环保工况监控系统的架构设计研究

牛健、王亚北、田伟、王鹏、钱锋、张启富

（1.中电海康集团有限公司，浙江杭州，310012）2.中电科新型智慧城市研究院有限公司，广东深圳，518000）

0 引言

伴随着经济的发展，环保问题日益突出。早在“十一五”期间，国家就建立了污染排放企业的点末端监控体系[1]。末端监控可以为污染物的评估和制定环保标准提供依据。但是，末端数据的有效性认定就成了亟待解决的问题。“十二五”期间，《国家环境监管能力建设“十二五”规划》中将污染源排放过程（工况）自动监控能力列入建设范围。在《国务院关于加强环境保护重点工作的意见》中又进一步明确提出由“点末端监控”向“全过程监控”转变。污染源治理设施过程监控系统可以对污染产生、治理过程、排放等的在线数据进行监测、采集，通过建立相关模型，实现污染治理设施运行状态分析、排放数据真实性判定，同时还可将信息实时传输到主管部门的污染源监控中心，确保监测数据的有效性。“十三五”规划中进一步肯定了过程数据的重要性，在2016年的“环境保护工作会议”中提出“信息化，大数据等信息化手段以问题为导向，可以帮助我们更广泛应用数据，提供基础支撑，寻求优化方案，给管理带来质的变化”。建立环保工况运行数据分析系统，不仅可以为环保部门提供有效的监测数据，还能为企业环保设施的运行和管理提供合理的建议，进一步协调环保部门和企业的关系，协调环境保护和经济发展的关系。

自从国家提出污染源监控由“点末端监控”向“全过程监控”的转变后，环保的信息化建设也由末端监管转向了全过程监控[2]。由于不同行业的工艺过程各不相同，不同的单位或研究机构对各个细分行业的工况监控系统分别进行了深入的研究，如对电厂工况系统的研究，主要集中在对电厂工艺过程的分析、如何与电厂的控制系统通信以及如何存储和处理电厂大量的数据[3]；对污水厂工况系统的研究，主要在于如何通过工艺分析确定报警规则和如何采集现场的信息[4]。对各类化工过程工况系统的研究，也都根据工艺分别有所侧重[5-7]。

市面上现有的工况监控方案，大都难以在专业性和通用性上进行很好的取舍，也没有一个很好的解决方案。本文提出一种环保工况监控系统的架构，聚焦解决两个问题：一是数据接入，即如何根据具体的设备获取数据；二是数据分析，即如何根据具体的工艺过程分析和利用数据。该架构既保证系统能根据行业特性定制不同的分析功能，又能适用于不同的行业。

1 系统概述

环保工况监控系统是对纳入环保监控的企业或生产设施的过程数据进行实时监控的系统。而不同的企业、设备或系统的过程数据非常复杂，主要体现在以下三个方面：

第一，如何确定采集哪些数据。实际的生产过程非常复杂，数据的情况也非常复杂，如有些污水处理设施，除了环保强制要求的末端监控数据外，整个治污过程中并没有仪表来产生数据，要想得到过程数据必须添加仪表；有些火电厂的发电过程，控制系统里的数据点可能有几万点，把所有的数据全部都采集到环保监控端，对于环保监控没有必要，同时还极大增加了实施的难度。因此，分析过程特性，确定需要采集的过程数据是部署工况系统的前提。

第二，如何采集过程数据。有些过程数据已经存在于控制系统之中，有些数据只能在现场仪表上显示，还有些数据需要新添加仪表才能采集到，而且这些数据的通信协议不一，在平台端要综合考虑不同情况的数据接入。因此，准确实时的采集过程数据是部署工况系统的基础。

第三，工况数据如何分析。环保监管的行业众多，纳入工况监控系统的设备或系统工艺情况各异，过程数据对环保末端监控数据影响的原理也各不相同，过程数据的分析难以构建一个统一化的分析模型，需要具体问题具体分析。因此，实现智能化、自动化、定制化的过程数据分析是部署工况系统的目的。

