水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文

1、1 / 73碩碩 士士 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)科專業(yè) ：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置研究方向 ：計(jì)算機(jī)測(cè)控作者 ：王海珍指導(dǎo)教師 ：廉小親 教授所在學(xué)院 ：計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院二一三年三月2 / 73The design and implementation of waterworks operating data real-time detection and processing systemDissertation Submitted toBeijingBeijing TechnologyTechnology andand BusinessBusine

2、ss UniversityUniversityin Partial Fulfillment of the Requirementfor the Degree ofMasterMaster ofof EngineeringEngineeringbyWang Haizhen（Detection technology and Automatic equipment）Dissertation Supervisor：Professor Lian Xiaoqin3 / 73March 2013學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作所取得的研究成果。除了文中已經(jīng)注明引

3、用的容外，論文中不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律后果完全由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文授權(quán)使用聲明本人完全了解工商大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間學(xué)位論文所涉與的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于工商大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分容，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 （的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定）作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期： 年 月 日4 / 73摘摘 要要隨著我國

4、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以與人民生活水平的日益提高，居民生活的用水量逐漸增大，人們對(duì)水質(zhì)的要求也越來越高。因此，傾斜資金投入重心，開展技術(shù)攻關(guān)，設(shè)法獲得高品質(zhì)的自來水并制定科學(xué)的水質(zhì)評(píng)價(jià)體系成為自來水處理廠發(fā)展的重點(diǎn)。但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于監(jiān)控系統(tǒng)中的水質(zhì)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)不能被實(shí)時(shí)的檢測(cè)和處理，水廠不但需要投入力量手工抄表，更無法與時(shí)掌握水質(zhì)情況并做出反饋。所以研究水廠數(shù)據(jù)通信與處理方法，開發(fā)氣浮車間報(bào)表自動(dòng)生成系統(tǒng)，進(jìn)一步研究水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，對(duì)降低運(yùn)行成本、提高水廠運(yùn)營效率有重大意義。本文首先描述了自來水廠自控系統(tǒng)以與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析了自來水處理的工藝流程，進(jìn)而設(shè)計(jì)了運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)與處理系統(tǒng)的總

5、體方案。論文包含如下工作： 1、基于 OPC 技術(shù)，采用 Client/Server 模式，借助 Rslinx 通訊軟件構(gòu)建服務(wù)器，通過開發(fā) OPC 客戶程序，采集 OPC 服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與各 PLC 控制站之間的數(shù)據(jù)通信；2、針對(duì)通信從凈化車間、加氯間、加氨間的采集到原始數(shù)據(jù)，研究獲得各類水質(zhì)、水量、藥耗、電耗等參數(shù)值的數(shù)據(jù)處理方法，并利用系統(tǒng)保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中；3、對(duì)客戶端進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表的查詢與導(dǎo)出，并可以依據(jù)報(bào)表數(shù)據(jù)生成曲線趨勢(shì)圖；4、根據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，利用 BP 算法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行建模研究，并針對(duì)算法的缺陷，提出改進(jìn)方法，通過實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)

6、行驗(yàn)證。目前本文提出的水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)與處理系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于某自來水廠中。該系統(tǒng)的成功運(yùn)行不僅減輕了工作人員繁雜重復(fù)的工作容，也使得水廠的信息綜合化水平得到提高。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：自來水處理；OPC；Rslinx；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；自動(dòng)化報(bào)表II / 73AbstractAbstractAs the rapid growth of Chinese economic and the improvement of Chinese peoples living standards, residents water consumption become larger and larger while p

7、eople expectinghigh requirements for water quality. Therefore, getting water of high quality and establishing a scientific water-quality evaluating system by inclining the focus of investment and tackling technical problems have been a key sector in waterworks development. However, the actual monito

8、ring system cannot detect and process water quality parameters and system operating status automatically so that people have to waste more time on collecting sufficient information to make so-called “timely feedback”. In such circumstances, for decreasing operating cost and improving operating effic

9、iency reasons, it is important to study waterworks data communication and processing, develop air-flotation plant report generation system, and further discuss water-quality evaluating system.This paper makes a brief description of waterworks automatic control system and network architecture, and gi

10、ves a comprehensive analysis of the water treatment technological process. On that basis, a waterworks operating data real-time detection and processing system is designed. Main works are shown as the following:(1)To achieve the communication between server and PLC controlling station, based on OPC

11、standards, adopted Client/Server Mode, a server is built by Rslinxfrom which develop OPC client code can collect system operating data.(2)Based on the original data acquired from purification plant, chlorine dosing room and ammonia dosing room, a program is exploited to analyze and store the paramet

12、er of water quality, water volume, drug consumption and power consumption.(3)In the client, designed and developed software, torealize daily, monthly and annual reports query and output. Moreover, users can III / 73check parameter curve tendency chart generated by the program intuitively.(4)Accordin

13、g to the sanitary standard for drinking water, the paper analyzes the model of water-quality with BP algorithm, aimed at the algorithms defect, present improvement method, and verifies the system through simulation and experiment.The present system has been in a trial run in a certain waterworks in

14、Tianjin. Its successful operating reduces workers labor intensity and gives a real-time water quality monitoring, and will be contributory for improving the informationalized level of waterworks.KeyKey WordsWords : : water treatment, opc, rslinx, neuralnetwork, aotumatic reportIV / 73目錄目錄第 1 章緒論 11.

15、1 選題背景 11.2 選題的目的和意義 11.3 相關(guān)技術(shù)研究狀況 21.3.1 水處理行業(yè)現(xiàn)狀 21.3.2 水廠技術(shù)現(xiàn)狀與現(xiàn)存問題 31.3.3 OPC 技術(shù)研究現(xiàn)狀 41.3.4 水質(zhì)評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀 51.4 本文的研究容與結(jié)構(gòu) 71.5 本章小結(jié) 8第 2 章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 92.1 水處理的工藝流程與水廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 92.1.1 自來水處理工藝流程 92.1.2 水廠網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)介紹 102.2 系統(tǒng)功能需求分析 112.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 122.4 本章小結(jié) 14第 3 章數(shù)據(jù)通信與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 153.1 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 153.1.1 通信原理概述 15V / 733.1

