污水廠從自動化向智慧化管理“蛻變”探究

劉忠祥，解存福，丁查明，劉 杰

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381）

隨著國家對環(huán)境保護(hù)問題日益重視，污水處理作為環(huán)保工程的重要組成部分，污水處理廠的建設(shè)和運營管理水平關(guān)注度越來越高。當(dāng)前大部分污水處理廠基本實現(xiàn)了自動化的標(biāo)準(zhǔn)配置，但僅停留在集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作的常規(guī)控制層面。

1 傳統(tǒng)水廠運營模式

在傳統(tǒng)污水廠建設(shè)過程中，為了實現(xiàn)對水廠各工段工藝設(shè)備的設(shè)備控制及信號采集，通常采用分布式可編程控制器PLC作為現(xiàn)場控制站?，F(xiàn)場控制站通常配備終端操作面板（如HMI），通過人機(jī)界面HMI可實現(xiàn)在線設(shè)定各種控制參數(shù)、在線編程，實時顯示該處理工段的監(jiān)控畫面以及各種圖形、曲線、表格、文字及報警等。

在配有現(xiàn)場控制站的同時，通常在中央控制室設(shè)置中央監(jiān)控計算機(jī)及服務(wù)器，監(jiān)控計算機(jī)配套運行SCADA工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的圖形信息，可直觀地顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，使操作人員及時掌握工程運行情況。中央監(jiān)控系統(tǒng)主要完成全廠的管理、調(diào)度、集中操作、監(jiān)視、系統(tǒng)功能組態(tài)、控制參數(shù)在線修改和設(shè)置、記錄、報表生成及打印、故障報警及打印等功能。

傳統(tǒng)污水處理廠自動化水平處于工業(yè)3.0時代，停留在數(shù)據(jù)的集中顯示和遠(yuǎn)程操作的常規(guī)控制層面。隨著以大數(shù)據(jù)、云平臺及人工智能為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，現(xiàn)代社會已進(jìn)入工業(yè)4.0時代，“智慧城市”“智慧水務(wù)”的概念應(yīng)運而生，污水處理廠也逐漸由傳統(tǒng)運營模式向現(xiàn)代運營模式轉(zhuǎn)變。

2 現(xiàn)代水廠的智慧運營模式

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的水廠運行模式效率難以滿足當(dāng)下社會的需求。因此，污水廠也在慢慢地對運行模式進(jìn)行改革，開始從原來的增量模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇媪磕Ｊ?。即在傳統(tǒng)的單一管理模式的基礎(chǔ)上，很多的集團(tuán)公司開始采用集中管理的方式，集中管理就是通過總控制中心來實現(xiàn)對某一地區(qū)內(nèi)所有的污水處理廠的集中監(jiān)控、調(diào)度及管理。這種統(tǒng)一化管理的基礎(chǔ)就是信息化技術(shù)，以計算機(jī)信息為手段，利用好信息資源，從而實現(xiàn)污水處理廠的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化。通過數(shù)據(jù)共享的方式來實現(xiàn)對污水處理廠的智慧化管理，即使沒有工作人員監(jiān)控，也能夠?qū)崟r了解到工藝設(shè)備的運行工況，通過開發(fā)手機(jī)APP等方式來實現(xiàn)對工藝設(shè)備的實時監(jiān)控，同時還能夠提供歷史數(shù)據(jù)的查詢服務(wù)，大大提高了污水處理廠的工作效率。

2.1 智慧水廠的概念

為了實現(xiàn)污水廠從自動化向智能化管理的轉(zhuǎn)變，相關(guān)的專業(yè)人員提出了智慧水廠的概念。所謂的智慧水廠就是利用先進(jìn)的管理思維和技術(shù)手段，來對污水處理廠進(jìn)行集中化的管理。智慧水廠是以排（供）水工藝為基礎(chǔ)，利用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、BIM等技術(shù)，通過智能監(jiān)測設(shè)備、數(shù)采儀表及通信網(wǎng)絡(luò)等在線監(jiān)測設(shè)備，實時感知城市排（供）水系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并采用可視化的方式有機(jī)整合排（供）水管理部門，形成“城市排（供）水物聯(lián)網(wǎng)”，并可將海量水務(wù)信息進(jìn)行及時分析與處理，并做出相應(yīng)的處理結(jié)果，輔助決策建議，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理排（供）水系統(tǒng)的整個生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，從而達(dá)到“智慧”的狀態(tài)。

