蒸汽管網監控系統的設計與實現

南寧學院 黃 贏 鄧鵬鷹

蒸汽管網廣泛運用于石化，冶金，工礦，家居等領域，蒸汽管網流量數據的完整性，精確性和一致性對這些領域的安全生產，企業效益都起到非常重要的意義。為此設計一款基于Visual Studio.NET的蒸汽管網監控系統，系統可計算蒸汽熱力學性質，監控流量數據，根據歷史數據，統計特性，經驗分布，經過水力熱力計算模型校準一測量變量，估算未測變量，最后通過數據協調輸出完整、精確、一致性良好的蒸汽管網數據。該系統對企業蒸汽管網數據的分析和研究具有重要的意義。

1 系統整體方案設計

系統數據庫由蒸汽管網現場實時數據，蒸汽熱力學性質計算值，歷史數據構成，針對熱力學性質，歷史數據，根據統計特性，利用單變量統計過程控制法對實時數據進行監控校準，利用Taylor展開結合多元回歸計算管網泄漏與損耗的流量，對數據進行協調計算，最后輸出精確完整一致的有效數據。該系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統整體設計方案

2 系統開發平臺

系統選擇的開發平臺是Visual Studio.NET和MATLAB，Visual Studio.NET較為強大的開發工具，Visual Studio.NET提供了用戶界面設計功能、編碼、編譯調試、數據庫聯接操作等基本功能和基于開放架構的服務器組件開發平臺，Visual Studio.NET界面友好，操作簡單。MATLAB具有強大的數值計算功能，本系統通過MATLAB計算水蒸氣的熱力學性質，用Visual Studio.NET調用其數據從而實現數據的連接與呈現。

3 系統總體框架與功能設計

蒸汽管網流量監控系統通過OPC客戶端從蒸汽管網系統提取實時數據，錄入數據庫，系統對實時數據運行進行監控，報警模塊對正在進行監控的溫度，壓力，流量等數據進行監控，對異常數據進行報警，同時打印報表，對于正常的流量數據，將于計算模型獲取得的流量數據通過協調算法進行數據協調，對數據協調后的數據進行存儲，系統的實時運行數據的監控和協調后的數據都通過實時顯示模塊進行顯示。軟件總體框架結構圖如圖2所示。

圖2 軟件總體框架結構圖

軟件由以下幾大功能模塊組成：

①OPC客戶端模塊：從蒸汽管網系統中提取實時數據。

②實時顯示模塊：顯示實時監控的溫度、壓力、流量現場數據；顯示數據協調模塊中的測量數據，真實數據，協調數據。

③數據庫管理模塊：存儲實時數據，歷史數據。

④報警模塊：對異常的壓力，溫度流量數據進行監控和報警。

⑤歷史曲線模塊：根據歷史數據信息繪制歷史曲線。

⑥打印報表模塊：用戶可以根據需求打印自己所需要的數據報表。

各模塊具體設計如下：

（1）OPC客戶端模塊設計

OPC服務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準接口，可以使用VisualBasic、Delphi、PowerBuilder等編程語言開發OPC服務器的客戶應用。對于實時測量數據，通過從OPCClient從各個系統的OPCServer中獲取。

該軟件與其他系統交互方式也是通過OPC將用戶需要的中間計算數據和最終協調的數據通過OPC發布出來實現數據交互。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）數據庫管理模塊設計

數據庫管理系統數據庫模塊分為實時庫和歷史庫，實時數據庫存儲的是管網現場數據，歷史數據庫存儲提供歷史數據。實時數據庫的設計方案是獲取OPC客戶端的實時數據，用一個結構體來獲取各項數據信息，申請內存空間，依次將讀取的數據存放到相應的內存空間即可。

（3）報警模塊設計

報警模塊的作用是對超出極限的異常數據進行報警，報警模塊主要劃分為三個區域，分別為安全區，調節區和報警區，整個工作區根據歷史數據和經驗劃分為上限、下限、上上限、下下限。上限和下限間的區域定義為安全區，低于下下限和高于上上限的區域定義為報警區，報警區和安全區之間的區域為調節區，落于安全區的數據用綠色顯示，落于調節區的數據用黃色顯示，落于報警區的數據用紅色顯示進行報警。數據的監控劃分用單變量統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）歷史曲線模塊設計

歷史曲線是根據歷史數據進行繪制，通過歷史曲線工作和研究人員能夠直觀的觀察蒸汽管網中數據的變化規律，從而對數據進行預處理。也可以根據溫度，壓力和流量的曲線變化規律查找管網中存在的問題。歷史曲線模塊的設計方案是先從日志文件中選擇數據，選擇對應數據的時間段，自動調整時間抽來顯示曲線的比例，讀取文件數據并且存入堆內存，自動調整Y抽顯示比例，最后計算屏幕坐標點用直線連接起來，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

歷史曲線繪制的關鍵是顯示比例的計算，坐標點的計算入公式(1)所示。

其中d(x)d(y)代表某點的橫坐標和縱坐標，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為橫坐標的像素點，時間抽以秒為單位。通過公式算法自動調整顯示比例使曲線顯示于相應的窗口內。

4 軟件主操作界面程序

系統操作界面如圖6數據監控主界面，如圖7數據協調主界面所示，在數據監控主界面，可以觀察實時監控數據，觀看歷史曲線和實時曲線，打印歷史數據報表和歷史報警報表。在數據協調主界面上能觀察到流量數據的真實測量值，測量流量值和協調流量值和一些相關操作。

圖6 數據監控主界面

圖7 數據協調主界面

蒸汽管網監控系統集成OPC客戶端，實時數據庫，歷史數據庫，數據監控模塊，報警模塊，實時顯示模塊于一體，不僅能有效的對蒸汽管網數據進行實時監控，監控到的異常數據進行報警，同時生成歷史報警記錄，打印歷史數據表，而且通過數據協調算法對流量數據進行協調，輸出準確數據，系統能顯示出測量數據，實際數據，協調數據，便于蒸汽管網工作和研究人員使用，系統功能多樣，界面簡潔，操作簡單，對提高蒸汽管網的實時調度和優化具有非常重要的意義。