青衣水廠“兩化融合、一鍵制水”智慧水務的創新實踐

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、節能、環保、智慧”理念,研究開發出智慧水務一體化管控平臺,其主要包括:生產調度中心,數據中心機房(用于私有云數據中心、信息基礎平臺建設),水質安全管理系統、SCADA在線監測系統[1]、智能營收系統、GIS地理信息系統、DMA分區漏損管理系統、管網優化調度系統、客服熱線系統、報裝管理系統、設備資產管理系統、大數據經營決策分析系統、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生產過程自動化系統的同步發展,最終實現智慧管控一體化。在工業現代化發展進程中,如何進一步提升水廠的自動化和工業化水平,實現水廠更加安全、高效、節能、智慧的現代化供水,“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適用于供水企業遠程控制管理水廠,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和信息化管理服務系統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水廠自動化控制,通過人為影響因素實現水廠設備啟停的動作,將人工指令下發到各設備的PLC。

(2)自動化控制階段:該階段的目的主要是實現通過水廠生產組態軟件的控制臺對水廠所有設備的遠程啟停和參數進行設置。將自動化控制系統中的常規指令下發到設備PLC上以實現其對設備的控制,并且在該階段實現水廠信息化平臺和自動化控制系統數據庫的實時接入,通過數據同步技術,將水廠生產的實時數據同步到大數據庫中,通過大數據創建水力模型、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、濁度等水質數據;進水流量數據;加藥間藥劑濃度、藥劑量、計算沉淀池中的排泥量、轉速、濁度數據;反沖洗泵房的運行數據;清水池的含氯量、濁度數據;送水泵房的水質流量數據”進行模型學習。建立基于TensorFlow的人工智能學習算法,將沉淀的數據和模型參數進行自動匹配和調優,為第三階段“智慧水廠”階段的建設提供有力的數據和模型支撐[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,需要通過現場實際情況提供參考,如果發現現場實際情況和模型指令不匹配的情況,則需通過大數據模型再次進行計算,糾正外部數據因子,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,追求可持續發展模式。自動化控制系統是“智慧水務”系統的一部分,不僅要完成傳統水廠自動化控制系統的任務,還要與信息化系統進行充分融合,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完成融合,青衣水廠定制并開發了中央監控系統來實現這一目的,其上可與智慧水務交換數據,下可控制全流程所有的工藝設備[5]。

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

中央控制室由操作員站監控計算機、工程師站、便攜式編程終端、互為冗余的SCADA數據服務器、網絡打印機、UPS電源、以太網通訊系統等組成。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。廠內控制系統采用環形光纖以太網通訊,傳輸介質采用光纜。PLC配套觸摸屏用于PLC現場調試和現場對設備進行操作,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。將應用數據保存在共享數據服務器中,當任何一臺操作員站出現故障時,其他的操作員站均可無縫進行操作。工程師站可以對現場控制站、設備控制單元、中央監控計算機的相關軟件進行維護。

中央監控系統的主要功能包括:

(1)操作人員可以通過對監控畫面進行操作完成現場可控設備的遙控以及對相關運行參數進行修改。

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

(3)監測全廠工藝流程和各細部的動態模擬圖形。

(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、各種設備工作狀態等的瀏覽。

3 智慧水務在夾江青衣水廠中的創新與應用

3.1 水務安全

青衣水廠研究開發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,取得了一些現實成果。

(1)保障了生產安全?；诒O控氣象數據曲線、氣象預報信息、突發事件關聯數據等建立了生產安全預警系統,建立了事故安全響應機制,保障了生產安全,實現了取水智慧化。

(2)提升了供水水質安全?；谌∷?、過程水處理、出水水質監測數據,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?；诠芫W智慧平差計算、管網壓力歷史、用戶用水實時監測數據,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

青衣水廠實現智慧化、數字化后,達到了節能降耗的目的,降低了生產運營成本,實現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)節能降耗。建立了取水水泵、送水水泵運行智慧控制模型,實現了取水、供水智慧化。通過各工藝泵組運行智慧化,優化了各主要耗能設備的運行控制參數,降低了單位制水能耗,達到了節能降耗目標。

(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,優化了控制參數,取得了降低能耗費用15%以上的效果。

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

(4)實現了需求預測。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據模型。

4 結 語

供水是重要的民生事業,供水企業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展提供了必要支撐,推動了地方智慧城市的建設和發展。青衣水廠將自動化與信息化緊密結合,研究開發并應用智慧水務一體化管控平臺使水廠實現了“一鍵制水”,在各工藝階段實現了“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,實現了生產運行全過程現場無人值守和遠程監測監控,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,實現了高智能、高保障的現代化供水,得到行業內的高度評價,提升了地方人民群眾的獲得感和幸福感,同時為行業建立了智能產業發展示范,起到了示范作用,推動了水務行業智能化、數字化發展,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化調度系統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年度中國電建優質工程獎,2022年度四川省優秀工程勘察設計獎等榮譽。