南寧學(xué)院 黃 贏 鄧鵬鷹

蒸汽管網(wǎng)廣泛運用于石化，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)計一款基于Visual Studio.NET的蒸汽管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)可計算蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)，監(jiān)控流量數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計特性，經(jīng)驗分布，經(jīng)過水力熱力計算模型校準(zhǔn)一測量變量，估算未測變量，最后通過數(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

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由蒸汽管網(wǎng)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，蒸汽熱力學(xué)性質(zhì)計算值，歷史數(shù)據(jù)構(gòu)成，針對熱力學(xué)性質(zhì)，歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計特性，利用單變量統(tǒng)計過程控制法對實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控校準(zhǔn)，利用Taylor展開結(jié)合多元回歸計算管網(wǎng)泄漏與損耗的流量，對數(shù)據(jù)進行協(xié)調(diào)計算，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)計方案

2 系統(tǒng)開發(fā)平臺

系統(tǒng)選擇的開發(fā)平臺是Visual Studio.NET和MATLAB，Visual Studio.NET較為強大的開發(fā)工具，Visual Studio.NET提供了用戶界面設(shè)計功能、編碼、編譯調(diào)試、數(shù)據(jù)庫聯(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，Visual Studio.NET界面友好，操作簡單。MATLAB具有強大的數(shù)值計算功能，本系統(tǒng)通過MATLAB計算水蒸氣的熱力學(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

蒸汽管網(wǎng)流量監(jiān)控系統(tǒng)通過OPC客戶端從蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)提取實時數(shù)據(jù)，錄入數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)運行進行監(jiān)控，報警模塊對正在進行監(jiān)控的溫度，壓力，流量等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，對異常數(shù)據(jù)進行報警，同時打印報表，對于正常的流量數(shù)據(jù)，將于計算模型獲取得的流量數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)算法進行數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)，對數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)后的數(shù)據(jù)進行存儲，系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)的監(jiān)控和協(xié)調(diào)后的數(shù)據(jù)都通過實時顯示模塊進行顯示。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)中提取實時數(shù)據(jù)。

②實時顯示模塊：顯示實時監(jiān)控的溫度、壓力、流量現(xiàn)場數(shù)據(jù)；顯示數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)模塊中的測量數(shù)據(jù)，真實數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)。

③數(shù)據(jù)庫管理模塊：存儲實時數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)。

④報警模塊：對異常的壓力，溫度流量數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和報警。

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)報表。

各模塊具體設(shè)計如下：

（1）OPC客戶端模塊設(shè)計

OPC服務(wù)器通常支持兩種類型的訪問接口，它們分別為不同的編程語言環(huán)境提供訪問機制。這兩種接口是：自動化接口（Automation interface）；自定義接口（Custom interface）。自動化接口通常是為基于腳本編程語言而定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以使用VisualBasic、Delphi、PowerBuilder等編程語言開發(fā)OPC服務(wù)器的客戶應(yīng)用。對于實時測量數(shù)據(jù)，通過從OPCClient從各個系統(tǒng)的OPCServer中獲取。

該軟件與其他系統(tǒng)交互方式也是通過OPC將用戶需要的中間計算數(shù)據(jù)和最終協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)通過OPC發(fā)布出來實現(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)庫管理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模塊分為實時庫和歷史庫，實時數(shù)據(jù)庫存儲的是管網(wǎng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)庫存儲提供歷史數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方案是獲取OPC客戶端的實時數(shù)據(jù)，用一個結(jié)構(gòu)體來獲取各項數(shù)據(jù)信息，申請內(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）報警模塊設(shè)計

報警模塊的作用是對超出極限的異常數(shù)據(jù)進行報警，報警模塊主要劃分為三個區(qū)域，分別為安全區(qū)，調(diào)節(jié)區(qū)和報警區(qū)，整個工作區(qū)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗劃分為上限、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)域定義為報警區(qū)，報警區(qū)和安全區(qū)之間的區(qū)域為調(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，落于報警區(qū)的數(shù)據(jù)用紅色顯示進行報警。數(shù)據(jù)的監(jiān)控劃分用單變量統(tǒng)計過程控制的方法進行。報警流程圖如圖4所示。

圖4 報警流程圖

（4）歷史曲線模塊設(shè)計

歷史曲線是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行繪制，通過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，從而對數(shù)據(jù)進行預(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)中存在的問題。歷史曲線模塊的設(shè)計方案是先從日志文件中選擇數(shù)據(jù)，選擇對應(yīng)數(shù)據(jù)的時間段，自動調(diào)整時間抽來顯示曲線的比例，讀取文件數(shù)據(jù)并且存入堆內(nèi)存，自動調(diào)整Y抽顯示比例，最后計算屏幕坐標(biāo)點用直線連接起來，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)鍵是顯示比例的計算，坐標(biāo)點的計算入公式(1)所示。

其中d(x)d(y)代表某點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，Δt為前后時間的差，simpletime為采樣時間，t總為終止時間與起始時間的差，pix_X為橫坐標(biāo)的像素點，時間抽以秒為單位。通過公式算法自動調(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，可以觀察實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，觀看歷史曲線和實時曲線，打印歷史數(shù)據(jù)報表和歷史報警報表。在數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)主界面上能觀察到流量數(shù)據(jù)的真實測量值，測量流量值和協(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，實時數(shù)據(jù)庫，歷史數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，報警模塊，實時顯示模塊于一體，不僅能有效的對蒸汽管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，監(jiān)控到的異常數(shù)據(jù)進行報警，同時生成歷史報警記錄，打印歷史數(shù)據(jù)表，而且通過數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)算法對流量數(shù)據(jù)進行協(xié)調(diào)，輸出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能顯示出測量數(shù)據(jù)，實際數(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，界面簡潔，操作簡單，對提高蒸汽管網(wǎng)的實時調(diào)度和優(yōu)化具有非常重要的意義。