CO气体远程数据采集系统的设计

宋 涛 谢 波 熊 旺 贾传强 崔黎丽 郭俊民 刘晓亚

(中国工程物理研究院核物理与化学研究所 四川绵阳 621999)

CO气体远程数据采集系统的设计

宋 涛 谢 波 熊 旺 贾传强 崔黎丽 郭俊民 刘晓亚

(中国工程物理研究院核物理与化学研究所 四川绵阳 621999)

为建立多探头的CO气体探测系统，开展了CO气体远程数据采集系统的设计。设计内容包括总体设计、硬件功能设计与软件功能设计3个部分：总体设计以Groov为核心建立了简单、高效、基于网络的用户界面；硬件功能设计实现了数据的采集与远传；软件功能设计包括控制器下位机编程与Groov Box编程。对采集系统开展了示值引用误差、重复性、报警设定值与报警功能、响应时间、稳定性、零点与量程漂移等性能测试，测试结果表明，该采集系统能满足特定环境中CO气体的探测与数据采集需求。

数据采集 气体探测系统 一氧化碳

CO是中毒事件中致死人数最多的毒气[1]，这是因为CO是无色、无臭、无味的气体，极易与血红蛋白结合，使血红蛋白丧失携氧的能力和作用，造成组织窒息。为解决特定密封环境中CO气体的探测和远程数据采集，保证安全预防措施万无一失，必须建立一套模块化的多探头CO气体探测系统，用于监控远程4～20 mA不同来源CO气体的探头信号。过去的研究工作主要是对氢同位素分离装置和液态金属鼓泡器的测控系统软件进行了设计、优化与升级，也多次应用到VORTEX RACK设备，因为它的可靠性令人满意[2-5]。目前CO浓度的实时监测手段主要有两种：一种是用于CO浓度限值监测与报警的电化学传感方式；另一种是用于本底监测的红外分析方式[6]。在实际需求中，既需要CO浓度的限值监测，也需要其本底浓度。现有的VORTEX RACK设备虽然是一种常规的气体探测系统，但不能入网提供远距离的信号数据，无法进行基于网络的人机界面开发，且采集的CO数据无法保存[7-8]。针对现有系统性能上的不足，重新设计了CO气体远程数据采集系统。

1 总体设计

CO气体远程数据采集系统(以下简称采集系统)的总体技术指标要求是：提供各监测点的CO浓度实时监测结果，同时采集4～6个点的CO浓度数据，检测质量浓度范围1～200 mg/m3，响应时间不大于30 s，并提供浓度异常报警功能和监测结果的实时远程传输数据。因此，采集系统由VORTEX RACK设备及连接的TXGard Plus传感器、OPTO 22的PAC系统、Groov Box等部件构成，采集系统总体设计如图1所示。由VORTEX RACK设备RS485接口和OPTO 22的SNAP-PAC-R2控制器RS485接口方式进行RS485通信，PAC-R2控制器通过以太网口和Groov Box通信。

图1 CO气体远程数据采集系统的总体设计Fig.1 The integrated design of remote data collection system for CO

Groov属于OPTO 22系统，用户可通过计算机建立简单、高效、基于网络的界面。监测控制系统和装备只需通过网络浏览器就可使用户快速建立并部署基于网络的人机界面(HDI)，可运行在几乎基于任意操作系统的计算机上。采集系统选择Groov产品主要基于以下3个方面的考虑：

(1)任何获得授权的用户可以使用任意操作系统的计算机，只需通过网络浏览器即可以对系统进行监控；(2)界面组态简单有效，开发快速，并方便嵌入图片及视频；(3)安全套接层(SSL)加密保护数据，数据的安全性得到了保障。

Groov由许多组件组成，包括硬件Groov Box，它是一个与OPTO 22各种控制系统配合的工业加强型设备并在Groov网络应用上运行，可以存储来自Groov界面的信息。Groov Box的控制系统和计算机网络使用单独的网络界面。其他组件为三款应用软件：Groov Build用来创建Groov项目(或界面)的网络应用模式；Groov View用任何网络浏览器来运行Groov项目的网络应用模式；Groov View是iPhone和iPad版的浏览器模式。

Groov工具相对来说容易操作，使用起来像一个网页浏览器，能将小工具拖曳到屏幕上，然后从OPTO 22的SNAP PAC控制系统中选择一个数据标记来获取信息。由于该工具基于开放标准界面，因此该界面可以在任何使用网络浏览器的仪器上运行。将Groov Box作为Web服务器及界面组态应用平台，可以在Groov Box上开发出监控界面，并几乎在任意场合通过带浏览器的计算机访问系统信息。

2 采集系统硬件功能设计

2.1 数据采集

数据采集采用模块化的三重冗余设计，实现3种相互独立的数据采集：(1)采集器通过RS485方式与Vortex 8通道气体和火灾控制器连接，通过访问Groov来读取CO浓度及报警状态，此为正常工作形式(A方式)；(2)采集器直接采集TXGard Plus传感器的4～20 mA模拟信号输出，访问Groov获得CO浓度及报警状态(B方式)；(3)SNAP-PAC-R2控制器、串口通讯及模拟量输入模块可以独立使用，利用取样远程测控程序来获得TXGard Plus传感器的CO浓度及报警状态(C方式)。

