環(huán)保工況監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)研究

牛健、王亞北、田偉、王鵬、錢鋒、張啟富

（1.中電?？导瘓F(tuán)有限公司，浙江杭州，310012）2.中電科新型智慧城市研究院有限公司，廣東深圳，518000）

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)保問題日益突出。早在“十一五”期間，國(guó)家就建立了污染排放企業(yè)的點(diǎn)末端監(jiān)控體系[1]。末端監(jiān)控可以為污染物的評(píng)估和制定環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。但是，末端數(shù)據(jù)的有效性認(rèn)定就成了亟待解決的問題?！笆濉逼陂g，《國(guó)家環(huán)境監(jiān)管能力建設(shè)“十二五”規(guī)劃》中將污染源排放過程（工況）自動(dòng)監(jiān)控能力列入建設(shè)范圍。在《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)工作的意見》中又進(jìn)一步明確提出由“點(diǎn)末端監(jiān)控”向“全過程監(jiān)控”轉(zhuǎn)變。污染源治理設(shè)施過程監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)污染產(chǎn)生、治理過程、排放等的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集，通過建立相關(guān)模型，實(shí)現(xiàn)污染治理設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)分析、排放數(shù)據(jù)真實(shí)性判定，同時(shí)還可將信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)街鞴懿块T的污染源監(jiān)控中心，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性?！笆濉币?guī)劃中進(jìn)一步肯定了過程數(shù)據(jù)的重要性，在2016年的“環(huán)境保護(hù)工作會(huì)議”中提出“信息化，大數(shù)據(jù)等信息化手段以問題為導(dǎo)向，可以幫助我們更廣泛應(yīng)用數(shù)據(jù)，提供基礎(chǔ)支撐，尋求優(yōu)化方案，給管理帶來質(zhì)的變化”。建立環(huán)保工況運(yùn)行數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，不僅可以為環(huán)保部門提供有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還能為企業(yè)環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行和管理提供合理的建議，進(jìn)一步協(xié)調(diào)環(huán)保部門和企業(yè)的關(guān)系，協(xié)調(diào)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系。

自從國(guó)家提出污染源監(jiān)控由“點(diǎn)末端監(jiān)控”向“全過程監(jiān)控”的轉(zhuǎn)變后，環(huán)保的信息化建設(shè)也由末端監(jiān)管轉(zhuǎn)向了全過程監(jiān)控[2]。由于不同行業(yè)的工藝過程各不相同，不同的單位或研究機(jī)構(gòu)對(duì)各個(gè)細(xì)分行業(yè)的工況監(jiān)控系統(tǒng)分別進(jìn)行了深入的研究，如對(duì)電廠工況系統(tǒng)的研究，主要集中在對(duì)電廠工藝過程的分析、如何與電廠的控制系統(tǒng)通信以及如何存儲(chǔ)和處理電廠大量的數(shù)據(jù)[3]；對(duì)污水廠工況系統(tǒng)的研究，主要在于如何通過工藝分析確定報(bào)警規(guī)則和如何采集現(xiàn)場(chǎng)的信息[4]。對(duì)各類化工過程工況系統(tǒng)的研究，也都根據(jù)工藝分別有所側(cè)重[5-7]。

市面上現(xiàn)有的工況監(jiān)控方案，大都難以在專業(yè)性和通用性上進(jìn)行很好的取舍，也沒有一個(gè)很好的解決方案。本文提出一種環(huán)保工況監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)，聚焦解決兩個(gè)問題：一是數(shù)據(jù)接入，即如何根據(jù)具體的設(shè)備獲取數(shù)據(jù)；二是數(shù)據(jù)分析，即如何根據(jù)具體的工藝過程分析和利用數(shù)據(jù)。該架構(gòu)既保證系統(tǒng)能根據(jù)行業(yè)特性定制不同的分析功能，又能適用于不同的行業(yè)。

1 系統(tǒng)概述

環(huán)保工況監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)納入環(huán)保監(jiān)控的企業(yè)或生產(chǎn)設(shè)施的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)。而不同的企業(yè)、設(shè)備或系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

