近年來，運行監(jiān)控系統(tǒng)在許多污水廠得到了廣泛應(yīng)用，我國的污水廠運行監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)也取得了很大的進展。生產(chǎn)運行監(jiān)測系統(tǒng)軟件在提供系統(tǒng)運行監(jiān)視的基礎(chǔ)之上，進一步提供了歷史數(shù)據(jù)曲線的查詢和報表的生成功能，以滿足行業(yè)監(jiān)管部門對污水處理廠日常運行和數(shù)據(jù)監(jiān)管查詢的需求。它具有運行監(jiān)管報表的生成、瀏覽和打印等功能；可按行業(yè)監(jiān)管要求定期導(dǎo)出關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運行數(shù)據(jù)，并上報給行業(yè)監(jiān)管部門；同時，可針對污水處理行業(yè)監(jiān)管需要(能調(diào)閱重要水質(zhì)參數(shù)和運行參數(shù)一年的趨勢曲線)，為COD減排提供有力依據(jù)。
1 開發(fā)背景
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，污水處理行業(yè)的自動化程度已全面提高。目前，大多數(shù)新建的城市污水處理廠已經(jīng)采用以PLC為控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制SCADA(supervisory control and data acquisition)系統(tǒng)。SCADA技術(shù)建立在3C+s(computer、communication、control和sensor)基礎(chǔ)上，自誕生之日起它就與計算機及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)口。
一般的監(jiān)控組態(tài)軟件以生產(chǎn)監(jiān)控為主要目標(biāo)，面向操作人員提供多種監(jiān)控功能，側(cè)重于對被監(jiān)控對象的實時性能監(jiān)控、運行狀態(tài)監(jiān)測、錯誤發(fā)現(xiàn)、報警以及性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，保障被監(jiān)控系統(tǒng)正常運行。從監(jiān)管部門的角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)一般的監(jiān)控組態(tài)軟件在數(shù)據(jù)的排列組織和界面的靈活性上都存在一定的缺陷。生產(chǎn)運行監(jiān)測軟件正是針對以上不足，從多個方面進行了改進。
2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)
系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮臉?gòu)架進行設(shè)計，主要包括主窗體界面對象、數(shù)據(jù)庫連接對象、數(shù)據(jù)庫助手對象、圖表操作庫、文件操作庫類、EXCEL操作庫和曲線組合對象。
2．1主窗體界面對象
主窗體界面采用MDI的設(shè)計模式，提供了用戶多窗體對象的支持能力。為了便于用戶在多個窗體之間進行快速的切換，界面設(shè)計使用了tab頁控件的方式；且tab頁之間也不是獨立的，不同的tab頁面之間可以直接進行跳轉(zhuǎn)操作，從用戶的操作習(xí)慣出發(fā)，提供便捷的操作行為支持。
2．2數(shù)據(jù)庫連接對象
為了支持多個不同種類的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)庫連接對象和數(shù)據(jù)庫連接池管理器。數(shù)據(jù)庫連接對象用于表示每個不同的數(shù)據(jù)庫連接，連接的數(shù)據(jù)庫既可以是同一數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)下不同名字的數(shù)據(jù)庫，也可以是不同數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)庫以及支持主流的數(shù)據(jù)庫，如MS SQL SERVER、Access、Orale等。數(shù)據(jù)庫連接池管理器則用來對多個不同的數(shù)據(jù)庫連接進行管理，提供用戶對不同數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一操作，并提供連接池的能力，加快數(shù)據(jù)庫的訪問速度，提高系統(tǒng)的整體運行效率。
2．3數(shù)據(jù)庫助手對象
