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、上海昊滄系統控制技術有限責任公司
—、建設背景
深圳水務集團主營供排水、水務投資、水務產業鏈、污泥及廢水處理、河流生態修 復等業務，下設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，目前日供水能力47萬t，供水面積130km2,供水管網總長度838km，服務8.2萬戶、 123萬人。工程設計規模60萬t，采用強化常規處理+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光明辦事處鳳凰社區鳳凰村，光明水廠總設計規模40萬m3/d，一期工程規模為20萬m3/d，水廠一 期工程于2017年7月正式投產。
光明水務公司自2016年底啟動智慧水務建設以來，已基本實現供水業務從“線下” 到“線上”的轉變。作為智慧水廠項目的承建商，上海昊滄系統控制技術有限責任公司 以行業先進技術幫助光明水務公司進行數字化轉型。上海昊滄自主研發的少人/無人值守智慧水廠兩化融合方案率先在光明水廠實施，對傳統水廠進行智慧化改造，建立全流程自動化控制、運維數字化管理、資產全生命周期管理、一體化安全管控的智能化水廠。
二、建設內容
深水光明智慧水廠項目建設內容：
(1) 升級原有PLC控制程序和廠內SCADA程序。針對現有程序進行優化改造， 優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、資產管理、算法模型等多種應用數據，提供電腦登錄和手機App登錄等多種操作體驗，是智慧水廠實現少人/ 無人值守的操作面板。
(3) 全廠數字安防管理系統。包含門禁系統、全廠WiFi信號覆蓋、廠區出入口車 輛車牌識別道閘系統、視頻專網系統和原有自控網絡改造工程、智聯安全園區可視化管控平臺。
(4) 混凝劑投加控制系統(簡稱TurOS)。TurOS采用"前饋+模型+反饋”的多參 數控制模式，根據進出水水量和濁度、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，建立數學模型，實時計算混凝劑投加量設定值，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，實現了混凝劑投加 的智能化精細化控制，如圖10 - 53所示，出水水質保持穩定。據統計，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%，月平均節省約10.6%。
（二） 集約化、數字化的水廠生產運行監控
通過三維可視化展示各工藝點的基本信息、指標數據、工業畫面、報警情況和相關 出勤人員任務分派以及執行情況，實時掌握水廠生產運營情況。
（三） 高可靠性、可量化的全廠自動化
通過劃分程控率、閉環率、連續運轉率、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） 水廠資產全生命周期管理
包含設備資產采購、監視預警、計劃調度、運維控制和管理KPI的全生命周期管理, 提高設備使用壽命，降低總體運維成本。
（五） “口袋中的水廠”全廠移動化運營
及時掌握生產運行情況和設備運行狀態，打破中控室物理圍墻的空間限制；采用流 程化智能巡檢作業方式并形成電子化巡檢記錄，為水廠規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字化安防系統，監控、報警、診斷、處置一體化的聯動應急機 制，提供全面的水廠安全保障。
四、關鍵技術
（一）建立平臺化工業物聯網接入體系
基于物聯網技術構建全廠工業物聯網采集平臺是實現“智慧水廠”建設的基礎，主要表現為以下幾個方面：
（1） 通過物聯網技術將廠站的生產設備、儀器儀表、傳感器、門禁、視頻監控、電子圍欄等進行平臺化采集接入，兼容不同廠家的設備協議，并且支持第三方數據接入， 比如水文數據、水質數據、管網數據等，智慧感知、按需入網、互聯互通，打破信息孤島。
（2） 在平臺內建立大數據中心對采集數據統一管理，提供各種數據預處理、數據清洗方式，保障系統內數據準確性。數據中心提供水平擴容設計滿足海量數據存儲，提供數據安全、災備設計保證數據安全可靠。
（3） 以自來水廠為中心，將政府監管部門、用水客戶、設備和藥劑供應商、系統集成商等用戶群體緊密關聯起來。積極打造上下游多位一體生態產業圈。根據不同用戶關注點按需提供應用入口。如針對維護供應商，提供設備相關狀態數據展示，方便供應商及時響應處理設備故障問題。
（二） 建立高可靠閉環控制體系
通過對全廠控制系統進行改造及優化設計，提高自動化控制的可靠性，主要表現為 以下幾個方面：
