基于LabVIEW和Web技术的水处理远程在线监控系统

熊伟丽 汤斌斌 陈敏芳 徐保国

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

基于LabVIEW和Web技术的水处理远程在线监控系统

熊伟丽1，2汤斌斌2陈敏芳2徐保国2

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

随着水处理工艺的发展，相应的控制系统成为保证处理后水质、提高工作效率的关键。详细描述了在线与远程监控水处理控制系统的实现。利用LabVIEW虚拟仪器开发平台，通过SIMATIC.NET建立OPC服务器与西门子S7-300 PLC的连接;以SQL Server为后台数据库，实现数据采集与设备控制;并通过LabVIEW内嵌的Web工具将系统发布至互联网，实现了异地远程在线监控;采用GSM无线通信模块，利用手机短信方式查询系统实时数据，使系统在出现故障时能够自动通知高层管理人员。应用表明，该系统运行稳定可靠，能较好地实现水处理过程的集中和远程监控。

水处理 LabVIEW OPC服务器 远程监控 GSM无线通信

国家自然科学基金资助项目(编号:30971689);

中国博士后基金资助项目(编号:2012M511198);

江苏省博士后基金资助项目(编号:1101021B);

江苏高校优势学科建设工程资助项目PAPD。

修改稿收到日期:2012-05-29。

0 引言

我国污水处理相对于发达国家起步较晚，普遍存在效率低、能耗高、自动化程度低等问题［1］。水处理过程设备种类多、操作步骤繁琐、工艺复杂多样，所以，实现水处理系统的自动控制很有必要，它是保证处理后水质、提高水厂工作效率不可缺少的环节。因此，设计满足污水处理工艺要求的、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，以LabVIEW为代表的虚拟仪器技术得到快速发展［3-4］，其利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级［5-6］。

本系统基于LabVIEW开发平台，以SQL Server数据库作为信息管理工具，采用OPC和DataSocket技术，连接下位机PLC进行数据通信，实现数据采集、设备控制、实时曲线显示、历史记录、故障报警等功能。系统不仅可以在工业现场监控室对整个工艺流程实时监控，而且可以通过浏览器实现异地远程实时监控。系统采用GSM无线模块，管理人员可在全球范围内通过手机短信查询工业现场参数，当系统出现故障时，自动以短信和电子邮件两种方式通知指定的多个管理人员。本系统在湖北劲酒污水处理厂得到很好的应用，提高了污水处理控制的稳定性、可靠性和灵活性。

1 系统的体系结构

根据水处理工艺控制要求，系统控制分为三级，包括现场控制级、中控室集中控制级、互联网远程控制级［7］。其中现场就地控制的级别最高，互联网远程控制级别最低。现场集水井、调节池、事故池、移动床反应器、厌氧反应器等单元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-485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，并发出控制指令至潜水泵、搅拌机、气浮、鼓风机、加药泵等执行部件，实现对各单元的集中控制。

污水处理监控系统结构如图1所示。

图1 污水处理监控系统结构Fig.1 Architecture of sewage treatment monitoring system

2 系统关键部分功能实现

2.1 LabVIEW与PLC通信

NI LabVIEW平台可以通过多种方式与任何可编程逻辑控制器(PLC)进行通信。用于过程控制的OLE(OLE for process control，OPC)定义了在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，OPC服务器适用于几乎所有PLC和可编程自动化控制器(programmable automation controller，PAC)。

系统采用的是工业过程控制中应用较广的西门子S7-300系列PLC。对于此系列PLC，在上位机有两种方式建立OPC服务器。其中一种方式是通过西门子公司的SIMATIC.NET软件建立用于S7-300/400 PLC的OPC.SimaticNET服务器，前提条件是为工控机安装西门子CP通信卡，具体分为三个步骤。

① 安装 SIMATIC.NET，在 Station Configurator中配置所要建立OPC服务器的站点名称、地址、通信方式和参数。

②在Configuration Console中确认模块的模式为Configured mode，然后在Access points中将 S7 ONLINE的接口参数设置为CP5611(MPI)。

在Simatic Manager的项目管理目录下，新建一个Simatic PC站点，站点的命名与Station Configurator中配置所要建立OPC服务器的站点名称一致;然后对其进行硬件组态，设置对应PLC的MPI连接地址，并下载到PC站点内。

