污水处理监测系统的设计与实现--优秀毕业论文 参考文献.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 污水处理监测系统的设计与实现 姓名 鲍颖祎 申请学位级别 硕士 专业 软件工程 指导教师 薛志东 2011 01 11 i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 随着经济的发展 环境问题已经逐渐成为中国面临的一个重要问题 现代化进 程的加快 污水的排放量也是逐年增加 严重制约了中国经济的发展 传统的污水 处理系统需要大量的人力资源去实时的监控整个处理设备的状况 以防发生不必要 的问题造成重大的污染 自动化控制是一种现代工业 农业 制造业等生产领域中机械电气一体自动化 集成控制技术和理论 由于传感器和 plc 的普遍应用 可以通过传感器将数据通过 特定的电路传给 plc 获取数据 也可以通过写 plc 实现对设备的控制 而 plc 可 以通过串口与计算机交互 这就为污水处理监控系统提供了必要的技术支持 本系统主要是对工业污水和城市废水的流量 ph 值 电导率等参数进行测量 并实时发送到 pc 端进行数据处理 根据实际需要控制各种水处理设备运行并进行自 动加药调节水的各种参数 使废水达到排放或循环使用标准 降低水质污染 本系统以计算机网络和数据库为基础 重视用户的使用体验感 通过对系统的 建模和各功能模块的分析设计 采用四层架构 以目前流行的 wpf 框架作为表现层 根据面向对象的思想 对于所有的设备控件都独立开发为实现类 拥有特定的外貌 和属性 net 框架开发后台 使用 plc 通信线程进行数采 dao 层为数据库实现类 对数据库进行操作 实现了又快 又好的开发 本文的研究成果可以在某种程度上为污水处理自动化系统的研究提供一些实际 应用的解决方案 关键词关键词 污水处理 监测 wpf plc ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract with economic development environmental issues have become an important issue facing china to speed up the process of modernization sewage emissions is increasing year by year and seriously hampered the development of chinese economy the traditional wastewater treatment systems require significant human resources real time monitoring of the status of the processing equipment to guard against unnecessary problems caused significant pollution automation is a modern industry agriculture manufacturing and other production areas in the integrated control of mechanical and electrical automation technology and integration theory because the universal application of sensors and plc the sensor data through the circuit to pass through a specific plc data acquisition plc can also be achieved by writing the device control the plc can interact with the computer through the serial port this monitoring system for the sewage treatment provides the necessary technical support the system is to measure industrial effluent and urban waste water flow ph conductivity and other parameters and sent to the pc side real time for data processing according to the actual need to control the operation of various water treatment equipment and automatically adjust the dosing parameters of the water so that waste water to discharge or recycling standards reduce water pollution based on the computer network and database system