蒸汽管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

南寧學(xué)院 黃 贏 鄧鵬鷹

蒸汽管網(wǎng)廣泛運(yùn)用于石化，冶金，工礦，家居等領(lǐng)域，蒸汽管網(wǎng)流量數(shù)據(jù)的完整性，精確性和一致性對(duì)這些領(lǐng)域的安全生產(chǎn)，企業(yè)效益都起到非常重要的意義。為此設(shè)計(jì)一款基于Visual Studio.NET的蒸汽管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)可計(jì)算蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)，監(jiān)控流量數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)特性，經(jīng)驗(yàn)分布，經(jīng)過(guò)水力熱力計(jì)算模型校準(zhǔn)一測(cè)量變量，估算未測(cè)變量，最后通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)輸出完整、精確、一致性良好的蒸汽管網(wǎng)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)對(duì)企業(yè)蒸汽管網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析和研究具有重要的意義。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)由蒸汽管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算值，歷史數(shù)據(jù)構(gòu)成，針對(duì)熱力學(xué)性質(zhì)，歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性，利用單變量統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制法對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控校準(zhǔn)，利用Taylor展開結(jié)合多元回歸計(jì)算管網(wǎng)泄漏與損耗的流量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)計(jì)算，最后輸出精確完整一致的有效數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)選擇的開發(fā)平臺(tái)是Visual Studio.NET和MATLAB，Visual Studio.NET較為強(qiáng)大的開發(fā)工具，Visual Studio.NET提供了用戶界面設(shè)計(jì)功能、編碼、編譯調(diào)試、數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)接操作等基本功能和基于開放架構(gòu)的服務(wù)器組件開發(fā)平臺(tái)，Visual Studio.NET界面友好，操作簡(jiǎn)單。MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，本系統(tǒng)通過(guò)MATLAB計(jì)算水蒸氣的熱力學(xué)性質(zhì)，用Visual Studio.NET調(diào)用其數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連接與呈現(xiàn)。

3 系統(tǒng)總體框架與功能設(shè)計(jì)

蒸汽管網(wǎng)流量監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)OPC客戶端從蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)提取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，報(bào)警模塊對(duì)正在進(jìn)行監(jiān)控的溫度，壓力，流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)打印報(bào)表，對(duì)于正常的流量數(shù)據(jù)，將于計(jì)算模型獲取得的流量數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)調(diào)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)，對(duì)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控和協(xié)調(diào)后的數(shù)據(jù)都通過(guò)實(shí)時(shí)顯示模塊進(jìn)行顯示。軟件總體框架結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 軟件總體框架結(jié)構(gòu)圖

軟件由以下幾大功能模塊組成：

①OPC客戶端模塊：從蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)中提取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

②實(shí)時(shí)顯示模塊：顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控的溫度、壓力、流量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；顯示數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)模塊中的測(cè)量數(shù)據(jù)，真實(shí)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)。

③數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊：存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)。

④報(bào)警模塊：對(duì)異常的壓力，溫度流量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警。

⑤歷史曲線模塊：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)信息繪制歷史曲線。

⑥打印報(bào)表模塊：用戶可以根據(jù)需求打印自己所需要的數(shù)據(jù)報(bào)表。

各模塊具體設(shè)計(jì)如下：

（1）OPC客戶端模塊設(shè)計(jì)

OPC服務(wù)器通常支持兩種類型的訪問(wèn)接口，它們分別為不同的編程語(yǔ)言環(huán)境提供訪問(wèn)機(jī)制。這兩種接口是：自動(dòng)化接口（Automation interface）；自定義接口（Custom interface）。自動(dòng)化接口通常是為基于腳本編程語(yǔ)言而定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以使用VisualBasic、Delphi、PowerBuilder等編程語(yǔ)言開發(fā)OPC服務(wù)器的客戶應(yīng)用。對(duì)于實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)從OPCClient從各個(gè)系統(tǒng)的OPCServer中獲取。

