水厂运行数据实时检测与处理系统的设计与实现硕士学位论文

硕士学位论文水厂运行数据实时检测与处理系统的设计与实现学科专业：检测技术与自动化装置研究方向：计算机测控作者姓名：王海珍指导教师：廉小亲 教授所在学院：计算机与信息工程学院二一三年三月The design and implementation of waterworks operating data real-time detection and processing systemDissertation Submitted toBeijing Technology and Business Universityin Partial Fulfillment of the Requirementfor the Degree ofMaster of EngineeringbyWang Haizhen（Detection technology and Automatic equipment）Dissertation Supervisor：Professor Lian XiaoqinMarch 2013学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文授权使用声明本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间学位论文所涉及的知识产权属于北京工商大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日摘 要随着我国经济的高速发展以及人民生活水平的日益提高，居民生活的用水量逐渐增大，人们对水质的要求也越来越高。因此，倾斜资金投入重心，开展技术攻关，设法获得高品质的自来水并制定科学的水质评价体系成为自来水处理厂发展的重点。但是在实际运行过程中，由于监控系统中的水质参数和运行状态等数据不能被实时的检测和处理，水厂不但需要投入力量手工抄表，更无法及时掌握水质情况并做出反馈。所以研究水厂数据通信与处理方法，开发气浮车间报表自动生成系统，进一步研究水质评价方法，对降低运行成本、提高水厂运营效率有重大意义。本文首先描述了自来水厂自控系统以及网络架构，分析了自来水处理的工艺流程，进而设计了运行数据实时检测与处理系统的总体方案。论文包含如下工作： 1、基于OPC技术，采用Client/Server模式，借助Rslinx通讯软件构建服务器，通过开发OPC客户程序，采集OPC服务器中的数据，实现服务器与各PLC控制站之间的数据通信；2、针对通信从净化车间、加氯间、加氨间内的采集到原始数据，研究获得各类水质、水量、药耗、电耗等参数值的数据处理方法，并利用系统保存到本地数据库中；3、对客户端进行界面设计和功能开发，实现日报表、月报表和年报表的查询与导出，并可以依据报表数据生成曲线趋势图；4、根据生活饮用水卫生标准，利用BP算法对水质进行建模研究，并针对算法的缺陷，提出改进方法，通过实验仿真进行验证。目前本文提出的水厂运行数据实时检测与处理系统已经成功地应用于天津某自来水厂中。该系统的成功运行不仅减轻了工作人员繁杂重复的工作内容，也使得水厂的信息综合化水平得到提高。关键词：自来水处理；OPC；Rslinx；神经网络；自动化报表 AbstractAs the rapid growth of Chinese economic and the improvement of Chinese peoples living standards, residents water consumption become larger and larger while people expecting high 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 monitoring 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 efficiency 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 gives 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 standards, adopted Client/Server Mode, a server is built by Rslinx from 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 parameter of water quality, water volume, drug consumption and power consumption.(3) In the client, designed and developed software, to realize daily, monthly and annual reports query and output. Moreover, users can check parameter curve tendency chart generated by the program intuitively.