鐘 逵

（浙江中控信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，浙江 杭州 310051）

引言

城市自來水廠日常運(yùn)作中，主要是使用取水泵站汲取自然界中的水源或者是地下水，經(jīng)過沉淀、效度、過濾等多項工藝，由獨(dú)立配水泵站通過復(fù)雜的城市供水管網(wǎng)架構(gòu)將水輸送給群眾。從現(xiàn)代自來水廠基本結(jié)構(gòu)來看，電氣自動化控制是現(xiàn)代水廠中的主要組成部分。將人工智能技術(shù)運(yùn)用在自來水廠的電器自動化控制中，能夠保證水廠的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1 自來水廠的電氣自動化控制形式

自來水廠中使用的控制技術(shù)主要包含四個方面，分別是水質(zhì)監(jiān)測、水處理、變頻節(jié)能、綜合自動化技術(shù)。在水廠自動化控制技術(shù)當(dāng)中，可以將其細(xì)化為數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備運(yùn)行的動態(tài)監(jiān)控、集散控制等多方面。整體上來看就是個人計算機(jī)與可編程邏輯控制器組成的系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)所覆蓋范圍比較大，通訊方式也相對靈活，但是實(shí)時性問題不夠，實(shí)際難以控制。DCS系統(tǒng)屬于分布式控制系統(tǒng)，能夠切實(shí)達(dá)成分散控制目標(biāo)，系統(tǒng)的實(shí)時性特征也非常顯著，但是實(shí)際編程難度比較大，要求研發(fā)和維護(hù)人員具備極高的專業(yè)素養(yǎng)、素質(zhì)。IPC+PLC系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分級分布控制的目標(biāo)，也可以實(shí)現(xiàn)集中管理。PLC具備極高的穩(wěn)定性與可靠性，提供可編程操作，設(shè)備維護(hù)也相對簡單，開發(fā)周期較長，系統(tǒng)配置也十分靈活和方便，能與施工現(xiàn)場信號相連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化控制[1]。

2 電氣自動化控制在自來水廠中的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 電氣自動化控制技術(shù)發(fā)展運(yùn)用

國內(nèi)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)自動化技術(shù)的越發(fā)成熟，電廠、化工廠都對自動化技術(shù)十分重視，但是自來水廠的工業(yè)化進(jìn)程十分緩慢。近年來國家重視自來水廠的自動化建設(shè)，重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他行業(yè)，這也讓新建自來水廠的規(guī)模大于傳統(tǒng)的自來水廠。傳統(tǒng)的自來水廠建設(shè)具備足夠豐富的經(jīng)驗，但是受到傳統(tǒng)思想、陳舊設(shè)備等的影響，水廠實(shí)現(xiàn)全面自動化十分困難，除了需要大量的資金設(shè)備作為支持以外，還需要大量時間來建設(shè)、貫徹、落實(shí)。

2.2 人工智能技術(shù)運(yùn)用

人工智能技術(shù)是計算機(jī)信息技術(shù)的一個分支技術(shù)，實(shí)際使用的本質(zhì)是使用性能優(yōu)良的計算機(jī)模擬人腦來進(jìn)行思考、處理工作，同時依靠現(xiàn)代信息系統(tǒng)對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能、全面管理，獲得與人類作業(yè)相似的成果。現(xiàn)實(shí)生活中這一項技術(shù)主要包含語音識別、文字處理、機(jī)器人制造和圖像等多個技術(shù)，這些技術(shù)在自來水廠電氣自動化控制中發(fā)揮了巨大的作用。自來水廠是城市的基礎(chǔ)部分，需要24 h全方面不停運(yùn)轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)自來水廠在處理進(jìn)水、過濾、效度等作業(yè)的時候，都需要大量的人工作業(yè)參與其中。而使用人工智能技術(shù)能夠大大提高整體的工作效率，降低作業(yè)成本并減少施工中存在的誤差。

