基于SCADA系统的工艺二次报警实现

黄虎一 李强

摘要：SCADA系统是污水处理厂生产运行过程控制的核心系统。SCADA系统通过PLC系统采集设备和仪表的运行状态及检测数据，其中设备故障信号和检测仪表超限信号等都是报警信息的主要来源。但仅仅是这些报警信号对于发现厂内异常情况还远远不够，因此需要相应的技术手段对生产运行数据进行进一步分析。鉴于此，利用综合信号分析、PLC与上位机组态软件相结合等措施，实现了基于SCADA的工艺二次深度报警功能。

关键词：SCADA;工艺二次报警;数据预警分析

0    引言

在现代化城市中，通过污水处理厂处理城市污水已经成为保护水环境的一项重要手段。污水处理厂中最为核心的信息化辅助手段就是数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition），简称SCADA系统。SCADA系统通过传感器、网络、可编程逻辑控制和上位机组态软件等组件，使得污水处理工作迈向数字化和自动化，提高了日常工作的处理效率，减轻了污水对环境所造成的影响。

SCADA系统在很大程度上辅助了污水处理系统的正常运行，协调各类处理设备根据工况以及工艺要求进行运作。但是在日常生产过程中仍然存在很多影响生产运行的异常情况无法通过SCADA系统进行警示，而需要工艺主管进行人工检查和决策。这类异常情况往往并不是由单一的检测数据进行展现的，因为单一检测数据的异常可以便捷地通过SCADA内部上位机系统设置数据报警上下限而完成。这类异常往往通过单一的数据无法体现，单一数据均在正常数值范围内，而当多个数据进行联合分析时就能发现其中潜在的问题。

本文以一个具体的污水处理厂生产工艺控制体系为例进行分析，基于SCADA系统，通过各类技术手段结合应用实现工艺异常二次深度报警，提升SCADA系统在工艺异常情况发现方面的能力，赋予系统新的功能特点。

1    案例分析

上海市某污水处理厂，日处理量大于20万t，属于大中型污水处理厂，工艺流程如图1所示。

与传统污水处理厂不同，该厂采用了改良型SBR工艺——UNITANK工艺系统。UNITANK系統由3个矩形池组成，3个池平行而又相通，每个池均设有供氧设备，可采用鼓风曝气。其中中间池只作为曝气池，两个边池交替作为曝气池和沉淀池，边池设有固定出水堰和剩余污泥排放口。进入系统的污水通过管道或者渠道配水，交替进入3个池中的任意一个，系统实现连续进水、连续排水。

由于UNITANK工艺的时序性特征十分明显并且节省空间，因此工艺的容错能力相对较弱，整个工艺的进行十分依赖设备能否基于时序表正常运行，故对于设备运行异常的报警，已经不仅仅局限于设备本身的报警信号，而更关心设备有没有依照时序运行。异常情况包括在运行时段内没有达到指定的运行效率或者开度甚至不运行以及在非运行时段运行等。

2    报警分析

2.1    SCADA系统报警内容

当前SCADA所能提供的报警内容主要分为以下几类：

（1）设备故障信号：从设备端引出接入PLC系统，不同的设备所能输出的报警信号存在一定的差距。较为简单的设备往往仅能输出一个总故障信号，对于不同原因所引起的故障无法区分;较为先进的设备可以简单区分由不同原因所导致的故障，部分设备甚至可以通过通信接口输出详细、完整的故障代码和描述。

（2）检测信号超限：各类水质仪表，如DO、MLSS、COD、氨氮等等。这类信号往往是根据出水水质的工艺指标要求输出，并核查预先设置好的报警上下限或上上限、下下限。

（3）辅助异常：主要包括如网络通信异常和供配电异常等情况。

以上异常信息均可通过技术手段进行收集，并直观地向用户展示及进行提醒。

2.2    二次报警需求

所谓“生产工艺二次报警”，即不再仅仅是从单个数据的角度判断异常，而是从更加符合实际生产工艺诊断的角度，从多维度的数据进行分析，发现隐性的生产异常情况。典型的案例包括：

（1）当泵机反馈正常运行时，相应的流量检测数据出现偏差;

（2）在时序控制的情况下，设备是否在正确的时序内执行正确的动作;

（3）同类型设备在相同工况下能耗和运行参数存在偏差。

以上案例中，单个测量点无法也不能反映现场的异常隐患，需通过较为复杂的关联逻辑判断才能推断异常情况。而这个类关联性逻辑判断无法在PLC层面全部处理，因为往往需要较长时间跨度的数据进行趋势和对比分析，而PLC系统更适用于实时的数据反馈响应及控制。

