基于全流程工藝的智慧水廠設(shè)計與實踐

李亞東，張小強，胡田力，黎錦泉

（1.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京100082；2.東莞市水務(wù)集團供水有限公司，東莞 523112）

2021年3月國家發(fā)布《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，提出加強泛在感知、終端聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)度體系建設(shè)[1]。 2021年10月24日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，明確實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，提出推進經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色低碳轉(zhuǎn)型[2]。市政水廠作為城市的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)順應(yīng)國家發(fā)展的需要，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計算、BIM 等成熟技術(shù)及其解決方案， 實現(xiàn)水廠精細化管理、低碳節(jié)能，提升管理及服務(wù)水平，提高生產(chǎn)效率。

筆者依托某大型給水廠的建設(shè)，結(jié)合國家頂層設(shè)計，給水處理工藝和當前成熟、經(jīng)濟的技術(shù)、產(chǎn)品及解決方案，在大型給水廠的智慧化設(shè)計上做出一些創(chuàng)新嘗試，下文就智慧水廠的設(shè)計內(nèi)容展開介紹。

1 工程概況

我國南方某市基于供水安全保障，規(guī)劃于2023年建成一座面向未來、高效、節(jié)能、智慧的大型給水廠，水廠設(shè)計規(guī)模110×104m3/d，以滿足區(qū)域用水量增長的需要，為城市經(jīng)濟社會發(fā)展提供保障。

為提高原水保障率， 水廠采用雙水源供水，原水水質(zhì)復(fù)雜多變，水廠設(shè)計出水水質(zhì)在全面符合國家標準 《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）基礎(chǔ)上，充分考慮未來該市及供水區(qū)域的社會經(jīng)濟發(fā)展定位，對標國內(nèi)先進城市的水質(zhì)標準，提高濁度、有機物、消毒副產(chǎn)物、微生物、嗅味等水質(zhì)指標的出廠要求，達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進的水平。 通過分析，篩選了關(guān)鍵水質(zhì)問題和適用的工藝技術(shù)，確定采用“預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理+膜處理+安全消毒”的全流程工藝，確保供水安全，凈水處理工藝如表1 所示。

表1 凈水處理工藝選擇Tab.1 Selection of water purification process

水廠凈水處理工藝流程分為水線處理工藝流程和泥線處理工藝流程，如圖1 所示。

圖1 水線處理工藝流程Fig.1 Water line treatment process flow

泥線處理工藝流程如圖2 所示，跨越條件主要包括沖洗廢水跨越處理直接回流、上清液直接排放等。

圖2 泥線處理推薦工藝流程Fig.2 Recommended process flow of mudline treatment

2 智慧水廠設(shè)計

基于國家“十四五”規(guī)劃和“雙碳目標”的頂層設(shè)計，同時結(jié)合全流程凈水工藝和生產(chǎn)運行及運營管控需求，總結(jié)提出了泛在感知、智能物聯(lián)、智能控制、數(shù)據(jù)中臺和智慧管控的智慧水廠設(shè)計思路。 依托設(shè)計思路構(gòu)建了信息感知、信息傳輸、智能控制、數(shù)據(jù)中臺及智慧應(yīng)用的5 層支撐體系，如圖3 所示。 同時考慮到當前市場成熟的工業(yè)控制技術(shù)、信息化技術(shù)與水廠生產(chǎn)運行及運營管控的結(jié)合性，打造了智慧管控及智能控制2 個應(yīng)用平臺，如圖4 所示，即智慧水廠“5+2”的設(shè)計及運營模式。

圖3 智慧水廠總體架構(gòu)Fig.3 Overall structure of smart water plant

圖4 智慧水廠平臺結(jié)構(gòu)Fig.4 Smart water plant platform structure

下文從設(shè)計思路出發(fā)，緊扣智慧水廠“5+2”模式，詳細闡述本次智慧水廠的設(shè)計方案。

2.1 泛在感知

泛在感知主要由自控儀表類、電氣設(shè)備類和視頻安防類3 部分智能感知設(shè)備組成。

（1）自控儀表類智能感知設(shè)備包括PLC 系統(tǒng)、過程儀表、 水質(zhì)儀表。 其中PLC 系統(tǒng)實現(xiàn)水泵、風(fēng)機、閥門、攪拌機、成套工藝設(shè)備、過程儀表和水質(zhì)分析儀表的動態(tài)感知、實時控制。 本次智慧水廠所采用的過程儀表、水質(zhì)儀表和調(diào)節(jié)型閥門均配置有Hart 或Profibus 協(xié)議功能，對應(yīng)PLC 系統(tǒng)亦應(yīng)滿足通訊協(xié)議要求。