for a sense of attention to user experience through the modeling and analysis and design of each functional module using four structure to the current popular wpf framework as the presentation layer according to the object oriented thinking all the equipment controls for independent development of the implementation class with a particular appearance and properties net framework development background the number of threads to use plc communication mining dao implementation class for the database layer of database operations to achieve a fast and good development iii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 the results of this study can be automated to some extent for the sewage treatment system to provide some practical applications of the solution key words sewage treatment monitoring wpf plc 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 在节能减排的新形势下 污水处理对于自动化产品提出了更高的要求 良好的 质量控制 使产品能够高效稳定的运行 为保证水厂高效稳定运行 污水处理对控 制系统的高可靠性要求 要求 plc 支持多种冗余方式 能够更好的提高系统的可靠 性 提高水厂 污水厂的运行效率 为更严格的水质达标提供保证 1 1 项目研究背景项目研究背景 城市污水处理就是利用各种设施设备和工艺技术 将污水中所含的污染物质从 水中分离去除 使有害的物质转化为无害的物质 有用的物质 水则得到净化 并 使资源得到充分利用 其生产工艺流程是比较庞杂的 污水处理过程控制是以物料平衡调度为主的连续性较强的慢处理过程 在污水 处理过程中要用到大量的阀门 泵 风机及刮泥机等机械设备 它们常常根据一定 的程序 时间和逻辑关系定时开 停 主要控制对象为 栅格 总泵房 沉砂池 生物反应池 沉淀池 加氯间 污泥处理装置 发电机房等 1 因此 基于现场设备自动化功能的全厂综合自动化的主要目标重点不仅仅是保 证生产处理质量 而更现实的是减轻劳动强度 方便生产管理 提高设施设备的利 用率 节能降耗 减员增效 一些发达国家的城市污水处理厂无不例外均配置了自 动化技术水平愈来愈高的全厂综合自动化控制系统 其显著效果就是其运营人员数 量的大幅度减少 节省成本 据了解 污水处理厂建设自控系统 成本一般占设备的 10 包括控制仪表 流量计这些等等都在内 原来污水处理厂的管理控制是粗的控制 有了自控系统之 后能够做到精确控制 避免很多失误 并且能够减少能源消耗 降低成本 自动化 产品在污水处理领域的市场前景十分广阔 2 由于现代污水处理厂规模越来越大 所以自动化程度要求越来越高 污水处理自 动化控制系统应具有全自动逻辑控制 在线工艺状态显示及参数记录 运行故障诊断 记录 生产报表显示记录等功能 系统能长周期安全无故障运行 具有高可靠性 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 2 项目研究意义项目研究意义 随着经济的发展 环境问题已经成为中国面临的一个重要问题 已经开始严重 制约经济的发展 随着现代化进程的加快 污水排放量也不断增加 然而由于过去 重 建设 轻环保 的旧观念 缺乏必要的污水收集系统和污水处理设施 污水无序乱流 不仅直接污染了小自身生态环境 而且造成了河湖水体的严重污染 已成为区域性 水环境的重要污染源 对饮用水安全和居民生存环境构成严重威胁 制约了经济发 展及城镇可持续发展 大量工业废水也造成了处理废水的人力资源的增加 污水处 理自控系统能够减少人力资源 在总控室通过控制 pc 机实现对污水处理系统的实时 监控和设备检测和各种设备的控制和报表生成 对于提高企业的污水处理效率 对 于促进经济 环境与社会的可持续发展战略有着重要的意义 1 3 国内外研究现状和发展趋势国内外研究现状和发展趋势 我国污水处理自动化控制起步较晚 进入 20 世纪 90 年代以后 污水处理厂才 开始引入自动控制系统 但多是直接引进国外成套自控设备 国产自动控制系统在 污水处理厂应用很少 早在 70 年代 我国的水行业就开始应用自动化技术 到 90 年代 自动化 信息化在水行业受到了普遍重视 近 20 年来 我国水行业在自动化 技术和信息化技术应用方面得到了长足的发展 创造了良好的经济效益和社会效益 过去的二十年 