基于全流程工藝的智慧水廠設計與實踐

李亞東，張小強，胡田力，黎錦泉

（1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京100082；2.東莞市水務集團供水有限公司，東莞 523112）

2021年3月國家發布《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，提出加強泛在感知、終端聯網、智能調度體系建設[1]。 2021年10月24日，中共中央、國務院印發的《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，明確實現碳達峰、碳中和目標，提出推進經濟社會發展全面綠色低碳轉型[2]。市政水廠作為城市的關鍵基礎設施應順應國家發展的需要，利用物聯網、大數據、邊緣計算、BIM 等成熟技術及其解決方案， 實現水廠精細化管理、低碳節能，提升管理及服務水平，提高生產效率。

筆者依托某大型給水廠的建設，結合國家頂層設計，給水處理工藝和當前成熟、經濟的技術、產品及解決方案，在大型給水廠的智慧化設計上做出一些創新嘗試，下文就智慧水廠的設計內容展開介紹。

1 工程概況

我國南方某市基于供水安全保障，規劃于2023年建成一座面向未來、高效、節能、智慧的大型給水廠，水廠設計規模110×104m3/d，以滿足區域用水量增長的需要，為城市經濟社會發展提供保障。

為提高原水保障率， 水廠采用雙水源供水，原水水質復雜多變，水廠設計出水水質在全面符合國家標準 《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）基礎上，充分考慮未來該市及供水區域的社會經濟發展定位，對標國內先進城市的水質標準，提高濁度、有機物、消毒副產物、微生物、嗅味等水質指標的出廠要求，達到國內領先、國際先進的水平。 通過分析，篩選了關鍵水質問題和適用的工藝技術，確定采用“預處理+常規處理+深度處理+膜處理+安全消毒”的全流程工藝，確保供水安全，凈水處理工藝如表1 所示。

表1 凈水處理工藝選擇Tab.1 Selection of water purification process

水廠凈水處理工藝流程分為水線處理工藝流程和泥線處理工藝流程，如圖1 所示。

圖1 水線處理工藝流程Fig.1 Water line treatment process flow

泥線處理工藝流程如圖2 所示，跨越條件主要包括沖洗廢水跨越處理直接回流、上清液直接排放等。

圖2 泥線處理推薦工藝流程Fig.2 Recommended process flow of mudline treatment

2 智慧水廠設計

基于國家“十四五”規劃和“雙碳目標”的頂層設計，同時結合全流程凈水工藝和生產運行及運營管控需求，總結提出了泛在感知、智能物聯、智能控制、數據中臺和智慧管控的智慧水廠設計思路。 依托設計思路構建了信息感知、信息傳輸、智能控制、數據中臺及智慧應用的5 層支撐體系，如圖3 所示。 同時考慮到當前市場成熟的工業控制技術、信息化技術與水廠生產運行及運營管控的結合性，打造了智慧管控及智能控制2 個應用平臺，如圖4 所示，即智慧水廠“5+2”的設計及運營模式。

圖3 智慧水廠總體架構Fig.3 Overall structure of smart water plant

圖4 智慧水廠平臺結構Fig.4 Smart water plant platform structure

下文從設計思路出發，緊扣智慧水廠“5+2”模式，詳細闡述本次智慧水廠的設計方案。

2.1 泛在感知

泛在感知主要由自控儀表類、電氣設備類和視頻安防類3 部分智能感知設備組成。

（1）自控儀表類智能感知設備包括PLC 系統、過程儀表、 水質儀表。 其中PLC 系統實現水泵、風機、閥門、攪拌機、成套工藝設備、過程儀表和水質分析儀表的動態感知、實時控制。 本次智慧水廠所采用的過程儀表、水質儀表和調節型閥門均配置有Hart 或Profibus 協議功能，對應PLC 系統亦應滿足通訊協議要求。

（2）電氣設備類智能感知設備主要包括智能斷路器、智能電力儀表、10 kV 綜保裝置、智能采集終端和智能控制器。 其中，10 kV 斷路器、0.4 kV 進線及母聯斷路器設計采用智能斷路器；0.4 kV 主要饋電回路均采用智能電力儀表采集電力信息；10 kV綜保裝置配套10 kV 智能斷路器使用； 智能采集終端配置多路總線傳輸接口，負責收集上述四類設備的電力信息，并發送給上層平臺；智能控制器設置在智能動力箱及智能照明箱內，其主要用于水廠建（構）筑物內暖通風機、照明的實時監控。