3 人工智能在自來水廠自動化控制中的運(yùn)用

3.1 設(shè)備操作

電氣自動化控制在自來水廠中的運(yùn)用十分廣泛，自來水廠具備服務(wù)性質(zhì)，是公益性基礎(chǔ)設(shè)施，需要24 h全天候供應(yīng)水，因此需要借助電氣自動化控制來掌握水廠的日常工作。在電氣自動化控制技術(shù)使用過程中也會存在一些問題，比如處理問題相對死板，突發(fā)性問題解決十分困難，仍舊需要人力完成。此時在系統(tǒng)中融合智能化技術(shù)，將該技術(shù)與自來水廠的設(shè)備、管理相融合，使用人工智能技術(shù)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、工況等進(jìn)行合理規(guī)劃，保證水廠內(nèi)部電氣自動化設(shè)備能始終處于正常工作狀態(tài)，同時也可以根據(jù)實(shí)際需要和用水需求，自動調(diào)整工作效率，撤換效率較低、容易發(fā)生事故的電氣設(shè)備自動化故障，更換性能全面而豐富的電氣自動化設(shè)備，提高水廠的整體安全系數(shù)來保證整體管理水平的提升[2]。

3.2 故障診斷

人工智能技術(shù)主要是模擬人的思維和想法，對人的行為進(jìn)行分析。人工智能技術(shù)不僅僅能操控水廠的內(nèi)部設(shè)備，也可以實(shí)現(xiàn)對電氣自動化設(shè)備的故障診斷、分析處理。自來水廠的工作中變壓器和電動機(jī)等裝置是自來水廠運(yùn)行正常、安全的核心，是主要的電氣自動化設(shè)備。實(shí)際生產(chǎn)中自來水廠的運(yùn)行需要24 h不間斷運(yùn)行，長期高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)備出現(xiàn)概率的可能性非常大。自來水廠內(nèi)部監(jiān)控能夠管理生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的運(yùn)行調(diào)度，動態(tài)監(jiān)測生產(chǎn)作業(yè)周邊的地理環(huán)境，從各方面來看人工智能技術(shù)使用都存在巨大的價值。能對自來水廠內(nèi)部變壓器的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測、監(jiān)控、調(diào)度，體積設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立起人工智能大數(shù)據(jù)。自來水廠核心電氣自動化設(shè)備運(yùn)行的時候產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，對這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、提取，構(gòu)筑出符合當(dāng)前發(fā)展需要的數(shù)據(jù)模型，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測出設(shè)備生產(chǎn)中異常參數(shù)的時候，將其與正常模型對比，自動處理故障信息，及時發(fā)出預(yù)警。在生產(chǎn)事故之前，能對設(shè)備生產(chǎn)的故障進(jìn)行分析處理，保證自來水廠能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高實(shí)際工作效率。

3.3 需求預(yù)測

自來水廠工作范圍包含水廠內(nèi)部水資源的存儲、生產(chǎn)，同時包含供水調(diào)度需求。在水廠的日常工作當(dāng)中，在保證水廠內(nèi)部正常運(yùn)行基礎(chǔ)上，需要考慮整個生產(chǎn)過程中的實(shí)時數(shù)據(jù)管理，保證用戶能夠隨時享受到安全、潔凈、快速的凈水服務(wù)。系統(tǒng)在此過程中收集大量的數(shù)據(jù)，建立起符合用戶用水習(xí)慣的與內(nèi)部自來水廠設(shè)備相符合的模型。在這個過程中使用人工智能算法技術(shù)預(yù)測短時間之內(nèi)人們的用水量需求，計算出水廠內(nèi)部核心設(shè)備所需要的最大輸出總功率。根據(jù)水廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同泵室運(yùn)行安全的需要，使用智能化技術(shù)來進(jìn)行智能自動化控制，滿足水廠供水任務(wù)的設(shè)備運(yùn)行配比從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供水，達(dá)到節(jié)水降耗的目的。智能化技術(shù)還可以采集水廠內(nèi)設(shè)備在不同時間內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，借助人工智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自我學(xué)習(xí)、自我優(yōu)化，讓水廠工作狀態(tài)逐步穩(wěn)定。早期人們使用人工智能技術(shù)時候需水廠的內(nèi)部員工來輔助處理。當(dāng)技術(shù)使用逐步成熟之后智能化系統(tǒng)可以自動作業(yè)，替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)來降低水廠的工作車成本。