(4) According 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 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.Key Words : water treatment, opc, rslinx, neural network, aotumatic report目录第1章 绪论11.1 选题背景11.2 选题的目的和意义11.3 相关技术研究状况21.3.1 水处理行业现状21.3.2 水厂技术现状与现存问题31.3.3 OPC技术研究现状41.3.4 水质评价研究现状51.4 本文的研究内容及结构71.5 本章小结8第2章 系统总体方案设计92.1 水处理的工艺流程及水厂网络架构92.1.1 自来水处理工艺流程92.1.2 水厂网络监控系统介绍102.2 系统功能需求分析112.3 系统方案设计122.4 本章小结14第3章 数据通信与处理系统的设计与实现153.1 通信系统设计153.1.1 通信原理概述153.1.2 通信系统的实现机制173.1.3 OPC服务器183.1.4 OPC客户端的开发203.2数据预处理243.2.1 数据来源243.2.2 数据的计算方法243.3 数据库设计293.4 本章小结30第4章 气浮自动报表生成系统的设计与实现314.1 报表方案分析314.2 系统架构设计324.3 软件功能实现334.3.1 查询功能334.3.2 手动输入功能334.3.3 用户管理功能354.3.4 日志记录功能354.3.5 报表导出功能364.4 本章小结37第5章 基于改进BP神经网络的水质评价研究385.1 BP神经网络概述385.1.1 BP神经网络的结构385.1.2 BP学习算法385.1.3 BP算法的缺点与改进405.2 基于改进BP神经网络水质评价模型的建立415.2.1 水质检测数据与评价标准的选取415.2.2 网络结构的确定415.2.3 学习算法的选择435.2.4 网络模型的训练435.3 基于改进BP神经网络水质评价模型的应用435.3.1 模型应用435.3.2 实验仿真435.3.3 结果分析435.4 本章小结46第6章 总结与展望476.1 课题总结476.2 课题展望47参考文献49附录A 标签表51附录B BP算法设计代码55攻读硕士学位期间发表的论文58致谢6462水厂运行数据实时检测与处理系统的设计与实现第1章 绪论1.1 选题背景水是人类赖以生存的宝贵资源，是国家实现可持续发展的重要物质基础。目前，我国的水资源总量约为28000亿，其中河川的年平均流量约为27115亿，居于世界第六位，排在巴西(69500亿)、前苏联(65400亿)、美国(30560亿)、加拿大(29114亿)以及印尼的(28113亿)之后。在我国，人均所占有的河川年径流量大约为2327，仅为世界人均占有的河川年径流量1/4，而加拿大是世界人均占有河川年径流量最高的国家，其人均占有量高达14.93万，约为我国人均水平的64倍1。改革开放以后，我国的经济迅速发展，同时也面临着非常严峻的生态环境问题，各地域的水体普遍污染严重2。根据国家相关部门的统计，在我国约有82%的河流受到了不同程度的污染；有近40%的河段已不适合做饮用水的水源；在城市水域中，不适合做饮用水水源的河段已达到78%；有约一半的城市地下水也受到了污染3。水资源作为一种不可替代的自然资源，在社会经济发展和人民日常生活中占有重要地位。我国是一个严重缺水的国家,为了获取水源，很多地区都巨额投资进行引水。与此同时，大量的工业、农业污水排入江河等，造成了水环境污染问题，使得我国的水资源需求更加紧张。近年来，随着我国城市化的迅速发展，大量人口的迁移和集中，使得局部地区缺水现象和水资源分布不均之间的矛盾日益加剧，也极大地制约了我国的经济建设以及可持续发展战略。随着水环境受到工业、农业污染的日益严重，使得这些水质越来越难以作为居民生活饮用的水源，进而形成了水质性缺水。由此可见，我国的饮用水面临着资源短缺和水质变差的双重挑战，其中水质变差较为严重，全国约有5417%的人口饮用不安全的水4。世界卫生组织指出，人类80%的疾病与饮用水不干净有关。所以，水质的好坏不仅直接影响到人民的健康安全，还关系到国民的生活品质。为了保护水资源，维护水域的生态功能，满足人类的用水需求，全面提高的水质要求，供水行业开始大规模投资建设或改造净化水厂，采取净化措施使水质的各项指标维持在适宜水平5-8。1.2 选题的目的和意义随着我国改革开放、经济的快速发展以及各重大项目的建设，人们的环保意识与自我保护意识越来越强，国家对自来水水质指标的要求也越来越严格。在这种情况下，我国的自来水处理行业得到了较快发展。目前，课题组所在的自来水处理厂的自控系统已经得到了改进与发展，净化车间的技术已经达到了先进水平。