案例七 深圳光明智慧水厂项目
深圳市深水光明水务有限公司、上海昊沧系统控制技术有限责任公司
—、建设背景
深圳水务集团主营供排水、水务投资、水务产业链、污泥及废水处理、河流生态修 复等业务，下设多个自来水和污水处理公司。其中深水明水务有限公司位于深圳市光明区，目前日供水能力47万t，供水面积130km2,供水管网总长度838km，服务8.2万户、 123万人。工程设计规模60万t，采用强化常规处理+消毒工艺，预留深度处理工艺， 出厂水浊度W0.3NTU,保证率N95%。其中深圳市光明水厂位于光明新区光明办事处凤凰社区凤凰村，光明水厂总设计规模40万m3/d，一期工程规模为20万m3/d，水厂一 期工程于2017年7月正式投产。
光明水务公司自2016年底启动智慧水务建设以来，已基本实现供水业务从“线下” 到“线上”的转变。作为智慧水厂项目的承建商，上海昊沧系统控制技术有限责任公司 以行业先进技术帮助光明水务公司进行数字化转型。上海昊沧自主研发的少人/无人值守智慧水厂两化融合方案率先在光明水厂实施，对传统水厂进行智慧化改造，建立全流程自动化控制、运维数字化管理、资产全生命周期管理、一体化安全管控的智能化水厂。
二、建设内容
深水光明智慧水厂项目建设内容：
(1) 升级原有PLC控制程序和厂内SCADA程序。针对现有程序进行优化改造， 优化原来的控制过程同时，提供多套控制逻辑冗余方案策略。
(2) 厂级智慧运营管理平台。平台集成了水厂自控、安防、资产管理、算法模型等多种应用数据，提供电脑登录和手机App登录等多种操作体验，是智慧水厂实现少人/ 无人值守的操作面板。
(3) 全厂数字安防管理系统。包含门禁系统、全厂WiFi信号覆盖、厂区出入口车 辆车牌识别道闸系统、视频专网系统和原有自控网络改造工程、智联安全园区可视化管控平台。
(4) 混凝剂投加控制系统(简称TurOS)。TurOS采用"前馈+模型+反馈”的多参 数控制模式，根据进出水水量和浊度、混凝剂投加种类和浓度、混凝剂投加点搅拌强度、温度、pH值等影响因素，建立数学模型，实时计算混凝剂投加量设定值，并控制加药泵及稀释泵组的启/停、运行负荷的变化，实现按需供药。
三、应用情况
（一）混凝剂投加的智能化精细化控制
2019年10月以来，深圳深水光明自来水厂部署了 TurOS系统，实现了混凝剂投加 的智能化精细化控制，如图10 - 53所示，出水水质保持稳定。据统计，混凝剂单位药耗从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%，月平均节省约10.6%。
（二） 集约化、数字化的水厂生产运行监控
通过三维可视化展示各工艺点的基本信息、指标数据、工业画面、报警情况和相关 出勤人员任务分派以及执行情况，实时掌握水厂生产运营情况。
（三） 高可靠性、可量化的全厂自动化
通过划分程控率、闭环率、连续运转率、冗余水平评估、硬件冗余、逻辑冗余等评 价指标，量化评估全厂自动化水平。
（四） 水厂资产全生命周期管理
包含设备资产采购、监视预警、计划调度、运维控制和管理KPI的全生命周期管理, 提高设备使用寿命，降低总体运维成本。
（五） “口袋中的水厂”全厂移动化运营
及时掌握生产运行情况和设备运行状态，打破中控室物理围墙的空间限制；采用流 程化智能巡检作业方式并形成电子化巡检记录，为水厂规范化运营提供有力保障。
（六）全面的水厂安全保障
全方位感知的水厂数字化安防系统，监控、报警、诊断、处置一体化的联动应急机 制，提供全面的水厂安全保障。
四、关键技术
