饮用水处理过程信息管理系统的设计及应用 65页

饮用水处理过程信息管理系统的设计及应用何书亮2014年12月\n中图分类号：UDC分类号：饮用水处理过程信息管理系统的设计及应用作者姓名何书亮学院名称化工与环境学院指导教师陈祥光教授答辩委员会主席薛锦诚教授申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月\nTheDesignandApplicationofInformationManagementSystemintheProcessofDrinkingWaterTreatmentCandidateName:ShuliangHeSchoolorDepartment:ChemicalEngineering&EnvironmentFacultyMentor:Prof.XiangguangChenChair,ThesisCommittee：Prof.JinchengXueDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Janurary，2015\n北京理工大学硕士学位论文摘要水是生命之源，民以食为天，食以水为先。随着工业废水、城乡生活污水的排放量和农药、化肥用量的不断增加，许多饮用水源受到污染，水中污染物含量严重超标,直接饮用地表水和浅层地下水的城乡居民饮水质量和卫生状况难以保障。针对我国饮用水源污染严重的情况，绝大多数城市水厂在不断地对饮用水处理技术及工艺进行研究，近些年来发展了一些饮用水的净化处理技术，主要有吸附法、氧化法、生物法、膜法等几大类新方法。本论文开展在饮用水处理过程中信息管理系统的设计和应用研究工作，对于远程监视饮用水处理过程安全和提高信息管理自动化水平具有重要的理论意义和实际应用价值。本论文针对应用现场的饮用水处理工艺流程，采用七参数（温度、电导率、流量、压力、浊度、溶解氧和pH值）检测传感器、触摸屏、AD模块、DTU、串口服务器模块等，构建了饮用水处理过程监测系统，实现了对饮用水处理过程中七种参数的在线测量。基于数据采集仪获取七种参数的在线测量数据；基于LabVIEW、MicrosoftSQLServer和internet设计了饮用水处理过程管理信息系统，使用无线和有线网络传输方式将现场检测数字传输至上位机监视中心，实现了远程数据传输、数据存储、数据查询、用户管理、视频监控等功能。在程序设计中采用独立模块化设计思想，使各程序模块易于修改和扩展。本论文设计的饮用水处理过程信息管理系统，能够实现现场检测数据的远程传输、远程监视、故障报警等功能。现场测试结果表明，该信息管理系统运行稳定、操作简便、功能强，能够满足实际监测过程的需求，并为区域多个饮用水处理过程信息集中管理奠定基础。关键词：饮用水处理过程；传感器；数据采集仪；过程信息管理系统I\n北京理工大学硕士学位论文AbstractWateristhesourceoflife,foodisfirsttothepeople,andwaterisfirsttothefood.Withtheincreaseofindustrialwastewater,urbansewageemissionsandpesticides,chemicalfertilizers,thedrinkingwaterofmanycitiesandvillageshasbeenpolluted.Accordingtothissituation,thewaterplantsofmanycitieshavebeenstudyingwatertreatmenttechnologyandprocess.Inrecentyears,somewaterpurificationtechnologieshavebeendeveloped,whichincludeabsorption,oxidation,biologicalmethod,membranetechnique.Thedesignandapplicationofamanagementinformationsystemintheprocessofdrinkingwaterisdevelopedinthisdissertation,andithasimportanttheoreticsignificanceandpracticalapplicationvalueforremotemonitoringofdrinkingwatertreatmentprocesssafetyandwillenhancetheautomationlevelofinformationmanagement.Basedonsevenparameters(temperature,conductivity,flow,pressure,turbidity,dissolvedoxygenandpHvalue)detectionsensor,touchscreen,ADmoduleandDTUmodule,ameasurementsystemofdrinkingwatertreatmentprocessisconstructedinordertoaimatdrinkingwatertreatmentprocessinthisdissertation,andtheonlinemeasurementofthesevenkindparametersisrealized.Onlinemeasurementdataofsevenparameterscanbeobtainedbasedondataacquisitioninstrument,andamanagementinformationsystemisbuiltbasedonLabVIEW,MicrosoftSQLServerandinternet.Thefieldmeasuringdataistransmittedtohostcomputermonitorcenterusingwirelessandnetwork,andtheremotedatatransmission,datastorage,dataquery,usermanagement,videomonitoringfunctionareachieved.Duringtheprogramdesign,eachprogrammoduletobemadeiseasytobemodifiedandextendedbyuseofthemethodforindependentmodulardesign.Theprocessinformationmanagementsystemintheprocessofdrinkingwatertreatmentdesignedinthisdissertationcanachievetheremotetransmission,centralizedmonitoringandfaultalarmoffieldmeasuringdata.Theexperimentalresultsinrealfieldshowthatthesystem,whichisprovidedwithstablerunning,simpleoperating,strongfunction,cansatisfytheactualmonitoringprocessneeds,andlaythefoundationformultipleregions’drinkingwatertreatmentprocessinformationmanagement.Keywords:drinkingwatertreatmentprocess;sensors;dataacquisitionequipment;managementsystemofprocessinformationII\n北京理工大学硕士学位论文目录第1章绪论..........................................................................................................................11.1论文研究背景和意义..............................................................................................11.2饮用水处理技术及其研究进展..............................................................................21.2.1国内外饮用水处理技术及研究状况...........................................................21.2.2饮用水处理过程自动检测仪器...................................................................31.2.3饮用水处理过程信息管理系统...................................................................41.3论文研究内容和结构安排......................................................................................41.3.1研究内容......................................................................................................41.3.2结构安排......................................................................................................5第2章饮用水处理过程在线监测系统设计........................................................................62.1饮用水处理过程在线监测原理概述......................................................................62.2饮用水处理过程在线监测系统硬件设计..............................................................62.2.1传感器的检测原理和选型..........................................................................62.2.2数采仪的集成原理及设计方法.................................................................142.2.3基于7参数的监测系统设计....................................................................172.3本章小结................................................................................................................18第3章饮用水处理过程信息管理系统的设计................................................................193.1过程信息管理系统的软件开发平台....................................................................193.1.1基于LabVIEW的开发软件.....................