为了要实现水厂水处理运行过程的全面自动化，可以实时监控水处理过程的运行状态、查看处理水中各类水质、水位、水量以及药耗电耗等指标，因此构建一套运行数据实时检测与处理系统是自来水处理厂在今后运行和管理的关键。其研究意义具体体现在：1、本课题促进OPC通信技术在工业控制领域的应用；2、课题开发的报表自动生成系统，解决了水厂投入人量手工抄表的工作，并能及时掌握水质情况并对此做出反馈。该系统的实现对降低水厂的运行成本、提高水厂的运营效率意义重大。3、课题研究的水质评价，对于水厂在后期对处理水水质做进一步研究改进提供了方法。1.3 相关技术研究状况1.3.1 水处理行业现状二十世纪中期，随着全球人口数目的不断增长，工农业的发展也越来越迅速，而全球的水环境状况不断地恶化，水处理问题开始出现。地球虽然被水覆盖面积高达70.8%，然而人类可使用的淡水资源却非常地有限，人类真正可以使用的水仅占地球总水量的0.26%，包括江河、湖泊以及地下水。人类对于水资源的需求量在不断地扩充，而日趋污染的水资源已不能满足人类的需求。随着我国公共事业体制的不断改革，水处理行业开始引起人们的高度重视。水处理通常包括两方面，即污水处理与净水处理。针对不同种类的水处理过程，都会有相适应的处理流程和水质要求。随着工业废水不断向河流、湖泊等流入，国家对污水处理的要求不仅仅停留在将其净化使之无害，还希望经过处理的污水可以循环回收，加以利用，或是将废水净化中产生的热能被再次利用。而这些水处理的要求和步骤，都需要的自动化程度较高的处理系统来完成。因而，自动化较好产品就成为水厂的一大选择9。目前，我国的自来水厂仍然采用传统的处理工艺，不能有效地去除微量污染物，尤其是有机污染物。致使一些有害物质，包括致癌、致畸、致突变等微量有机物残留在饮用水中。1997年，中国环境卫生检测所统计的资料显示，目前依照我国现行的生活饮用水卫生标准来看，饮用水质不达标的人口比例高达76.1% 3。随着城乡一体化规划的实施以及供水需求的快速增加，为了解决这一严重的供需矛盾，加强自来水厂净水处理能力，使其能够用作生活饮用水的水源，以克服清洁水源短缺的困扰，已成为社会关注的热点。传统的自来水处理过程，需要多道复杂的程序。经过专业设备处理后的自来水才可放心饮用，其处理过程如下： 首先，从江河等淡水资源中把水抽取到水厂，然后经过水体沉淀、加药净化、处理水过滤、氯气消毒、滤后水入库，最后输送到城市自来水管道中。水处理中一般选用氯气作为消毒剂。因为氯气可溶于水，并与水结合生成次氯酸，次氯酸在在消毒过程中起重要的作用，经过处理的自来水最后分流到用户的龙头。整个处理过程需要经过多次水质检验。根据对水质的不同要求，还需二次加压、消毒等，才能进入用户家庭。目前，课题组研究所在的自来水处理厂经过技术改造，采用全新的处理设备和工艺流程，已得到优质水质。1.3.2 水厂技术现状与现存问题随着科学技术的不断发展，各行各业的机械化和自动化程度不断提高，自动控制技术越来越广泛地应用到社会的各个方面，尤其是在大规模生产的工厂中，可以大大地减少操作人员的工作程序。课题组所在的自来水处理厂位于天津市南开区，是为该市的370万居民提供日用水的三家水厂之一，拥有着百余年的悠久历史。2000年，在发生源水蓝藻暴发事件后，天津市自来水集团开始对水厂的进行改造，经改造后的水厂日供水量提高了近一倍，其供水量和优质水质标志着天津在城市自来水处理领域已取得了新的进展。1、水厂的工艺改造对水厂处理系统重新设计，采用溶气气浮技术。经加药后的自来水进入絮凝池，与溶气水混合接触，使絮凝物粘附在细微气泡上，然后进入气浮池，絮凝物在气浮力的作用下浮向水面形成浮渣，下层的澄清水进入澄清水渠，其中一部分回流作溶气水使用，进入溶气系统，剩余的清水直接进入滤池单元。气浮池水面上的浮渣聚集到一定厚度以后，进入到污泥池排出。创建自来水处理的新工艺流程。水厂处理的每一个阶段都可通过网络监控系统进行监控，并实现自动加药、气浮、排泥、过滤等工艺操作。2、自来水处理的相关标准随着经济的发展，人口数量的逐渐增加，我国的不少地区出现水源短缺的情况，城市中的饮用水水源受到了严重地污染，居民的生活饮用水也面临着威胁。因此，于1985年颁布的生活饮用水卫生标准（GB5749-85）已不能为人民的健康提供保障。为此，国家的相关部门对原有的饮用水标准进行了修订，并联合发布了新的国家标准，即GB5749-2006，该标准已于2007年7月1日实施起来。新标准的修订是国家保障居民安全饮用水的重要举措。新标准中不仅加强了对水质中微生物、有机物以及水质消毒等方面的要求，而且将城镇与农村的饮用水标准进行了统一，使我国的饮用水卫生标准和国际接轨11。 3、目前水厂存在的问题经过处理的自来水，操作人员想要得到处理水中各项参数指标，需要通过上位机组态界面抄写原始数据，再依据计算公式进行手动计算得到参数值，最后将一系列参数值整理成当天报表的形式，进行存档查看。水厂操作人员每日进行这一重复过程，不仅降低了水厂的运行效率，也不排除有计算错误的可能。因此实现水厂运行处理过程的全面自动化，成为本课题研究的重点。1.3.3 OPC技术研究现状随着计算机技术、工业控制等各方面新技术的发展，计算机监控系统也由集中式监控向分布式的方向发展。