16、.2 通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制 173.1.3 OPC 服務(wù)器 183.1.4 OPC 客戶端的開發(fā) 203.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 243.2.1 數(shù)據(jù)來源 243.2.2 數(shù)據(jù)的計(jì)算方法 243.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) 293.4 本章小結(jié) 30第 4 章氣浮自動(dòng)報(bào)表生成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 314.1 報(bào)表方案分析 314.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) 324.3 軟件功能實(shí)現(xiàn) 334.3.1 查詢功能 334.3.2 手動(dòng)輸入功能 334.3.3 用戶管理功能 354.3.4 日志記錄功能 354.3.5 報(bào)表導(dǎo)出功能 364.4 本章小結(jié) 37第 5 章基于改進(jìn) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)評(píng)價(jià)研究 385.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概

17、述 385.1.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 385.1.2 BP 學(xué)習(xí)算法 385.1.3 BP 算法的缺點(diǎn)與改進(jìn) 405.2 基于改進(jìn) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)評(píng)價(jià)模型的建立 415.2.1 水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選取 415.2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定 415.2.3 學(xué)習(xí)算法的選擇 435.2.4 網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練 435.3 基于改進(jìn) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用 435.3.1 模型應(yīng)用 435.3.2 實(shí)驗(yàn)仿真 435.3.3 結(jié)果分析 435.4 本章小結(jié) 46第 6 章總結(jié)與展望 47VI / 736.1 課題總結(jié) 476.2 課題展望 47參考文獻(xiàn) 49附錄 A 標(biāo)簽表 51附錄 B

18、 BP 算法設(shè)計(jì)代碼 55攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 58致 641 / 73第第 1 1 章章 緒論緒論1.11.1 選題選題背景背景水是人類賴以生存的寶貴資源，是國家實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，我國的水資源總量約為 28000 億，其中河川的年平均流量約為 27115 億，居3m3m于世界第六位，排在巴西(69500 億)、前聯(lián)(65400 億)、美國(30560 億)、3m3m3m加拿大(29114 億)以與印尼的(28113 億)之后。在我國，人均所占有的河川年3m3m徑流量大約為 2327，僅為世界人均占有的河川年徑流量 1/4，而加拿大是世界人3m均占有河川年徑流量最高的國

19、家，其人均占有量高達(dá) 14.93 萬，約為我國人均水3m平的 64 倍 1 1 。改革開放以后，我國的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，同時(shí)也面臨著非常嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題，各地域的水體普遍污染嚴(yán)重 2 2 。根據(jù)國家相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，在我國約有82%的河流受到了不同程度的污染；有近 40%的河段已不適合做飲用水的水源；在城市水域中，不適合做飲用水水源的河段已達(dá)到 78%；有約一半的城市地下水也受到了污染 3 3 。水資源作為一種不可替代的自然資源，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民日常生活中占有重要地位。我國是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國家,為了獲取水源，很多地區(qū)都巨額投資進(jìn)行引水。與此同時(shí)，大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)污水排入江河等，造成了水環(huán)境污染

20、問題，使得我國的水資源需求更加緊。近年來，隨著我國城市化的迅速發(fā)展，大量人口的遷移和集中，使得局部地區(qū)缺水現(xiàn)象和水資源分布不均之間的矛盾日益加劇，也極制約了我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)以與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。隨著水環(huán)境受到工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染的日益嚴(yán)重，使得這些水質(zhì)越來越難以作為居民生活飲用的水源，進(jìn)而形成了水質(zhì)性缺水。由此可見，我國的飲用水面臨著資源短缺和水質(zhì)變差的雙重挑戰(zhàn)，其中水質(zhì)變差較為嚴(yán)重，全國約有 5417%的人口飲用不安全的水 4 4 。世界衛(wèi)生組織指出，人類 80%的疾病與飲用水不干凈有關(guān)。所以，水質(zhì)的好壞不僅直接影響到人民的健康安全，還關(guān)系到國民的生活品質(zhì)。為了保護(hù)水資源，維護(hù)水域的生態(tài)功能，滿足人類

21、的用水需求，全面提高的水質(zhì)要求，供水行業(yè)開始大規(guī)模投資建設(shè)或改造凈化水廠，采取凈化措施使水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)維持在適宜水平 5-85-8 。1.21.2 選題的目的和意義選題的目的和意義隨著我國改革開放、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以與各重大項(xiàng)目的建設(shè)，人們的環(huán)保意識(shí)與自我保護(hù)意識(shí)越來越強(qiáng)，國家對(duì)自來水水質(zhì)指標(biāo)的要求也越來越嚴(yán)格。在這種情況下，我國的自來水處理行業(yè)得到了較快發(fā)展。目前，課題組所在的自來水處理廠的自控系統(tǒng)已經(jīng)得到了改進(jìn)與發(fā)展，凈化車間的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)水平。為了要實(shí)現(xiàn)水廠水處理運(yùn)行過程的全面自動(dòng)化，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水處理過程的運(yùn)行狀態(tài)、查看處理水中各類水質(zhì)、水位、水量以與藥耗2 / 73電耗等指標(biāo)，因

22、此構(gòu)建一套運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)與處理系統(tǒng)是自來水處理廠在今后運(yùn)行和管理的關(guān)鍵。其研究意義具體體現(xiàn)在：1、本課題促進(jìn) OPC 通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用；2、課題開發(fā)的報(bào)表自動(dòng)生成系統(tǒng)，解決了水廠投入人量手工抄表的工作，并能與時(shí)掌握水質(zhì)情況并對(duì)此做出反饋。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)降低水廠的運(yùn)行成本、提高水廠的運(yùn)營效率意義重大。3、課題研究的水質(zhì)評(píng)價(jià)，對(duì)于水廠在后期對(duì)處理水水質(zhì)做進(jìn)一步研究改進(jìn)提供了方法。1.31.3 相關(guān)技術(shù)研究狀況相關(guān)技術(shù)研究狀況1.1.3 3.1.1 水水處理處理行業(yè)行業(yè)現(xiàn)狀現(xiàn)狀二十世紀(jì)中期，隨著全球人口數(shù)目的不斷增長，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展也越來越迅速，而全球的水環(huán)境狀況不斷地惡化，水處理問題開

