案例七  深圳光明智慧水廠項目

 

深圳市深水光明水務有限公司、上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責任公司

 

—、建設(shè)背景

深圳水務集團主營供排水、水務投資、水務產(chǎn)業(yè)鏈、污泥及廢水處理、河流生態(tài)修 復等業(yè)務，下設(shè)多個自來水和污水處理公司。其中深水明水務有限公司位于深圳市光明區(qū)，目前日供水能力47萬t，供水面積130km2,供水管網(wǎng)總長度838km，服務8.2萬戶、 123萬人。工程設(shè)計規(guī)模60萬t，采用強化常規(guī)處理+消毒工藝，預留深度處理工藝， 出廠水濁度W0.3NTU,保證率N95%。其中深圳市光明水廠位于光明新區(qū)光明辦事處鳳凰社區(qū)鳳凰村，光明水廠總設(shè)計規(guī)模40萬m3/d，一期工程規(guī)模為20萬m3/d，水廠一 期工程于2017年7月正式投產(chǎn)。

 

光明水務公司自2016年底啟動智慧水務建設(shè)以來，已基本實現(xiàn)供水業(yè)務從“線下” 到“線上”的轉(zhuǎn)變。作為智慧水廠項目的承建商，上海昊滄系統(tǒng)控制技術(shù)有限責任公司 以行業(yè)先進技術(shù)幫助光明水務公司進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型。上海昊滄自主研發(fā)的少人/無人值守智慧水廠兩化融合方案率先在光明水廠實施，對傳統(tǒng)水廠進行智慧化改造，建立全流程自動化控制、運維數(shù)字化管理、資產(chǎn)全生命周期管理、一體化安全管控的智能化水廠。

 

二、建設(shè)內(nèi)容

深水光明智慧水廠項目建設(shè)內(nèi)容：

(1)    升級原有PLC控制程序和廠內(nèi)SCADA程序。針對現(xiàn)有程序進行優(yōu)化改造， 優(yōu)化原來的控制過程同時，提供多套控制邏輯冗余方案策略。

(2)    廠級智慧運營管理平臺。平臺集成了水廠自控、安防、資產(chǎn)管理、算法模型等多種應用數(shù)據(jù)，提供電腦登錄和手機App登錄等多種操作體驗，是智慧水廠實現(xiàn)少人/ 無人值守的操作面板。

 

(3)    全廠數(shù)字安防管理系統(tǒng)。包含門禁系統(tǒng)、全廠WiFi信號覆蓋、廠區(qū)出入口車 輛車牌識別道閘系統(tǒng)、視頻專網(wǎng)系統(tǒng)和原有自控網(wǎng)絡(luò)改造工程、智聯(lián)安全園區(qū)可視化管控平臺。

(4)    混凝劑投加控制系統(tǒng)(簡稱TurOS)。TurOS采用"前饋+模型+反饋”的多參 數(shù)控制模式，根據(jù)進出水水量和濁度、混凝劑投加種類和濃度、混凝劑投加點攪拌強度、溫度、pH值等影響因素，建立數(shù)學模型，實時計算混凝劑投加量設(shè)定值，并控制加藥泵及稀釋泵組的啟/停、運行負荷的變化，實現(xiàn)按需供藥。

 

三、應用情況

（一）混凝劑投加的智能化精細化控制

2019年10月以來，深圳深水光明自來水廠部署了 TurOS系統(tǒng)，實現(xiàn)了混凝劑投加 的智能化精細化控制，如圖10 - 53所示，出水水質(zhì)保持穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計，混凝劑單位藥耗從2019年的13.06?17.2mg/L下降至2020年的12.36?14.62mg/L,同比下降6.58%? 14.91%，月平均節(jié)省約10.6%。

 

（二） 集約化、數(shù)字化的水廠生產(chǎn)運行監(jiān)控

通過三維可視化展示各工藝點的基本信息、指標數(shù)據(jù)、工業(yè)畫面、報警情況和相關(guān) 出勤人員任務分派以及執(zhí)行情況，實時掌握水廠生產(chǎn)運營情況。

 

（三） 高可靠性、可量化的全廠自動化

通過劃分程控率、閉環(huán)率、連續(xù)運轉(zhuǎn)率、冗余水平評估、硬件冗余、邏輯冗余等評 價指標，量化評估全廠自動化水平。

 