（一）建立平台化工业物联网接入体系
基于物联网技术构建全厂工业物联网采集平台是实现“智慧水厂”建设的基础，主要表现为以下几个方面：
（1） 通过物联网技术将厂站的生产设备、仪器仪表、传感器、门禁、视频监控、电子围栏等进行平台化采集接入，兼容不同厂家的设备协议，并且支持第三方数据接入， 比如水文数据、水质数据、管网数据等，智慧感知、按需入网、互联互通，打破信息孤岛。
（2） 在平台内建立大数据中心对采集数据统一管理，提供各种数据预处理、数据清洗方式，保障系统内数据准确性。数据中心提供水平扩容设计满足海量数据存储，提供数据安全、灾备设计保证数据安全可靠。
（3） 以自来水厂为中心，将政府监管部门、用水客户、设备和药剂供应商、系统集成商等用户群体紧密关联起来。积极打造上下游多位一体生态产业圈。根据不同用户关注点按需提供应用入口。如针对维护供应商，提供设备相关状态数据展示，方便供应商及时响应处理设备故障问题。
（二） 建立高可靠闭环控制体系
通过对全厂控制系统进行改造及优化设计，提高自动化控制的可靠性，主要表现为 以下几个方面：
（1） 从设备仪表选型方面，优先选择支持4-20MA的模拟量仪表、优先选择易维护 或者免维护仪表、环境适应性较强的品牌仪表。
（2） 从自控系统控制逻辑方面，对原有系统中控制逻辑进行梳理，新增多套逻辑冗余性设计方案策略实现小闭环运行，满足自控能够自适应各种异常情况下应急响应处理能力，满足不同工况下高可靠运行要求。
（3） 针对全厂相对复杂工艺环节，通过高级控制策略实现对复杂工艺环节的自控系统控制逻辑进行补充与完善，如混凝剂投加、消毒等，从全厂大闭环角度，实现全厂“按 需调节、稳定工艺、节能降耗”的精细化控制。
（三） 建立集约化监控调度体系
完善现有的监控调度系统，实现对各个子站集中式监控和调度控制。基于移动互联、 云技术架构应用，当系统检测发现运行异常，立即发布预警和报警信息，通过手机App 方式主动推送至相关人员。系统对设备故障进行在线诊断分析，协助人员快速定位问题，解决问题。形成一套监控、报警、诊断的一体化联动机制。
用户可采用PC或App方式平台随时、随地、实时对全厂工艺运行及数据进行全方 位的综合管理，实现对水厂的当前运行状态的实时监视、数据分析、远程巡检及设备控制等，从而简化运行管理人员工作方式和内容，降低企业经营过程中人工干预参与度， 减少现场值班人员和巡检养护人员配备，厂级中控室值班人员可实现无人或一人即可。
（四） 建立规范化的科学巡检管理模式
建设规范、科学、有效的巡检机制，对巡检养护记录进行综合管理，能及时预防生 产事故的发生，为自来水厂处理设施与设备的养护和维修提供依据，并且人员工作成果将作为企业对人员绩效考核参考标准。
巡检养护人员通过移动巡检、设备故障告警快速定位、移动控制等方式简化传统工 作模式，同时，对人员统筹分配可以实现多站、多厂的巡检养护人员综合利用，提高工作效率，降低工作人员招录技能水平要求，降低企业用人成本。
建设智慧水厂，通过信息系统建立全过程、精细化的巡检管理模式。借助手机等移 动终端，采用“扫码一巡检一记录一上报一统计”的流程化作业方式并形成电子化巡检记录，为自来水厂规范化运营提供有力保障。
（五） 建立设备全生命周期管理体系
通过构建设备全生命周期管理体系，尤其对于区域式多厂设备的维修与养护管理业 务，可以采用协调作业团队，统一调度，实现人力及物力的资源共享，使设备运维管理体系得到优化整合。