23、始出現(xiàn)。地球雖然被水覆蓋面積高達(dá) 70.8%，然而人類可使用的淡水資源卻非常地有限，人類真正可以使用的水僅占地球總水量的 0.26%，包括江河、湖泊以與地下水。人類對(duì)于水資源的需求量在不斷地?cái)U(kuò)充，而日趨污染的水資源已不能滿足人類的需求。隨著我國公共事業(yè)體制的不斷改革，水處理行業(yè)開始引起人們的高度重視。水處理通常包括兩方面，即污水處理與凈水處理。針對(duì)不同種類的水處理過程，都會(huì)有相適應(yīng)的處理流程和水質(zhì)要求。隨著工業(yè)廢水不斷向河流、湖泊等流入，國家對(duì)污水處理的要求不僅僅停留在將其凈化使之無害，還希望經(jīng)過處理的污水可以循環(huán)回收，加以利用，或是將廢水凈化中產(chǎn)生的熱能被再次利用。而這些水處理的要求和步驟，

24、都需要的自動(dòng)化程度較高的處理系統(tǒng)來完成。因而，自動(dòng)化較好產(chǎn)品就成為水廠的一大選擇9。目前，我國的自來水廠仍然采用傳統(tǒng)的處理工藝，不能有效地去除微量污染物，尤其是有機(jī)污染物。致使一些有害物質(zhì)，包括致癌、致畸、致突變等微量有機(jī)物殘留在飲用水中。1997 年，中國環(huán)境衛(wèi)生檢測(cè)所統(tǒng)計(jì)的資料顯示，目前依照我國現(xiàn)行的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)來看，飲用水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的人口比例高達(dá) 76.1% 3。隨著城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃的實(shí)施以與供水需求的快速增加，為了解決這一嚴(yán)重的供需矛盾，加強(qiáng)自來水廠凈水處理能力，使其能夠用作生活飲用水的水源，以克服清潔水源短缺的困擾，已成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的自來水處理過程，需要多道復(fù)雜的程序。經(jīng)

25、過專業(yè)設(shè)備處理后的自來水才可放心飲用，其處理過程如下： 首先，從江河等淡水資源中把水抽取到水廠，然后經(jīng)過水體沉淀、加藥凈化、處理水過濾、氯氣消毒、濾后水入庫，最后輸送到城市自來水管道中。水處理中一般選用氯氣作為消毒劑。因?yàn)槁葰饪扇苡谒⑴c水結(jié)合生成次氯酸，次氯酸在在3 / 73消毒過程中起重要的作用，經(jīng)過處理的自來水最后分流到用戶的龍頭。整個(gè)處理過程需要經(jīng)過多次水質(zhì)檢驗(yàn)。根據(jù)對(duì)水質(zhì)的不同要求，還需二次加壓、消毒等，才能進(jìn)入用戶家庭。目前，課題組研究所在的自來水處理廠經(jīng)過技術(shù)改造，采用全新的處理設(shè)備和工藝流程，已得到優(yōu)質(zhì)水質(zhì)。1.1.3 3. .2 2 水廠技術(shù)現(xiàn)狀與現(xiàn)存問題水廠技術(shù)現(xiàn)狀與現(xiàn)存

26、問題隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的機(jī)械化和自動(dòng)化程度不斷提高，自動(dòng)控制技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)方面，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)的工廠中，可以大減少操作人員的工作程序。課題組所在的自來水處理廠位于市南開區(qū)，是為該市的 370 萬居民提供日用水的三家水廠之一，擁有著百余年的悠久歷史。2000 年，在發(fā)生源水藍(lán)藻暴發(fā)事件后，市自來水集團(tuán)開始對(duì)水廠的進(jìn)行改造，經(jīng)改造后的水廠日供水量提高了近一倍，其供水量和優(yōu)質(zhì)水質(zhì)標(biāo)志著在城市自來水處理領(lǐng)域已取得了新的進(jìn)展。1、水廠的工藝改造對(duì)水廠處理系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，采用溶氣氣浮技術(shù)。經(jīng)加藥后的自來水進(jìn)入絮凝池，與溶氣水混合接觸，使絮凝物粘附在細(xì)微氣泡上，然后進(jìn)入氣浮

27、池，絮凝物在氣浮力的作用下浮向水面形成浮渣，下層的澄清水進(jìn)入澄清水渠，其中一部分回流作溶氣水使用，進(jìn)入溶氣系統(tǒng)，剩余的清水直接進(jìn)入濾池單元。氣浮池水面上的浮渣聚集到一定厚度以后，進(jìn)入到污泥池排出。創(chuàng)建自來水處理的新工藝流程。水廠處理的每一個(gè)階段都可通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加藥、氣浮、排泥、過濾等工藝操作。2、自來水處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口數(shù)量的逐漸增加，我國的不少地區(qū)出現(xiàn)水源短缺的情況，城市中的飲用水水源受到了嚴(yán)重地污染，居民的生活飲用水也面臨著威脅。因此，于 1985 年頒布的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) （GB5749-85）已不能為人民的健康提供保障。為此，國家的相關(guān)部門對(duì)原

28、有的飲用水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，并聯(lián)合發(fā)布了新的國家標(biāo)準(zhǔn)，即 GB5749-2006，該標(biāo)準(zhǔn)已于 2007 年 7 月 1 日實(shí)施起來。新標(biāo)準(zhǔn)的修訂是國家保障居民安全飲用水的重要舉措。新標(biāo)準(zhǔn)中不僅加強(qiáng)了對(duì)水質(zhì)中微生物、有機(jī)物以與水質(zhì)消毒等方面的要求，而且將城鎮(zhèn)與農(nóng)村的飲用水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一，使我國的飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和國際接軌11。 3、目前水廠存在的問題經(jīng)過處理的自來水，操作人員想要得到處理水中各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，需要通過上位機(jī)組態(tài)界面抄寫原始數(shù)據(jù)，再依據(jù)計(jì)算公式進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算得到參數(shù)值，最后將一系列參數(shù)值整理成當(dāng)天報(bào)表的形式，進(jìn)行存檔查看。4 / 73水廠操作人員每日進(jìn)行這一重復(fù)過程，不僅降低了水廠的運(yùn)行效率

29、，也不排除有計(jì)算錯(cuò)誤的可能。因此實(shí)現(xiàn)水廠運(yùn)行處理過程的全面自動(dòng)化，成為本課題研究的重點(diǎn)。1.1.3 3. .3 3 OPCOPC 技術(shù)研究現(xiàn)狀技術(shù)研究現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)控制等各方面新技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也由集中式監(jiān)控向分布式的方向發(fā)展。近年來，隨著計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，不同硬件廠商生產(chǎn)的現(xiàn)場設(shè)備種類也隨之增加，這樣產(chǎn)生了新的問題，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用軟件需要同時(shí)訪問幾個(gè)不同的硬件設(shè)備時(shí)，就需要為不同的設(shè)備留有專用的接口以與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，因此需要開發(fā)的現(xiàn)場設(shè)備通訊驅(qū)動(dòng)程序也越來越多。而 OPC 技術(shù)的出現(xiàn)，只要求不同廠商遵循 OPC 規(guī)，就可以實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備與軟件之間的互操作13。1、