近年来，随着计算机监控系统规模不断地扩大，不同硬件厂商生产的现场设备种类也随之增加，这样产生了新的问题，当一个应用软件需要同时访问几个不同的硬件设备时，就需要为不同的设备留有专用的接口以及相应的驱动程序，因此需要开发的现场设备通讯驱动程序也越来越多。而OPC技术的出现，只要求不同厂商遵循OPC规范，就可以实现硬件设备与软件之间的互操作13。1、OPC技术简介OPC，全称为Object Linking and Embeding (OLE) for Process Control，是一组标准的接口规范，该规范是以微软的OLE/COM技术为基础定义的并且与厂商无关。该技术的出现，解决了现场设备管理层和其过程管理层间的通讯问题。它为不同的现场设备与软件应用程序间，提供了统一规范的数据访问接口14,15。OPC以面向对象为原则，将OPC服务器作为一个对象封装起来，客户以统一的方式来调用，使得客户从低层的开发中完全脱离出来，保证了软件对客户的透明性。OPC实现了应用程序的分布与系统硬件设备无关，使得系统的应用范围更为广泛。采用OPC规范，便于系统的组态化，将系统的复杂性大大简化，缩短了软件开发的周期，提高了软件运行的可靠性、稳定性以及开放性16。2、OPC技术的研究现状与发展趋势1995年由五家在工业制造自动化领域的控制类公司所组成的OPC工作小组开发了OPC规范，微软公司作为技术顾问，给予了大量支持17。OPC基金会，于1996年在美国举行了第一次会议，并于同年10月在美国的芝加哥宣告正式成立。成立之后为了进一步普及和改进OPC数据访问的标准版本，开始在全球范围内的举行活动18-20。1997年，由11家日本公司作为发起人，开始准备成立基金会的活动，并在同年10月成立了日本OPC协会（OPC-J）。与此同时，欧洲的OPC 协会（OPC-E）也在当年正式成立21。1998年OPC基金会发布了2.0版OPC DA，到现在已经发布OPC DA3.0版(2004年3月)。为了适应不同的场合和层次，OPC基金会还发布了大量的有针对性的规范22。2001年12月我国与OPC基金会合作成立了OPC中国基金会，即OPC促进会（OPC-C）。OPC基金成立之后，其会员在逐年增加，截止到目前，在全球范围内，加入到这个国际标准化组织的公司已有近300家。同时，由工业控制设备厂商以及软件供应商提供的OPC产品也在逐年增加，目前出现在由OPC基金会发行的OPC产品目录上的OPC服务器产品以及OPC应用程序产品已有近600多种23。近年来，OPC作为一个已经成型的、应用于过程控制领域的软硬件接口间的数据通讯标准，受到了国内外工控行业的极大重视。无论是作为系统的集成商、硬软件的开发商还是普通用户，在控制领域中对OPC技术的应用将越来越广泛24。3、OPC技术的应用目前，OPC技术已成为许多新型控制系统的核心技术，在国内外的工业控制领域已经得到了广泛的普及，其具体应用如下25-27：数据采集技术：OPC技术广泛应用于数据采集中。由于OPC实现了工业控制设备与应用程序之间的数据读写操作，许多厂商所提供的产品都带有标准的OPC接口，这样，OPC客户端的应用程序就可以通过此接口来完成数据的采集。历史数据访问：OPC提供了一种方法，利用该方法可以读取存储在过程中的数据存档文件、数据库以及远程终端设备中的历史数据。报警和事件处理：在服务器发生异常或是设定事件到时，OPC提供了一种向其客户发送通知的机制，通过使用该技术，可以很好地捕捉到过程控制中的各类报警事件，并对此做相应的处理。数据冗余技术：在工业控制的软件开发中，冗余是一项非常重要的技术，它是保证系统能够长期稳定工作的条件。使用OPC技术不仅实现了软件冗余，而且使其具有很好的开放性和互操作性。远程数据访问：OPC通过借助Microsoft的分散式组件对象模型技术，实现了远程数据高效地访问能力，从而使工业控制软件间的数据交换更加方便。1.3.4 水质评价研究现状水质评价是环境质量评价的一个重要组成部分，自20世纪60年代 Jacobe提出水体质量评价的水质指数概念和公式以来，许多学者对水质评价方法进行了深入研究，使水质评价进入了一个新的发展阶段，使评价结果更加科学全面。目前评价水质的方法有很多，下面介绍几种常用的方法28。(1) 单因子评价法单因子评价法也称为单项指数法，就是用单个评价因子的监测结果与评价标准进行比较，得出各自的达标率。其定义为：（其中表示第种污染物实测浓度，代表第种污染物的评价标准）。每项水质监测的参数依据国家地面水环境质量标准确定水质类别，在评价类别中选择最差水质类别作为该区域的水质状况等级。水质参数指数大于1时，即表明该水质已超过了规定的标准，不能满足水体功能要求。单因子指数法只能表示一种污染物对水质造出的污染程度，所以，根据单一因子来评定水质，在一定程度上并不能反映水质的整体情况。由此可见，单因子评价法为最基本的评价方法29。(2) 综合指数评价法在求单项指数的基础上，经过数学运算加上其他指标，得到水质的一个综合结果，并据此对水质进行分类，这是二十世纪六、七十年代研究应用较多的水质评价方法。