自动化技术与信息技术已经广泛地应用于水行业中 尤其是自 动化技术 应用于闸门泵站的自动化改造 水厂和污水厂的 scada 系统 城市供 水调度系统 随着无线通信技术 互联网技术和视频技术等不断发展和普及 已基 本实现了水行业的 可视化 3 但是 与国际水平相比 我国的自动化和信息化技术还相对滞后 整体上还处 在国外 80 90 年代的水平 主要体现在发展的不平衡和应用水平方面 以智能决策为 目标的信息化技术则相对迟缓 信息孤岛 现象依然严重 自动化技术和信息化技 术缺乏融合 大量的过程数据都静静地 躺 在现场 而没有发挥其应有的作用 节能减排作为当前水行业发展的重要任务之一 其工作的进展备受瞩目 而自 动化与信息化技术作为水行业发展中的后助力量 保障着节能减排工作的有续进行 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 它将解决生产水 供水 排水处置及污水处置的过程控制与管理智能化 从而最大 限度地减少水资源的浪费 基本实现水资源的优化配置 最大限度的让水资源循环 利用起来 在新的形势下 污水处理对于自动化产品提出了更高的要求 良好的质量控制 使产品能够高效稳定的运行 为保证水厂高效稳定运行 污水处理对控制系统的高 可靠性要求 要求 plc 支持多种冗余方式 能够更好的提高系统的可靠性 提高水 厂 污水厂的运行效率 为更严格的水质达标提供保证 为保护用户的初始投资 要求系统具有很好的开放性 能够为世界各大著名厂 商 如 siemens ab ge schneider 等 的设备提供完备的驱动程序库 支持 dde opc server 及 client odbc 等标准 支持 sql 语言 activex 控件 提供大量 的函数 可使用 vb vc delphi 等开发工具进行第三方开发 为了降低系统的能耗 药耗 要求系统具有丰富的控制算法 如过程控制算法 模糊控制等高级过程控制算法 变频调节控制算法等 能够集成电能管理 智能控 制水泵 同时 具有灵活的开放性 就水处理工程特点而言 在一个项目中可能包 含多家供应商的产品 要求电控系统具有强大的包容性 并符合 iec 国际标准 为了节省成本 减少系统维护的工作量 要求控制系统具有易用易维护的特点 要求所有模块均支持带电插拔 可通过 sd 存储卡对系统程序进行升级 备份 背板 上设计以防混淆以避免插错模块 独特的接线端子设计 并提供预接线系统 因为 水行业自动化专业人员相对较为匮乏 大部分技术人员主要从事工艺维护 因此希 望自动化系统稳定 可靠 既便出故障也只需简单操作就能快速使系统恢复 最大 程度的减少对连续供水或污水处理的影响 4 随着自动化控制在污水处理中已得到的广泛应用 监控软件也有了飞速的发展 中央监控系统已经成为污水厂日常监控 运营管理和维护的中心 目前在国内污水 处理市场占有率较高的监控组态软件分别是 ge fanuc 的 ifix wonderware 的 intouch 西门子 wincc 等 国内厂商以亚控 力控等为主 我国目前对广域污水自动监控系统的逐步建设和完善也越来越重视 监控软件 正朝着大型化 信息化和网络化的方向发展 结合中小型污水处理厂的特点 广域 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 监控是今后污水厂监控系统重要发展趋势之一 业内人士表示 监控组态软件最好 能增加具有操作系统核心防护功能 能应对各种意外情况 尽可能防止系统崩溃 污水处理厂的自动控制系统要求能够实现 集中管理 分散控制 的监控模式 使得局部故障不影响主体正常运行 将风险分散 确保系统的可靠性 系统内部的 配置和调整灵活 构建弹性化 可根椐不同工艺处理要求及用户需求进行优化 并 具备很好的开放性 兼容性和扩展性 可应用不同品牌的软硬件进行整合 可无缝 的把分期建设的系统融为一体 5 自控系统要充分考虑与厂外污水厂 泵站 水务局自控系统接口 可采用多种 通信解决方案 组成广域网统一监控 并实用 完整的系统监控管理功能 能有效 的实现工艺处理的控制 诊断和调度 采用先进的节能降耗控制技术 节能效率高 1 4 项目所需主要技术分析项目所需主要技术分析 1 4 1 wpf 框架框架 wpf windows presentation foundation 是微软推出的基于 windows vista 的用 户界面框架 属于 net framework 3 0 的一部分 它提供了统一的编程模型 语言和 框架 真正做到了分离界面设计人员与开发人员的工作 同时它提供了全新的多媒 体交互用户图形界面 15 windows presentation foundation 框架 windows presentation foundation 框架为 媒体 用户界面设计和文档提供的解决方案远远超过开发人员现在所拥有的 windows presentation foundation 的设计考虑了可扩展性 使开发人员可以完全在 windows presentation foundation 引擎的基础上创建自己的控件 也可以通过对现有 windows presentation foundation 控件进行再分类来创建自己的控件 5 windows presentation foundation 框架的核心是用于形状 文档 图像 视频 动画 三维以 及用于放置控件和内容的面板的一系列控件 