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面向工业4.0的智慧水厂建设思路

来源:中华网

摘要:我国水厂的建设经历了机械化、自动化、数字化这几个发展阶段,水厂的生产工艺和管理效率都有了突飞猛进的发展,为我国的供水事业和城市发展做出了巨大贡献。近年来,随着智慧城市、智慧水务建设的不断推进,对城市供水管理者提出了更高的要求。

  在工业4.0的大浪潮下,如何进一步提升水厂的工业化和自动化水平?让水厂的运行更加智慧,以做到更加安全、高效、节能?九鼎瑞信结合自身在智慧水务方面的建设经验,以及在大数据、人工智能方面的研究成果,提出了自己的思考和建设思路。

  一、什么是智慧水厂?

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  智慧水厂不等于全自动水厂、无人水厂,而是以物联网、云计算、大数据、人工智能、BIM等新一代信息技术为手段,实现生产、运行、维护、调度和服务等全方位、全过程各环节高度信息互通、反应快捷、管理有序的高效节能、绿色环保、环境舒适水厂。

  关键技术

  智慧水厂的建设需要用到以下关键技术:

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  物联网技术:实现水厂设备的互联互通,实时感知、获取水厂运行状态;

  云计算技术:通过云计算提升整个水司及水厂的计算能力;

  自动化技术:通过最新的自动化控制技术提升水厂的自动化程度;

  大数据技术:实现海量生产运行数据的采集汇聚和存储分析;

  人工智能技术:基于人工智能的机器学习能力,让水厂学会思考,更加智慧;

  CPS技术:通过信息物理技术,实现信息系统与物理系统的高度集成;

  BIM技术:通过建筑信息建模技术,实现水厂信息的高度数字化与可视化;

  智慧水厂总体框架

  智慧水厂的总体框架参考如下:

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  感知层:基于物联网技术感知、获取水厂生产运行的实时状态和数据,如流量、液位、压力、泵机状态、水质等;

  自动化控制层:基于PLC控制单元,建立水厂的集散控制体系,实现水厂的自动化控制;

  数据层:用于集中存储水厂生产运行所产生的各种数据,包括工业实时数据、工业历史数据、生产业务数据、BIM模型数据等;

  水厂智慧大脑:是智慧水厂的核心,通过大数据分析技术、数据挖掘技术、BIM技术、CPS仿真技术、机器学习技术等,构建一个水厂智慧化运行的中枢神经系统;

  智慧应用:用于水厂生产、管理、维护的智慧化人机交互应用。

  二、智慧水厂的建设步骤

  智慧水厂的建设可分为以下几个步骤:

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  第一步:实现水厂的自动化,是实现智慧水厂的基础,就好比人要先进化出手和脚,才能更好的劳作和行动;

  第二步:建立水厂智慧大脑,是让水厂智慧的关键,人类之所以比其它动物更加聪明,是因为我们有一个会思考的大脑;

  第三步:建设水厂智慧应用,基于智慧大脑的输出指令,让水厂保持最佳的运行状态。

  三、如何构建水厂的智慧大脑?

  水厂的智慧大脑主要由以下几部分组成:

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  1、工业大数据平台

  基于九鼎瑞信自主研发的“行云”大数据平台,建立基于工业互联网的工业大数据平台,提供整个智慧水厂从计划、生产、管理、物料、仓储、采购、维修等各个环节所产生的各类数据进行集中采集、存储和分析,其目标是从复杂的数据集中发现新的模式与知识,挖掘得到有价值的新信息,从而促进水厂生产管理的创新、提升经营水平和生产运作效率,是实现智慧水厂的基础。

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  2、CPS平台

  CPS(Cyber-Physical Systems)是工业4.0的核心,是对传统制造业的升级和再造。通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术,构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统,实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。

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  3、人工智能平台

  基于九鼎瑞信“行智”数据挖掘建模平台,建立水厂人工智能平台,通过基于SPARK机器学习库和TensorFlow深度学习框架,建立高级智能算法,搭建水厂的知识图谱和神经网络结构,让机器有能力“自己思考”,形成具有智慧决策能力的人工智能大脑。

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  4、可视化展示平台

  利用BIM(Building Information Modeling,即建筑信息模型)技术,结合九鼎瑞信“行明”数据可视化平台,将水厂内部的构筑物、机电设备、水处理设备、通风设备、门禁、照明、视频监控等设备信息整合到平台上,借助三维模型浏览实现水厂工艺的可视化展示,创造更多有价值的用户体验。同时,通过与自控系统等进行紧密的配合,保障水厂安全、高效、可靠地生产。

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  四、水厂的智慧应用示例

  1、基于CPS的智慧生产系统

  借助于CPS(信息物理系统)的高仿真模型和精确控制体系,结合大数据的仿真优化,完善水厂生产自动化,建立智慧生产系统,尽可能减少现场人工干预,实现水厂生产的自协调、自学习,从而全面提升整个生产过程的智慧化程度,做到自动、高效、低耗的生产控制。

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  2、智慧生产管理系统

  利用视频识别、机器人等新一代IT技术,建立生产巡检系统、水质分析系统、应急处理系统等,监视整个生产过程,及时发现并处置计划外事件,达到全厂保质、保量、安全生产的目标。

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  3、智慧仓储系统

  基于RFID技术的智慧仓储管理系统,是基于当下领先的信息技术与仓储业务相结合,从技术维度是一套集成系统,是互联网和通信网络延伸与应用扩展,是对新一代信息技术的高度集成和综合运用,涉及到:云计算、数据库技术、数据采集、移动互联网、中间件等,在业务层体现效率与准确,应用层更体现交互与体验,实现全局化、可视化、协同化的管理与洞察,作用于工作流程和库存控制,实现预期的精益化仓储管理。

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  4、智慧设备管理系统

  通过物联网技术采集设备运行的基础数据,建立机械、电气、仪表、自控、试验等设备档案管理系统、产品追溯系统和在线监测系统,并建立AI模型自动制定设备预见性维护、检修计划,实现设备的智慧化管理。

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  智慧化设备管理使得水厂可以把设备的一切机械和电气部分的意外损坏降低到最小程度,并确保把检修过的部件保持在可以接受的状态。这种检修能够充分利用部件的工作寿命,实现最大程度的节约。


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