基于某净水厂的智慧化设计探讨

刘国壮, 陆 林

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司, 广东 东莞 523000)

0 引 言

随着互联网+、人工智能等新一代技术的成熟应用,传统水厂在数字化转型和工业4.0的大背景下,将经历一次前所未有的深刻变革[1]。传统水厂存在许多难以解决的管理和运营问题,主要包括缺乏统一的生产数据监测管理与分析、自动化技术无法脱离人为干预、设备管理缺乏数据依据、故障响应不及时等缺陷[2]。通过对水厂信息化平台的建设,并采用先进的智能控制模型,旨在从“运、管、控”全流程、全方位辅助水厂精细化运营管理,能够解决传统水厂存在的诸多问题,为实现水厂的效益增长提供有力支撑[3]。

1 项目概况

该项目为城市主要的供水工程,总占地面积9.315公顷,采用全流程处理工艺,总设计规模为90万m3·d-1。该厂区主要由原水提升泵房、配水井、细格栅及预臭氧接触池、机械混合+折板絮凝+平流沉淀池(下叠清水池)、V型砂滤池等25座单体组成。厂区平面效果图如图1所示。

图1 厂区平面效果图

2 水厂自控系统

2.1 系统配置

自控设计采用开放的分布式控制系统,整个水厂自控系统配置分为三层。

第一层:信息层,采用C/S体系结构,由操作员站、工程师站、通信管理机、服务器、工业以太网交换机、网络打印机等设备构成。信息层采用基于IEEE 802.3标准的万Mb·s-1以太网星型网络拓扑结构。

第二层:控制层,由现场控制分站和工业以太网交换机组成。采用基于IEEE 802.3标准的全双工1 000 Mb·s-1以太环网,传输介质采用单模光缆。

第三层:设备层,由现场控制设备和各种智能仪表组成,采用基于IEC 61158标准的现场总线通信方式或I/O接点方式,与现场控制单元进行通信。现场总线协议根据控制设备和仪表选型确定。

2.2 中控室设置

水厂设置专用的中心控制室,中心控制室设于膜车间上部建筑内,作为水厂控制的核心。通过专用通信网络实时采集整个水厂监控数据和工况,并进行存储和处理,生成各种表格,以便调用、查询、检索和打印,同时对现场PLC主站上传的信息进行处理、存储、报警、发出相应的控制命令,实现水厂运行管理、设备维护控制以及通信等功能。

中心控制室主要设备包括操作员站、工程师站、SCADA及I/O服务器、数据库服务器、大屏显示系统等。

操作员站基本功能主要包括动态实时展现水厂工艺流程、各主要工艺设备运行状态、工艺参数,可使生产管理人员掌握当前生产运行情况,能从总图到详图多层次监测并进行集中控制。操作员站能完成对设备监视、控制调节和参数设置等操作,但不允许修改或测试各种应用软件。

工程师站能够实现的功能有系统生成和启动、系统管理维护和故障诊断、应用软件的开发和修改,以及数据库修改、图形显示和报告格式的生成。

SCADA及I/O服务器基本功能负责实时数据的采集,提供数据缓存功能。

数据库服务器是水厂的综合自动化系统数据存储和交换中心。

大屏显示系统具有监视生产过程、设备状态及运行参数变化的能力,运行人员可通过键盘或鼠标选择和调用画面显示,画面内容应精炼、清晰、直观、以便于监视和改善动态特性。

2.3 现场控制站设置

现场控制站由显示操作屏幕、PLC系统(CPU、电源、DI、DO、AI、AO等模块和各种网络通信接口适配器等)、UPS、光纤环网通信的工业网络交换机、电源、信号防雷器以及各种隔离器组成。

操作人员可通过控制箱现场控制设备运行,设备也可交给PLC进行自动控制。显示操作屏作为现场人机接口,操作人员通过屏上操作,由PLC完成对相关设备的控制。操作人员可在屏上修改相关参数的设定。

3 智慧水厂系统

智慧水厂系统是基于水厂自控系统之上的功能扩展和应用,能结合水厂工艺特点和技术需求充分挖掘各类数据价值和逻辑关系,实现水厂运营安全可靠,管理高效精准,决策智能、快速的目的。因此,智慧水厂支撑平台软件应该和水厂自控系统软件建设在同一个软件平台,或者2个软件之间能实现各个层级的无缝连接,共享资源,既能满足水厂实时控制的需要,又能满足水厂管理增效的要求。