（2）電氣設(shè)備類智能感知設(shè)備主要包括智能斷路器、智能電力儀表、10 kV 綜保裝置、智能采集終端和智能控制器。 其中，10 kV 斷路器、0.4 kV 進線及母聯(lián)斷路器設(shè)計采用智能斷路器；0.4 kV 主要饋電回路均采用智能電力儀表采集電力信息；10 kV綜保裝置配套10 kV 智能斷路器使用； 智能采集終端配置多路總線傳輸接口，負責(zé)收集上述四類設(shè)備的電力信息，并發(fā)送給上層平臺；智能控制器設(shè)置在智能動力箱及智能照明箱內(nèi)，其主要用于水廠建（構(gòu)）筑物內(nèi)暖通風(fēng)機、照明的實時監(jiān)控。

（3）視頻安防類智能感知設(shè)備主要包括工藝視頻攝像機、安防視頻攝像機、前端門禁、電子圍欄、車輛管理前端、訪客管理設(shè)備、巡更設(shè)備和無人機及其反制設(shè)備組成。

通過上述泛在現(xiàn)場的智能感知設(shè)備可實現(xiàn)生產(chǎn)、運行、管理的全過程、全方位的的動態(tài)監(jiān)控，并形成前端完整的信息感知層體系。

2.2 智能物聯(lián)

智能物聯(lián)對應(yīng)智慧水廠的信息傳輸層。 基于水廠特性、前端智能感知和平臺系統(tǒng)要求，同時結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)及其產(chǎn)品設(shè)計了自控雙纖環(huán)網(wǎng)、視頻安防全光網(wǎng)和互聯(lián)信息網(wǎng)3 種智能物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形式，通過設(shè)置通信互聯(lián)設(shè)備、 網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備實現(xiàn)信息的快速、可靠、安全的傳輸。 如圖5 所示。

圖5 智慧水廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of smart water plant network architecture

本次設(shè)計引入了市場上成熟、可靠的全光物聯(lián)解決方案有效地解決了全廠區(qū)視頻、安防、無線前端等弱電類設(shè)備數(shù)量較多且通信帶寬高的通訊要求， 全光物聯(lián)主要的通訊設(shè)備有光線路終端OLT、光網(wǎng)絡(luò)單元ONU 和光分配單元ODN。 互聯(lián)信息網(wǎng)是指智慧水廠上層平臺用的辦公及運營管理用的綜合布線系統(tǒng)。

2.3 智能控制

智能控制對應(yīng)智慧水廠的第三層，即智能控制層，其從場景應(yīng)用來分由3 部分組成：全過程自動化系統(tǒng)、智能優(yōu)化運行系統(tǒng)和智能安防系統(tǒng)。 從結(jié)構(gòu)組成來說，智能優(yōu)化控制與全過程自動化結(jié)合較為緊密， 其組成了以SCADA 為基礎(chǔ)的智能控制平臺， 主要用于水廠的全流程工藝生產(chǎn)運行及控制。全廠自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 全廠自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of automatic control system of the water plant

2.3.1 全過程自動化系統(tǒng)

通過對控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計、設(shè)備儀表的合理選型和各工藝段智能化控制，實現(xiàn)水廠的全流程工藝的自動化運行。 本次全過程自動化系統(tǒng)包含SCADA 系統(tǒng)、廠級數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、嵌入式視頻系統(tǒng)、智能儀表管理系統(tǒng)、智能配電系統(tǒng)及智能照明及通風(fēng)系統(tǒng)。 其作為智慧水廠的堅實基礎(chǔ)，將與智能優(yōu)化系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)交互，同時為智慧水廠管控平臺提供關(guān)鍵的動態(tài)數(shù)據(jù)。 下文逐一介紹全過程自動化系統(tǒng)的各子系統(tǒng)。

（1）SCADA 系統(tǒng)與廠級數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)配套使用， 其作為智慧水廠的重要基礎(chǔ)， 其負責(zé)收集PLC控制系統(tǒng)、智能儀表等信息，并執(zhí)行智慧水廠上層信息化平臺及智能優(yōu)化控制系統(tǒng)的指令操作。 其具備友好的、開放的數(shù)據(jù)接口，將為智慧水廠的所有系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接。