（1） 從設備儀表選型方面，優先選擇支持4-20MA的模擬量儀表、優先選擇易維護 或者免維護儀表、環境適應性較強的品牌儀表。
（2） 從自控系統控制邏輯方面，對原有系統中控制邏輯進行梳理，新增多套邏輯冗余性設計方案策略實現小閉環運行，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節，通過高級控制策略實現對復雜工藝環節的自控系統控制邏輯進行補充與完善，如混凝劑投加、消毒等，從全廠大閉環角度，實現全廠“按 需調節、穩定工藝、節能降耗”的精細化控制。
（三） 建立集約化監控調度體系
完善現有的監控調度系統，實現對各個子站集中式監控和調度控制�；谝苿踊ヂ�、 云技術架構應用，當系統檢測發現運行異常，立即發布預警和報警信息，通過手機App 方式主動推送至相關人員。系統對設備故障進行在線診斷分析，協助人員快速定位問題，解決問題。形成一套監控、報警、診斷的一體化聯動機制。
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據進行全方 位的綜合管理，實現對水廠的當前運行狀態的實時監視、數據分析、遠程巡檢及設備控制等，從而簡化運行管理人員工作方式和內容，降低企業經營過程中人工干預參與度， 減少現場值班人員和巡檢養護人員配備，廠級中控室值班人員可實現無人或一人即可。
（四） 建立規范化的科學巡檢管理模式
建設規范、科學、有效的巡檢機制，對巡檢養護記錄進行綜合管理，能及時預防生 產事故的發生，為自來水廠處理設施與設備的養護和維修提供依據，并且人員工作成果將作為企業對人員績效考核參考標準。
巡檢養護人員通過移動巡檢、設備故障告警快速定位、移動控制等方式簡化傳統工 作模式，同時，對人員統籌分配可以實現多站、多廠的巡檢養護人員綜合利用，提高工作效率，降低工作人員招錄技能水平要求，降低企業用人成本。
建設智慧水廠，通過信息系統建立全過程、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計”的流程化作業方式并形成電子化巡檢記錄，為自來水廠規范化運營提供有力保障。
（五） 建立設備全生命周期管理體系
通過構建設備全生命周期管理體系，尤其對于區域式多廠設備的維修與養護管理業 務，可以采用協調作業團隊，統一調度，實現人力及物力的資源共享，使設備運維管理體系得到優化整合。
采用電子化工單實現設備運維調度過程，通過制定計劃、派發工單、填報工單、審 批工單及工單歸檔五個基本步驟完成單次設備維護。將設備維修業務劃分為故障維修和預防性維修兩大類；將設備養護業務劃分為潤滑、清潔、緊固等類別，運營中心的設備運維人員依據工單要求前往自來水廠現場實施運維作業；另外，還可以通過設定任務提醒功能，為養護任務及時執行提供保障；對實施進度狀態進行可視化追蹤，強化過程監管力度；對設備維護歷史記錄進行電子化存檔，為日后制定和改進設備管理方案提供依據。
（六） 建立移動化管控體系
隨著“互聯網+ ”的發展，人們的日常工作方式將會帶來很大的轉變，隨著手機的 普及，從傳統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對全廠管控，查看生產運行情況，提供數據報表、監控畫面、 報警等信息，通過微信、QQ等方式互通與互動。
隨著信息技術的不斷發展，未來以云平臺技術為基礎設施建設的移動化控制將成為 未來工業自動化監控領域的主力軍。通過建立一套高可靠的遠程安全下控體系，保障廠內人員能夠隨時隨地了解全廠運行狀況的同時，能夠實現遠程移動控制操作。
(七) 建立智慧化運營體系
依托于云計算、大數據等技術優勢，對數據及資源的有效整合、挖掘、利用，發揮 數據背后的價值，從自來水廠傳統運營思維向數字化智慧水廠運營轉變。智慧運營主要體現在以下幾個方面：
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 仿真融合到數據預測、方案擇優中，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、經驗積累的決策方式可以通過系統能快速、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情況，通過專家庫 中提供相應的預案進行應對處理，出現異常故障或事故時，系統能夠自動給出應對方案和建議，協助人員解決問題，減輕事故帶來的影響、提供補救措施。同時可以不斷持續完善專家庫，作為企業資產進行存檔。
3. 全廠KPI統計與分析
建立智慧水廠運營狀況量化指標評估機制，從管理質量、工藝運行參數、能耗、藥 耗、自動化控制指標、評價指標、設施設備運行效率、環境效益等多個方面定期對運行管理狀況進行綜合評定�；诂F有信息系統之上，提供智慧運營門戶展示，以多維度圖 表方式集中展現指標結果，識別自來水廠運行管理薄弱環節，實時了解企業經營狀況， 為企業管理層經營決策提供科學參考依據。提升企業科技感。
