張 曾

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 611730)

1 概 述

青衣水廠位于四川省樂山市夾江縣,系由中國水利水電第七工程局有限公司投資建設(shè)運(yùn)營。水廠設(shè)計制供水規(guī)模為5萬m3/d,采用“沉砂≠絮凝沉淀≠過濾≠消毒”制水工藝,該水廠于2018年3月開工建設(shè),2020年1月正式運(yùn)行供水。

青衣水廠建設(shè)之初即秉承“安全、節(jié)能、環(huán)保、智慧”理念,研究開發(fā)出智慧水務(wù)一體化管控平臺,其主要包括:生產(chǎn)調(diào)度中心,數(shù)據(jù)中心機(jī)房(用于私有云數(shù)據(jù)中心、信息基礎(chǔ)平臺建設(shè)),水質(zhì)安全管理系統(tǒng)、SCADA在線監(jiān)測系統(tǒng)[1]、智能營收系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)、DMA分區(qū)漏損管理系統(tǒng)、管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)、客服熱線系統(tǒng)、報裝管理系統(tǒng)、設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)經(jīng)營決策分析系統(tǒng)、公眾服務(wù)門戶、微信公眾號等[2]。

水廠自動化是信息化的基礎(chǔ),信息化是自動化的集成,絕不能片面地強(qiáng)調(diào)哪一方面重要。一定要在水廠信息化過程中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)的同步發(fā)展,最終實(shí)現(xiàn)智慧管控一體化。在工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中,如何進(jìn)一步提升水廠的自動化和工業(yè)化水平,實(shí)現(xiàn)水廠更加安全、高效、節(jié)能、智慧的現(xiàn)代化供水,“兩化融合”是其最佳的選擇。本文闡述了青衣水廠“兩化融合、一鍵制水”智慧水務(wù)的創(chuàng)新實(shí)踐過程。

2 水廠自動化與信息化“兩化融合”的研究

2.1 水廠自動化與信息化的主要內(nèi)容

水廠自動化控制系統(tǒng)適用于供水企業(yè)遠(yuǎn)程控制管理水廠,水廠的操作人員可以在水廠控制室內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)測廠內(nèi)的水池水位、進(jìn)廠流量、出廠流量、出廠壓力、水質(zhì)等信息;遠(yuǎn)程監(jiān)測加壓泵組、配電設(shè)備及其他自動化設(shè)備的工作情況;亦可遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備的啟停。

水廠信息化系統(tǒng)是一個綜合的供水信息化管理平臺,其可將自來水公司管轄的取水泵站、水源、自來水廠、加壓泵站、供水管網(wǎng)等重要供水單元納入全方位的監(jiān)控和管理。

2.2 “兩化融合”的階段研究

青衣水廠自動化控制系統(tǒng)和信息化管理服務(wù)系統(tǒng)代表了新時代新的管理方式與新的管理技術(shù)的深度融合,青衣水廠智慧化建設(shè)分為三個階段:

(1)水廠運(yùn)行保障階段:該階段的目的主要是實(shí)現(xiàn)水廠自動化控制,通過人為影響因素實(shí)現(xiàn)水廠設(shè)備啟停的動作,將人工指令下發(fā)到各設(shè)備的PLC。

(2)自動化控制階段:該階段的目的主要是實(shí)現(xiàn)通過水廠生產(chǎn)組態(tài)軟件的控制臺對水廠所有設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。將自動化控制系統(tǒng)中的常規(guī)指令下發(fā)到設(shè)備PLC上以實(shí)現(xiàn)其對設(shè)備的控制,并且在該階段實(shí)現(xiàn)水廠信息化平臺和自動化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時接入,通過數(shù)據(jù)同步技術(shù),將水廠生產(chǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)同步到大數(shù)據(jù)庫中,通過大數(shù)據(jù)創(chuàng)建水力模型、水質(zhì)(濁度)分析模型、水質(zhì)余氯分析模型等水廠生產(chǎn)模型,借助模型訓(xùn)練機(jī)制和模型優(yōu)化手段,將水廠生產(chǎn)過程中的“取水口PH、綜合毒性、濁度等水質(zhì)數(shù)據(jù);進(jìn)水流量數(shù)據(jù);加藥間藥劑濃度、藥劑量、計算沉淀池中的排泥量、轉(zhuǎn)速、濁度數(shù)據(jù);反沖洗泵房的運(yùn)行數(shù)據(jù);清水池的含氯量、濁度數(shù)據(jù);送水泵房的水質(zhì)流量數(shù)據(jù)”進(jìn)行模型學(xué)習(xí)。建立基于TensorFlow的人工智能學(xué)習(xí)算法,將沉淀的數(shù)據(jù)和模型參數(shù)進(jìn)行自動匹配和調(diào)優(yōu),為第三階段“智慧水廠”階段的建設(shè)提供有力的數(shù)據(jù)和模型支撐[3]。