（3）視頻安防類智能感知設備主要包括工藝視頻攝像機、安防視頻攝像機、前端門禁、電子圍欄、車輛管理前端、訪客管理設備、巡更設備和無人機及其反制設備組成。

通過上述泛在現場的智能感知設備可實現生產、運行、管理的全過程、全方位的的動態監控，并形成前端完整的信息感知層體系。

2.2 智能物聯

智能物聯對應智慧水廠的信息傳輸層。 基于水廠特性、前端智能感知和平臺系統要求，同時結合現有技術及其產品設計了自控雙纖環網、視頻安防全光網和互聯信息網3 種智能物聯網絡形式，通過設置通信互聯設備、 網絡安全設備實現信息的快速、可靠、安全的傳輸。 如圖5 所示。

圖5 智慧水廠網絡架構示意圖Fig.5 Schematic diagram of smart water plant network architecture

本次設計引入了市場上成熟、可靠的全光物聯解決方案有效地解決了全廠區視頻、安防、無線前端等弱電類設備數量較多且通信帶寬高的通訊要求， 全光物聯主要的通訊設備有光線路終端OLT、光網絡單元ONU 和光分配單元ODN。 互聯信息網是指智慧水廠上層平臺用的辦公及運營管理用的綜合布線系統。

2.3 智能控制

智能控制對應智慧水廠的第三層，即智能控制層，其從場景應用來分由3 部分組成：全過程自動化系統、智能優化運行系統和智能安防系統。 從結構組成來說，智能優化控制與全過程自動化結合較為緊密， 其組成了以SCADA 為基礎的智能控制平臺， 主要用于水廠的全流程工藝生產運行及控制。全廠自控系統結構圖如圖6 所示。

圖6 全廠自控系統結構圖Fig.6 Structure diagram of automatic control system of the water plant

2.3.1 全過程自動化系統

通過對控制系統的冗余設計、設備儀表的合理選型和各工藝段智能化控制，實現水廠的全流程工藝的自動化運行。 本次全過程自動化系統包含SCADA 系統、廠級數據管理系統、嵌入式視頻系統、智能儀表管理系統、智能配電系統及智能照明及通風系統。 其作為智慧水廠的堅實基礎，將與智能優化系統進行實時數據交互，同時為智慧水廠管控平臺提供關鍵的動態數據。 下文逐一介紹全過程自動化系統的各子系統。

（1）SCADA 系統與廠級數據管理系統配套使用， 其作為智慧水廠的重要基礎， 其負責收集PLC控制系統、智能儀表等信息，并執行智慧水廠上層信息化平臺及智能優化控制系統的指令操作。 其具備友好的、開放的數據接口，將為智慧水廠的所有系統進行數據對接。

（2）嵌入式視頻系統將SCADA 系統和工藝視頻監控設備完美結合，輔助生產運營人員進行實時、直觀地監視生產工藝流程。

（3）智能儀表管理系統以SCADA 系統為基礎，將過程儀表設備、水質儀表設備、調節型閥門設備等智能設備的信息融入其中，以助于生產運營人員進行實時的智能儀表設備的精準維護及管理。

（4）智能配電系統可輔助節能優化控制，其具備友好的、開放的數據接口，將采集的智能斷路器、電力儀表及綜合保護裝置等供配電系統電氣參數的實時數據和分析數據與SCADA 系統、 水泵性能優化等系統共享。

（5）智能照明及通風系統是融合了SCADA 系統和智能控制器，主要用于暖通風機、照明系統的實時監控，有助于水廠節能優化和運維管理。

2.3.2 智能優化運行系統

本次智慧水廠設計的智能優化運行系統包含智能加藥系統、水泵性能優化系統、模型仿真系統、智能監盤及預警系統。 其運用工藝模型、先進控制算法、管理及評價模型等進行系統性的優化決策控制及預警[3]，最終在滿足水量、水質的生產要求的基礎上達到安全生產、低碳節能。 下文逐一介紹智能優化運行系統的各子系統。

（1）智能加藥系統：用于實現混凝劑的精準投加，該系統通過分析進水水質參數與絮凝劑投加量之間的關系，建立加藥模型，并運用高級控制算法（模糊控制、預測控制、神經網絡算法等）和大數據挖掘技術實現混凝藥劑的精準投加。

（2）水泵機組性能優化系統利用模型仿真系統和高級控制算法實現最優配置水泵機組的運行數量及運行頻率， 使水泵機組運行在最佳的效率區，在滿足安全、穩定的供水要求下，降低配水機組耗電量，減少運行成本，同時實現節能減排的目標。

