基于SCADA系統(tǒng)的工藝二次報警實現(xiàn)

黃虎一 李強

摘要：SCADA系統(tǒng)是污水處理廠生產(chǎn)運行過程控制的核心系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)通過PLC系統(tǒng)采集設(shè)備和儀表的運行狀態(tài)及檢測數(shù)據(jù)，其中設(shè)備故障信號和檢測儀表超限信號等都是報警信息的主要來源。但僅僅是這些報警信號對于發(fā)現(xiàn)廠內(nèi)異常情況還遠遠不夠，因此需要相應的技術(shù)手段對生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行進一步分析。鑒于此，利用綜合信號分析、PLC與上位機組態(tài)軟件相結(jié)合等措施，實現(xiàn)了基于SCADA的工藝二次深度報警功能。

關(guān)鍵詞：SCADA;工藝二次報警;數(shù)據(jù)預警分析

0? ? 引言

在現(xiàn)代化城市中，通過污水處理廠處理城市污水已經(jīng)成為保護水環(huán)境的一項重要手段。污水處理廠中最為核心的信息化輔助手段就是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition），簡稱SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)通過傳感器、網(wǎng)絡(luò)、可編程邏輯控制和上位機組態(tài)軟件等組件，使得污水處理工作邁向數(shù)字化和自動化，提高了日常工作的處理效率，減輕了污水對環(huán)境所造成的影響。

SCADA系統(tǒng)在很大程度上輔助了污水處理系統(tǒng)的正常運行，協(xié)調(diào)各類處理設(shè)備根據(jù)工況以及工藝要求進行運作。但是在日常生產(chǎn)過程中仍然存在很多影響生產(chǎn)運行的異常情況無法通過SCADA系統(tǒng)進行警示，而需要工藝主管進行人工檢查和決策。這類異常情況往往并不是由單一的檢測數(shù)據(jù)進行展現(xiàn)的，因為單一檢測數(shù)據(jù)的異常可以便捷地通過SCADA內(nèi)部上位機系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)報警上下限而完成。這類異常往往通過單一的數(shù)據(jù)無法體現(xiàn)，單一數(shù)據(jù)均在正常數(shù)值范圍內(nèi)，而當多個數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析時就能發(fā)現(xiàn)其中潛在的問題。

本文以一個具體的污水處理廠生產(chǎn)工藝控制體系為例進行分析，基于SCADA系統(tǒng)，通過各類技術(shù)手段結(jié)合應用實現(xiàn)工藝異常二次深度報警，提升SCADA系統(tǒng)在工藝異常情況發(fā)現(xiàn)方面的能力，賦予系統(tǒng)新的功能特點。

1? ? 案例分析

上海市某污水處理廠，日處理量大于20萬t，屬于大中型污水處理廠，工藝流程如圖1所示。

與傳統(tǒng)污水處理廠不同，該廠采用了改良型SBR工藝——UNITANK工藝系統(tǒng)。UNITANK系統(tǒng)由3個矩形池組成，3個池平行而又相通，每個池均設(shè)有供氧設(shè)備，可采用鼓風曝氣。其中中間池只作為曝氣池，兩個邊池交替作為曝氣池和沉淀池，邊池設(shè)有固定出水堰和剩余污泥排放口。進入系統(tǒng)的污水通過管道或者渠道配水，交替進入3個池中的任意一個，系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)進水、連續(xù)排水。

由于UNITANK工藝的時序性特征十分明顯并且節(jié)省空間，因此工藝的容錯能力相對較弱，整個工藝的進行十分依賴設(shè)備能否基于時序表正常運行，故對于設(shè)備運行異常的報警，已經(jīng)不僅僅局限于設(shè)備本身的報警信號，而更關(guān)心設(shè)備有沒有依照時序運行。異常情況包括在運行時段內(nèi)沒有達到指定的運行效率或者開度甚至不運行以及在非運行時段運行等。

2? ? 報警分析

2.1? ? SCADA系統(tǒng)報警內(nèi)容

當前SCADA所能提供的報警內(nèi)容主要分為以下幾類：

（1）設(shè)備故障信號：從設(shè)備端引出接入PLC系統(tǒng)，不同的設(shè)備所能輸出的報警信號存在一定的差距。較為簡單的設(shè)備往往僅能輸出一個總故障信號，對于不同原因所引起的故障無法區(qū)分;較為先進的設(shè)備可以簡單區(qū)分由不同原因所導致的故障，部分設(shè)備甚至可以通過通信接口輸出詳細、完整的故障代碼和描述。

