通過軟件技術(shù)改造消除硬件故障

熊 烈，劉海燕

（南通經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)通盛排水有限公司，江蘇南通 226017）

0 引言

對(duì)于污水處理設(shè)施而言，工藝的選擇是基礎(chǔ)，設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是關(guān)鍵。隨著環(huán)保要求的不斷提高，污水處理廠不斷引進(jìn)一些先進(jìn)的污水處理成套設(shè)備，以滿足特定條件下污水處理的需求，這些成套設(shè)備往往自帶完整的自控系統(tǒng)。數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)備的高度融合，使成套設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行不僅取決于傳統(tǒng)硬件設(shè)備，還要依靠軟件系統(tǒng)。

某工業(yè)園區(qū)污水處理廠，采用“水解酸化+AAO+高效沉淀+活性碳+消毒”工藝，對(duì)園區(qū)的綜合污水進(jìn)行處理。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)濕法投加粉末活性碳系統(tǒng)故障頻發(fā)，一定程度上影響了設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，加大了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)降本增效也產(chǎn)生了不利影響。其中，AAO 為Anaerobic-Anoxic-Oxic 的簡(jiǎn)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(shè)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(chǔ)在料倉(cāng)中，通過螺旋喂料機(jī)投加到潤(rùn)濕罐中；潤(rùn)濕水補(bǔ)水泵將潤(rùn)濕水送進(jìn)入潤(rùn)濕罐；潤(rùn)濕罐中裝有攪拌器，將粉末活性碳與水?dāng)嚢铦?rùn)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(shè)備設(shè)有一個(gè)PLC 站，負(fù)責(zé)采集相關(guān)的各種信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算后協(xié)調(diào)和控制所有的設(shè)備運(yùn)行。

圖1 粉末活性碳投加系統(tǒng)

潤(rùn)濕罐內(nèi)的液位信號(hào)是整套設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)之一，多個(gè)設(shè)備的啟停與之關(guān)聯(lián)。為了測(cè)量潤(rùn)濕罐內(nèi)的實(shí)時(shí)液位，原系統(tǒng)根據(jù)連通器原理設(shè)置了旁路測(cè)量管，在測(cè)量管內(nèi)安裝有液位計(jì)，液位信號(hào)經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成4～20 mA 模擬信號(hào)變送至PLC，經(jīng)過模擬量數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過程序運(yùn)算，輸出各種控制信號(hào)，控制多個(gè)外圍設(shè)備的運(yùn)行。

系統(tǒng)投產(chǎn)后故障不斷，喂料機(jī)、攪拌器、補(bǔ)水泵、投料泵等設(shè)備經(jīng)常損壞，還多次出現(xiàn)潤(rùn)濕罐堵塞、粉末活性碳溢出等現(xiàn)象。工藝專業(yè)認(rèn)為，粉末活性碳向水中投加，必須要有足夠強(qiáng)度的攪拌，如果攪拌不夠會(huì)出現(xiàn)以下情況：

（1）粉末活性碳不能及時(shí)分散到水中，而是漂浮在水面上、形成堆積，堵塞螺旋喂料機(jī)的下料通道，造成喂料機(jī)損壞。嚴(yán)重時(shí)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(yáng)塵污染。

（2）已經(jīng)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(yán)重時(shí)會(huì)阻礙攪拌槳葉的運(yùn)行，造成攪拌器損壞。

因此，罐內(nèi)高強(qiáng)度的攪拌是工藝所必須。但是，罐內(nèi)高強(qiáng)度的攪拌又造成旁路測(cè)量管內(nèi)液位的上下變化過大，液位測(cè)量信號(hào)隨機(jī)劇烈振蕩。根據(jù)初步觀察，測(cè)量管內(nèi)液位的上下震蕩幅度超過0.4 m。潤(rùn)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(shè)HH、H、L、LL 四個(gè)液位，實(shí)際工作液位0.6 m。這樣，測(cè)量值的變化幅度占實(shí)際工作液位的66.7%，因此系統(tǒng)很難建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)，經(jīng)?？梢杂^察到多個(gè)設(shè)備的閃停或閃動(dòng)，變化頻繁從而導(dǎo)致各種故障。

2 解決思路

根據(jù)以上初步分析，系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作的癥結(jié)疑似PLC 得不到相對(duì)穩(wěn)定的、接近真實(shí)液位的測(cè)量值。筆者嘗試采用流體阻尼的辦法來穩(wěn)定測(cè)量管液位，但因阻尼孔容易堵塞而失敗。為進(jìn)一步深入分析，采集了一段PLC 內(nèi)部液位信號(hào)變量數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 次/s，長(zhǎng)度為220 s，將其導(dǎo)入Matlab，作出波形圖（圖2）。

由圖2 可以看出：

（1）所有數(shù)據(jù)均圍繞某個(gè)中心值上下波動(dòng)，形成噪聲（高頻信號(hào)）。根據(jù)實(shí)地觀察，旁路測(cè)量管內(nèi)的液位確實(shí)在劇烈變化，但這顯然是機(jī)械攪拌擾動(dòng)所致，潤(rùn)濕罐內(nèi)的真實(shí)液位并沒有發(fā)生如此劇烈的變化。

圖2 波形圖

（2）所有測(cè)量值所反映的總趨勢(shì)的變化不大（低頻信號(hào)）。事實(shí)上液位是變化的，但從時(shí)間尺度上比較，真實(shí)液位變化的時(shí)間尺度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噪聲變化的時(shí)間尺度。