③ 在 OPC Scout的本地服务器中，选择 OPC.SimaticNET，新增加一个组，并在组内添加想要观测的目标项目，完成后如果在Quality列表内观察到其通信质量为Good，说明通信成功建立。

OPC服务器建立流程如图2所示。

图2 OPC服务器建立流程Fig.2 Flowchart of OPC server establishment

另外一种方式是采用NI公司自己提供的NI OPC Servers，其内含工业控制领域常用的PLC驱动，如AB、三菱及西门子等。但是对于西门子S7-300系列PLC，NI只提供了基于PC Adapter的串口驱动，目前尚不支持CP5611通信卡。因此，出于通信速率考虑，本系统采用第一种方式建立OPC服务器。

OPC服务器建立之后，可利用LabVIEW内部的共享变量与PLC内部目标寄存器绑定，实现数据通信。同时，LabVIEW支持DataSocket技术。

DataSocket技术是NI开发的专门面向测量和网络的实时高速数据交换技术，支持包括OPC、LOGOS、FILE、FTP和 DSTP等协议。通过 DataSocket Read和DataSocket Write节点，LabVIEW可以方便地实现与PLC高速通信。

2.2 LabVIEW和SQL Server数据库连接

在用LabVIEW平台开发应用程序时，不可避免地要和数据库进行信息交互。用户利用数据库可以实现信息的存储、读取、归纳分析等操作。

LabVIEW是一个开放性的编程平台，为用户访问数据库提供了多种接口，对现行主流数据库如Microsoft SQL Server、ACCESS、Oracle、DB2 等提供了很好的支持。

本系统采用以下两种方法连接SQL Server数据库。

①利用NI公司提供的LabVIEW SQL Toolkit函数工具包进行数据库访问，其中包括数据库连接、创建表、选择数据、插入数据、删除数据等常用子函数以及一些高级函数。用户可以通过这些函数和SQL语句对目标数据库实现各种操作。

②除了用NI官方提供的工具包之外，还有一些LabVIEW爱好者们自己开发的工具包，LabSQL是应用较广的一个。把工具包内的子函数复制到LabVIEW安装目录下的user.lib文件夹内，在LabVIEW编程环境下就可以直接调用。

为了比较两种连接方法和数据库进行通信的速率，本文选取了两个双精度数值写入SQL Server数据库目标表的对应两列中，以比较通信所用时间，如表1所示。

表1 连接SQL Server通信时间Tab.1 Communication time in connecting SQL server

分析表1可以看出，当写入数据库1次时，两者所用时间基本相同，主要时间用于建立连接通道;而随着通信次数的增加，LabSQL通信时间方面的优势性越来越明显。但是，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，两种方法不能笼统地定论孰优孰劣，应用中需要按照实际情况选择访问数据库的方法。

如果用户对Microsoft ADO底层代码较为熟悉，可以在LabVIEW中用ActiveX功能调用Microsoft ADO控件;或者利用C、C++等语言编写DLL程序，通过LabVIEW内部的DLL接口访问其内部程序，间接地访问数据库文件。这两种方法需要对数据库以及相关编程语言有较深的理解，且编程工作量较大，对大多数设计者来说不太容易实现，一般很少采用。

2.3 GSM无线短信收发

全球移动通信系统(global system of mobile communication，GSM)，是当前我国应用较为广泛的移动电话标准［8］。短消息服务(short message service，SMS)作为基于GSM的增值业务，价格低廉、服务稳定，除了手机之间的短消息通信外，SMS被广泛应用到远程数据采集、电子商务、办公自动化等领域［9-10］。

系统上位机通过RS-232串行总线和本地GSM模块相连，LabVIEW内嵌VISA串口通信组件，采用AT指令和GSM模块通信实现短信收发。相关的AT指令如表2所示。

表2 短信息服务相关的GSM AT指令表Tab.2 GSM AT instructions related to SMS service

短信编码方式采用协议数据单元(protocol data unit，PDU)模式，PDU 模式下支持 UTF7、UTF8 和Unicode三种编码［11］。其中，UTF7 只能对标准的ASCII字符信息进行编码;UTF8则主要用于图像和铃声等多媒体信息的编码;UCS2是两个字节的Unicode编码。由于中文是采用两个字节的编码，因此要发送和接收中文，只能采用UCS2编码。