30、OPC 技術(shù)簡介OPC，全稱為 Object Linking and Embeding (OLE) for Process Control，是一組標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)，該規(guī)是以微軟的 OLE/COM 技術(shù)為基礎(chǔ)定義的并且與廠商無關(guān)。該技術(shù)的出現(xiàn)，解決了現(xiàn)場設(shè)備管理層和其過程管理層間的通訊問題。它為不同的現(xiàn)場設(shè)備與軟件應(yīng)用程序間，提供了統(tǒng)一規(guī)的數(shù)據(jù)訪問接口14,15。OPC 以面向?qū)ο鬄樵瓌t，將 OPC 服務(wù)器作為一個(gè)對(duì)象封裝起來，客戶以統(tǒng)一的方式來調(diào)用，使得客戶從低層的開發(fā)中完全脫離出來，保證了軟件對(duì)客戶的透明性。OPC 實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的分布與系統(tǒng)硬件設(shè)備無關(guān)，使得系統(tǒng)的應(yīng)用圍更為廣泛。采用 OPC

31、規(guī)，便于系統(tǒng)的組態(tài)化，將系統(tǒng)的復(fù)雜性大大簡化，縮短了軟件開發(fā)的周期，提高了軟件運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性以與開放性16。2、OPC 技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)1995 年由五家在工業(yè)制造自動(dòng)化領(lǐng)域的控制類公司所組成的 OPC 工作小組開發(fā)了 OPC 規(guī)，微軟公司作為技術(shù)顧問，給予了大量支持17。OPC 基金會(huì)，于 1996 年在美國舉行了第一次會(huì)議，并于同年 10 月在美國的芝加哥宣告正式成立。成立之后為了進(jìn)一步普與和改進(jìn) OPC 數(shù)據(jù)訪問的標(biāo)準(zhǔn)版本，開始在全球圍的舉行活動(dòng)18-20。1997 年，由 11 家日本公司作為發(fā)起人，開始準(zhǔn)備成立基金會(huì)的活動(dòng)，并在同年 10 月成立了日本 OPC 協(xié)會(huì)（O

32、PC-J） 。與此同時(shí)，歐洲的 OPC 協(xié)會(huì)（OPC-E）也在當(dāng)年正式成立21。1998 年 OPC 基金會(huì)發(fā)布了 2.0 版 OPC DA，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)布 OPC DA3.0 版(2004 年 3 月)。為了適應(yīng)不同的場合和層次，OPC 基金會(huì)還發(fā)布了大量的有針對(duì)性的規(guī)22。2001 年 12 月我國與 OPC 基金會(huì)合作成立了 OPC 中國基金會(huì)，即 OPC 促進(jìn)會(huì)（OPC-C） 。OPC 基金成立之后，其會(huì)員在逐年增加，截止到目前，在全球圍，加入到這個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的公司已有近 300 家。同時(shí)，由工業(yè)控制設(shè)備廠商以與軟件5 / 73供應(yīng)商提供的 OPC 產(chǎn)品也在逐年增加，目前出現(xiàn)在由

33、OPC 基金會(huì)發(fā)行的 OPC 產(chǎn)品目錄上的 OPC 服務(wù)器產(chǎn)品以與 OPC 應(yīng)用程序產(chǎn)品已有近 600 多種23。近年來，OPC 作為一個(gè)已經(jīng)成型的、應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域的軟硬件接口間的數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)，受到了國外工控行業(yè)的極大重視。無論是作為系統(tǒng)的集成商、硬軟件的開發(fā)商還是普通用戶，在控制領(lǐng)域中對(duì) OPC 技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛24。3、OPC 技術(shù)的應(yīng)用目前，OPC 技術(shù)已成為許多新型控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，在國外的工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的普與，其具體應(yīng)用如下25-27：數(shù)據(jù)采集技術(shù)：OPC 技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集中。由于 OPC 實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制設(shè)備與應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)讀寫操作，許多廠商所提供的

34、產(chǎn)品都帶有標(biāo)準(zhǔn)的 OPC 接口，這樣，OPC 客戶端的應(yīng)用程序就可以通過此接口來完成數(shù)據(jù)的采集。歷史數(shù)據(jù)訪問：OPC 提供了一種方法，利用該方法可以讀取存儲(chǔ)在過程中的數(shù)據(jù)存檔文件、數(shù)據(jù)庫以與遠(yuǎn)程終端設(shè)備中的歷史數(shù)據(jù)。報(bào)警和事件處理：在服務(wù)器發(fā)生異常或是設(shè)定事件到時(shí)，OPC 提供了一種向其客戶發(fā)送通知的機(jī)制，通過使用該技術(shù)，可以很好地捕捉到過程控制中的各類報(bào)警事件，并對(duì)此做相應(yīng)的處理。數(shù)據(jù)冗余技術(shù)：在工業(yè)控制的軟件開發(fā)中，冗余是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，它是保證系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定工作的條件。使用 OPC 技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了軟件冗余，而且使其具有很好的開放性和互操作性。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問：OPC 通過借助 Micr

35、osoft 的分散式組件對(duì)象模型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)高效地訪問能力，從而使工業(yè)控制軟件間的數(shù)據(jù)交換更加方便。1.1.3 3. .4 4 水質(zhì)評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀水質(zhì)評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀水質(zhì)評(píng)價(jià)是環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)重要組成部分，自 20 世紀(jì) 60 年代 Jacobe 提出水體質(zhì)量評(píng)價(jià)的水質(zhì)指數(shù)概念和公式以來，許多學(xué)者對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了深入研究，使水質(zhì)評(píng)價(jià)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)全面。目前評(píng)價(jià)水質(zhì)的方法有很多，下面介紹幾種常用的方法28。(1)單因子評(píng)價(jià)法單因子評(píng)價(jià)法也稱為單項(xiàng)指數(shù)法，就是用單個(gè)評(píng)價(jià)因子的監(jiān)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，得出各自的達(dá)標(biāo)率。其定義為：（其中表示第 種污染物實(shí)/iiO

