污水廠從自動化向智慧化管理“蛻變”研究

楊 義

（北京金控數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司，北京 100070）

當前，很多污水廠在日常運行管理上觀念陳舊，缺乏創(chuàng)新，仍延用過去傳統(tǒng)的管理模式，依賴于技術(shù)人員的主觀判斷，很多業(yè)務(wù)仍采用紙質(zhì)辦公方式，缺少對設(shè)備巡檢養(yǎng)護和安全生產(chǎn)過程的有效監(jiān)管，嚴重制約了污水廠運行質(zhì)量和管理效率的提升，造成資源浪費和生產(chǎn)成本虛高。因此，以自動化、智能化為核心，探索智慧化管理模式已逐漸成為現(xiàn)代污水處理行業(yè)發(fā)展趨勢。

1 傳統(tǒng)水廠運營模式

傳統(tǒng)污水廠的建設(shè)從功能實用角度出發(fā)，考慮的是現(xiàn)場運維人員如何有效實現(xiàn)控制和監(jiān)視。每個污水廠都設(shè)有PLC控制系統(tǒng)，并配置可視化的操作界面，污水處理設(shè)備控制采取手動、自動和遙控三種方式，使整個廠站的自動化控制不依賴于一個控制裝置或系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)的整體可靠性。工程師站和操作員站運行SCADA工業(yè)監(jiān)控軟件，可將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為圖形信息，方便管理者掌控和管理生產(chǎn)運營狀況。傳統(tǒng)污水廠的網(wǎng)絡(luò)拓撲及系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊的設(shè)計目的在于為各層級用戶提供相應(yīng)崗位職責所需的應(yīng)用系統(tǒng)功能[1]。

2 現(xiàn)代水廠的智慧運營模式

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，水廠建設(shè)慢慢由增量模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇媪磕Ｊ剑芏嗉瘓F公司管理區(qū)域內(nèi)的多座污水廠，為了打破針對單個污水廠的傳統(tǒng)單一管理方式，集中管理方式應(yīng)運而生，該管理模式要求對轄區(qū)內(nèi)所有廠站實現(xiàn)統(tǒng)一管理，由總控制中心對所有廠站進行全盤掌控。該運營模式以計算機的信息化和網(wǎng)絡(luò)化作為企業(yè)信息化的手段，以開發(fā)、利用信息資源為信息化的核心，來實現(xiàn)廠站的數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化。通過信息共享機制，實現(xiàn)廠站的集中化管理、遠程監(jiān)控、無人值守、歷史數(shù)據(jù)查詢、手機APP等應(yīng)用功能。

2.1 智慧水廠的概念

智慧水廠采用先進的管理思維和技術(shù)手段，提供一套應(yīng)用于污水廠的集智能化控制、物聯(lián)網(wǎng)接入采集、一體化中央監(jiān)控、移動化管控平臺、大數(shù)據(jù)分析和科學(xué)化決策于一體的自動化、智能化、智慧化污水廠整體管理方案，實現(xiàn)污水廠的少人、無人化運營管理。近年來，國內(nèi)廠站不斷引進國外先進技術(shù)應(yīng)用于污水廠的自動控制系統(tǒng)，污水廠自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展逐步進入了信息化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化的時代[2]。

2.2 智慧水廠運維優(yōu)勢

智慧水廠運維具有以下優(yōu)勢：

（1）集中式優(yōu)化管理。系統(tǒng)采集各廠站的實時數(shù)據(jù)，并進行集中管理，實時存儲，同時該系統(tǒng)還支持遠程網(wǎng)絡(luò)訪問，突破了傳統(tǒng)自控系統(tǒng)和組態(tài)軟件的限制，把生產(chǎn)控制層和企業(yè)決策管理層結(jié)合起來，遠程監(jiān)控與信息管理相互滲透，形成一個多層次的信息化平臺，最大限度地提升整體運營水平。

（2）遠程監(jiān)控、無人值守。采用信息化手段，實現(xiàn)遠程監(jiān)視管理。該系統(tǒng)采用分布式采集與集中管理相結(jié)合的方式彌補了傳統(tǒng)自控系統(tǒng)和組態(tài)軟件只能在本地查看和管理生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)的不足，將原本分散于各地廠站的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行自動整合匯總，并進行實時存儲和管理，加強統(tǒng)一監(jiān)管，相比工作人員到現(xiàn)場監(jiān)管，靈活度和有效性有較大的提升。

（3）統(tǒng)一遠程調(diào)度。該系統(tǒng)采用以單個廠站為基礎(chǔ)的管理方式，建設(shè)起統(tǒng)一的遠程調(diào)度平臺，通過監(jiān)控廠站的監(jiān)控屏，觀察各組運行數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)，并由系統(tǒng)對報警和設(shè)備故障情況等進行上報，實現(xiàn)運營中心管理層的實時溝通，進而由管理層指派專家進行技術(shù)支持和現(xiàn)場維修，最終實現(xiàn)管理者對廠站生產(chǎn)管理的遠程調(diào)度。運營中心管理層負責查看各廠站統(tǒng)計數(shù)據(jù)和匯總數(shù)據(jù)，更新生產(chǎn)和設(shè)備管理策略，做出關(guān)鍵的生產(chǎn)決策。

