通过软件技术改造消除硬件故障

熊 烈，刘海燕

（南通经济技术开发区通盛排水有限公司，江苏南通 226017）

0 引言

对于污水处理设施而言，工艺的选择是基础，设备的稳定运行是关键。随着环保要求的不断提高，污水处理厂不断引进一些先进的污水处理成套设备，以满足特定条件下污水处理的需求，这些成套设备往往自带完整的自控系统。数字技术与传统设备的高度融合，使成套设备的稳定运行不仅取决于传统硬件设备，还要依靠软件系统。

某工业园区污水处理厂，采用“水解酸化+AAO+高效沉淀+活性碳+消毒”工艺，对园区的综合污水进行处理。在生产中发现湿法投加粉末活性碳系统故障频发，一定程度上影响了设施的稳定运行，加大了操作人员的劳动强度，对降本增效也产生了不利影响。其中，AAO 为Anaerobic-Anoxic-Oxic 的简写，即厌氧—缺氧—好氧法。

1 问题描述

这是某型粉末活性碳湿法投加成套设备，用于向活性碳吸附工段投加粉末活性碳。其工作原理为：粉末活性碳（200 目，即0.075 mm）存储在料仓中，通过螺旋喂料机投加到润湿罐中；润湿水补水泵将润湿水送进入润湿罐；润湿罐中装有搅拌器，将粉末活性碳与水搅拌润湿，形成粉末活性碳与水的混合物；再通过投料泵将混合物送入活性碳吸附池（图1）。整套设备设有一个PLC 站，负责采集相关的各种信号，经过计算后协调和控制所有的设备运行。

图1 粉末活性碳投加系统

润湿罐内的液位信号是整套设备的关键参数之一，多个设备的启停与之关联。为了测量润湿罐内的实时液位，原系统根据连通器原理设置了旁路测量管，在测量管内安装有液位计，液位信号经过变送器转换成4～20 mA 模拟信号变送至PLC，经过模拟量数据采集模块转换成数字信号，通过程序运算，输出各种控制信号，控制多个外围设备的运行。

系统投产后故障不断，喂料机、搅拌器、补水泵、投料泵等设备经常损坏，还多次出现润湿罐堵塞、粉末活性碳溢出等现象。工艺专业认为，粉末活性碳向水中投加，必须要有足够强度的搅拌，如果搅拌不够会出现以下情况：

（1）粉末活性碳不能及时分散到水中，而是漂浮在水面上、形成堆积，堵塞螺旋喂料机的下料通道，造成喂料机损坏。严重时活性碳粉末能反向通过下料通道顶部的观察窗溢出，在气流影响下形成扬尘污染。

（2）已经分散到水中的粉末活性碳的沉降速度很快，容易沉淀，形成一种碳泥堵塞管道，严重时会阻碍搅拌桨叶的运行，造成搅拌器损坏。

因此，罐内高强度的搅拌是工艺所必须。但是，罐内高强度的搅拌又造成旁路测量管内液位的上下变化过大，液位测量信号随机剧烈振荡。根据初步观察，测量管内液位的上下震荡幅度超过0.4 m。润湿罐总深1.1 m，去掉上、下的无效深度后，有效深度为0.8 m，再设HH、H、L、LL 四个液位，实际工作液位0.6 m。这样，测量值的变化幅度占实际工作液位的66.7%，因此系统很难建立稳定的工作状态，经常可以观察到多个设备的闪停或闪动，变化频繁从而导致各种故障。

2 解决思路

根据以上初步分析，系统不能稳定工作的症结疑似PLC 得不到相对稳定的、接近真实液位的测量值。笔者尝试采用流体阻尼的办法来稳定测量管液位，但因阻尼孔容易堵塞而失败。为进一步深入分析，采集了一段PLC 内部液位信号变量数据，采样频率为1 次/s，长度为220 s，将其导入Matlab，作出波形图（图2）。

由图2 可以看出：

（1）所有数据均围绕某个中心值上下波动，形成噪声（高频信号）。根据实地观察，旁路测量管内的液位确实在剧烈变化，但这显然是机械搅拌扰动所致，润湿罐内的真实液位并没有发生如此剧烈的变化。

