基于LabVIEW和OPC技术的气体爆炸测试系统开发

2011年第25卷第2期测试技术学报V ol.25 N o.2 2011 (总第86期)JOURNAL OF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY(Sum N o.86)文章编号:1671 7449(2011)02 0100 07基于LabVIEW和OPC技术的气体爆炸测试系统开发李显松1,钟圣俊2,王 健3(1.华中光电技术研究所,湖北武汉430074; 2.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004;3.东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004)摘 要: 开发了一套用于检测气体爆炸特性参数的爆炸测试系统.硬件系统由参数测试装置和视频记录设备构成.软件系统为一套用作控制和数据采集的分布式测控系统,主要采用LabVI EW8.6开发而成,具有界面友好、操作容易和高度自动化等特点.现场设备的控制逻辑由PLC来实现,L abV IEW应用程序和硬件设备的通讯采用OPC技术来实现.该测试系统功能完备,可实现试验过程控制、实时数据采集、数据分析处理、数据库管理和实验结果报表输出等功能,具有独立性、整体性、可扩展性和实时性等优点.实际应用表明,该系统具有很好的可靠性和精确性.关键词: 气体爆炸;测控技术;L abV IEW;虚拟仪器;OP C;数据采集中图分类号: T P368.2 文献标识码:A doi:10.3969 j.issn.1671 7449.2011.02.002Development of Gas Explosion Test System Basedon LabVIEW and OPC TechniqueLI Xianso ng1,ZH ONG Shengjun2,W ANG Jian3(1.Huazho ng I nstitute o f Electr o O ptics,W uhan430074,Ch ina;2.Schoo l o f M ater ia l and M eta llur gy,N or theastern U niver sity,Sheny ang110004,China;3.Schoo l of Inf or mation Science and Engineer ing,N or theastern U niver sity,Sheny ang110004,China)Ab stract: A gas ex plo sion test sy stem to de term ine ex plo sion cha racter istics of gases w as develo ped. Har dw are sy stem co nsists o f character icstic test apparatus and video re co rd dev ices.The upper level softw are for contro l and data a cquisitio n(DAQ)w as a distributed me asure and co ntro l system w hich wa s mainly de veloped by LabVIEW8.6.So ftwa re system ha s feature o f fr iendly GUI,easy operation and high le vel auto matio n.The contro l lo gic of on site equipm ents w as rea lize d by PLC.The co mm u nicatio n betw een LabVIEW a pplication and hardw are dev ices was re alized by OPC technique.The de v eloped test system has co mprehensive functio n such as experimental pro ce ss co ntro l,r eal tim e data acquiring,da ta a na lysis and pro cessing,da tabase m anagement and ex per imental result r epo rt etc.The dev eloped test sy stem has adva ntages of independence,integr ity,ex tendibility,r eal tim e,etc.The system w as pr ov ed to be r eliable and accur ate in practical a pplication.Ke y wo rds:gas explo sion;m easurem ent and contro l technique;LabVIEW;virtua l instruments;OPC;data acquisitio n收稿日期:2010 09 23作者简介:李显松(1966 ),男,高级工程师,硕士,主要从事测试技术研究.在工业、交通运输和军事等应用领域,有某些设备经常工作在具有一定危险性的易燃 易爆气体封闭环境下.