这些 自有控件 为开发下一代用户体 验提供了构造块 11 microsoft 在引入 windows presentation foundation 的同时 还引入了 xaml 这是一种公开表示 windows 应用程序用户界面的标记语言 可使开发人员和设计人 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 员用来构建和重用 ui 的工具更加丰富 9 对于 web 开发人员 xaml 提供了熟 悉的 ui 说明模式 xaml 还使 ui 设计从基础代码中分离出来 从而使开发人员 和设计人员之间的合作更加紧密 17 wpf 其实不仅仅是图形引擎而已 它将给 windows 应用程序的开发带来一次革 命 因为新的架构提供了一种全新的开发模式 当然对于普通用户而言 最直观的 就是界面越来越漂亮 看起来越来越舒服了 但对于开发人员而言 界面显示和代 码将更好的得到分离 这与从前的桌面应用程序开发有很多不同 界面设置和代码 是融合在一起的 这是比较具有革命性的改变之一 12 还有就是桌面应用程序和浏览器应用程序的融合 根据 ms 的承诺 正在开发中 的 wpf e 即 wpf everywhere 版本 将为基于 wpf 的应用程序提供全面的浏览器 支持 这意味着未来开发出的应用程序将可以基于浏览器在不同的操作系统上运行 当然由于目前还在开发中 并不确定会不会有一定的限制 根据 wpf e 开发组的定 义 wpf e 仍然是 wpf 的子集 而不是后继版本 总体而言 wpf 的前景应该是 一片光明 13 wpf 的依赖属性是其中的一个区别于别的框架的特殊优点 这里也简要叙述一下 当你给一个依赖属性赋值时 它不是存储在对象的字段中 而是在存储在基类 dependencyobject 提供的一个键 值配对的字典中 一条记录中的键 key 就是该属性 的名称 而值 value 则是想要设置的值 依赖属性的优点 1 节约内存的使用 在你认为超过 90 的用户界面控件的属性通常留其初始值时 为每一个属性存 储一个字段将是对内存的巨大的浪费 依赖属性解决了仅仅存储改变了属性的问题 默认值在依赖属性中只存储一次 2 值继承 当你访问一个依赖属性时要使用一个值解决策略 如果当前没有值需要设置 则依赖属性会遍历整个逻辑树直至它找到一个值 当你在根元素中设置字体大小时 它会应用于所有文本块 除非你重写这个值 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 修改通知 依赖属性有一个内嵌的修改通知机制 当属性的值被改变后 通过在属性元数 据注册一个的回调函数就能得到修改的通知 同样也可以用在数据绑定中 4 值访问策略 每次访问一个依赖属性 它内部会按照下列的顺序由高到底处理该值 它首先 确认自身的值是否可用 如果不可用 则会触发一个自定义的样式触发器 继续 直到它找到一个值 最后默认值经常是可用的 每一个 wpf 控件注册了一系列的依赖属性在静态的 dependencyproperty 类中 他们由一个键值 对每个类都是唯一的 和包含默认值和回调函数的原数据组成 16 所有要使用依赖属性 dependecyproperties 的类型都必须由 dependencyobject 来 驱动 这个基类定义了一个键值字典来存储依赖属性的所有值 记录中的键则是依 赖属性主要申明的 当你通过 net 属性包装器访问依赖属性的时候 它在内部会调用一个方法 getvalue dependencyproperty 来访问值 下面详细的解释了该方法使用的值解决策 略 如果当前值是可用的 那么就直接从字典 dictionary 里读出该值 如果没有值 被设定 它将上升到整个逻辑树 寻找一个可继承的值 如果没有找到可继承的值 它将被设置为在属性原数据中定义好的默认值 17 下面的序列有点简化 但它显示 了主要的思想 1 4 2 plc plc 主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器 用于控制机械的生 产过程 也是公共有限公司 电源线车等的名称缩写 可编程控制器 programmable controller 是计算机家族中的一员 是为工业控制 应用而设计制造的 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 programmable logic controller 简称 plc 它主要用来代替继电器实现逻辑控制 随着技术的发展 这 种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种装置称作可编程控 制器 36 虽然 plc 所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器 计时器与计数器等名 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 称 但 plc 内部并非实体上具有这些硬件 而是以内存与程式编程方式做逻辑控制 编辑 并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制 37 因此能大大减少控制器所 需之硬件空间 实际上 plc 