（2）嵌入式視頻系統(tǒng)將SCADA 系統(tǒng)和工藝視頻監(jiān)控設(shè)備完美結(jié)合，輔助生產(chǎn)運營人員進行實時、直觀地監(jiān)視生產(chǎn)工藝流程。

（3）智能儀表管理系統(tǒng)以SCADA 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將過程儀表設(shè)備、水質(zhì)儀表設(shè)備、調(diào)節(jié)型閥門設(shè)備等智能設(shè)備的信息融入其中，以助于生產(chǎn)運營人員進行實時的智能儀表設(shè)備的精準維護及管理。

（4）智能配電系統(tǒng)可輔助節(jié)能優(yōu)化控制，其具備友好的、開放的數(shù)據(jù)接口，將采集的智能斷路器、電力儀表及綜合保護裝置等供配電系統(tǒng)電氣參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)與SCADA 系統(tǒng)、 水泵性能優(yōu)化等系統(tǒng)共享。

（5）智能照明及通風(fēng)系統(tǒng)是融合了SCADA 系統(tǒng)和智能控制器，主要用于暖通風(fēng)機、照明系統(tǒng)的實時監(jiān)控，有助于水廠節(jié)能優(yōu)化和運維管理。

2.3.2 智能優(yōu)化運行系統(tǒng)

本次智慧水廠設(shè)計的智能優(yōu)化運行系統(tǒng)包含智能加藥系統(tǒng)、水泵性能優(yōu)化系統(tǒng)、模型仿真系統(tǒng)、智能監(jiān)盤及預(yù)警系統(tǒng)。 其運用工藝模型、先進控制算法、管理及評價模型等進行系統(tǒng)性的優(yōu)化決策控制及預(yù)警[3]，最終在滿足水量、水質(zhì)的生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上達到安全生產(chǎn)、低碳節(jié)能。 下文逐一介紹智能優(yōu)化運行系統(tǒng)的各子系統(tǒng)。

（1）智能加藥系統(tǒng)：用于實現(xiàn)混凝劑的精準投加，該系統(tǒng)通過分析進水水質(zhì)參數(shù)與絮凝劑投加量之間的關(guān)系，建立加藥模型，并運用高級控制算法（模糊控制、預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等）和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)混凝藥劑的精準投加。

（2）水泵機組性能優(yōu)化系統(tǒng)利用模型仿真系統(tǒng)和高級控制算法實現(xiàn)最優(yōu)配置水泵機組的運行數(shù)量及運行頻率， 使水泵機組運行在最佳的效率區(qū)，在滿足安全、穩(wěn)定的供水要求下，降低配水機組耗電量，減少運行成本，同時實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

（3）模型仿真系統(tǒng)由虛擬控制系統(tǒng)和工藝仿真模型組成，其可為智能加藥、水泵機組性能優(yōu)化、智能監(jiān)盤系統(tǒng)以及智慧管控平臺的專家分析決策系統(tǒng)和數(shù)字雙胞胎系統(tǒng)提供模型基礎(chǔ)，同時該系統(tǒng)亦可提供電氣設(shè)備維護仿真、工藝設(shè)備維護仿真和工藝生產(chǎn)仿真等。

（4）智能監(jiān)盤及預(yù)警系統(tǒng)作為水廠的實時“體檢醫(yī)生”，其可結(jié)合SCADA 系統(tǒng)和模型仿真系統(tǒng)，在深入挖掘和分析海量歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立起對水廠全工藝流程段及其工藝、電氣等設(shè)備各類參數(shù)的預(yù)測模型和評價模型，從設(shè)備的安全性、系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性、自動化水平及運行狀態(tài)5 個維度對水廠的健康度進行實時可量化的評價，提前預(yù)警故障征兆，輔助生產(chǎn)運行和系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)。

2.3.3 智能安防系統(tǒng)