2.2 智慧水廠運維優(yōu)勢

和傳統(tǒng)的污水處理廠相比，智慧水廠有著更多的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點：首先，集中式的優(yōu)化管理。在智慧水廠運行過程當(dāng)中，利用現(xiàn)代的信息技術(shù)來對污水廠的設(shè)備工作數(shù)據(jù)進(jìn)行實時收集，并且集中管理。同時，智慧化管理還能夠支持遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)訪問，使生產(chǎn)控制層和企業(yè)決策管理層能夠結(jié)合在一起，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式來了解設(shè)備的運行工況，從而由上到下形成一個多層次的平臺，通過信息技術(shù)的運用，使得運營水平得到大幅度的提升；其次，智慧水廠能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、無人值守，利用當(dāng)前的信息化手段，可以減少污水處理廠運維人數(shù)，通過智能化的信息系統(tǒng)來對污水廠的設(shè)備工況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。這一技術(shù)彌補了傳統(tǒng)水廠只能在本地查看生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)的缺陷，成功實現(xiàn)了對污水處理廠產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動整合匯總，這種管理模式更加靈活，而且工作效率得到了大幅度提升；最后，智慧水廠實現(xiàn)了統(tǒng)一的遠(yuǎn)程調(diào)度，系統(tǒng)以單個污水廠為基礎(chǔ)，建立起了一個統(tǒng)一的遠(yuǎn)程調(diào)度平臺，通過平臺可以監(jiān)測各組工藝設(shè)備運行工況。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，發(fā)出聲光警報，顯示故障點和故障狀態(tài)，可按照報警等級做出相應(yīng)反應(yīng)，記錄故障的信息，并在顯示畫面上提示處理故障的方法，報警打印機(jī)自動打印故障記錄。通過這種統(tǒng)一化的遠(yuǎn)程調(diào)度管理模式，能夠提高水廠管理的效率，運營中心管理層能夠獲取到更多的設(shè)備工況數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)這些數(shù)據(jù)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

為了保證智慧水廠功能的實現(xiàn)，在設(shè)計架構(gòu)時主要有5層架構(gòu)組成，分別是感知層、智能控制層、網(wǎng)絡(luò)層、智能決策層以及大數(shù)據(jù)平臺。每層都有自己的功能，其中大數(shù)據(jù)平臺主要是保存海量的用戶數(shù)據(jù)以及對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；智能決策層是對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，并且結(jié)合數(shù)據(jù)中蘊含的信息制定合理化的決策；網(wǎng)絡(luò)層是保護(hù)運行數(shù)據(jù)的安全；控制層是實現(xiàn)工廠的自動化；感知層是最為基礎(chǔ)的，主要是收集實時的數(shù)據(jù)。

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

要想實現(xiàn)污水廠從自動化向智慧化的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)代的信息技術(shù)是必不可少的，要以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，依托云計算的優(yōu)勢，從而收集海量的數(shù)據(jù)信息，并且對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，找出數(shù)據(jù)背后蘊含的信息。還需要利用專門的數(shù)據(jù)分析工具來對整個生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，從而根據(jù)這些生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)來調(diào)度人員，公司的管理人員能夠調(diào)取到下屬的污水廠的運行數(shù)據(jù)報表，從而加強(qiáng)對下屬各個分廠的管理。

為了提高污水廠的運行效率，還可以建立起一個績效評估機(jī)制，從不同的角度來對水廠的運行情況進(jìn)行綜合評定。信息系統(tǒng)可以保證管理人員能夠掌握最全面的信息，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來對污水處理廠的運營情況進(jìn)行分析，全方面地掌握水廠的工作績效，數(shù)據(jù)中還會展現(xiàn)出污水廠運行過程中的不足之處。因此，利用數(shù)據(jù)還能夠優(yōu)化污水廠的運行管理，從而實現(xiàn)污水廠的智能化、信息化管理。

建設(shè)一個科學(xué)化的決策平臺，能夠在保障傳統(tǒng)水廠優(yōu)勢的同時，還可以發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的長處，既能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，也能夠?qū)崿F(xiàn)信息化。這樣能夠使污水廠設(shè)備運行的可靠性得到提升，還能夠在一定程度上降低生產(chǎn)能耗，同時企業(yè)的管理水平也能夠得到大幅度提升。

4 結(jié)語

總而言之，在污水處理廠運行過程中，為了進(jìn)一步提高污水處理的效率以及自動化系統(tǒng)的管理水平，越來越多污水處理廠正在試圖提升自身的信息化管理水平，從而將自動化的控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔刍目刂?，進(jìn)一步提高污水處理設(shè)備的可靠性，進(jìn)而能夠減少停機(jī)時間以及延長設(shè)備的生命周期。通過智慧化的管理，可以建立起一個無人的運營管理體系，在此管理體系之下，不需要人工參與，能夠最大可能地減少對人力資源的需求，在一定程度上能夠降低污水處理廠的人力成本。