本文提出的环保工况监控系统架构设计，将如何区分工况数据作为前提，以数据接入的安全性和有效性作为基础，实现工况数据的监控和分析。本系统可为环保部门提供有效的环保考核数据和分析推断方法，同时为生产企业环保设施的高效运行提供合理化建议。

2 系统数据的采集和分析设计

2.1 数据分类

工况系统需要采集的数据，原则上应该能充分反映生产和治污过程。从过程系统运行管理方面考虑，可以将工况数据分为以下5类：

（1）负荷数据

负荷数据进一步可以分为负荷指令数据和实际负荷数据，通过负荷指令数据和实际负荷数据的比较，可以区分系统工作在过渡状态还是稳定状态。负荷数据还能表明系统的工作区间，不同负荷下，过程系统通常有不一样的工作状态。

（2）关键控制参数

过程系统通常都有一种或几种关键的控制参数，而污染物只是整个过程系统的副产品，关键参数能够在一定程度上反映污染物的排放情况。

（3）环保参数

环保参数即环保部门考核的关键参数，若此量可控，一般还可以分为环保考核参数、工厂内控参数和工厂操作参数。

（4）重要的扰动参数

生产过程中的扰动参数对最终产品有很大影响，但又不能通过生产过程中一些可以操作的手段进行控制。采集重要的扰动参数对工况过程分析非常必要。

（5）重要的开关量

生产过程中某些设备是否开启，对判断最终排污指标也有至关重要的意义。

2.2 数据接入方式

工况系统的数据需要从具体的生产过程产生，再接入平台端的系统，从工况数据的接入方式来看，大致分为3类：

（1）控制系统接口接入

生产过程一般已经具备成熟的控制系统，所需要采集的参数都已集成在控制系统里，采集控制系统中的数据通常只需通过控制系统的数据接口。一般来说，现场的控制系统都预留OPC或MODBUS两种数据接口。

（2）智能仪表接入

智能仪表除了高稳定性、高可靠性的特点外，一般来说还能直接产生MODBUS协议的数据，可通过MODBUS接口传输产生的数据。

（3）普通仪表接入

普通仪表一般把感知的数据转换为4～20mA或0～12V的模拟量信号，工况系统若要采集这种数据，需要就地添加数据转换模块转换成MODBUS协议的数据，再向远端传输。

此外，还存在一些需要采集的工况数据，但现场并没有任何仪表，这就需要施工人员现场安装合适的仪表后再转换成MODBUS协议的数据进行传输。

综上，虽然工况数据的种类多样，采集的方式也有不同，但是在平台端设计数据接入系统只需考虑两种通讯协议的数据，即OPC协议和MODBUS协议，并支持多个OPC接口和MODBUS接口，就可以达到采集工况数据的目的。

2.3 数据分析

所要分析的数据，需要结合不同生产设备或治污设备的工艺特征。由于现场情况复杂，存在不同的情况，如：

第一，现场的开关状态表示方法可能不同。例如，判断阀门或电机有没有开，有的DCS中0表示“OFF”，有的1表示“OFF”，有的用其他模拟量数值表示。

第二，报警信号的阈值会根据设备不同而不同，工艺变化后，报警信号阈值也会改变，系统在具体调节过程中还可能对阈值稍作修改，综合判断，实现避免误报警。

第三，静态模型需在数据完备、过程明确后，才能给出，并进行功能扩展。

所以，需要对数据分析软件提出新的架构要求，才能实现数据智能化、自动化分析等诸多功能，既满足环保行业的通用性，也具有定制化分析的能力，满足不同设备的工艺要求以适用于不同的行业。

2.3.1 数据分析的软件架构

工况系统所要分析的数据来源于不同的行业，统一的分析模式显然难以适合，所以要对工况系统设计特殊的数据分析架构体系以满足需求。

首先要对数据点的性质进行区别。把数据点分为两类：一类是从现场的设备或控制器中直接传输上来的实际存在的数据点，这些数据是进行数据分析的基础，保证工况系统的通用性；另一类是工况系统中可以自由添加，辅助计算或显示的数据点，比如一些报警阈值、效率计算、统计数据等，用于进行内部计算和数据分析。

