劉國壯, 陸 林

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 廣東 東莞 523000)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能等新一代技術(shù)的成熟應(yīng)用,傳統(tǒng)水廠在數(shù)字化轉(zhuǎn)型和工業(yè)4.0的大背景下,將經(jīng)歷一次前所未有的深刻變革[1]。傳統(tǒng)水廠存在許多難以解決的管理和運(yùn)營問題,主要包括缺乏統(tǒng)一的生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測管理與分析、自動(dòng)化技術(shù)無法脫離人為干預(yù)、設(shè)備管理缺乏數(shù)據(jù)依據(jù)、故障響應(yīng)不及時(shí)等缺陷[2]。通過對水廠信息化平臺的建設(shè),并采用先進(jìn)的智能控制模型,旨在從“運(yùn)、管、控”全流程、全方位輔助水廠精細(xì)化運(yùn)營管理,能夠解決傳統(tǒng)水廠存在的諸多問題,為實(shí)現(xiàn)水廠的效益增長提供有力支撐[3]。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為城市主要的供水工程,總占地面積9.315公頃,采用全流程處理工藝,總設(shè)計(jì)規(guī)模為90萬m3·d-1。該廠區(qū)主要由原水提升泵房、配水井、細(xì)格柵及預(yù)臭氧接觸池、機(jī)械混合+折板絮凝+平流沉淀池(下疊清水池)、V型砂濾池等25座單體組成。廠區(qū)平面效果圖如圖1所示。

圖1 廠區(qū)平面效果圖

2 水廠自控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)配置

自控設(shè)計(jì)采用開放的分布式控制系統(tǒng),整個(gè)水廠自控系統(tǒng)配置分為三層。

第一層:信息層,采用C/S體系結(jié)構(gòu),由操作員站、工程師站、通信管理機(jī)、服務(wù)器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。信息層采用基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的萬Mb·s-1以太網(wǎng)星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

第二層:控制層,由現(xiàn)場控制分站和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成。采用基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的全雙工1 000 Mb·s-1以太環(huán)網(wǎng),傳輸介質(zhì)采用單模光纜。

第三層:設(shè)備層,由現(xiàn)場控制設(shè)備和各種智能儀表組成,采用基于IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線通信方式或I/O接點(diǎn)方式,與現(xiàn)場控制單元進(jìn)行通信。現(xiàn)場總線協(xié)議根據(jù)控制設(shè)備和儀表選型確定。

2.2 中控室設(shè)置

水廠設(shè)置專用的中心控制室,中心控制室設(shè)于膜車間上部建筑內(nèi),作為水廠控制的核心。通過專用通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集整個(gè)水廠監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和工況,并進(jìn)行存儲(chǔ)和處理,生成各種表格,以便調(diào)用、查詢、檢索和打印,同時(shí)對現(xiàn)場PLC主站上傳的信息進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、報(bào)警、發(fā)出相應(yīng)的控制命令,實(shí)現(xiàn)水廠運(yùn)行管理、設(shè)備維護(hù)控制以及通信等功能。

中心控制室主要設(shè)備包括操作員站、工程師站、SCADA及I/O服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、大屏顯示系統(tǒng)等。

操作員站基本功能主要包括動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展現(xiàn)水廠工藝流程、各主要工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù),可使生產(chǎn)管理人員掌握當(dāng)前生產(chǎn)運(yùn)行情況,能從總圖到詳圖多層次監(jiān)測并進(jìn)行集中控制。操作員站能完成對設(shè)備監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)置等操作,但不允許修改或測試各種應(yīng)用軟件。

工程師站能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有系統(tǒng)生成和啟動(dòng)、系統(tǒng)管理維護(hù)和故障診斷、應(yīng)用軟件的開發(fā)和修改,以及數(shù)據(jù)庫修改、圖形顯示和報(bào)告格式的生成。

SCADA及I/O服務(wù)器基本功能負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集,提供數(shù)據(jù)緩存功能。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是水廠的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換中心。

大屏顯示系統(tǒng)具有監(jiān)視生產(chǎn)過程、設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)變化的能力,運(yùn)行人員可通過鍵盤或鼠標(biāo)選擇和調(diào)用畫面顯示,畫面內(nèi)容應(yīng)精煉、清晰、直觀、以便于監(jiān)視和改善動(dòng)態(tài)特性。

