基于全流程工艺的智慧水厂设计与实践

李亚东，张小强，胡田力，黎锦泉

（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082；2.东莞市水务集团供水有限公司，东莞 523112）

2021年3月国家发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，提出加强泛在感知、终端联网、智能调度体系建设[1]。 2021年10月24日，中共中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，明确实现碳达峰、碳中和目标，提出推进经济社会发展全面绿色低碳转型[2]。市政水厂作为城市的关键基础设施应顺应国家发展的需要，利用物联网、大数据、边缘计算、BIM 等成熟技术及其解决方案， 实现水厂精细化管理、低碳节能，提升管理及服务水平，提高生产效率。

笔者依托某大型给水厂的建设，结合国家顶层设计，给水处理工艺和当前成熟、经济的技术、产品及解决方案，在大型给水厂的智慧化设计上做出一些创新尝试，下文就智慧水厂的设计内容展开介绍。

1 工程概况

我国南方某市基于供水安全保障，规划于2023年建成一座面向未来、高效、节能、智慧的大型给水厂，水厂设计规模110×104m3/d，以满足区域用水量增长的需要，为城市经济社会发展提供保障。

为提高原水保障率， 水厂采用双水源供水，原水水质复杂多变，水厂设计出水水质在全面符合国家标准 《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）基础上，充分考虑未来该市及供水区域的社会经济发展定位，对标国内先进城市的水质标准，提高浊度、有机物、消毒副产物、微生物、嗅味等水质指标的出厂要求，达到国内领先、国际先进的水平。 通过分析，筛选了关键水质问题和适用的工艺技术，确定采用“预处理+常规处理+深度处理+膜处理+安全消毒”的全流程工艺，确保供水安全，净水处理工艺如表1 所示。

表1 净水处理工艺选择Tab.1 Selection of water purification process

水厂净水处理工艺流程分为水线处理工艺流程和泥线处理工艺流程，如图1 所示。

图1 水线处理工艺流程Fig.1 Water line treatment process flow

泥线处理工艺流程如图2 所示，跨越条件主要包括冲洗废水跨越处理直接回流、上清液直接排放等。

图2 泥线处理推荐工艺流程Fig.2 Recommended process flow of mudline treatment

2 智慧水厂设计

基于国家“十四五”规划和“双碳目标”的顶层设计，同时结合全流程净水工艺和生产运行及运营管控需求，总结提出了泛在感知、智能物联、智能控制、数据中台和智慧管控的智慧水厂设计思路。 依托设计思路构建了信息感知、信息传输、智能控制、数据中台及智慧应用的5 层支撑体系，如图3 所示。 同时考虑到当前市场成熟的工业控制技术、信息化技术与水厂生产运行及运营管控的结合性，打造了智慧管控及智能控制2 个应用平台，如图4 所示，即智慧水厂“5+2”的设计及运营模式。

图3 智慧水厂总体架构Fig.3 Overall structure of smart water plant

图4 智慧水厂平台结构Fig.4 Smart water plant platform structure

下文从设计思路出发，紧扣智慧水厂“5+2”模式，详细阐述本次智慧水厂的设计方案。

2.1 泛在感知

泛在感知主要由自控仪表类、电气设备类和视频安防类3 部分智能感知设备组成。

（1）自控仪表类智能感知设备包括PLC 系统、过程仪表、 水质仪表。 其中PLC 系统实现水泵、风机、阀门、搅拌机、成套工艺设备、过程仪表和水质分析仪表的动态感知、实时控制。 本次智慧水厂所采用的过程仪表、水质仪表和调节型阀门均配置有Hart 或Profibus 协议功能，对应PLC 系统亦应满足通讯协议要求。

（2）电气设备类智能感知设备主要包括智能断路器、智能电力仪表、10 kV 综保装置、智能采集终端和智能控制器。 其中，10 kV 断路器、0.4 kV 进线及母联断路器设计采用智能断路器；0.4 kV 主要馈电回路均采用智能电力仪表采集电力信息；10 kV综保装置配套10 kV 智能断路器使用； 智能采集终端配置多路总线传输接口，负责收集上述四类设备的电力信息，并发送给上层平台；智能控制器设置在智能动力箱及智能照明箱内，其主要用于水厂建（构）筑物内暖通风机、照明的实时监控。