................................................193.1.2基于MicrosoftSQLServer的数据库工具..............................................203.2过程信息管理系统的总体结构设计....................................................................213.2.1通讯协议的设计.........................................................................................213.2.2信息管理系统各功能模块设计.................................................................233.2.3信息管理系统主程序设计.........................................................................373.3远程数据通信系统的设计...................................................................................393.3.1基于internet的远程监视与数据传输系统设计......................................393.3.2数采仪与现场监控中心的无线通信系统设计.........................................41III\n北京理工大学硕士学位论文3.3.3可执行文件的生成及使用.........................................................................433.4基于7参数的过程信息管理系统功能实现与分析...........................................463.5本章小结................................................................................................................47第4章饮用水处理过程信息管理系统的实验与分析....................................................484.1过程信息管理系统各模块的实验与分析............................................................484.2过程信息管理系统软件总体测试与分析............................................................504.3过程信息管理系统的可靠性评价........................................................................514.4本章小结................................................................................................................51第5章总结与展望............................................................................................................525.1研究工作总结........................................................................................................525.2研究工作展望........................................................................................................53参考文献..............................................................................................................................54攻读硕士期间参加科研项目和发表文章..........................................................................57致谢......................................................................................................................................58IV\n北京理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1论文研究背景和意义水是生命的源泉，人们以食物为天，食物以饮水居先。水大概占据人体重量的70%，担负人体内输送物质与媒体的作用，对人体的能量代谢、物质代谢和信息代谢起着重要的作用，各个系统之间维持平衡均离不开水。随着经济的不断发展与人民生活水平的逐渐提高，人们对于饮用水的水质越来越关心。但是伴随着工业废弃用水、城乡居民生活污水的释放量和农药、化肥等排放量的逐渐增加，许多饮用水源受到了严重污染，水里的污染物含量严重超标。饮用水水体中的病菌微生物超标的问题始终非常严重，水质中的化学指标甚至毒理学指标也大大超出标准范围。由于水质污染，城乡居民的生活饮用水质量和卫生情况很难得到保证。据调查，我国有大概1亿的城乡生活居民的饮用水没有完全符合健康生活饮用水的标准，大概有3.6亿偏远山区居民的饮用水存在安全问题，大概有1.9亿人的饮用水水质中的有害物质含量超出指标，未经清洗的饮用水中含有灰尘，葡萄球菌，大肠杆菌，霉菌等多种细菌，长期直接饮用将会危害人体的健康而且容易导致疾病的流行，有些地方甚至会引起副伤寒、伤寒和霍乱等[1]一些严重传染病，有些少数地区致畸，致癌，致突变的发病率居高不下。世界卫生组织调查资料表明，全球人类得病原因中水质不良大概占80%。美国的78个城市统计资料表明，传染病致病原因中水质问题约占95%。针对我国饮用水源污染严重的情况，大多数城市水厂在不断地对饮用水处理技术及工艺流程进行研究。常规的传统给水处理工艺，主要作用是消色、消浊和杀菌，对于消除水中的溶解性有机污染物的作用十分有限。最近一些年来人们发展了一些受污染水质的净化处理工艺技术，大致分为氧化法、吸附法、生物法、膜法等几大种，目[2]的在于使饮用水水质得到保证。因此，除了大力推进保护饮用水资源的举措，对城市水厂的制水工艺不断改进和强化也是非常重要的，而在饮用水处理过程中建立一个信息管理系统则更加有助于人们对饮用水处理工艺进行认识，从而对帮助人们研究出更加具有创新性的饮用水处理技术具有重要意义。本课题的目的在于设计一个针对饮用水处理过程中检测参数的信息管理系统，使饮用水处理技术的过程更加直观、明了。1\n北京理工大学硕士学位论文1.2饮用水处理技术及其研究进展1.2.1国内外饮用水处理技术及研究状况从20世纪70年代以后，研究人员已经逐渐着手对饮用水处理的新型技术进行了研究，并且应用在现实生产中的很多工艺都起到了良好的作用。人们在饮用水常规处理[3]工艺的基础上。针对饮用水的不同污染类型，研究开发的新技术和新工艺有很多种，[4]主要概括有以下方面：预处理技术、深度处理技术、强化常规处理技术。预处理技术主要包括化学预氧化，生物预氧化，吸附预处理三个方面：化学预氧化是一种传统的处理方法，指的是通过在给水处理工艺之前添加化学氧化剂，凭借着氧化剂的强氧化能力对水质中污染物的结构进行破坏分解，实现转化或分解水质中污染物的目的，强化后续处理工艺效果的一项预处理技术。目前，可以作用于给水处理的主要氧化剂有氯、臭氧、高锰酸钾、二氧化氯、过氧化氢、高铁酸盐等，其中臭氧[5]处理方法在欧美等一些发达国家应用最为普遍，并已逐渐成熟，进入实用阶段。如3美国的洛杉矶水厂日处理水量约为2270000m，预臭氧投加量0.8mg/L，处理时间5min；[6]美国湖泊水厂的预臭氧投加量0.5-4mg/L，处理时间4-9分钟；其他国家如法国、加[7]拿大、德国等都建有预臭氧处理工艺的水厂。生物预处理是指在常规净水工艺之前增设生物处理工艺，借助微生物群体的新陈代谢活动，将水质中的污染物进行初步消除，这样既改善了水的混凝沉淀性能，使后续的常规处理能更好的发挥作用，也削弱了传统给水处理和后续深度处理过程的负担。吸附预处理技术是在混合池中投加吸附剂，利用吸附剂的强大吸附性能，改善混凝沉淀效果，实现去除水中污染物的目的。目前比较常用于水处理的吸附剂有硅藻土、活性炭、沸石及离子交换树脂。其中用到最普遍的是对水中有机物和臭味有很强吸附作用的疏水性物质—活性炭。深度处理技术主要有以下几点：活性炭处理技术、臭氧-活性炭联用技术、臭氧-生物活性炭技术、生物光氧化以及膜分离处理技术，而用得最多的则是臭氧-生物活性炭技术，1961年在德国Dusseldorf市Amstaad水厂中开始了臭氧化与活性炭吸附的第[8]一次联合使用。由于该厂的水源水质—莱茵河水质一直在恶化，之前的河岸过滤—除臭氧化—过滤—加氯的工艺已经无法满足水质处理的需求，为了实现出水水质的提高，进一步去除臭味，在过滤工艺之后增加了活性炭吸附工艺。该工艺和当时大众采用的预氯化活性炭工艺相比较，出水水质有了显著的提升，活性炭的利用周期得到了2\n北京理工大学硕士学位论文大大的延长。随后，经过人们许多年的使用和探索研究，逐渐认为炭床中大量生长的微生物所具有的生物活性是处理效率提高和炭使用周期延长的主要原因。法国是最早将臭氧化技术应用在给水处理厂的国家，臭氧化—双过滤技术是它的工艺特点。强化常规处理则包括强化混凝法、高密度澄清池、活性炭吸附法和二氧化氯消毒法。强化混凝法指的是在常规处理工艺流程基础上，在其中添加超量的混凝剂用以提升原水中天然有机物（NOM）的去除率。强化混凝有两个目的：其一是达到D/DBP条例要求的总有机碳（TOC）去除率；其二是充分取出DBP（邻苯二甲酸二丁酯）的前驱物，使得应该使用氯气作为主要消毒剂、而且在配水系统中保持一定量的余氯时，各种DBP的MCL值不超出D/DBP条例第一实施阶段的标准。高密度澄清池最初主要是在欧洲水厂开始应用的，高密度澄清池与斜管沉淀池的构造基本上是一致的，区别主要在于高密度澄清池是将斜管沉淀池里的活性污泥进行回流，从而加强絮凝体的强度和沉淀的效率。活性炭吸附法就是在常规水处理工艺流程中，向其中投加粉末状活性炭，吸附并去除水中的各种污染物，使致突变的活性转变成阴性，这是技术效果比较良好而又经济的除污方法。二氧化氯则不仅可以快速杀菌，而且可以更有效地杀死芽孢。二氧化氯的氧化能力很强，可以去除水中色度、臭味、锰等，与臭氧相比，在水中保持的残留量的时间较长，所以美国及欧洲早在40、50年代就开始着手研究，目前[9]在欧洲几乎已普遍使用。1.2.2饮用水处理过程自动检测仪器自动检测仪器在饮用水处理过程中起着非常重要的作用，它一般包括三个部分：传感器，变送器和显示屏。传感器是构建饮用水处理实时监控系统的重要组成部分，通过选取适宜的传感器，可以为饮用水处理实时监控系统提供准确、及时的数据支持，为优化饮用水工艺处理过程提供必要的信息。传感器的选择应当考虑多个方面的因素，如监测目的、监测环境、监测对象以及量程、精度、频率、响应时间、稳定性、输出方式等。