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

        2020-10-21 03:57:24黃虎一李強(qiáng)
        機(jī)電信息 2020年21期

        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(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^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)沒有達(dá)到指定的運(yùn)行效率或者開度甚至不運(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,通過這樣不僅可以從整體上發(fā)現(xiàn)問題,還可通過對(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停泵機(jī)組號(hào)。這樣通過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)沒有達(dá)到指定的運(yùn)行效率或者開度甚至不運(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)和開發(fā)環(huán)境。

        根據(jù)實(shí)際功能需求特點(diǎn),經(jīng)過詳細(xì)分析確定通過追蹤單個(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。

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