（四） 水廠資產(chǎn)全生命周期管理

包含設(shè)備資產(chǎn)采購、監(jiān)視預警、計劃調(diào)度、運維控制和管理KPI的全生命周期管理, 提高設(shè)備使用壽命，降低總體運維成本。

 

（五） “口袋中的水廠”全廠移動化運營

及時掌握生產(chǎn)運行情況和設(shè)備運行狀態(tài)，打破中控室物理圍墻的空間限制；采用流 程化智能巡檢作業(yè)方式并形成電子化巡檢記錄，為水廠規(guī)范化運營提供有力保障。

 

（六）全面的水廠安全保障

全方位感知的水廠數(shù)字化安防系統(tǒng)，監(jiān)控、報警、診斷、處置一體化的聯(lián)動應急機 制，提供全面的水廠安全保障。

 

四、關(guān)鍵技術(shù)

（一）建立平臺化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)接入體系

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建全廠工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采集平臺是實現(xiàn)“智慧水廠”建設(shè)的基礎(chǔ)，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1） 通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將廠站的生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、傳感器、門禁、視頻監(jiān)控、電子圍欄等進行平臺化采集接入，兼容不同廠家的設(shè)備協(xié)議，并且支持第三方數(shù)據(jù)接入， 比如水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)等，智慧感知、按需入網(wǎng)、互聯(lián)互通，打破信息孤島。

 

（2） 在平臺內(nèi)建立大數(shù)據(jù)中心對采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，提供各種數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)清洗方式，保障系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)準確性。數(shù)據(jù)中心提供水平擴容設(shè)計滿足海量數(shù)據(jù)存儲，提供數(shù)據(jù)安全、災備設(shè)計保證數(shù)據(jù)安全可靠。

 

（3） 以自來水廠為中心，將政府監(jiān)管部門、用水客戶、設(shè)備和藥劑供應商、系統(tǒng)集成商等用戶群體緊密關(guān)聯(lián)起來。積極打造上下游多位一體生態(tài)產(chǎn)業(yè)圈。根據(jù)不同用戶關(guān)注點按需提供應用入口。如針對維護供應商，提供設(shè)備相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)展示，方便供應商及時響應處理設(shè)備故障問題。

 

（二） 建立高可靠閉環(huán)控制體系

通過對全廠控制系統(tǒng)進行改造及優(yōu)化設(shè)計，提高自動化控制的可靠性，主要表現(xiàn)為 以下幾個方面：

（1） 從設(shè)備儀表選型方面，優(yōu)先選擇支持4-20MA的模擬量儀表、優(yōu)先選擇易維護 或者免維護儀表、環(huán)境適應性較強的品牌儀表。

 

（2） 從自控系統(tǒng)控制邏輯方面，對原有系統(tǒng)中控制邏輯進行梳理，新增多套邏輯冗余性設(shè)計方案策略實現(xiàn)小閉環(huán)運行，滿足自控能夠自適應各種異常情況下應急響應處理能力，滿足不同工況下高可靠運行要求。

 

（3） 針對全廠相對復雜工藝環(huán)節(jié)，通過高級控制策略實現(xiàn)對復雜工藝環(huán)節(jié)的自控系統(tǒng)控制邏輯進行補充與完善，如混凝劑投加、消毒等，從全廠大閉環(huán)角度，實現(xiàn)全廠“按 需調(diào)節(jié)、穩(wěn)定工藝、節(jié)能降耗”的精細化控制。

 

（三） 建立集約化監(jiān)控調(diào)度體系

完善現(xiàn)有的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)對各個子站集中式監(jiān)控和調(diào)度控制。基于移動互聯(lián)、 云技術(shù)架構(gòu)應用，當系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)運行異常，立即發(fā)布預警和報警信息，通過手機App 方式主動推送至相關(guān)人員。系統(tǒng)對設(shè)備故障進行在線診斷分析，協(xié)助人員快速定位問題，解決問題。形成一套監(jiān)控、報警、診斷的一體化聯(lián)動機制。

 