在本论文中涉及到的主要有温度、溶解氧、流量、压力、浊度、pH值以及电导率；变送器则是将传感器测得的模拟信号转变为标准的电流信号或电压信号，并送到可编程逻辑控制器（PLC）进行处理，显示屏则作为人机操作界面，主要将上述7种参数进行显示，便于人们对处理过程的进展有直观的认识。目前，饮用水处理自动检测仪器使用的都是在线仪器，包括欧美、日本以及我国在内的许多国家都有专3\n北京理工大学硕士学位论文业的厂家进行这方面的研究和生产，但我国产品的技术还处于国外八九十年代的水平，与国外的差距较大。目前应用广泛，技术成熟的仪器有：水质五参数（pH、水温、浊度、溶解氧和电导率）。各个在线检测仪器虽然检测的项目和原理不同，但一般都通过一个测量点将各部分整合到一起使用。pH主要使用玻璃电极法测量；水温的测定主要利用铂电阻法测量，但其并不单独制作，而是和其它电极集成在一起使用；溶解氧采用电化学探头法测量；电导率是以数字表示溶液传到电流的能力，一般采用电极法；浊度主要采用透过散射式和表面散射式方法，形式主要有电极和浊度池形式。以传感器为基础的检测仪器能够构成饮用水处理监测系统，实现数据的远程监测和及时预警，在整个饮用水处理过程中发挥着重要的作用。1.2.3饮用水处理过程信息管理系统饮用水处理过程在线自动监测系统是一套以在线自动分析仪器为基础，运用现代传感器技术、自动控制技术、自动测量技术、计算机应用技术以及有关的专业分析软件和通讯网络所组成的一个在线综合性自动监测体系。信息管理系统则是针对自动监测系统，在上位机中编写信息管理软件，主要通过网络等通信方式与下位机进行实时通信，用户可以远程监测到饮用水处理过程中各个参数的实时变化以及历史数据，当某些参数与设定的指标不符时，用户可以从信息管理系统中找出并做具体分析，从而联系现场人员进行查看。信息管理系统主要由监控中心软件和若干分支系统组成，监控中心软件实时监控各个分支系统上的数据，并对这些数据进行处理，生成日、周、月、季、年报等；同时，监控中心软件可对超过标准的数据进行处理，及时提供预警信息；如有需要，中心站软件可对相应的分支进行远程重启，远程参数修改等操作，方便日常管理；具有授权的用户，可以通过互联网利用电脑或智能手机查询各个子站数据，这对于人力、物力的节约及对整个处理过程有很重要的辅助作用。1.3论文研究内容和结构安排1.3.1研究内容本论文为针对饮用水处理过程信息管理系统的设计及应用，侧重点为实际的工程应用，设计的信息管理系统可以在大多数类似的工程中加以移植应用，本论文的主要研究内容包括：4\n北京理工大学硕士学位论文（1）国内外饮用水处理技术的现状及发展状况，饮用水处理检测仪器的原理，对饮用水处理过程监测系统进行了总体结构设计，确定了系统的整体结构及设计思路。（2）根据实际的饮用水处理流程设计了在线监测工艺流程，介绍了各参数检测仪表的原理、选型及数据采集仪的集成原理和测量原理。（3）对饮用水处理过程信息管理系统进行了总体设计，确定了各个模块的功能及整个系统的集成方法和过程。（4）对饮用水处理过程信息管理系统的软件程序进行设计，包括主程序的设计，用户登录程序设计、数据接收程序设计、数据存储程序设计、数据查询程序设计、用户响应事件设计和数据通信格式的定义。1.3.2结构安排根据论文的主要研究内容，本论文的撰写结构如下：第1章介绍本论文的研究背景、研究意义以及国内外饮用水处理技术的现状和研究进展。对常用的饮用水处理方法进行了分析，并简要介绍饮用水在线监测自动检测仪表等概念。第2章介绍了饮用水处理过程在线监测系统的原理，系统的整体硬件结构设计，以及饮用水参数检测传感器的相关原理和数采仪的集成原理。第3章介绍了饮用水处理过程信息管理系统的整体设计，包括软件工具LabVIEW和数据库，信息管理系统的总体设计，包括各功能模块函数的设计和实现以及可执行文件的生成，最后阐述了各部分函数的功能以及整个系统的功能实现与分析。第4章介绍了信息管理系统各部分功能模块的现场实验与测试，以及生成可执行应用程序之后，软件整体的现场功能测试与分析。第5章对本论文现有的研究内容进行了总结和展望，对进一步的改进工作提出了建议。5\n北京理工大学硕士学位论文第2章饮用水处理过程在线监测系统设计2.1饮用水处理过程在线监测原理概述饮用水处理过程是由不同的工艺单元组成，在各部分处理工艺中直接影响处理效果的因素有很多，其中，温度、流量、压力、电导率、浊度、溶解氧（DO）和pH值（简称为七参数）在整个过程中起到了至关重要的作用，它们能够为人们对饮用水处理的质量提供数据分析，在水厂处理和饮用水传输过程中的重要性也是不言而喻。因此，在饮用水处理过程中对上述主要参数进行在线监测、实时预警或调节，是污染预警、水质监测和处理效果评定的重要方法，而长期稳定运行的饮用水在线监控仪表则是提供准确监测数据的重要依据，因此，饮用水处理过程在线监测的原理就是利用稳定可靠的在线监测仪表对上述七种参数进行在线监测并实时调控，将所获得的实时数据则通过无线传输方式或以太网方式进行远程传输到监测中心，并由监测中心的信息管理系统进行显示及保存，由此实现饮用水处理的现场自动化和远程智能化监测，达到节省资源的目的。2.2饮用水处理过程在线监测系统硬件设计2.2.1传感器的检测原理和选型在饮用水处理过程中能够长期稳定运行的在线监控仪表起着重要的作用，而其中所用的检测传感器一共有七个，分别是温度、电导率、流量、压力、浊度、溶解氧和pH值，以下分别介绍每一种传感器的检测原理和选型。（1）温度传感器根据组成传感器的材料，温度传感器可以分为热电阻、热电偶和半导体等三种温度传感器。根据输出信号的不同，可以分为模拟、数字以及逻辑传感器。模拟温度传感器的信号输出为电压或电流量的模拟信号，模拟信号必须通过特定的接口电路转化为数字信号之后才能用微处理器进行处理。电压输出温度传感器的主要优点是电源的电压和电流都相对较低，当传输线路的压降和电压噪声不是主要的考虑要素时，其电压输出直接变成控制系统和数据采集系统的输入。电流输出温度传感器的主要优点是6\n北京理工大学硕士学位论文输出电阻值高，输出电流不会受到传输线路电压降和电压噪声的影响，而且对电源电压脉冲和漂移具有非常强的控制能力。电流输出温度传感器和微处理器进行接口时，[10]依然需要将电流变成电压，再转化成微处理器能够处理的信号。（2）电导率传感器[11,12]电导率传感器是根据生物机理将生物传感部件的专一性和一个能够产生与备测物质浓度成相对比例的信号传导器结合起来的一类分析设备。电导率传感器发生信号的源头包括：质子(H+)浓度的改变；一些气体例如氨气和氧气的释放或吸取；光的释放、吸收或反射；热量的释放等。传感器通过热学、光学、电化学或压电学的方[13,14]法把这些信号转化成能够被测量的信号如电流、电势、光吸收、温度变化等，这些信号可以进一步被放大并得到表征。电导率传感器的敏感元件为一些固定化的酶、[15]微生物细胞、动植物组织、抗原抗体等生命物质。和传统的化学传感器与离线分析技术(如GC、HPLC或质谱等)相比它拥有很多无法比拟的优点：一般不必进行样品的预处理；测量时一般不用再添加其它试剂；可以实现连续在线监测；响应速率高；可以进行反复多次使用；成本低廉等。由于电导率传感器的选择性高、低成本、高灵敏度、稳定性好、自动化程度高、可以在复杂体系中进行快速连续在线监测等特点，使得它在环境保护领域中得到快速的发展。生化需氧量(BOD)是水体质量评价过程中最普遍、最常用、最重要的指标之一。[16]电导率传感器的工作原理：当电导率传感器置于恒温缓冲溶液中时，在不断的搅拌下，溶液中的氧达到饱和状态。此时生物膜中的微生物处于内源呼吸状态，溶液中的氧通过微生物的扩散作用与内源呼吸耗氧达到平衡，传感器输出一个恒定电流。当加入待测样品后，微生物由内源呼吸转入外源呼吸，呼吸活性增强，导致扩散到传感器的氧减少，使输出的电流减少，几分钟后又达到一个新的平衡状态。一定条件下，传[17]感器输出的电流值与BOD浓度呈线性关系。本论文中选用GLOBALWATER270_WQCOND电导率传感器作为电导率和温度检测仪表。WQ-COND电导率传感器采用4电极测量技术，能够提供大量程的电导率和温度的准确读数。离子溶液的电导率随着温度的增加而增加，该传感器内置温度传感器，相对标准为25℃，并提供2%/℃的自动温度补偿。内置接口模块把电导率和温度的数字信号数据转化成2道独立的标准信号，分别连接数据记录器和可编程逻辑控制器（PLC）设备即可采集。传感器如图2.1所示。7\n北京理工大学硕士学位论文图2.1WQ-COND电导率和温度传感器（3）流量传感器流量传感器的种类很多，对于饮用水处理过程来说，由于需要在流动的过程中测量其进水口和出水口的流量，所以要求还是很高，一般的主要类型有孔板式、热式、V锥、电磁流量计。①孔板式流量传感器。孔板式流量传感器是测量通过管道介质流量，应用最为广泛、最为普遍的差压式流量传感器。其由节流装置和差压计，或者由节流装置与差压变送器连同二次仪表共同组成。节流装置是利用压力差进行测量时的一次元件，利用节流装置在管道中使流体产生压力差，再经过导压管把节流装置前后产生的压力差传递给差压变送器，再输入到二次仪表，便显示出管道中液体的瞬时流量或累计流量[18]。节流装置的结构简单，测量精度高，使用具有可靠性，检修、维护都很方便，在冶金、化工、石油、电力工业系统得到广泛应用。②热式流量传感器。热式流量传感器属于基于热扩散原理的流量仪表，即利用流体流过发热物体时，发热物体的热量耗散多少与流量成一定的比例关系。具体来说，该热式流量传感器具有两支标准的电阻温度探测器（热电阻/RTD），一支用来做热源，另一支用来测量流体的温度。流体流过时，两支温度探测器之间的温度差与流量的大小成非线性关系。该仪表就能够把这种非线性关系转化成测量流量信号的线性输出，[19]从而测量气体的体积流量。热式流量传感器能够广泛应用在电、气、水处理的监控。③V锥流量传感器。V锥流量传感器是一种差压式流量传感器，其原理是基于封闭的管道中能量相互转化的伯努利定理。在流量稳定的情况下，管道中流体的流速与压力差的开方成正比。流体流经传感器，在V锥前后产生差压，通过对压差的测量得8\n北京理工大学硕士学位论文到对流量的测量。由于悬挂轴心与锥形体结构，当流体接近V锥时，管道中心流速变慢，管壁附近流速逐渐加快，高速流体起直接冲刷内锥节流件和管道内壁，还可自动实现清扫，避免脏污介质的粘附、堆积。非常适用液体中含气，气体中含水以及液体[20]或气体含有固体等脏污介质。V锥流量传感器广泛地应用于石油、化工、天然气、矿冶、电力、水力、给排水、造纸、酿造、纺织等行业的计量和测量。④电磁流量计。电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律进行开发的，被测介质在和磁力线垂直的方向流动，因此在与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生了一个感应电动势Ex，其中Ex=BDv，式中：B为磁感应强度，单位为T；D为两个电极之间的距离，单位为mm；v为被测流体的平均流速，单位为m/s；Ex为电动势，单位[21]为V。电磁流量计不会受到外界环境中的温度、压力、粘度、重力等因素的影响，测量管内部收缩或凸出部分不会产生压力损失，另外，测量元件检测到的原始信号，是一个与流体平均流速成高精度线性变化的电压信号，它与流体的其他特性无关，具有很大的优越性。根据水质的流量，电磁流量计具有结构紧凑、体积小，安装、操作、[22]维护方便等特点，是一个很好的选择。本论文采用一体型电磁流量计DN150，它的主要组成部分是：测量管、电极、励磁线圈、铁芯与磁轭壳体，主要用于测量封闭管道中具有导电性能的液体和浆液中的流量，其中包括酸、碱、盐等强腐蚀性的液体。该产品广泛应用在石油、化工、冶金、纺织、食品、制药、造纸等行业以及环境保护、市政管理，水利建设等领域。