3.4 工藝調(diào)節(jié)

在人工智能技術(shù)使用的過程中，人工智能技術(shù)具備顯著的自我學(xué)習(xí)能力，在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時統(tǒng)計和分析，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。另外根據(jù)預(yù)先輸入的知識或者是理論經(jīng)驗，對突發(fā)事件進(jìn)行初步的推演、計算，用來解決實(shí)際遇到的問題。自來水廠水質(zhì)處理過濾生產(chǎn)中，進(jìn)水水質(zhì)質(zhì)量穩(wěn)定性是影響自來水廠出水的關(guān)鍵因素。過濾系統(tǒng)中引入人工智能降技術(shù)來進(jìn)行調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對過濾設(shè)備參數(shù)工藝系數(shù)、出水質(zhì)量指標(biāo)等進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)控數(shù)據(jù)的分析與學(xué)習(xí)。在系統(tǒng)運(yùn)行中可以實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警，自動處理、調(diào)控工藝參數(shù)，將水質(zhì)不穩(wěn)定對自來水廠產(chǎn)生的影響因素降低到最小，進(jìn)一步保證自來水廠的工作效率，提高自來水的過濾質(zhì)量[3]。

3.5 智能變頻

從自來水廠處理實(shí)際效果來看，用水量變化大的問題客觀存在的，季節(jié)與時段不同，用戶對用水量需求也存在明顯的差別。季節(jié)不同、時段不同，用戶對用水需求量也有顯著差異。水廠供水系統(tǒng)必須根據(jù)用戶實(shí)際情況來進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。低峰階段水泵機(jī)組根據(jù)高峰階段標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，可以利用閥門來調(diào)節(jié)，整體能耗比較大，但是機(jī)組運(yùn)行也會受到影響。最佳方式是根據(jù)實(shí)際用水量對水泵機(jī)組運(yùn)行開展自動化控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，讓水廠的自動化水平顯著提升。在節(jié)能技術(shù)的使用中變頻調(diào)節(jié)技術(shù)是比較突出的節(jié)能技術(shù)，節(jié)能效果顯著，可以通過冗余設(shè)計和用水變化所產(chǎn)生的電能資源消耗真正節(jié)省下來。變頻調(diào)速控制技術(shù)是指以變頻調(diào)整原理為基礎(chǔ)，在保證供水系統(tǒng)用水量變化的基礎(chǔ)上，自動化調(diào)整水泵工況讓其達(dá)到降低損耗和提高工作效率的目的。變頻器是一種以變頻調(diào)速技術(shù)來作為基礎(chǔ)改變概率調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速裝置，作為一種先進(jìn)的調(diào)頻技術(shù)，變頻器不僅僅能實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)頻，具備很高的可靠性和操作性，同時具備顯著的節(jié)電效果。使用變頻器實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能供水，通過使用恒壓變量、變壓變量兩種方式來實(shí)現(xiàn)。恒壓變量供水系統(tǒng)通過調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速來保證水壓不變，該技術(shù)使用比較成熟使用范圍廣。變壓變量供水系統(tǒng)根據(jù)用戶用水量變化來調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速、供水壓力，在現(xiàn)實(shí)生活的使用中該方式具備顯著的節(jié)能效果。實(shí)際運(yùn)用由于受到水頭損失等因素的影響，實(shí)際用量難以確定[4]。