由于对分类指数的处理方式不同，指数法也存在着较多的计算形式。如迭加法、加权法等。在这些不同形式的指数中，有不少要涉及到评价因子的权重匹配问题。权重的取值直接影响到水质评价的结果，因此该类方法的评价结果具有很强的主观性，而且各种指数形式也存在着不能与国家统一的水质类别相一致的情况。所以，这样的评价结果只能定性地表明污染程度，而具体类别的确定还是十分困难的30。(3) 模糊理论评价法模糊是指不清晰或是由不确定性因素造成的一种状态。水环境中污染程度、水质类别就存在着许多模糊概念和不确定的因素，所以水质标准及其级别的划分也存在着一定的模糊性，这样将模糊数学的概念应用到水质评价体系中，更符合评价的客观要求。目前在这方面具有代表性的研究方法有：模糊概率法、综合指数法以及模糊综合评判法等，其中模糊综合评判法的应用较多。(4) 灰色评价法灰色系统是由我国学者邓聚龙教授首先提出并创立的，该理论为研究少量数据或是不确定的信息问题提供了一种新方法。灰色系统理论是把类似于这种“部分信息已知、部分未知”的“小样本”等不确定性系统作为研究对象，通过对已知部分信息的生成、开发、提取，实现对整个系统运行行为、演化规律的正确描述和有效监控。虽然灰色理论的发展时间较短，但却具有很强的生命力，而且它研究的信息具有不完全性和不确定性，使得该理论在水环境模拟、预测、评价以及水质规划等各领域得到了普遍的应用。灰色理论在水质模拟及预测方面的运用是在它实测的时序数据基础上，根据灰色系统的建模原理建立水质的灰色模拟模型，进行水质预测。根据灰色系统理论，引入各评价等级的白化函数，通过计算比较各评价对象对不同等级的白化值作出评价。灰色评价方法注意到评价等级之间存在的不确切性以及不同污染因子监测值的不完全性，这都符合了水环境评价的客观实际情况。但白化函数的建立与模糊数学中隶属函数建立有相似之处，也有一定的主观性，难以通用31。(5) 人工神经网络评价法水质等级评价，实际上是一个模式识别问题。由于影响水质的因素有很多，而评价指标与水质等级之间是一种非线性关系，所以水质评价的方法仍属于研究探索阶段。人工神经网络是二十世纪中旬迅速发展起来的一门前沿性交叉学科，它试图模拟人脑的基本特征，以数学和物理方法以及信息处理的角度对人脑神经网络进行抽象，并建立某种简化的模型。因其具有很好的学习性、自适应性以及容错性能，目前已广泛用于模式识别、系统辨识等领域32-33。近年来，国内外许多学者对人工神经网络在水质等级评价方面的应用进行了探索与研究，其方向主要集中在水质评价和水环境预测两个方面。在水质评价方法，一些学者将BP神经网络模型应用到水质评价方法的探讨与实现中，其实验结果表明将人工神经网络应用于此，适应性强且评价结果客观合理34-44。1.4 本文的研究内容及结构本文基于OPC技术，采用Client/Server模式，借助Rslinx通讯软件构建服务器，通过开发OPC客户程序采集OPC服务器中的数据，实现服务器与各PLC控制站之间的数据通信；针对获取到的各类原始数据，对其进行计算处理得到各类参数小时、天、月以及年度值并存到数据库中。设计并开发气浮自动报表生成系统，可实时检测水处理过程中的各类数据，并将结果存到Excel报表中。根据生活饮用水卫生标准，对水质参数评价进行建模，为水厂进一步评定水质奠定基础。论文的主要内容如下，图1.1为本文研究的结构图：图1.1 本文研究结构图本文的研究内容主要包括以下几个方面：第1章 绪论。介绍了自来水处理领域的现状、课题组所在的自来水处理厂的发展现状和现存问题，学习了数据通信与水质评价的技术方法，确定课题的研究内容和其现实意义。第2章 系统总体方案设计。通过对自来水处理厂的自控系统、网络架构以及水处理工艺流程的学习，进而对本系统要实现的功能进行分析，最后确定了本文研究的总体方案。第3章 数据通信与处理系统的设计与实现。本章基于OPC通信技术，采用Client/Server的模式实现了服务器对PLC控制站中数据的读取，并存到本地数据库中，针对采集数据，通过水厂提供资料，研究获得各类水质、水量、药耗、电耗等参数值的数据处理方法。第4章 气浮自动报表生成系统的设计与实现。设计并实现气浮自动报表生成系统，实现对水质、水位、水量、药耗电耗等数据的读取，并对数据进行管理和分析，最后存到Excel报表。该系统功能齐全、界面友好。第5章 基于改进BP算法神经网络水质评价模型的建立。本章首先介绍了BP神经网络的基本概念，分析了其网络结构和学习算法，针对BP算法本身的不足，结合其在水处理水质评价中的具体应用，对其改进方法进行了研究。根据生活饮用水卫生标准，采用基于改进BP算法对水质等级评价进行研究，为水厂水质的进一步研究奠定了基础。第6章 总结与展望。本章进行课题总结和展望，概括了本课题所取得的结果和结论以及发现的问题，并对系统的后续完善并作出展望。1.5 本章小结本章首先以自来水处理在人们日常生活中的应用为背景，通过分析水厂行业现状，针对水处理技术特点及现存问题，引出了课题研究的目的及意义。最后，基于OPC通信技术和水质评价的一些方法，研究并提出本文的主要研究内容及架构。第2章 系统总体方案设计本文的研究内容为水厂运行数据实时检测与处理系统。