它的主要配置如下：供电：一体型24VDC供电电极：不锈钢电极材料（304材质）衬里：氯丁橡胶衬里材料（卫生型级别）模拟输出：4-20mA输出信号数字输出：RS485Modbus通讯输出接地：正常接地电极配置防护等级：一体型IP65防护等级、一体型IP65防水等级精度：1.0级精度整体材质：管道碳钢材质、表头铝材质量程：6.36-954.0立方米每小时9\n北京理工大学硕士学位论文压力：<=1.6Mpa介质温度：-30℃—+100℃（4）压力传感器目前常用的测量液体压力的方法大概可以分为以下几种：重力平衡法、液柱平衡法、弹性变形法和力—电转换法。伴随着工业的发展，对测压仪表要求具有高精度、响应快、小型化等特点，因此采用力—电转换法构成的压力传感器得到了飞快的发展。随着科学技术的快速提升，人们对精密测量技术的要求越来越高，并且要求它的体积越来越小。其中，灵巧结构传感器是用于未来航天飞行器、民用建筑以及桥梁等大型工程结构的重要发展方向。光纤传感器是最有希望实现灵巧结构的传感器，它具有体积小、易弯曲、抗电磁干扰等优点，拥有非常大的应用价值。光学测量是光纤传感器的基础，根据光纤的作用，可以将光纤传感器分为两大类：一种是利用光纤本身的敏感特性或功能制作成的传感器，它不但能够起着传输光波的作用，还能作为敏感元件使用，这类传感器称作功能型传感器；另一种传感器中，光纤仅仅是起着传光媒介的作用，在光纤断面中附加其它敏感元件组成传感器，这类传感器称为传光型传感器；其中传光型传感器又能够分为两类：一种是把敏感元件放置在发送和接收的光纤之间，在被测对象的作用下，让敏感元件遮断光路或让敏感元件的光线穿透率发生改变，使得光探测器接收到的光量成为被测量调制后的信号；另一种是在光纤终端设置“敏感元件+发光元件”的组合件，敏感元件感受被测对象并将其转变为电信号后作用于发光元件，最终以发光元件的光强作为测量所得的信号。测量压力的光纤压力传感器，可以分为光纤功能型和光纤传光型两种。光纤传光型是根据[23]当压力引起光路错开时，利用因遮蔽而产生的透过光和反射光发生的变化。采用光纤压力传感器对液体进行压力的检测，具有传统测压方法无可比拟的优点，主要表现在以下方面：①光纤压力传感器是一种灵敏的检测元件，其灵敏度、线性度和动态范围均不亚于传统传感器；②由于光纤是由石英等绝缘材料制成的，并且采用光波进行信息的传递，不会受到电磁干扰，电气绝缘性能好，可以安全传输信号，在强电磁干扰下能完成某些传感器难以完成的参量的测量；③光波传输信息时不会产生漏电和放电现象，不会引起被测介质的燃烧或爆炸。10\n北京理工大学硕士学位论文光纤化学稳定性好，耐高压，耐腐蚀，耐高温，因而适用于在易燃、易爆和强腐蚀性等恶劣环境中安全工作；④光纤压力传感器质量轻、体积小、柔软性好、结构简单，具有良好的几何形状适应性，有利于在狭窄的空间中使用；⑤光纤传感器具有宽频带的特性，有利于超高速测量。本论文中选用GB-3000G压力传感器在单晶硅上扩散上一个惠更斯电桥，压阻效应使桥壁内阻抗发生变化，经专用放大器和电压电流变换将量程对应的信号转换成电流信号，如图2.2所示。图2.2GB-3000G压力传感器（5）浊度传感器浊度是水质测量中的一项重要参数，它是水体质量的综合要素。在很早以前人们[24]就非常关心水体的浑浊程度，浑浊程度是人类肉眼判断海水健康的第一感觉。水的浊度又是与光学紧密关联的一个概念，水对光所产生的效应，由于水中不同大小、形状、比重的悬浮物、胶体物质和微生物等杂质的影响，是不同的。浊度是水的“清”和“浊”的量化了的表示。美国公共卫生协会(APHA)等组织把浊度定义为：“水使光散射或吸收的光学性质的强弱”。可以理解，即使总重量相同，但颗粒大小不同的杂质，它们对光产生的效应是不同的，即浊度不同。显然，浊度并不能直接表示水中杂质的比例，但还是和杂质在水中的含量是相关的。浊度不仅仅是表示水质最重要11\n北京理工大学硕士学位论文的物理外观指标，它还能够暗示水中各种有毒、有害物质的含量，精确测量浊度在水的生产中至关重要。浊度也是啤酒等饮料的重要指标之一。为了使浊度测量的数据具有统一标准，目前国际上广泛使用福尔马肼(Formazin)溶液作为浊度的基本标准，该溶液的浓度即浊度，单位为NTU。可用测量溶液对光的散射效应的方法测量浊度，浊[25]度是评价出厂水水质的主要依据之一。本论文中选用上海清淼光电科技有限公司的KM-TU100在线低量程浊度仪作为浊度检测仪表。KM-TU100在线低量程浊度仪是上海清淼光电科技有限公司生产的在线光学类分析仪之一，为高智能化在线连续监测仪，适合自来水、软化水、循环水等洁净水体1NTU以下浊度值测量的专用仪器，具有响应快、稳定、可靠、使用费用低等特点，适合在线连续监测。再加上该系列仪器所具有的全中文显示、多样化操作方式等特点，使其以“实用、方便、功能完善”等优点在同类产品中独树一帜，得到广泛应用。如图2.3所示。图2.3KM-TU100在线低量程浊度仪它的主要特点有以下：①自动温度补偿，测量可靠、数据准确。②全中文显示，操作方便；采用高分辨率的液晶显示屏；所有数据、状态和操作提示均为全中文显示，没有厂家自定义的符号或代码，通俗易懂。③多参数同时显示：在同一屏幕上显示浊度值和状态。显示屏采用128×64点阵12\n北京理工大学硕士学位论文液晶，具有醒目、可视距离远等优点。（6）溶解氧传感器[26]空气中的氧变为分子状态以后溶解在水中称为溶解氧。水中的溶解氧含量直接影响着水里微生物的生存，是水体质量的重要指标，也是水体质量监测的五项之一。通过溶解氧检测仪器对水中的溶解氧含量进行实时测量，并且结合pH值、浊度等其它[27,28]监测参数能够快速得到水体的质量状况，并及时开展相关治理工作。[29]目前，国内测量溶解氧的国标方法依旧是Winkler碘量法。该法虽然测量准确度较高，但是存在很多缺点如费力、费时、消耗试剂多等，不能满足现场连续测量的[30]要求。另一种常用的测定方法是根据Clark电极的电化学测量方法。这种方法利用待测液中的溶解氧通过透气薄膜在电解液中进行还原，产生与氧浓度成正比的扩散电流，进而通过测量扩散电流来确定溶解氧的含量。这种方法虽然可以达到现场连续测量溶解氧的目的，然而由于测量过程会对氧气进行消耗，无法满足静止或低流速液体的测量要求，并且该方法的测量精度和响应时间都受到了透气薄膜扩散系数的严重约[31]束，从而导致设备普遍存在准确度低、稳定性差、易受干扰等问题。本论文选用GLOBALWATER270_WQ401溶解氧传感器作为溶解氧检测仪表。WQ401溶解氧传感器坚固耐用、非常可靠。传感器的探头连接到7.6m的船舶级电缆，且电缆最长可定制到150m。溶解氧传感器的输出为3线配置，标准电流信号，使用船舶级环氧树脂将电子部件完全封装在不锈钢外壳中。WQ401选用可拆卸的电极防护罩、可更换的溶解氧电极，便于维护。产品图片如图2.4所示。图2.4GLOBALWATER270_WQ401溶解氧传感器WQ401可与GL500数据记录器进行连接并记录数据，也可连接到PC300控制器控13\n北京理工大学硕士学位论文制泵的开启或者报警，进行在线水质监测。（7）pH值传感器本项目采用GLOBALWATER270_WQ201酸碱度仪表作为PH检测仪表。WQ201pH传感器坚固耐用、值得信赖。配备3芯7.6米船舶级电缆，电缆长度可根据需要，最长可定制到152米，使用船舶级环氧树脂将电子部件完全封装在不锈钢外壳里，4-20mA输出。pH值传感器还使用了可拆卸的防护罩、可更换的pH电极，易于维护。产品如图2.5所示。图2.5GLOBALWATER270_WQ201酸碱度仪表WQ201具有电子部件完全封装、4-20mA输出、船舶级电缆、不锈钢外壳与可更换pH电极等特点。2.2.2数采仪的集成原理及设计方法数据采集传输系统主要由四部分组成：触摸屏，AD模块，DTU和串口服务器。四个部分组合在一起协同工作，构成数采仪。其中触摸屏在现场完成数据的显示，记录和报警等功能。AD模块实现模拟输入信号到数字信号的转换。DTU实现数据的远程无线传输，串口服务器则实现数据的有线传输。（1）触摸屏[32]触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器件组成；触摸检测部件用于检测用户的触摸位置，接收后传送给触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测[33]装置上接收触摸信息并送给控制器，它同时能接收控制器发来的命令并加以执行。[34]触摸屏的主要3大种类是：表面声波技术触摸屏、电容技术触摸屏、电阻技术触摸14\n北京理工大学硕士学位论文屏。台达DOP型人机界面了提供多样化尺寸与色彩的触控屏幕，并为工业自动化机械提供快速方便的控制功能。此外，全系列产品皆搭配Windows-base人性化编辑软件，使用者可以快速编辑图表界面，并可自由设定适合的通讯协议规范。特点如下：①尺寸规格从4.3″、5.6″、7″、8″到10.1″、10.4″；②65536色TFT，分辨率最高可达1024×600像素；③超大程序容量，最高可达82M；④造型时尚现代化，内置高质感MP3/WAV/MIDI音效功能；⑤提供标准型和网络型机型，分别整合SD卡、Ethernet接口、满足用户的不同需求；⑥支持USB上下载，可连接打印机和U盘；⑦具有宏指令精灵，使宏指令使用更方便。基于以上特点和实际生产需要，本项目选择7″真彩TFT触摸屏DOP-B07S411作为人机界面。触摸屏如图2.6所示。图2.6台达触摸屏DOP-B07S411（2）AD模块AD模块的作用是将输入的模拟新欢转换为数字信号进行输出。本项目选择台达DVP系列产品。DVP04AD-S模拟信号输入模块可接受外部4点模拟信号输入，将之转换成14位的数字信号。模块内具有49个CR寄存器，每个寄存器都是16位。DVP04AD-S模拟信号输入模块可经由RS-485通讯协议。电源单元与模块分离，体积小，安装容易。使用者可由配线选择电压输入还是电流输入。电压输入范围±10VDC，电流输入范围±20mA。15\n北京理工大学硕士学位论文（3）DTUDTU全称GPRS（GeneralPacketRadioService）DTU（DataTerminalUnit），GPRSDTU拥有TCP/IP协议转换功能，用户不用为其提供TCP/IP的支持，并且它可以适用于所有带串口的终端设备，通过GPRS网络平台能够实现数据的无线和透明传输，使得[35]不具备TCP/IP协议处理能力的终端设备能够拥有GPRS通信的能力。GPRSDTU不需要后台计算机为其提供支持，充分利用GPRS网络平台的“永远在线，接入速度快，[36,37]采用流量计费方式”的特点，拥有特别高的性价比优势，特别适用于电力系统的自动化、工业监控、环境监测、交通管理等行业的远程传输数据应用。本论文选用WG-8010型号GPRSDTU，它内置了工业级GPRS无线模块，提供了标准的RS232/485/422数据接口，能够方便的连接RTU、PLC、工控机等设备，并且仅需完成一次初始化配置，之后不用再对其进行配置，用户设备便能够与服务器端通过GPRS无线网络和Internet网络建立连接，实现数据的透明传输；另外，用户设备也可以利用DTU直接进行短信的收发以及作为GSMMODEM连接上网。DTU与服务器之间的通信是由客户端发起的，服务器端通过作出反馈或接受通信来对DTU端进行响应。客户端与服务器端共同组建了基于GPRS和INTERNET网络通信的应用系统。相比客户端，服务器端安装着更加复杂的应用程序，能够接受任何客户端发起的通讯请求，并不断检测链路中的通信状态，进而实现实时数据采集、数据库服务等应用。客户端与服务器端的通信和协议转换过程如图2.7所示。图2.7DTU与服务器通讯原理16\n北京理工大学硕士学位论文（4）串口服务器串口服务器是一种将协议进行转换的模块，它是用来将TCP网络数据包或UDP数据包与RS-232/485/422接口数据实现透明传输的设备。上位计算机采用了TCP/IP协议，通过以太网访问被接入的终端设备。下位机则采用相应的SOCKET编程。使得串口服务器的使用非常简便，安装驱动程序后，即可在下位机中产生多个仿真的虚拟串口。然后只需要打开虚拟串口进行相应的配置即可透明访问远端串口设备，就像对普通串口一样进行一一对应的收发和控制。