用戶可采用PC或App方式平臺隨時、隨地、實時對全廠工藝運行及數(shù)據(jù)進行全方 位的綜合管理，實現(xiàn)對水廠的當前運行狀態(tài)的實時監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析、遠程巡檢及設(shè)備控制等，從而簡化運行管理人員工作方式和內(nèi)容，降低企業(yè)經(jīng)營過程中人工干預參與度， 減少現(xiàn)場值班人員和巡檢養(yǎng)護人員配備，廠級中控室值班人員可實現(xiàn)無人或一人即可。

 

（四） 建立規(guī)范化的科學巡檢管理模式

建設(shè)規(guī)范、科學、有效的巡檢機制，對巡檢養(yǎng)護記錄進行綜合管理，能及時預防生 產(chǎn)事故的發(fā)生，為自來水廠處理設(shè)施與設(shè)備的養(yǎng)護和維修提供依據(jù)，并且人員工作成果將作為企業(yè)對人員績效考核參考標準。

 

巡檢養(yǎng)護人員通過移動巡檢、設(shè)備故障告警快速定位、移動控制等方式簡化傳統(tǒng)工 作模式，同時，對人員統(tǒng)籌分配可以實現(xiàn)多站、多廠的巡檢養(yǎng)護人員綜合利用，提高工作效率，降低工作人員招錄技能水平要求，降低企業(yè)用人成本。

 

建設(shè)智慧水廠，通過信息系統(tǒng)建立全過程、精細化的巡檢管理模式。借助手機等移 動終端，采用“掃碼一巡檢一記錄一上報一統(tǒng)計”的流程化作業(yè)方式并形成電子化巡檢記錄，為自來水廠規(guī)范化運營提供有力保障。

 

（五） 建立設(shè)備全生命周期管理體系

通過構(gòu)建設(shè)備全生命周期管理體系，尤其對于區(qū)域式多廠設(shè)備的維修與養(yǎng)護管理業(yè) 務，可以采用協(xié)調(diào)作業(yè)團隊，統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)人力及物力的資源共享，使設(shè)備運維管理體系得到優(yōu)化整合。

 

采用電子化工單實現(xiàn)設(shè)備運維調(diào)度過程，通過制定計劃、派發(fā)工單、填報工單、審 批工單及工單歸檔五個基本步驟完成單次設(shè)備維護。將設(shè)備維修業(yè)務劃分為故障維修和預防性維修兩大類；將設(shè)備養(yǎng)護業(yè)務劃分為潤滑、清潔、緊固等類別，運營中心的設(shè)備運維人員依據(jù)工單要求前往自來水廠現(xiàn)場實施運維作業(yè)；另外，還可以通過設(shè)定任務提醒功能，為養(yǎng)護任務及時執(zhí)行提供保障；對實施進度狀態(tài)進行可視化追蹤，強化過程監(jiān)管力度；對設(shè)備維護歷史記錄進行電子化存檔，為日后制定和改進設(shè)備管理方案提供依據(jù)。

 

（六）   建立移動化管控體系

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+ ”的發(fā)展，人們的日常工作方式將會帶來很大的轉(zhuǎn)變，隨著手機的 普及，從傳統(tǒng)人們需要每天坐在辦公室里面盯著電腦屏幕或者一大堆文檔資料將轉(zhuǎn)變成 移動化、隨時隨地辦公方式，未來人們的工作方式將可能通過一部手機即可解決全部問題。比如通過手機可以實現(xiàn)對全廠管控，查看生產(chǎn)運行情況，提供數(shù)據(jù)報表、監(jiān)控畫面、 報警等信息，通過微信、QQ等方式互通與互動。

 

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，未來以云平臺技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的移動化控制將成為 未來工業(yè)自動化監(jiān)控領(lǐng)域的主力軍。通過建立一套高可靠的遠程安全下控體系，保障廠內(nèi)人員能夠隨時隨地了解全廠運行狀況的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程移動控制操作。

 

(七)  建立智慧化運營體系

依托于云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)優(yōu)勢，對數(shù)據(jù)及資源的有效整合、挖掘、利用，發(fā)揮 數(shù)據(jù)背后的價值，從自來水廠傳統(tǒng)運營思維向數(shù)字化智慧水廠運營轉(zhuǎn)變。智慧運營主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

