网络型智能多参数测控装置.pdf

本发明为利用先进的电子技术和计算机技术形成集多种化学、物理参数的测量控制及通讯功能于一体的网络型智能多参数测控装置。其由远程监控计算机、现场监控计算机、总线接口和多台多参数智能测控仪等组成。每台多参数智能测控仪由顺序连接的传感器、信号调理电路、模拟数字A/D转换模块、可编程控制器PLC，以及由变频增氧机、多个电磁阀组成的与可编程控制器PLC相连的执行元件。被测控对象是发酵罐或水产养殖鱼池。其中多参数智能测控仪通信接口挂到工业现场总线上，现场监控计算机与远程监控计算机之间采用有线或无线通讯方式，形成一个网络型智能监控系统，其能够有效地提高以上领域的生产效率和对环境因子分析的准确率。

1.  网络型智能多参数测控装置，包括远程监控计算机、现场监控计算机、总线接口和多台多参数智能测控仪，其特征在于每台多参数智能测控仪由顺序连接的传感器、信号调理电路、模拟数字A/D转换模块、可编程控制器PLC，以及由变频增氧机、多个电磁阀组成的与可编程控制器PLC相连的执行元件。

2.  根据权利要求1所述的网络型智能多参数测控装置，其特征在于传感器由溶解氧含量(DO)传感器、酸碱度(PH值)传感器、温度传感器、水位传感器等组成，各种传感器分别和各自的调理电路相连，每个调理电路的输出分别和可变程控制器PLC的模拟量模块的通道相连。

3.  根据权利要求1所述的网络型智能多参数测控装置，其特征在于多参数智能测控仪通信接口挂到工业现场总线上，现场监控计算机通过通讯卡和工业现场总线相连，现场监控计算机与远程监控计算机之间采用有线或无线通讯方式，形成一个网络型智能监控系统。