36、iICCiCi測(cè)濃度，代表第 種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)） 。每項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的參數(shù)依據(jù)國家地面OiCi水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確定水質(zhì)類別，在評(píng)價(jià)類別中選擇最差水質(zhì)類別作為該區(qū)域的水質(zhì)狀況等級(jí)。水質(zhì)參數(shù)指數(shù)大于 1 時(shí)，即表明該水質(zhì)已超過了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足水體功能要求。單因子指數(shù)法只能表示一種污染物對(duì)水質(zhì)造出的污染程度，所以，根據(jù)單一因子來評(píng)定水質(zhì)，在一定程度上并不能反映水質(zhì)的整體情況。由此可見，6 / 73單因子評(píng)價(jià)法為最基本的評(píng)價(jià)方法29。(2)綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法在求單項(xiàng)指數(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算加上其他指標(biāo)，得到水質(zhì)的一個(gè)綜合結(jié)果，并據(jù)此對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分類，這是二十世紀(jì)六、七十年代研究應(yīng)用較多的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。由

37、于對(duì)分類指數(shù)的處理方式不同，指數(shù)法也存在著較多的計(jì)算形式。如迭加法、加權(quán)法等。在這些不同形式的指數(shù)中，有不少要涉與到評(píng)價(jià)因子的權(quán)重匹配問題。權(quán)重的取值直接影響到水質(zhì)評(píng)價(jià)的結(jié)果，因此該類方法的評(píng)價(jià)結(jié)果具有很強(qiáng)的主觀性，而且各種指數(shù)形式也存在著不能與國家統(tǒng)一的水質(zhì)類別相一致的情況。所以，這樣的評(píng)價(jià)結(jié)果只能定性地表明污染程度，而具體類別的確定還是十分困難的30。(3)模糊理論評(píng)價(jià)法模糊是指不清晰或是由不確定性因素造成的一種狀態(tài)。水環(huán)境中污染程度、水質(zhì)類別就存在著許多模糊概念和不確定的因素，所以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與其級(jí)別的劃分也存在著一定的模糊性，這樣將模糊數(shù)學(xué)的概念應(yīng)用到水質(zhì)評(píng)價(jià)體系中，更符合評(píng)價(jià)的客觀要求。

38、目前在這方面具有代表性的研究方法有：模糊概率法、綜合指數(shù)法以與模糊綜合評(píng)判法等，其中模糊綜合評(píng)判法的應(yīng)用較多。(4)灰色評(píng)價(jià)法灰色系統(tǒng)是由我國學(xué)者鄧聚龍教授首先提出并創(chuàng)立的，該理論為研究少量數(shù)據(jù)或是不確定的信息問題提供了一種新方法?；疑到y(tǒng)理論是把類似于這種“部分信息已知、部分未知”的“小樣本”等不確定性系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過對(duì)已知部分信息的生成、開發(fā)、提取，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行行為、演化規(guī)律的正確描述和有效監(jiān)控。雖然灰色理論的發(fā)展時(shí)間較短，但卻具有很強(qiáng)的生命力，而且它研究的信息具有不完全性和不確定性，使得該理論在水環(huán)境模擬、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)以與水質(zhì)規(guī)劃等各領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用?；疑碚撛谒|(zhì)模擬與預(yù)

39、測(cè)方面的運(yùn)用是在它實(shí)測(cè)的時(shí)序數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)灰色系統(tǒng)的建模原理建立水質(zhì)的灰色模擬模型，進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，引入各評(píng)價(jià)等級(jí)的白化函數(shù)，通過計(jì)算比較各評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)不同等級(jí)的白化值作出評(píng)價(jià)?；疑u(píng)價(jià)方法注意到評(píng)價(jià)等級(jí)之間存在的不確切性以與不同污染因子監(jiān)測(cè)值的不完全性，這都符合了水環(huán)境評(píng)價(jià)的客觀實(shí)際情況。但白化函數(shù)的建立與模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)建立有相似之處，也有一定的主觀性，難以通用31。(5)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)，實(shí)際上是一個(gè)模式識(shí)別問題。由于影響水質(zhì)的因素有很多，而評(píng)價(jià)指標(biāo)與水質(zhì)等級(jí)之間是一種非線性關(guān)系，所以水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法仍屬于研究探索階段。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是二十世紀(jì)中旬迅速發(fā)展起來

40、的一門前沿性交叉學(xué)科，它試圖7 / 73模擬人腦的基本特征，以數(shù)學(xué)和物理方法以與信息處理的角度對(duì)人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，并建立某種簡化的模型。因其具有很好的學(xué)習(xí)性、自適應(yīng)性以與容錯(cuò)性能，目前已廣泛用于模式識(shí)別、系統(tǒng)辨識(shí)等領(lǐng)域32-33。近年來，國外許多學(xué)者對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用進(jìn)行了探索與研究，其方向主要集中在水質(zhì)評(píng)價(jià)和水環(huán)境預(yù)測(cè)兩個(gè)方面。在水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，一些學(xué)者將 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的探討與實(shí)現(xiàn)中，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于此，適應(yīng)性強(qiáng)且評(píng)價(jià)結(jié)果客觀合理34-44。1.41.4 本文的研究容與結(jié)構(gòu)本文的研究容與結(jié)構(gòu)本文基于 OPC 技術(shù)，采用 Clie

41、nt/Server 模式，借助 Rslinx 通訊軟件構(gòu)建服務(wù)器，通過開發(fā) OPC 客戶程序采集 OPC 服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與各 PLC 控制站之間的數(shù)據(jù)通信；針對(duì)獲取到的各類原始數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算處理得到各類參數(shù)小時(shí)、天、月以與年度值并存到數(shù)據(jù)庫中。設(shè)計(jì)并開發(fā)氣浮自動(dòng)報(bào)表生成系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)水處理過程中的各類數(shù)據(jù)，并將結(jié)果存到 Excel 報(bào)表中。根據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水質(zhì)參數(shù)評(píng)價(jià)進(jìn)行建模，為水廠進(jìn)一步評(píng)定水質(zhì)奠定基礎(chǔ)。論文的主要容如下，圖 1.1 為本文研究的結(jié)構(gòu)圖：自來水處理廠中的水質(zhì)參數(shù)PLCOPC Server數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取模塊水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)模塊用戶界面圖