4. 客戶服務及信息分享
基于大數據挖掘、云計算技術特點，對數據進行整合處理，為上下游、供應鏈等用 戶群體提供個性化應用和服務，實現業務數據整合共享、業務系統整合共享，發揮數據潛在的價值。
五、社會價值
（一）實現水廠少/無人控制運行
實現水廠少/無人化控制運行是建設智慧水廠的核心，通過廠內自控系統實現全工藝流程自動化運行，各類控制指令的下達不再依賴人，而是由系統自動下達完成。參與 控制過程的設備及通信鏈路采用冗余設計，保障設備故障或網絡中斷時自動切換至備用方案。在工藝智能化運行時，系統自主驅動自來水廠處理設備實現控制目標，動態調整控制參數，以獲得穩定與精準的控制效果，滿足不斷變化的運行工況下設備運行要求。將大量的簡單、重復的工作完全由計算機接管。
1. 實現閉環運行
現有的自來水廠大部分自動化控制系統80%以上依靠人腦判斷為基礎，人員根據當前工藝情況憑經驗進行相關參數設定操作，系統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，無法達到最優的控制效果。而且對監控管理人員 要求較高，對運行成本造成提高。
實現全廠閉環控制，通過系統內專家庫決策和系統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，使系統的可靠性、安全性大大提高。
2. 提高系統自診斷能力
系統具備故障自診斷能力。當設備發生故障時自動定位設備故障位置，分析故障發 生原因，給出故障相關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。實現該功能需要對現有自動化控制系統進行技術改造，主要包括PLC程序和SCADA 程序的自診斷能力的優化和提升、移動管控平臺的實施。
（二） 實現混凝劑投加環節的智能化運行
數據驅動與模型驅動相結合的協同智能算法，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，實現了混凝劑投加環節的智慧化運行、精細化控制，對降低水廠能耗、藥耗水平具有積極意義。
（三） 實現水廠移動化運營
實現全廠無/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運行情況，并且在特殊情況下能及時有效的遠程干預。現有的監控系統（SCADA） 是建立在廠級子站監控基礎之上，只能實現在廠內運行監控，并且監控室必須需要專職專崗人員實時的人工值守，根本無法實現隨時隨地監控，這為無/少人值守系統帶來技術屏障。通過移動終端實現遠程或移動監管，運行管理人員不必在廠內進行運行值班，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。
通過云平臺系統和手機移動App，管理人員能夠遠程實時監視自來水廠運行，在線顯示廠內儀表監測數據和設備運轉信號。一旦系統檢測發現運行異常，立即發布預 警和報警信息，并以短信或微信等方式發送至相關人員。通過調取相應監測點視頻監 控錄像，啟動專家系統進行故障診斷與風險預測，形成監控、報警、診斷的一體化聯動機制。
（四） 實現水廠全面的信息感知
智慧水廠對廠內設備設施信息、設備運行數據、視頻信息、安防門禁信息等信息進 行集中采集，同時對水廠周邊數據（如管網數據、水文數據）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） 實現高可靠的水廠運營安全性
智慧水廠能夠依靠先進的技術進行監測，及時發現問題，及時作出合理的方案，對 設備運行過程中出現的故障、告警進行故障診斷分析，快速發現問題根源，及時處理問題。對水廠生產運行過程中各種突發事件，比如提水泵故障、進水水質變化等，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）實現規范的績效指標管理與分析
建立自來水廠運行關鍵績效指標評估機制，從管理質量、能耗分析、設備運行效率、 運行工藝參數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，應用績效評估指標體系，對自來水廠業務管理數據進行統計計算與評估分析。以多維度統計圖表的方式展現績效結果，識別自來水廠運行管理薄弱環節，為自來水廠運行管理優化提供決策支持。建立信息化績效評估機制需在管理和技術上總結大量經驗進而推陳出新，這部分內容的開展可在自來水廠實現自動化運營后逐步深入研究，建立一套完善的運營監管機制，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，對數據進行綜合運用，能為水廠運營中的設備故障診斷、生產調配、方案擇優、運營管理等提供科學化的輔助決策支持。