至此，故障原因基本得到證實(shí)。這是一個(gè)較為典型的低通濾波（Low-pass Filter）問題?；谝呀⒌南到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型，從夾雜著隨機(jī)噪聲的系統(tǒng)輸入/輸出的量測(cè)數(shù)據(jù)中，采用統(tǒng)計(jì)方法，針對(duì)一定統(tǒng)計(jì)規(guī)則（如最小方差估計(jì)、極大似然估計(jì)、最小二乘估計(jì)等）求出系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)，即最優(yōu)濾波是閉環(huán)系統(tǒng)最優(yōu)控制工程實(shí)現(xiàn)的前提[1]。達(dá)到這個(gè)目標(biāo)有兩個(gè)方案，方案1 是更換符合本案例的、具有濾波功能的液位計(jì)，方案2 是對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行升級(jí)改造，增加數(shù)字濾波功能。針對(duì)這兩個(gè)方案，比選結(jié)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(xù)生產(chǎn)中液位信號(hào)是時(shí)間序列數(shù)據(jù)，時(shí)間序列可能由趨勢(shì)、季節(jié)、循環(huán)這3 個(gè)成分中的某些或全部再加上隨機(jī)成分構(gòu)成，可以分解的序列的最簡(jiǎn)單形式為可加模型（Additive model）[2]：Xt=μt+γt+εt。其中，Xt表示時(shí)間序列，μt表示趨勢(shì)成分，γt表示季節(jié)成分，εt表示擾動(dòng)成分或誤差成分。

可以通過數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)序列[2]，消除擾動(dòng)成分和季節(jié)成分，揭示趨勢(shì)成分。算法有很多，其中比較常用的是加權(quán)移動(dòng)平滑。加權(quán)的基本思想可以描述為：設(shè)有兩個(gè)觀測(cè)值a 和b，其權(quán)值分別為wa和wb，如果a 的不確定度高于b，那么權(quán)值wa就應(yīng)低于wb。也就是說，由于b 的可靠性高于a，因此其對(duì)數(shù)據(jù)擬合的影響應(yīng)該更大[3]。中心移動(dòng)平均對(duì)于直觀觀測(cè)時(shí)間序列所蘊(yùn)含的趨勢(shì)是很有用的，因?yàn)槠骄悼梢韵竟?jié)性和噪聲的影響，可以使得趨勢(shì)更加明顯[4]。所以，對(duì)于一時(shí)間序列觀測(cè)值yt，在該數(shù)據(jù)序列上開一個(gè)窗口（Span），窗口寬度為2n+1，則：

yi——i 時(shí)的觀測(cè)值，t-n≤i≤t+n

ki——各觀測(cè)值yi的相對(duì)計(jì)算系數(shù)

n——窗口中心點(diǎn)的鄰域?qū)挾?/p>

3 技術(shù)改造的實(shí)施

工程使用的PLC 為S7-200SmartSR40，模擬量擴(kuò)展模塊為EMAE04，均為廣大工程技術(shù)人員所熟知并在工程實(shí)踐中有廣泛應(yīng)用。技改參數(shù)：數(shù)據(jù)窗口（Span）寬度為7（即n=3），ki值默認(rèn)1.0，該值可以由工藝工程師在調(diào)試時(shí)通過操作觸摸屏進(jìn)行修改，采樣頻率1 次/s，窗口移動(dòng)由一個(gè)數(shù)據(jù)條數(shù)（Item）為7 的FIFO（First In First Out，先進(jìn)先出）實(shí)現(xiàn)。

濾波后的數(shù)據(jù)波形見圖2 中的濾波后曲線。由圖可見，平滑后的數(shù)據(jù)噪聲明顯減輕，更加接近真實(shí)液位。生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，寬度為7、ki=1.0 的移動(dòng)平滑已經(jīng)能夠滿足生產(chǎn)要求。經(jīng)過以上軟件技術(shù)改造，設(shè)備頻繁動(dòng)作的現(xiàn)象消失，系統(tǒng)可靠性大大增強(qiáng)，保障了生產(chǎn)，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了設(shè)備工程投資和維修資金。截至筆者發(fā)稿時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行超過6 個(gè)月無故障，取得了良好的效果。

4 結(jié)論

（1）在可編程序邏輯控制系統(tǒng)中，針對(duì)振蕩液位的測(cè)量，采用低通濾波算法對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波，可以很好地去除噪聲，得到接近真實(shí)的液位信號(hào)，在不改變硬件的條件下，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，達(dá)到消除硬件故障的目標(biāo)，切實(shí)可行，實(shí)現(xiàn)了成本最小化。

（2）增加窗口寬度，可以獲得更好的數(shù)據(jù)平滑效果，但是實(shí)時(shí)性會(huì)變差；在窗口寬度不變的情況下，改變各個(gè)數(shù)據(jù)的權(quán)重，使得新數(shù)據(jù)的權(quán)重越大，老數(shù)據(jù)的權(quán)重越小，也可以改善實(shí)時(shí)性，同時(shí)還能體現(xiàn)出數(shù)據(jù)老化的特點(diǎn)，但對(duì)平滑效果有影響。平滑性與實(shí)時(shí)性是一對(duì)矛盾，可以由工藝工程師在調(diào)試時(shí)平衡確定。另外，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率也很重要，在擾動(dòng)具有明顯周期性時(shí)，采用更加科學(xué)的采樣策略以及算法可以消除周期的影響。