出于安全角度的考虑,需要一定的试验系统来模拟设备的实际运行工况,对危险环境进行必要的参数测试,以确定设备实际运行气体氛围的安全边界,从而保障人身和财产设备的安全.基于此目的,设计并开发了一套气体爆炸测试系统.本系统可根据要求实现下列功能:1)配制不同组分的试验气体.2)对可燃气体的下列爆炸性参数进行测定: 气体的爆炸极限(LEL,UEL); 气体的引燃温度(M IT ); 气体的最小点火能量(M IE); 气体的爆炸指数(最大爆炸压力p max 和最大压力上升速率K max ).3)完成实验过程的自动控制及实验数据的自动记录、分析和管理.4)完成实验过程的图像观察及记录.虚拟仪器(Virtual Instrum ents)是美国National Instruments 公司在其产品LabVIEW 中首先提出的创新概念.虚拟仪器由用户自己定义功能,可以自由地组合计算机平台、硬件、软件以及完成应用系统所需要的各种功能.虚拟仪器是仪器仪表领域的最新发展趋势.LabVIEW 是一个工业标准的图形化开发环境,它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性以及专为测试测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能,能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具.LabVIEW 语言有几个关键特性,如即用的测控函数,数据套接字(DataSocket)和VI 服务器,简单的图形用户界面(GUI)执行,多线程编程环境,这使得LabV IEW 在用于创建控制与集成仪器、工艺流程管理和实现数据采集的应用程序的自动化环境中特别有用[1].Lab V IEW 与计算机数据采集在工业设备和实验室装置的更新与现代化中得到广泛的应用[2 6].本文对气体爆炸测试系统的设计、开发及其结构进行了详细描述.对所开发的基于LabVIEW 的分布式测控系统的原理进行了阐明和演示.对相关的关键技术和功能进行了介绍.图1 气体爆炸测试系统的总体结构Fig .1 The ov erall architecture of comb ustion and explos ion test system101(总第86期) 基于L abV IEW 和O PC 技术的气体爆炸测试系统开发(李显松等)1 系统结构1.1 硬件气体爆炸测试系统的总体结构如图1所示.硬件系统由两部分组成:参数测试系统和图像记录系统.参数测试系统包括试验气体配制装置、爆炸性参数与爆炸极限测试装置、最小点燃能量测定装置、最小着火温度测定装置、气相色谱分析仪、现场测控计算机及远程测控计算机.图像记录系统由摄像机、镜头、网络视频服务器及图像处理计算机组成.数据采集和控制系统采用分布式方案,其硬件结构如图1所示.气相色谱仪信号专用工作站板卡及爆炸火焰和爆炸压力高速信号专用采集板卡嵌入现场测控计算机内,由现场测控机完成信号的处理及采集分析,再通过以太网与测量控制计算机进行信息交换.现场设备的逻辑控制由PLC 进行,所用PLC 为Om ron CJ1型.PLC 通过Ethernet 网模块直接接入测控以太网,对PLC 的读取和控制通过OPC (OLE for Process Control)接口实现.现场测控计算机和远程测控计算机控制实验的开始和结束,并可进行参数设置,不参与具体设备的控制.1.2 软件在现场测控机上用LabVIEW 虚拟仪器软件开发基于本机数据采集与控制系统,并同时提供数据传输服务(带WEB 服务功能).用LabVIEW 内置Web 发布功能,以服务器 浏览器(B S)模式实现远程控制.在中控室的测量控制计算机上通过IE 浏览器实现远程控制与数据采集.两机根据设定的用户级别行使相应的控制权限.测试数据以数据库的方式记录在现场测控计算机上,现场测控计算机同时具有数据库服务器的功能.远程计算机通过LabVIEW 远程面板实现数据管理,具有查询、报表和打印等功能.图2说明了软件系统的总体结构和数据流.该系统是基于虚拟仪器的远程测控系统,以虚拟仪器面板为中心,以现场控制、数据采集与管理为目的,通过欧姆龙PLC 和研华板卡进行现场数据采集与控制.采用研华LabVIEW 驱动进行高速数据采集.利用LabVIEW 的DataSocket 和欧姆龙OPC 服务器交互进行实时数据采集和控制.用Visual Studio 开发自定义的动态链接库进行测试文件的存取.在远程测控计算机上通过浏览器访问远程LabVIEW 虚拟仪器面板,并用Visual Studio 开发的数据处理与分析软件进行数据库和测试文件的访问.图2 软件系统的总体结构和数据流示意图Fig .2 Sch ematic draw ing of overall architecture an d data flow o f softw ar e system102测试技术学报 2011年第2期2 分布式测控系统2.1 逻辑控制的实时性和可靠性实现数据采集和控制的方案有以下几种: 工业板卡(例如研华PCL 板卡); 远程数据采集与控制模块(例如研华Adam 模块); PLC; 其它数据总线设备.其中,PLC 应用最为广泛.PLC 具有逻辑控制实时性好、可靠性高、可独立于计算机工作、易于联网实现分布式应用等优点.