一、 項目背景
蘆村污水處理廠坐落在無錫市西南郊京杭大運河下甸橋畔，占地約16.3hm2，服務面積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廢水。蘆村污水處理廠工程是依據1985年市政府論證通過的《無錫市排水工程規劃》，按一次規劃分期實施的原則進行建設。一期工程始建于1986年，于1992年建成投產，建設規模：一級處理10×104m3/d，二級處理5×104m3/d以及污泥濃縮、脫水等污泥處理構筑物；二期工程系利用世界銀行貸款項目，于1995年開工建設，1997年投入運行，建設規模為10×104m3/d一級處理，5×104m3/d二級處理以及污泥消化系統；三期工程于2003年建成投產，建設規模為10×104m3/d二級處理以及污泥濃縮脫水機房，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到二級處理，總規模為20×104m3/d。該廠的投運對改善無錫市的水環境和太湖水質的整治起著積極的促進作用，顯示出良好的環境、經濟、社會綜合效益。
2007年6月，在全面治理太湖流域水污染的大環境下，蘆村污水處理廠開始了對前三期工程進行進一步升級改造的工作，改造后出水主要污染物指標均要達到一級A標準的要求，升級改造工程于2010年6月份建成投產。蘆村污水處理廠四期提標改造工程設計規模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境治理的一項重點工程，同時也是國家級重點工程，作為無錫市建成最早、規模最大的污水處理廠，是全國城市污水處理廠一級A提標的一個標志性項目。
二、自控系統簡介
無錫蘆村污水處理廠原有一、二、三期自控系統采用的是西門子S7-300系列PLC與美國的GENESIS32組態軟件，提標改造（四期）自控系統選用的是美國羅克韋爾ControlLogix系列PLC和intouch組態軟件。
為解決污水處理廠歷史數據查詢速度慢、數據利用率低等問題，在污水處理廠提標改造后摒棄傳統的用組態軟件本身數據庫和關系數據庫記錄歷史數據的方式，采用北京亞控科技發展有限公司的工業數據庫軟件KingHistorian3.0來記錄污水處理廠運營的歷史數據，包括從四期的PLC配套OPC軟件獲取現場的工藝和設備運行的實時數據，從一、二、三期PLC配套OPC軟件獲取現場的工藝和設備運行的主要實時數據。
蘆村污水處理廠作為國家863計劃研究課題《污水處理高效曝氣成套設備的研制與應用》的試點工程，清華大學環境工程系主要負責此項課題的研究，其中需要工業數據庫軟件KingHistorian3.0向其提供現場的實時數據和歷史數據，經過其算法模型分析計算后再將計算結果反饋給SCADA系統。要求工業數據庫軟件必須提供靈活多樣的數據訪問接口，并且具備高效的數據查詢訪問性能。
三、工業數據庫與關系數據庫比較
污水處理行業自控系統傳統模式是使用組態軟件自有歷史數據庫或者關系數據庫進行歷史數據的記錄。大多數中小型項目具有數據點數小、歷史數據記錄頻率要求不高、數據記錄時間短等特征，這類項目使用組態軟件自有歷史數據庫即可滿足歷史數據的存儲和查詢要求，但是對于自控系統中一些其他要求，例如記錄事件信息、操作日志等，使用關系數據庫對這些信息進行存儲會給信息查詢帶來更大的靈活性。目前規模較小的項目中組態軟件歷史數據庫+關系數據庫這種處理歷史數據的方式依然被廣泛的應用。
但是對于類似蘆村污水處理廠這種大中型項目，隨著自動化和信息化技術的不斷發展進步，用戶對歷史數據的記錄和應用要求越來越高，例如污水處理廠生產成本分析、工藝性能分析、設備管理、事故分析與事故預警等方面的應用需求都需要龐大的歷史資料的支持和方便靈活的數據分析展示軟件來實現。組態軟件本身的歷史數據庫結構簡單，在歷史數據點數不大的情況下具有存取速度快、穩定性高、數據應用功能簡單的特點，但是無法滿足大點數、高精度、長期記錄、數據應用復雜、安全性要求高等大中型污水處理行業項目的需求。
關系數據庫是建立在關系模型基礎上的數據庫，借助于集合代數等數學概念和方法來處理數據庫中的數據。現實中的各種實體以及實體之間的各種聯系均用關系模型來表示，關系數學模型中以二維表形式描述數據，比較常用的關系型數據庫產品代表有：Access、SQL Server、Oracle等。
關系數據庫的主要優勢在于處理具有一定關系的數據、處理表與表之間的關系，在處理需要長期存儲點數規模龐大的工業歷史數據方面都出現存儲和查詢速度慢、無數據壓縮或者只有簡單的數據壓縮致使耗費大量磁盤空間、沒有上層的數據分析展示工具等弊端，已經遠遠不能滿足大中型污水處理行業項目對歷史數據處理的需求。
工業數據庫是用來處理不斷更新、快速變化的帶有時間戳并且具有連續性特征的工業過程數據的專用數據庫。工業數據庫具有高速采集、存儲、高效數據壓縮等性能。工業數據庫用來實現工業現場數據（例如各工藝環節水質數據、電氣數據、設備數據等）的實時采集、壓縮、存儲、查詢、展示、分析，工業數據庫的關系表功能用來處理具有關系特征、少有或無時序性等數據信息（例如人員資料管理、設備資料管理等）。目前工業數據庫主要產品有：美國OSIsoft公司的PI數據庫、北京亞控科技發展有限公司的工業數據庫軟件KingHistorain等。