基于之前的數(shù)據(jù)庫連接對象，數(shù)據(jù)庫助手類提供了各種數(shù)據(jù)庫相關(guān)的操作。數(shù)據(jù)庫操作分為兩種：一種是數(shù)據(jù)查詢和維護操作，另一種是數(shù)據(jù)庫自身的備份、恢復(fù)和日志讀取等操作。數(shù)據(jù)庫助手對象解決了各種不同數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)之間的差異問題，如SQL語句標(biāo)準(zhǔn)和語法之間的區(qū)別和數(shù)據(jù)文件存貯方式與格式上的區(qū)別。這使得在曲線繪制讀取數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫還原時，無須考慮所使用的數(shù)據(jù)庫類型，只要以統(tǒng)一的接口進行函數(shù)調(diào)用即可實現(xiàn)所需的操作。
2．4圖表操作庫
圖表操作庫集合了系統(tǒng)中常用的圖表操作，如曲線的增加和刪除、曲線查詢的清除以及曲線列表的更新等；同時也包括了曲線附加對象，如標(biāo)注、游標(biāo)等對象的創(chuàng)建、更新和與曲線之間的綁定操作。圖表操作庫的使用使系統(tǒng)中重復(fù)代碼段的數(shù)量大大減少，避免了日后系統(tǒng)修改過程中的重復(fù)操作，大大降低了操作出錯的幾率。
2．5文件操作庫類
文件操作庫類提供一般的文件和文件夾操作功能，如文件夾的創(chuàng)建和修改、文件的遍歷以及文件的新增、復(fù)制和拷貝操作。
2．6 EXCEL操作庫
EXCEL操作庫可以看作是文件操作庫類的一個增強型子集。該操作庫將系統(tǒng)中使用到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為EXCEL文件的操作，并針對性地編寫EXCEL操作庫，負(fù)責(zé)完成EXCEL文件的生成、復(fù)制和數(shù)據(jù)填充等功能。EXCEL操作庫自動檢測系統(tǒng)中的OFFICE版本，根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)用不同的內(nèi)部函數(shù)，實現(xiàn)對不同版本的EXCEL文件的兼容。
2．7曲線組合對象
系統(tǒng)中提供了曲線的組合。曲線組合對象代表了曲線組合中的每一條曲線，包括它所屬的方案、所在縱軸的順序和代表的測量點組合。曲線組合對象使系統(tǒng)可以提供清晰的操作界面。
考慮到系統(tǒng)的運行效率，系統(tǒng)在進行曲線的繪制時會根據(jù)所選擇的時間范圍自動調(diào)整所取點的頻率。如當(dāng)用戶選擇的時間范圍在1～31天之內(nèi)時，系統(tǒng)將自動以最高的頻率進行數(shù)據(jù)的查詢；當(dāng)用戶所選時間范圍大于31天但又小于一年時，系統(tǒng)將以每小時一個采集點的頻率進行數(shù)據(jù)的查詢，這個點可以根據(jù)用戶的設(shè)置取平均值、最大值、最小值或者每小時的第一個數(shù)據(jù)等；而當(dāng)時間跨度大于1年時，系統(tǒng)就會以天為單位進行數(shù)據(jù)的查詢，同樣也可以根據(jù)用戶的設(shè)置取平均值、最大值、最小值或者每天的第一個數(shù)據(jù)等。
從繪制曲線的美觀度考慮，針對每一條曲線的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將會自動判斷其上下限的最大值和最小值，并根據(jù)這兩個數(shù)值以10％的增幅進行曲線縱軸上下限的自動調(diào)整。
系統(tǒng)開發(fā)平臺選擇了．NET平臺。．NET是Microsoft以Web Services為核心，為用戶、系統(tǒng)及各種設(shè)備提供無縫連接的一組軟件產(chǎn)品、技術(shù)或服務(wù)。．NET通用語言框架機制CLR(common language runtime)在同一個項目中支持不同的語言所開發(fā)的組件，所有CLR支持的代碼都會被解釋成為CLR可執(zhí)行的機器代碼然后運行。Visual Basic、Visual C++都被擴展為支持托管代碼機制的開發(fā)環(huán)境口。
數(shù)據(jù)庫選用Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)。SQL Server作為微軟在Windows系列平臺上開發(fā)的數(shù)據(jù)庫，一經(jīng)推出就以其易用性得到了很多用戶的青睞。區(qū)別于Fox_Pro、Access小型數(shù)據(jù)庫，SQL Server是一個功能完備的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它包括支持開發(fā)的引擎、標(biāo)準(zhǔn)的SQL語言、擴展的特性(如復(fù)制、OLAP、分析)、存儲過程和觸發(fā)器等特性。
開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)庫選用．NET和Microsoft SQLServer 2000，可以獲得在Windows平臺下最佳的性能組合。系統(tǒng)運行環(huán)境為Windows XP SP2及以上版本操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺選用．NET Framework 2．0 Runtime及以上版本，網(wǎng)絡(luò)配置使用百兆以太網(wǎng)。
3 監(jiān)測系統(tǒng)功能實現(xiàn)