2.3 現(xiàn)場控制站設(shè)置

現(xiàn)場控制站由顯示操作屏幕、PLC系統(tǒng)(CPU、電源、DI、DO、AI、AO等模塊和各種網(wǎng)絡(luò)通信接口適配器等)、UPS、光纖環(huán)網(wǎng)通信的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電源、信號防雷器以及各種隔離器組成。

操作人員可通過控制箱現(xiàn)場控制設(shè)備運(yùn)行,設(shè)備也可交給PLC進(jìn)行自動(dòng)控制。顯示操作屏作為現(xiàn)場人機(jī)接口,操作人員通過屏上操作,由PLC完成對相關(guān)設(shè)備的控制。操作人員可在屏上修改相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。

3 智慧水廠系統(tǒng)

智慧水廠系統(tǒng)是基于水廠自控系統(tǒng)之上的功能擴(kuò)展和應(yīng)用,能結(jié)合水廠工藝特點(diǎn)和技術(shù)需求充分挖掘各類數(shù)據(jù)價(jià)值和邏輯關(guān)系,實(shí)現(xiàn)水廠運(yùn)營安全可靠,管理高效精準(zhǔn),決策智能、快速的目的。因此,智慧水廠支撐平臺軟件應(yīng)該和水廠自控系統(tǒng)軟件建設(shè)在同一個(gè)軟件平臺,或者2個(gè)軟件之間能實(shí)現(xiàn)各個(gè)層級的無縫連接,共享資源,既能滿足水廠實(shí)時(shí)控制的需要,又能滿足水廠管理增效的要求。

在本項(xiàng)目中,水廠設(shè)計(jì)的智慧化主要體現(xiàn)在生產(chǎn)管理系統(tǒng)、自控算法、3D技術(shù)應(yīng)用3個(gè)方面。

3.1 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

(1) 智慧水廠管控平臺。

平臺的搭建主要分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層和展示層。主要涉及到計(jì)算存儲(chǔ)資源及網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)、分業(yè)務(wù)系統(tǒng)(管網(wǎng)GIS、設(shè)備管理、巡點(diǎn)檢系統(tǒng)、二供管理、工程項(xiàng)目管理、DMA管控、營收系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、水質(zhì)管理系統(tǒng))升級補(bǔ)充、數(shù)據(jù)支撐層(基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、集成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù))搭建、數(shù)據(jù)分析模型(運(yùn)行優(yōu)化分析模型、數(shù)據(jù)挖掘分析模型)組建,最終通過大數(shù)據(jù)倉庫對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,通過數(shù)據(jù)掛接、服務(wù)發(fā)布、數(shù)據(jù)調(diào)用、融合分析來實(shí)現(xiàn)平臺的集成展示及統(tǒng)籌調(diào)度。

系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)開發(fā),可以方便地在任何操作系統(tǒng)上實(shí)施,與其他系統(tǒng)具有很好的兼容性,支持跨系統(tǒng)部署。

提供統(tǒng)一、靈活、標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展、高性能、可 Web自定義的工作流平臺,包括業(yè)務(wù)流程的設(shè)計(jì)建模、測試與調(diào)試、部署、運(yùn)行、監(jiān)控、管理等功能。工作流引擎要具備靈活的流程模式和調(diào)整流程的處理功能,提供企業(yè)集成標(biāo)準(zhǔn)接口,支持跨系統(tǒng)流程集成。

智慧水廠管控平臺具備以下能力:

① 全面的快速連接能力?？梢赃B接各種工業(yè)設(shè)備與企業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng),可以用于智能制造過程中,作為統(tǒng)一、實(shí)時(shí)、可視化的數(shù)據(jù)應(yīng)用總線,融合各種形式數(shù)據(jù)于一身。

② 快速構(gòu)建能力。通過平臺本身自帶的快速開發(fā)工具可將各種數(shù)據(jù)融于一身,并快速建立以物為基礎(chǔ)的模型,快速構(gòu)建實(shí)際的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

③ 大規(guī)模、多形式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析能力。平臺本身針對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)模大、數(shù)據(jù)形式多樣的特性進(jìn)行了優(yōu)化,包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式與存儲(chǔ)策略的優(yōu)化,使得平臺可以穩(wěn)定地存儲(chǔ)大規(guī)模不同形式的數(shù)據(jù)。平臺還提供了多種數(shù)據(jù)分析工具,可以使得快速構(gòu)建數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。

