基于PROFIBUS-DP 现场总线的海水营养盐自动分析系统

中文摘要:

  为建立赤潮监测机制，设计了一种集海水采样、试剂抽取、化学反应、吸光度测量、管路清 洗的全自动海水营养盐分析系统。该工控系统基于PROFIBUS-DP 现场总线进行网络通信，上 位机采用嵌入式WINCE 操作系统和MCGS 嵌入式组态软件，下位机采用PLC 控制，利用模 糊控制的方式，大大提高了海水营养盐自动分析仪的测量精度和可靠性，满足海上分布系统 现场监测的要求。

英文摘要：

  For prediction of red tide, an auto analysis system of seawater nutrients was designed, which simultaneously combined the functions of sampling seawater and reagent, chemical reactions, measuring absorbance of samples, and cleaning pipes. Based on PROFIBUSDP, embedded WINCE OS and MCGS, and PLC controlling system with fuzzy logic technology, the accuracy and reliability of the auto analysis system were greatly improved. The requirements for in-situ monitor were fully satisfied.

0 引言
     近年来，我国东南沿海地区海水赤潮频频大面 积爆发，使海水养殖业和航运事业面临着巨大的威 胁。经大量研究表明，赤潮发生的一个重要前提是 海水中营养盐的浓度富含达到海水中浮游生物适于 生存的标准[1,2]。为了建立赤潮的监测与预报机制， 必须对海水中营养盐浓度进行监测。 为及时掌握某海区营养盐的浓度及其变化规 律，需要对海水营养盐进行多点、实时、长期、连 续监测，即现场监测。传统的监测分析方法是现场 采样，然后拿到实验室进行分析。这种方法耗时、耗 力、精度低，不能满足现场连续监测的需要。80年 代我国引进了美国Technicon公司生产的可连续自 动采样和自动分析的营养盐分析仪，近年我国也研 制和开发了类似的营养盐分析仪，代替了传统的化 学方法，实现了营养盐测量的自动化[3]。但这些方 法都是单点测量，仍不能完全适用于现场自动监 测。由于系统运行在海上，环境十分恶劣，因此对 系统的可靠性也提出了较高的要求。基于此，本文 研究开发了一种基于PROFIBUS-DP 现场总线的海 水营养盐自动分析系统。 该海水营养盐分析系统包含10 台分布且相互 独立的船上和水下营养盐分析仪。为控制操作方 便，系统采用了PROFIBUS-DP 现场总线的网络通信方式， 将各台分析仪的控制与监测集成在一起。 系统采用PLC 对各个营养盐分析仪直接进行控制， 并由工控机集中管理。整套系统在海上运行可靠， 速度快，操作方便，适于海上分布系统现场控制的需要。
2.1 系统网络结构
     该海水营养盐分析系统包含分散的两部分：船 上5 台独立的营养盐分析仪和水下5 台独立的分析 仪，每台分析仪完成一种营养盐的分析检测。整个 基于PROFIBUS-DP 总线的营养盐自动分析系统网 络结构如图1 所示。系统主要由操作层、控制层和 监控层3个层次。操作层为前端的智能控制单元，包 括分布于船上及海上多点的各台营养盐分析仪；控 制层包括作为主站的PLC3 和作为从站的PLC1、 PLC2，PLC3 在预定周期内完成与PLC1 和PLC2 的 数据交换，PLC1 和PLC2 分别直接控制船上和水下 的10 台营养盐分析仪，它们都位于船上的控制室； 监控层为工控机，它负责集中操作和管理，位于船 上的监控室。
3.2 软件设计
     软件设计采用模块化结构，便于分析、测试和扩充。 (1)上位机操作系统 Windows CE 是一个32 位、多任务、多线程的 操作系统，是许多分散模块的集合。作为平台软件 WinCE 比较精简，运行于该操作系统上的嵌入版组 态软件的执行效率很高，完全满足海水营养盐自动 分析网络的需要，而PLC 的稳定性和强抗干扰能力 使得整个营养盐分析网络可应付多种外界干扰，可 以保证整个分析系统在6 级海况以下正常运行。 (3)组态软件的设计 全中文工控组态软件MCGS[5]运行在ntouch 的 TPC 工控机中，采用Windows CE 作为平台软件， 对所有的海水营养盐分析系统的操作、工作状态及 测量分析结果进行图形显示监控，通过现场总线由 PLC 上传相关数据信息，处理系统报警，存储历史 数据，生成各类报表，并进行图形显示及人机对话， 向PLC下传相关控制命令，从而实现监控计算机与 现场设备之间的信息管理。 组态环境的程序流程采用的是顺序扫描的执行 过程，组态软件控制监测流程如图5 所示。 MCGS 给出了十分强大的网络功能和数据处理 功能，虽然在响应速度和控制精度上，要比PLC作 为下位机单独工作方式逊色一些，但采用PLC连接 的PROFIBUS － DP 网络后速度大大提高，可以使 整个分析测量系统很好地达到工业现场的要求。
4 结束语
     本文建立了一套基于PROFIBUS-DP 现场总线 的PLC 控制海水营养盐自动分析系统。系统采用模 糊控制海水及试剂流量，使系统测量精度大大提高。 基于PROFIBUS-DP 现场总线的PLC 控制系统及触 摸屏的采用，使对分布系统的控制直观、快速、稳 定。整套海水营养盐自动分析网络系统集海水采样、 化学反应、光学测量、机械设计和微机控制等技术 于一体，具有控制、运算、显示、报警的功能，为 海水营养盐的现场监测提供了良好手段。