1.    專家級決策支持

通過全廠工藝仿真建模方式，將現(xiàn)實的工藝場景與虛擬世界進行無縫融合，將過程 仿真融合到數(shù)據(jù)預測、方案擇優(yōu)中，為各級管理人員及工藝人員提供各種輔助決策支持。原來依靠人腦分析、經(jīng)驗積累的決策方式可以通過系統(tǒng)能快速、準確、科學地給出合理 化建議和方案。

 

2.     風險應急預案處理

針對自動化控制及工藝運行過程中常見各種異常故障問題及突發(fā)情況，通過專家?guī)?中提供相應的預案進行應對處理，出現(xiàn)異常故障或事故時，系統(tǒng)能夠自動給出應對方案和建議，協(xié)助人員解決問題，減輕事故帶來的影響、提供補救措施。同時可以不斷持續(xù)完善專家?guī)�，作為企業(yè)資產(chǎn)進行存檔。

 

3.    全廠KPI統(tǒng)計與分析

建立智慧水廠運營狀況量化指標評估機制，從管理質(zhì)量、工藝運行參數(shù)、能耗、藥 耗、自動化控制指標、評價指標、設(shè)施設(shè)備運行效率、環(huán)境效益等多個方面定期對運行管理狀況進行綜合評定。基于現(xiàn)有信息系統(tǒng)之上，提供智慧運營門戶展示，以多維度圖 表方式集中展現(xiàn)指標結(jié)果，識別自來水廠運行管理薄弱環(huán)節(jié)，實時了解企業(yè)經(jīng)營狀況， 為企業(yè)管理層經(jīng)營決策提供科學參考依據(jù)。提升企業(yè)科技感。

 

4.   客戶服務及信息分享

基于大數(shù)據(jù)挖掘、云計算技術(shù)特點，對數(shù)據(jù)進行整合處理，為上下游、供應鏈等用 戶群體提供個性化應用和服務，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)整合共享、業(yè)務系統(tǒng)整合共享，發(fā)揮數(shù)據(jù)潛在的價值。

 

五、社會價值

（一）實現(xiàn)水廠少/無人控制運行

實現(xiàn)水廠少/無人化控制運行是建設(shè)智慧水廠的核心，通過廠內(nèi)自控系統(tǒng)實現(xiàn)全工藝流程自動化運行，各類控制指令的下達不再依賴人，而是由系統(tǒng)自動下達完成。參與 控制過程的設(shè)備及通信鏈路采用冗余設(shè)計，保障設(shè)備故障或網(wǎng)絡(luò)中斷時自動切換至備用方案。在工藝智能化運行時，系統(tǒng)自主驅(qū)動自來水廠處理設(shè)備實現(xiàn)控制目標，動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，以獲得穩(wěn)定與精準的控制效果，滿足不斷變化的運行工況下設(shè)備運行要求。將大量的簡單、重復的工作完全由計算機接管。

 

1.    實現(xiàn)閉環(huán)運行

現(xiàn)有的自來水廠大部分自動化控制系統(tǒng)80%以上依靠人腦判斷為基礎(chǔ)，人員根據(jù)當前工藝情況憑經(jīng)驗進行相關(guān)參數(shù)設(shè)定操作，系統(tǒng)自動化平水平比較低，運行反饋不能做 到響應及時，帶來人為造成的滯后性，無法達到最優(yōu)的控制效果。而且對監(jiān)控管理人員 要求較高，對運行成本造成提高。

 

實現(xiàn)全廠閉環(huán)控制，通過系統(tǒng)內(nèi)專家?guī)鞗Q策和系統(tǒng)風險預案可以針對性解決問題， 提供科學、準確、及時的控制方法，大大提高自動化控制水平，為少人/無人運行提供 強有力的控制策略支撐，使系統(tǒng)的可靠性、安全性大大提高。

 

2.    提高系統(tǒng)自診斷能力

系統(tǒng)具備故障自診斷能力。當設(shè)備發(fā)生故障時自動定位設(shè)備故障位置，分析故障發(fā) 生原因，給出故障相關(guān)信息并通知其他人員，幫助維修人員快速定位問題、解決問題。實現(xiàn)該功能需要對現(xiàn)有自動化控制系統(tǒng)進行技術(shù)改造，主要包括PLC程序和SCADA 程序的自診斷能力的優(yōu)化和提升、移動管控平臺的實施。