（3）视频安防类智能感知设备主要包括工艺视频摄像机、安防视频摄像机、前端门禁、电子围栏、车辆管理前端、访客管理设备、巡更设备和无人机及其反制设备组成。

通过上述泛在现场的智能感知设备可实现生产、运行、管理的全过程、全方位的的动态监控，并形成前端完整的信息感知层体系。

2.2 智能物联

智能物联对应智慧水厂的信息传输层。 基于水厂特性、前端智能感知和平台系统要求，同时结合现有技术及其产品设计了自控双纤环网、视频安防全光网和互联信息网3 种智能物联网络形式，通过设置通信互联设备、 网络安全设备实现信息的快速、可靠、安全的传输。 如图5 所示。

图5 智慧水厂网络架构示意图Fig.5 Schematic diagram of smart water plant network architecture

本次设计引入了市场上成熟、可靠的全光物联解决方案有效地解决了全厂区视频、安防、无线前端等弱电类设备数量较多且通信带宽高的通讯要求， 全光物联主要的通讯设备有光线路终端OLT、光网络单元ONU 和光分配单元ODN。 互联信息网是指智慧水厂上层平台用的办公及运营管理用的综合布线系统。

2.3 智能控制

智能控制对应智慧水厂的第三层，即智能控制层，其从场景应用来分由3 部分组成：全过程自动化系统、智能优化运行系统和智能安防系统。 从结构组成来说，智能优化控制与全过程自动化结合较为紧密， 其组成了以SCADA 为基础的智能控制平台， 主要用于水厂的全流程工艺生产运行及控制。全厂自控系统结构图如图6 所示。

图6 全厂自控系统结构图Fig.6 Structure diagram of automatic control system of the water plant

2.3.1 全过程自动化系统

通过对控制系统的冗余设计、设备仪表的合理选型和各工艺段智能化控制，实现水厂的全流程工艺的自动化运行。 本次全过程自动化系统包含SCADA 系统、厂级数据管理系统、嵌入式视频系统、智能仪表管理系统、智能配电系统及智能照明及通风系统。 其作为智慧水厂的坚实基础，将与智能优化系统进行实时数据交互，同时为智慧水厂管控平台提供关键的动态数据。 下文逐一介绍全过程自动化系统的各子系统。

（1）SCADA 系统与厂级数据管理系统配套使用， 其作为智慧水厂的重要基础， 其负责收集PLC控制系统、智能仪表等信息，并执行智慧水厂上层信息化平台及智能优化控制系统的指令操作。 其具备友好的、开放的数据接口，将为智慧水厂的所有系统进行数据对接。

（2）嵌入式视频系统将SCADA 系统和工艺视频监控设备完美结合，辅助生产运营人员进行实时、直观地监视生产工艺流程。

（3）智能仪表管理系统以SCADA 系统为基础，将过程仪表设备、水质仪表设备、调节型阀门设备等智能设备的信息融入其中，以助于生产运营人员进行实时的智能仪表设备的精准维护及管理。

（4）智能配电系统可辅助节能优化控制，其具备友好的、开放的数据接口，将采集的智能断路器、电力仪表及综合保护装置等供配电系统电气参数的实时数据和分析数据与SCADA 系统、 水泵性能优化等系统共享。

（5）智能照明及通风系统是融合了SCADA 系统和智能控制器，主要用于暖通风机、照明系统的实时监控，有助于水厂节能优化和运维管理。

2.3.2 智能优化运行系统

本次智慧水厂设计的智能优化运行系统包含智能加药系统、水泵性能优化系统、模型仿真系统、智能监盘及预警系统。 其运用工艺模型、先进控制算法、管理及评价模型等进行系统性的优化决策控制及预警[3]，最终在满足水量、水质的生产要求的基础上达到安全生产、低碳节能。 下文逐一介绍智能优化运行系统的各子系统。

（1）智能加药系统：用于实现混凝剂的精准投加，该系统通过分析进水水质参数与絮凝剂投加量之间的关系，建立加药模型，并运用高级控制算法（模糊控制、预测控制、神经网络算法等）和大数据挖掘技术实现混凝药剂的精准投加。

（2）水泵机组性能优化系统利用模型仿真系统和高级控制算法实现最优配置水泵机组的运行数量及运行频率， 使水泵机组运行在最佳的效率区，在满足安全、稳定的供水要求下，降低配水机组耗电量，减少运行成本，同时实现节能减排的目标。

