生产运行监测系统在污水处理行业中的应用

1 开发背景

    随着电子技术的发展，污水处理行业的自动化程度已全面提高。目前，大多数新建的城市污水处理厂已经采用以PLC为控制设备的数据采集与监视控制SCADA(supervisory control and data acquisition)系统。SCADA技术建立在3C+s(computer、communication、control和sensor)基础上，自诞生之日起它就与计算机及现代网络通信技术的发展紧密相关口。

    一般的监控组态软件以生产监控为主要目标，面向操作人员提供多种监控功能，侧重于对被监控对象的实时性能监控、运行状态监测、错误发现、报警以及性能数据的统计分析，保障被监控系统正常运行。从监管部门的角度出发，发现一般的监控组态软件在数据的排列组织和界面的灵活性上都存在一定的缺陷。生产运行监测软件正是针对以上不足，从多个方面进行了改进。

2 监测系统设计与开发

    系统采用面向对象的构架进行设计，主要包括主窗体界面对象、数据库连接对象、数据库助手对象、图表操作库、文件操作库类、EXCEL操作库和曲线组合对象。

    2．1主窗体界面对象

    主窗体界面采用MDI的设计模式，提供了用户多窗体对象的支持能力。为了便于用户在多个窗体之间进行快速的切换，界面设计使用了tab页控件的方式；且tab页之间也不是独立的，不同的tab页面之间可以直接进行跳转操作，从用户的操作习惯出发，提供便捷的操作行为支持。

    2．2数据库连接对象

    为了支持多个不同种类的数据库，系统设计了数据库连接对象和数据库连接池管理器。数据库连接对象用于表示每个不同的数据库连接，连接的数据库既可以是同一数据库操作系统下不同名字的数据库，也可以是不同数据库操作系统下的数据库以及支持主流的数据库，如MS SQL SERVER、Access、Orale等。数据库连接池管理器则用来对多个不同的数据库连接进行管理，提供用户对不同数据库的统一操作，并提供连接池的能力，加快数据库的访问速度，提高系统的整体运行效率。

    2．3数据库助手对象

    基于之前的数据库连接对象，数据库助手类提供了各种数据库相关的操作。数据库操作分为两种：一种是数据查询和维护操作，另一种是数据库自身的备份、恢复和日志读取等操作。数据库助手对象解决了各种不同数据操作系统之间的差异问题，如SQL语句标准和语法之间的区别和数据文件存贮方式与格式上的区别。这使得在曲线绘制读取数据或数据库还原时，无须考虑所使用的数据库类型，只要以统一的接口进行函数调用即可实现所需的操作。

    2．4图表操作库

    图表操作库集合了系统中常用的图表操作，如曲线的增加和删除、曲线查询的清除以及曲线列表的更新等；同时也包括了曲线附加对象，如标注、游标等对象的创建、更新和与曲线之间的绑定操作。图表操作库的使用使系统中重复代码段的数量大大减少，避免了日后系统修改过程中的重复操作，大大降低了操作出错的几率。

    2．5文件操作库类

    文件操作库类提供一般的文件和文件夹操作功能，如文件夹的创建和修改、文件的遍历以及文件的新增、复制和拷贝操作。

    2．6 EXCEL操作库

    EXCEL操作库可以看作是文件操作库类的一个增强型子集。该操作库将系统中使用到的数据导出为EXCEL文件的操作，并针对性地编写EXCEL操作库，负责完成EXCEL文件的生成、复制和数据填充等功能。EXCEL操作库自动检测系统中的OFFICE版本，根据检测结果调用不同的内部函数，实现对不同版本的EXCEL文件的兼容。
 

    2．7曲线组合对象

    系统中提供了曲线的组合。曲线组合对象代表了曲线组合中的每一条曲线，包括它所属的方案、所在纵轴的顺序和代表的测量点组合。曲线组合对象使系统可以提供清晰的操作界面。

    考虑到系统的运行效率，系统在进行曲线的绘制时会根据所选择的时间范围自动调整所取点的频率。如当用户选择的时间范围在1～31天之内时，系统将自动以最高的频率进行数据的查询；当用户所选时间范围大于31天但又小于一年时，系统将以每小时一个采集点的频率进行数据的查询，这个点可以根据用户的设置取平均值、最大值、最小值或者每小时的第一个数据等；而当时间跨度大于1年时，系统就会以天为单位进行数据的查询，同样也可以根据用户的设置取平均值、最大值、最小值或者每天的第一个数据等。

    从绘制曲线的美观度考虑，针对每一条曲线的数据，系统将会自动判断其上下限的最大值和最小值，并根据这两个数值以10％的增幅进行曲线纵轴上下限的自动调整。

    系统开发平台选择了．NET平台。．NET是Microsoft以Web Services为核心，为用户、系统及各种设备提供无缝连接的一组软件产品、技术或服务。．NET通用语言框架机制CLR(common language runtime)在同一个项目中支持不同的语言所开发的组件，所有CLR支持的代码都会被解释成为CLR可执行的机器代码然后运行。Visual Basic、Visual C++都被扩展为支持托管代码机制的开发环境口。

