基于SCADA系統(tǒng)的工藝二次報(bào)警實(shí)現(xiàn)

黃虎一 李強(qiáng)

摘要：SCADA系統(tǒng)是污水處理廠生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程控制的核心系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)通過(guò)PLC系統(tǒng)采集設(shè)備和儀表的運(yùn)行狀態(tài)及檢測(cè)數(shù)據(jù)，其中設(shè)備故障信號(hào)和檢測(cè)儀表超限信號(hào)等都是報(bào)警信息的主要來(lái)源。但僅僅是這些報(bào)警信號(hào)對(duì)于發(fā)現(xiàn)廠內(nèi)異常情況還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此需要相應(yīng)的技術(shù)手段對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。鑒于此，利用綜合信號(hào)分析、PLC與上位機(jī)組態(tài)軟件相結(jié)合等措施，實(shí)現(xiàn)了基于SCADA的工藝二次深度報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞：SCADA;工藝二次報(bào)警;數(shù)據(jù)預(yù)警分析

0? ? 引言

在現(xiàn)代化城市中，通過(guò)污水處理廠處理城市污水已經(jīng)成為保護(hù)水環(huán)境的一項(xiàng)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(jiǎn)稱SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)通過(guò)傳感器、網(wǎng)絡(luò)、可編程邏輯控制和上位機(jī)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(dòng)化，提高了日常工作的處理效率，減輕了污水對(duì)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(yùn)行，協(xié)調(diào)各類處理設(shè)備根據(jù)工況以及工藝要求進(jìn)行運(yùn)作。但是在日常生產(chǎn)過(guò)程中仍然存在很多影響生產(chǎn)運(yùn)行的異常情況無(wú)法通過(guò)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行警示，而需要工藝主管進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行展現(xiàn)的，因?yàn)閱我粰z測(cè)數(shù)據(jù)的異?？梢员憬莸赝ㄟ^(guò)SCADA內(nèi)部上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)警上下限而完成。這類異常往往通過(guò)單一的數(shù)據(jù)無(wú)法體現(xiàn)，單一數(shù)據(jù)均在正常數(shù)值范圍內(nèi)，而當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析時(shí)就能發(fā)現(xiàn)其中潛在的問(wèn)題。

本文以一個(gè)具體的污水處理廠生產(chǎn)工藝控制體系為例進(jìn)行分析，基于SCADA系統(tǒng)，通過(guò)各類技術(shù)手段結(jié)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)工藝異常二次深度報(bào)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(diǎn)。

1? ? 案例分析

上海市某污水處理廠，日處理量大于20萬(wàn)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(gè)矩形池組成，3個(gè)池平行而又相通，每個(gè)池均設(shè)有供氧設(shè)備，可采用鼓風(fēng)曝氣。其中中間池只作為曝氣池，兩個(gè)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(jìn)入系統(tǒng)的污水通過(guò)管道或者渠道配水，交替進(jìn)入3個(gè)池中的任意一個(gè)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)排水。

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

2? ? 報(bào)警分析

2.1? ? SCADA系統(tǒng)報(bào)警內(nèi)容

當(dāng)前SCADA所能提供的報(bào)警內(nèi)容主要分為以下幾類：

（1）設(shè)備故障信號(hào)：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(bào)警信號(hào)存在一定的差距。較為簡(jiǎn)單的設(shè)備往往僅能輸出一個(gè)總故障信號(hào)，對(duì)于不同原因所引起的故障無(wú)法區(qū)分;較為先進(jìn)的設(shè)備可以簡(jiǎn)單區(qū)分由不同原因所導(dǎo)致的故障，部分設(shè)備甚至可以通過(guò)通信接口輸出詳細(xì)、完整的故障代碼和描述。

（2）檢測(cè)信號(hào)超限：各類水質(zhì)儀表，如DO、MLSS、COD、氨氮等等。這類信號(hào)往往是根據(jù)出水水質(zhì)的工藝指標(biāo)要求輸出，并核查預(yù)先設(shè)置好的報(bào)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(guò)技術(shù)手段進(jìn)行收集，并直觀地向用戶展示及進(jìn)行提醒。

2.2? ? 二次報(bào)警需求

所謂“生產(chǎn)工藝二次報(bào)警”，即不再僅僅是從單個(gè)數(shù)據(jù)的角度判斷異常，而是從更加符合實(shí)際生產(chǎn)工藝診斷的角度，從多維度的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)泵機(jī)反饋正常運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的流量檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差;

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

（3）同類型設(shè)備在相同工況下能耗和運(yùn)行參數(shù)存在偏差。

以上案例中，單個(gè)測(cè)量點(diǎn)無(wú)法也不能反映現(xiàn)場(chǎng)的異常隱患，需通過(guò)較為復(fù)雜的關(guān)聯(lián)邏輯判斷才能推斷異常情況。而這個(gè)類關(guān)聯(lián)性邏輯判斷無(wú)法在PLC層面全部處理，因?yàn)橥枰^長(zhǎng)時(shí)間跨度的數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)和對(duì)比分析，而PLC系統(tǒng)更適用于實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)反饋?lái)憫?yīng)及控制。

本次的研究?jī)?nèi)容主要就是以某個(gè)水廠為實(shí)例，著重分析如何根據(jù)其自身特色制定并實(shí)現(xiàn)工藝二次報(bào)警功能。