第一，如何確定采集哪些數(shù)據(jù)。實(shí)際的生產(chǎn)過程非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)的情況也非常復(fù)雜，如有些污水處理設(shè)施，除了環(huán)保強(qiáng)制要求的末端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)外，整個(gè)治污過程中并沒有儀表來產(chǎn)生數(shù)據(jù)，要想得到過程數(shù)據(jù)必須添加儀表；有些火電廠的發(fā)電過程，控制系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)點(diǎn)可能有幾萬點(diǎn)，把所有的數(shù)據(jù)全部都采集到環(huán)保監(jiān)控端，對(duì)于環(huán)保監(jiān)控沒有必要，同時(shí)還極大增加了實(shí)施的難度。因此，分析過程特性，確定需要采集的過程數(shù)據(jù)是部署工況系統(tǒng)的前提。

第二，如何采集過程數(shù)據(jù)。有些過程數(shù)據(jù)已經(jīng)存在于控制系統(tǒng)之中，有些數(shù)據(jù)只能在現(xiàn)場(chǎng)儀表上顯示，還有些數(shù)據(jù)需要新添加儀表才能采集到，而且這些數(shù)據(jù)的通信協(xié)議不一，在平臺(tái)端要綜合考慮不同情況的數(shù)據(jù)接入。因此，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的采集過程數(shù)據(jù)是部署工況系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

第三，工況數(shù)據(jù)如何分析。環(huán)保監(jiān)管的行業(yè)眾多，納入工況監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備或系統(tǒng)工藝情況各異，過程數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)保末端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)影響的原理也各不相同，過程數(shù)據(jù)的分析難以構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一化的分析模型，需要具體問題具體分析。因此，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化、定制化的過程數(shù)據(jù)分析是部署工況系統(tǒng)的目的。

本文提出的環(huán)保工況監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，將如何區(qū)分工況數(shù)據(jù)作為前提，以數(shù)據(jù)接入的安全性和有效性作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)工況數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析。本系統(tǒng)可為環(huán)保部門提供有效的環(huán)保考核數(shù)據(jù)和分析推斷方法，同時(shí)為生產(chǎn)企業(yè)環(huán)保設(shè)施的高效運(yùn)行提供合理化建議。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和分析設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)分類

工況系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)，原則上應(yīng)該能充分反映生產(chǎn)和治污過程。從過程系統(tǒng)運(yùn)行管理方面考慮，可以將工況數(shù)據(jù)分為以下5類：

（1）負(fù)荷數(shù)據(jù)

負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)一步可以分為負(fù)荷指令數(shù)據(jù)和實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過負(fù)荷指令數(shù)據(jù)和實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)的比較，可以區(qū)分系統(tǒng)工作在過渡狀態(tài)還是穩(wěn)定狀態(tài)。負(fù)荷數(shù)據(jù)還能表明系統(tǒng)的工作區(qū)間，不同負(fù)荷下，過程系統(tǒng)通常有不一樣的工作狀態(tài)。

（2）關(guān)鍵控制參數(shù)

過程系統(tǒng)通常都有一種或幾種關(guān)鍵的控制參數(shù)，而污染物只是整個(gè)過程系統(tǒng)的副產(chǎn)品，關(guān)鍵參數(shù)能夠在一定程度上反映污染物的排放情況。

（3）環(huán)保參數(shù)

環(huán)保參數(shù)即環(huán)保部門考核的關(guān)鍵參數(shù)，若此量可控，一般還可以分為環(huán)保考核參數(shù)、工廠內(nèi)控參數(shù)和工廠操作參數(shù)。

（4）重要的擾動(dòng)參數(shù)

生產(chǎn)過程中的擾動(dòng)參數(shù)對(duì)最終產(chǎn)品有很大影響，但又不能通過生產(chǎn)過程中一些可以操作的手段進(jìn)行控制。采集重要的擾動(dòng)參數(shù)對(duì)工況過程分析非常必要。

（5）重要的開關(guān)量

生產(chǎn)過程中某些設(shè)備是否開啟，對(duì)判斷最終排污指標(biāo)也有至關(guān)重要的意義。

2.2 數(shù)據(jù)接入方式

工況系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需要從具體的生產(chǎn)過程產(chǎn)生，再接入平臺(tái)端的系統(tǒng)，從工況數(shù)據(jù)的接入方式來看，大致分為3類：

（1）控制系統(tǒng)接口接入

生產(chǎn)過程一般已經(jīng)具備成熟的控制系統(tǒng)，所需要采集的參數(shù)都已集成在控制系統(tǒng)里，采集控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通常只需通過控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口。一般來說，現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)都預(yù)留OPC或MODBUS兩種數(shù)據(jù)接口。

