于春曉，李艷英

YU Chun-xiao, LI Yan-ying

（青島工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266300）

0 引言

隨著對(duì)環(huán)境問題的重視，我國(guó)逐步加大了對(duì)污染企業(yè)的監(jiān)控力度，對(duì)以往粗放型的鋼鐵行業(yè)也提出了新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。上海某鋼廠是國(guó)家重點(diǎn)支持的大型支柱企業(yè)集團(tuán)之一，順應(yīng)環(huán)保新形式，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和生存的迫切要求。鋼廠生產(chǎn)涵蓋煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋、水處理等工序，使用的設(shè)備眾多，操作復(fù)雜。機(jī)組控制系統(tǒng)采用西門子控制器，由于技術(shù)限制，相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行只能在定制軟件上查看，相關(guān)的報(bào)警信息僅限于HMI文字提示，極易錯(cuò)過環(huán)保設(shè)備重大故障報(bào)警，造成污染因子超標(biāo)排放。目前鋼廠已根據(jù)自身的生產(chǎn)情況，先后建立了污水排放在線監(jiān)控系統(tǒng)、1號(hào)、2號(hào)燒結(jié)煙氣在線系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等相關(guān)環(huán)保子系統(tǒng)，但各系統(tǒng)都相對(duì)獨(dú)立，數(shù)據(jù)無(wú)法融合，未能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

開發(fā)綜合性的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)保設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行及環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效統(tǒng)一管理是鋼廠迫切需要。本文基于VS.NET強(qiáng)大的面向?qū)ο缶幊汰h(huán)境及可以實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)邊界的無(wú)縫通信作用，開發(fā)鋼廠環(huán)境綜合監(jiān)控系統(tǒng)。通過結(jié)合鋼廠內(nèi)部資源，利用OPC技術(shù)和Web數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，基于VS.NET開發(fā)平臺(tái)C#語(yǔ)言和面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)方法，利用OPC技術(shù)采集現(xiàn)有子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和PLC運(yùn)行的狀態(tài)信息，開發(fā)OPC語(yǔ)音報(bào)警客戶端，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)集成存儲(chǔ)在SQL Server數(shù)據(jù)中[1]。采用Web數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，讀取相關(guān)環(huán)保子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)集成到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，以網(wǎng)站的形式發(fā)布。監(jiān)控系統(tǒng)生成多種數(shù)據(jù)報(bào)表，避免了人工抄錄、復(fù)制、統(tǒng)計(jì)多次數(shù)據(jù)信息，并且保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、一致性。

系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，利用實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)報(bào)表和趨勢(shì)圖代替人工報(bào)表，讀取PLC運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時(shí)獲得環(huán)保設(shè)備運(yùn)行情況，減小了故障率，避免了污染物的超標(biāo)排放。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)將環(huán)保子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，減少了類似“數(shù)據(jù)孤島”的存在，供環(huán)保部門管理人員一站式查看廠區(qū)環(huán)境狀況，提高了企業(yè)環(huán)境監(jiān)控管理水平，降低對(duì)環(huán)境的污染，具有良好的實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 OPC技術(shù)

OPC技術(shù)是基于Windows平臺(tái)和微軟公司的COM/DCOM組件對(duì)象模型的技術(shù)，普遍采用C/S架構(gòu)模式，旨在為工業(yè)生產(chǎn)中不同的硬件設(shè)備之間提供通信接口標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)主要適用在過程控制系統(tǒng)中解決不同硬件設(shè)備不兼容的難題，實(shí)現(xiàn)了不同硬件廠商設(shè)備構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。OPC服務(wù)器是遵循OPC技術(shù)規(guī)范開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)軟件驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序，作為傳輸橋梁從PLC中提取的數(shù)據(jù)信息再與下位機(jī)客戶端進(jìn)行通信。OPC客戶端軟件程序通過定制接口實(shí)現(xiàn)與OPC服務(wù)器的通信，讀取OPC服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)控[2]。