在对本系统进行设计之前，需要对水厂的自控系统、自来水处理的工艺流程以及水厂的网络架构有总体的认识和全面的把握。本文基于OPC通信技术，实现了服务器与净化车间、加氯间以及加氨间内的各PLC控制站之间的通信，并将其中的水质参数、水位参数、生产运行参数以及药耗、电耗等参数值采集到服务器的数据库中。针对采集到的各类原始数据作进一步处理得到水厂需要的参数值。根据报表的设计方案，将处理后的参数形成日报表、月报表和年报表，并在客户端开发报表软件，为水厂实现了各类报表的显示与导出，并在后期对水质评价进行了研究。2.1 水处理的工艺流程及水厂网络架构2.1.1 自来水处理工艺流程水厂工艺流程如图2.1所示。下面对自来水处理的流程进行简单的介绍。图2.1 水厂工艺流程总图在净化车间的入口，原水进入到进水干渠，用水泵向原水中加氯气和三氯化铁或者聚合氯化铝。之后伴有加药的原水进入到进水室中，向水中投加高分子聚合物和石灰，并快速搅拌。经处理过的加药原水通过进水渠进入各絮凝池，在絮凝器的搅拌作用下，水中的杂质开始絮凝。接着让絮凝后的水进入气浮池，与气浮池中由溶气系统产生的溶气水混合。絮凝产物被溶气水中的空气吸附到气浮池水的表面，气浮池下层的澄清水进入澄清水渠，而后澄清水通过循环泵进入溶气系统或是直接进到滤池单元。 每隔一段时间，PLC系统会要求气浮池排泥，气浮水表面的絮凝物被安装在气浮池上的高压水阀喷射水冲入排泥槽中。滤池中的水在进入接触池前加入氯气和氨气进行消毒，最后经过消毒的净水进入到接触池，送入城市供水管道系统。2.1.2 水厂网络监控系统介绍水厂中的控制站和监控点之间都是通过EtherNet/IP网、ControlNet网和DeviceNet网进行数据通信与传送，网络监控系统如图2.2所示。图2.2 网络监控系统图净化车间、加氯间和加氨间内的PLC与上位机之间的通讯是通过控制网(ControlNet)实现的。ControlNet需要使用通讯服务软件Rslinx实现PLC和上位机的实时通讯。Rslinx提供了OPC/DDE数据访问服务，实现了上位机对PLC的实时监视与控制。数据访问以访问标签的形式进行，所以需要严格按照命名规范对标签进行定义。PLC之间的通讯通过控制网(ControlNet)来实现。AB公司的ControlLogix系统本身就具有通讯模块，它利用独特的ControlBus底板创建通信网关。ControlBus是一种高性能的无源多主总线，在同一机架上的任何模块和所有模块之间充当传递信息包的管道作用。1、以太网EtherNet/IP网络采用有源星形拓扑结构，在这个拓扑结构里，设备组是按点对点连接到交换机。交换机提供虚拟连接，有助于控制网络碰撞并减少网络堵塞。在一个控制应用中，实时数据访问对时间是有苛刻要求的，因此采用的是网络交换机。星形拓扑结构支持10Mbps和100Mbps产品，而且它的接线简单，易于调试或查找故障，容易维护。2、控制网ControlNet网是一个用于传送I/O数据以及消息数据，包括组态数据，程序上传/下载以及对等通信的实时控制网络，这些数据都在一个物理介质链路上进行传送。ControlNet网络因其可以预测数据何时发送，所以具有高度的确定性和可靠性。用户可以将各种设备连接到ControlNet网中，包括个人的计算机、驱动器、控制器、操作员设备接口、I/O模块等，以及其他可以与ControlNet连接的设备。ControlNet通讯模块通过桥接ControlNet链路传递消息给其他网络上的设备，比如EtherNet/IP、DeviceNet等。3、设备网DeviceNet网络是一种开放的底层通讯链路，可为简单的工业设备与高级设备之间提供相应的连接。基于标准的CAN（Control Area Network）技术，这种开放的网络提供了多厂商设备之间的互操作性。DeviceNet的扫描器模块为DeviceNet设备与ControlLogix机架之间的接口。扫描器模块通过网络与DeviceNet设备进行通讯，实现：从设备中读输入数据和向设备写输出数据；为其设备下载组态中数据；监视各设备的工作状态。2.2 系统功能需求分析课题组所在水厂的自控系统是由一个中心控制站、三个系统监控点和八个PLC控制站。其中，PLC1-PLC6控制站位于净化车间内，PLC7控制站位于加氯车间内， PLC8控制站位于加氨车间，各控制站对其间的设备进行监控。下面列出控制站PLC1-PLC8的监控范围：PLC1控制站：A、B线原水管道、进水室、加药间三氯化铁、聚合氯化铝投加系统、液体聚合物投加系统、原水氯气投加系统等。PLC2控制站：A线气浮池；反冲洗排水池；空压机系统；氯、氨投加量的计算和PID调节系统；滤池管廊排水系统；滤后服务水系统等。PLC3控制站：B线气浮池；滤池反冲洗系统；滤池水质监测系统；接触池参数检测；加氯服务水系统；变配电室参数检测等。PLC4控制站：石灰投加系统；粉末聚合物投加系统；盐酸投加系统等。PLC5控制站：No.1-No.5、No.12-No.16滤池。PLC6控制站：No.6-No.11、No.17-No.22滤池。PLC7控制站，前加氯和后加氯投加系统。