然后以白噪声判断算法为基础，对现场采集的数据点进行有效性判断。判断准则如下：当某一设备所有数据点都为某些恒值时，可以判断该设备通信故障；当某一设备所有数据点不为恒值但所有数据点都为白噪声序列，判断此设备的数据存在造假嫌疑；当某一设备中的某些数据点为白噪声序列，而另一些不为白噪声序列，判断这些是白噪声序列的数据点有造假嫌疑。

考虑不同行业的工艺特点差别较大，系统提供了一定权限下的脚本编写程序，脚本程序可以对数据点进行计算。根据不同行业的工艺特点，通过脚本灵活地编辑数据分析的功能，对生产过程进行自动判断，自动判定如排放超标、仪表故障、操作违规等现象。脚本程序可以按设备添加，具有编译功能，防止误操作，支持条件语句、代数计算和逻辑运算。

此外，分析软件中加入心跳信号发生器以及心跳信号停止判断逻辑，用于诊断分析软件与接口软件以及现场信号各个连接设备间的通讯连接。

2.3.2 数据有效性判断

由于环保工况数据的特殊性，为保障接入数据的有效性，需要进行数据有效性判断。本系统根据实际经验，采用白噪声序列判断算法模型。

首先进行0阶判断，设{at}是某一数据点在一段时间内的采样序列是这段序列的均值，设：

设{a0t}期望值为μa0t，{a0t}的方差为，则：

协方差为：

自相关系数为：

若对于任何的t≠s，a0rt，s=0，a0ρt，s=0，则判定此信号为白噪声信号。

若a0rt，s≠0，或a0ρt，s≠0，则进行1阶判断，设

按照式（2）～式（4）进行判定，若对于任何的t≠s，a1rt，s=0，a1ρt，s=0，则判定此信号为白噪声信号，若仍不能判断，则进行更高阶的判断，设

一直判断差分后的高阶时间序列的性质，以此判断时间序列是否为白噪声。一般工程应用的阶数为2～3阶。

3 系统架构设计

3.1 逻辑架构

环保工况监控系统的逻辑架构设计如图1所示。

图1 逻辑架构图

图2 物理架构图

控制系统或仪表中的数据通过OPC/MODBUS接口软件传输到环保工况监控系统，由于接入企业工艺过程的不确定性，利用脚本功能定制化编写报警、统计、分析需求的脚本，实现工况系统定制化、自动化、智能化分析。

3.2 物理架构

环保工况系统的物理架构如图2所示。

从项目实施的角度，整个系统的物理部署非常关键，直接影响整体系统最终的稳定性、可靠性，甚至可用性。系统可以在每个企业设置若干工况仪，每个企业的工况数据通过直接硬连接或控制系统传送到工况仪，再由工况仪上报给环保部门；也可以把现场设备的数据通过路由直接上报环保部门。无论哪种物理架构，工况分析系统的逻辑架构不变。

4 结语

从过程系统的角度出发，排污设施或生产设施本身就是一类过程装备，根据排污设施的实时工况数据再结合具体的生产过程，就可以深入了解排污设施运行的基本规律，从而建立工况监控系统。本文提出一种环保工况监控系统的架构，能够对环保监控中不同工艺情况的治污设备进行定制化、自动化、智能化的数据分析，该工况系统的架构首先能够解决环保部门的核心诉求，实现对所管理的排污企业的分类和排序，通过工况数据甄别排污造假的企业，排查污染物超标的企业，帮助环保部门挑选出重点关注对象。其次系统可以连接环保部门与排污企业，促进行业内先进技术的交流。此外，系统还可以发现行业中普遍存在的问题，请行业专家集中解决，调节生产和环保的矛盾，并为企业提供实时环保指标解读、行业内先进技术的播报、同行间的排位、甚至是员工的绩效考核和员工生产过程的技术指导。后续将结合具体项目，对环保工况系统进行整体设计与实施。