因此,本系统采用PLC 来实现现场设备的逻辑控制.2.2 高速数据采集技术爆炸压力和爆炸火焰为瞬态物理量,因此需要采用高速数据采集设备对其进行高速数据采集.PLC 的模拟量转换速度较慢,不能满足高速数据采集的要求.工业板卡内置于计算机的扩展插槽上,独立性和分布性不如PLC,但板卡具有模拟量高速数据采集的优势.数据采集有查询法、中断法和DMA(直接内存读取)3种方法,查询法比较简单,通过向硬件驱动程序查询一次获取一个数据.中断法向硬件驱动一次性提交一定数量的获取请求,并给定一个数据缓冲区地址,硬件通过中断服务的方法进行数据采集,将缓冲区写满后通知请求的程序进行数据读取.采用DMA 方法时,数据请求方式和中断法类似,只是硬件采集过程板卡内部实现方法不同.本系统采用中断法进行高速数据采集,采样点之间的时间间隔由板卡内部时钟控制,可保证采样时间间距完全一致.2.3 硬件和软件的通讯接口PLC 的读取和控制采用OPC(OLE for Process Control)接口技术规范来实现.OPC 是一组标准接口,用于确保制造商不同的设备间进行实时现场数据传输的互用性,OPC 规范由OPC 基金会制定及修改.来自于控制系统、仪器系统以及过程控制系统的制造商代表组成了该基金会[7].OPC 标准使得系统中所用设备的相关应用程序间的通讯极为便利,它使得用户可以利用OPC server 对不同类型和型号的设备进行监控.图3 OPC 标准的通信结构Fig .3 Com munication arch itecture of OPC standard 图3表明了采用OPC 标准的通讯结构[8].OPC 标准区别对待硬件提供商和软件开发商,它提供了某一数据源采集数据的方法,并使用标准方法来与任一客户端应用程序进行数据通信.图3所示结构说明OPC 服务器使得系统中的设备能够和软件应用程序直接进行通信[8].在OPC 标准中,客户端和服务端之间的通信是个系统的主干.设备管理并不是由客户端应用程序直接进行,而是由服务端用程序使用标准接口来进行控制.由于服务端用程序负责设备管理,硬件提供商和软件开发商可以来自不同的公司[9].OPC 软件对于所使用设备的类型和型号没有要求.在本系统的设计中,采用日本欧姆龙公司的SYSM AC OPC Server V2来实现PLC 和OPC 客户端之间的连接.2.4 组态技术组态就是在上位计算机上对现场设备进行监视和控制.本系统采用LabVIEW 虚拟仪器软件来实现组态.LabV IEW 提供两种方法来实现OPC 客户端到OPC 系统的连接: 使用LabVIEW 开发系统中的DataSocket 功能; 使用LabVIEW 的DSC 模块,采用第一种解决方法来创建一个OPC 客户端的实例.利用LabVIEW 的数据绑定功能,可以通过DataSocket Server 把诸如按钮、指示器等对象绑定到OPC 服103(总第86期) 基于L abV IEW 和O PC 技术的气体爆炸测试系统开发(李显松等)务器中的 项 ,这样,通过在OPC 服务器中对 项 元素进行配置,可实现对实验过程的控制.图4说明了用作LabVIEW 应用程序和PLC 之间通信的现场OPC 系统.PLC 通过以太网与OPC服务器进行通图4 用于LabVIEW 和PLC 通信的现场OPC 系统Fig .4 L ocal OPC system u s ed for co mmutation betw een LabV IEW and PLC信,当OPC 服务器收到工业网络的数据时,OPC 服务器将数据转换为标准的OPC 格式,供各OPC 客户端访问.OPC 客户端可读取数据并将新数据通过OPC 服务器写入设备.OPC 服务器将数据分为组合项,并将数据在一个标准接口上显示.OPC 客户端的数据被分为不同的组后,以组为单位,发出更新通知的请求.项是OPC 服务器所发布的数据的相关信息.2.5 数据库管理以数据库为中心,以数据管理为重点构建的基于数据库管理的虚拟仪器系统是现代测试测量系统的发展趋势.在基于数据库的虚拟仪器测量测试系统中,很重要的一部分工作是对实时采集的数据进行显示、查询、统计、生成报表分析等.这其中涉及的最主要的任务就是对数据的读取和写入,即与数据库系统进行交互.数据库保存在现场测试服务器上.现场测试服务器处于24h 开机状态,可全天候为其它计算机提供数据服务和文件服务.LabVIEW 软件本身不提供数据库访问模块.在LabVIEW 编程环境下,通常有几种方法可实现与数据库的接口[10]: 利用NI 公司的附加工具包LabVIEW SQL Toolkit 进行数据库访问.该工具包功能强大,使用简单,但价格较高. 利用高级语言如C++、Basic 编写DLL 动态链接库访问数据库,再利用LabVIEW 所带的DLL 接口调用DLL.但这样工作量太大. 利用LabVIEW 的.NET 和ActiveX 功能,调用Microsoft ADO(ActiveX Data Object)控件,利用SQL 语言实现数据库访问.利用这种方式进行数据库访问需要用户对Microsoft ADO 控件以及SQL 语言有较深的了解.编程工作量比方法 小,但仍然比较复杂. 通过第三方开发的免费工具包LabSQL 访问.LabSQL 利用Microsoft ADO 以及SQL 语言来完成数据库访问,将复杂的底层ADO 及SQL 操作封装成一系列的LabSQL VIs,简单易用.我们已拥有采用Visual C#和 开发的数据库访问应用程序,基于此,采用第三种方案实现数据库的管理.