工業數據庫與關系數據庫主要功能和性能指標對比見表1。
表1 工業數據庫與關系數據庫的主要功能和性能指標對比
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指標 |
工業數據庫 |
關系數據庫 |
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存儲驅動 |
時間驅動 |
業務流驅動 |
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數據壓縮 |
多種壓縮方式，可配置壓縮比率(25%~95%)；5 bytes /每個浮點數據，壓縮比按60%計。1萬點，采集頻率1次/s，一年數據量 631 GB |
無壓縮； 27 bytes /每個浮點數據，1萬點，采集頻率1次/s，一年數據量 8515 GB，是工業數據庫的13倍 |
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數據吞吐量 |
存儲:15~30萬條/s記錄 查詢：200客戶端同時訪問，檢索速度 2萬條記錄/s |
數據處理：幾千條記錄/s 查詢：200客戶端同時訪問，檢索速度 幾百條記錄/s |
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后期維護 |
無需專人維護 |
專業數據庫管理員維護 |
四、工業數據庫KingHistorian應用
蘆村污水處理廠原本是采用關系數據庫SQL Server實現歷史數據存儲，隨著時間的積累所存儲的數據量不斷增加，SQL Server存儲和查詢的性能顯著下降，尤其是數據查詢響應速度非常緩慢，例如查詢一個數據點半年的歷史數據耗時十幾分鐘，已經不能滿足用戶對數據的應用需求。通過嚴格選型分析，以無錫蘆村污水處理廠提標改造為契機，在提標改造（四期）新增四期工藝設備自控系統的同時，將原有的使用關系數據庫SQL Server記錄歷史數據的方式改變成使用工業數據庫KingHistorian記錄歷史數據。
工業數據庫KingHistorian通過OPC方式從現場PLC獲取水廠實時工藝數據和設備運轉、故障數據，并對這些數據進行壓縮存儲。工業數據庫的數據分析展示平臺用于對現場實時數據通過動畫工藝流程圖展示，對歷史數據及分析統計數據實現數據查詢報表、趨勢曲線等方式查詢顯示，并且實現實時工藝流程圖、數據查詢報表、趨勢曲線的web發布，用戶通過IE瀏覽器對發布的內容進行訪問。
工業數據庫KingHistorian向清華大學環境工程系研究課題《污水處理高效曝氣成套設備的研制與應用》提供現場設備運行和工藝的實時數據和歷史數據接口，供其模型算法的數據調用，用以完成自動調節設備運轉，達到出水水質最優并且耗費成本最低的效果。
工業數據庫數據采集、存儲、展示系統架構圖如圖1所示。
本項目經過反復論證和實際測試驗證，工業數據庫KingHistorian達到性能指標及主要功能如下：
（1）工業數據庫可以在線連續存儲，并達到15萬條記錄/秒的存儲速度，單客戶端單點查詢速度達到20萬條記錄/秒，穩定支持256客戶端并發查詢。工業數據庫單臺服務器可以支持100萬點的數據點。
（3）工業數據庫提供豐富的數據訪問接口，如API、ODBC、OLEDB（ADO）、SDK等；提供150個以上的API接口函數，可以使用C、C++、 C#、VB等語言進行數據庫開發；支持JAVA數據訪問接口，用戶可以實現跨平臺數據庫操作。
（4）在系統崩潰、突然掉電、程序異常退出后，工業數據庫可以保證數據文件完整有效。工業數據庫支持集群冗余方式，可實現變量鏡像、數據鏡像、安全鏡像等，支持鏡像緩存，支持系統的備份與恢復。
（5）工業數據庫持用戶對數據的存取授權和控制，防止非法用戶的入侵。工業數據庫具備完善的數據安全和基于角色的用戶權限管理功能。
五、總結
在本項目工業數據庫中存儲的歷史數據已達上億條記錄時做查詢測試，使用歷史曲線控件查詢16個瞬時流量半年的歷史數據，返回數據記錄條數為800多萬條，耗時不到2min（其中包括：數據庫響應時間+網絡傳輸時間+磁盤響應時間）。
工業數據庫軟件KingHistorian對所有現場設備運行于工藝數據進行存儲后，通過KingHistorian的數據分析展示平臺軟件（KingGraphic+KingCalculation+KingA&E）可以方便的統計出生產運營中所消耗的電量、藥量成本，生成生產運營日、月、年報表；通過設備對啟停、累計運行時間、故障次數的分析，可以方便的進行設備維護和故障分析，提高了設備的工作效率和利用率，大大提高了污水處理廠生產數據的利用效率，為污水處理廠運營的成本管理和設備管理提供可靠數據支持。