（3）模型仿真系统由虚拟控制系统和工艺仿真模型组成，其可为智能加药、水泵机组性能优化、智能监盘系统以及智慧管控平台的专家分析决策系统和数字双胞胎系统提供模型基础，同时该系统亦可提供电气设备维护仿真、工艺设备维护仿真和工艺生产仿真等。

（4）智能监盘及预警系统作为水厂的实时“体检医生”，其可结合SCADA 系统和模型仿真系统，在深入挖掘和分析海量历史数据的基础上，建立起对水厂全工艺流程段及其工艺、电气等设备各类参数的预测模型和评价模型，从设备的安全性、系统的安全性、经济性、自动化水平及运行状态5 个维度对水厂的健康度进行实时可量化的评价，提前预警故障征兆，辅助生产运行和系统监视任务。

2.3.3 智能安防系统

智能安防系统包括安防系统智能管理平台、门禁子系统、周界报警子系统、安防视频监控子系统、车辆管理子系统、访客管理子系统、巡更子系统和无人机及其反制子系统组成。 其作为本次智慧水厂的重要组成部分，有其独立的前端感知设备、信号传输网络、数据存储及上层监控平台等组成。 其信号可接入上层智慧水厂管控平台， 用于集中展示、安防巡检及联防布控等。 同时智能安防系统内部平台及子系统亦存在业务流、信息流、数据流的实时交互，联锁联控。

2.4 数据中台

数据平台层为智慧应用层提供SCADA 数据、安防监控数据、地理信息数据、三维模型数据、水厂运营管控业务数据等，在此平台处设置了一套超融合设备，以动态支撑智慧水厂各智慧应用场景的计算、存储及网络资源的动态供给。

另根据最新的《中华人民共和国网络安全法》对信息及网络安全的建设要求，在监控中心设置一套微模块机房，其含物理安全、网络及信息安全两类等级保护建设内容，以满足重要基础设施——大型市政水厂的等级保护2.0 三级的要求。

2.5 智慧管控

智慧管控是指智慧水厂智慧管控平台，其由数字双胞胎系统、AR/VR 巡检运维管理系统、 生产运行管理系统、专家分析决策系统、人员定位系统、移动巡检APP 及信息交互系统组成，详见下述。

其中，数字双胞胎系统是在BIM 模型的基础上构建三维轻量化模型[4]，同时结合模型仿真系统、静态数据和采集到SCADA 系统的动态数据、 智能安防系统及工艺视频系统的图像信息实现厂区漫游、场景展示、远程巡检、工艺流程模拟等。

AR/VR 巡检运维管理系统在数字双胞胎的基础上再做深化，与生产运行管理系统、无线覆盖系统、移动APP 进行数据交互，同时配合手持式移动巡检终端实现现场设施三维、动态、可视化展示，并集成实时监测数据、巡检运维等移动应用功能。

生产运行管理系统主要用于厂级、公司级的工艺生产监视及管控，其对接SCADA 系统、智能优化运行系统、智能安防系统及公司级业务管理流程等信息， 有效直观地展示生产运行信息关键信息、工艺画面、关键数据历史趋势曲线、水厂运行报警信息等，集中反映和监督水厂整体运行情况，实现水厂运行多个KPI 分析和关键事件管理。

专家分析决策系统是通过调研总结大量关于水厂处理领域的经验与知识和生产运营经验、管理方法等， 为水厂的运行管理提供运行效果预测、方案决策支持、工艺优化等服务，解决水厂日常运营中遇到的各种难题。

人员定位系统基于UWB 技术[5]实现人员的精确定位、历史轨迹查询、轨迹纠偏、视频联动等功能。

移动巡检APP 主要对接生产运行管理系统，用于厂区生产移动巡检及动态管理。

信息交互系统对接数字双胞胎系统和生产运行管理系统，用于对外展示的功能和生产运维。

3 结语

本次智慧水厂的设计调研了大量及主流的仪器仪表、电器设备、控制系统、网络通讯、信息安全、超融合和智慧平台等生产及开发厂商，并充分结合了本水厂全流程工艺设计和建设单位运营管理需求，创新性提出“5+2”的设计及运营模式，为智慧水厂的设计、建设及运营迈出坚实的一步。