    数据库选用Microsoft SQL Server 2000数据库操作系统。SQL Server作为微软在Windows系列平台上开发的数据库，一经推出就以其易用性得到了很多用户的青睐。区别于Fox_Pro、Access小型数据库，SQL Server是一个功能完备的数据库管理系统，它包括支持开发的引擎、标准的SQL语言、扩展的特性(如复制、OLAP、分析)、存储过程和触发器等特性。

    开发平台和数据库选用．NET和Microsoft SQLServer 2000，可以获得在Windows平台下最佳的性能组合。系统运行环境为Windows XP SP2及以上版本操作系统，开发平台选用．NET Framework 2．0 Runtime及以上版本，网络配置使用百兆以太网。

3 监测系统功能实现

    一般的监控组态软件往往无法满足大容量历史数据的查询需求，且查询时间的跨度受到较大限制或查询等待时间非常长，无法满足实际的监管需求。针对以上问题，生产运行监测系统采用了历史数据帐套的概念，以年为单位对历史数据进行划分，用户可以按时间段查询历史数据。针对查询结果，系统会进行一些统计分析，并可以直接将查询结果生成趋势图。

    生产运行监测系统的历史趋势曲线控件采用NET封装，它是一个标准的ActiveX控件。该控件结合KingView、iFix、Intouch等常用工控组态软件的脚本技术，提供属性和方法，便于被组态软件中的脚本操作。历史趋势曲线控件总体分为两个区：曲线显示区和数据表格区，用于提供放大、缩小、开始、停止和最大最小平均值的表格显示选择、组的选择以及游标的移动指示功能。所有方法和属性均使用组态时其他标准控件的事件脚本驱动。

    系统不仅能在趋势曲线中简单地把某一信号的历史数据绘制出来，还提供了对已有曲线进行四则运算的功能，即可以对多条曲线进行加、减、乘、除的运算，弥补了部分组态软件历史趋势功能上的不足。系统还提供将多条不同的趋势显示在同一张图上，如图1所示，且用户可以灵活设置每个趋势纵轴的表现形式，即可以单独占据一定的长度，也可以和其他趋势共用。这样可以避免多个数字范围差异巨大的趋势在一起显示时部分趋势接近直线的情况发生。同时，用户也可以自定义各种复杂的趋势组合并保存为方案，以便日后查询；且在绘制趋势时，系统可以根据趋势的实际数据范围动态调整纵坐标范围。

图1 多个模拟量趋势图
 

4 历史趋势分析应用

    上海市某污水处理厂设计日处理规模为50万t，目前实际日处理水量约为46万t。污水处理生产运行监测软件在该污水处理厂得到了很好的应用。

    4．1流量监测

    污水厂共三个流量计：1#为总进水流量计，2#流量计表示进入生物池处理流量，3#流量计为出水流量计。2009年5月20日出现高峰流量，当瞬时流量超过设计值7．5 m3／s时，进水流量超出部分产生溢流。因此，2#流量计显示的当天流量才是处理流量，3#出水流量计只对经过处理的流量进行计量，而1#流量计与2#流量计的差值流量是经过预处理直接排放的流量。

    图2所示分别为2009年5月20日1#进水流量计当日流量、2#流量计曲线图和3#流量计曲线图。

图2 1#-3#进水流量计流量

    当进水流量长时间处于高峰且进水浓度大幅度超过设计进水浓度时，会造成出水水质超标的潜在威胁，在此情况下，中控室可及时与上游泵站联系，尽量确保进水流量稳定运行。当进水浓度大幅上升时，可采取加大供气量和回流量的措施，尽量避免出水水质超标，并及时向上级监管部门汇报，调查来水情况，并请环保部门协助调查。

    由于整个污水处理停留时间有十几个小时，而出水水质出现异常具有滞后性，因此，当进水浓度发生突变时，需要中控室及时掌握进水浓度在线仪表的数据变化，通过实时报警系统采取及时有效的工艺手段，尽可能避免水质超标的威胁。

    4．2设备运行状况监测

    随着进水流量的逐渐下降，生物池液位降低、碳源逐渐下降、生物池溶解氧升高；反之，进水流量或进水浓度逐渐上升，造成溶解氧下降。这就需要中控室及时掌握来水情况，并针对性地对工艺进行调整，确保水质达标和不必要的能源浪费。

    鼓风机在设备检修或倒闸时会暂时停止运行，与此同时溶解氧也会出现相应变化，相应的曲线在历史趋势画面中可直观显示。

5 结束语

    生产运行监测系统采用监控系统的数据服务器，减轻了PLC控制系统的运行压力，具有很大的灵活性。系统实现了运行信号的实时监测，且系统对监测数据的查询、对比和分析，为日常生产运行提供了决策依据；同时，系统所获得的运行数据趋势曲线满足污水处理行业的监管需要，为COD减排提供了有力依据。