简而言之，它是结合了串口通讯简单方便的特点，[38]又利用了以太网高效稳定的特点，是一种性价比非常高的组网方式。本论文中采用有人科技的USR-TCP232-400串口服务器，它内部集成了TCP/IP协议栈，功耗低，搭载ARM处理器，速度快，稳定性高。模块集成10/100M自适应以太网接口，串口通信最高波特率高达1024Kbps，具有TCPServer，TCPClient，UDP，HttpClient，TCPAuto，WEBtoSerial等工作模式，能通过网页或软件轻松配置。数采仪主要由上述几个模块集成，从结构上看，通过导线将传感器、DTU、串口服务器模块的电源和信号通道接到指定的PLC接口上，从功能上看，各个模块的功能独立，不会对彼此产生干扰，集成后的数据采集仪具有各个模块的功能。2.2.3基于7参数的监测系统设计（1）监测系统硬件框架通过以上各种参数传感器及其它各硬件模块介绍，以传感器和数采仪为硬件基础，设计了以下饮用水处理监测工艺流程，如图2.9所示。图2.9工艺流程图17\n北京理工大学硕士学位论文其中，机柜采用图腾标准机柜，尺寸为1200mm×600mm×600mm，水箱为定制的不锈钢水箱，尺寸为36cm×23cm×30cm，抽水泵采用上海磁力泵业的高压隔膜泵，UPS采用山特TG500型号，其余包括电源在内的其它硬件按需求一一安装好。上位机采用一台最低配置为windowsXp系统的电脑。（2）监测系统原理硬件结构搭建好以后，从左端进行通水，进水水流由左端以一定的速率进入连通的U形管中，要求左端的减压阀必须开启一定开度，各参数传感器按规定分别安装在各自的位置，传感器和数据采集仪通过信号线的连接构成相互通信，水流经过U形管进入水箱，水箱中放置一个液位指示浮球，浮球连接抽水泵，当水位达到一定高度时，浮球位置改变，控制抽水泵自动进行抽水，将水箱中的水抽出，防止水位过高而导致溢出；当水位下降到一定高度时，浮球恢复到原来的位置，停止抽水，UPS是为了确保当发生断电等故障造成设备停止运行时，系统能有短暂的连续供电时间，给维护人员提供维修时间。数采仪通过将采集到的七参数模拟信号转化为数字信号，然后和上位机进行通信，在上位机开发的信息管理系统则可以对信号进行一系列的处理，从而完成参数的远程监测。2.3本章小结本章首先简要介绍了饮用水处理过程监测系统的监测原理，包括其中自动检测仪器所起到的作用；其次详细地介绍了检测过程中所用到的针对各个参数的检测传感器的使用原理、选型以及在本论文中的使用型号，然后介绍了数据采集仪的集成原理，包括各个部分的功能及使用型号；最终，基于以上基础知识，设计了一个饮用水处理监测系统，并对系统中数据采集和工艺流程做出了详细的描述。18\n北京理工大学硕士学位论文第3章饮用水处理过程信息管理系统的设计3.1过程信息管理系统的软件开发平台3.1.1基于LabVIEW的开发软件（1）虚拟仪器的基本概念虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）是以通用计算机为核心，根据用户对仪器的设计定义，用软件实现虚拟控制面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统。用户可通过鼠标、键盘或触摸屏来操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样，实现需要的测量、测试的目的。虚拟仪器是将现有的计算机技术、设计软件技术和高性能模块化硬件结合在一起而建立的功能强大又灵活易变的仪器。在虚拟仪器中，硬件只是为了解决输入信号、输出信号和调理信号的问题，软件才是整个系统中的关键部分，使用者可以通过修改软件，方便地改变、增减系统的功能与模块，即所谓的“软件就是仪器”。虚拟仪器充分利用了现存的计算机资源，并配以独特设计的仪器硬件和专用软件，能够实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的特殊功能，它利用数据采集模块完成一般测量测试仪器的数据采集功能，利用计算机系统完成一般测量测试仪器的数据分析和输出显示等功能。虚拟仪器是计算机技术、现代测量技术共同发展的结晶，代[39]表着当今仪器发展的最新趋势。可见，虚拟仪器是由计算机硬件、模块化仪器硬件和用户软件组成的测控系统，[40]是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。（2）LabVIEW简介LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是NI（National[41]Instrument）公司开发的虚拟仪器领域中最具代表性的图形化编程开发平台。它是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，并适用于多种不同的操作系统平台。LabVIEW采用强大的图形语言（Graphic,G语言）进行编程，面向测试的工程师而不是专业的程序员，编程使用非常方便，人机交互界面直观友好，拥有强大的可视化数据分析和19\n北京理工大学硕士学位论文仪器控制能力等特点。用户可以使用LabVIEW开发环境创建32位的编译程序，从而为常规的数据采集、测试、测量等任务提供更快的运行速度。LabVIEW是真正的编译器，用户可以创建独立的可执行文件，从而能够脱离开发环境单独运行。与传统编程采取的文本语言相比，LabVIEW的界面更加友好直观，是一种直觉式图形程序语言。LabVIEW由两个基本窗口组成：前面板窗口和程序框图窗口。前面板窗口用于放置一些控件和图片，相当于普通仪器的显示屏。程序框图窗口则用于编写图形源代码，它相当于文本编程中的语句，它是由各种能够完成一定功能的模块通过[42][43]连线连接而成。除此之外，LabVIEW还拥有丰富的函数库，可供直接调用实现各种功能，因而使用LabVIEW可以快速直观地建立一个模拟系统。3.1.2基于MicrosoftSQLServer的数据库工具（1）MicrosoftSQLServer简介在监测系统中，需要用到大量的数据，因而选择必要的数据库工具就必不可少，MicrosoftSQLServer是一个关系数据库管理系统，SQL是英文StructuredQueryLanguage的缩写，意思为结构化查询语言。SQL语言的主要功能就是同各种数据库建立联系，进行沟通。按照ANSI（美国国家标准协会）的规定，SQL被作为关系型数据库管理系统的标准语言。SQL语句可以用来执行各种各样的操作，例如更新数据库中的数据，从数据库中提取数据等。目前，绝大多数流行的关系型数据库管理系统，如Oracle，Sybase，MicrosoftSQLServer，Access等都采用了SQL语言标准。在本论文设计的信息管理系统中，采用MicrosoftSQLServer2005作为数据库工具。（2）LabVIEW中访问数据库的几种方式及特点在LabVIEW中本身并不能够直接访问数据库，不能像VB、VC++、Delphi、PowerBuilder那样非常方便的进行数据库程序的开发。因此以LabVIEW编制的虚拟仪器系统需要其它辅助的方法来进行数据库访问。在LabVIEW中大概有以下几种方式访问数据库：①利用NI公司的附加数据库接口工具包LabVIEWSQLToolkit进行数据库访问。②利用LabVIEW的ActiveX功能，调用MicrosoftADO对象，利用SQL语言实现数据库的访问。③通过第三方开发的免费工具包LabSQL访问。20\n北京理工大学硕士学位论文④通过调用动态链接库DLL(DynamicLinkLibrary)访问。[44]⑥利用中间文件存取数据。文中选择第三种方式进行访问。LabSQL是一个免费的、多数据库、跨平台的LabVIEW数据库访问工具包，支持Windows操作系统中任何基于ODBC的数据库，包括Access，SQLServer,Oracle等，LabSQL利用MicrosoftADO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LabSQLVIS。LabSQL的优点是易于理解，操作简单，不熟悉SQL语言的用户也可以很容易使用，只需进行简单的语句编写，就能够在LabVIEW中访问数据库。利用LabSQL几乎能够访问任何类型的数据库，执行各种基本的SQL语句查询，对记录进行操作，它的另外一个最大的优点[45]就是源代码开放，并且完全免费。3.2过程信息管理系统的总体结构设计3.2.1通讯协议的设计（1）MODBUS协议的特点及缺点Modbus协议是由美国MODICAN公司开发的，由施耐德公司最先倡导的一种通信协议，最初是用在其开发的PLC可编程控制器上，经过很多公司的实际应用，已经逐[46]渐被认可，成为工业领域的一种标准的和最流行的通讯协议。此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS484和以太网设备。通过此协议，许多工业设备之间可以相互通信，有了共同的协议，由不同厂商生产的控制设备就能够通过现场总线组建成工业网[47]络进行集中监控。Modbus协议定义的是一种数据帧结构，它独立于物理层，因此控制器能够很容易地进行识别和使用，而不论设备通信的网络类型是什么，它都拥有非常好的适用性。当Modbus协议应用在标准Modbus网络中时，数据将被直接进行传送，而如果应用在其他网络，Modbus协议将通过被植入该网络的通信数据帧结构中发[48]送，因为Modbus协议良好的适用性，所以现在众多大公司都支持使用它，并把它[49]作为一种标准的通信接口提供给用户，作为与主系统通信的主要途径。Modbus协议包括ASCII和RTU两种帧格式，这两种格式又分别有自己的地址码，功能码，错误码，数据段以及校对码。在水处理的场合中，由于上位机中接收的七种参数已经很清楚明了，所以在保证数据段正确的情况下，只需要在首尾加上相应的判断字符便可对数据包进行处理，因此，Modbus协议在此处就显得有些冗余了。所以，21\n北京理工大学硕士学位论文在Modbus协议的基础上，自己定义了一个更为简便的通讯协议。（2）自定义通讯协议根据Modbus协议的规则，自定义的通讯协议格式如图3.1所示。通讯包组成包头监测点编号系统时间数据段CRC包尾PH溶氧浊度电导率温度压力流量预留值数据段组成图3.1自定义通讯协议格式从图中可以看出，通讯协议一共使用六个数据段，首尾字符用来判断通讯包是否是符合要求的数据包，若是，中间字符则是传输的数据，通过将中间字符进行解码可以获得所需要的各个参数数据，所有的通讯包数据都是由ASCII码组成（CRC校验位除外），字符长度设置为140，具体的数据段定义如表3.1所示。表3.1通讯协议各数据段组成名称类型长度描述包头字符455AA监测点编号字符40001-9999系统时间字符14YYYYMMDDHHMMSS数据段字符110每个参量用10个字符，不足10位的填0CRC校验16进制整数4自己定义，此处全部设置成0包尾字符400FF注：YYYY：年，如2014；MM：月，如05；DD：日，如25；HH：时，如12点；MM：分钟，如59分；SS：秒，如30秒。通讯包总长度为140，各参数数据段具体描述如表3.2所示，其中N6.4表示6位整数，4位小数。22\n北京理工大学硕士学位论文表3.2参数数据段具体描述名称字符集长度类型取值范围描述PH0~910N6.46.5000-8.5000不在此范围报警溶解氧0~910N6.43.0000-6.0000不在此范围报警浊度0~910N6.40.0000-5.0000NTU不在此范围报警电导率0~910N6.40.000~800.0000us/cm不在此范围报警温度0~910N6.410.0000-30.0000℃不在此范围报警压力0~910N6.4200.0000-1000.0000Pa不在此范围报警3流量0~910N6.4200.0000-800.0000cm/min不在此范围报警3.2.2信息管理系统各功能模块设计（1）信息管理系统数据库的建立本论文采用MicrosoftSQLServer2005作为数据库设计的开发工具，也可以使用比该版本更高级别的其他版本。