采用电子化工单实现设备运维调度过程，通过制定计划、派发工单、填报工单、审 批工单及工单归档五个基本步骤完成单次设备维护。将设备维修业务划分为故障维修和预防性维修两大类；将设备养护业务划分为润滑、清洁、紧固等类别，运营中心的设备运维人员依据工单要求前往自来水厂现场实施运维作业；另外，还可以通过设定任务提醒功能，为养护任务及时执行提供保障；对实施进度状态进行可视化追踪，强化过程监管力度；对设备维护历史记录进行电子化存档，为日后制定和改进设备管理方案提供依据。
（六） 建立移动化管控体系
随着“互联网+ ”的发展，人们的日常工作方式将会带来很大的转变，随着手机的 普及，从传统人们需要每天坐在办公室里面盯着电脑屏幕或者一大堆文档资料将转变成 移动化、随时随地办公方式，未来人们的工作方式将可能通过一部手机即可解决全部问题。比如通过手机可以实现对全厂管控，查看生产运行情况，提供数据报表、监控画面、 报警等信息，通过微信、QQ等方式互通与互动。
随着信息技术的不断发展，未来以云平台技术为基础设施建设的移动化控制将成为 未来工业自动化监控领域的主力军。通过建立一套高可靠的远程安全下控体系，保障厂内人员能够随时随地了解全厂运行状况的同时，能够实现远程移动控制操作。
(七) 建立智慧化运营体系
依托于云计算、大数据等技术优势，对数据及资源的有效整合、挖掘、利用，发挥 数据背后的价值，从自来水厂传统运营思维向数字化智慧水厂运营转变。智慧运营主要体现在以下几个方面：
1. 专家级决策支持
通过全厂工艺仿真建模方式，将现实的工艺场景与虚拟世界进行无缝融合，将过程 仿真融合到数据预测、方案择优中，为各级管理人员及工艺人员提供各种辅助决策支持。原来依靠人脑分析、经验积累的决策方式可以通过系统能快速、准确、科学地给出合理 化建议和方案。
2. 风险应急预案处理
针对自动化控制及工艺运行过程中常见各种异常故障问题及突发情况，通过专家库 中提供相应的预案进行应对处理，出现异常故障或事故时，系统能够自动给出应对方案和建议，协助人员解决问题，减轻事故带来的影响、提供补救措施。同时可以不断持续完善专家库，作为企业资产进行存档。
3. 全厂KPI统计与分析
建立智慧水厂运营状况量化指标评估机制，从管理质量、工艺运行参数、能耗、药 耗、自动化控制指标、评价指标、设施设备运行效率、环境效益等多个方面定期对运行管理状况进行综合评定。基于现有信息系统之上，提供智慧运营门户展示，以多维度图 表方式集中展现指标结果，识别自来水厂运行管理薄弱环节，实时了解企业经营状况， 为企业管理层经营决策提供科学参考依据。提升企业科技感。
4. 客户服务及信息分享
基于大数据挖掘、云计算技术特点，对数据进行整合处理，为上下游、供应链等用 户群体提供个性化应用和服务，实现业务数据整合共享、业务系统整合共享，发挥数据潜在的价值。
五、社会价值
（一）实现水厂少/无人控制运行
实现水厂少/无人化控制运行是建设智慧水厂的核心，通过厂内自控系统实现全工艺流程自动化运行，各类控制指令的下达不再依赖人，而是由系统自动下达完成。参与 控制过程的设备及通信链路采用冗余设计，保障设备故障或网络中断时自动切换至备用方案。在工艺智能化运行时，系统自主驱动自来水厂处理设备实现控制目标，动态调整控制参数，以获得稳定与精准的控制效果，满足不断变化的运行工况下设备运行要求。将大量的简单、重复的工作完全由计算机接管。
1. 实现闭环运行
现有的自来水厂大部分自动化控制系统80%以上依靠人脑判断为基础，人员根据当前工艺情况凭经验进行相关参数设定操作，系统自动化平水平比较低，运行反馈不能做 到响应及时，带来人为造成的滞后性，无法达到最优的控制效果。而且对监控管理人员 要求较高，对运行成本造成提高。