VORTEX RACK设备连接TXGard Plus传感器，TXGard Plus传感器采用三线制，电源设计为24 V DC，电源正与信号正合二为一，提供CO气体的探头信号给VORTEX RACK设备，VORTEX RACK设备处理并显示CO气体数据，通过VORTEX RACK设备二线制RS485方式和SNAP-PAC-R2控制器的SNAP-SCM-485-422通信模块进行通信。由OPTO 22的SNAP-PAC-R2控制器读取VORTEX RACK设备上的数据。采集流程如图2所示。

图2 数据采集流程示意图Fig.2 The chart of data collection process

2.2 数据远传

PAC系统包括SNAP-PAC-R2控制器及4个模块，1个串口通信模块(TX1)，3个模拟量输入模块(AI1-AI3)。PAC系统硬件结构如图3所示。

图3 PAC系统硬件结构Fig.3 The hardware structure of PAC

TX1是SNAP-SCM-485-422通信模块。模块带2个通道2线制RS485方式或1个通道4线制RS485方式。VORTEX RACK设备只支持2线制RS485方式，即设计2个通道提供给设备，这2个通道为PORT A和PORT B，采集系统只使用了PORT A通道口。SNAP-SCM-485-422通信模块与VORTEX RACK通信联接如图4所示。

图4 通信模块的联接Fig.4 The connection of communication module

AI1-AI3是SNAP-AIMA-I2通道隔离模块，用于直接采集CO气体探头4～20 mA浓度信号，作为VORTEX RACK设备数据采集备份。

Groov Box使用标准计算机网络及协议，通过标准10/100/1000 Mb/s Ethernet 网络实现网络通信，采集系统Groov Box和 PAC-R2控制器由以太网口通过Modbus网络协议通信。Groov Box结构如图5所示。

图5 Groov Box结构图Fig.5 The chart of Groov Box

3 采集系统软件功能设计

3.1 R2控制器下位机编程

采集系统软件采用OPTO22两套软件：PAC PRO与Groov配套软件。PAC PRO 用于R2控制器下位机编程，安装完成后包括：

PAC Manager 9.3是核心软件，可以实现对PAC硬件系统的设置与管理，包括设置及修改控制器IP地址、下载内核、特殊I/O模块的设置等。由于采集系统使用SNAP-PAC-R2控制器，使用前必须先设置IP地址，OPTO 22控制器的IP地址为10.75.192.10，子网掩码为255.255.255.0。通信模块参数设置采用OPTO22 提供的SNAP-SCM-485-422模块，用于读取VORTEX RACK设备上的数据。通信模块RS485接口参数设置为：Baud Rate 为9 600，Parity为none，Data Bits为8，Stop Bits为2。

PAC Control 是一个基于图形、流程图的编程工具，用于机器控制与过程控制。除流程图编程外，PAC Control 还包括一个功能强大的基于C语言和其他程序语言的内置脚本语言。采集系统的下位机由PAC Control编程主程序，包括4个Chart：Powerup,LogData,Modbus_Master_Example,Move。其中Powerup是系统自带的Chart，完成系统初始化，启动其他3个Chart。

LogData 流程图完成数据组织并按照每天存贮一个文本文件在mSD卡里，文件名：DL_1_4表示：1月4日存储的记录文件。系统10 s采集一次数据，1 min向mSD卡存储一次数据，因此1min向mSD卡存储6组数据。本系统将控制器设置为Ftp Sever。

Modbus_Master_Example完成对VORTEX RACK设备的读写操作，将数据存在数字表变量ntMB_Holding_ Register_4X_Integer里，VORTEXRACK 设备采用标准Modbus协议，PAC系统为主，VORTEX RACK设备为辅，采用RTU传输模式。程序中调用两个子程序，分别对应Modbus协议中的READ HOLDING REGISTER 功能码(03)和WRITE MULTIPLE REGISTER 功能码(16)，前者包括报警值、传感器状态及气体的浓度值。后者向VORTEX RACK写数据，完成对报警信号的确认。

Move 的功能是当界面设置为通过RS485方式读取数据时，数据从表变量ntMB_Holding_Register_4X_Integer里取出，并存在相应的变量里。当界面设置为通过I/O取数据时，数据从I/O模块上获得，存在相应的变量里，并可以对报警值进行赋值和修改。虽然一个数据的来源有两个，但最终只有一个数据变量与其对应，报警设定只有在通信方式为I/O取数据时才能修改，RS485方式取数据时报警设定只能读取不能修改。