在设计数据库之前，必须明确需要存入数据库的参数类型以及个数，在饮用水处理过程中，所涉及到的信号参数共有七个，然而对于不同的监测点和时间，设计相应的标签量对其进行区分也是很重要的，因此所需要的数据总共有9个，在数据库中总共包含两层关系，整个数据库包含监测点的数据表，数据表中包含需存入的具体数据类型、数据名。数据库的设计层级关系如图3.2所示。图3.2数据库层级关系登录成功之后进入数据库开发工具，选择需要建立数据库的服务器名称进行连接，然后右键点击新建数据库，将其命名为饮用水处理监测系统，如图3.3-3.5所示。23\n北京理工大学硕士学位论文图3.3打开数据库工具图3.4新建数据库24\n北京理工大学硕士学位论文图3.5新建数据表根据实际的处理过程，分别进行两种类型数据的存储，对于实时监测的数据单独建立一个数据表，而对于超过标准需要报警的数据另外建立一个数据表，但是二者实质上所存储的数据类型及变量个数基本一致。数据库中设计的数据表如下3.3-3.4所示。表3.3监测点实时数据名称数据类型允许空否日期Datetime否温度Real是流量Real是压力Real是pHReal是电导率Real是浊度Real是溶解氧Real是监测点号Real否25\n北京理工大学硕士学位论文表3.4监测点报警数据名称数据类型允许空否日期Datetime否温度Real是流量Real是压力Real是pHReal是电导率Real是浊度Real是溶解氧Real是监测点号Real否（2）LabVIEW访问数据库数据库建立完成之后，还无法与上位机中的LabVIEW软件进行直接通信，通过LabVIEW接收的数据还无法直接保存到数据库中，需要借助数据源（ODBC）工具将二者进行互联，在控制面板中的管理工具里找到数据源选项，建立和数据库相应的数据源，其中服务器的选择要和已建立数据库的服务器一致，否则即使数据源设置正确，仍然无法正确保存数据。同时，在LabVIEW的程序框图中，数据源的名称也要和上述数据源相对应，建立数据源和程序框图如图3.6-3.8所示。图3.6新建数据源26\n北京理工大学硕士学位论文图3.7数据源命名图3.8测试数据源数据源部分程序设计图如图3.9所示。27\n北京理工大学硕士学位论文图3.9数据源程序设计其中，DSN（DataSourceName）表示数据来源名称，从图中可以看出，在程序框图中建立的数据源和数据源管理工具中建立的完全一致，否则，程序将会出错。在完成上述两步操作之后，数据存储功能便已完成，LabVIEW可以直接访问数据库。（3）用户事件响应模块对于用户事件响应，实际上是一种中断服务，这类任务是在基础任务连续运行时，在用户需要时才执行所需的任务，如数据查询，参数修改等，此类任务不需要连续执行，而只是通过检测用户事件来触发任务。在LabVIEW中，事件结构是一种选择结构，程序根据发生的事件决定执行哪一部分指令代码。事件驱动包括两部分：事件结构和While循环，事件驱动中的While循环用来确保事件能够连续不断地进行。如果没有While循环，程序只能对第一个发生的事件进行处理，处理完后程序将退出事件结构。根据产生源来分，LabVIEW中主要有以下几种事件：①应用程序事件。这类事件主要反映整个应用程序的状态变化，例如程序是否关闭，是否超时等。②VI事件。这类事件主要反映当前VI状态的变化，例如当前VI是否关闭，是否选择了菜单中的某一项等。③动态事件。用于处理用户自定义或在程序中临时生成的事件。[50]④控件事件；用于处理某个控件状态的改变如控件值改变、键盘鼠标的操作等。事件结构如图3.10所示。28\n北京理工大学硕士学位论文图3.10事件结构打开其中的“EditEvents”框，当选择了某一事件的发生源时，其相应的所有事件都会出现在右侧Events框中。有时候多个事件产生源会对同一个用户操作分别产生相应事件。比如在某一控件上按下鼠标，区域事件和控件事件都会产生“鼠标按下”事件，LabVlEW按以下规则顺序产生不同的事件：①键盘相关的事件；只在当前选中的控件上产生；②鼠标相关的事件；按照从外向里的顺序发出。例如，区域的鼠标按下事件先于控件的鼠标按下事件发出；结构的鼠标按下事件先于结构内控件的鼠标按下事件发出；③值改变事件；按照从内向外的顺序产生，结构内控件的值改变事件优先于结构中的值改变事件。在本系统中，用的是控件事件中的值改变事件，当用户单击前面板中的指定控件时，就会调用相应的子VI的主界面，从而完成相关的响应任务。（4）用户管理功能为了使应用程序有更好的用户体验，设计了一个用户管理模块，作为应用程序的用户可以随时增添用户或删减用户，同时也可以对已有的用户进行更改，能够进行此类操作的用户必须满足相关权限如在程序里对用户设置成管理员或普通用户类型，除此之外，有权限的用户还能对现有的用户信息进行更改，用户管理功能做成子函数模块，通过事件结构对其进行调用，其整个用户管理系统和包含的子程序的前面板示意图和程序设计示意图如图3.11-3.17所示。29\n北京理工大学硕士学位论文图3.11“用户管理系统”前面板图3.12用户管理系统程序设计30\n北京理工大学硕士学位论文图3.13更改用户信息图3.14“添加用户”前面板31\n北京理工大学硕士学位论文图3.15“添加用户”程序设计图3.16“删除用户”前面板32\n北京理工大学硕士学位论文图3.17“删除用户”程序设计（5）通讯包解码模块通过自定义的通讯协议，虽然用户清楚地了解通讯包的格式，但是对上位机接收数据的程序来说，只要有数据传送过来上位机就全部接收，因此为了防止接收的数据不满足通讯协议格式，设计了一个字符解码子程序，首先根据协议格式通过对接收数据的首尾部分进行判断，如果和通讯协议格式相符则做进一步的处理，字符解码子程序的部分程序设计图如图3.18所示。图3.18解码子函数程序设计（6）数据存储模块数据存储功能是整个信息系统非常重要的部分，没有这部分功能，用户无法对接33\n北京理工大学硕士学位论文收到的数据进行进一步的操作如查询以及生成实时或历史趋势曲线等，从而无法对整个处理过程通过数据进行详尽的分析，因此，该部分功能具有重要意义。将其设置成子函数，在主程序中进行调用使得接收数据的同时将数据保存到数据库，数据存储子程序设计示意图和前面板如图3.19和3.20所示。图3.19“数据存储”程序设计图3.20“数据存储”前面板（7）数据查询模块数据存储函数将所接收数据保存到数据库中，通过数据查询函数则可以将数据库中的数据取出，从而使用户能够进行进一步的具体分析。数据查询函数同样需要数据源的设置，通过监测点和开始日期与结束日期的选择进行查询条件的决定，查询结果34\n北京理工大学硕士学位论文通过表格形式显示在前面板中，其前面板和程序设计图如图3.21和3.22所示。图3.21“数据查询”前面板图3.22“数据查询”程序设计（8）视频模块在程序中使用到的视频模块，需要借助IPCamera，IPCamera是网络摄像机，它是一种由传统摄像机与网络技术结合所产生的新一代摄像机，IPCamera是一种可生产的数字视频流，并将视频流通过有线或无线网络进行传输的摄像机。IPCamera除了拥有普通传统摄像机所有的图像捕捉功能外，还内置了数字化压缩控制器和基于WEB的操作系统，使得视频数据经压缩加密后，通过局域网，Internet或无线网络送至终端用户。IPCamera有自己的微处理器和内存系统，一般使用Linux操作系统，内置web服务器，支持多种网络协议，拥有IP地址和DDNS动态域名，可以通过浏览器输入IP地址进行视频观看。35\n北京理工大学硕士学位论文借助IPCamera的客户端配置，可以将具体的设备与地址相连，从而在其自定的网页中可以直接点击设备名进行查看现场视频，拍照或者录像，而在LabVIEW中，通过打开网页的方式对视频进行查看，需要首先下载一个用于LabVIEW视频查看的模块，并将IPCamera的网页地址填写在指定输入字符栏，在前面板即可显示监控界面。视频模块的程序设计图以及成功打开IPCamera的网页前面板如图3.23和3.24所示：在前面板中将已注册的用户名和密码填写正确即可登录查看视频，用户名和密码均为用IPCamera客户端进行配置。图3.23视频模块程序设计图3.24视频模块前面板（9）数据导出模块通过数据存储模块存储到数据库中的数据，可以通过数据导出模块直接在运行软件时将其导出，而不必打开数据库软件再进行相应操作，数据导出模块的程序设计图36\n北京理工大学硕士学位论文和前面板示意图如图3.25和3.26所示。图3.25“数据导出”程序设计图3.26“数据导出”前面板3.2.3信息管理系统主程序设计完成各个子功能模块之后，需要进行主程序的设计，在整个系统运行时，用户通过主界面的相关操作可以对参数进行实时查看，查询，数据的导出等，在进入主界面37\n北京理工大学硕士学位论文时，之前设计的用户登录功能会提示用户进行登录，如下图3.27所示。图3.27主程序运行提示登录而进行操作的按钮则是通过菜单栏的定义来实现，点击VI前面板或程序框图中的编辑>>运行时菜单，弹出菜单编辑器对话框如图3.28所示，在最上方的下拉框中选择自定义，在右侧的项目类型中选择用户项，通过编辑相关的名称即可新建运行时菜单栏项目，新建好的自定义菜单栏如图3.29所示。图3.28菜单栏编辑图38\n北京理工大学硕士学位论文图3.29自定义菜单栏3.3远程数据通信系统的设计3.3.1基于internet的远程监视与数据传输系统设计上位机与下位机设备并不处在同一个现场，因此通过数采仪采集到的数据需要远程传输到上位机中，为此设计了基于Internet的远程通信系统，在一般的条件下，上位机和下位机通过网线进行网络互联，然后将二者的IP地址设置成同一网段，并将上下位机中指定的端口设置成一致，随后便可以在上位机中接收数据。LabVIEW中这种接收数据的方式称为TCP方式，TCP各节点参数的定义、用法及功能：（1）TCPOpenConnectionTCPOpenConnection的组态方式如图3.30所示。图3.30打开TCP首先必须配置TCP/IP，打开指定的TCP，在左侧配置端输入指定的地址和端口号，建立上下位机相互通信的网络接口，只有打开特定的地址和端口，数据接收才能正确进行，右侧的连接ID和错误输出则是和下一个函数相连，以确保及时发现错误和纠正错误。（2）TCPReadTCPRead的组态方式如图3.31所示。39\n北京理工大学硕士学位论文图3.31读取TCP建立好通信接口之后，便可以通过固定IP地址和端口进行接收数据，主要通过读取函数来实现，左侧的读取字节表示希望接收的数据大小，这必须和自定义的通讯协议一致，右侧输出的数据则是接收到的原始数据包，它通过字符解码函数便可解释成所需要的各个参数。（3）TCPCloseTCPClose的组态方式如图3.32所示。图3.32关闭TCP整个TCP数据接收方式的关键程序设计图如下图3.33所示。图3.33TCP/IP方式程序设计40\n北京理工大学硕士学位论文3.3.2数采仪与现场监控中心的无线通信系统设计除了通过有线方式进行上位机与现场设备的通信之外，对于一些作业点分散、环境恶劣、传输数据量小的偏远地区，有线传输方式很难满足实际需求，因此无线通信技术起到了至关重要的作用。GPRS(GeneralPacketRadioSystem)的出现，提供了低成本的无线广域网工业监控系统，GPRS是架构在传统的GSM网络之上的一种标准化的分组交换数据业务，提供端到端的广域无线IP连接,由于GPRS采用了分组交换技术，在通信过程中无需建立和保持电路，并且呼叫建立时间极短，提供实时在线、按流量计费、大的覆盖区域等特点，在远程突发性数据传输中，相对于有线网络有着无法比[51]拟的优越性。