本次的研究内容主要就是以某个水厂为实例，着重分析如何根据其自身特色制定并实现工艺二次报警功能。

3    案例实现

针对二次报警的两种典型案例，分别定位厂内两个场景进行分析及实现。

3.1    设备运行状态综合预警

该厂出水区域共有6台出水泵，6台出水泵规格型号均相同，因此当处于正常运行工况时，每一台泵的运行效率较为接近。每台水泵采集的反馈信号包括运行、停止、故障和运行电流。对于反馈的故障，可以很明确地反映现场设备的异常运行状态，然而故障信号却并不能完全反馈泵机的所有运行异常情况。与出水泵相关的反馈信号还包括出水总流量计，出水总流量计反映了现场所有运行中出水泵的总泵出流量，因此可以从一个侧面反映出水泵的运行工况。正常情况下，每多开一台出水泵应该增加预期范围内的流量，因此可以预先设置好预期的流量范围，当增加开启泵数量时，将实际的反馈值与预期的计算值进行比较，通过这样不仅可以从整体上发现问题，还可通过对数据的核查具体确定是哪一台泵出现了流量偏差，以便进一步对该水泵进行检查。

为了实现以上目标，实施步骤如下：

（1）首先查阅设备资料，确定单台水泵正常工作时的流量范围;

（2）PLC程序段内增加统计开泵台数的程序段及变量，以及水泵预期泵出流量的上下限制变量和开泵台数与流量不匹配的报警变量;

（3）PLC程序段每个周期计算当前开泵台数的泵出流量，计算结果与出水总流量反馈值进行比较，一旦超出正常值范围则触发开泵台数与流量不匹配的报警变量进行报警。

除了在PLC内部进行编程之外，在上位机上也增加相应的变量记录最近一次的开停泵机组号。这样通过PLC与上位机相结合，PLC就可以进行整体内容的报警，当发现报警之后，进一步查阅上位机上最近一次开泵机组号，即可快速实现对异常泵组的定位查找。

3.2    设备运行时序报警

由于UNITANK工艺的时序性特征十分明显并且节省空间，因此工艺的容错能力相对较弱，整个工艺的进行十分依赖设备能否基于时序表正常运行。故对于设备运行异常的报警，已经不仅仅局限于设备本身的报警信号，而更关心设备有没有依照时序运行，异常情况包括在运行时段内没有达到指定的运行效率或者开度甚至不运行以及在非运行时段运行等。

为了实现对以上异常情况的报警，具体措施如下：

（1）首先考虑到UNITANK工艺较为复杂，并且总时间、总时序段个数和单个时序时长都可以进行人为调整等，因此虽然目前报警所需要的逻辑判断复杂程度并没有超出PLC编程所能达到的程度，但受限于单个程序所能使用的计时器数量、程序段长度等限制条件，决定报警逻辑判断均由上位机实现。

（2）该厂所使用的上位机系统为国产软件三维力控。组态软件，又称“组态监控系统软件”，是指数据采集与过程控制的专用软件，也是指在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境。

根据实际功能需求特点，经过详细分析确定通过追踪单个反应池的当前运行时序，配合数据改变动作可以得到较好的效果。虽然基于条件的动作类也可以达到相应的目标，但如果采用估计与条件的动作类脚本会造成大量的并行脚本，相对动作改变类脚本，运行效率较低。

在数据改变动作脚本中，首先分析当前所处的时序时间段，之后定时循环监视各个相关设备，包括进出水阀门、曝气阀门、剩余污泥泵等是否按照时序要求运行，一旦发现问题就进行报警，并且根据不同逻辑和设备生成便于理解的报警描述。同样地，在当前运行时间进行时序段切换时，考虑阀门启停周期等因素，做好相应的滤波工作。

4    结论

本文利用综合信号分析、PLC与上位机组态软件相结合等措施，实现了基于SCADA的工艺二次深度报警功能。该功能的实现大大拓展了SCADA系统在运行辅助方面所起到的作用，使得运行监督人员能够更快速、高效地发现工艺运行过程中的异常情况。本次项目中实现了：

（1）当泵机反馈正常运行时，相应的流量检测数据出现偏差。二次报警的基础场景，可以类比推广到各类设备与仪表组合。在本次项目实施完成后，将进一步优化成更加模块化的子程序，便于功能的应用和推广。

（2）在时序控制的情况下，设备是否在正确的时序内执行正确的动作。该报警是本次项目中的难点，包含复杂的判断逻辑。运用合理类型的脚本与缜密的判断逻辑，最终高效地达到了预期目标，对于及早发现生产隐患有很大的帮助。

[参考文献]

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收稿日期：2020-05-14

作者简介：黄虎一（1986—），男，上海人，工程师，研究方向：水处理及自控。