执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码 以扫描方式读入 cpu 中并最后执行控制运作 在整个的扫描过程包括三大步骤 输 入状态检查 程式执行 输出状态更新 说明如下 步骤一 输入状态检查 plc 首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器 状态 1 或 0 代表开或关 并将其状态写入内存中对应之位置 xn 步骤二 程式执 行 将阶梯图程式逐行取入 cpu 中运算 若程式执行中需要输入接点状态 cpu 直接自内存中查询取出 输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置 暂不反应 至输出端 yn 步骤三 输出状态更新 将步骤二中之输出状态更新至 plc 输出部接 点 并且重回步骤一 此三步骤称为 plc 之扫描周期 而完成所需的时间称为 plc 之反应时间 plc 输入讯号之时间若小于此反应时间 则有误读的可能性 每次程 式执行后与下一次程式执行前 输出与输入状态会被更新一次 因此称此种运作方 式为输出输入端 程式结束再生 38 1 5 项目主要研究内容项目主要研究内容 控制系统主要是对工业污水和城市废水的流量 ph 值 orp bod5 cod toc ss 浊度 电导率等参数进行测量 控制各种水处理设备运行并进行自动加 药调节水的各种参数 使废水达到排放或循环使用标准 降低水质污染 该控制系 统包括泵阀启停顺序逻辑控制 流量 液位调节控制 自动加药控制及设备联锁报 警控制等控制单元 采用可编程控制器 plc 和计算机控制 能够实现系统无人值守 的高度自动化 主要监控功能包括人机界面包括污水处理监控系统工艺流程画面 设备控制画面 运行数据画面 报警画面 历史曲线 控制参数调节画面等 5 主要包括一下方面 1 实时显示工艺流程检测水的各项技术指标及流量等测点运行参数 各测控 分站通过 plc 采集现场各种数据 并通过高速总线传送到中央控制室操作站集中监 控和管理 同时 plc 接受主操作站的控制指令 完成实时控制任务 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 各种药剂加药量自动闭环控制 3 支持工艺控制参数在线修正 4 自动生成运行数据库 可查询 打印实时或历史数据报表和运行曲线等 5 报警 联锁保护功能 污水泵 刮泥机 搅拌机等设备开停车顺序联锁控 制 工艺系统运行数据异常报警处理功能 6 现场检测设备及控制设备故障监测自诊断功能 7 实现局域网和 internet 网运行数据浏览 通过各种有线或无线网络 将各 监控站的运营数据 安全数据等信息传到控制中心 也可实现远程的数据查询请求 8 历史数据查询 系统的实时监测数据和控制数据自动存储在历史数据库中 历史数据可以以数据报表 趋势曲线 柱状图等丰富形式进行分析和重现 数据库 具有公开的接口 可以实现灵活的数据交换和数据共享 1 6 本章小结本章小结 本章的主要内容包括以下几部分 首先对污水处理系统监控的背景即现状进行 介绍 对研究的意义和内容都做了详细的描述 介绍了本系统必须的一些关键性技 术 最后对本论文的进行的具体研究工作做了阐述 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 系统分析系统分析 需求分析是一个系统开发过程中最重要的一环 需求分析需要经理不断的需找 沟通和变更 记录 只有在不断的寻找中才能不断完善功能 只要在不断的沟通中 才能真正明白需求 不至于做出不能满足客户需要的系统 只要在不断的变更中 才能不断接近真正的需求 只有在不断的记录中 才能使团队成员和客户明白究竟 做了什么 如果系统建立在一个错误的需求之上 则不论你的系统多么的完美 系 统都没有实际的价值 本章对系统需求需要注意的地方进行了剖析 详细的对系统 的需求进行了阐述 2 1 需求概要分析需求概要分析 2 1 1 总体目标总体目标 为了满足污水处理厂的实际需求 减少人力资源的浪费 系统需要能够在中控 室和分控室实现对所有污水处理设备的监测 同时能够对各种必须仪表的实时数据 的监测即水质在线监测 并能够在 pc 机上对出现的不良情况做出必要的设备控制 同时要能够查询历史数据和与远程客户端的数据交换 本系统的目标主要有以下三个 1 完成对山东莱州电化学系统的数据采集 处理 存储和控制 系统所需的 数据会自动存储到数据库中 2 完成对山东莱州电化学系统的全局效果动态展示 各个控件都能产生动态 效果 3 完成对山东莱州电化学系统的分布式效果展示及报表查询 对于历史数据 能够按照不同的需要生成报表并打印 2 1 2 业务描述业务描述 随着社会的发展 业务已经不可避免的与信息技术联系在一起 在用户看来 需求往往建立在其业务的概念上 因此 开发一个系统的前提是 程序员必须正确 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 理解用户业务的概念 需求工程中建立的需求模型应该从用户的业务概念角度反映 用户的需求 虽然分析员会分析系统的业务需求 但是往往不着要点 实际上用户 的业务概念往往也是模糊不清的 比如 一些职能究竟应该在这个业务完成还是在 另一个业务完成 不同的人往往想法是不一致的 对于污水处理系统的用户而言 他们的业务就是在现场的业务员能够监测设备 运行 