 

（二） 實現(xiàn)混凝劑投加環(huán)節(jié)的智能化運行

數(shù)據(jù)驅(qū)動與模型驅(qū)動相結(jié)合的協(xié)同智能算法，在線實時計算混凝劑投加量，滿足了 混凝劑投加量的按需計算，實現(xiàn)了混凝劑投加環(huán)節(jié)的智慧化運行、精細化控制，對降低水廠能耗、藥耗水平具有積極意義。

 

（三） 實現(xiàn)水廠移動化運營

實現(xiàn)全廠無/少人值守運行核心之一是讓不同層級的管理人員能夠隨時隨地實時掌握廠內(nèi)運行情況，并且在特殊情況下能及時有效的遠程干預�，F(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA） 是建立在廠級子站監(jiān)控基礎(chǔ)之上，只能實現(xiàn)在廠內(nèi)運行監(jiān)控，并且監(jiān)控室必須需要專職專崗人員實時的人工值守，根本無法實現(xiàn)隨時隨地監(jiān)控，這為無/少人值守系統(tǒng)帶來技術(shù)屏障。通過移動終端實現(xiàn)遠程或移動監(jiān)管，運行管理人員不必在廠內(nèi)進行運行值班，只要打開移動終端，即可全面了解廠站的運行情況，提高人員工作效率，減少運營人力 和管理成本。

 

通過云平臺系統(tǒng)和手機移動App，管理人員能夠遠程實時監(jiān)視自來水廠運行，在線顯示廠內(nèi)儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備運轉(zhuǎn)信號。一旦系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)運行異常，立即發(fā)布預 警和報警信息，并以短信或微信等方式發(fā)送至相關(guān)人員。通過調(diào)取相應監(jiān)測點視頻監(jiān) 控錄像，啟動專家系統(tǒng)進行故障診斷與風險預測，形成監(jiān)控、報警、診斷的一體化聯(lián)動機制。

 

（四） 實現(xiàn)水廠全面的信息感知

智慧水廠對廠內(nèi)設(shè)備設(shè)施信息、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、視頻信息、安防門禁信息等信息進 行集中采集，同時對水廠周邊數(shù)據(jù)（如管網(wǎng)數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)）進行按需收集。通過信息收集的全面性、信息處理的快速性，可以全面地把握水廠全局的信息狀況。

 

（五） 實現(xiàn)高可靠的水廠運營安全性

智慧水廠能夠依靠先進的技術(shù)進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時作出合理的方案，對 設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的故障、告警進行故障診斷分析，快速發(fā)現(xiàn)問題根源，及時處理問題。對水廠生產(chǎn)運行過程中各種突發(fā)事件，比如提水泵故障、進水水質(zhì)變化等，能夠提 供準確的解決方案或建議，使應對處理更加及時、有效。

 

（六）實現(xiàn)規(guī)范的績效指標管理與分析

建立自來水廠運行關(guān)鍵績效指標評估機制，從管理質(zhì)量、能耗分析、設(shè)備運行效率、 運行工藝參數(shù)等多個方面定期對自來水廠的運行管理狀況進行綜合性評定。通過信息系統(tǒng)，應用績效評估指標體系，對自來水廠業(yè)務管理數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算與評估分析。以多維度統(tǒng)計圖表的方式展現(xiàn)績效結(jié)果，識別自來水廠運行管理薄弱環(huán)節(jié)，為自來水廠運行管理優(yōu)化提供決策支持。建立信息化績效評估機制需在管理和技術(shù)上總結(jié)大量經(jīng)驗進而推陳出新，這部分內(nèi)容的開展可在自來水廠實現(xiàn)自動化運營后逐步深入研究，建立一套完善的運營監(jiān)管機制，使管理人員通過定性和定量的精細化管理來了解自來水廠運行的健康程度，以滿足自來水廠合理化、最優(yōu)化運營的需要。

 

（七） 提高水廠科學決策水平

智慧水廠基于全面的信息感知，依靠智能仿真、智能診斷、智能預報、智能控制和 智能服務于一體，利用智能專家決策系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行綜合運用，能為水廠運營中的設(shè)備故障診斷、生產(chǎn)調(diào)配、方案擇優(yōu)、運營管理等提供科學化的輔助決策支持。