3.6 案例

某水電廠目前設(shè)置了四個泵房，所有泵房安裝的送水泵均為10 kV機(jī)組，建設(shè)初期所有機(jī)組都處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，給調(diào)度、管網(wǎng)壓力調(diào)節(jié)工作的開展造成麻煩，客觀上誘導(dǎo)市政管網(wǎng)發(fā)生爆管，后期不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)、技術(shù)改良，當(dāng)前有兩個泵房已經(jīng)具備自動調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)來控制水壓力的穩(wěn)定技術(shù)能力。為保證供水技術(shù)有效而穩(wěn)定的開展，針對泵房設(shè)置一拖二變頻的控制系統(tǒng)，保證單臺水泵設(shè)備也可以在工頻和變頻的技術(shù)條件下開展。針對該項目使用的設(shè)備機(jī)組，控制技術(shù)主要分為兩類，分別是開環(huán)控制技術(shù)、閉環(huán)控制技術(shù)。開環(huán)控制技術(shù)是的機(jī)械設(shè)備遵守技術(shù)在上位機(jī)或者是觸屏中設(shè)定的頻率參數(shù)。閉環(huán)控制是機(jī)組設(shè)備人員在上位機(jī)與觸屏裝置中設(shè)定壓力參數(shù)值之后，技術(shù)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，自動設(shè)定壓力調(diào)節(jié)泵在運(yùn)行過程中的頻率和參數(shù)，借此開展增泵操作，保證水泵設(shè)備運(yùn)行過程中參數(shù)壓力值能夠處于穩(wěn)定水平，保證運(yùn)行中的參數(shù)穩(wěn)定，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平。在維持壓力參數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)的背景下，技術(shù)通常會自動采集自動化設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的故障狀態(tài)信息。如果系統(tǒng)發(fā)生故障報警，對應(yīng)機(jī)組設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)會自動發(fā)出停止運(yùn)行的指令，同時發(fā)出停止運(yùn)行的指令和警報信號，機(jī)組設(shè)備設(shè)立繞組溫度參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到溫度超過預(yù)警數(shù)值的時候，自動提醒值班人員開展管理措施，自動報警通知管理人員。溫度超過報警數(shù)值的時候系統(tǒng)會自動報警，同時強(qiáng)制性停止。本次項目能夠自動遵守設(shè)定的壓力參數(shù)控制泵的啟停，實(shí)現(xiàn)變頻與工頻的切換，泵的運(yùn)行參數(shù)能夠達(dá)到恒壓供水目標(biāo)。當(dāng)2臺泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)的時候，泵的運(yùn)行模式效率將同步[5]。

人工智能技術(shù)在水廠電氣自動化控制中的實(shí)現(xiàn)，首先了解供水區(qū)域內(nèi)的用水量需求，實(shí)現(xiàn)二次增壓泵站的最優(yōu)技術(shù)控制。其次根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)控制所提供的生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)，引入管網(wǎng)不利點(diǎn)、管網(wǎng)末梢電壓力測定數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，保證水業(yè)務(wù)正常開展，通過收集數(shù)據(jù)建立模型，使用人工智能技術(shù)預(yù)測在半個銷售與一個小時之內(nèi)的用水需要，計算出總輸出功率，結(jié)合泵房的設(shè)備配置情況，通過自動化控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)技術(shù)的最佳控制，實(shí)現(xiàn)安全供水和節(jié)能增效的目標(biāo)。

4 結(jié)語

電氣設(shè)備組件是現(xiàn)代自來水廠生產(chǎn)設(shè)備自動化組成的重要部分，將人工智能技術(shù)運(yùn)用在城市自來水的電氣自動化控制中，加以運(yùn)用智能化技術(shù)，能夠維持城市自來水廠的日常生產(chǎn)，優(yōu)化設(shè)備性能，保證水質(zhì)的輸出質(zhì)量，滿足水廠發(fā)展的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。