通過軟件技術改造消除硬件故障

熊 烈，劉海燕

（南通經濟技術開發區通盛排水有限公司，江蘇南通 226017）

0 引言

對于污水處理設施而言，工藝的選擇是基礎，設備的穩定運行是關鍵。隨著環保要求的不斷提高，污水處理廠不斷引進一些先進的污水處理成套設備，以滿足特定條件下污水處理的需求，這些成套設備往往自帶完整的自控系統。數字技術與傳統設備的高度融合，使成套設備的穩定運行不僅取決于傳統硬件設備，還要依靠軟件系統。

某工業園區污水處理廠，采用“水解酸化+AAO+高效沉淀+活性碳+消毒”工藝，對園區的綜合污水進行處理。在生產中發現濕法投加粉末活性碳系統故障頻發，一定程度上影響了設施的穩定運行，加大了操作人員的勞動強度，對降本增效也產生了不利影響。其中，AAO 為Anaerobic-Anoxic-Oxic 的簡寫，即厭氧—缺氧—好氧法。

1 問題描述

這是某型粉末活性碳濕法投加成套設備，用于向活性碳吸附工段投加粉末活性碳。其工作原理為：粉末活性碳（200 目，即0.075 mm）存儲在料倉中，通過螺旋喂料機投加到潤濕罐中；潤濕水補水泵將潤濕水送進入潤濕罐；潤濕罐中裝有攪拌器，將粉末活性碳與水攪拌潤濕，形成粉末活性碳與水的混合物；再通過投料泵將混合物送入活性碳吸附池（圖1）。整套設備設有一個PLC 站，負責采集相關的各種信號，經過計算后協調和控制所有的設備運行。

圖1 粉末活性碳投加系統

潤濕罐內的液位信號是整套設備的關鍵參數之一，多個設備的啟停與之關聯。為了測量潤濕罐內的實時液位，原系統根據連通器原理設置了旁路測量管，在測量管內安裝有液位計，液位信號經過變送器轉換成4～20 mA 模擬信號變送至PLC，經過模擬量數據采集模塊轉換成數字信號，通過程序運算，輸出各種控制信號，控制多個外圍設備的運行。

系統投產后故障不斷，喂料機、攪拌器、補水泵、投料泵等設備經常損壞，還多次出現潤濕罐堵塞、粉末活性碳溢出等現象。工藝專業認為，粉末活性碳向水中投加，必須要有足夠強度的攪拌，如果攪拌不夠會出現以下情況：

（1）粉末活性碳不能及時分散到水中，而是漂浮在水面上、形成堆積，堵塞螺旋喂料機的下料通道，造成喂料機損壞。嚴重時活性碳粉末能反向通過下料通道頂部的觀察窗溢出，在氣流影響下形成揚塵污染。

（2）已經分散到水中的粉末活性碳的沉降速度很快，容易沉淀，形成一種碳泥堵塞管道，嚴重時會阻礙攪拌槳葉的運行，造成攪拌器損壞。

因此，罐內高強度的攪拌是工藝所必須。但是，罐內高強度的攪拌又造成旁路測量管內液位的上下變化過大，液位測量信號隨機劇烈振蕩。根據初步觀察，測量管內液位的上下震蕩幅度超過0.4 m。潤濕罐總深1.1 m，去掉上、下的無效深度后，有效深度為0.8 m，再設HH、H、L、LL 四個液位，實際工作液位0.6 m。這樣，測量值的變化幅度占實際工作液位的66.7%，因此系統很難建立穩定的工作狀態，經常可以觀察到多個設備的閃停或閃動，變化頻繁從而導致各種故障。

2 解決思路

根據以上初步分析，系統不能穩定工作的癥結疑似PLC 得不到相對穩定的、接近真實液位的測量值。筆者嘗試采用流體阻尼的辦法來穩定測量管液位，但因阻尼孔容易堵塞而失敗。為進一步深入分析，采集了一段PLC 內部液位信號變量數據，采樣頻率為1 次/s，長度為220 s，將其導入Matlab，作出波形圖（圖2）。

