基于VS.NET的某钢厂环境监控系统设计与实现

于春晓，李艳英

YU Chun-xiao, LI Yan-ying

（青岛工学院 机电工程学院，青岛 266300）

0 引言

随着对环境问题的重视，我国逐步加大了对污染企业的监控力度，对以往粗放型的钢铁行业也提出了新的环保标准。上海某钢厂是国家重点支持的大型支柱企业集团之一，顺应环保新形式，是实现可持续发展和生存的迫切要求。钢厂生产涵盖炼铁、炼钢、热轧、冷轧、水处理等工序，使用的设备众多，操作复杂。机组控制系统采用西门子控制器，由于技术限制，相关设备的运行只能在定制软件上查看，相关的报警信息仅限于HMI文字提示，极易错过环保设备重大故障报警，造成污染因子超标排放。目前钢厂已根据自身的生产情况，先后建立了污水排放在线监控系统、1号、2号烧结烟气在线系统、视频监控系统、空气质量在线监测系统等相关环保子系统，但各系统都相对独立，数据无法融合，未能实现统一管理。

开发综合性的环境监控系统，实现环保设备的远程自动监控运行及环境监测数据的有效统一管理是钢厂迫切需要。本文基于VS.NET强大的面向对象编程环境及可以实现跨技术边界的无缝通信作用，开发钢厂环境综合监控系统。通过结合钢厂内部资源，利用OPC技术和Web数据挖掘技术，基于VS.NET开发平台C#语言和面向对象的程序开发方法，利用OPC技术采集现有子系统的网络数据和PLC运行的状态信息，开发OPC语音报警客户端，将关键数据集成存储在SQL Server数据中[1]。采用Web数据挖掘技术，读取相关环保子系统的网络数据，将数据集成到环境监控系统中，以网站的形式发布。监控系统生成多种数据报表，避免了人工抄录、复制、统计多次数据信息，并且保证了数据准确性、一致性。

系统的实际运行结果表明，利用实时的数据报表和趋势图代替人工报表，读取PLC运行状态数据，及时获得环保设备运行情况，减小了故障率，避免了污染物的超标排放。环境监控系统将环保子系统的数据集成，减少了类似“数据孤岛”的存在，供环保部门管理人员一站式查看厂区环境状况，提高了企业环境监控管理水平，降低对环境的污染，具有良好的实际应用推广价值。

1 OPC技术

OPC技术是基于Windows平台和微软公司的COM/DCOM组件对象模型的技术，普遍采用C/S架构模式，旨在为工业生产中不同的硬件设备之间提供通信接口标准。该技术主要适用在过程控制系统中解决不同硬件设备不兼容的难题，实现了不同硬件厂商设备构成的复杂系统的数据集成。OPC服务器是遵循OPC技术规范开发的标准软件驱动应用程序，作为传输桥梁从PLC中提取的数据信息再与下位机客户端进行通信。OPC客户端软件程序通过定制接口实现与OPC服务器的通信，读取OPC服务器提供的数据，实现对工业生产过程的监控[2]。

在本环境监测系统中，将OPC服务器安装在钢厂内部的服务器上，实现与底层PLC设备的通信，读取DB块的数据信息，环保设备监控系统通过OPC客户端读取OPC服务器中的数据，进而实现重要环保设备运行状态的数据集成，通讯系统结构如图1所示。利用VS.NET平台开发环境监控系统的环保设备监控客户端，实现I类环保设备、II类环保设备运行状态的实时监控，对出现故障的环保设备，实现报警点位置、报警信息的语音报警提示。软件采用SQL Server数据库将故障信息（包括故障时间、故障信息、故障排除的操作提示等）进行保存，为历史故障的查询、分析和数据挖掘提供第一手的资料。

图1 通信系统结构图

2 Web数据挖掘技术

数据挖掘是从庞大模糊数据中获得潜在有用信息的过程，Web数据挖掘是数据挖掘发展的一个分支，其主要对象是对网页数据的读取，在Web站点中对客户本身有价值的信息皆可作为数据挖掘的对象，包括网页文本信息（Text/HTML/XML）、各种控件信息、网页超链接信息等。在企业信息管理中运用Web挖掘技术搜集企业经营的环境信息，可以分析企业运行状况，进行风险分析、控制和危机预防[3]。