(3)智慧水廠建設(shè)階段:該階段分為模糊前期和精準(zhǔn)使用期。模糊前期是半自動和全自動融合使用階段,也是建設(shè)虛擬水廠階段,在該階段,所有的自動化指令不直接下達(dá)到PLC控制器中,而是完全與控制臺中的指令進(jìn)行模擬,為控制臺提供參考指令,需要通過現(xiàn)場實(shí)際情況提供參考,如果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)際情況和模型指令不匹配的情況,則需通過大數(shù)據(jù)模型再次進(jìn)行計算,糾正外部數(shù)據(jù)因子,使其指令與實(shí)際情況更加匹配。當(dāng)實(shí)際使用過程中的模型指令和人工指令相互匹配或更優(yōu)于人工指令時,開始考慮進(jìn)入精準(zhǔn)使用期。精準(zhǔn)使用期及智慧水廠的正式投入使用,將由人工智能系統(tǒng)代替人工控制因素,此時水廠的調(diào)度人員只需進(jìn)行機(jī)器指令的復(fù)核和審查[4],然后將審查通過的指令及時下發(fā)到PLC控制器。

2.3 “兩化融合”智慧水務(wù)一體化管控平臺的建設(shè)

“兩化融合”是信息化和自動化高層次的深度結(jié)合,兩化融合的核心就是信息化支撐,追求可持續(xù)發(fā)展模式。自動化控制系統(tǒng)是“智慧水務(wù)”系統(tǒng)的一部分,不僅要完成傳統(tǒng)水廠自動化控制系統(tǒng)的任務(wù),還要與信息化系統(tǒng)進(jìn)行充分融合,完成信息化各功能模塊“上傳下達(dá)”的任務(wù)。為了與智慧水務(wù)系統(tǒng)完成融合,青衣水廠定制并開發(fā)了中央監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這一目的,其上可與智慧水務(wù)交換數(shù)據(jù),下可控制全流程所有的工藝設(shè)備[5]。

中央監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與現(xiàn)場控制站的通訊來完成工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、工藝過程參數(shù)的采集和監(jiān)視,遠(yuǎn)程控制相關(guān)設(shè)備、設(shè)定運(yùn)行參數(shù),配合工藝運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)原水凈化的目的,將所有采集到的數(shù)據(jù)存儲在SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)器并共享給智慧水務(wù)系統(tǒng)。

中央控制室由操作員站監(jiān)控計算機(jī)、工程師站、便攜式編程終端、互為冗余的SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、UPS電源、以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)等組成。中央控制室完成全廠的自動控制和生產(chǎn)管理,負(fù)責(zé)監(jiān)視、管理、控制整個水廠的全部生產(chǎn)過程和工藝過程。廠內(nèi)控制系統(tǒng)采用環(huán)形光纖以太網(wǎng)通訊,傳輸介質(zhì)采用光纜。PLC配套觸摸屏用于PLC現(xiàn)場調(diào)試和現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行操作,配套以太網(wǎng)交換機(jī)用于與各控制站和中控室的通訊。

正常工作時,所有操作員站均同時運(yùn)行,實(shí)時地完成同步操作。將應(yīng)用數(shù)據(jù)保存在共享數(shù)據(jù)服務(wù)器中,當(dāng)任何一臺操作員站出現(xiàn)故障時,其他的操作員站均可無縫進(jìn)行操作。工程師站可以對現(xiàn)場控制站、設(shè)備控制單元、中央監(jiān)控計算機(jī)的相關(guān)軟件進(jìn)行維護(hù)。

中央監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括:

(1)操作人員可以通過對監(jiān)控畫面進(jìn)行操作完成現(xiàn)場可控設(shè)備的遙控以及對相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改。

(2)遠(yuǎn)程控制各PLC現(xiàn)場控制站,實(shí)時接收PLC采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù),建立全廠檢測參數(shù)數(shù)據(jù)庫,處理并顯示各種數(shù)據(jù)。

(3)監(jiān)測全廠工藝流程和各細(xì)部的動態(tài)模擬圖形。

(4)從檢測項(xiàng)目中按需要顯示歷史記錄和趨勢分析曲線。

(5)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲。

(6)對工藝流程、歷史記錄、各種設(shè)備工作狀態(tài)等的瀏覽。

3 智慧水務(wù)在夾江青衣水廠中的創(chuàng)新與應(yīng)用

3.1 水務(wù)安全

青衣水廠研究開發(fā)并應(yīng)用智慧水務(wù)一體化管控平臺,建立了智慧水務(wù)安全風(fēng)險的預(yù)測預(yù)警系統(tǒng),取得了一些現(xiàn)實(shí)成果。

