近年來，運行監(jiān)控系統(tǒng)在許多污水廠得到了廣泛應用，我國的污水廠運行監(jiān)控系統(tǒng)的建設也取得了很大的進展。生產運行監(jiān)測系統(tǒng)軟件在提供系統(tǒng)運行監(jiān)視的基礎之上，進一步提供了歷史數據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據監(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)管要求定期導出關系型數據結構的運行數據，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(能調閱重要水質參數和運行參數一年的趨勢曲線)，為COD減排提供有力依據。
1 開發(fā)背景
隨著電子技術的發(fā)展，污水處理行業(yè)的自動化程度已全面提高。目前，大多數新建的城市污水處理廠已經采用以PLC為控制設備的數據采集與監(jiān)視控制SCADA(supervisory control and data acquisition)系統(tǒng)。SCADA技術建立在3C+s(computer、communication、control和sensor)基礎上，自誕生之日起它就與計算機及現(xiàn)代網絡通信技術的發(fā)展緊密相關口。
一般的監(jiān)控組態(tài)軟件以生產監(jiān)控為主要目標，面向操作人員提供多種監(jiān)控功能，側重于對被監(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)、報警以及性能數據的統(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)軟件在數據的排列組織和界面的靈活性上都存在一定的缺陷。生產運行監(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)設計與開發(fā)
系統(tǒng)采用面向對象的構架進行設計，主要包括主窗體界面對象、數據庫連接對象、數據庫助手對象、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操作，從用戶的操作習慣出發(fā)，提供便捷的操作行為支持。
2．2數據庫連接對象
為了支持多個不同種類的數據庫，系統(tǒng)設計了數據庫連接對象和數據庫連接池管理器。數據庫連接對象用于表示每個不同的數據庫連接，連接的數據庫既可以是同一數據庫操作系統(tǒng)下不同名字的數據庫，也可以是不同數據庫操作系統(tǒng)下的數據庫以及支持主流的數據庫，如MS SQL SERVER、Access、Orale等。數據庫連接池管理器則用來對多個不同的數據庫連接進行管理，提供用戶對不同數據庫的統(tǒng)一操作，并提供連接池的能力，加快數據庫的訪問速度，提高系統(tǒng)的整體運行效率。
2．3數據庫助手對象
基于之前的數據庫連接對象，數據庫助手類提供了各種數據庫相關的操作。數據庫操作分為兩種：一種是數據查詢和維護操作，另一種是數據庫自身的備份、恢復和日志讀取等操作。數據庫助手對象解決了各種不同數據操作系統(tǒng)之間的差異問題，如SQL語句標準和語法之間的區(qū)別和數據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據或數據庫還原時，無須考慮所使用的數據庫類型，只要以統(tǒng)一的接口進行函數調用即可實現(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，如標注、游標等對象的創(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)中重復代碼段的數量大大減少，避免了日后系統(tǒng)修改過程中的重復操作，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)中使用到的數據導出為EXCEL文件的操作，并針對性地編寫EXCEL操作庫，負責完成EXCEL文件的生成、復制和數據填充等功能。EXCEL操作庫自動檢測系統(tǒng)中的OFFICE版本，根據檢測結果調用不同的內部函數，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所選擇的時間范圍自動調整所取點的頻率。如當用戶選擇的時間范圍在1～31天之內時，系統(tǒng)將自動以最高的頻率進行數據的查詢；當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據的查詢，這個點可以根據用戶的設置取平均值、最大值、最小值或者每小時的第一個數據等；而當時間跨度大于1年時，系統(tǒng)就會以天為單位進行數據的查詢，同樣也可以根據用戶的設置取平均值、最大值、最小值或者每天的第一個數據等。
從繪制曲線的美觀度考慮，針對每一條曲線的數據，系統(tǒng)將會自動判斷其上下限的最大值和最小值，并根據這兩個數值以10％的增幅進行曲線縱軸上下限的自動調整。
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)及各種設備提供無縫連接的一組軟件產品、技術或服務。．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。
數據庫選用Microsoft SQL Server 2000數據庫操作系統(tǒng)。SQL Server作為微軟在Windows系列平臺上開發(fā)的數據庫，一經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小型數據庫，SQL Server是一個功能完備的數據庫管理系統(tǒng)，它包括支持開發(fā)的引擎、標準的SQL語言、擴展的特性(如復制、OLAP、分析)、存儲過程和觸發(fā)器等特性。
開發(fā)平臺和數據庫選用．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，網絡配置使用百兆以太網。
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據的查詢需求，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，生產運行監(jiān)測系統(tǒng)采用了歷史數據帳套的概念，以年為單位對歷史數據進行劃分，用戶可以按時間段查詢歷史數據。針對查詢結果，系統(tǒng)會進行一些統(tǒng)計分析，并可以直接將查詢結果生成趨勢圖。
生產運行監(jiān)測系統(tǒng)的歷史趨勢曲線控件采用NET封裝，它是一個標準的ActiveX控件。該控件結合KingView、iFix、Intouch等常用工控組態(tài)軟件的腳本技術，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)和數據表格區(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、組的選擇以及游標的移動指示功能。所有方法和屬性均使用組態(tài)時其他標準控件的事件腳本驅動。
系統(tǒng)不僅能在趨勢曲線中簡單地把某一信號的歷史數據繪制出來，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，且用戶可以靈活設置每個趨勢縱軸的表現(xiàn)形式，即可以單獨占據一定的長度，也可以和其他趨勢共用。這樣可以避免多個數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)可以根據趨勢的實際數據范圍動態(tài)調整縱坐標范圍。
圖1 多個模擬量趨勢圖
4 歷史趨勢分析應用
上海市某污水處理廠設計日處理規(guī)模為50萬t，目前實際日處理水量約為46萬t。污水處理生產運行監(jiān)測軟件在該污水處理廠得到了很好的應用。
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，當瞬時流量超過設計值7．5 m3／s時，進水流量超出部分產生溢流。因此，2#流量計顯示的當天流量才是處理流量，3#出水流量計只對經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過預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
當進水流量長時間處于高峰且進水濃度大幅度超過設計進水濃度時，會造成出水水質超標的潛在威脅，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，盡量避免出水水質超標，并及時向上級監(jiān)管部門匯報，調查來水情況，并請環(huán)保部門協(xié)助調查。
由于整個污水處理停留時間有十幾個小時，而出水水質出現(xiàn)異常具有滯后性，因此，當進水濃度發(fā)生突變時，需要中控室及時掌握進水濃度在線儀表的數據變化，通過實時報警系統(tǒng)采取及時有效的工藝手段，盡可能避免水質超標的威脅。
4．2設備運行狀況監(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整，確保水質達標和不必要的能源浪費。
鼓風機在設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)相應變化，相應的曲線在歷史趨勢畫面中可直觀顯示。
5 結束語
生產運行監(jiān)測系統(tǒng)采用監(jiān)控系統(tǒng)的數據服務器，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)測數據的查詢、對比和分析，為日常生產運行提供了決策依據；同時，系統(tǒng)所獲得的運行數據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。
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