一、 項(xiàng)目背景
蘆村污水處理廠坐落在無錫市西南郊京杭大運(yùn)河下甸橋畔，占地約16.3hm2，服務(wù)面積70km2，受益人口75萬人，是目前江蘇省較大型的污水處理廠，主要處理生活污水和部分工業(yè)廢水。蘆村污水處理廠工程是依據(jù)1985年市政府論證通過的《無錫市排水工程規(guī)劃》，按一次規(guī)劃分期實(shí)施的原則進(jìn)行建設(shè)。一期工程始建于1986年，于1992年建成投產(chǎn)，建設(shè)規(guī)模：一級處理10×104m3/d，二級處理5×104m3/d以及污泥濃縮、脫水等污泥處理構(gòu)筑物；二期工程系利用世界銀行貸款項(xiàng)目，于1995年開工建設(shè)，1997年投入運(yùn)行，建設(shè)規(guī)模為10×104m3/d一級處理，5×104m3/d二級處理以及污泥消化系統(tǒng)；三期工程于2003年建成投產(chǎn)，建設(shè)規(guī)模為10×104m3/d二級處理以及污泥濃縮脫水機(jī)房，并將一期工程的普通曝氣池改造為A2/O生物池。從而使蘆村廠處理能力全部達(dá)到二級處理，總規(guī)模為20×104m3/d。該廠的投運(yùn)對改善無錫市的水環(huán)境和太湖水質(zhì)的整治起著積極的促進(jìn)作用，顯示出良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)綜合效益。
2007年6月，在全面治理太湖流域水污染的大環(huán)境下，蘆村污水處理廠開始了對前三期工程進(jìn)行進(jìn)一步升級改造的工作，改造后出水主要污染物指標(biāo)均要達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)的要求，升級改造工程于2010年6月份建成投產(chǎn)。蘆村污水處理廠四期提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)規(guī)模10×104m3/d，采用A2/O工藝。
蘆村污水處理廠四期工程是太湖流域水環(huán)境治理的一項(xiàng)重點(diǎn)工程，同時(shí)也是國家級重點(diǎn)工程，作為無錫市建成最早、規(guī)模最大的污水處理廠，是全國城市污水處理廠一級A提標(biāo)的一個(gè)標(biāo)志性項(xiàng)目。
二、自控系統(tǒng)簡介
無錫蘆村污水處理廠原有一、二、三期自控系統(tǒng)采用的是西門子S7-300系列PLC與美國的GENESIS32組態(tài)軟件，提標(biāo)改造（四期）自控系統(tǒng)選用的是美國羅克韋爾ControlLogix系列PLC和intouch組態(tài)軟件。
為解決污水處理廠歷史數(shù)據(jù)查詢速度慢、數(shù)據(jù)利用率低等問題，在污水處理廠提標(biāo)改造后摒棄傳統(tǒng)的用組態(tài)軟件本身數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫記錄歷史數(shù)據(jù)的方式，采用北京亞控科技發(fā)展有限公司的工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件KingHistorian3.0來記錄污水處理廠運(yùn)營的歷史數(shù)據(jù)，包括從四期的PLC配套OPC軟件獲取現(xiàn)場的工藝和設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從一、二、三期PLC配套OPC軟件獲取現(xiàn)場的工藝和設(shè)備運(yùn)行的主要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
蘆村污水處理廠作為國家863計(jì)劃研究課題《污水處理高效曝氣成套設(shè)備的研制與應(yīng)用》的試點(diǎn)工程，清華大學(xué)環(huán)境工程系主要負(fù)責(zé)此項(xiàng)課題的研究，其中需要工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件KingHistorian3.0向其提供現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過其算法模型分析計(jì)算后再將計(jì)算結(jié)果反饋給SCADA系統(tǒng)。要求工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件必須提供靈活多樣的數(shù)據(jù)訪問接口，并且具備高效的數(shù)據(jù)查詢訪問性能。
三、工業(yè)數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫比較
污水處理行業(yè)自控系統(tǒng)傳統(tǒng)模式是使用組態(tài)軟件自有歷史數(shù)據(jù)庫或者關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的記錄。大多數(shù)中小型項(xiàng)目具有數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)小、歷史數(shù)據(jù)記錄頻率要求不高、數(shù)據(jù)記錄時(shí)間短等特征，這類項(xiàng)目使用組態(tài)軟件自有歷史數(shù)據(jù)庫即可滿足歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢要求，但是對于自控系統(tǒng)中一些其他要求，例如記錄事件信息、操作日志等，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫對這些信息進(jìn)行存儲(chǔ)會(huì)給信息查詢帶來更大的靈活性。目前規(guī)模較小的項(xiàng)目中組態(tài)軟件歷史數(shù)據(jù)庫+關(guān)系數(shù)據(jù)庫這種處理歷史數(shù)據(jù)的方式依然被廣泛的應(yīng)用。
但是對于類似蘆村污水處理廠這種大中型項(xiàng)目，隨著自動(dòng)化和信息化技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，用戶對歷史數(shù)據(jù)的記錄和應(yīng)用要求越來越高，例如污水處理廠生產(chǎn)成本分析、工藝性能分析、設(shè)備管理、事故分析與事故預(yù)警等方面的應(yīng)用需求都需要龐大的歷史資料的支持和方便靈活的數(shù)據(jù)分析展示軟件來實(shí)現(xiàn)。組態(tài)軟件本身的歷史數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)簡單，在歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不大的情況下具有存取速度快、穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)應(yīng)用功能簡單的特點(diǎn)，但是無法滿足大點(diǎn)數(shù)、高精度、長期記錄、數(shù)據(jù)應(yīng)用復(fù)雜、安全性要求高等大中型污水處理行業(yè)項(xiàng)目的需求。
