zhì)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(jiān)測結(jié)果的實時遠程傳輸數(shù)據(jù)。因此，采集系統(tǒng)由VORTEX RACK設備及連接的TXGard Plus傳感器、OPTO 22的PAC系統(tǒng)、Groov Box等部件構(gòu)成，采集系統(tǒng)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(wǎng)口和Groov Box通信。

圖1 CO氣體遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設計Fig.1 The integrated design of remote data collection system for CO

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

(1)任何獲得授權(quán)的用戶可以使用任意操作系統(tǒng)的計算機，只需通過網(wǎng)絡瀏覽器即可以對系統(tǒng)進行監(jiān)控；(2)界面組態(tài)簡單有效，開發(fā)快速，并方便嵌入圖片及視頻；(3)安全套接層(SSL)加密保護數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(tǒng)配合的工業(yè)加強型設備并在Groov網(wǎng)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(tǒng)和計算機網(wǎng)絡使用單獨的網(wǎng)絡界面。其他組件為三款應用軟件：Groov Build用來創(chuàng)建Groov項目(或界面)的網(wǎng)絡應用模式；Groov View用任何網(wǎng)絡瀏覽器來運行Groov項目的網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)中選擇一個數(shù)據(jù)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(wǎng)絡瀏覽器的儀器上運行。將Groov Box作為Web服務器及界面組態(tài)應用平臺，可以在Groov Box上開發(fā)出監(jiān)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(tǒng)信息。

2 采集系統(tǒng)硬件功能設計

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用模塊化的三重冗余設計，實現(xiàn)3種相互獨立的數(shù)據(jù)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(tài)，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(tài)(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(tài)(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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。采集流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程示意圖Fig.2 The chart of data collection process

2.2 數(shù)據(jù)遠傳

PAC系統(tǒng)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PAC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)只使用了PORT A通道口。SNAP-SCM-485-422通信模塊與VORTEX RACK通信聯(lián)接如圖4所示。

圖4 通信模塊的聯(lián)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(shù)據(jù)采集備份。

Groov Box使用標準計算機網(wǎng)絡及協(xié)議，通過標準10/100/1000 Mb/s Ethernet 網(wǎng)絡實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，采集系統(tǒng)Groov Box和 PAC-R2控制器由以太網(wǎng)口通過Modbus網(wǎng)絡協(xié)議通信。Groov Box結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 Groov Box結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The chart of Groov Box

3 采集系統(tǒng)軟件功能設計

3.1 R2控制器下位機編程

采集系統(tǒng)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(xiàn)對PAC硬件系統(tǒng)的設置與管理，包括設置及修改控制器IP地址、下載內(nèi)核、特殊I/O模塊的設置等。由于采集系統(tǒng)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(wǎng)掩碼為255.255.255.0。通信模塊參數(shù)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(shù)據(jù)。通信模塊RS485接口參數(shù)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(nèi)置腳本語言。采集系統(tǒng)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(tǒng)自帶的Chart，完成系統(tǒng)初始化，啟動其他3個Chart。

LogData 流程圖完成數(shù)據(jù)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(tǒng)10 s采集一次數(shù)據(jù)，1 min向mSD卡存儲一次數(shù)據(jù)，因此1min向mSD卡存儲6組數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)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(shù)據(jù)存在數(shù)字表變量ntMB_Holding_ Register_4X_Integer里，VORTEXRACK 設備采用標準Modbus協(xié)議，PAC系統(tǒng)為主，VORTEX RACK設備為輔，采用RTU傳輸模式。程序中調(diào)用兩個子程序，分別對應Modbus協(xié)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(tài)及氣體的濃度值。后者向VORTEX RACK寫數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的來源有兩個，但最終只有一個數(shù)據(jù)變量與其對應，報警設定只有在通信方式為I/O取數(shù)據(jù)時才能修改，RS485方式取數(shù)據(jù)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(tǒng)為ETH0設置一個固定IP，以方便局域網(wǎng)內(nèi)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(tài)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(tài)界面的應用程序，提供一系列工具，用于開發(fā)HDI的圖片控件、屏幕部署，以監(jiān)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(quán)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(fā)出用戶需要的界面。采集系統(tǒng)開發(fā)的組態(tài)界面的應用程序共有5個界面：CO數(shù)據(jù)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(tǒng)組態(tài)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(tǒng)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(shù)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(jié)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(yè)衛(wèi)生標準GBZ/T 223-2009《工作場所有毒氣體檢測報警裝置設置規(guī)范》的要求。

表1 示值引用誤差的測試結(jié)果Table 1 Testing results of signal quotation errors

4.2 重復性測試

采集系統(tǒng)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(shù)穩(wěn)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(jié)果的相對標準偏差≤2%，檢測結(jié)果如表2所示，符合國家職業(yè)衛(wèi)生標準GBZ/T 160.28-2004《工作場所空氣有毒物質(zhì)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(jié)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(wěn)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(jié)果如表3所示。

表3 報警設定值與報警功能測試結(jié)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(shù)穩(wěn)定后，記錄儀器讀數(shù)。然后通入零點氣，待儀器穩(wěn)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(wěn)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(jié)果如表4所示，滿足設計指標。

表4 響應時間的測試結(jié)果Table 4 Testing results of response time

4.5 采集系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

采集系統(tǒng)搭建完成后進行連續(xù)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(fā)生率，保證其現(xiàn)場運行的順暢。系統(tǒng)開機運行后連續(xù)運行61 d，未出現(xiàn)故障，證明系統(tǒng)穩(wěn)定性滿足現(xiàn)場使用要求。零點漂移和量程漂移檢測結(jié)果如表5所示。

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

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

5 結(jié)論

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

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

[2] 謝波. 液態(tài)鋰鉛合金鼓泡器溫度控制系統(tǒng)的設計[J]. 西南科技大學學報, 2009, 24(2):45-48.

[3] 謝波, 劉云怒, 翁葵平. 氫同位素分離裝置控制系統(tǒng)的軟件設計[J]. 西南科技大學學報, 2008, 23(1):22-26.

[4] 謝波, 侯建平, 官銳. 氫同位素分離裝置信號調(diào)理系統(tǒng)的優(yōu)化[J]. 原子能科學技術, 2005, 39(4):377-380.

[5] 謝波, 劉云怒, 侯建平. 氫同位素分離裝置測控軟件的優(yōu)化[J]. 兵工自動化, 2004, 23(6): 89-90.

[6] 環(huán)境保護部污染防治司. 國內(nèi)外化學品環(huán)境管理法規(guī)匯編[M]. 北京: 中國環(huán)境出版社, 2013.

[7] 李黎, 張宇, 宋振宇. 紅外光譜技術在氣體檢測中的應用[J]. 紅外, 2007, 28(9): 29-37.

[8] 袁本銀. 礦用甲烷一氧化碳氣體檢測儀設計[J]. 河南科技, 2014, (6): 120-121.

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