（2）檢測信號超限：各類水質(zhì)儀表，如DO、MLSS、COD、氨氮等等。這類信號往往是根據(jù)出水水質(zhì)的工藝指標要求輸出，并核查預先設(shè)置好的報警上下限或上上限、下下限。

（3）輔助異常：主要包括如網(wǎng)絡(luò)通信異常和供配電異常等情況。

以上異常信息均可通過技術(shù)手段進行收集，并直觀地向用戶展示及進行提醒。

2.2? ? 二次報警需求

所謂“生產(chǎn)工藝二次報警”，即不再僅僅是從單個數(shù)據(jù)的角度判斷異常，而是從更加符合實際生產(chǎn)工藝診斷的角度，從多維度的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)隱性的生產(chǎn)異常情況。典型的案例包括：

（1）當泵機反饋正常運行時，相應的流量檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差;

（2）在時序控制的情況下，設(shè)備是否在正確的時序內(nèi)執(zhí)行正確的動作;

（3）同類型設(shè)備在相同工況下能耗和運行參數(shù)存在偏差。

以上案例中，單個測量點無法也不能反映現(xiàn)場的異常隱患，需通過較為復雜的關(guān)聯(lián)邏輯判斷才能推斷異常情況。而這個類關(guān)聯(lián)性邏輯判斷無法在PLC層面全部處理，因為往往需要較長時間跨度的數(shù)據(jù)進行趨勢和對比分析，而PLC系統(tǒng)更適用于實時的數(shù)據(jù)反饋響應及控制。

本次的研究內(nèi)容主要就是以某個水廠為實例，著重分析如何根據(jù)其自身特色制定并實現(xiàn)工藝二次報警功能。

3? ? 案例實現(xiàn)

針對二次報警的兩種典型案例，分別定位廠內(nèi)兩個場景進行分析及實現(xiàn)。

3.1? ? 設(shè)備運行狀態(tài)綜合預警

該廠出水區(qū)域共有6臺出水泵，6臺出水泵規(guī)格型號均相同，因此當處于正常運行工況時，每一臺泵的運行效率較為接近。每臺水泵采集的反饋信號包括運行、停止、故障和運行電流。對于反饋的故障，可以很明確地反映現(xiàn)場設(shè)備的異常運行狀態(tài)，然而故障信號卻并不能完全反饋泵機的所有運行異常情況。與出水泵相關(guān)的反饋信號還包括出水總流量計，出水總流量計反映了現(xiàn)場所有運行中出水泵的總泵出流量，因此可以從一個側(cè)面反映出水泵的運行工況。正常情況下，每多開一臺出水泵應該增加預期范圍內(nèi)的流量，因此可以預先設(shè)置好預期的流量范圍，當增加開啟泵數(shù)量時，將實際的反饋值與預期的計算值進行比較，通過這樣不僅可以從整體上發(fā)現(xiàn)問題，還可通過對數(shù)據(jù)的核查具體確定是哪一臺泵出現(xiàn)了流量偏差，以便進一步對該水泵進行檢查。

為了實現(xiàn)以上目標，實施步驟如下：

（1）首先查閱設(shè)備資料，確定單臺水泵正常工作時的流量范圍;

（2）PLC程序段內(nèi)增加統(tǒng)計開泵臺數(shù)的程序段及變量，以及水泵預期泵出流量的上下限制變量和開泵臺數(shù)與流量不匹配的報警變量;

（3）PLC程序段每個周期計算當前開泵臺數(shù)的泵出流量，計算結(jié)果與出水總流量反饋值進行比較，一旦超出正常值范圍則觸發(fā)開泵臺數(shù)與流量不匹配的報警變量進行報警。

除了在PLC內(nèi)部進行編程之外，在上位機上也增加相應的變量記錄最近一次的開停泵機組號。這樣通過PLC與上位機相結(jié)合，PLC就可以進行整體內(nèi)容的報警，當發(fā)現(xiàn)報警之后，進一步查閱上位機上最近一次開泵機組號，即可快速實現(xiàn)對異常泵組的定位查找。

