【正文】 ..............43 實(shí)驗(yàn)仿真 ......................................................................................................43 結(jié)果分析 ......................................................................................................43 本章小結(jié) ................................................................................................................46第 6 章 總結(jié)與展望 ............................................................................................................47 課題總結(jié) ................................................................................................................47 課題展望 ................................................................................................................47參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................49附錄 A 標(biāo)簽 表 ....................................................................................................................51附錄 B 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致謝 ......................................................................................................................................64水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1第 1 章 緒論 選題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)。論文包含如下工作： 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；針對通信從凈化車間、加氯間、加氨間內(nèi)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；對客戶端進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)日報(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)生成曲線趨勢圖；根據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，利用 BP 算法對水質(zhì)進(jìn)行建模研究，并針對算法的缺陷，提出改進(jìn)方法，通過實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。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)評價(jià)體系成為自來水處理廠發(fā)展的重點(diǎn)。本聲明的法律后果完全由本人承擔(dān)。碩 士 學(xué) 位 論 文水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)科專業(yè) ：檢測技術(shù)與自動化裝置研究方向 ：計(jì)算機(jī)測控作者姓名 ：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)院二〇一三年三月The design and implementation of waterworks operating data realtime 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 2022學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：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。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北京工商大學(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)位論文所涉及的知識產(chǎn)權(quán)屬于北京工商大學(xué)。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)的檢測和處理，水廠不但需要投入力量手工抄表，更無法及時(shí)掌握水質(zhì)情況并做出反饋。目前本文提出的水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測與處理系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于天津某自來水廠中。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 )、前蘇聯(lián)(65400 億 )、美國(30560 億 )、3加拿大(29114 億 )以及印尼的(28113 億 )之后。水資源作為一種不可替代的自然資源，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民日常生活中占有重要地位。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。為了保護(hù)水資源，維護(hù)水域的生態(tài)功能，滿足人類的用水需求，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 [58]。為了要實(shí)現(xiàn)水廠水處理運(yùn)行過程的全面自動化，可水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2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、水量以及藥耗電耗等指標(biāo)，因此構(gòu)建一套運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測與處理系統(tǒng)是自來水處理廠在今后運(yùn)行和管理的關(guān)鍵。 相關(guān)技術(shù)研究狀況 水處理行業(yè)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，水處理問題開始出現(xiàn)。水處理通常包括兩方面，即污水處理與凈水處理。因而，自動化較好產(chǎn)品就成為水廠的一大選擇 [9]。隨著城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃的實(shí)施以及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，已成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)。因?yàn)槁葰饪扇苡谒?，并與水結(jié)合生成次氯酸，次氯酸在在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。 水廠技術(shù)現(xiàn)狀與現(xiàn)存問題隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的機(jī)械化和自動化程度不斷提高，自動控制技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到社會的各個(gè)方面，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)的工廠中，可以大大地減少操作人員的工作程序。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。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。新標(biāo)準(zhǔn)中不僅加強(qiáng)了對水質(zhì)中微生物、有機(jī)物以及水質(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]。 OPC 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。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。采用 OPC 規(guī)范，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)定性以及開放性 [16]。1997 年，由 11 家日本公司作為發(fā)起人，開始準(zhǔn)備成立基金會的活動，并在同年 10 月成立了日本 OPC 協(xié)會（OPCJ ） 。2022 年 12 月我國與 OPC 基金會合作成立了 OPC 中國基金會，即 OPC 促進(jìn)會水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5（OPCC） 。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 OPC 技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛 [24]。報(bào)警和事件處理：在服務(wù)器發(fā)生異?；蚴窃O(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，并對此做相應(yīng)的處理。 水質(zhì)評價(jià)研究現(xiàn)狀水質(zhì)評價(jià)是環(huán)境質(zhì)量評價(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)量評價(jià)的水質(zhì)指數(shù)概念和公式以來，許多學(xué)者對水質(zhì)評價(jià)方法進(jìn)行了深入研究，使水質(zhì)評價(jià)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，使評價(jià)結(jié)果更加科學(xué)全面。每項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測的參數(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。(2) 綜合指數(shù)評價(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)評價(jià)方法。權(quán)重的取值直接影響到水質(zhì)評價(jià)的結(jié)果，因此該類方法的評價(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。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)法以及模糊綜合評判法等，其中模糊綜合評判法的應(yīng)用較多?；疑碚撛谒|(zhì)模擬及預(yù)測方面的運(yùn)用是在它實(shí)測的時(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。(5) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法水質(zhì)等級評價(jià)，實(shí)際上是一個(gè)模式識別問題。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)等級評價(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)評價(jià)和水環(huán)境預(yù)測兩個(gè)方面。根據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，對水質(zhì)參數(shù)評價(jià)進(jìn)行建模，為水廠進(jìn)一步評定水質(zhì)奠定基礎(chǔ)。通過對自來水處理廠的自控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及水處理工藝流程的學(xué)習(xí)，進(jìn)而對本系統(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。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)氣浮自動報(bào)表生成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)、水位、水量、藥耗電耗等數(shù)據(jù)的讀取，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，最后存到 Excel 報(bào)表。根據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，采用基于改進(jìn) BP 算法對水質(zhì)等級評價(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)。最后，基于OPC 通信技術(shù)和水質(zhì)評價(jià)的一些方法，研究并提出本文的主要研究內(nèi)容及架構(gòu)。針對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。圖 水廠工藝流程總圖在凈化車間的入口，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。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廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)10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。圖 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)圖凈化車間、加氯間和加氨間內(nèi)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。PLC 之間的通訊通過控制網(wǎng)(ControlNet) 來實(shí)現(xiàn)。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。ControlNet 網(wǎng)絡(luò)因其可以預(yù)測數(shù)據(jù)何時(shí)發(fā)送，所以具有高度的確定性和可靠性?；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。其中，PLC1PLC6 控制站位于凈化車間內(nèi)，PLC7 控制站位于加氯車間內(nèi)， PLC8 控制站位于加氨車間，各控制站對其間的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。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。PLC8 控制站，濾后加氨系統(tǒng)。本文要實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)通信與處理為：① 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。報(bào)表自動生成依據(jù)水廠檢測參數(shù)性質(zhì)，將其進(jìn)行分類，制定報(bào)表的設(shè)計(jì)方案。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)行臺時(shí)設(shè)備月報(bào)表。水質(zhì)評價(jià)通過對水廠各車間內(nèi)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)天水質(zhì)是否符合飲用標(biāo)準(zhǔn)，然而這樣的判斷僅針對于有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，而缺乏經(jīng)驗(yàn)的人并不能作出判斷。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。根據(jù)標(biāo)簽設(shè)置，將水廠中心控制室的三臺計(jì)算機(jī)中 Rslinx 實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器