使用DTU的无线数据传输功能能够有效解决上述问题，但是在使用前需要注意，DTU模块只能用于处于公网IP的数据中心服务器之间相互通信，而用户所在的数据中心服务器，一般都是通过路由器与公网IP相连接，处于局域网内，是无法与处于公网的DTU模块直接通信，须利用端口映射技术来实现。通常需要对以下几种情况进行事先的网络设置：（1）通过无线网卡上网的，由于其分配的为内网地址，而公网地址又无法设置，所以无法与DTU通信；（2）没有通过路由器，PC端直接与公网相连，此时无需进行网络设置；（3）通过路由器建立局域网的，需要进行网络设置。本论文中主要通过端口映射来解决问题，即是通过路由器来进行映射的。首先获得路由器所在的公网IP地址1，PC端服务器所在局域网IP地址2，在路由器的转发规则下，使用虚拟服务器进行端口映射，当在路由器上做好端口映射后，也就定义了广域网服务器端口与局域网网络服务器之间的映射关系，所有对广域网服务器端口的访问将会被重新定位给通过IP地址指定的局域网网络服务器。GPRS网络所有发向该端口的数据，都将转发到PC端服务器上。由于这类应用，用户很少有专线接入GPRS网络，因此，要实现上述功能，还需要借助动态域名解析技术。“花生壳”动态域名解析体系是全球用户量最多的动态域名服务体系，它是完全免费的动态域名解析服务客户端软件，“花生壳”是由Oray公司开发出来的，Oray根据服务的使用群体与应用范围进行动态域名的服务体系划分，并为不同级别的用户提供多种增值服务：指定登陆花生壳服务器的源端口、支持多网卡用户指定网卡接入INTERNET、支持多种不同运行商服务线路选择、动态解析服务监控以及保持IP。当用户下载并成功安装动态域名客户端，然后凭借已注册的Oray护照成功登录，那么护41\n北京理工大学硕士学位论文照下所有激活花生壳服务的域名将与机器的公网IP绑定。用户便可以利用“花生壳”动态域名建立主机的远程接入应用，让互联网用户随时随地都可以通过域名找到机器[52]的网络地址。将DTU进行设置之后，便可将数据通过无线方式发送到PC端，此时上位机中接收数据的方式变成了串口接收，在进行上位机中的程序设计前，还需要在PC端设置虚拟串口，以区分不同的监测点对应的DTU编号，设置虚拟串口则是通过Comway软件，打开软件，添加设备编号，填好对应的DTU之后，再右键单击该DTU，通过添加虚拟串口映射，便可完成指定的虚拟串口设置，然后就可以通过LabVIEW在上位机中进行程序设计接收数据。串口接收数据方式各节点定义、用法及功能：（1）SerialConfigureSerialConfigure的组态方式如图3.34所示。图3.34配置串口首先需要对串口进行配置，包括波特率，串口名称，以及其他设置等等，如果上下位机的波特率不匹配，则数据无法接收。（2）SerialReadSerialRead的组态方式如图3.35所示。图3.35读取串口通过串口接收数据主要靠这个函数进行，在串口号正确连接的前提下，通过设置希望读取的字节大小来接收指定长度的数据，右侧的readbuffer则是接收到的数据输42\n北京理工大学硕士学位论文出框，它再通过字符解码函数便可以解释成所需要的各个参数。（3）SerialCloseSerialClose的组态方式如图3.36所示。图3.36关闭串口上位机中串口接收数据方式的关键程序设计图如下3.37所示。图3.37串口方式程序设计3.3.3可执行文件的生成及使用在完成上述数据传输功能模块之后，所有子程序功能模块设计完毕，但最终需要的是能够在任意一台电脑中运行的程序，因此，需要对所有程序进行集成，生成一个可执行文件。在LabVIEW开发环境下，创建可执行文件必须在“项目”下进行。打开项目浏览器窗口，选择程序生成规范。之后就进入了程序生成属性设置对话框，进行逐项属性的设置，如产品信息可以设置安装程序的相关信息，比如程序名称、版本、开发公司信息等。如图3.38所示。43\n北京理工大学硕士学位论文图3.38新建应用程序在类别栏中选择“源文件”：在这里可以设置安装程序将需要那些文件。将应用程序开始运行时的第一个vi放到“启动vi”栏目下，然后将其它所有vi放到“始终包括”栏目下，然后选择“目标”属性。在目标属性和图标属性中一般不用设定，采用默认的方式即可。如图3.39所示。图3.39设置源文件对于图标也可以采用自己设定选择的图标作为应用程序的图标；之后进入源文件设置属性，在源文件设置中，可以设置被安装的文件的属性等等。高级选项中可以设定程序的高级功能，基本都是采用默认的设置；附加排除项可以设定多态VI的属性，一般采用默认设定保证程序的正常运行。如图3.40所示。44\n北京理工大学硕士学位论文图3.40使用图标版本信息选项中可以查看和修改可执行文件的版本信息和内部修改版本，供以后的程序升级版本识别；运行时语言中可以设定程序运行时采用的语言，选择中文即可；最后进行程序生成的预览阶段，查看是否设置完全，然后点击生成按钮确定即可。如图3.41所示。图3.41生成应用程序但是，此时的应用程序却并不能在任意一台电脑上运行，而只是能在已经安装了LabVIEW开发软件的电脑上运行，因此，重新选择程序生成规范，新建安装程序，选择上一步生成的应用程序，然后添加到相应的选择框中，默认生成即可，此时生成的安装文件便是能够在任意电脑上运行的，但有一点需要注意，在使用该可执行文件时，需要将整个文件夹一起拷贝运行，否则文件也不可执行。45\n北京理工大学硕士学位论文图3.42生成安装文件图3.43程序所在文件夹3.4基于7参数的过程信息管理系统功能实现与分析经过一系列的功能模块的设定以及最终应用程序的生成，基于7参数的过程信息管理系统能够在任意一台电脑上稳定地运行，其中最重要的即本论文中的创新点则是：信息管理系统利用了两种不同方式进行接收数据，其中利用OPCSever将PLC中的数据标签转换成共享变量，保证了界面中数据的实时显示与更新；另外，通过自定义的通讯格式成功接收数据之后，利用LabVIEW与数据库SQLServer之间建立联系，46\n北京理工大学硕士学位论文使得数据能够在实时显示的同时保存在数据库当中；其次，视频模块则巧妙地利用了IPCamera本身的网页属性，使得远程视频传输功能得到了实现；最后，信息管理系统采用了非常美好的显示与操作界面，并带有用户管理功能，操作非常人性化。因此，本论文设计的信息管理系统功能基本完善，能够达到基本的工业应用要求。3.5本章小结在本章中首先介绍了开发信息管理系统所用的软件环境和数据库工具，令读者对开发系统所需做的准备工作有大致的了解；其次从各个功能模块着手阐述，主要包括通讯协议的定义，数据接收功能，数据查询功能，数据存储功能，远程视频监控功能，数据导出功能，用户管理功能，对各个功能模块的程序设计和前面板示意图进行了详细的介绍；然后从项目中的源文件着手，阐述了生成应用程序的方法并介绍了如何生成在任意一台电脑上均可运行的可执行文件；最后对整个信息管理系统能够实现的功能进行了概括描述，阐述了其中的创新点，表明了该系统的应用价值。47\n北京理工大学硕士学位论文第4章饮用水处理过程信息管理系统的实验与分析4.1过程信息管理系统各模块的实验与分析通过各个程序模块以及可执行文件的设计，各项功能基本实现，经过现场实验，程序各模块测试结果如下：（1）数据接收模块数据接收模块包括TCP/IP方式和串口方式，TCP/IP接收方式如图4.1所示。图4.1TCP/IP接收方式从图中可以看出，通过设置好的固定的IP地址和端口号，TCP/IP方式能够稳定地接收数据，并且数据能够随着下位机实时变化，当其中有一些参数不满足所设置的上下限时，绿色的指示灯将会发生报警，变成红色。整个显示界面非常直观、形象，能够让用户对整个工艺流程有非常整体的印象。串口接收数据方式如图4.2所示。通过前面板中的下拉框选择指定的串口号，对应的监测点编号就会同时显示，数据开始接收，通过解码的字符串分解成各个参数在前面板显示并实时更新，如果接收的数据中有超过指定范围的，相应的报警指示灯就48\n北京理工大学硕士学位论文会变亮绿色，整个显示界面采用蓝色配底，可以缓解用户的视觉疲劳，具有良好的操作界面。图4.2串口接收数据（2）数据存储模块数据存储模块的测试则是通过数据库的操作来实现，在数据库管理工具SQLServer中输入指定的语句，便可查询相应的监测点数据，也可以验证数据存储的实时性和有效性，数据库查询如图4.3所示。图4.3数据存储模块验证49\n北京理工大学硕士学位论文（3）数据查询模块在LabVIEW中查询历史数据主要通过其中一个子程序，在子程序中选择相应的监测点，点击旁边的按钮使其显示暂停状态，此时下方的数据显示栏则显示相应的监测点数据，数据包括该监测点从存入数据开始日期到查看日期为止的所有数据；在左侧可以点击查看按钮，使其成深灰色，此时能够在上方的曲线图中显示各个参数的历史时刻变化趋势，如图4.4所示。图4.4历史数据查询4.2过程信息管理系统软件总体测试与分析在完成各个子功能模块的测试之后，对整个系统软件也进行了测试，从生成安装包之后，按照安装要求，可以在任意一台符合最低配置要求的电脑上运行，由于主程序中大部分采用的是事件结构，因此通过主面板的自定义菜单栏，可以选择各个功能的子模块，从而调用出上述各个功能，在运行过程中，不需要太多复杂的操作，基本上了解常见LabVIEW操作的人员都可以进行，因此，整个系统软件操作简便，功能齐全，而唯一需要注意的一点就是在调用子程序模块时，需要按顺序调用，且在返回时必须通过前面板中的“退出”按钮进行返回，然后调用另一个功能模块，其界面操作图如图4.6所示。50\n北京理工大学硕士学位论文图4.6界面操作图4.3过程信息管理系统的可靠性评价从以上对过程信息管理系统的各功能模块以及整体性能的测试来看，系统软件在任意符合安装需求的电脑平台上都能够稳定运行，且系统的运行界面美观，操作容易，系统入口设置了用户管理功能，具有实时安全性，在主程序中，通过事件结构调用各个子程序达到实现各功能的目的，系统的程序分散执行，集中调用，程序的独立性强，同时兼具耦合性，给程序设计人员带来了很大的方便。因此，信息管理系统具有非常可靠的操作性，监测功能完善，唯一的不足就是在移植到不同的电脑平台时，由于屏幕大小或分辨率的不同，系统主程序的界面会发生拉伸或者收缩，造成在运行程序时界面和设计程序时的界面不一致，针对这种情况，由于LabVIEW软件开发公司NI并没有给出解决方案，所以这也是在有些情况下是无法避免的。但是总体来说还是瑕不掩瑜，上述问题可以通过使用统一的电脑屏幕和分辨率来解决。4.4本章小结在本章中主要对过程信息管理系统的各个子功能模块进行了测试与分析，通过具体的接收数据验证了各功能模块的可靠性与实时性；同时对系统总体的功能及可靠性进行了分析，指出了在满足现有的监测功能的基础上，还存在一些需要改进的地方，但是软件总体性能经过测试以后非常可靠。51\n北京理工大学硕士学位论文第5章总结与展望5.1研究工作总结本论文设计的饮用水处理过程信息管理系统的目的在于实时提供饮用水处理过程监测参数的数据分析，克服现在生产中饮用水处理过程中时滞性大、人工劳动强度大等缺点。通过设计工艺流程，本论文采用了七种有针对性的传感器作为监测过程的核心，并通过对数采仪各模块的原理和功能分析，集成数据采集仪，设计了上位机信息管理系统，实现饮用水处理过程信息化管理。本论文的主要任务及成果有：（1）介绍了目前国内外饮用水处理技术的发展现状，并分别分析了这些处理技术的优缺点。同时指出了本论文研究的重要意义。（2）对饮用水处理在线监测系统进行了总体工艺流程设计，确定了系统的总体结构以及整体的设计思路。（3）对饮用水处理过程信息管理系统的软件程序进行了设计，使用LabVIEW开发环境进行程序的编写。在程序设计过程中采用了模块化设计思想，共分为主程序设计、数据存储程序设计、数据查询程序设计、视频监视程序设计和数据通信格式定义几个方面。通过这种设计方式使程序更加独立，易于修改和扩展。（4）在实验室和现场对信息管理系统进行了效果测试。