一般的監(jiān)控組態(tài)軟件往往無法滿足大容量歷史數(shù)據(jù)的查詢需求，且查詢時間的跨度受到較大限制或查詢等待時間非常長，無法滿足實際的監(jiān)管需求。針對以上問題，生產(chǎn)運行監(jiān)測系統(tǒng)采用了歷史數(shù)據(jù)帳套的概念，以年為單位對歷史數(shù)據(jù)進行劃分，用戶可以按時間段查詢歷史數(shù)據(jù)。針對查詢結(jié)果，系統(tǒng)會進行一些統(tǒng)計分析，并可以直接將查詢結(jié)果生成趨勢圖。
生產(chǎn)運行監(jiān)測系統(tǒng)的歷史趨勢曲線控件采用NET封裝，它是一個標(biāo)準(zhǔn)的ActiveX控件。該控件結(jié)合KingView、iFix、Intouch等常用工控組態(tài)軟件的腳本技術(shù)，提供屬性和方法，便于被組態(tài)軟件中的腳本操作。歷史趨勢曲線控件總體分為兩個區(qū)：曲線顯示區(qū)和數(shù)據(jù)表格區(qū)，用于提供放大、縮小、開始、停止和最大最小平均值的表格顯示選擇、組的選擇以及游標(biāo)的移動指示功能。所有方法和屬性均使用組態(tài)時其他標(biāo)準(zhǔn)控件的事件腳本驅(qū)動。
系統(tǒng)不僅能在趨勢曲線中簡單地把某一信號的歷史數(shù)據(jù)繪制出來，還提供了對已有曲線進行四則運算的功能，即可以對多條曲線進行加、減、乘、除的運算，彌補了部分組態(tài)軟件歷史趨勢功能上的不足。系統(tǒng)還提供將多條不同的趨勢顯示在同一張圖上，如圖1所示，且用戶可以靈活設(shè)置每個趨勢縱軸的表現(xiàn)形式，即可以單獨占據(jù)一定的長度，也可以和其他趨勢共用。這樣可以避免多個數(shù)字范圍差異巨大的趨勢在一起顯示時部分趨勢接近直線的情況發(fā)生。同時，用戶也可以自定義各種復(fù)雜的趨勢組合并保存為方案，以便日后查詢；且在繪制趨勢時，系統(tǒng)可以根據(jù)趨勢的實際數(shù)據(jù)范圍動態(tài)調(diào)整縱坐標(biāo)范圍。
圖1 多個模擬量趨勢圖
4 歷史趨勢分析應(yīng)用
上海市某污水處理廠設(shè)計日處理規(guī)模為50萬t，目前實際日處理水量約為46萬t。污水處理生產(chǎn)運行監(jiān)測軟件在該污水處理廠得到了很好的應(yīng)用。
4．1流量監(jiān)測
污水廠共三個流量計：1#為總進水流量計，2#流量計表示進入生物池處理流量，3#流量計為出水流量計。2009年5月20日出現(xiàn)高峰流量，當(dāng)瞬時流量超過設(shè)計值7．5 m3／s時，進水流量超出部分產(chǎn)生溢流。因此，2#流量計顯示的當(dāng)天流量才是處理流量，3#出水流量計只對經(jīng)過處理的流量進行計量，而1#流量計與2#流量計的差值流量是經(jīng)過預(yù)處理直接排放的流量。
圖2所示分別為2009年5月20日1#進水流量計當(dāng)日流量、2#流量計曲線圖和3#流量計曲線圖。
圖2 1#-3#進水流量計流量
當(dāng)進水流量長時間處于高峰且進水濃度大幅度超過設(shè)計進水濃度時，會造成出水水質(zhì)超標(biāo)的潛在威脅，在此情況下，中控室可及時與上游泵站聯(lián)系，盡量確保進水流量穩(wěn)定運行。當(dāng)進水濃度大幅上升時，可采取加大供氣量和回流量的措施，盡量避免出水水質(zhì)超標(biāo)，并及時向上級監(jiān)管部門匯報，調(diào)查來水情況，并請環(huán)保部門協(xié)助調(diào)查。
由于整個污水處理停留時間有十幾個小時，而出水水質(zhì)出現(xiàn)異常具有滯后性，因此，當(dāng)進水濃度發(fā)生突變時，需要中控室及時掌握進水濃度在線儀表的數(shù)據(jù)變化，通過實時報警系統(tǒng)采取及時有效的工藝手段，盡可能避免水質(zhì)超標(biāo)的威脅。
4．2設(shè)備運行狀況監(jiān)測
隨著進水流量的逐漸下降，生物池液位降低、碳源逐漸下降、生物池溶解氧升高；反之，進水流量或進水濃度逐漸上升，造成溶解氧下降。這就需要中控室及時掌握來水情況，并針對性地對工藝進行調(diào)整，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)和不必要的能源浪費。
鼓風(fēng)機在設(shè)備檢修或倒閘時會暫時停止運行，與此同時溶解氧也會出現(xiàn)相應(yīng)變化，相應(yīng)的曲線在歷史趨勢畫面中可直觀顯示。
5 結(jié)束語
生產(chǎn)運行監(jiān)測系統(tǒng)采用監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器，減輕了PLC控制系統(tǒng)的運行壓力，具有很大的靈活性。系統(tǒng)實現(xiàn)了運行信號的實時監(jiān)測，且系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、對比和分析，為日常生產(chǎn)運行提供了決策依據(jù)；同時，系統(tǒng)所獲得的運行數(shù)據(jù)趨勢曲線滿足污水處理行業(yè)的監(jiān)管需要，為COD減排提供了有力依據(jù)。
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