水质在线监测 能够设置运行参数和阈值 并能够生成必要的报表供审核 在远端的领导能够随时浏览设备运行情况以及仪表数据 在此基础上 系统的总体 业务图大致如图 2 1 所示 操作员服务器 设备客户端 通过控制pc机控制设备 控制设备正常运转 传递数据到客户端 参数设置 报表查询 数据显示 全剧效果动态展示 图 2 1 污水处理系统业务流程图 通过该业务图我们可以看出本系统主要是通过 pc 端远程观测污水处理系统的 设备运行状态 通过 plc 采集到的数据进行数据分析和数据存储 并能够远程控制 设备的运行 在客户端通过特定的通讯协议和服务器端交换数据 增加系统的安全 性 实时观测现场所有设备的运行状态 对于一个没有实际操作经验的操作员来说 他首先应该明白的是各个参数的意义和每个设备的作用和每个仪表具体数据的含 义 这样对于他操作整个系统来说将会更加简单 对于系统而言 如果需要操作硬 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 件 一般就需要通过串口 就需要设置串口号和波特率 如果让客户端能够正常的 服务器端进行通讯 这需要设定 ip 和端口 而仪表上的 ph 值 电导率 水速 as 的含量等等大致在什么范围内才是正常的 都需要有一定的了解 才能操作的更加 得心应手 2 2 可行性分析可行性分析 开发新系统的要求往往是对原有系统的不满 原系统由于是手工系统造成了人 力资源的浪费和对于某些事情处理的不及时 所以新系统要从原系统存在的问题和 初始要求进行分析 管理上的可行性 由于系统自动化能够有效的提高生产和处理污水的效率 有 效节省成本 对于公司和企业的管理人员而言都是有百利而无一害 而且会使管理 规范化 操作标准化 技术上的可行性 由于当前传感器的广泛应用 以及 plc 可以有效的接入传感 器信号 并且可以由电路对传感器进行控制 这样就保证了可以通过 pc 端控制整个 系统 通过串口通信 pc 可以和 plc 进行有效的通信而对其进行有效的控制 而在 程序方面 基本上各种面向对象语言都可以有效的进行串口通讯 只要特定的地址 就能够通过读写 plc 控制 plc 的逻辑门开关 目前 plc 可以获取到的数字信号和 逻辑信号又保证了对设备和仪表控制 在 pc 端 microsoft visual studio 2008 能够快 捷简便的创建系统架构 保证系统有效完美的完成 2 3 需求分析需求分析 系统分析的主要任务是将在系统详细调查中所得到的文档资料集中到一起 对组 织内部整体管理状况和信息处理过程进行分析 它侧重于从业务全过程的角度进行 分析 2 3 1 需求概述需求概述 通过和客户的不断交流和现场的实地考察 了解了客户对于业务的需求后 获 取本系统的客户需求有以下几点 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 系统总貌的动态展示视图 包括在线监测部分 2 操作画面视图 3 参数设定视图 plc 配置 网络参数配置 ip port 4 报表查询视图 能够查询历史数据并能够导出为 excel 5 报警视图 2 3 2 条件限制条件限制 出于安全性的考虑 用户还提出了一下几个方面的条件限制 1 登陆需要身份验证 2 操作需限定在权限范围内 3 系统控制必须在手动模式下 2 3 3 解决方案解决方案 对于以上几个方面的限制 可以通过以下途径很好的解决 身份验证可以通过 每个用户赋予不同的权限和密码实现 对于不同权限的用户登录只能显示并操作该 权限下的功能模块 系统控制在手动模式下可以设定 plc 只有在手动模式下才能够 运行 2 4 功能性需求分析功能性需求分析 本系统主要围绕污水处理自控系统的实时监测为目标 通过友好的人机交互界 面实现个人对整个系统的控制以及对所有必须数据的存储和报表生成 主要包括远 程监测模块 参数配置模块 数据采集模块 报表打印模块 报警模块 2 4 1 远程监测模块远程监测模块 远程监测模块是整个系统的主要模块 通过该模块实现对整个系统的可视化观 测 是整个系统的重中之重 该模块通过不断的读写 plc plc 通过各硬件设备传 感器获取数据 通过不同的数据换算获得需要的各种设备运行参数 然后显示在远 程 pc 上 通过对远程 pc 上数据的监测实现对整个设备运行状况的监测 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 4 2 系统用例分析系统用例分析 分析系统的需求 不能简单的通过想象 而要考虑系统的实用性 在实用性的 基础上建立 use case 图 以便能够清楚 直接 准确的表达系统的功能需求 为系 统的行为建立模型 8 1 参与者 参与者 actor 是某些具体行为的事物 可以是人 也可以是计算机系统和组 织 参与者有着自己的目标 通过与系统的交互达到目标 一个参与者可以运行多 个 use case 而一个 use case 可以由多个参与者运行 本系统中共有浏览者 操作员 管理员等为参与者 参与者用例图 2 2 所示 用户用户 浏览者浏览者 操作员操作员 管理员管理员 图 2 2 参与者用例 参与者用例描述如下 浏览者 主要用于临时客户 可以登录系统 并且能够观察目前系统的运行状态 操作员 主要用于企业实际操作员 可以登录系统 实时观察系统的运行状态 并且能够配置各种系统参数 查看报表 打印数据 