在本项目中,水厂设计的智慧化主要体现在生产管理系统、自控算法、3D技术应用3个方面。

3.1 生产管理系统

(1) 智慧水厂管控平台。

平台的搭建主要分为基础设施层、数据支撑层、应用层和展示层。主要涉及到计算存储资源及网络安全建设、分业务系统(管网GIS、设备管理、巡点检系统、二供管理、工程项目管理、DMA管控、营收系统、生产调度系统、水质管理系统)升级补充、数据支撑层(基础地形数据、集成业务数据、实时感知数据)搭建、数据分析模型(运行优化分析模型、数据挖掘分析模型)组建,最终通过大数据仓库对各类数据进行融合,通过数据挂接、服务发布、数据调用、融合分析来实现平台的集成展示及统筹调度。

系统基于B/S架构开发,可以方便地在任何操作系统上实施,与其他系统具有很好的兼容性,支持跨系统部署。

提供统一、灵活、标准、可扩展、高性能、可 Web自定义的工作流平台,包括业务流程的设计建模、测试与调试、部署、运行、监控、管理等功能。工作流引擎要具备灵活的流程模式和调整流程的处理功能,提供企业集成标准接口,支持跨系统流程集成。

智慧水厂管控平台具备以下能力:

① 全面的快速连接能力。可以连接各种工业设备与企业数据系统,可以用于智能制造过程中,作为统一、实时、可视化的数据应用总线,融合各种形式数据于一身。

② 快速构建能力。通过平台本身自带的快速开发工具可将各种数据融于一身,并快速建立以物为基础的模型,快速构建实际的业务应用。

③ 大规模、多形式数据存储与分析能力。平台本身针对物联网数据规模大、数据形式多样的特性进行了优化,包括数据存储方式与存储策略的优化,使得平台可以稳定地存储大规模不同形式的数据。平台还提供了多种数据分析工具,可以使得快速构建数据分析应用。

④ 可提供完善的可配置的数据查询统计和图形化分析展示工具,能够配置图形化展示方案的自由布局、自由选择展示数据项目、数据图形(线性图、柱状图、饼状图、散点图)及图例等,使得数据展现更加直观。

⑤ 系统平台具有人机界面友好,页面功能简捷完善,使用方便灵活,可通过简单的操作对页面进行重组、增减(删)、改变等特点。

(2) 数据采集。

通过OPC方式采集厂站现场监控系统数据,支持通信和状态检测,可以检测现场数据采集器与数据源,与中心数据采集软件的通信,检测现场数据采集器服务是否起动;可以通过 GPRS、5G、VPN、VPDN、TCP/IP、CDMA 等方式将数据传输给中心的中心数据采集软件;支持分布式数据采集能力。

采集内容如下:

① 自控数据采集。工艺实时监控数据、KPI数据、设备运行数据从SCADA组态软件侧,以以太网接口方式同步,或通过物联网接入平台接入。

② 能耗数据采集。电耗数据、药耗数据、水质化验数据、污泥输送管理数据从SCADA组态软件侧,以以太网接口方式同步,或通过物联网接入平台接入。

③ 安防数据采集。视频监控、门禁系统、电子围栏、激光对射/红外对射、频监控图像采集均基于IP视频流方式接入,原厂商视频监控平台需公布摄像头IP访问地址;可通过物联网接入平台统一接入管理。

3.2 先进控制系统

对于采用传统过程控制方法(如PID控制)无法实现自动控制的工艺过程控制,必须采用先进的控制方法(如人工智能),达到自动控制目的。

(1) 高级控制平台。

高级控制平台基于计算机高级语言开发,建立在PLC自控系统之上,能够处理复杂算法和业务逻辑的智能化控制软件开发平台。它能够为水厂提供较为全面的逻辑冗余控制策略、精细化的控制方案,为实现水厂全自动、高可靠、智能化运行提供全方位技术支撑。