3? ? 案例實(shí)現(xiàn)

針對(duì)二次報(bào)警的兩種典型案例，分別定位廠內(nèi)兩個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行分析及實(shí)現(xiàn)。

3.1? ? 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)綜合預(yù)警

該廠出水區(qū)域共有6臺(tái)出水泵，6臺(tái)出水泵規(guī)格型號(hào)均相同，因此當(dāng)處于正常運(yùn)行工況時(shí)，每一臺(tái)泵的運(yùn)行效率較為接近。每臺(tái)水泵采集的反饋信號(hào)包括運(yùn)行、停止、故障和運(yùn)行電流。對(duì)于反饋的故障，可以很明確地反映現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的異常運(yùn)行狀態(tài)，然而故障信號(hào)卻并不能完全反饋泵機(jī)的所有運(yùn)行異常情況。與出水泵相關(guān)的反饋信號(hào)還包括出水總流量計(jì)，出水總流量計(jì)反映了現(xiàn)場(chǎng)所有運(yùn)行中出水泵的總泵出流量，因此可以從一個(gè)側(cè)面反映出水泵的運(yùn)行工況。正常情況下，每多開(kāi)一臺(tái)出水泵應(yīng)該增加預(yù)期范圍內(nèi)的流量，因此可以預(yù)先設(shè)置好預(yù)期的流量范圍，當(dāng)增加開(kāi)啟泵數(shù)量時(shí)，將實(shí)際的反饋值與預(yù)期的計(jì)算值進(jìn)行比較，通過(guò)這樣不僅可以從整體上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，還可通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的核查具體確定是哪一臺(tái)泵出現(xiàn)了流量偏差，以便進(jìn)一步對(duì)該水泵進(jìn)行檢查。

為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，實(shí)施步驟如下：

（1）首先查閱設(shè)備資料，確定單臺(tái)水泵正常工作時(shí)的流量范圍;

（2）PLC程序段內(nèi)增加統(tǒng)計(jì)開(kāi)泵臺(tái)數(shù)的程序段及變量，以及水泵預(yù)期泵出流量的上下限制變量和開(kāi)泵臺(tái)數(shù)與流量不匹配的報(bào)警變量;

（3）PLC程序段每個(gè)周期計(jì)算當(dāng)前開(kāi)泵臺(tái)數(shù)的泵出流量，計(jì)算結(jié)果與出水總流量反饋值進(jìn)行比較，一旦超出正常值范圍則觸發(fā)開(kāi)泵臺(tái)數(shù)與流量不匹配的報(bào)警變量進(jìn)行報(bào)警。

除了在PLC內(nèi)部進(jìn)行編程之外，在上位機(jī)上也增加相應(yīng)的變量記錄最近一次的開(kāi)停泵機(jī)組號(hào)。這樣通過(guò)PLC與上位機(jī)相結(jié)合，PLC就可以進(jìn)行整體內(nèi)容的報(bào)警，當(dāng)發(fā)現(xiàn)報(bào)警之后，進(jìn)一步查閱上位機(jī)上最近一次開(kāi)泵機(jī)組號(hào)，即可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)異常泵組的定位查找。

3.2? ? 設(shè)備運(yùn)行時(shí)序報(bào)警

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

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)以上異常情況的報(bào)警，具體措施如下：

（1）首先考慮到UNITANK工藝較為復(fù)雜，并且總時(shí)間、總時(shí)序段個(gè)數(shù)和單個(gè)時(shí)序時(shí)長(zhǎng)都可以進(jìn)行人為調(diào)整等，因此雖然目前報(bào)警所需要的邏輯判斷復(fù)雜程度并沒(méi)有超出PLC編程所能達(dá)到的程度，但受限于單個(gè)程序所能使用的計(jì)時(shí)器數(shù)量、程序段長(zhǎng)度等限制條件，決定報(bào)警邏輯判斷均由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。

（2）該廠所使用的上位機(jī)系統(tǒng)為國(guó)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(guò)程控制的專用軟件，也是指在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。

根據(jù)實(shí)際功能需求特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析確定通過(guò)追蹤單個(gè)反應(yīng)池的當(dāng)前運(yùn)行時(shí)序，配合數(shù)據(jù)改變動(dòng)作可以得到較好的效果。雖然基于條件的動(dòng)作類也可以達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)，但如果采用估計(jì)與條件的動(dòng)作類腳本會(huì)造成大量的并行腳本，相對(duì)動(dòng)作改變類腳本，運(yùn)行效率較低。

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

4? ? 結(jié)論

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

（1）當(dāng)泵機(jī)反饋正常運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的流量檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。二次報(bào)警的基礎(chǔ)場(chǎng)景，可以類比推廣到各類設(shè)備與儀表組合。在本次項(xiàng)目實(shí)施完成后，將進(jìn)一步優(yōu)化成更加模塊化的子程序，便于功能的應(yīng)用和推廣。

（2）在時(shí)序控制的情況下，設(shè)備是否在正確的時(shí)序內(nèi)執(zhí)行正確的動(dòng)作。該報(bào)警是本次項(xiàng)目中的難點(diǎn)，包含復(fù)雜的判斷邏輯。運(yùn)用合理類型的腳本與縝密的判斷邏輯，最終高效地達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)隱患有很大的幫助。

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收稿日期：2020-05-14

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