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 管理员 负责各参与者的权限配置 可以增 删 改 查各个参与者的相关信 息 并且拥有顶级权限 可以操作本系统的所有用例 2 用例 use case use case 是对系统功能的描述而已 不过一个 use case 描述的是整个系统功能 的一部分 这一部分一定要是在逻辑上相对完整的功能流程 是活动者使用系统的 一项功能与系统交互的一种文字描述序列 用来描述参与者如何使用系统实现其目 标 每一个 use case 都是对系统某一个功能的描述 只不过他只描述特定的用户干 什么 而不描述其如何去做 全部的 use case 构成了系统外部可见的行为描述 所 以要根据系统的需求 找出系统全部的 use case 明确系统的需求 确定系统用例的 存在 本系统的总用例图如图 2 3 所示 管理员管理员 浏览者浏览者 操作员操作员 用户登录用户登录 浏览主界面浏览主界面 参数配置参数配置 查看报表查看报表 打印导出报表打印导出报表 增加用户设置权限增加用户设置权限 网络网络ip和端口配置和端口配置 plc端口波特率配置端口波特率配置 必要参数数据显示必要参数数据显示 各种设备运行状态动态显示各种设备运行状态动态显示 控制设备状态控制设备状态 图 2 3 系统总用例图 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 用例描述如下 浏览主界面 可以看到整个系统的运行状态 并能够看到各种实时数据 用户登录 进入登录界面 登录系统 参数配置 对于网络 ip 和网络端口 plc 串口进行实时的配置 查看报表 对于所需的各种设备和仪表的数据进行查询 打印导出报表 打印所需的报表或者导出为 excel 文件 增加用户设置权限 能够增 删 改 查各用户的相关信息 并设置相关的权 限 控制设备状态 对于运行发生不正常的情况能够通过 pc 端改变设备的运行 状态 浏览用户 浏览主界面 用户登录 操作员 浏览主界面 用户登录 参数配置 查看报表 打印导出报表 控制设 备状态 管理员 浏览主界面 用户登录 参数配置 查看报表 打印导出报表 控制设备状 态 增加用户设置权限 2 4 3 系统的活动流程分析系统的活动流程分析 系统活动流程是指用户在使用系统时的工作过程 对于多类型用户的管理系 统来说 每一类用户的工作流程基本都是不相同的 多用户系统的工作流程一 般都从用户登录模块开始 对用户的身份进行认证 身份认证分为以下两个过程 首先 确认用户是否是有效的系统用户 然后确定用户的类型 第一个过程决定用 户能否进入系统 第二个过程根据用户的类型决定用户的操作权限 从而确定用户 的工作界面 以及可以操作的数据 本系统的人员进入系统的监控模块流程 首先进入系统后 系统初始化 设置 不同的参数和开启 plc 开始读数 当系统进入正常运行后 可以看到各种设备的运 行状态和仪表的数据显示 点击设备能够该设备目前的运行参数 也可以查阅一些 必要的参数数据 进行报表打印 或者进行数据分析等等 31 系统活动流程图如图 2 4 所示 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 登录系统 进入系统 关闭登录系统 用户名和密码输入正确 用户名和密码输入错误 设置参数启动plc 数据存储和处理打印报表 图 2 4 系统活动流程图 系统可以选择有权限的监控点 主控系统采用单元制控制 辅助控制系统由于 采用了一体化的辅助控制网络 虽由于辅助系统地域广阔及人员素质原因不能实现 辅助控制系统集中监控 但可很方便的实现监控点的设置和调整 以适应不断变化 的运行要求 然后根据实际需要设置报警参数进行监控 其活动图如图 2 5 所示 选择监控设备 预设路径 设置参数 开启报警开关 图 2 5 系统报警活动图 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 4 4 系统的时序图分析系统的时序图分析 时序图展现了一组对象和有这组对象收发的信息 用户按时间顺序对控制流建 模 35 系统时序图如图 2 6 所示 用户pcplc设备 1 登录系统 2 需要密码 3 输入密码 4 打开串口 5 等待请求 6 发送读写请求 7 获取设备传感器数据 8 返回设备传感器数据 9 返回设备数据 10 处理后前端显示 图 2 6 系统时序图 该图反映了用户与 pc plc 设备传感器之间的交互过程 用户必须先登录进 入系统 系统然后才能打开串口与 plc 进行通讯 然后 plc 根据接收到的指令通过 电路部分与设备传感器交互 获取设备的数据和仪表的必要参数数据 然后再反馈 到 pc 端 通过 pc 端在前端显示给用户 2 5 非功能性需求分析非功能性需求分析 2 5 1 界面需求界面需求 软件界面是人与计算机之间的媒介 用户通过软件界面来与计算机进行信息交 换 因此 软件界面的质量 直接关系到应用系统的性能能否充分发挥 能否使用 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 户准确 高效 轻松 愉快地工作 所以软件的友好性 易用性对于软件系统至关 重要 目前国内软件开发者在设计过程中很注重软件的开发技术及其具有的业务功 能 而忽略了用户对软件界面的需求 影响软件的易用性 友好性 