用户通过控制平台新建工程项目,定义采集变量,按需选取功能运算块(FB定义为一类在控制平台中已经封装好的具有输入、算法处理和输出3个部分的高级运算对象),配置各项运行参数等一系列工程建模过程,实现水厂的逻辑冗余控制、工艺优化控制、控制回路监视、自控性能分析、数据趋势分析和全厂闭环控制等功能。

(2) 智能配泵系统。

为降低净水厂能耗、提高企业效益,以泵房运行费用最低为目标函数,建立泵组优化调度模型,使用遗传算法求解最优的水泵运行组合,在满足提升水量、扬程的前提下,使水泵运行在高效区间,实现多泵的协调使用,减少能量浪费。

(3) 智能加药系统。

包括混凝剂的投加和次氯酸钠的投加,对于这类大惯性、纯滞后时间长的控制系统,必须通过基于模型预测的人工智能控制,实现加药环节的智能闭环控制。通过采集pH、浊度、余氯、进水流量、电导率等参数,采用基于神经元模型预测前馈输出加药量,用数字计量泵实现投加。流程设置4个次氯酸钠投加点,2个PAC投加点。由于PAC投加装置及控制包含在高效滤池工艺包内,因此,中标单位只需计算出给定投加量,传送至高效沉淀控制系统,完成投加过程,高效沉淀池控制系统和智慧水厂控制系统之间的软硬件设计、通信、电缆敷设接线,由该中标单位完成。

(4) 智能反冲洗系统。

过滤是净水处理过程中能耗较大的环节之一,因此需要在满足出水水质的前提下,进一步提高出水量和降低能耗。通过对滤池的反冲洗过程进行优化控制,充分发挥滤池的生产能力、降低能耗,从而降低生产成本。基于机器学习算法,采集一定数量的水厂历史数据作为初始样本数据,建立滤池状态参数与单次过滤水量(也可认为是单次过滤周期中,滤池的纳污能力)之间的滤池过滤周期寻优模型。同时建立反冲洗前的滤池状态参数与冲洗强度参数、冲洗时长之间的反冲洗参数寻优模型。

3.3 3D建模仿真应用

(1) BIM建模及BIM模型导入。

水厂土建工程采用了BIM设计方式,其主体建筑外观、工艺构筑物、工艺管线均具有BIM设计成果,智慧水厂平台软件可以导入这些成果予以应用,因此,软件平台应具有主流三维厂商常见的三维模型接口,实现三维模型数据无损无缝、便捷地导入BIM系统,将模型数据与业务数据关联,实现 BIM 模型一键轻量化上传。通过BIM建模实现水厂的主要工艺设备的展示,接入已有的自控设备控制数据,模拟设备及工艺的运行过程,进行人机交互,通过系统整合做到BIM系统、视频及自控系统的联动。通过BIM模型即可直观、便捷地查看整体三维场景、设备、属性信息、控制系统实时数据、实时摄像头等要素数据及相应的工作流程[4]。

在平台上运行展示的3D模型包括以下部分:

① 全厂景观容貌;② 主工艺流程展示;③ 详细的中间工艺展示及监控,包括高效沉淀池、砂滤池过滤及反冲、炭滤池过滤及反冲、清水池、加药控制工艺(含配药过程)、污泥处理、脱水工艺流程等。

(2) 模型管理。

模型平台功能分为模型管理、模型剖切、模型测量、模型批注、视角切换、模型筛选、相机功能、构件查询、属性维护、挂接数据、选择方式、搜索功能、三维数据支持等。

(3) 数据建模、3D仿真及巡检应用。

对全厂所有工艺过程、设备建模,实现数字孪生应用。数字模型应包括建模对象的属性、基本数据及关联数据。关联数据包含所有设备相关的数据,包括安装平面图、工艺流程图、工艺管线图、设备说明文档、维保信息、运行状态信息等。模型应用于展示或操作,并具有全厂3D巡检功能,3D巡检能达到身临其境的效果。利用数据模型,能进行所有工艺及设备操作仿真培训。

4 结 语

智慧水厂管控平台提升了供水企业服务和管理水平,智能辅助水厂运行决策。智能配泵、智能加药和智能反冲洗能够减少供水企业运营成本,提升供水质量。基于BIM的3D建模应用于水厂巡检,实现了数字化巡检,提升了工作效率。智慧水厂设计从多方面优化了净水厂的管理与运营,可为水厂设计人员提供参考。