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(编辑修改稿)

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(编辑修改稿)内容摘要：

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 [58]。 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 实水厂运行数据实时检测与处理系统的设计与实现 2 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： 本课题促进 OPC 通信技术在工业控制领域的应用； 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。 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。 相关 技术 研究 状况 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%， 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 %， 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 % [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。 水处理中一般选水厂运行数据实时检测与处理系统的设计与实现 3 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。 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。 2020 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。 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。 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》（ GB574985）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 GB57492020，该标准已于 2020 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]。 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 将一系列参水厂运行数据实时检测与处理系统的设计与实现 4 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。 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]。 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]。 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 [1820]。 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（ OPCJ）。 与此同时 ， 欧洲 的 OPC 协会（ OPCE）也 在当年 正式成 立 [21]。 1998 年 OPC 基金会发布了 版 OPC DA，到现在 已经 发布 OPC 版 (2020 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]。 2020 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（ OPCC）。 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 软水厂运行数据实时检测与处理系统的设计与实现 5 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]。 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 [2527]： 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。 水质评价研究现状 水质评价是环境质量。