青衣水廠“兩化融合、一鍵制水”智慧水務的創(chuàng)新實踐

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運營。水廠設計制供水規(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,2020年1月正式運行供水。

青衣水廠建設之初即秉承“安全、節(jié)能、環(huán)保、智慧”理念,研究開發(fā)出智慧水務一體化管控平臺,其主要包括:生產調度中心,數(shù)據中心機房(用于私有云數(shù)據中心、信息基礎平臺建設),水質安全管理系統(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)、管網優(yōu)化調度系統(tǒng)、客服熱線系統(tǒng)、報裝管理系統(tǒng)、設備資產管理系統(tǒng)、大數(shù)據經營決策分析系統(tǒng)、公眾服務門戶、微信公眾號等[2]。

水廠自動化是信息化的基礎,信息化是自動化的集成,絕不能片面地強調哪一方面重要。一定要在水廠信息化過程中實現(xiàn)生產過程自動化系統(tǒng)的同步發(fā)展,最終實現(xiàn)智慧管控一體化。在工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進程中,如何進一步提升水廠的自動化和工業(yè)化水平,實現(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”智慧水務的創(chuàng)新實踐過程。

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容

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

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)和信息化管理服務系統(tǒng)代表了新時代新的管理方式與新的管理技術的深度融合,青衣水廠智慧化建設分為三個階段:

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

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

(3)智慧水廠建設階段:該階段分為模糊前期和精準使用期。模糊前期是半自動和全自動融合使用階段,也是建設虛擬水廠階段,在該階段,所有的自動化指令不直接下達到PLC控制器中,而是完全與控制臺中的指令進行模擬,為控制臺提供參考指令,需要通過現(xiàn)場實際情況提供參考,如果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場實際情況和模型指令不匹配的情況,則需通過大數(shù)據模型再次進行計算,糾正外部數(shù)據因子,使其指令與實際情況更加匹配。當實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,開始考慮進入精準使用期。精準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,此時水廠的調度人員只需進行機器指令的復核和審查[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”智慧水務一體化管控平臺的建設

“兩化融合”是信息化和自動化高層次的深度結合,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”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,還要與信息化系統(tǒng)進行充分融合,完成信息化各功能模塊“上傳下達”的任務。為了與智慧水務系統(tǒng)完成融合,青衣水廠定制并開發(fā)了中央監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)這一目的,其上可與智慧水務交換數(shù)據,下可控制全流程所有的工藝設備[5]。

中央監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖工業(yè)以太環(huán)網與現(xiàn)場控制站的通訊來完成工藝設備的運行狀態(tài)、工藝過程參數(shù)的采集和監(jiān)視,遠程控制相關設備、設定運行參數(shù),配合工藝運行過程實現(xiàn)原水凈化的目的,將所有采集到的數(shù)據存儲在SCADA數(shù)據服務器并共享給智慧水務系統(tǒng)。

中央控制室由操作員站監(jiān)控計算機、工程師站、便攜式編程終端、互為冗余的SCADA數(shù)據服務器、網絡打印機、UPS電源、以太網通訊系統(tǒng)等組成。中央控制室完成全廠的自動控制和生產管理,負責監(jiān)視、管理、控制整個水廠的全部生產過程和工藝過程。廠內控制系統(tǒng)采用環(huán)形光纖以太網通訊,傳輸介質采用光纜。PLC配套觸摸屏用于PLC現(xiàn)場調試和現(xiàn)場對設備進行操作,配套以太網交換機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行,實時地完成同步操作。將應用數(shù)據保存在共享數(shù)據服務器中,當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行操作。工程師站可以對現(xiàn)場控制站、設備控制單元、中央監(jiān)控計算機的相關軟件進行維護。

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)控畫面進行操作完成現(xiàn)場可控設備的遙控以及對相關運行參數(shù)進行修改。

(2)遠程控制各PLC現(xiàn)場控制站,實時接收PLC采集到的各項數(shù)據,建立全廠檢測參數(shù)數(shù)據庫,處理并顯示各種數(shù)據。

(3)監(jiān)測全廠工藝流程和各細部的動態(tài)模擬圖形。

(4)從檢測項目中按需要顯示歷史記錄和趨勢分析曲線。

(5)對各種數(shù)據進行實時存儲。

(6)對工藝流程、歷史記錄、各種設備工作狀態(tài)等的瀏覽。

3 智慧水務在夾江青衣水廠中的創(chuàng)新與應用

3.1 水務安全

青衣水廠研究開發(fā)并應用智慧水務一體化管控平臺,建立了智慧水務安全風險的預測預警系統(tǒng),取得了一些現(xiàn)實成果。

(1)保障了生產安全。基于監(jiān)控氣象數(shù)據曲線、氣象預報信息、突發(fā)事件關聯(lián)數(shù)據等建立了生產安全預警系統(tǒng),建立了事故安全響應機制,保障了生產安全,實現(xiàn)了取水智慧化。

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

(3)供水民生保障。基于管網智慧平差計算、管網壓力歷史、用戶用水實時監(jiān)測數(shù)據,建立了漏水、爆管預警等基礎設施安全預測預報程序,快速準確地為搶修維護提供了故障點指引,加快了故障修復速度,將管網漏損損失率降低了10個百分點,人工維護工時降低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 智慧運營

青衣水廠實現(xiàn)智慧化、數(shù)字化后,達到了節(jié)能降耗的目的,降低了生產運營成本,實現(xiàn)了需求預測的目標及營收智慧化。青衣水廠智慧水務一體化管控平臺見圖1。

圖1 青衣水廠智慧水務一體化管控平臺界面圖

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

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

(3)建立了用戶數(shù)據信息,實現(xiàn)了營收智慧化。充分清洗并挖掘用戶用水、繳費、管網漏損等數(shù)據,建立了用戶畫像、用水信用數(shù)據庫,實現(xiàn)了營收智慧化及服務智慧化。

(4)實現(xiàn)了需求預測。通過制水加藥智慧化、泵組運行智慧化、反沖洗智慧化,提出并建立了水廠生產能耗需求預測數(shù)據模型。

4 結 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一體化管控平臺,為地方基礎設施建設和經濟發(fā)展提供了必要支撐,推動了地方智慧城市的建設和發(fā)展。青衣水廠將自動化與信息化緊密結合,研究開發(fā)并應用智慧水務一體化管控平臺使水廠實現(xiàn)了“一鍵制水”,在各工藝階段實現(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,實現(xiàn)了生產運行全過程現(xiàn)場無人值守和遠程監(jiān)測監(jiān)控,客戶端用水信息一鍵查詢,水費足不出戶即可支付,提升了供水安全和保障程度,提高了設備運行效率并降低了能耗,實現(xiàn)了高智能、高保障的現(xiàn)代化供水,得到行業(yè)內的高度評價,提升了地方人民群眾的獲得感和幸福感,同時為行業(yè)建立了智能產業(yè)發(fā)展示范,起到了示范作用,推動了水務行業(yè)智能化、數(shù)字化發(fā)展,取得了良好的社會和經濟效益。

青衣水廠先后取得了《基于LSTM神經網絡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)化調度系統(tǒng)V1.0》(證書號:軟著登字第8169474號)2項計算機軟件著作權,《一種生活飲用水凈水處理設備》(專利號:ZL 2021 2 0903639.6)實用新型專利,《智慧水務系統(tǒng)關鍵技術及應用》項目獲2022年度樂山市科學技術進步獎,2021年度中國電建優(yōu)質工程獎,2022年度四川省優(yōu)秀工程勘察設計獎等榮譽。