1 引言
目前我國水廠的自動(dòng)化程度已經(jīng)很高，基本實(shí)現(xiàn)了水泵自動(dòng)運(yùn)行、水質(zhì)實(shí)時(shí)檢測、加藥量根據(jù)水質(zhì)實(shí)時(shí)變化等無人值守的全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。然而，近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，“智慧水務(wù)”的發(fā)展理念受到普遍關(guān)注和認(rèn)可，也得到大力推行[1]。“智慧化”水廠正在逐步取代“自動(dòng)化”水廠。
2 自動(dòng)化水廠概述
自動(dòng)化水廠系統(tǒng)參見圖1所示，自動(dòng)水廠以PLC為核心控制器，采集設(shè)備的信號，控制設(shè)備的運(yùn)行；以工控機(jī)為控制中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控整個(gè)水廠的設(shè)備參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)；以工業(yè)用超聲液位傳感器、流量傳感器、PH計(jì)、余氯檢測儀、COD檢測儀、電磁閥、變頻器、電機(jī)等一系列傳感、檢測、控制設(shè)備為控制終端，配合PLC與工控機(jī)完成自動(dòng)化水廠的控制。
圖1 自動(dòng)化水廠系統(tǒng)圖
2.1 系統(tǒng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)
硬件控制結(jié)構(gòu)圖參見圖2所示，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)用CAD進(jìn)行繪制，水廠一般分為主站、過濾設(shè)備從站、PAC加藥站、PAM加藥站、臭氧站、次氯酸鈉站、提升泵站、風(fēng)機(jī)站、二次供水站等。一個(gè)站點(diǎn)設(shè)置一個(gè)控制柜，主站綜合控制其余各個(gè)分站。
圖2 硬件控制結(jié)構(gòu)圖
2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)用PLC軟件編程，目前市場上常用的品牌有西門子、歐姆龍、三菱、AB等。以西門子為例，主站采用300PLC控制，從站采用smart200PLC控制 ，主站與各個(gè)從站之間采用PROFIBUS-DP（簡稱DP）通信，從站將數(shù)據(jù)通過DP通信傳遞給主站，主站進(jìn)行統(tǒng)一控制與監(jiān)測。
2.3 系統(tǒng)監(jiān)控中心設(shè)計(jì)
監(jiān)控中心用工控機(jī)控制，目前市場上常用的品牌有研祥、研華等，軟件常用組態(tài)王、WINCC等。工控機(jī)接口眾多，常用接口有網(wǎng)口、RS485口、RS232口、DP口、USB口等，為與主站及控制設(shè)備的連接提供了便利條件，隨著網(wǎng)絡(luò)信號的穩(wěn)定，工控機(jī)與主站通過以太網(wǎng)通信的方式越來越多，以西門子WINCC監(jiān)控軟件為例，wincc上位機(jī)軟件流程圖參見圖3 所示。
圖3 wincc上位機(jī)軟件流程圖
3 智慧化水廠概述
嚴(yán)格來說，智慧化水廠包含自動(dòng)化水廠，自動(dòng)化水廠是智慧化水廠的基礎(chǔ)。智慧化水廠在自動(dòng)化水廠的基礎(chǔ)上引入新的技術(shù)，充分結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)、BIM、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對水廠進(jìn)行進(jìn)一步的智慧改進(jìn)，形成一套智慧化的管理運(yùn)營體系。
3.1 系統(tǒng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)
圖紙?jiān)O(shè)計(jì)在原有CAD的基礎(chǔ)上引入BIM技術(shù)，使用BIM技術(shù)可以使規(guī)劃、設(shè)計(jì)（初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工圖）、競標(biāo)、建造、經(jīng)營、管理各個(gè)環(huán)節(jié)信息連貫一致，包
括設(shè)計(jì)與幾何圖形、成本、進(jìn)度信息等。BIM系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)圖參見圖4所示。
圖4 BIM系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)圖
水廠采用BIM技術(shù)，不但可有效的保障項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營過程中的溝通、討論、決策都可在“可視化”的狀態(tài)下進(jìn)行[2]，而且可以利用BIM對一些場景進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，例如節(jié)能模擬、日照模擬、緊急疏散模擬、施工方案模擬等。從根本上解決了傳統(tǒng)CAD圖紙存在的三維缺陷、信息收集局限性、各個(gè)專業(yè)各自為政、設(shè)計(jì)施工不串聯(lián)性等缺點(diǎn)，大大節(jié)約了水廠的建造施工成本，減少設(shè)計(jì)施工變更，提高項(xiàng)目整體效率。