3.2 Groov Box 编程

Groov Box 配套软件由Groov Admin，Groov Build与Groov View组成。

Groov Admin是对Groov box硬件进行设置的工具，设计特点为：

(1)配置一个固定IP, 采集系统为ETH0设置一个固定IP，以方便局域网内的其他计算机通过加密方式访问Groov box。

(2)改变用户名和密码，可修改当前Groov Admin 的用户名和密码，不会影响Groov Build里的用户名和密码。

(3)在Groov组态界面修改完成后，对Groov程序进行备份，以防止Groov box故障或者Groov box上程序出错时，能从备份的文件中恢复程序运行。

Groov Build 是组态界面的应用程序，提供一系列工具，用于开发HDI的图片控件、屏幕部署，以监测、管理自动化层，完成与PAC控制器上的PAC Control控制策略的连接。Build具有管理客户账户权限，可导入多个策略应用于HDI中。利用Build提供的各种控件及工具，在浏览器中可开发出用户需要的界面。采集系统开发的组态界面的应用程序共有5个界面：CO数据采集、报警设定、地理信息、实时趋势图1和图3，如图6所示。

图6 采集系统组态的界面设计Fig.6 The interface design of the collection system configuration

图7 Groov View的运行界面Fig.7 The operation interface of Groov View

图8 Groov Build的编辑界面Fig.8 The compile interface of Groov Build

4 性能测试

4.1 示值引用误差的测试

采集系统依次通入浓度约为1.5倍仪器报警(下限)设定值、30%仪器量程上限值、70%仪器量程上限值的CO标准气体，测定各浓度点的示值引用误差，取绝对值最大的数值作为仪器的示值引用误差。要求CO检测报警器示值引用误差≤±5% FS(仪器量程上限值)。检测结果如表1所示，表明示值引用误差满足设计需求，符合国家职业卫生标准GBZ/T 223-2009《工作场所有毒气体检测报警装置设置规范》的要求。

表1 示值引用误差的测试结果Table 1 Testing results of signal quotation errors

4.2 重复性测试

采集系统通入浓度约为70%仪器量程上限值的CO标准气体，待仪器读数稳定后，记录仪器显示值，重复上述测量6次。要求CO检测报警器重复性检验结果的相对标准偏差≤2%，检测结果如表2所示，符合国家职业卫生标准GBZ/T 160.28-2004《工作场所空气有毒物质测定-无机含碳化合物》的要求，满足CO本底分析测试需求。

表2 重复性的测试结果Table 2 Testing results of repetition

4.3 报警设定值与报警功能测试

仪器开机稳定后，通入浓度约为1.5倍仪器报警(下限)设定值的CO标准气体，记录仪器的报警(下限)设定值并观察仪器声或光报警是否正常，测试结果如表3所示。

表3 报警设定值与报警功能测试结果Table 3 Testing results of the alarm initialization and function

4.4 响应时间的测试

通入浓度约为70%仪器量程上限值的CO标准气体，待仪器读数稳定后，记录仪器读数。然后通入零点气，待仪器稳定后，再通入上述浓度的标准气体，同时启动秒表开始计时，当仪器示值达到上次稳定值的90%时停表，记录响应时间，重复3次取平均值，要求CO检测报警器响应时间≤30 s，检测结果如表4所示，满足设计指标。

表4 响应时间的测试结果Table 4 Testing results of response time

4.5 采集系统稳定性测试

采集系统搭建完成后进行连续24 h×7自动运行，测定仪器的漂移性能，要求其零点漂移和量程漂移均不大于仪器的示值引用误差，同时考察运行过程中的故障发生率，保证其现场运行的顺畅。系统开机运行后连续运行61 d，未出现故障，证明系统稳定性满足现场使用要求。零点漂移和量程漂移检测结果如表5所示。

表5 零点漂移和量程漂移的测试结果Table 5 Testing results of zero excursion and range excursion

上述各项性能测试结果表明，该采集系统可以快速、有效地进行CO气体样品的收集分析，为现场测试提供可靠的实时监测结果。

5 结论

设备的网络化是测控领域的流行趋势，本文针对CO数据采集VORTEX RACK设备设计了基于网络的CO气体数据远传采集器，该方式能快速建立并部署基于网络的人机界面(HDI)，可以运行在几乎基于任意操作系统的计算机上，具有可靠、便利、简单的特点，可以满足对密封环境中CO气体远程监测的要求。

[1] 赵华绒, 方文军, 王国平. 化学实验室安全与环保手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2013: 62.

[2] 谢波. 液态锂铅合金鼓泡器温度控制系统的设计[J]. 西南科技大学学报, 2009, 24(2):45-48.

[3] 谢波, 刘云怒, 翁葵平. 氢同位素分离装置控制系统的软件设计[J]. 西南科技大学学报, 2008, 23(1):22-26.

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[5] 谢波, 刘云怒, 侯建平. 氢同位素分离装置测控软件的优化[J]. 兵工自动化, 2004, 23(6): 89-90.

[6] 环境保护部污染防治司. 国内外化学品环境管理法规汇编[M]. 北京: 中国环境出版社, 2013.

[7] 李黎, 张宇, 宋振宇. 红外光谱技术在气体检测中的应用[J]. 红外, 2007, 28(9): 29-37.

[8] 袁本银. 矿用甲烷一氧化碳气体检测仪设计[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，宋涛(1967—), 男，高级技师，研究方向为放化气体取样技术研究；通信作者，谢波(1975—)，男，博士，副研究员，研究方向为放射性气溶胶，E-mail: caepxiebo@163.com

O638.18

A

1671-8755(2016)04-0090-06