(1)保障了生產(chǎn)安全。基于監(jiān)控氣象數(shù)據(jù)曲線、氣象預(yù)報信息、突發(fā)事件關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)等建立了生產(chǎn)安全預(yù)警系統(tǒng),建立了事故安全響應(yīng)機(jī)制,保障了生產(chǎn)安全,實(shí)現(xiàn)了取水智慧化。

(2)提升了供水水質(zhì)安全。基于取水、過程水處理、出水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),提出并建立了供水水質(zhì)安全預(yù)測預(yù)警體系,保障了供水水質(zhì)安全。

(3)供水民生保障?；诠芫W(wǎng)智慧平差計算、管網(wǎng)壓力歷史、用戶用水實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù),建立了漏水、爆管預(yù)警等基礎(chǔ)設(shè)施安全預(yù)測預(yù)報程序,快速準(zhǔn)確地為搶修維護(hù)提供了故障點(diǎn)指引,加快了故障修復(fù)速度,將管網(wǎng)漏損損失率降低了10個百分點(diǎn),人工維護(hù)工時降低10%以上,降低了故障處理時間,提高了水廠的供水民生保障能力。

3.2 智慧運(yùn)營

青衣水廠實(shí)現(xiàn)智慧化、數(shù)字化后,達(dá)到了節(jié)能降耗的目的,降低了生產(chǎn)運(yùn)營成本,實(shí)現(xiàn)了需求預(yù)測的目標(biāo)及營收智慧化。青衣水廠智慧水務(wù)一體化管控平臺見圖1。

圖1 青衣水廠智慧水務(wù)一體化管控平臺界面圖

(1)節(jié)能降耗。建立了取水水泵、送水水泵運(yùn)行智慧控制模型,實(shí)現(xiàn)了取水、供水智慧化。通過各工藝泵組運(yùn)行智慧化,優(yōu)化了各主要耗能設(shè)備的運(yùn)行控制參數(shù),降低了單位制水能耗,達(dá)到了節(jié)能降耗目標(biāo)。

(2)降低了生產(chǎn)運(yùn)營成本。通過制水加藥智慧化、排泥智慧化、反沖洗智慧化、泵組運(yùn)行智慧化、水質(zhì)在線監(jiān)測智慧化,有效利用了清水池調(diào)蓄功能及電價峰谷差,在保證供水可靠的前提下合理調(diào)整了生產(chǎn)時段,優(yōu)化了控制參數(shù),取得了降低能耗費(fèi)用15%以上的效果。

(3)建立了用戶數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)了營收智慧化。充分清洗并挖掘用戶用水、繳費(fèi)、管網(wǎng)漏損等數(shù)據(jù),建立了用戶畫像、用水信用數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)了營收智慧化及服務(wù)智慧化。

(4)實(shí)現(xiàn)了需求預(yù)測。通過制水加藥智慧化、泵組運(yùn)行智慧化、反沖洗智慧化,提出并建立了水廠生產(chǎn)能耗需求預(yù)測數(shù)據(jù)模型。

4 結(jié) 語

供水是重要的民生事業(yè),供水企業(yè)為確保和提升地方供水安全保障,積極打造出智慧水務(wù)一體化管控平臺,為地方基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了必要支撐,推動了地方智慧城市的建設(shè)和發(fā)展。青衣水廠將自動化與信息化緊密結(jié)合,研究開發(fā)并應(yīng)用智慧水務(wù)一體化管控平臺使水廠實(shí)現(xiàn)了“一鍵制水”,在各工藝階段實(shí)現(xiàn)了“自動取水”“自動投加藥”“自動排泥”“自動反沖洗”“變量變壓供水”等功能,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)運(yùn)行全過程現(xiàn)場無人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控,客戶端用水信息一鍵查詢,水費(fèi)足不出戶即可支付,提升了供水安全和保障程度,提高了設(shè)備運(yùn)行效率并降低了能耗,實(shí)現(xiàn)了高智能、高保障的現(xiàn)代化供水,得到行業(yè)內(nèi)的高度評價,提升了地方人民群眾的獲得感和幸福感,同時為行業(yè)建立了智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范,起到了示范作用,推動了水務(wù)行業(yè)智能化、數(shù)字化發(fā)展,取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

青衣水廠先后取得了《基于LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水廠智能加藥控制系統(tǒng)V1.0》(證書號:軟著登字第8169485號)、《基于人工蜂群算法的智能泵組優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)V1.0》(證書號:軟著登字第8169474號)2項(xiàng)計算機(jī)軟件著作權(quán),《一種生活飲用水凈水處理設(shè)備》(專利號:ZL 2021 2 0903639.6)實(shí)用新型專利,《智慧水務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》項(xiàng)目獲2022年度樂山市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎,2021年度中國電建優(yōu)質(zhì)工程獎,2022年度四川省優(yōu)秀工程勘察設(shè)計獎等榮譽(yù)。