環保工況監控系統的架構設計研究

牛健、王亞北、田偉、王鵬、錢鋒、張啟富

（1.中電海康集團有限公司，浙江杭州，310012）2.中電科新型智慧城市研究院有限公司，廣東深圳，518000）

0 引言

伴隨著經濟的發展，環保問題日益突出。早在“十一五”期間，國家就建立了污染排放企業的點末端監控體系[1]。末端監控可以為污染物的評估和制定環保標準提供依據。但是，末端數據的有效性認定就成了亟待解決的問題。“十二五”期間，《國家環境監管能力建設“十二五”規劃》中將污染源排放過程（工況）自動監控能力列入建設范圍。在《國務院關于加強環境保護重點工作的意見》中又進一步明確提出由“點末端監控”向“全過程監控”轉變。污染源治理設施過程監控系統可以對污染產生、治理過程、排放等的在線數據進行監測、采集，通過建立相關模型，實現污染治理設施運行狀態分析、排放數據真實性判定，同時還可將信息實時傳輸到主管部門的污染源監控中心，確保監測數據的有效性。“十三五”規劃中進一步肯定了過程數據的重要性，在2016年的“環境保護工作會議”中提出“信息化，大數據等信息化手段以問題為導向，可以幫助我們更廣泛應用數據，提供基礎支撐，尋求優化方案，給管理帶來質的變化”。建立環保工況運行數據分析系統，不僅可以為環保部門提供有效的監測數據，還能為企業環保設施的運行和管理提供合理的建議，進一步協調環保部門和企業的關系，協調環境保護和經濟發展的關系。

自從國家提出污染源監控由“點末端監控”向“全過程監控”的轉變后，環保的信息化建設也由末端監管轉向了全過程監控[2]。由于不同行業的工藝過程各不相同，不同的單位或研究機構對各個細分行業的工況監控系統分別進行了深入的研究，如對電廠工況系統的研究，主要集中在對電廠工藝過程的分析、如何與電廠的控制系統通信以及如何存儲和處理電廠大量的數據[3]；對污水廠工況系統的研究，主要在于如何通過工藝分析確定報警規則和如何采集現場的信息[4]。對各類化工過程工況系統的研究，也都根據工藝分別有所側重[5-7]。

市面上現有的工況監控方案，大都難以在專業性和通用性上進行很好的取舍，也沒有一個很好的解決方案。本文提出一種環保工況監控系統的架構，聚焦解決兩個問題：一是數據接入，即如何根據具體的設備獲取數據；二是數據分析，即如何根據具體的工藝過程分析和利用數據。該架構既保證系統能根據行業特性定制不同的分析功能，又能適用于不同的行業。

1 系統概述

環保工況監控系統是對納入環保監控的企業或生產設施的過程數據進行實時監控的系統。而不同的企業、設備或系統的過程數據非常復雜，主要體現在以下三個方面：

第一，如何確定采集哪些數據。實際的生產過程非常復雜，數據的情況也非常復雜，如有些污水處理設施，除了環保強制要求的末端監控數據外，整個治污過程中并沒有儀表來產生數據，要想得到過程數據必須添加儀表；有些火電廠的發電過程，控制系統里的數據點可能有幾萬點，把所有的數據全部都采集到環保監控端，對于環保監控沒有必要，同時還極大增加了實施的難度。因此，分析過程特性，確定需要采集的過程數據是部署工況系統的前提。

第二，如何采集過程數據。有些過程數據已經存在于控制系統之中，有些數據只能在現場儀表上顯示，還有些數據需要新添加儀表才能采集到，而且這些數據的通信協議不一，在平臺端要綜合考慮不同情況的數據接入。因此，準確實時的采集過程數據是部署工況系統的基礎。

第三，工況數據如何分析。環保監管的行業眾多，納入工況監控系統的設備或系統工藝情況各異，過程數據對環保末端監控數據影響的原理也各不相同，過程數據的分析難以構建一個統一化的分析模型，需要具體問題具體分析。因此，實現智能化、自動化、定制化的過程數據分析是部署工況系統的目的。