实现全厂闭环控制，通过系统内专家库决策和系统风险预案可以针对性解决问题， 提供科学、准确、及时的控制方法，大大提高自动化控制水平，为少人/无人运行提供 强有力的控制策略支撑，使系统的可靠性、安全性大大提高。
2. 提高系统自诊断能力
系统具备故障自诊断能力。当设备发生故障时自动定位设备故障位置，分析故障发 生原因，给出故障相关信息并通知其他人员，帮助维修人员快速定位问题、解决问题。实现该功能需要对现有自动化控制系统进行技术改造，主要包括PLC程序和SCADA 程序的自诊断能力的优化和提升、移动管控平台的实施。
（二） 实现混凝剂投加环节的智能化运行
数据驱动与模型驱动相结合的协同智能算法，在线实时计算混凝剂投加量，满足了 混凝剂投加量的按需计算，实现了混凝剂投加环节的智慧化运行、精细化控制，对降低水厂能耗、药耗水平具有积极意义。
（三） 实现水厂移动化运营
实现全厂无/少人值守运行核心之一是让不同层级的管理人员能够随时随地实时掌握厂内运行情况，并且在特殊情况下能及时有效的远程干预。现有的监控系统（SCADA） 是建立在厂级子站监控基础之上，只能实现在厂内运行监控，并且监控室必须需要专职专岗人员实时的人工值守，根本无法实现随时随地监控，这为无/少人值守系统带来技术屏障。通过移动终端实现远程或移动监管，运行管理人员不必在厂内进行运行值班，只要打开移动终端，即可全面了解厂站的运行情况，提高人员工作效率，减少运营人力 和管理成本。
通过云平台系统和手机移动App，管理人员能够远程实时监视自来水厂运行，在线显示厂内仪表监测数据和设备运转信号。一旦系统检测发现运行异常，立即发布预 警和报警信息，并以短信或微信等方式发送至相关人员。通过调取相应监测点视频监 控录像，启动专家系统进行故障诊断与风险预测，形成监控、报警、诊断的一体化联动机制。
（四） 实现水厂全面的信息感知
智慧水厂对厂内设备设施信息、设备运行数据、视频信息、安防门禁信息等信息进 行集中采集，同时对水厂周边数据（如管网数据、水文数据）进行按需收集。通过信息收集的全面性、信息处理的快速性，可以全面地把握水厂全局的信息状况。
（五） 实现高可靠的水厂运营安全性
智慧水厂能够依靠先进的技术进行监测，及时发现问题，及时作出合理的方案，对 设备运行过程中出现的故障、告警进行故障诊断分析，快速发现问题根源，及时处理问题。对水厂生产运行过程中各种突发事件，比如提水泵故障、进水水质变化等，能够提 供准确的解决方案或建议，使应对处理更加及时、有效。
（六）实现规范的绩效指标管理与分析
建立自来水厂运行关键绩效指标评估机制，从管理质量、能耗分析、设备运行效率、 运行工艺参数等多个方面定期对自来水厂的运行管理状况进行综合性评定。通过信息系统，应用绩效评估指标体系，对自来水厂业务管理数据进行统计计算与评估分析。以多维度统计图表的方式展现绩效结果，识别自来水厂运行管理薄弱环节，为自来水厂运行管理优化提供决策支持。建立信息化绩效评估机制需在管理和技术上总结大量经验进而推陈出新，这部分内容的开展可在自来水厂实现自动化运营后逐步深入研究，建立一套完善的运营监管机制，使管理人员通过定性和定量的精细化管理来了解自来水厂运行的健康程度，以满足自来水厂合理化、最优化运营的需要。
（七） 提高水厂科学决策水平
智慧水厂基于全面的信息感知，依靠智能仿真、智能诊断、智能预报、智能控制和 智能服务于一体，利用智能专家决策系统，对数据进行综合运用，能为水厂运营中的设备故障诊断、生产调配、方案择优、运营管理等提供科学化的辅助决策支持。