42、1.1 本文研究結(jié)構(gòu)圖本文的研究容主要包括以下幾個(gè)方面：第 1 章 緒論。介紹了自來水處理領(lǐng)域的現(xiàn)狀、課題組所在的自來水處理廠的發(fā)展現(xiàn)狀和現(xiàn)存問題，學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)通信與水質(zhì)評(píng)價(jià)的技術(shù)方法，確定課題的研究容和其現(xiàn)實(shí)意義。第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。通過對(duì)自來水處理廠的自控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以與水處理工藝流程的學(xué)習(xí)，進(jìn)而對(duì)本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析，最后確定了本文研究的總體方案。第 3 章 數(shù)據(jù)通信與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本章基于 OPC 通信技術(shù)，采用Client/Server 的模式實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器對(duì) PLC 控制站中數(shù)據(jù)的讀取，并存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中，針對(duì)采集數(shù)據(jù)，通過水廠提供資料，研究獲得各類水質(zhì)、水量

43、、藥耗、電耗8 / 73等參數(shù)值的數(shù)據(jù)處理方法。第 4 章 氣浮自動(dòng)報(bào)表生成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)氣浮自動(dòng)報(bào)表生成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)、水位、水量、藥耗電耗等數(shù)據(jù)的讀取，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，最后存到 Excel 報(bào)表。該系統(tǒng)功能齊全、界面友好。第 5 章 基于改進(jìn) BP 算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)評(píng)價(jià)模型的建立。本章首先介紹了 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本概念，分析了其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)算法，針對(duì) BP 算法本身的不足，結(jié)合其在水處理水質(zhì)評(píng)價(jià)中的具體應(yīng)用，對(duì)其改進(jìn)方法進(jìn)行了研究。根據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，采用基于改進(jìn) BP 算法對(duì)水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，為水廠水質(zhì)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。第 6 章 總結(jié)與展望。本

44、章進(jìn)行課題總結(jié)和展望，概括了本課題所取得的結(jié)果和結(jié)論以與發(fā)現(xiàn)的問題，并對(duì)系統(tǒng)的后續(xù)完善并作出展望。1.51.5 本章小結(jié)本章小結(jié)本章首先以自來水處理在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用為背景，通過分析水廠行業(yè)現(xiàn)狀，針對(duì)水處理技術(shù)特點(diǎn)與現(xiàn)存問題，引出了課題研究的目的與意義。最后，基于OPC 通信技術(shù)和水質(zhì)評(píng)價(jià)的一些方法，研究并提出本文的主要研究容與架構(gòu)。9 / 73第第 2 2 章章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本文的研究容為水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)與處理系統(tǒng)。在對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)水廠的自控系統(tǒng)、自來水處理的工藝流程以與水廠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有總體的認(rèn)識(shí)和全面的把握。本文基于 OPC 通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器

45、與凈化車間、加氯間以與加氨間的各 PLC 控制站之間的通信，并將其中的水質(zhì)參數(shù)、水位參數(shù)、生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)以與藥耗、電耗等參數(shù)值采集到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。針對(duì)采集到的各類原始數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理得到水廠需要的參數(shù)值。根據(jù)報(bào)表的設(shè)計(jì)方案，將處理后的參數(shù)形成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表，并在客戶端開發(fā)報(bào)表軟件，為水廠實(shí)現(xiàn)了各類報(bào)表的顯示與導(dǎo)出，并在后期對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。2.12.1 水水處理的處理的工藝流程工藝流程與水廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與水廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)2.2.1 1.1.1 自來水處理工藝流程自來水處理工藝流程水廠工藝流程如圖 2.1 所示。下面對(duì)自來水處理的流程進(jìn)行簡單的介紹。圖 2.1 水廠工藝流程總圖在凈化車間的

46、入口，原水進(jìn)入到進(jìn)水干渠，用水泵向原水中加氯氣和三氯化鐵或者聚合氯化鋁。之后伴有加藥的原水進(jìn)入到進(jìn)水室中，向水中投加高分子聚合物和石灰，并快速攪拌。經(jīng)處理過的加藥原水通過進(jìn)水渠進(jìn)入各絮凝池，在絮凝器的攪拌作用下，水中的雜質(zhì)開始絮凝。接著讓絮凝后的水進(jìn)入氣浮池，與氣浮池中由溶氣系統(tǒng)產(chǎn)生的溶氣水混合。絮凝產(chǎn)物被溶氣水中的空氣吸附到氣浮池水的表面，氣浮池下層的澄清水進(jìn)入澄清水渠，而后澄清水通過循環(huán)泵進(jìn)入溶氣系統(tǒng)或是直接進(jìn)到濾池單元。 10 / 73每隔一段時(shí)間，PLC 系統(tǒng)會(huì)要求氣浮池排泥，氣浮水表面的絮凝物被安裝在氣浮池上的高壓水閥噴射水沖入排泥槽中。濾池中的水在進(jìn)入接觸池前加入氯氣和氨氣進(jìn)行消毒

47、，最后經(jīng)過消毒的凈水進(jìn)入到接觸池，送入城市供水管道系統(tǒng)。2.2.1 1.2.2 水廠網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)介紹水廠網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)介紹水廠中的控制站和監(jiān)控點(diǎn)之間都是通過 EtherNet/IP 網(wǎng)、ControlNet 網(wǎng)和DeviceNet 網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與傳送，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)如圖 2.2 所示。圖 2.2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)圖凈化車間、加氯間和加氨間的 PLC 與上位機(jī)之間的通訊是通過控制網(wǎng)(ControlNet)實(shí)現(xiàn)的。ControlNet 需要使用通訊服務(wù)軟件 Rslinx 實(shí)現(xiàn) PLC 和上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊。Rslinx 提供了 OPC/DDE 數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì) PLC 的實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制。數(shù)據(jù)訪

48、問以訪問標(biāo)簽的形式進(jìn)行，所以需要嚴(yán)格按照命名規(guī)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定義。PLC 之間的通訊通過控制網(wǎng)(ControlNet)來實(shí)現(xiàn)。AB 公司的 ControlLogix 系統(tǒng)本身就具有通訊模塊，它利用獨(dú)特的 ControlBus 底板創(chuàng)建通信網(wǎng)關(guān)。ControlBus是一種高性能的無源多主總線，在同一機(jī)架上的任何模塊和所有模塊之間充當(dāng)傳遞信息包的管道作用。1、以太網(wǎng)EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)采用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，設(shè)備組是按點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接到交換機(jī)。交換機(jī)提供虛擬連接，有助于控制網(wǎng)絡(luò)碰撞并減少網(wǎng)絡(luò)堵塞。在一個(gè)控制應(yīng)用中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問對(duì)時(shí)間是有苛刻要求的，因此采用的是網(wǎng)絡(luò)交換11 / 73機(jī)