本文提出的環保工況監控系統架構設計，將如何區分工況數據作為前提，以數據接入的安全性和有效性作為基礎，實現工況數據的監控和分析。本系統可為環保部門提供有效的環保考核數據和分析推斷方法，同時為生產企業環保設施的高效運行提供合理化建議。

2 系統數據的采集和分析設計

2.1 數據分類

工況系統需要采集的數據，原則上應該能充分反映生產和治污過程。從過程系統運行管理方面考慮，可以將工況數據分為以下5類：

（1）負荷數據

負荷數據進一步可以分為負荷指令數據和實際負荷數據，通過負荷指令數據和實際負荷數據的比較，可以區分系統工作在過渡狀態還是穩定狀態。負荷數據還能表明系統的工作區間，不同負荷下，過程系統通常有不一樣的工作狀態。

（2）關鍵控制參數

過程系統通常都有一種或幾種關鍵的控制參數，而污染物只是整個過程系統的副產品，關鍵參數能夠在一定程度上反映污染物的排放情況。

（3）環保參數

環保參數即環保部門考核的關鍵參數，若此量可控，一般還可以分為環保考核參數、工廠內控參數和工廠操作參數。

（4）重要的擾動參數

生產過程中的擾動參數對最終產品有很大影響，但又不能通過生產過程中一些可以操作的手段進行控制。采集重要的擾動參數對工況過程分析非常必要。

（5）重要的開關量

生產過程中某些設備是否開啟，對判斷最終排污指標也有至關重要的意義。

2.2 數據接入方式

工況系統的數據需要從具體的生產過程產生，再接入平臺端的系統，從工況數據的接入方式來看，大致分為3類：

（1）控制系統接口接入

生產過程一般已經具備成熟的控制系統，所需要采集的參數都已集成在控制系統里，采集控制系統中的數據通常只需通過控制系統的數據接口。一般來說，現場的控制系統都預留OPC或MODBUS兩種數據接口。

（2）智能儀表接入

智能儀表除了高穩定性、高可靠性的特點外，一般來說還能直接產生MODBUS協議的數據，可通過MODBUS接口傳輸產生的數據。

（3）普通儀表接入

普通儀表一般把感知的數據轉換為4～20mA或0～12V的模擬量信號，工況系統若要采集這種數據，需要就地添加數據轉換模塊轉換成MODBUS協議的數據，再向遠端傳輸。

此外，還存在一些需要采集的工況數據，但現場并沒有任何儀表，這就需要施工人員現場安裝合適的儀表后再轉換成MODBUS協議的數據進行傳輸。

綜上，雖然工況數據的種類多樣，采集的方式也有不同，但是在平臺端設計數據接入系統只需考慮兩種通訊協議的數據，即OPC協議和MODBUS協議，并支持多個OPC接口和MODBUS接口，就可以達到采集工況數據的目的。

2.3 數據分析

所要分析的數據，需要結合不同生產設備或治污設備的工藝特征。由于現場情況復雜，存在不同的情況，如：

第一，現場的開關狀態表示方法可能不同。例如，判斷閥門或電機有沒有開，有的DCS中0表示“OFF”，有的1表示“OFF”，有的用其他模擬量數值表示。

第二，報警信號的閾值會根據設備不同而不同，工藝變化后，報警信號閾值也會改變，系統在具體調節過程中還可能對閾值稍作修改，綜合判斷，實現避免誤報警。

第三，靜態模型需在數據完備、過程明確后，才能給出，并進行功能擴展。

所以，需要對數據分析軟件提出新的架構要求，才能實現數據智能化、自動化分析等諸多功能，既滿足環保行業的通用性，也具有定制化分析的能力，滿足不同設備的工藝要求以適用于不同的行業。

2.3.1 數據分析的軟件架構

工況系統所要分析的數據來源于不同的行業，統一的分析模式顯然難以適合，所以要對工況系統設計特殊的數據分析架構體系以滿足需求。

首先要對數據點的性質進行區別。把數據點分為兩類：一類是從現場的設備或控制器中直接傳輸上來的實際存在的數據點，這些數據是進行數據分析的基礎，保證工況系統的通用性；另一類是工況系統中可以自由添加，輔助計算或顯示的數據點，比如一些報警閾值、效率計算、統計數據等，用于進行內部計算和數據分析。