PDU字符串是一串ASCII码，由0～9、A～F等数字和字母组成，是8字节的十六进制数，或者BCD码十进制数。PDU字符串不仅包含要发送的内容编码，还包含许多附加信息编码，如目标号码、SMS服务器中心号码、编码方式及服务时间等。

设定发送号码为+8613912345678，目标号码为+8613987654321，短信中心号码为+8613800510500，则上位机通过串口发送的PDU字符串为:08 91 68 31 08 50 01 05 F0 11 00 0D 91 68 31 89 67 45 23 F1 00 08 00 06 4F 60 59 7D FF 01。

2.4 人机界面设计

本系统为湖北劲酒污水处理厂开发。整个工艺中，有格栅井、集水井、调节池、事故池、移动床生物膜反应器、气浮、初沉池、二沉池、污泥池等处理单元，设备包括机械格栅、潜水泵、搅拌机、罗茨鼓风机、加药泵、溶药装置、污泥螺杆泵等电机设备，共有570个I/O点。系统通过上位机(西门子工控机)监控整个水处理工艺。

上位机操作界面分为工艺流程、设备控制、实时趋势、历史数据及曲线、故障报警和报表输出等部分。

在工艺流程界面中，可以直观地显示水处理整个工艺，每个设备有运行、停止、故障三个状态显示灯，用户可在监控室了解当前设备运行状态，现场传感器采集的数据，如液位、温度、pH及溶氧等可在此界面实时显示。

在设备控制界面，用户可以设置液位上下限、电机转速等参数。每个设备控制功能块中设有手自动切换和启停按键，用户可根据实际控制要求设置设备控制模式。同时，系统对设备中的电机运行时间进行累计并存入数据库，方便检修查询。

除了上述界面，系统还包括用户密码登陆界面、设备控制界面、报警故障界面、历史数据界面和报表生成界面等。

2.5 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(hypertext 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［12-13］。通过LabVIEW的Web服务，可以为操作人员提供一个非常便捷的工作方式，使其即使身在外地，打开计算机通过浏览器连接到互联网，即可实现对水处理整个过程的监视与控制。

LabVIEW的Web服务器提供以下三种方式发布用户程序。

①“Snapshot”:快照方式，可远程获取监控界面的静态图形［14］。

②“Monitor”:监视器方式，可以根据需要配置远程客户端每N秒自动刷新监视界面。

③“Embedded”:嵌入方式，将用户程序完全嵌入Web服务器，从而发布到互联网［15］。

本系统采用Embedded方式，即将用户程序完全发布到互联网。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，即可远程访问系统。

系统访问通道采用安全套接层(secure socket layer，SSL)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。如果当前不允许远程控制系统，可以在前面板设置“锁定控制”来锁住系统控制权，保障系统安全运行。

3 结束语

系统采用LabVIEW编程平台开发，完成了对水处理整个工艺流程的数据采集和设备控制任务。系统运行稳定可靠、人机交互界面友好美观、操作简便，利用GSM无线技术实现短信查询系统参数，通过短信和E-mail等多种手段实现故障报警，并利用互联网技术实现了随时随地的远程在线监控。

本文的创新点在于把 LabVIEW、DataSocket、GSM无线通信和Web等技术应用到污水处理过程在线远程监控，实现了真正意义上的监控管一体化，提升了水处理厂的自动化水平和故障实时处理能力。

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Online Remote Water Treatment Monitoring System Based on LabVIEW and Web Technologies

Following the development of water treatment technologic process，the corresponding control system becomes the key to ensure the water quality after treatment and to increase operational efficiency.The implementation of online and remote control system of water treatment is described in detail.By adopting LabVIEW virtual instrument developing platform，and through SIMATIC.NET，the connection between OPC server and Siemens S7-300 PLC is established;with SQL Server as background database，the data acquisition and equipment control are implemented，and through the Web tool embedded in LabVIEW，the system is released to Internet for achieving remote online control.GSM wireless communication module and mobile phone are adopted for implementing inquiry of real-time system data in SMS pattern，thus，when fault occurs in the system，alert information can be automatically notified to senior managers.The application shows that the system operates steadily and reliably，and well implements centralized and remote monitoring in water treatment process.

Water treatmentLabVIEW OPC server Remote monitoring GSM wireless communication

TP31

A

熊伟丽(1978-)，女，2007年毕业于江南大学轻工信息技术与工程专业，获博士学位，副教授;主要研究方向为智能控制与优化算法。