49、。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持 10Mbps 和 100Mbps 產(chǎn)品，而且它的接線簡單，易于調(diào)試或查找故障，容易維護(hù)。2、控制網(wǎng)ControlNet 網(wǎng)是一個(gè)用于傳送 I/O 數(shù)據(jù)以與消息數(shù)據(jù)，包括組態(tài)數(shù)據(jù)，程序上傳/下載以與對(duì)等通信的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，這些數(shù)據(jù)都在一個(gè)物理介質(zhì)鏈路上進(jìn)行傳送。ControlNet 網(wǎng)絡(luò)因其可以預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)何時(shí)發(fā)送，所以具有高度的確定性和可靠性。用戶可以將各種設(shè)備連接到 ControlNet 網(wǎng)中，包括個(gè)人的計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、操作員設(shè)備接口、I/O 模塊等，以與其他可以與 ControlNet 連接的設(shè)備。ControlNet 通訊模塊通過橋接 ControlNet 鏈路傳

50、遞消息給其他網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，比如 EtherNet/IP、DeviceNet 等。3、設(shè)備網(wǎng)DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)是一種開放的底層通訊鏈路，可為簡單的工業(yè)設(shè)備與高級(jí)設(shè)備之間提供相應(yīng)的連接?；跇?biāo)準(zhǔn)的 CAN（Control Area Network）技術(shù)，這種開放的網(wǎng)絡(luò)提供了多廠商設(shè)備之間的互操作性。DeviceNet 的掃描器模塊為 DeviceNet設(shè)備與 ControlLogix 機(jī)架之間的接口。掃描器模塊通過網(wǎng)絡(luò)與 DeviceNet 設(shè)備進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)：從設(shè)備中讀輸入數(shù)據(jù)和向設(shè)備寫輸出數(shù)據(jù)；為其設(shè)備下載組態(tài)中數(shù)據(jù)；監(jiān)視各設(shè)備的工作狀態(tài)。2.22.2 系統(tǒng)功能需求分析系統(tǒng)功能需求分析課

51、題組所在水廠的自控系統(tǒng)是由一個(gè)中心控制站、三個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)和八個(gè) PLC控制站。其中，PLC1-PLC6 控制站位于凈化車間，PLC7 控制站位于加氯車間， PLC8控制站位于加氨車間，各控制站對(duì)其間的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。下面列出控制站 PLC1-PLC8 的監(jiān)控圍：PLC1 控制站：A、B 線原水管道、進(jìn)水室、加藥間三氯化鐵、聚合氯化鋁投加系統(tǒng)、液體聚合物投加系統(tǒng)、原水氯氣投加系統(tǒng)等。PLC2 控制站：A 線氣浮池；反沖洗排水池；空壓機(jī)系統(tǒng)；氯、氨投加量的計(jì)算和 PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)；濾池管廊排水系統(tǒng)；濾后服務(wù)水系統(tǒng)等。PLC3 控制站：B 線氣浮池；濾池反沖洗系統(tǒng)；濾池水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；接觸池參數(shù)檢測(cè)；加

52、氯服務(wù)水系統(tǒng)；變配電室參數(shù)檢測(cè)等。PLC4 控制站：石灰投加系統(tǒng)；粉末聚合物投加系統(tǒng)；鹽酸投加系統(tǒng)等。PLC5 控制站：No.1-No.5、No.12-No.16 濾池。PLC6 控制站：No.6-No.11、No.17-No.22 濾池。PLC7 控制站，前加氯和后加氯投加系統(tǒng)。PLC8 控制站，濾后加氨系統(tǒng)。課題研究的對(duì)象是上述位于水廠凈化車間、加氯間和加氨間的各個(gè)控制站中各12 / 73類運(yùn)行參數(shù)，針對(duì)這些運(yùn)行參數(shù)，采用 OPC 通信技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行采集、處理、顯示與導(dǎo)出。因此該系統(tǒng)按其實(shí)現(xiàn)功能可劃分為三個(gè)部分，即數(shù)據(jù)通信與處理、報(bào)表自動(dòng)生成以與水質(zhì)評(píng)價(jià)。1、數(shù)據(jù)通信與處理目前水廠凈化車間

53、、加氯間、加氨間的各 PLC 控制站中的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)通過ControlNet 以與通訊服務(wù)軟件 Rslinx 傳輸?shù)街行目刂剖业挠?jì)算機(jī)中。本文要實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)通信與處理為： 在服務(wù)器中安裝并配置 Rslinx 通訊服務(wù)軟件，構(gòu)建 OPC 服務(wù)器。 根據(jù)標(biāo)簽設(shè)置，將水廠中心控制室的三臺(tái)計(jì)算機(jī)中的 Rslinx 數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器的 Rslinx 中。 開發(fā) OPC 客戶端應(yīng)用程序，讀取 OPC 服務(wù)器中的數(shù)據(jù)并將其存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中。 根據(jù)水廠提供資料，研究獲得各類水質(zhì)、水量、藥耗、電耗等參數(shù)值的數(shù)據(jù)處理方法，并將計(jì)算參數(shù)存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中。2、報(bào)表自動(dòng)生成依據(jù)水廠檢測(cè)參數(shù)性質(zhì)，將其進(jìn)行分類，制定報(bào)表的設(shè)

54、計(jì)方案。氣浮報(bào)表依據(jù)時(shí)間分為日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表三類。根據(jù)參數(shù)性質(zhì)，將日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表做進(jìn)一步劃分。日?qǐng)?bào)表可分為水質(zhì)檢測(cè)日?qǐng)?bào)表、生產(chǎn)運(yùn)行日?qǐng)?bào)表、水位檢測(cè)日?qǐng)?bào)表和藥耗電耗日?qǐng)?bào)表。月報(bào)表可分為水量月報(bào)表、消耗指標(biāo)月報(bào)表、氣浮池處理水指標(biāo)月報(bào)表、氣浮池濾池運(yùn)行狀況月報(bào)表、運(yùn)行臺(tái)時(shí)設(shè)備月報(bào)表。年報(bào)表可分為水質(zhì)年報(bào)表、水量年報(bào)表和消耗年報(bào)表。根據(jù)報(bào)表方案，設(shè)計(jì)氣浮報(bào)表自動(dòng)生成系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)查詢功能、手動(dòng)輸入功能、用戶管理功能以與日志記錄功能。3、水質(zhì)評(píng)價(jià)通過對(duì)水廠各車間水質(zhì)參數(shù)的采集與處理，水廠操作人員可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷當(dāng)質(zhì)是否符合飲用標(biāo)準(zhǔn)，然而這樣的判斷僅針對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，而缺乏經(jīng)驗(yàn)

