【文章內(nèi)容簡介】 為 我國人均 水平的 64倍 [1]。 改革開放以后 ，我國的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，同時也面臨著 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]。 根 據(jù)國家 相關(guān) 部門 的 統(tǒng)計， 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]。 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。我國是一個嚴(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 ， 大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)污水排入江河等 ， 造成了水環(huán)境污染問題 ， 使得我國的水資源需 求 更加緊張。 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 ， 也極大地制約了 我國的 經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及可持續(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]。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]。 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)展以及 各重大項(xiàng)目的建設(shè)，人們的環(huán)保意識與自我保護(hù) 意識 越來越強(qiáng)，國家對自 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)行過程的全面自動化， 可以 實(shí)水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時檢測與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 2 時 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。 其研究意義具體體現(xiàn)在： 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； 課題 開發(fā)的 報表自動生成系統(tǒng)， 解決了 水廠投入 人 量手工抄表 的工作 ， 并能及時掌握水質(zhì)情況并 對此 做出反饋 。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 對降低 水廠 的 運(yùn)行成本、提高水廠的 運(yùn)營效率意義 重大 。 課題研究的水質(zhì)評價，對于水廠在后期對處理水水質(zhì)做進(jìn)一步研究改進(jìn)提供了方法。 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) 。地球雖然 被水 覆蓋面積高達(dá)%， 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 %， 包括 江河 、 湖泊 以 及地下水。人類對 于 水資源的需求 量在不斷地擴(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。針對不同種類的 水處理過程，都會有相適應(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 ，都需要 的自動化程度較高的 處理系統(tǒng) 來完成 。 因而，自動化較好產(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)生檢測所統(tǒng)計 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) % [3]。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)。 傳統(tǒng)的自來水處理 過程，需要 多道復(fù)雜 的程序 。 經(jīng)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 。 水處理中一般選水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時檢測與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 3 用氯氣作為 消毒劑。 因?yàn)槁葰饪?溶于水， 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。整個 處理 過程 需要經(jīng)過多次水質(zhì)檢驗(yàn) 。 根據(jù)對水質(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)。 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。 課題組所在 的 自來水處理 廠 位于天津市南開區(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。 2020 年 ，在發(fā)生源水藍(lán)藻暴發(fā)事件后，天津市自來水集團(tuán)開始對 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)志著天津在城市自來水處理領(lǐng)域已 取得了新的進(jìn)展。 水廠 的 工藝改造 對水廠處理系統(tǒng)重新設(shè)計，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 加藥、氣浮、排泥、過濾等工藝操作。 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)》（ GB574985）已不能 為人民的健康提供保障 。為此，國家 的相關(guān)部門 對原有 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 GB57492020，該標(biāo)準(zhǔn)已于 2020 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]。 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) 計算公式進(jìn)行手動計算得到參數(shù)值， 最后 將一系列參水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時檢測與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 4 數(shù)值整理成當(dāng)天報表的形式， 進(jìn)行存檔查看 。 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，也不排除有計算錯誤的可能。因此實(shí)現(xiàn)水廠運(yùn)行處理過程的全面自動化，成為本課題研究的重點(diǎn)。 OPC 技術(shù)研究現(xiàn)狀 隨著計算機(jī)技術(shù) 、 工業(yè)控制等 各 方面新技術(shù)的發(fā)展，計算機(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 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模 不斷地擴(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)一個應(yīng)用軟件需要同時訪問幾個不同的硬件設(shè)備時，就需要為不同的設(shè)備留有專用的接口以及相應(yīng)的驅(qū)動程序， 因此 需要開發(fā)的現(xiàn)場 設(shè)備通訊驅(qū)動程序 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)范 ， 就可以實(shí)現(xiàn) 硬件 設(shè)備與軟件 之 間 的互操作 [13]。 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)范 ，該規(guī)范是以微軟的 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)范的數(shù)據(jù)訪問接口 [14,15]。 OPC 以面向?qū)ο鬄?原則， 將 OPC 服務(wù)器 作為一個對象封裝起來， 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 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)用范圍更 為 廣 泛 。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]。 OPC 技術(shù)的研究現(xiàn) 狀與發(fā)展趨勢 1995 年由五家 在 工業(yè)制造自動化領(lǐng)域的控制類公司所組成的 OPC 工作小組開發(fā)了 OPC 規(guī)范 ，微軟 公司 作為技術(shù)顧問 ， 給予了 大量 支持 [17]。 OPC 基金會， 于 1996 年 在美國 舉行了第一次會議 ，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 普及和 改進(jìn) OPC 數(shù)據(jù)訪問 的 標(biāo)準(zhǔn)版本 ，開始 在 全球范圍 內(nèi) 的 舉行 活動 [1820]。 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）。 與此同時 ， 歐洲 的 OPC 協(xié)會（ OPCE）也 在當(dāng)年 正式成 立 [21]。 1998 年 OPC 基金會發(fā)布了 版 OPC DA，到現(xiàn)在 已經(jīng) 發(fā)布 OPC 版 (2020 年 3 月 )。為 了 適應(yīng)不同的場合和層次， OPC 基金會還發(fā)布了大量 的 有針對性的規(guī)范 [22]。 2020 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（ OPCC）。 OPC 基金成立之后， 其 會員 在 逐年增加 ，截止到目前， 在全球范圍內(nèi) ，加入到 這個國際標(biāo)準(zhǔn) 化 組織的公司 已有近 300 家。同時 ， 由 工業(yè)控制設(shè)備廠商以及 軟水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時檢測與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 5 件供應(yīng)商提供的 OPC 產(chǎn)品也在逐年 增加，目前 出現(xiàn)在由 OPC 基金會發(fā)行的 OPC 產(chǎn)品目錄上的 OPC 服務(wù)器產(chǎn)品以及 OPC 應(yīng)用程序產(chǎn)品 已有 近 600 多種 [23]。 近年來， OPC 作為一個 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)，受到了國內(nèi)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 OPC 技術(shù)的應(yīng)用 將 越來越廣泛 [24]。 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)，在國內(nèi)外的工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng) 得到了廣泛的 普及， 其 具體應(yīng)用如下 [2527]： 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 讀取存儲在過程 中的 數(shù)據(jù)存檔文件、數(shù)據(jù)庫 以及 遠(yuǎn)程終端設(shè)備中的歷史數(shù)據(jù)。 報警和事件處理 ： 在 服務(wù)器發(fā)生異常 或是 設(shè)定事件到 時 ， 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 報警事件 ， 并 對此 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 Microsoft 的分散式組件對象模型技術(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。 水質(zhì)評價研究現(xiàn)狀 水質(zhì)評價是環(huán)境質(zhì)量