对此应用程序开发的关键技术简介如下: 提供对诸如SQL Server 和XML 这样的数据源以及通过OLE DB 和ODBC 公开的数据源的一致访问.共享数据的使用方应用程序可以使用 连接到这些数据源,并可以检索、处理和更新其中包含的数据.与ADO 的早期版本和其它数据访问组件相比, 提供了若干好处,这些好处分成以下几个类别:互操作性,可维护性,可编程性,高性能和可伸缩性. 用于访问和操作数据的两个主要组件是.NET Framew ork 数据提供程序和 Framew ork 数据提供程序是专门为数据操作以及快速、只进、只读访问数据而设计的组件.Con nection 对象提供到数据源的连接.使用Command 对象可以访问用于返回数据、修改数据、运行存储过程以及发送或检索参数信息的数据库命令.DataReader 可从数据源提供高性能的数据流.最惑,Data Adapter 在DataSet 对象和数据源之间起到桥梁作用.DataAdapter 使用Command 对象在数据源中执行SQL 命令以向DataSet 中加载数据,并将对DataSet 中数据的更改协调回数据源 DataSet 是专门为独立于任何数据源的数据访问而设计的.因此,它可以用于多种不同的数据源,用于XM L 数据,或用于管理应用程序本地的数据.DataSet 包含一个或多个DataTable 对象的集合,这些对象由数据行和数据列以及有关DataTable 对象中数据的主键、外键、约束和关系信息组成.数据库访问通过如下步骤实现:1)利用 创建数据库连接.OLE DB Provider 是一个用于访问数据的基于COM 的API.每一个OLE DB Provider 都暴露于一类特殊的数据源,例如SQL Server 数据库,Microsoft Access 数据库.在应用程序中,通过编程来实现Access 数据库的连接.在C#程序中,通过编程来创建一个OleDbCon 104测试技术学报 2011年第2期nection 对象,利用M icrosoft Jet 4.0OLE DB Provider 来创建Microsoft Access 数据库的连接.与连接对象相关的主要属性为Connection String 属性,它包括一个具有属性 值数据对的字符串,包含用于登录到一个数据库和指向一个特定的数据库所需的信息.2)利用 编辑Access 数据库.Visual Studio 中的 数据组件以不同的方式对数据访问功能进行封装,来帮助用户更快地进行编程并且少犯错误.在应用程序中,使用 数据组件对Access 数据库进行添加、删除和编辑操作.3)利用已开发的数据库访问应用程序创建一个动态链接库作为一个.NET 组件,然后利用Lab V IEW 中的.NET 工具来调用该.NET 组件.这样,就在LabVIEW 应用程序中实现了数据库管理功能.2.6 远程控制PLC 直接连入局域网,其它硬件通过现场测试服务器连入局域网.在现场测试服务器上,可以通过LabVIEW 操作所有的硬件和本地数据库.采用LabVIEW 的内置Web 服务器或远程面部技术可以实现实验过程的远程控制.无需进行任何编程,只需在LabVIEW 中设置几个参数,用户就可以借助网络在远程计算机上通过网页浏览器或LabVIEW 来控制现场测控计算机上的VI 系统.该技术可以使多个客户端在同一时间内远程控制一个应用程序或一个VI.3 图像记录系统1)系统结构.图像采集系统用于实现试验过程的图像记录.如图1所示,现场设有4台摄像机,分别布置在配气装置、引燃温度试验装置、爆炸指数测试装置及最小点火能量测试装置.系统采用基于网络的视频监控方案,通过试验现场的以太网络传输,图像由中控室图像处理计算机完成图像显示与记录存储.中央控制室配置图像处理计算机,通过局域网络对前端设备控制和图像显示.计算机内置320G 专用视频监控硬盘,有多种录像记录方式,对4路数据存储时间可满足试验要求.2)工作流程.图像采集系统作为测量控制系统的辅助设备独立工作,用于测量控制系统的安全监视及试验过程的图像记录.根据测量控制系统工作需要,试验前先打开图像记录系统,调整图像采集系统设备参数,从中央控制室图像采集计算机上清晰观察到试验现场图像,并启动图像存储.试验完毕后,可以对试验过程图像进行分析整理,并同试验记录报告一同存档处理.3)软件功能. 图像调看功能.网络客户端软件可同时连接显示摄像机的图像,每一个图像接收窗口可以任意接收网络内任意数字视频主机端的任意一路图像; 图像录像功能.网络客户端通过系统管理员授予一定的权限,即可在网络客户端访问回放服务器内的所有视频通道的录像资料; 远程控制功能.对于系统内的摄像机,在客户端可以实现和服务器一样的操作功能.4 功能演示图5 测试系统的主界面Fig .5 M ain inter face of the over all test system进行了多次实验对所开发的气体爆炸测试系统进行了实验验证,结果表明,本系统具有界面友好,容易操作,功能完备,高度自动化等优点.本测试系统极大地增进了工作效率,取得了良好的实际应用效果.图5为整个测试系统的主界面.作为示例之一,气体最小点火能量测试系统的操作面板如图6所示.用户可以在此控制面板上对实验过程进行操作.图7为气体爆炸指数测试的压力 时间曲线分析的一个示例,可以自动实现p max 105(总第86期) 基于L abV IEW 和O PC 技术的气体爆炸测试系统开发(李显松等)和K max两个主要的气体爆炸特征参数的分析和显示.