在本環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，將OPC服務(wù)器安裝在鋼廠內(nèi)部的服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)與底層PLC設(shè)備的通信，讀取DB塊的數(shù)據(jù)信息，環(huán)保設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通過OPC客戶端讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)重要環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)集成，通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用VS.NET平臺(tái)開發(fā)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)保設(shè)備監(jiān)控客戶端，實(shí)現(xiàn)I類環(huán)保設(shè)備、II類環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)出現(xiàn)故障的環(huán)保設(shè)備，實(shí)現(xiàn)報(bào)警點(diǎn)位置、報(bào)警信息的語(yǔ)音報(bào)警提示。軟件采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)將故障信息（包括故障時(shí)間、故障信息、故障排除的操作提示等）進(jìn)行保存，為歷史故障的查詢、分析和數(shù)據(jù)挖掘提供第一手的資料。

圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 Web數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘是從龐大模糊數(shù)據(jù)中獲得潛在有用信息的過程，Web數(shù)據(jù)挖掘是數(shù)據(jù)挖掘發(fā)展的一個(gè)分支，其主要對(duì)象是對(duì)網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)的讀取，在Web站點(diǎn)中對(duì)客戶本身有價(jià)值的信息皆可作為數(shù)據(jù)挖掘的對(duì)象，包括網(wǎng)頁(yè)文本信息（Text/HTML/XML）、各種控件信息、網(wǎng)頁(yè)超鏈接信息等。在企業(yè)信息管理中運(yùn)用Web挖掘技術(shù)搜集企業(yè)經(jīng)營(yíng)的環(huán)境信息，可以分析企業(yè)運(yùn)行狀況，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析、控制和危機(jī)預(yù)防[3]。

本系統(tǒng)鑒于鋼廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，讀取污染源監(jiān)控系統(tǒng)、廢水排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等環(huán)保子系統(tǒng)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)（廠區(qū)排放廢氣的濃度、廢水的水質(zhì)等等），采用基于HTTP協(xié)議的Web數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面抓取關(guān)鍵信息，通過對(duì)信息的數(shù)據(jù)分析及正則表達(dá)式處理將數(shù)據(jù)集成到B/S架構(gòu)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中[4]。網(wǎng)頁(yè)將請(qǐng)求的環(huán)保子系統(tǒng)廢水排放檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)站地址內(nèi)嵌到后臺(tái)的程序中，獲取內(nèi)容源碼后，按照預(yù)設(shè)的抽取規(guī)則，使用正則表達(dá)式按照字段分析，讀取出水質(zhì)站點(diǎn)的PH值、COD值、溫度以及流速等關(guān)鍵信息。有些子系統(tǒng)的網(wǎng)頁(yè)存在不完整的標(biāo)記，通過TIDY類對(duì)預(yù)先進(jìn)行修正。把數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化的形式存儲(chǔ)，對(duì)讀取數(shù)據(jù)的處理結(jié)束后，把結(jié)果轉(zhuǎn)存到新的數(shù)據(jù)表中。將數(shù)據(jù)信息嵌套到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，將不同點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并且按照對(duì)數(shù)據(jù)的不同需求進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對(duì)比、記錄故障信息以及預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)，以上數(shù)據(jù)集中顯示于環(huán)境集控中心界面。調(diào)度設(shè)置環(huán)保平臺(tái)監(jiān)控在線數(shù)據(jù)指標(biāo)，及時(shí)提取并儲(chǔ)存異常數(shù)據(jù)，供不同部門的管理人員查看廠區(qū)的環(huán)境質(zhì)量及排放情況，便于發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。具體數(shù)據(jù)挖掘過程如圖2所示。

圖2 Web數(shù)據(jù)挖掘流程圖

3 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體框架設(shè)計(jì)

圖3 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體框架圖

鋼廠環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括兩個(gè)模塊：環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)控客戶端（C/S）模塊和環(huán)境監(jiān)控中心（B/S）相關(guān)子系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的集成發(fā)布模塊，具體架構(gòu)如圖3所示，兩個(gè)模塊的數(shù)據(jù)都保存在同一個(gè)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)文件中。環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)控客戶端主要完成I類、II類環(huán)保設(shè)備底層PLC控制設(shè)備信息的讀取、處理和語(yǔ)音報(bào)警功能，采用OPC技術(shù)讀取西門子控制設(shè)備DB塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)保設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)報(bào)警提示播放語(yǔ)音文件，提醒操作人員采取相應(yīng)舉措避免故障的擴(kuò)大。環(huán)境監(jiān)控中心采用Web數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)完成環(huán)保子系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的挖掘、集成和發(fā)布，生成相關(guān)的數(shù)據(jù)報(bào)表，省去了人工抄錄的繁瑣，降低了錯(cuò)誤率。