对界面设计的 研究也集中在界面设计技术 设计手段上面 软件开发人员在设计时以经验为参考 依据 缺乏对实际用户需求的了解 而软件的友好性 易用性同用户特征紧密相联 同样的软件界面 不同用户可能有绝然相反的评价 因此分析用户特征 了解用户 需求和操作习惯 是开发软件界面的必有步骤 必须引起足够重视 整个主界面以黑灰为主色调 体现一种严谨的处理里念 所有的控件的外貌都 与实物比较接近的 给操作员以似曾相识的亲切感 顶部为系统名称和系统版本号 左上为系统登录的用户姓名和权限组成 左下为系统目前的 plc 与串口的运行状况 中部为整个系统的控制流程图 左下为功能模块区域 操作界面和操作风格尽可能 的体现人性化和易用性 以便操作人员尽快的熟悉该系统 2 5 2 产品性能需求产品性能需求 本系统采用 c s 架构 有服务器端和 客户端和平板电脑端构成 要求有不限 定数量的客户端并且对于数据库的访问速度要尽可能的块 随着数据的不断增加 查询日志数据有可能会加载的有一点点慢 但是网络通信采用 queue 队列来添加客 户端并实时发送数据 可以实现多客户端的同时运行 2 6 本章小结本章小结 系统主要通过 uml 建模对系统的开发进行了详细的分析 明确了系统的总体目 标和业务 对于系统的总体用力图 时序图都有了具体的描述和分析 通过本章使 自己对系统的开发有了明确的认识和方向 为测试阶段打下必要的依据 对于编码 阶段有了一个正确的指向 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 系统设计系统设计 系统的详细设计直接影响到系统的质量 本章将会按照上一章所作出的分析通 过对数据库和架构的设计 全面的完成系统的详细设计 3 1 系统运行环境系统运行环境 本系统开发主要依赖于 wpf 框架和 net 框架 wpf 框架作为微软比较流行的主 流 ui 框架 必须在 net3 5 以上才能够运行 数据库采用比较稳定的 sqlserver2005 系统开发工具使用 expression blend 和和 microsoft visual studio 2008 expression blend 支持 xaml 支持矢量图 适合页面的设计和动画的设计 用来开发控件和界面 后 台使用 net 框架在 visual studio 2008 开发 根据以上需求 确定搭建系统的运行环境 如下 运行服务端 windows os microsoft sqlserver2005 net 3 5 运行客户端 windows os net 3 5 开发环境 microsoft visual studio 2008 microsoft sqlserver2005 net 3 5 wpf expression blend 3 2 系统总体设计系统总体设计 3 2 1 系统总体结构设计系统总体结构设计 本系统主要通过 plc 和电路系统与电化学系统的数据直接关联 进行数据采 集 并通过读取 plc 获得数据至服务器端 在服务器端对数据进行换算和数据处 理 对必要数据进行存储 在 pc 端进行显示系统的实时运行总貌视图以及数据 的查询和报表的打印等 同时通过 internet 传送数据和进行数据交换 将获取的数 据传递到客户端 系统总体结构图如图 3 1 所示 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3 1 系统总体结构设计图 3 2 2 架构设计架构设计 本系统采用 c s 架构 mvc 设计模式 采用了分层分布式的部署结构 使用了 wpf 和 net 框架 明确了分离的表现层和业务逻辑层 能够保证应用服务的一致性 和稳定性 结构的开放性 功能的可扩展性和可维护性以及开发的可并行性 同时 采用了 wpf 框架美化表现层 为软件带来了高度的重用性 在一些优秀的框架下进 行开发而不是从零开始 能够大量缩短项目的开发周期 降低开发风险 增加系统 的稳定性 29 系统总体架构图如图 3 2 所示 服务端 数据库 internet intranet 数据采集 数据存储 数据处理 数据查询 数据输出 数据打印 plc 电化学系统 终端 总貌视图 图 21 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 数据库 sql server 2005 操作系统 windows xp 表示层 wpf 逻辑层 net 数据访问层 dao 网络通信 plc 数据采集 图 3 2 系统总体架构图 系统分为 4 层架构 结构上分为表现层 逻辑层 持久层和数据库 表现层采 用 wpf 框架开发 创建自定义控件和前台界面 每个控件都有实现类 可以随意改 变其形状和属性 后台为 net 框架开发 逻辑层为 plc 采集线程和网络通信线程 持久层为数据库中表的实现类 数据库层为底层操作数据库底层的类 19 在实际编 程过程中 其中项目 cshsj acsuc 为控件项目 包括所有的控件类 在住项目中 引入该项目后 即可直接使用该项目中的自定义控件 所有的控件继承于同一个类 equipment equipment 类里有所有控件必须的属性和字段 以及获取 plc 读数的方 法 系统解决方案截图如图 3 3 所示 22 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位