該軟件與其他系統(tǒng)交互方式也是通過(guò)OPC將用戶需要的中間計(jì)算數(shù)據(jù)和最終協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)通過(guò)OPC發(fā)布出來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。OPC客戶端程序的工作流程圖如圖3所示。

圖3 OPC客戶端工作流程圖

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊分為實(shí)時(shí)庫(kù)和歷史庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的是管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)提供歷史數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)方案是獲取OPC客戶端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用一個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)獲取各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，申請(qǐng)內(nèi)存空間，依次將讀取的數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)的內(nèi)存空間即可。

（3）報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊的作用是對(duì)超出極限的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警模塊主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)區(qū)域，分別為安全區(qū)，調(diào)節(jié)區(qū)和報(bào)警區(qū)，整個(gè)工作區(qū)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)劃分為上限、下限、上上限、下下限。上限和下限間的區(qū)域定義為安全區(qū)，低于下下限和高于上上限的區(qū)域定義為報(bào)警區(qū)，報(bào)警區(qū)和安全區(qū)之間的區(qū)域?yàn)檎{(diào)節(jié)區(qū)，落于安全區(qū)的數(shù)據(jù)用綠色顯示，落于調(diào)節(jié)區(qū)的數(shù)據(jù)用黃色顯示，落于報(bào)警區(qū)的數(shù)據(jù)用紅色顯示進(jìn)行報(bào)警。數(shù)據(jù)的監(jiān)控劃分用單變量統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的方法進(jìn)行。報(bào)警流程圖如圖4所示。

圖4 報(bào)警流程圖

（4）歷史曲線模塊設(shè)計(jì)

歷史曲線是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，通過(guò)歷史曲線工作和研究人員能夠直觀的觀察蒸汽管網(wǎng)中數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。也可以根據(jù)溫度，壓力和流量的曲線變化規(guī)律查找管網(wǎng)中存在的問(wèn)題。歷史曲線模塊的設(shè)計(jì)方案是先從日志文件中選擇數(shù)據(jù)，選擇對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的時(shí)間段，自動(dòng)調(diào)整時(shí)間抽來(lái)顯示曲線的比例，讀取文件數(shù)據(jù)并且存入堆內(nèi)存，自動(dòng)調(diào)整Y抽顯示比例，最后計(jì)算屏幕坐標(biāo)點(diǎn)用直線連接起來(lái)，顯示歷史曲線。繪制歷史曲線工作流程圖如圖5所示。

圖5 歷史曲線工作流程圖

歷史曲線繪制的關(guān)鍵是顯示比例的計(jì)算，坐標(biāo)點(diǎn)的計(jì)算入公式(1)所示。

其中d(x)d(y)代表某點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，Δt為前后時(shí)間的差，simpletime為采樣時(shí)間，t總為終止時(shí)間與起始時(shí)間的差，pix_X為橫坐標(biāo)的像素點(diǎn)，時(shí)間抽以秒為單位。通過(guò)公式算法自動(dòng)調(diào)整顯示比例使曲線顯示于相應(yīng)的窗口內(nèi)。

4 軟件主操作界面程序

系統(tǒng)操作界面如圖6數(shù)據(jù)監(jiān)控主界面，如圖7數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)主界面所示，在數(shù)據(jù)監(jiān)控主界面，可以觀察實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，觀看歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線，打印歷史數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史報(bào)警報(bào)表。在數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)主界面上能觀察到流量數(shù)據(jù)的真實(shí)測(cè)量值，測(cè)量流量值和協(xié)調(diào)流量值和一些相關(guān)操作。

圖6 數(shù)據(jù)監(jiān)控主界面

圖7 數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)主界面

蒸汽管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)集成OPC客戶端，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，報(bào)警模塊，實(shí)時(shí)顯示模塊于一體，不僅能有效的對(duì)蒸汽管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)生成歷史報(bào)警記錄，打印歷史數(shù)據(jù)表，而且通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)算法對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，輸出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能顯示出測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)際數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，便于蒸汽管網(wǎng)工作和研究人員使用，系統(tǒng)功能多樣，界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，對(duì)提高蒸汽管網(wǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度和優(yōu)化具有非常重要的意義。