通过实验测试表明：该信息系统符合设计任务书提出的各项监测目标，能够满足实际处理过程中对水质参数检测的要求。本论文的创新点总结如下：（1）根据实际处理流程设计了饮用水处理过程工艺流程，采用七参数传感器和四功能模块集成的数采仪为核心监测装置，使装置具有良好的性价比。（2）上位机程序设计了功能比较完善的子程序模块，例如用户管理、查询数据等，在数据接收方式中使用了两种远程数据接收方法，能够满足不同环境需求，使得数据具有良好的实时性。（3）在程序设计过程中使用了模块化设计思想，使程序拥有良好的独立性、易读性和可扩展性。52\n北京理工大学硕士学位论文5.2研究工作展望由于目前本论文设计的饮用水处理过程信息管理系统仍然处于实验室研究阶段，如果大量投入生产和使用可能还面临一些问题。例如系统的稳定性、可移植性性和成本等问题。这需要进一步更加深入的研究和改进。本论文设计的饮用水处理过程信息管理系统在具体的功能和设计上还存在一定的不足，因此下一步的研究工作可以主要集中在以下几个方面：（1）针对饮用水处理过程工艺流程，在设计工艺设备的过程中进一步考虑将装置向小型化发展，使用体积更小的硬件来搭建本装置，增强装置的便携性。（2）采用精度更加高的七参数传感器集成到一起，进一步保证对饮用水处理过程参数检测的准确性和可靠性。（3）采用更加具有经济效益和效率更高的数采仪模块，进一步保证数据传输的实时性。（4）信息管理系统中可以再根据实际需求添加额外的功能模块，进一步完善整个信息管理系统的功能。（5）针对LabVIEW软件在不同电脑屏幕和分辨率下界面变形的问题，想办法予以解决。53\n北京理工大学硕士学位论文参考文献[1]王振宇.生活饮用水处理及化学清洗[J].清洗世界，2014，30(4)：19-23.[2]张文芸.关于饮用水处理技术的研究[J].科技情报开发与经济，2005，15(1)：124-126.[3]张红专，高乃云，张强，等.饮用水处理技术研究进展[J].工业用水与废水,2011，42(2)：1-5.[4]何丽莉.饮用水处理技术研究现状及进展[J].辽宁化工,2012,(4):342-344.[5]于海红，王怡然，孟涛.饮用水处理技术最新进展[J].承德石油高等专科学校学报，2008，10(2)，46-49.[6]OzekinK,AmyGL．ThresholdLevelsforBromateFormationinDrinkingWater[J]．Ozone-Science&Engineering．1997，19(4)：323-337．[7]Nieminski．PilotTestingofTraceMetalsRemovalwithOzoneatSnowbirdSkiResirt[J].Ozone-Science&Engineering．1995，17：297-309．[8]F．J．Weissenhon．TheBehaviorofOzoneintheSystemanditsTransformation[J]．AMK-Berlin，1977，(2)：51-57．[9]李树默.生活饮用水处理技术发展动态[J].环境与健康杂志，2007，17(4)，253-256.[10]于进杰，李学武.温度传感器的选型技巧[J].科技创新导报，2008,(32),22.[11]王建龙．生物传感器在环境污染监测中的应用研究[J]．生物技术通报，2000，(3)：13-16.[12]IsaoKambe．Biosensorforenvironmentalcontrol[J]．TrendAnalyticalChemistry，1995，14(7)：295-299.[13]BlumLJ，CouletPR．BiosensorPrinciplesandApplicationsMarcelDekker[M]．NewYork，1991：1-6.[14]IvnitskiD,Abdel-Hamid,AtanasovP,etal．Biosensorsfordetectionofpathogenicbacteria[J]．Biosensors&Bioelectronics，1999,14(7)：599-624.[15]PonomarevaON,ArlyapovVA,AlferovVA,etal.MicrobialBiosensorsforDetectionofBiologicalOxygenDemand(aReview)[J].AppliedBiochemistryandMicrobiology，2011，47(1)：1-11.[16]LiuJing，MattiassonBo．MicrobialBODsensorsforwastewateranalysis[J]．WaterResearch，2002，36：3786-3802.[17]宋立岩，孙勇，赵由才，等.BOD生物传感器在水质监测中的应用研究[J].工业水处理，2005，54\n北京理工大学硕士学位论文25(11)：47-50.[18]刘安琴，方世杰，石运序.基于FLUENT的水阀内置流量传感器设计及流场仿真[J].机械设计与制造，2009，(4)：46-48[19]张羽.浅谈流量计的选型及其应用[J].自动化与仪表，2007，(1)：24-27[20]武雅芝.V锥流量计与孔板流量计的比较[J].工业仪表与自动化装置，2009，(4)：78-79[21]林晖.电磁流量计在工业污水中的应用[J].仪器技术与传感器，2001，(8)：42-44.[22]黄小明.流量计的分类与选型[J].中国房地产业，2011，(8)：401-402.[23]唐秋红.光纤压力传感器在流体压力测试中的应用[J].机械制造与自动化，2004,33(2):38-40.[24]任永琴，王世忠.海水浊度测量传感器研究[J].海洋技术，2004,23(4)：29-31.[25]高平.水下散射式在线浊度测量仪[J].实用测试技术，2001,27(5)：14-16.[26]朱亚明，丁为民．一种在线检测溶解氧的方法[J]．电子测量与技术，2009，32(7)：122-124．[27]戴文源．基于荧光猝灭效应的光学溶解氧检测仪的研究与开发[D]．安徽：安徽农业大学，2008．[28]国家环境保护局,《水和废水监测技术方法》编委会．水和废水监测分析方法[M]．四版．北京：中国环境科学出版社，2002．[29]国家环境保护总局．GB/T7489-1987水质溶解氧的测定碘量法[S].1987．[30]环境保护部科技标准司．Ⅲ506-2009水质溶解氧的测定电化学探头法[S]．2009．[31]彭晓彤，周怀阳．溶解氧传感器探测技术及应用中的若干问题[J]．海洋科学，2003，27(8)：30-33．[32]杨亮，谭南林，苏树强，等．基于ARM7嵌入式触摸屏设计[J]．国外电子测量技术，2006，25(8)：17-19．[33]应朝龙，王诚成，周亮，等.触摸屏控制器设计[J].国外电子测量技术，2009，28(9):71-74.[34]霄翔，郝久玉．电阻式触摸屏在嵌入式系统中的应用[J]．电子测量技术，2006，29(2)：36-37．[35]王永涛，吴艳英，李家春，等.基于GPRSDTU的农业灌溉施肥智能化控制系统的应用研究[J].中国农村水利水电，2013，(12)：92-97.[36]孟晓宁,王永斌，孙建荣．基于GPRS的无线数据通信及其应用前景[J]．现代电子技术，2005(19)：31-33．[37]赵亮，黎峰．GPRS无线网络在远程数据采集中的应用[J]，计算机工程与设计，2005，26(9)：2552-2554．[38]许建凤，田建创，方蕾.基于串口服务器的PLC网络控制系统[J].浙江大学学报，2008,36(2)：55\n北京理工大学硕士学位论文195-197.[39]杨忠仁，饶程，邹建，等.基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报，2004,27(2)：32-35.[40]张桐，陈国顺，王正林.精通LabVIEW程序设计[M].电子工业出版社，2008.[41]LabVIEWUserManual[Z].NationalInstrumentsCorporation，2000.[42]张丙才，刘琳，高广峰.基于LabVIEW的数据采集和信号处理[J].仪器技术与传感器，2007,(12):74-75.[43]王建群，南金瑞，孙逢春.基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J].计算机工程与应用，2003,39(21):122-125.[44]毕虎，律方成，李燕青，等.LabVIEW中访问数据库的几种不同方法[J].传感器与仪器仪表，2006,22(1):131-134.[45]尹技虎，王峰.基于LabSQL的LabVIEW数据库访问技术[J].仪表技术，2011,(4):55-57.[46]李娜.基于MODBUS协议的智能仪表的设计[D].北京：北京邮电大学，2008.[47]LeyvaFHR,CuellarJPA,BasilioRGM,etal.WirelesssystemforelectricalnetworkstestingbasedonMODBUSProtocol[C].14thInternationalConferenceonElectronics,Communications,andComputers,Proceedings，2004：58-62.[48]卢文俊，冷杉，杨建军.基于MODBUS协议的控制器远程监控系统[J].电力自动化设备，2003,23(6)：54-56.[49]土念春．基于MODBUS协议的PC与下位机PLC的通信程序[J]．自动化仪表，2001．22(8)：44-46.[50]修运访，罗凯，高天德，等.基于LabVIEW事件结构的电台自动化测试系统[J].测控技术，2008,27(2)：38-41.[51]左希庆，刘从新，曾维鲁，等.工业GPRSDTU的设计及其应用研究[J].三峡大学学报，2005,27(1)：73-75.[52]张兵涛，时良平.基于GPRSDTU的远程异步电机监控系统的设计[J].科协论坛，2007，(11)：62-65.56\n北京理工大学硕士学位论文攻读硕士期间参加科研项目和发表文章（1）科研项目[1]菌渣生物发酵降解抗生素残留中试实验自动测控系统（企业项目，已完成）[2]水质在线综合监测系统开发与集成应用（企业项目，已完成）（2）发表文章[1]HeShuliang,WuLei,LiZhimin,LiFengxia,ChenXiangguang.Thedesignandapplicationofthecontrollerintheprocessofurbansludgetreatment[C].ProceedingsoftheFifthInternationalSymposiumonTestAutomation&Instrumentation.Beijing，China,2014,399-404.（EI刊源）57\n北京理工大学硕士学位论文致谢在即将完成硕士毕业论文的撰写之际，首先我要向我的导师陈祥光教授表示衷心的感谢。感谢陈老师在我研究生期间对我的悉心指导和严格要求。陈老师在学术上严谨治学的态度给了我巨大的影响，使我能够踏实的放下心来认真进行课题研究。在课题研究期间，陈老师还不断的关心我的研究进展，与我一起讨论在课题中遇到的难题，并给了我很多非常好的建议。同时在日常生活中陈老师也给了我细心的关怀。此次硕士论文能够顺利完成撰写是与陈老师的指导和关怀密不可分的。在论文研究期间，感谢吴磊老师和李智敏博士对我的研究工作提出的许多建设性建议，他们在我的研究工作期间提供了大量的指导，还要感谢金怀平、李凤霞、杨建文等全体实验室同学对我工作和生活上的关照，使我能专心于论文的撰写工作。最后衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的专家教授。何书亮2014年12月于北京理工大学58