2.3 智慧水廠系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

水廠智慧化管理系統(tǒng)由五層架構(gòu)組建而成。感知層由智能傳感器對現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集；智能控制層由控制系統(tǒng)進行準確的閉環(huán)控制，實現(xiàn)廠站基礎(chǔ)功能自動化；網(wǎng)絡(luò)層負責對數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸，并保證數(shù)據(jù)的絕對安全；智能決策層負責對所有有效數(shù)據(jù)進行綜合展示，結(jié)合現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)，給出合理化建議；大數(shù)據(jù)平臺通過云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)二次挖掘，存儲用戶的海量云數(shù)據(jù)是整個后臺系統(tǒng)的總控制中心。

2.4 智慧水廠智慧決策的實現(xiàn)方式

智慧水廠不只是做一個軟件平臺就可以實現(xiàn)的，它要求設(shè)計者從設(shè)計之初就考慮到系統(tǒng)后期的發(fā)展空間和方向。智慧水廠是由傳統(tǒng)廠站經(jīng)技術(shù)升級改造而來，通過信息化軟件技術(shù)的助力，全面綜合地對系統(tǒng)進行軟硬件升級，真正讓用戶達到對管理情況的全盤掌控和精準施策，并實現(xiàn)節(jié)省人力資源的目標。智慧決策的實現(xiàn)方式如下：

2.4.1 通過實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)程控率

現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，大部分還是以人力判斷為基礎(chǔ)，由工人根據(jù)實際工藝運行情況，憑經(jīng)驗進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和模式切換，自動化水平偏低，運行反饋不能做到及時響應(yīng)，造成人為操作的滯后性，偏離最佳控制模式和策略。而且這種系統(tǒng)對監(jiān)控管理人員要求較高，對運行成本會造成浪費。在實現(xiàn)工藝閉環(huán)控制后，通過系統(tǒng)預(yù)案的設(shè)置就可以針對性解決問題，使系統(tǒng)響應(yīng)更加科學(xué)及時，大大提高自動化控制水平，為無、少人值守提供強有力的控制策略支撐，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.4.2 通過加強系統(tǒng)自診斷能力，提高閉環(huán)連續(xù)運轉(zhuǎn)率

無人、少人值守要求系統(tǒng)具有強大的自診斷能力。發(fā)生故障后自動定位設(shè)備故障點，縮短系統(tǒng)的維修和恢復(fù)時間。而提高系統(tǒng)的自診斷能力，需要對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進行各工藝段的技術(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。

2.4.3 通過各工藝段優(yōu)化控制策略，提高控制品質(zhì)達標率

采用基于模型預(yù)測的系列思想，構(gòu)建起支持基于多方案選擇的仿真工藝決策與優(yōu)化的污水處理控制策略。在滿足供水水質(zhì)達標的基礎(chǔ)上，優(yōu)化運行參數(shù)，實現(xiàn)污水處理行業(yè)的運行精細化、決策精準化以及管理科學(xué)化。

3 建設(shè)水廠大數(shù)據(jù)分析及科學(xué)化決策平臺

構(gòu)建水廠大數(shù)據(jù)分析及科學(xué)化決策平臺，必然要依托于云計算優(yōu)勢，對海量數(shù)據(jù)進行二次挖掘，按照各種算法及公式快速準確得到各類運行參數(shù)或統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。同時，采用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析和報表集成工具對整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，使各級管理和調(diào)度人員能夠及時、準確、全面地了解和掌握實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)[3]。公司管理人員可以隨時主動調(diào)取下屬污水廠的各類運行報表，加強對下屬各個分廠監(jiān)管。

通過建立污水廠運行關(guān)鍵績效指標評估機制，可以從管理質(zhì)量、能耗分析、設(shè)備運行效率、運行工藝參數(shù)等多個方面定期對污水廠的運行管理狀況進行綜合性評定。通過信息系統(tǒng)，應(yīng)用績效評估指標體系，對污水廠業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。以多維度統(tǒng)計圖表的方式展現(xiàn)績效，識別污水廠運行管理薄弱環(huán)節(jié)，為污水廠運行管理優(yōu)化提供豐富的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多個污水廠智能化、信息化運營管理。平臺的建設(shè)使得本地廠站系統(tǒng)能夠具有工業(yè)自動化軟件控制的先期優(yōu)勢，同時，又具備信息化軟件系統(tǒng)的智慧化分析功能，實現(xiàn)自動化與信息化的“兩化融合”。智慧水廠集中管理可以降低生產(chǎn)運維成本，提高設(shè)備系統(tǒng)的可靠性，節(jié)能降耗，且提高企業(yè)的綜合管理能力。

4 結(jié)語

綜上所述，污水廠從原來的單獨自動控制向智慧水廠集中運營管理轉(zhuǎn)變，能夠進一步提高水處理設(shè)備的可靠性，減少停機時間和延長生命周期。建立起集中少人、無人化廠級運營管理體系，能夠在高效的人機交互模式下減少對污水廠內(nèi)人力資源的需求。