關(guān)系數(shù)據(jù)庫是建立在關(guān)系模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)庫，借助于集合代數(shù)等數(shù)學(xué)概念和方法來處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)實(shí)中的各種實(shí)體以及實(shí)體之間的各種聯(lián)系均用關(guān)系模型來表示，關(guān)系數(shù)學(xué)模型中以二維表形式描述數(shù)據(jù)，比較常用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品代表有：Access、SQL Server、Oracle等。
關(guān)系數(shù)據(jù)庫的主要優(yōu)勢在于處理具有一定關(guān)系的數(shù)據(jù)、處理表與表之間的關(guān)系，在處理需要長期存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)規(guī)模龐大的工業(yè)歷史數(shù)據(jù)方面都出現(xiàn)存儲(chǔ)和查詢速度慢、無數(shù)據(jù)壓縮或者只有簡單的數(shù)據(jù)壓縮致使耗費(fèi)大量磁盤空間、沒有上層的數(shù)據(jù)分析展示工具等弊端，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大中型污水處理行業(yè)項(xiàng)目對歷史數(shù)據(jù)處理的需求。
工業(yè)數(shù)據(jù)庫是用來處理不斷更新、快速變化的帶有時(shí)間戳并且具有連續(xù)性特征的工業(yè)過程數(shù)據(jù)的專用數(shù)據(jù)庫。工業(yè)數(shù)據(jù)庫具有高速采集、存儲(chǔ)、高效數(shù)據(jù)壓縮等性能。工業(yè)數(shù)據(jù)庫用來實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)（例如各工藝環(huán)節(jié)水質(zhì)數(shù)據(jù)、電氣數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等）的實(shí)時(shí)采集、壓縮、存儲(chǔ)、查詢、展示、分析，工業(yè)數(shù)據(jù)庫的關(guān)系表功能用來處理具有關(guān)系特征、少有或無時(shí)序性等數(shù)據(jù)信息（例如人員資料管理、設(shè)備資料管理等）。目前工業(yè)數(shù)據(jù)庫主要產(chǎn)品有：美國OSIsoft公司的PI數(shù)據(jù)庫、北京亞控科技發(fā)展有限公司的工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件KingHistorain等。
工業(yè)數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫主要功能和性能指標(biāo)對比見表1。
表1 工業(yè)數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫的主要功能和性能指標(biāo)對比
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指標(biāo) |
工業(yè)數(shù)據(jù)庫 |
關(guān)系數(shù)據(jù)庫 |
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存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng) |
時(shí)間驅(qū)動(dòng) |
業(yè)務(wù)流驅(qū)動(dòng) |
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數(shù)據(jù)壓縮 |
多種壓縮方式，可配置壓縮比率(25%~95%)；5 bytes /每個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，壓縮比按60%計(jì)。1萬點(diǎn)，采集頻率1次/s，一年數(shù)據(jù)量 631 GB |
無壓縮； 27 bytes /每個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，1萬點(diǎn)，采集頻率1次/s，一年數(shù)據(jù)量 8515 GB，是工業(yè)數(shù)據(jù)庫的13倍 |
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數(shù)據(jù)吞吐量 |
存儲(chǔ):15~30萬條/s記錄 查詢：200客戶端同時(shí)訪問，檢索速度 2萬條記錄/s |
數(shù)據(jù)處理：幾千條記錄/s 查詢：200客戶端同時(shí)訪問，檢索速度 幾百條記錄/s |
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后期維護(hù) |
無需專人維護(hù) |
專業(yè)數(shù)據(jù)庫管理員維護(hù) |
四、工業(yè)數(shù)據(jù)庫KingHistorian應(yīng)用
蘆村污水處理廠原本是采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Server實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，隨著時(shí)間的積累所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量不斷增加，SQL Server存儲(chǔ)和查詢的性能顯著下降，尤其是數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)速度非常緩慢，例如查詢一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)半年的歷史數(shù)據(jù)耗時(shí)十幾分鐘，已經(jīng)不能滿足用戶對數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。通過嚴(yán)格選型分析，以無錫蘆村污水處理廠提標(biāo)改造為契機(jī)，在提標(biāo)改造（四期）新增四期工藝設(shè)備自控系統(tǒng)的同時(shí)，將原有的使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Server記錄歷史數(shù)據(jù)的方式改變成使用工業(yè)數(shù)據(jù)庫KingHistorian記錄歷史數(shù)據(jù)。