图2 波形图

（2）所有测量值所反映的总趋势的变化不大（低频信号）。事实上液位是变化的，但从时间尺度上比较，真实液位变化的时间尺度要远远大于噪声变化的时间尺度。

至此，故障原因基本得到证实。这是一个较为典型的低通滤波（Low-pass Filter）问题。基于已建立的系统数学模型，从夹杂着随机噪声的系统输入/输出的量测数据中，采用统计方法，针对一定统计规则（如最小方差估计、极大似然估计、最小二乘估计等）求出系统状态的最优估计，即最优滤波是闭环系统最优控制工程实现的前提[1]。达到这个目标有两个方案，方案1 是更换符合本案例的、具有滤波功能的液位计，方案2 是对系统软件进行升级改造，增加数字滤波功能。针对这两个方案，比选结果见表1。

表1 改造方案比选

通过比选，方案2 成为首选。连续生产中液位信号是时间序列数据，时间序列可能由趋势、季节、循环这3 个成分中的某些或全部再加上随机成分构成，可以分解的序列的最简单形式为可加模型（Additive model）[2]：Xt=μt+γt+εt。其中，Xt表示时间序列，μt表示趋势成分，γt表示季节成分，εt表示扰动成分或误差成分。

可以通过数学方法转换成平稳序列[2]，消除扰动成分和季节成分，揭示趋势成分。算法有很多，其中比较常用的是加权移动平滑。加权的基本思想可以描述为：设有两个观测值a 和b，其权值分别为wa和wb，如果a 的不确定度高于b，那么权值wa就应低于wb。也就是说，由于b 的可靠性高于a，因此其对数据拟合的影响应该更大[3]。中心移动平均对于直观观测时间序列所蕴含的趋势是很有用的，因为平均值可以消除季节性和噪声的影响，可以使得趋势更加明显[4]。所以，对于一时间序列观测值yt，在该数据序列上开一个窗口（Span），窗口宽度为2n+1，则：

yi——i 时的观测值，t-n≤i≤t+n

ki——各观测值yi的相对计算系数

n——窗口中心点的邻域宽度

3 技术改造的实施

工程使用的PLC 为S7-200SmartSR40，模拟量扩展模块为EMAE04，均为广大工程技术人员所熟知并在工程实践中有广泛应用。技改参数：数据窗口（Span）宽度为7（即n=3），ki值默认1.0，该值可以由工艺工程师在调试时通过操作触摸屏进行修改，采样频率1 次/s，窗口移动由一个数据条数（Item）为7 的FIFO（First In First Out，先进先出）实现。

滤波后的数据波形见图2 中的滤波后曲线。由图可见，平滑后的数据噪声明显减轻，更加接近真实液位。生产实践证实，宽度为7、ki=1.0 的移动平滑已经能够满足生产要求。经过以上软件技术改造，设备频繁动作的现象消失，系统可靠性大大增强，保障了生产，减轻了工人劳动强度，节省了设备工程投资和维修资金。截至笔者发稿时，系统已经稳定运行超过6 个月无故障，取得了良好的效果。

4 结论

（1）在可编程序逻辑控制系统中，针对振荡液位的测量，采用低通滤波算法对测量信号进行滤波，可以很好地去除噪声，得到接近真实的液位信号，在不改变硬件的条件下，对软件系统进行升级改造，达到消除硬件故障的目标，切实可行，实现了成本最小化。

（2）增加窗口宽度，可以获得更好的数据平滑效果，但是实时性会变差；在窗口宽度不变的情况下，改变各个数据的权重，使得新数据的权重越大，老数据的权重越小，也可以改善实时性，同时还能体现出数据老化的特点，但对平滑效果有影响。平滑性与实时性是一对矛盾，可以由工艺工程师在调试时平衡确定。另外，选择适当的采样频率也很重要，在扰动具有明显周期性时，采用更加科学的采样策略以及算法可以消除周期的影响。