55、的人并不能作出判斷。因此對(duì)水廠處理后的水質(zhì)作進(jìn)一步研究，對(duì)其進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，也是本課題研究的容之一。本文針對(duì)處理水中的水質(zhì)，根據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) ，采用改進(jìn)的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)作了進(jìn)一步研究。2.2.3 3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)通過對(duì)系統(tǒng)功能需求的分析，制定了本課題的研究方案。本文根據(jù)系統(tǒng)功能分兩大塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，即客戶端和服務(wù)器。服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的采集與處理，客戶端主要實(shí)現(xiàn)氣浮報(bào)表的自動(dòng)生成系統(tǒng)以與對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)模型的研究。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖 2.3 所示。13 / 73客客戶戶端端服服務(wù)務(wù)器器數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集用用戶戶界界面面數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)分分析析數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫中中心心控控制制室室PL

56、C圖 2.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖下面簡單介紹服務(wù)器和客戶端要實(shí)現(xiàn)的功能。1、服務(wù)器可將服務(wù)器功能分為三個(gè)部分，即數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。其功能架構(gòu)如圖 2.4 所示。 服務(wù)器 數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理 OPC 服務(wù)器 OPC 客戶端 圖 2.4 服務(wù)器功能框架 數(shù)據(jù)通信本文數(shù)據(jù)通信是基于 OPC 技術(shù)，采用 Client/Server 的模式，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與下位 PLC 控制站之間的通信，將車間各類數(shù)據(jù)采集到服務(wù)器中。在服務(wù)器中安裝并配置 Rslinx 通訊服務(wù)軟件作為 OPC 服務(wù)器。根據(jù)標(biāo)簽設(shè)置，將水廠中心控制室的三臺(tái)計(jì)算機(jī)中 Rslinx 實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器的 Rsli

57、nx中。開發(fā) OPC 客戶端的程序，讀取 OPC 服務(wù)器中的數(shù)據(jù)并將其存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中。 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)根據(jù)功能需求中設(shè)計(jì)的報(bào)表方案，在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建分成六類報(bào)表，即原始數(shù)據(jù)14 / 73報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表、工作人員登記表以與手動(dòng)輸入報(bào)表。又因各類報(bào)表中有較多的參數(shù)，故在數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)表 83，便于對(duì)數(shù)據(jù)的訪問。 數(shù)據(jù)處理通過通信采集到的原始數(shù)據(jù)并非水廠檢驗(yàn)的實(shí)際參數(shù)，要想獲得報(bào)表中的各類參數(shù)，需對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)作一步處理。依照水廠提供資料，針對(duì)三氯化鐵、聚合氯化鋁、液體聚合物、加氯量等參數(shù)，研究其計(jì)算方法，并將計(jì)算結(jié)果并存到數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)各類型報(bào)表，針對(duì)不同的報(bào)表采用不同方法對(duì)月報(bào)表進(jìn)

58、行處理，具體實(shí)現(xiàn)本文將在相應(yīng)章節(jié)給出。年報(bào)表是對(duì)月報(bào)表的一個(gè)統(tǒng)計(jì)，通過對(duì)月報(bào)表的累加得到。2、客戶端客戶端要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，氣浮報(bào)表的自動(dòng)生成系統(tǒng)和水質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。其功能架構(gòu)如圖 2.5 所示。氣浮報(bào)表自動(dòng)生成系統(tǒng)，通過對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用從而實(shí)現(xiàn)報(bào)表的顯示與導(dǎo)出，并根據(jù)查看報(bào)表操作人員的權(quán)限，設(shè)置不同的登錄頁面以與查詢功能。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，便于水廠日后工作的改進(jìn)。圖 2.5 客戶端功能框架2.2.4 4 本章小結(jié)本章小結(jié)本章首先介紹了自來水處理的工藝流程，研究了水廠的自控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，確定了本系統(tǒng)的功能需求。在水廠水處理流程與控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，完成了總體方案的設(shè)

59、計(jì)，包括客戶端模塊和服務(wù)器模塊。其中，服務(wù)器模塊設(shè)計(jì)主要包括基于OPC 通信技術(shù)的數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊與數(shù)據(jù)處理模塊，客戶端模塊設(shè)計(jì)主要完成氣浮報(bào)表的自動(dòng)生成功能與水質(zhì)評(píng)價(jià)功能。15 / 73第第 3 3 章章 數(shù)據(jù)通信與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目前水廠自控系統(tǒng)下位設(shè)備中的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)通過 ControlNet 以與通訊服務(wù)軟件 Rslinx 傳輸?shù)街行目刂剖业挠?jì)算機(jī)中。本章結(jié)合了水廠原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制，采用基于 OPC 的通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與各 PLC 控制站之間的通信，并將其中的運(yùn)行參數(shù)、水質(zhì)、水位等值采集到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，針對(duì)采集的各類原始

60、數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，得到水廠需要的參數(shù)值。3 3. .1 1 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 3. .1 1.1.1 通信原理概述通信原理概述OPC 是為過程控制而專門設(shè)計(jì)的 OLE 技術(shù)，由世界技術(shù)處于領(lǐng)先地位的公司，即相關(guān)的自動(dòng)化的軟硬件公司與微軟公司聯(lián)合建立的，還同時(shí)成立了專門的 OPC 基金會(huì)。OPC 基金會(huì)的成立，對(duì)于 OPC 規(guī)的制定和管理有了更好的制度45,46。針對(duì)不同硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，OPC 給出了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。它采用典型的Client/Server 模式，由硬件廠商和專門的公司完成一套統(tǒng)一 OPC 接口的標(biāo)準(zhǔn)Server 程序。因此，軟件廠商按照統(tǒng)一的 OPC 標(biāo)準(zhǔn)來開發(fā) Cli