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件層面上，在原有的PLC基礎(chǔ)上引入物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)概念在21世紀(jì)初一經(jīng)提出，馬上引起了全球的關(guān)注[3]。物聯(lián)網(wǎng)顧名思義，就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸與擴(kuò)展，核心技術(shù)包含RFID射頻技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)
等。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)參見圖5所示。
圖5 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)圖
采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對原有的PLC控制進(jìn)行改進(jìn)，除了對水廠設(shè)備進(jìn)行控制外，還可對水廠的員工宿舍、中央控制室、配電間、設(shè)備房等進(jìn)行智能控制。如配電間房門可設(shè)置刷臉進(jìn)入裝置，以防止外來人員隨意進(jìn)入，發(fā)生觸電事故；廠區(qū)內(nèi)地上管道，可搭配攝像頭，若管道突然漏水，則攝像頭馬上對準(zhǔn)漏水處且向管理人員發(fā)出報(bào)警；設(shè)備房或辦公室可設(shè)置人來燈亮人走燈滅，窗簾自動(dòng)開關(guān)等場景。
PLC控制的一大缺陷是電纜鋪設(shè)維護(hù)問題，物聯(lián)網(wǎng)則很好的規(guī)避了這個(gè)問題。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的到來，網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定性強(qiáng)，響應(yīng)速度快，無線傳感器完全可以代替有線傳感器對水廠進(jìn)行水質(zhì)、水位、加藥量檢測。水廠控制引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是大勢所趨，不但可以降低后期水廠的經(jīng)營維護(hù)費(fèi)用，還可大大提高水廠的安全性及工作人員的舒適度。物聯(lián)網(wǎng)軟控制拓?fù)潢P(guān)系參見圖6所示。
圖6 物聯(lián)網(wǎng)軟控制圖
3.3 系統(tǒng)監(jiān)控中心設(shè)計(jì)
參見圖7所示，監(jiān)控中心在原有的監(jiān)控軟件基礎(chǔ)上引入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，形成大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺。簡單來說，云計(jì)算是硬件資源的虛擬化，而大數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)的高效處理。監(jiān)控中心收集水廠所有傳感器、前端設(shè)備及各種控制器信號形成大數(shù)據(jù)，經(jīng)云計(jì)算進(jìn)行計(jì)算、存儲形成有用的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果運(yùn)用到水廠的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營中。如不同水質(zhì)的加藥量統(tǒng)計(jì)，當(dāng)水廠PH值、COD值為某一值時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)以往的加藥數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整加藥量。
圖7 數(shù)據(jù)交互圖
利用大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)搭建的智慧水廠統(tǒng)一管理平臺，強(qiáng)大的三維平臺比以往的監(jiān)控軟件可視化更強(qiáng)，可操作性功能更多，數(shù)據(jù)更加完整、智能化程度更高。智慧化水廠系統(tǒng)總體架構(gòu)集成圖8所示。
圖8 智慧化水廠系統(tǒng)圖
4 結(jié)束語
根據(jù)以上自動(dòng)化水廠與智慧水廠的對比分析，智慧水廠的建設(shè)，應(yīng)該打破以往的思路，自上而下，做好頂層設(shè)計(jì)，站在智慧城市的高度，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新的信息技術(shù)和思路，將水廠的管理、服務(wù)工作全面的智慧化，通過提升管理、服務(wù)的能效來保證水廠的安全、可靠、綠色[4]。