本系统鉴于钢厂内部网络的安全性和可靠性，读取污染源监控系统、废水排放监测系统等环保子系统的关键网络数据（厂区排放废气的浓度、废水的水质等等），采用基于HTTP协议的Web数据挖掘技术从网络页面抓取关键信息，通过对信息的数据分析及正则表达式处理将数据集成到B/S架构的环境监控系统中[4]。网页将请求的环保子系统废水排放检测系统网站地址内嵌到后台的程序中，获取内容源码后，按照预设的抽取规则，使用正则表达式按照字段分析，读取出水质站点的PH值、COD值、温度以及流速等关键信息。有些子系统的网页存在不完整的标记，通过TIDY类对预先进行修正。把数据以结构化的形式存储，对读取数据的处理结束后，把结果转存到新的数据表中。将数据信息嵌套到环境监控系统中，将不同点的采样数据进行整合，并且按照对数据的不同需求进行实时显示、与标准指标对比、记录故障信息以及预测未来趋势，以上数据集中显示于环境集控中心界面。调度设置环保平台监控在线数据指标，及时提取并储存异常数据，供不同部门的管理人员查看厂区的环境质量及排放情况，便于发现问题及时处理。具体数据挖掘过程如图2所示。

图2 Web数据挖掘流程图

3 环境监控系统设计

3.1 总体框架设计

图3 环境监控系统整体框架图

钢厂环境监控系统包括两个模块：环保设备运行状况监控客户端（C/S）模块和环境监控中心（B/S）相关子系统关键数据的集成发布模块，具体架构如图3所示，两个模块的数据都保存在同一个SQL数据库文件中。环保设备运行状况监控客户端主要完成I类、II类环保设备底层PLC控制设备信息的读取、处理和语音报警功能，采用OPC技术读取西门子控制设备DB块的状态数据，对环保设备实时状态的数据分析，自动报警提示播放语音文件，提醒操作人员采取相应举措避免故障的扩大。环境监控中心采用Web数据挖掘技术完成环保子系统网页关键数据的挖掘、集成和发布，生成相关的数据报表，省去了人工抄录的繁琐，降低了错误率。

3.2 软件系统功能设计

环境监控系统的两大模块均采用VS.NET平台作为开发工具，其良好的人机界面和程序代码的高重复利用率，减少了系统的开发周期。环保设备运行状态监控客户端主要实现环保设备运行状态的数据截取，建立OPC与客户端连接之后，读取OPC Server的实时数据，从而判断运行情况，监控界面如图4所示。如果环保设备故障停机时，监控客户端调用相应的语音文件，提示操作人员，并把报警信息存入SQL数据库中，实现报警信息的可追溯，以及数据存储、归档、查阅等，同时为环境监控中心系统提供相关底层数据支持。由在线系统获取相关数据，实时读取现场环保设备的运行状态，代替以往的人工录入运行状况，极大减少了工作量，实现在线查看I类、II类环保设施运行情况的功能。以便钢厂环保部门及时发现问题，通知相关单位快速处理，减小环境污染。

环境监控中心采用Web数据挖掘技术通过Get/Post请求方式，获取钢厂相关环保子系统的关键数据[5]，读取SQL数据库中环保设备运行状态的底层数据，通过对数据的分析、处理，将有效数据发布在网页上，以文字、趋势图和报表的形式展示给环境管理部门人员，随时查看厂区的空气质量，废水、废气的排放情况（监控界面如图5所示），力求做到合格排放，减小对环境的污染，实现环境状况监测的自动化和信息化，提高了企业环境监察能力，为达到国家要求的环境标准提供数据保障。

图4 环保设备运行状态监控客户端界面

图5 环境监控中心界面

4 实际工程应用情况

该系统主要应用于某钢厂机组中环保设备的运行及环境数据监控工作，把环保设备运行情况监控客户端和环境监控中心系统服务器部署在电气操作室同一台PC机上，监控客户端实时监控设备的运行状态，及时报警提示点检人员。监控中心系统供相关部门人员随时查看厂区环境情况和生产过程相关因子的排放情况。自2015年投入试运行以来，钢厂机组生产持续稳定，既方便了操作人员及时掌握机组运行状态的重要信息、及时准确调整工艺参数，又大大降低了环境事故，减少了周围群众的投诉，和谐了厂群关系。

5 结束语

本系统在VS.NET平台的基础上将OPC技术和Web

数据挖掘技术融合到工业以太网中，从现有西门子控制设备PLC的DB块中截取过程控制数据和从企业现有网络环保子系统中截取厂区内生产废气、废水等关键排放数据，实现对厂区环境信息的实时采集、分析、监测与报警。系统的在线运行情况证明，该系统能够提高企业综合管理水平，降低了重大环境污染事故的发生，做到符合国家新的排放标准，提高了企业管理效率。

[1]张其雄.基于OPC技术的热控系统性能评价软件开发[D].河北：华北电力大学,2012.

[2]OPC Foundation.OPC Data Access Custom Interface Standard version 2.05.[R].2001：21-26.

[3]邵丽萍,肖世德.新一代Web开发技术ASP.NET的发展与探析[J].微计算机信息,2005,01：190-192.

[4]胡双,陆涛,胡建华.基于Web服务的SAS与.NET系统集成开发研究[J].计算机与现代化,2014,04：126.

[5]黄玲.在电子商务中应用Web数据挖掘的研究[D].湖南大学,2014.