由圖2 可以看出：

（1）所有數據均圍繞某個中心值上下波動，形成噪聲（高頻信號）。根據實地觀察，旁路測量管內的液位確實在劇烈變化，但這顯然是機械攪拌擾動所致，潤濕罐內的真實液位并沒有發生如此劇烈的變化。

圖2 波形圖

（2）所有測量值所反映的總趨勢的變化不大（低頻信號）。事實上液位是變化的，但從時間尺度上比較，真實液位變化的時間尺度要遠遠大于噪聲變化的時間尺度。

至此，故障原因基本得到證實。這是一個較為典型的低通濾波（Low-pass Filter）問題。基于已建立的系統數學模型，從夾雜著隨機噪聲的系統輸入/輸出的量測數據中，采用統計方法，針對一定統計規則（如最小方差估計、極大似然估計、最小二乘估計等）求出系統狀態的最優估計，即最優濾波是閉環系統最優控制工程實現的前提[1]。達到這個目標有兩個方案，方案1 是更換符合本案例的、具有濾波功能的液位計，方案2 是對系統軟件進行升級改造，增加數字濾波功能。針對這兩個方案，比選結果見表1。

表1 改造方案比選

通過比選，方案2 成為首選。連續生產中液位信號是時間序列數據，時間序列可能由趨勢、季節、循環這3 個成分中的某些或全部再加上隨機成分構成，可以分解的序列的最簡單形式為可加模型（Additive model）[2]：Xt=μt+γt+εt。其中，Xt表示時間序列，μt表示趨勢成分，γt表示季節成分，εt表示擾動成分或誤差成分。

可以通過數學方法轉換成平穩序列[2]，消除擾動成分和季節成分，揭示趨勢成分。算法有很多，其中比較常用的是加權移動平滑。加權的基本思想可以描述為：設有兩個觀測值a 和b，其權值分別為wa和wb，如果a 的不確定度高于b，那么權值wa就應低于wb。也就是說，由于b 的可靠性高于a，因此其對數據擬合的影響應該更大[3]。中心移動平均對于直觀觀測時間序列所蘊含的趨勢是很有用的，因為平均值可以消除季節性和噪聲的影響，可以使得趨勢更加明顯[4]。所以，對于一時間序列觀測值yt，在該數據序列上開一個窗口（Span），窗口寬度為2n+1，則：

yi——i 時的觀測值，t-n≤i≤t+n

ki——各觀測值yi的相對計算系數

n——窗口中心點的鄰域寬度

3 技術改造的實施

工程使用的PLC 為S7-200SmartSR40，模擬量擴展模塊為EMAE04，均為廣大工程技術人員所熟知并在工程實踐中有廣泛應用。技改參數：數據窗口（Span）寬度為7（即n=3），ki值默認1.0，該值可以由工藝工程師在調試時通過操作觸摸屏進行修改，采樣頻率1 次/s，窗口移動由一個數據條數（Item）為7 的FIFO（First In First Out，先進先出）實現。

濾波后的數據波形見圖2 中的濾波后曲線。由圖可見，平滑后的數據噪聲明顯減輕，更加接近真實液位。生產實踐證實，寬度為7、ki=1.0 的移動平滑已經能夠滿足生產要求。經過以上軟件技術改造，設備頻繁動作的現象消失，系統可靠性大大增強，保障了生產，減輕了工人勞動強度，節省了設備工程投資和維修資金。截至筆者發稿時，系統已經穩定運行超過6 個月無故障，取得了良好的效果。

4 結論

（1）在可編程序邏輯控制系統中，針對振蕩液位的測量，采用低通濾波算法對測量信號進行濾波，可以很好地去除噪聲，得到接近真實的液位信號，在不改變硬件的條件下，對軟件系統進行升級改造，達到消除硬件故障的目標，切實可行，實現了成本最小化。

（2）增加窗口寬度，可以獲得更好的數據平滑效果，但是實時性會變差；在窗口寬度不變的情況下，改變各個數據的權重，使得新數據的權重越大，老數據的權重越小，也可以改善實時性，同時還能體現出數據老化的特點，但對平滑效果有影響。平滑性與實時性是一對矛盾，可以由工藝工程師在調試時平衡確定。另外，選擇適當的采樣頻率也很重要，在擾動具有明顯周期性時，采用更加科學的采樣策略以及算法可以消除周期的影響。