（2）智能儀表接入

智能儀表除了高穩(wěn)定性、高可靠性的特點(diǎn)外，一般來說還能直接產(chǎn)生MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)，可通過MODBUS接口傳輸產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

（3）普通儀表接入

普通儀表一般把感知的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4～20mA或0～12V的模擬量信號(hào)，工況系統(tǒng)若要采集這種數(shù)據(jù)，需要就地添加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)，再向遠(yuǎn)端傳輸。

此外，還存在一些需要采集的工況數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場(chǎng)并沒有任何儀表，這就需要施工人員現(xiàn)場(chǎng)安裝合適的儀表后再轉(zhuǎn)換成MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

綜上，雖然工況數(shù)據(jù)的種類多樣，采集的方式也有不同，但是在平臺(tái)端設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)只需考慮兩種通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)，即OPC協(xié)議和MODBUS協(xié)議，并支持多個(gè)OPC接口和MODBUS接口，就可以達(dá)到采集工況數(shù)據(jù)的目的。

2.3 數(shù)據(jù)分析

所要分析的數(shù)據(jù)，需要結(jié)合不同生產(chǎn)設(shè)備或治污設(shè)備的工藝特征。由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，存在不同的情況，如：

第一，現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)狀態(tài)表示方法可能不同。例如，判斷閥門或電機(jī)有沒有開，有的DCS中0表示“OFF”，有的1表示“OFF”，有的用其他模擬量數(shù)值表示。

第二，報(bào)警信號(hào)的閾值會(huì)根據(jù)設(shè)備不同而不同，工藝變化后，報(bào)警信號(hào)閾值也會(huì)改變，系統(tǒng)在具體調(diào)節(jié)過程中還可能對(duì)閾值稍作修改，綜合判斷，實(shí)現(xiàn)避免誤報(bào)警。

第三，靜態(tài)模型需在數(shù)據(jù)完備、過程明確后，才能給出，并進(jìn)行功能擴(kuò)展。

所以，需要對(duì)數(shù)據(jù)分析軟件提出新的架構(gòu)要求，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能化、自動(dòng)化分析等諸多功能，既滿足環(huán)保行業(yè)的通用性，也具有定制化分析的能力，滿足不同設(shè)備的工藝要求以適用于不同的行業(yè)。

2.3.1 數(shù)據(jù)分析的軟件架構(gòu)

工況系統(tǒng)所要分析的數(shù)據(jù)來源于不同的行業(yè)，統(tǒng)一的分析模式顯然難以適合，所以要對(duì)工況系統(tǒng)設(shè)計(jì)特殊的數(shù)據(jù)分析架構(gòu)體系以滿足需求。

首先要對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的性質(zhì)進(jìn)行區(qū)別。把數(shù)據(jù)點(diǎn)分為兩類：一類是從現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備或控制器中直接傳輸上來的實(shí)際存在的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，保證工況系統(tǒng)的通用性；另一類是工況系統(tǒng)中可以自由添加，輔助計(jì)算或顯示的數(shù)據(jù)點(diǎn)，比如一些報(bào)警閾值、效率計(jì)算、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，用于進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)分析。

然后以白噪聲判斷算法為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行有效性判斷。判斷準(zhǔn)則如下：當(dāng)某一設(shè)備所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都為某些恒值時(shí)，可以判斷該設(shè)備通信故障；當(dāng)某一設(shè)備所有數(shù)據(jù)點(diǎn)不為恒值但所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都為白噪聲序列，判斷此設(shè)備的數(shù)據(jù)存在造假嫌疑；當(dāng)某一設(shè)備中的某些數(shù)據(jù)點(diǎn)為白噪聲序列，而另一些不為白噪聲序列，判斷這些是白噪聲序列的數(shù)據(jù)點(diǎn)有造假嫌疑。

考慮不同行業(yè)的工藝特點(diǎn)差別較大，系統(tǒng)提供了一定權(quán)限下的腳本編寫程序，腳本程序可以對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)不同行業(yè)的工藝特點(diǎn)，通過腳本靈活地編輯數(shù)據(jù)分析的功能，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)判斷，自動(dòng)判定如排放超標(biāo)、儀表故障、操作違規(guī)等現(xiàn)象。腳本程序可以按設(shè)備添加，具有編譯功能，防止誤操作，支持條件語句、代數(shù)計(jì)算和邏輯運(yùn)算。

此外，分析軟件中加入心跳信號(hào)發(fā)生器以及心跳信號(hào)停止判斷邏輯，用于診斷分析軟件與接口軟件以及現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)各個(gè)連接設(shè)備間的通訊連接。