3.2? ? 設(shè)備運行時序報警

由于UNITANK工藝的時序性特征十分明顯并且節(jié)省空間，因此工藝的容錯能力相對較弱，整個工藝的進行十分依賴設(shè)備能否基于時序表正常運行。故對于設(shè)備運行異常的報警，已經(jīng)不僅僅局限于設(shè)備本身的報警信號，而更關(guān)心設(shè)備有沒有依照時序運行，異常情況包括在運行時段內(nèi)沒有達到指定的運行效率或者開度甚至不運行以及在非運行時段運行等。

為了實現(xiàn)對以上異常情況的報警，具體措施如下：

（1）首先考慮到UNITANK工藝較為復雜，并且總時間、總時序段個數(shù)和單個時序時長都可以進行人為調(diào)整等，因此雖然目前報警所需要的邏輯判斷復雜程度并沒有超出PLC編程所能達到的程度，但受限于單個程序所能使用的計時器數(shù)量、程序段長度等限制條件，決定報警邏輯判斷均由上位機實現(xiàn)。

（2）該廠所使用的上位機系統(tǒng)為國產(chǎn)軟件三維力控。組態(tài)軟件，又稱“組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件”，是指數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，也是指在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境。

根據(jù)實際功能需求特點，經(jīng)過詳細分析確定通過追蹤單個反應池的當前運行時序，配合數(shù)據(jù)改變動作可以得到較好的效果。雖然基于條件的動作類也可以達到相應的目標，但如果采用估計與條件的動作類腳本會造成大量的并行腳本，相對動作改變類腳本，運行效率較低。

在數(shù)據(jù)改變動作腳本中，首先分析當前所處的時序時間段，之后定時循環(huán)監(jiān)視各個相關(guān)設(shè)備，包括進出水閥門、曝氣閥門、剩余污泥泵等是否按照時序要求運行，一旦發(fā)現(xiàn)問題就進行報警，并且根據(jù)不同邏輯和設(shè)備生成便于理解的報警描述。同樣地，在當前運行時間進行時序段切換時，考慮閥門啟停周期等因素，做好相應的濾波工作。

4? ? 結(jié)論

本文利用綜合信號分析、PLC與上位機組態(tài)軟件相結(jié)合等措施，實現(xiàn)了基于SCADA的工藝二次深度報警功能。該功能的實現(xiàn)大大拓展了SCADA系統(tǒng)在運行輔助方面所起到的作用，使得運行監(jiān)督人員能夠更快速、高效地發(fā)現(xiàn)工藝運行過程中的異常情況。本次項目中實現(xiàn)了：

（1）當泵機反饋正常運行時，相應的流量檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。二次報警的基礎(chǔ)場景，可以類比推廣到各類設(shè)備與儀表組合。在本次項目實施完成后，將進一步優(yōu)化成更加模塊化的子程序，便于功能的應用和推廣。

（2）在時序控制的情況下，設(shè)備是否在正確的時序內(nèi)執(zhí)行正確的動作。該報警是本次項目中的難點，包含復雜的判斷邏輯。運用合理類型的腳本與縝密的判斷邏輯，最終高效地達到了預期目標，對于及早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)隱患有很大的幫助。

[參考文獻]

[1] UNITANK污水處理工藝[EB/OL].（2009-09-04）[2020-03-10].https：//www.dowater.com/jishu/2009-09-04/12295.html.

[2] 王振明.SCADA（監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集）軟件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 沈曉南.污水處理廠運行和管理問答[M].2版.北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[4] 王華忠，陳冬青.工業(yè)控制系統(tǒng)及應用——SCADA系統(tǒng)篇[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[5] 吳永貴.力控組態(tài)軟件應用一本通[M].北京：化學工業(yè)出版社，2015.

[6] 王兆宇.施耐德PLC電氣設(shè)計與編程自學寶典[M].北京：中國電力出版社，2014.

[7] 鄭梅.污水處理工程工藝設(shè)計從入門到精通[M].北京：化學工業(yè)出版社，2018.

收稿日期：2020-05-14

作者簡介：黃虎一（1986—），男，上海人，工程師，研究方向：水處理及自控。