④ 可提供完善的可配置的數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)和圖形化分析展示工具,能夠配置圖形化展示方案的自由布局、自由選擇展示數(shù)據(jù)項(xiàng)目、數(shù)據(jù)圖形(線性圖、柱狀圖、餅狀圖、散點(diǎn)圖)及圖例等,使得數(shù)據(jù)展現(xiàn)更加直觀。

⑤ 系統(tǒng)平臺具有人機(jī)界面友好,頁面功能簡捷完善,使用方便靈活,可通過簡單的操作對頁面進(jìn)行重組、增減(刪)、改變等特點(diǎn)。

(2) 數(shù)據(jù)采集。

通過OPC方式采集廠站現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù),支持通信和狀態(tài)檢測,可以檢測現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)源,與中心數(shù)據(jù)采集軟件的通信,檢測現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器服務(wù)是否起動(dòng);可以通過 GPRS、5G、VPN、VPDN、TCP/IP、CDMA 等方式將數(shù)據(jù)傳輸給中心的中心數(shù)據(jù)采集軟件;支持分布式數(shù)據(jù)采集能力。

采集內(nèi)容如下:

① 自控?cái)?shù)據(jù)采集。工藝實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、KPI數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)從SCADA組態(tài)軟件側(cè),以以太網(wǎng)接口方式同步,或通過物聯(lián)網(wǎng)接入平臺接入。

② 能耗數(shù)據(jù)采集。電耗數(shù)據(jù)、藥耗數(shù)據(jù)、水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)、污泥輸送管理數(shù)據(jù)從SCADA組態(tài)軟件側(cè),以以太網(wǎng)接口方式同步,或通過物聯(lián)網(wǎng)接入平臺接入。

③ 安防數(shù)據(jù)采集。視頻監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、電子圍欄、激光對射/紅外對射、頻監(jiān)控圖像采集均基于IP視頻流方式接入,原廠商視頻監(jiān)控平臺需公布攝像頭IP訪問地址;可通過物聯(lián)網(wǎng)接入平臺統(tǒng)一接入管理。

3.2 先進(jìn)控制系統(tǒng)

對于采用傳統(tǒng)過程控制方法(如PID控制)無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的工藝過程控制,必須采用先進(jìn)的控制方法(如人工智能),達(dá)到自動(dòng)控制目的。

(1) 高級控制平臺。

高級控制平臺基于計(jì)算機(jī)高級語言開發(fā),建立在PLC自控系統(tǒng)之上,能夠處理復(fù)雜算法和業(yè)務(wù)邏輯的智能化控制軟件開發(fā)平臺。它能夠?yàn)樗畯S提供較為全面的邏輯冗余控制策略、精細(xì)化的控制方案,為實(shí)現(xiàn)水廠全自動(dòng)、高可靠、智能化運(yùn)行提供全方位技術(shù)支撐。

用戶通過控制平臺新建工程項(xiàng)目,定義采集變量,按需選取功能運(yùn)算塊(FB定義為一類在控制平臺中已經(jīng)封裝好的具有輸入、算法處理和輸出3個(gè)部分的高級運(yùn)算對象),配置各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)等一系列工程建模過程,實(shí)現(xiàn)水廠的邏輯冗余控制、工藝優(yōu)化控制、控制回路監(jiān)視、自控性能分析、數(shù)據(jù)趨勢分析和全廠閉環(huán)控制等功能。

(2) 智能配泵系統(tǒng)。

為降低凈水廠能耗、提高企業(yè)效益,以泵房運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù),建立泵組優(yōu)化調(diào)度模型,使用遺傳算法求解最優(yōu)的水泵運(yùn)行組合,在滿足提升水量、揚(yáng)程的前提下,使水泵運(yùn)行在高效區(qū)間,實(shí)現(xiàn)多泵的協(xié)調(diào)使用,減少能量浪費(fèi)。

(3) 智能加藥系統(tǒng)。

包括混凝劑的投加和次氯酸鈉的投加,對于這類大慣性、純滯后時(shí)間長的控制系統(tǒng),必須通過基于模型預(yù)測的人工智能控制,實(shí)現(xiàn)加藥環(huán)節(jié)的智能閉環(huán)控制。通過采集pH、濁度、余氯、進(jìn)水流量、電導(dǎo)率等參數(shù),采用基于神經(jīng)元模型預(yù)測前饋輸出加藥量,用數(shù)字計(jì)量泵實(shí)現(xiàn)投加。流程設(shè)置4個(gè)次氯酸鈉投加點(diǎn),2個(gè)PAC投加點(diǎn)。由于PAC投加裝置及控制包含在高效濾池工藝包內(nèi),因此,中標(biāo)單位只需計(jì)算出給定投加量,傳送至高效沉淀控制系統(tǒng),完成投加過程,高效沉淀池控制系統(tǒng)和智慧水廠控制系統(tǒng)之間的軟硬件設(shè)計(jì)、通信、電纜敷設(shè)接線,由該中標(biāo)單位完成。