2.3.2 數(shù)據(jù)有效性判斷

由于環(huán)保工況數(shù)據(jù)的特殊性，為保障接入數(shù)據(jù)的有效性，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用白噪聲序列判斷算法模型。

首先進(jìn)行0階判斷，設(shè){at}是某一數(shù)據(jù)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的采樣序列是這段序列的均值，設(shè)：

設(shè){a0t}期望值為μa0t，{a0t}的方差為，則：

協(xié)方差為：

自相關(guān)系數(shù)為：

若對(duì)于任何的t≠s，a0rt，s=0，a0ρt，s=0，則判定此信號(hào)為白噪聲信號(hào)。

若a0rt，s≠0，或a0ρt，s≠0，則進(jìn)行1階判斷，設(shè)

按照式（2）～式（4）進(jìn)行判定，若對(duì)于任何的t≠s，a1rt，s=0，a1ρt，s=0，則判定此信號(hào)為白噪聲信號(hào)，若仍不能判斷，則進(jìn)行更高階的判斷，設(shè)

一直判斷差分后的高階時(shí)間序列的性質(zhì)，以此判斷時(shí)間序列是否為白噪聲。一般工程應(yīng)用的階數(shù)為2～3階。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 邏輯架構(gòu)

環(huán)保工況監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 邏輯架構(gòu)圖

圖2 物理架構(gòu)圖

控制系統(tǒng)或儀表中的數(shù)據(jù)通過OPC/MODBUS接口軟件傳輸?shù)江h(huán)保工況監(jiān)控系統(tǒng)，由于接入企業(yè)工藝過程的不確定性，利用腳本功能定制化編寫報(bào)警、統(tǒng)計(jì)、分析需求的腳本，實(shí)現(xiàn)工況系統(tǒng)定制化、自動(dòng)化、智能化分析。

3.2 物理架構(gòu)

環(huán)保工況系統(tǒng)的物理架構(gòu)如圖2所示。

從項(xiàng)目實(shí)施的角度，整個(gè)系統(tǒng)的物理部署非常關(guān)鍵，直接影響整體系統(tǒng)最終的穩(wěn)定性、可靠性，甚至可用性。系統(tǒng)可以在每個(gè)企業(yè)設(shè)置若干工況儀，每個(gè)企業(yè)的工況數(shù)據(jù)通過直接硬連接或控制系統(tǒng)傳送到工況儀，再由工況儀上報(bào)給環(huán)保部門；也可以把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)通過路由直接上報(bào)環(huán)保部門。無論哪種物理架構(gòu)，工況分析系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)不變。

4 結(jié)語

從過程系統(tǒng)的角度出發(fā)，排污設(shè)施或生產(chǎn)設(shè)施本身就是一類過程裝備，根據(jù)排污設(shè)施的實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)再結(jié)合具體的生產(chǎn)過程，就可以深入了解排污設(shè)施運(yùn)行的基本規(guī)律，從而建立工況監(jiān)控系統(tǒng)。本文提出一種環(huán)保工況監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)，能夠?qū)Νh(huán)保監(jiān)控中不同工藝情況的治污設(shè)備進(jìn)行定制化、自動(dòng)化、智能化的數(shù)據(jù)分析，該工況系統(tǒng)的架構(gòu)首先能夠解決環(huán)保部門的核心訴求，實(shí)現(xiàn)對(duì)所管理的排污企業(yè)的分類和排序，通過工況數(shù)據(jù)甄別排污造假的企業(yè)，排查污染物超標(biāo)的企業(yè)，幫助環(huán)保部門挑選出重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。其次系統(tǒng)可以連接環(huán)保部門與排污企業(yè)，促進(jìn)行業(yè)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)的交流。此外，系統(tǒng)還可以發(fā)現(xiàn)行業(yè)中普遍存在的問題，請(qǐng)行業(yè)專家集中解決，調(diào)節(jié)生產(chǎn)和環(huán)保的矛盾，并為企業(yè)提供實(shí)時(shí)環(huán)保指標(biāo)解讀、行業(yè)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)的播報(bào)、同行間的排位、甚至是員工的績(jī)效考核和員工生產(chǎn)過程的技術(shù)指導(dǎo)。后續(xù)將結(jié)合具體項(xiàng)目，對(duì)環(huán)保工況系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)與實(shí)施。