智能安防系統(tǒng)包括安防系統(tǒng)智能管理平臺、門禁子系統(tǒng)、周界報警子系統(tǒng)、安防視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、車輛管理子系統(tǒng)、訪客管理子系統(tǒng)、巡更子系統(tǒng)和無人機及其反制子系統(tǒng)組成。 其作為本次智慧水廠的重要組成部分，有其獨立的前端感知設(shè)備、信號傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲及上層監(jiān)控平臺等組成。 其信號可接入上層智慧水廠管控平臺， 用于集中展示、安防巡檢及聯(lián)防布控等。 同時智能安防系統(tǒng)內(nèi)部平臺及子系統(tǒng)亦存在業(yè)務(wù)流、信息流、數(shù)據(jù)流的實時交互，聯(lián)鎖聯(lián)控。

2.4 數(shù)據(jù)中臺

數(shù)據(jù)平臺層為智慧應(yīng)用層提供SCADA 數(shù)據(jù)、安防監(jiān)控數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、水廠運營管控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，在此平臺處設(shè)置了一套超融合設(shè)備，以動態(tài)支撐智慧水廠各智慧應(yīng)用場景的計算、存儲及網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)供給。

另根據(jù)最新的《中華人民共和國網(wǎng)絡(luò)安全法》對信息及網(wǎng)絡(luò)安全的建設(shè)要求，在監(jiān)控中心設(shè)置一套微模塊機房，其含物理安全、網(wǎng)絡(luò)及信息安全兩類等級保護建設(shè)內(nèi)容，以滿足重要基礎(chǔ)設(shè)施——大型市政水廠的等級保護2.0 三級的要求。

2.5 智慧管控

智慧管控是指智慧水廠智慧管控平臺，其由數(shù)字雙胞胎系統(tǒng)、AR/VR 巡檢運維管理系統(tǒng)、 生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)、專家分析決策系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、移動巡檢APP 及信息交互系統(tǒng)組成，詳見下述。

其中，數(shù)字雙胞胎系統(tǒng)是在BIM 模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建三維輕量化模型[4]，同時結(jié)合模型仿真系統(tǒng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)和采集到SCADA 系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)、 智能安防系統(tǒng)及工藝視頻系統(tǒng)的圖像信息實現(xiàn)廠區(qū)漫游、場景展示、遠程巡檢、工藝流程模擬等。

AR/VR 巡檢運維管理系統(tǒng)在數(shù)字雙胞胎的基礎(chǔ)上再做深化，與生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)、無線覆蓋系統(tǒng)、移動APP 進行數(shù)據(jù)交互，同時配合手持式移動巡檢終端實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)施三維、動態(tài)、可視化展示，并集成實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡檢運維等移動應(yīng)用功能。

生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)主要用于廠級、公司級的工藝生產(chǎn)監(jiān)視及管控，其對接SCADA 系統(tǒng)、智能優(yōu)化運行系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)及公司級業(yè)務(wù)管理流程等信息， 有效直觀地展示生產(chǎn)運行信息關(guān)鍵信息、工藝畫面、關(guān)鍵數(shù)據(jù)歷史趨勢曲線、水廠運行報警信息等，集中反映和監(jiān)督水廠整體運行情況，實現(xiàn)水廠運行多個KPI 分析和關(guān)鍵事件管理。

專家分析決策系統(tǒng)是通過調(diào)研總結(jié)大量關(guān)于水廠處理領(lǐng)域的經(jīng)驗與知識和生產(chǎn)運營經(jīng)驗、管理方法等， 為水廠的運行管理提供運行效果預(yù)測、方案決策支持、工藝優(yōu)化等服務(wù)，解決水廠日常運營中遇到的各種難題。

人員定位系統(tǒng)基于UWB 技術(shù)[5]實現(xiàn)人員的精確定位、歷史軌跡查詢、軌跡糾偏、視頻聯(lián)動等功能。

移動巡檢APP 主要對接生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)，用于廠區(qū)生產(chǎn)移動巡檢及動態(tài)管理。

信息交互系統(tǒng)對接數(shù)字雙胞胎系統(tǒng)和生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)，用于對外展示的功能和生產(chǎn)運維。

3 結(jié)語

本次智慧水廠的設(shè)計調(diào)研了大量及主流的儀器儀表、電器設(shè)備、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息安全、超融合和智慧平臺等生產(chǎn)及開發(fā)廠商，并充分結(jié)合了本水廠全流程工藝設(shè)計和建設(shè)單位運營管理需求，創(chuàng)新性提出“5+2”的設(shè)計及運營模式，為智慧水廠的設(shè)計、建設(shè)及運營邁出堅實的一步。