工業(yè)數(shù)據(jù)庫KingHistorian通過OPC方式從現(xiàn)場PLC獲取水廠實(shí)時(shí)工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、故障數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)。工業(yè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分析展示平臺(tái)用于對現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過動(dòng)畫工藝流程圖展示，對歷史數(shù)據(jù)及分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢報(bào)表、趨勢曲線等方式查詢顯示，并且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工藝流程圖、數(shù)據(jù)查詢報(bào)表、趨勢曲線的web發(fā)布，用戶通過IE瀏覽器對發(fā)布的內(nèi)容進(jìn)行訪問。
工業(yè)數(shù)據(jù)庫KingHistorian向清華大學(xué)環(huán)境工程系研究課題《污水處理高效曝氣成套設(shè)備的研制與應(yīng)用》提供現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行和工藝的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)接口，供其模型算法的數(shù)據(jù)調(diào)用，用以完成自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到出水水質(zhì)最優(yōu)并且耗費(fèi)成本最低的效果。
工業(yè)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、展示系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。
本項(xiàng)目經(jīng)過反復(fù)論證和實(shí)際測試驗(yàn)證，工業(yè)數(shù)據(jù)庫KingHistorian達(dá)到性能指標(biāo)及主要功能如下：
（1）工業(yè)數(shù)據(jù)庫可以在線連續(xù)存儲(chǔ)，并達(dá)到15萬條記錄/秒的存儲(chǔ)速度，單客戶端單點(diǎn)查詢速度達(dá)到20萬條記錄/秒，穩(wěn)定支持256客戶端并發(fā)查詢。工業(yè)數(shù)據(jù)庫單臺(tái)服務(wù)器可以支持100萬點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
（3）工業(yè)數(shù)據(jù)庫提供豐富的數(shù)據(jù)訪問接口，如API、ODBC、OLEDB（ADO）、SDK等；提供150個(gè)以上的API接口函數(shù)，可以使用C、C++、 C#、VB等語言進(jìn)行數(shù)據(jù)庫開發(fā)；支持JAVA數(shù)據(jù)訪問接口，用戶可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)數(shù)據(jù)庫操作。
（4）在系統(tǒng)崩潰、突然掉電、程序異常退出后，工業(yè)數(shù)據(jù)庫可以保證數(shù)據(jù)文件完整有效。工業(yè)數(shù)據(jù)庫支持集群冗余方式，可實(shí)現(xiàn)變量鏡像、數(shù)據(jù)鏡像、安全鏡像等，支持鏡像緩存，支持系統(tǒng)的備份與恢復(fù)。
（5）工業(yè)數(shù)據(jù)庫持用戶對數(shù)據(jù)的存取授權(quán)和控制，防止非法用戶的入侵。工業(yè)數(shù)據(jù)庫具備完善的數(shù)據(jù)安全和基于角色的用戶權(quán)限管理功能。
五、總結(jié)
在本項(xiàng)目工業(yè)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)已達(dá)上億條記錄時(shí)做查詢測試，使用歷史曲線控件查詢16個(gè)瞬時(shí)流量半年的歷史數(shù)據(jù)，返回?cái)?shù)據(jù)記錄條數(shù)為800多萬條，耗時(shí)不到2min（其中包括：數(shù)據(jù)庫響應(yīng)時(shí)間+網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間+磁盤響應(yīng)時(shí)間）。
工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件KingHistorian對所有現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行于工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)后，通過KingHistorian的數(shù)據(jù)分析展示平臺(tái)軟件（KingGraphic+KingCalculation+KingA&E）可以方便的統(tǒng)計(jì)出生產(chǎn)運(yùn)營中所消耗的電量、藥量成本，生成生產(chǎn)運(yùn)營日、月、年報(bào)表；通過設(shè)備對啟停、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、故障次數(shù)的分析，可以方便的進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和故障分析，提高了設(shè)備的工作效率和利用率，大大提高了污水處理廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的利用效率，為污水處理廠運(yùn)營的成本管理和設(shè)備管理提供可靠數(shù)據(jù)支持。