PLC8控制站，滤后加氨系统。课题研究的对象是上述位于水厂净化车间、加氯间和加氨间内的各个控制站中各类运行参数，针对这些运行参数，采用OPC通信技术，对其进行采集、处理、显示与导出。因此该系统按其实现功能可划分为三个部分，即数据通信与处理、报表自动生成以及水质评价。1、数据通信与处理目前水厂净化车间、加氯间、加氨间内的各PLC控制站中的原始数据已经通过ControlNet以及通讯服务软件Rslinx传输到中心控制室的计算机中。本文要实现的数据通信与处理为： 在服务器中安装并配置Rslinx通讯服务软件，构建OPC服务器。 根据标签设置，将水厂中心控制室的三台计算机中的Rslinx数据同步到服务器的Rslinx中。 开发OPC客户端应用程序，读取OPC服务器中的数据并将其存到本地数据库中。 根据水厂提供资料，研究获得各类水质、水量、药耗、电耗等参数值的数据处理方法，并将计算参数存到本地数据库中。2、报表自动生成依据水厂检测参数性质，将其进行分类，制定报表的设计方案。气浮报表依据时间分为日报表、月报表和年报表三类。根据参数性质，将日报表、月报表和年报表做进一步划分。日报表可分为水质检测日报表、生产运行日报表、水位检测日报表和药耗电耗日报表。月报表可分为水量月报表、消耗指标月报表、气浮池处理水指标月报表、气浮池滤池运行状况月报表、运行台时设备月报表。年报表可分为水质年报表、水量年报表和消耗年报表。根据报表方案，设计气浮报表自动生成系统。该系统应具备数据查询功能、手动输入功能、用户管理功能以及日志记录功能。3、水质评价通过对水厂各车间内水质参数的采集与处理，水厂操作人员可根据经验判断当天水质是否符合饮用标准，然而这样的判断仅针对于有经验的操作人员，而缺乏经验的人并不能作出判断。因此对水厂处理后的水质作进一步研究，对其进行水质评价，也是本课题研究的内容之一。本文针对处理水中的水质，根据生活饮用水卫生标准，采用改进的BP神经网络算法，对水质评价作了进一步研究。2.3 系统方案设计通过对系统功能需求的分析，制定了本课题的研究方案。本文根据系统功能分两大块进行设计，即客户端和服务器。服务器主要实现的是数据的采集与处理，客户端主要实现气浮报表的自动生成系统以及对水质评价模型的研究。系统方案设计如图2.3所示。图2.3 系统方案设计图下面简单介绍服务器和客户端要实现的功能。1、服务器可将服务器功能分为三个部分，即数据通信、数据库设计和数据处理。其功能架构如图2.4所示。图2.4 服务器功能框架 数据通信本文数据通信是基于OPC技术，采用Client/Server的模式，实现了服务器与下位PLC控制站之间的通信，将车间内各类数据采集到服务器中。在服务器中安装并配置Rslinx通讯服务软件作为OPC服务器。根据标签设置，将水厂中心控制室的三台计算机中Rslinx实时更新的数据同步到服务器的Rslinx中。开发OPC客户端的程序，读取OPC服务器中的数据并将其存到本地数据库中。 数据库设计根据功能需求中设计的报表方案，在数据库中创建分成六类报表，即原始数据报表、日报表、月报表、年报表、工作人员登记表以及手动输入报表。又因各类报表中有较多的参数，故在数据库中建立数据表83张，便于对数据的访问。 数据处理通过通信采集到的原始数据并非水厂检验的实际参数，要想获得报表中的各类参数，需对采集的原始数据作一步处理。依照水厂提供资料，针对三氯化铁、聚合氯化铝、液体聚合物、加氯量等参数，研究其计算方法，并将计算结果并存到数据库中。根据各类型报表，针对不同的报表采用不同方法对月报表进行处理，具体实现本文将在相应章节给出。年报表是对月报表的一个统计，通过对月报表的累加得到。2、客户端客户端要实现两个功能，气浮报表的自动生成系统和水质评价系统。其功能架构如图2.5所示。气浮报表自动生成系统，通过对服务器数据库中的数据进行调用从而实现报表的显示与导出，并根据查看报表操作人员的权限，设置不同的登录页面以及查询功能。根据国家标准，对水质评价方法进行研究，便于水厂日后工作的改进。图2.5 客户端功能框架2.4 本章小结本章首先介绍了自来水处理的工艺流程，研究了水厂的自控系统和网络架构，确定了本系统的功能需求。在水厂水处理流程与控制网络的基础上，完成了总体方案的设计，包括客户端模块和服务器模块。其中，服务器模块设计主要包括基于OPC通信技术的数据通信模块、数据库模块及数据处理模块，客户端模块设计主要完成气浮报表的自动生成功能及水质评价功能。第3章 数据通信与处理系统的设计与实现目前水厂自控系统下位设备中的原始数据已经通过ControlNet以及通讯服务软件Rslinx传输到中心控制室的计算机中。本章结合了水厂原有的网络架构和数据的传输机制，采用基于OPC的通信技术来实现了服务器与各PLC控制站之间的通信，并将其中的运行参数、水质、水位等值采集到服务器的数据库中，针对采集的各类原始数据作进一步处理，得到水厂需要的参数值。3.1 通信系统设计3.1.1 通信原理概述OPC是为过程控制而专门设计的OLE技术，由世界技术处于领先地位的公司，即相关的自动化的软硬件公司与微软公司联合建立的，还同时成立了专门的OPC基金会。