4.  根据权利要求3所述的网络型智能多参数测控装置，其特征在于远程监控计算机主站需要发送数据时，监控程序中利用VB语言采用中断方式自动发送和接受。

网络型智能多参数测控装置
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特指一种利用先进的电子技术和计算机技术形成集多种化学、物理参数的测量控制及通讯功能于一体的网络型智能多参数测控装置。本装置主要应用在生物发酵工程、水环境监测及水产养殖等许多领域，能够有效地提高以上领域的生产效率和对环境因子分析的准确率。
背景技术
经检索国内相关数据库，已有多篇关于各种类型的测量控制仪的文献报道：如燕山大学仪器科学系的王玉田等研制了基于氧传感器的智能污水溶氧浓度测量系统，该系统以单片机为核心进行控制和信号处理，并具有温度、大气压等的自动补偿功能；北京理工大学化工与材料学院的陈祥光等采用8031单片机及其外围接口芯片，构成一个单片机应用系统，并将其引入光电露点仪中，实现了自动控制结露和检测露点温度，对检测数据实时采集、分析处理，显示和打印输出，以及与上位机通信等功能。西安工业学院电子信息科学与工程系及燕山大学的周芸和郭增军在水泥养护室温度测量控制仪采用了模糊控制，主要由单片机、转换顺、输出控制电路、显示电路、报警电路、温度和湿度传感器以及加温和加湿电路等组成。
综合国内检索文献，主要是对溶氧、温度、湿度等单个或多个参数的测量和控制仪器以及智能型测控仪的文献报道，但这些装置都存在测量参数少，无远距离通讯功能等缺点。
发明内容
本装置主要由远程监控计算机、现场监控计算机、总线接口和多台多参数智能测控仪等组成。每台多参数智能测控仪由顺序连接的传感器、信号调理电路、模拟数字A/D转换模块、可编程控制器PLC，以及由变频增氧机、多个电磁阀组成的与可编程控制器PLC相连的执行元件。被测控对象是发酵罐或水产养殖鱼池。
传感器由溶解氧含量(DO)传感器、酸碱度(pH值)传感器、温度传感器、水位传感器等组成。
其中多参数智能测控仪通信接口挂到工业现场总线上，现场监控计算机通过通讯卡和工业现场总线相连，现场监控计算机与远程监控计算机之间采用有线或无线通讯方式，这样就形成一个网络型智能监控系统。
本装置的工作过程为：
1.多个传感器检测水产养殖鱼池或发酵罐的实际值，经过调理电路放大和滤波处理输入到可编程控制器PLC的A/D转换模块的输入端，通过A/D转换的输入通道的处理，最后存储在PLC中可变量存储器的设定区域中，得到多参数的测量值。
2.现场监控计算机定时地通过工业现场总线接口读取可编程控制器PLC中可变量存储器区域多参数的测量值，对测量值进行处理和存储。可以实时显示趋势曲线、历史查询。现场监控计算机还可以定时地通过工业现场总线接口向可编程控制器中可变量存储器区域发送多参数的给定值，即被测控对象发酵罐或水池多个参数希望达到的稳定值。
3.每台多参数智能测控仪根据远程或现场监控计算机发送多参数的给定值(或由测控仪就地设置多参数的给定值)，与传感器测量的多参数实际值分别比较，得到误差信号，经过相应的智能控制算法运算后，输出多参数控制信号。
4.每台多参数智能测控仪输出多参数控制信号。给被测控对象发酵罐或水池的相应执行元件，如溶解氧含量(DO)的控制信号是标准的0-5V，传送给变频增氧机，控制增氧机的转速，使被测控对象中的溶解氧含量(DO)实时地跟踪给定值；又如酸碱度(PH值)的控制信号是脉宽调制PWM信号，传送给酸或碱溶液罐输出的电磁阀，使被测控对象中的酸碱度(PH值)实时地跟踪给定值。
本发明的优点主要为：
1、多参数测控一体化，本发明将溶解氧含量(DO)、酸碱度(PH值)、温度、水位等多参数集成在一起进行统一测量与控制，将会显著提高仪器的性能价格比，有利于仪器的推广应用。
2、采用智能控制，本发明采用模糊控制、神经网络控制方法对被控对象的各种参数(例如养殖水体的溶解氧含量和温度)进行智能控制的算法及可编程控制器PLC实现方法、测控装置中嵌入智能控制算法，能显著增强装置的控制功能，改进控制效果。由于不增加硬件成本，因而能有效地提高装置的性能价格比。
3、具有网络通讯功能，为了实现对多台智能多参数测控仪远程控制和管理，每台测控仪都配有工业现场总线接口，如RS485、profibus-DP、Interbus、Devicenet等使得这些仪器可以作为相应工业现场总线的从单元，通过其通信接口挂到工业现场总线上，工业控制计算机通过通讯卡和工业现场总线相连，这样就形成一个网络型智能监控系统。
4.设有计算机监控软件平台，本发明在现场监控计算机和远程监控计算机上都开发了基于Windows操作系统的监控平台，它包括对测控仪监控参数进行检测和储存以及分析和报表的输出以及对测控仪器进行控制等功能，监控计算机软件包括以下功能：实时监测、实时趋势曲线、历史查询、历史趋势曲线、系统参数设置、系统帮助等功能。
5.多参数智能测控仪本身可以独立工作，也能够根据用户的需要由远程监控计算机或现场监控计算机对多个被控对象进行网络型测控。