(4) 智能反沖洗系統(tǒng)。

過濾是凈水處理過程中能耗較大的環(huán)節(jié)之一,因此需要在滿足出水水質(zhì)的前提下,進(jìn)一步提高出水量和降低能耗。通過對濾池的反沖洗過程進(jìn)行優(yōu)化控制,充分發(fā)揮濾池的生產(chǎn)能力、降低能耗,從而降低生產(chǎn)成本?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)算法,采集一定數(shù)量的水廠歷史數(shù)據(jù)作為初始樣本數(shù)據(jù),建立濾池狀態(tài)參數(shù)與單次過濾水量(也可認(rèn)為是單次過濾周期中,濾池的納污能力)之間的濾池過濾周期尋優(yōu)模型。同時(shí)建立反沖洗前的濾池狀態(tài)參數(shù)與沖洗強(qiáng)度參數(shù)、沖洗時(shí)長之間的反沖洗參數(shù)尋優(yōu)模型。

3.3 3D建模仿真應(yīng)用

(1) BIM建模及BIM模型導(dǎo)入。

水廠土建工程采用了BIM設(shè)計(jì)方式,其主體建筑外觀、工藝構(gòu)筑物、工藝管線均具有BIM設(shè)計(jì)成果,智慧水廠平臺軟件可以導(dǎo)入這些成果予以應(yīng)用,因此,軟件平臺應(yīng)具有主流三維廠商常見的三維模型接口,實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)無損無縫、便捷地導(dǎo)入BIM系統(tǒng),將模型數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn) BIM 模型一鍵輕量化上傳。通過BIM建模實(shí)現(xiàn)水廠的主要工藝設(shè)備的展示,接入已有的自控設(shè)備控制數(shù)據(jù),模擬設(shè)備及工藝的運(yùn)行過程,進(jìn)行人機(jī)交互,通過系統(tǒng)整合做到BIM系統(tǒng)、視頻及自控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。通過BIM模型即可直觀、便捷地查看整體三維場景、設(shè)備、屬性信息、控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)攝像頭等要素?cái)?shù)據(jù)及相應(yīng)的工作流程[4]。

在平臺上運(yùn)行展示的3D模型包括以下部分:

① 全廠景觀容貌;② 主工藝流程展示;③ 詳細(xì)的中間工藝展示及監(jiān)控,包括高效沉淀池、砂濾池過濾及反沖、炭濾池過濾及反沖、清水池、加藥控制工藝(含配藥過程)、污泥處理、脫水工藝流程等。

(2) 模型管理。

模型平臺功能分為模型管理、模型剖切、模型測量、模型批注、視角切換、模型篩選、相機(jī)功能、構(gòu)件查詢、屬性維護(hù)、掛接數(shù)據(jù)、選擇方式、搜索功能、三維數(shù)據(jù)支持等。

(3) 數(shù)據(jù)建模、3D仿真及巡檢應(yīng)用。

對全廠所有工藝過程、設(shè)備建模,實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用。數(shù)字模型應(yīng)包括建模對象的屬性、基本數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)包含所有設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù),包括安裝平面圖、工藝流程圖、工藝管線圖、設(shè)備說明文檔、維保信息、運(yùn)行狀態(tài)信息等。模型應(yīng)用于展示或操作,并具有全廠3D巡檢功能,3D巡檢能達(dá)到身臨其境的效果。利用數(shù)據(jù)模型,能進(jìn)行所有工藝及設(shè)備操作仿真培訓(xùn)。

4 結(jié) 語

智慧水廠管控平臺提升了供水企業(yè)服務(wù)和管理水平,智能輔助水廠運(yùn)行決策。智能配泵、智能加藥和智能反沖洗能夠減少供水企業(yè)運(yùn)營成本,提升供水質(zhì)量?；贐IM的3D建模應(yīng)用于水廠巡檢,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化巡檢,提升了工作效率。智慧水廠設(shè)計(jì)從多方面優(yōu)化了凈水廠的管理與運(yùn)營,可為水廠設(shè)計(jì)人員提供參考。