OPC基金会的成立，对于OPC规范的制定和管理有了更好的制度45,46。针对不同硬件设备的驱动程序，OPC给出了统一的标准。它采用典型的Client/Server模式，由硬件厂商和专门的公司完成一套统一OPC接口的标准Server程序。因此，软件厂商按照统一的OPC标准来开发Client程序访问Server，就可实现与硬件设备之间的通信。OPC技术的本质是采用了COM/DCOM（组件对象模型/分布式组件对象模型）技术。COM是一种通讯协议，该协议是为了要实现软件的复用及互操作。DCOM是COM技术在分布式计算领域的扩展，使COM可以支持在局域网、广域网、Internet中不同的计算机中的对象之间进行通讯。COM标准为组件软件和与应用程序之间的通讯提供了统一规范的标准，规定了组件之间的通讯机制。由于COM技术的语言无关性，在实现时并不需要特定的语言及操作系统，只要依照COM规范进行开发即可47。1、OPC规范OPC规范由世界主要自动化设备厂商与微软公司协商制定，为不同供应商的设备与应用程序间实现了接口的标准化。它把软件开发商与硬件供应商分开，在设备、数据库等数据源和客户之间建立联系，为解决统一标准问题提供了方案48。表3.1介绍了几个常用OPC规范：2、OPC基本对象OPC服务器由三类对象组成，即服务器（Server），组（Group）和项（Item）。Server对象负责创建和管理Group、管理Server内部的状态信息，浏览服务器内部的组织结构，将服务器中的错误译成描述性的语句等。Group对象负责管理Group内部状态信息，创建和管理Item对象，并且完成OPC服务器内部中数据的实时存取服务。在OPC中，数据是以组为单位进行传输的。同一个组中的Item对象的数据源可以在表3.1常用OPC规范规范内容备注Data Access数据存储规范提供访问实时数据的方法Alarm & Event报警和事件规范提供各种报警事件机制Historical Data Access历史数据访问规范提供通用的历史数据引擎Batch批量过程规范提供存取实时批量数据和设备信息的方法Security安全性规范提供专门机制保护敏感数据OPC XML DA过程数据的XML规范对于使用XML暴露现场层数据提供了灵活、稳定的原则和格式不同的现场设备中。这样就为客户把经常访问的一些Item对象放在一个Group中进行管理提供了方便。客户可以对组进行读写, 也可以设置客户端数据的更新频率。Server和Group都是标准的COM对象，与客户程序的交互需要这两种对象完成。服务器对象：它包含一个服务器中所有的信息，同时它也作为组对象的容器。一个服务器应该对应一个OPC Server，即一种设备驱动。在一个Server里，可以创建若干个组。组对象：包含本组所有的信息，也可以管理OPC的数据项。OPC的组对象为客户提供一种组织数据的方法，它是应用程序中组织数据的单位。当服务器里缓冲区中的数据发生变化时，OPC会自动地向客户发出通知，客户接到通知后对其进行处理，这样就不用浪费大量的时间进行查询。OPC规范定义了两类组对象，即公共组和局部组。公共组可由多个客户所共有，而局部组只归一个OPC客户所有。公共组对连接到服务器上的所有应用程序均有效，而局部组只对建立它的客户有效。项对象：项是进行读写数据的一个最小逻辑单位，它必须存在一个组中，而不能脱离它独立存在。在每一个组对象中，客户可以根据需要添加多个OPC的数据项。OPC的数据项通常是指设备的一个寄存器单元或是寄存器的某一位。OPC客户都是通过它的数据项来完成对设备寄存器的各种操作的。OPC的数据项并不能够提供对外的接口，所以客户不能直接对它进行操作，其所有操作都必须通过数据组来进行。在一个数据组中，客户可以添加多个OPC的数据项。3、OPC接口OPC规范含有两套接口，即定制接口和自动化接口。定制接口效率较高，客户可以通过此接口，将OPC服务器的性能最好的发挥出来，一般采用高级语言编程的客户都会使用定制接口方案；使用VB编程语言的客户一般会选择自动化接口，自动化接口所提供的是自动平台配置以及存取过程控制中数据的接口，该接口的使用使得客户的应用程序变得简单。4、OPC交互方式OPC客户端与其服务器的交互包括两个方面：一个是客户端程序从服务器读取数据；另一个是客户端向服务器写入数据。客户端程序读取数据有两种方式：同步和异步。同步通讯时，OPC客户端向其服务器进行请求时，必须等到其服务器对应的响应全部完成之后才能返回，在此期间它一直处于等待状态。因此在进行同步通讯的时候，如果有大量数据需要同时操作或是有很多OPC的客户端对其服务器进行操作时，就会对OPC的客户端造成阻塞。因此，同步通讯只适用于OPC客户端较少、数据量也较小的场合。异步通讯时，OPC的客户端向其服务器发出请求后便立刻返回，客户端可以进行其他操作，不用等待服务器对它的响应，待OPC服务器完成响应后，再通知OPC客户端。因此异步通讯相对于同步通讯，效率更高一些。3.1.2 通信系统的实现机制水厂的通信系统采用OPC的客户端/服务器模式，通过读取本地OPC服务器来实现数据通信。水厂的中心控制室有三