3.2 軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的兩大模塊均采用VS.NET平臺(tái)作為開發(fā)工具，其良好的人機(jī)界面和程序代碼的高重復(fù)利用率，減少了系統(tǒng)的開發(fā)周期。環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控客戶端主要實(shí)現(xiàn)環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)截取，建立OPC與客戶端連接之后，讀取OPC Server的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而判斷運(yùn)行情況，監(jiān)控界面如圖4所示。如果環(huán)保設(shè)備故障停機(jī)時(shí)，監(jiān)控客戶端調(diào)用相應(yīng)的語(yǔ)音文件，提示操作人員，并把報(bào)警信息存入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的可追溯，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歸檔、查閱等，同時(shí)為環(huán)境監(jiān)控中心系統(tǒng)提供相關(guān)底層數(shù)據(jù)支持。由在線系統(tǒng)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，代替以往的人工錄入運(yùn)行狀況，極大減少了工作量，實(shí)現(xiàn)在線查看I類、II類環(huán)保設(shè)施運(yùn)行情況的功能。以便鋼廠環(huán)保部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，通知相關(guān)單位快速處理，減小環(huán)境污染。

環(huán)境監(jiān)控中心采用Web數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)通過Get/Post請(qǐng)求方式，獲取鋼廠相關(guān)環(huán)保子系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)[5]，讀取SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的底層數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理，將有效數(shù)據(jù)發(fā)布在網(wǎng)頁(yè)上，以文字、趨勢(shì)圖和報(bào)表的形式展示給環(huán)境管理部門人員，隨時(shí)查看廠區(qū)的空氣質(zhì)量，廢水、廢氣的排放情況（監(jiān)控界面如圖5所示），力求做到合格排放，減小對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和信息化，提高了企業(yè)環(huán)境監(jiān)察能力，為達(dá)到國(guó)家要求的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)保障。

圖4 環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控客戶端界面

圖5 環(huán)境監(jiān)控中心界面

4 實(shí)際工程應(yīng)用情況

該系統(tǒng)主要應(yīng)用于某鋼廠機(jī)組中環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行及環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控工作，把環(huán)保設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)控客戶端和環(huán)境監(jiān)控中心系統(tǒng)服務(wù)器部署在電氣操作室同一臺(tái)PC機(jī)上，監(jiān)控客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)報(bào)警提示點(diǎn)檢人員。監(jiān)控中心系統(tǒng)供相關(guān)部門人員隨時(shí)查看廠區(qū)環(huán)境情況和生產(chǎn)過程相關(guān)因子的排放情況。自2015年投入試運(yùn)行以來(lái)，鋼廠機(jī)組生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定，既方便了操作人員及時(shí)掌握機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的重要信息、及時(shí)準(zhǔn)確調(diào)整工藝參數(shù)，又大大降低了環(huán)境事故，減少了周圍群眾的投訴，和諧了廠群關(guān)系。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在VS.NET平臺(tái)的基礎(chǔ)上將OPC技術(shù)和Web

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)融合到工業(yè)以太網(wǎng)中，從現(xiàn)有西門子控制設(shè)備PLC的DB塊中截取過程控制數(shù)據(jù)和從企業(yè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)保子系統(tǒng)中截取廠區(qū)內(nèi)生產(chǎn)廢氣、廢水等關(guān)鍵排放數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、分析、監(jiān)測(cè)與報(bào)警。系統(tǒng)的在線運(yùn)行情況證明，該系統(tǒng)能夠提高企業(yè)綜合管理水平，降低了重大環(huán)境污染事故的發(fā)生，做到符合國(guó)家新的排放標(biāo)準(zhǔn)，提高了企業(yè)管理效率。

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