然后以白噪聲判斷算法為基礎，對現場采集的數據點進行有效性判斷。判斷準則如下：當某一設備所有數據點都為某些恒值時，可以判斷該設備通信故障；當某一設備所有數據點不為恒值但所有數據點都為白噪聲序列，判斷此設備的數據存在造假嫌疑；當某一設備中的某些數據點為白噪聲序列，而另一些不為白噪聲序列，判斷這些是白噪聲序列的數據點有造假嫌疑。

考慮不同行業的工藝特點差別較大，系統提供了一定權限下的腳本編寫程序，腳本程序可以對數據點進行計算。根據不同行業的工藝特點，通過腳本靈活地編輯數據分析的功能，對生產過程進行自動判斷，自動判定如排放超標、儀表故障、操作違規等現象。腳本程序可以按設備添加，具有編譯功能，防止誤操作，支持條件語句、代數計算和邏輯運算。

此外，分析軟件中加入心跳信號發生器以及心跳信號停止判斷邏輯，用于診斷分析軟件與接口軟件以及現場信號各個連接設備間的通訊連接。

2.3.2 數據有效性判斷

由于環保工況數據的特殊性，為保障接入數據的有效性，需要進行數據有效性判斷。本系統根據實際經驗，采用白噪聲序列判斷算法模型。

首先進行0階判斷，設{at}是某一數據點在一段時間內的采樣序列是這段序列的均值，設：

設{a0t}期望值為μa0t，{a0t}的方差為，則：

協方差為：

自相關系數為：

若對于任何的t≠s，a0rt，s=0，a0ρt，s=0，則判定此信號為白噪聲信號。

若a0rt，s≠0，或a0ρt，s≠0，則進行1階判斷，設

按照式（2）～式（4）進行判定，若對于任何的t≠s，a1rt，s=0，a1ρt，s=0，則判定此信號為白噪聲信號，若仍不能判斷，則進行更高階的判斷，設

一直判斷差分后的高階時間序列的性質，以此判斷時間序列是否為白噪聲。一般工程應用的階數為2～3階。

3 系統架構設計

3.1 邏輯架構

環保工況監控系統的邏輯架構設計如圖1所示。

圖1 邏輯架構圖

圖2 物理架構圖

控制系統或儀表中的數據通過OPC/MODBUS接口軟件傳輸到環保工況監控系統，由于接入企業工藝過程的不確定性，利用腳本功能定制化編寫報警、統計、分析需求的腳本，實現工況系統定制化、自動化、智能化分析。

3.2 物理架構

環保工況系統的物理架構如圖2所示。

從項目實施的角度，整個系統的物理部署非常關鍵，直接影響整體系統最終的穩定性、可靠性，甚至可用性。系統可以在每個企業設置若干工況儀，每個企業的工況數據通過直接硬連接或控制系統傳送到工況儀，再由工況儀上報給環保部門；也可以把現場設備的數據通過路由直接上報環保部門。無論哪種物理架構，工況分析系統的邏輯架構不變。

4 結語

從過程系統的角度出發，排污設施或生產設施本身就是一類過程裝備，根據排污設施的實時工況數據再結合具體的生產過程，就可以深入了解排污設施運行的基本規律，從而建立工況監控系統。本文提出一種環保工況監控系統的架構，能夠對環保監控中不同工藝情況的治污設備進行定制化、自動化、智能化的數據分析，該工況系統的架構首先能夠解決環保部門的核心訴求，實現對所管理的排污企業的分類和排序，通過工況數據甄別排污造假的企業，排查污染物超標的企業，幫助環保部門挑選出重點關注對象。其次系統可以連接環保部門與排污企業，促進行業內先進技術的交流。此外，系統還可以發現行業中普遍存在的問題，請行業專家集中解決，調節生產和環保的矛盾，并為企業提供實時環保指標解讀、行業內先進技術的播報、同行間的排位、甚至是員工的績效考核和員工生產過程的技術指導。后續將結合具體項目，對環保工況系統進行整體設計與實施。