（3）模型仿真系統由虛擬控制系統和工藝仿真模型組成，其可為智能加藥、水泵機組性能優化、智能監盤系統以及智慧管控平臺的專家分析決策系統和數字雙胞胎系統提供模型基礎，同時該系統亦可提供電氣設備維護仿真、工藝設備維護仿真和工藝生產仿真等。

（4）智能監盤及預警系統作為水廠的實時“體檢醫生”，其可結合SCADA 系統和模型仿真系統，在深入挖掘和分析海量歷史數據的基礎上，建立起對水廠全工藝流程段及其工藝、電氣等設備各類參數的預測模型和評價模型，從設備的安全性、系統的安全性、經濟性、自動化水平及運行狀態5 個維度對水廠的健康度進行實時可量化的評價，提前預警故障征兆，輔助生產運行和系統監視任務。

2.3.3 智能安防系統

智能安防系統包括安防系統智能管理平臺、門禁子系統、周界報警子系統、安防視頻監控子系統、車輛管理子系統、訪客管理子系統、巡更子系統和無人機及其反制子系統組成。 其作為本次智慧水廠的重要組成部分，有其獨立的前端感知設備、信號傳輸網絡、數據存儲及上層監控平臺等組成。 其信號可接入上層智慧水廠管控平臺， 用于集中展示、安防巡檢及聯防布控等。 同時智能安防系統內部平臺及子系統亦存在業務流、信息流、數據流的實時交互，聯鎖聯控。

2.4 數據中臺

數據平臺層為智慧應用層提供SCADA 數據、安防監控數據、地理信息數據、三維模型數據、水廠運營管控業務數據等，在此平臺處設置了一套超融合設備，以動態支撐智慧水廠各智慧應用場景的計算、存儲及網絡資源的動態供給。

另根據最新的《中華人民共和國網絡安全法》對信息及網絡安全的建設要求，在監控中心設置一套微模塊機房，其含物理安全、網絡及信息安全兩類等級保護建設內容，以滿足重要基礎設施——大型市政水廠的等級保護2.0 三級的要求。

2.5 智慧管控

智慧管控是指智慧水廠智慧管控平臺，其由數字雙胞胎系統、AR/VR 巡檢運維管理系統、 生產運行管理系統、專家分析決策系統、人員定位系統、移動巡檢APP 及信息交互系統組成，詳見下述。

其中，數字雙胞胎系統是在BIM 模型的基礎上構建三維輕量化模型[4]，同時結合模型仿真系統、靜態數據和采集到SCADA 系統的動態數據、 智能安防系統及工藝視頻系統的圖像信息實現廠區漫游、場景展示、遠程巡檢、工藝流程模擬等。

AR/VR 巡檢運維管理系統在數字雙胞胎的基礎上再做深化，與生產運行管理系統、無線覆蓋系統、移動APP 進行數據交互，同時配合手持式移動巡檢終端實現現場設施三維、動態、可視化展示，并集成實時監測數據、巡檢運維等移動應用功能。

生產運行管理系統主要用于廠級、公司級的工藝生產監視及管控，其對接SCADA 系統、智能優化運行系統、智能安防系統及公司級業務管理流程等信息， 有效直觀地展示生產運行信息關鍵信息、工藝畫面、關鍵數據歷史趨勢曲線、水廠運行報警信息等，集中反映和監督水廠整體運行情況，實現水廠運行多個KPI 分析和關鍵事件管理。

專家分析決策系統是通過調研總結大量關于水廠處理領域的經驗與知識和生產運營經驗、管理方法等， 為水廠的運行管理提供運行效果預測、方案決策支持、工藝優化等服務，解決水廠日常運營中遇到的各種難題。

人員定位系統基于UWB 技術[5]實現人員的精確定位、歷史軌跡查詢、軌跡糾偏、視頻聯動等功能。

移動巡檢APP 主要對接生產運行管理系統，用于廠區生產移動巡檢及動態管理。

信息交互系統對接數字雙胞胎系統和生產運行管理系統，用于對外展示的功能和生產運維。

3 結語

本次智慧水廠的設計調研了大量及主流的儀器儀表、電器設備、控制系統、網絡通訊、信息安全、超融合和智慧平臺等生產及開發廠商，并充分結合了本水廠全流程工藝設計和建設單位運營管理需求，創新性提出“5+2”的設計及運營模式，為智慧水廠的設計、建設及運營邁出堅實的一步。