6.可构成水产养殖无线监控系统，由于鱼池和各个养殖鱼场的分散性，地理和环境的不同，用有线方式构成计算机网络监控系统，会有距离远，代价高，架线和维护困难等问题。本发明解决了上述问题，采用移动GPRS无线通讯技术和互联网技术进行远程数据采集，构成了水产养殖无线监控系统
附图说明
图1是本实用新型的无线通讯方式实施例的结构框图。
图2是溶解氧含量(DO)传感器调理电路图。
图3是酸碱度(PH值)传感器调理电路图。
图4是温度传感器调理电路图。
图5是可编程控制器PLC的A/D转换模块通道口连接图。
图6是可编程控制器PLC输出开关量的接口连接图。
图7是远程无线监控原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括采用无线通讯方式连接的远程监控计算机与现场监控计算机、RS485的总线接口和多台多参数智能测控仪，其中多参数智能测控仪中溶解氧含量(DO)传感器、酸碱度(PH值)传感器、温度传感器、水位传感器分别和各自的调理电路相连，每个调理电路的输出分别和可编程控制器PLC的模拟量模块的通道1，通道2，通道3，通道4相连，再经可编程控制器PLC的模拟量的输出通道5和变频增氧机相连，可编程控制器PLC数字输出口与多个分别控制溶剂、热水管、水管的电磁阀组成的执行元件连接，另一RS485通讯口经工业现场总线与现场监控计算机连接。
如图2所示，被控对象中插入的溶解氧含量(DO)传感器有阳极和阴极两根线，它的阳极和图2中的端口Ag相连，它的阴极和图2中的端口Au相连，图2中MC1403是将5V电压变换为2.5V的变换器，U5(LM741)接成跟随器为向溶解氧含量(D0)传感器的阳极提供0.7V直流电压，U6(LF356)和U11(LM741)是两级放大器，传感器信号经放大后的输出DO是0-5V直流电压信号，它和图5中可编程控制器PLC的A/D转换模块的通道1(AD1)相连。
如图3所示，被控对象中插入的酸碱度(PH值)传感器有阳极和阴极两根线，它地阳极和图3中的端口PH1相连，它的阴极和图3中的端口PH2相连，该传感器信号经U13(CA3140)和U14(CA3140)进行高阻抗差动放大，再经U15(LM741)后级放大以及电平转移后，输出PHO是0-5V直流电压信号，它和图5中可编程控制器PLC的A/D转换模块的通道2(AD2)相连。
如图4所示，被控对象中插入的温度传感器(热敏电阻)有两根连线，它的一端和图4中的端口Rt2相连，它的另一端和图4中的端口Rt1相连，该传感器信号先和R1、R2、R3组成桥式检测电路，经U3(LF356)和U2(LF356)进行差动放大，再经U4(LF356)后级放大后，输出T1是0-5V直流电压信号，它和图5中可编程控制器PLC的A/D转换模块的通道3(AD3)相连。
被控对象中的水位测量是采用市场上通用的电容式传感器，该水位传感器是传感器和变送器合为一体的，它是两线式仪表，串联直流24伏串联供电，输出是4～20mA直流电流信号，该电流通过串联的250欧电阻，变换输出为1～5V直流电压信号，它和图5中可编程控制器PLC的A/D转换模块的通道4(AD4)相连。
图5是可编程控制器PLC的A/D转换模块通道口连接图，本装置选用S7-235模块。
它有四个模拟量0-5V输入口，分别和溶解氧含量(DO)传感器、酸碱度(PH值)传感器、温度传感器、水位传感器的调理电路输出口相连。一个模拟量0-5V输出口和变频器控制转速的模拟量口V1相连，模拟量0-5V正比于变频器输出频率0-50HZ。
图6是可编程控制器PLC输出开关量的接口连接图，接口I1.0是控制变频增氧机开和关，接口I1.1是采用脉宽调制PWM控制酸碱度(PH值)的电磁阀，接口I1.2是采用脉宽调制PWM控制温度的电磁阀，接口I1.3是控制水位的进水电磁阀，接口I1.4是控制水位的出水电磁阀。
本发明中远程监控计算机采用移动GPRS无线通讯技术和互联网技术，同现场上位计算机进行远程数据采集和监控。远程监控原理示意图如图7所示。
远程监控计算机作为主站，通过RS232口和主站无线MODEM AYG-1相连，无线MODEM是基于中国移动GPRS服务的无线传输的，它使用内嵌手机Sim卡的GPRS功能实现无线传输。
现场上位计算机作为终端，通过RS232口和终端无线MODEM AYG-2相连，它同样使用内嵌手机Sim卡的GPRS功能实现无线传输。
远程监控操作步骤如下：
(1)授权中心在中国移动服务器运行一个独立的公众网IP地址。
(2)远程监控主站Modem上电，等其获取中国移动所授的动态LP后，向授权中心告知此IP，即主站登录成功。
(3)现场上位计算机终端Modem上电，等其获取中国移动所授的动态IP后，向授权中心告知此IP，授权中心将已获得的主站IP告知终端Modem，即终端登录成功。
(4)终端Modem向主站发送信息帧，主站接收到后，即成功建立通信连接。
远程监控计算机主站需要发送数据时，需要根据目标IP地址和端口号进行打包(数据包的长度不超过1000字节)，当收到终端的身份标识帧后，通过点击终端ID窗口选定目标IP，在发送数据窗口输入要发送的数据，再点击发送按钮就可以将数据包发送到终端。监控程序中利用VB语言采用中断方式自动发送和接受。