图6 最小点燃能量测试的用户界面Fig.6 GUI of con tr ol and DAQ system for min imum ign ition energytest图7 气体爆炸指数测试的压力 时间曲线分析示例Fig.7 An illustration of pressure-tim e curve analysiso f gas explosion index test5 结 论设计并开发了一套气体爆炸测试系统,本系统具有安全性、独立性、整体性、可扩展性、高精度和实时性等优点,在实际应用中取得了良好的效果.根据国际标准和国家标准对硬件进行设计.采用Lab V IEW8.6开发了具有完备功能的控制与数据采集软件系统.该软件系统界面友好、容易操作,极大简化了实验操作过程,可实现实验过程控制、自动数据采集、曲线分析、数据库管理和报表输出等功能.实践表明,采用LabVIEW开发虚拟仪器具有效率高、界面友好、操作容易和功能扩展性强等优点,在测控系统的现代化和自动化应用中具有广阔的前景.参考文献:[1] Elliott C,V ijayakumar V,Zink W,et al.National instruments LabV IEW:a pr ogramming environment for laboratory automation and measurement[J].Journal of the Association for L aboratory A utomation,2007,12(1):17 24.[2] M eng H,L i J Y,T ang Y H.T he design and application of virtual ion meter based on L ABV IEW8.0[J].Rev iew of Scientific Instruments,2009,80(8):26 30.[3] Zhao J,Abu M ulaweh H I.Rejuvenate an old tinius olsen machine wit h computer data acquisitio n using its ex ist ing har dwareand LabVI EW[J].Computer Applications in Engineer ing Educat ion,2009,7(3):45 51.[4] Wang W B,L i J Y,Wu Q J.T he design o f a chemical virtual instrument based on LabVI EW for deter mining temperaturesand pressures[J].Jour nal of Auto mated M etho ds&M anagement in Chemistry,2007,16(3):165 171.[5] Abu M ulaw eh H I,M ueller D W.T he use of L abVI EW and data acquisitio n unit to mo nitor and control a bench top air towater heat pump[J].Computer Applications in Engineer ing Education,2008,16(2):83 91.[6] M eng H,Li J Y,T ang Y H.V irtual instrument for determining rate constant of second o rder reaction by pX based on LabV IEW8.0[J].Journal of Automated M ethods&M anagement in Chemistry,2009,16(2):83 91.[7] Santos R A,Nor mey R ico J E,Gomez A M,et al.OPC based distributed r eal time simulation of co mplex continuous processes[J].Simulation M odelling Practice and T heory,2005,13(7):525 549.[8] Sahin C,Bolat E D.Development of remote control and monitor ing of w eb based distributed OPC system[J].Co mputerStandards&Interfaces,2009,31(5):984 993.[9] Ding Z Q,Aendenroomer A,He H,et al.OPC based dev ice management and communication in a distr ibuted contro l application platform[C].I EEE Industr ial Infor matics Conference Proceedings.2003:107 111.[10] T ravis J,K ring bV IEW for Ev er yone:Gr aphical Pro gramming M ade Easy and Fun[R].Person Education,Inc,2007:235 241.106测试技术学报 2011年第2期。