人工智能在自來水廠電氣自動化控制中的應用

鐘 逵

（浙江中控信息產業股份有限公司，浙江 杭州 310051）

引言

城市自來水廠日常運作中，主要是使用取水泵站汲取自然界中的水源或者是地下水，經過沉淀、效度、過濾等多項工藝，由獨立配水泵站通過復雜的城市供水管網架構將水輸送給群眾。從現代自來水廠基本結構來看，電氣自動化控制是現代水廠中的主要組成部分。將人工智能技術運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定運行。

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主要包含四個方面，分別是水質監測、水處理、變頻節能、綜合自動化技術。在水廠自動化控制技術當中，可以將其細化為數據的采集、設備運行的動態監控、集散控制等多方面。整體上來看就是個人計算機與可編程邏輯控制器組成的系統。SCADA系統所覆蓋范圍比較大，通訊方式也相對靈活，但是實時性問題不夠，實際難以控制。DCS系統屬于分布式控制系統，能夠切實達成分散控制目標，系統的實時性特征也非常顯著，但是實際編程難度比較大，要求研發和維護人員具備極高的專業素養、素質。IPC+PLC系統能夠實現分級分布控制的目標，也可以實現集中管理。PLC具備極高的穩定性與可靠性，提供可編程操作，設備維護也相對簡單，開發周期較長，系統配置也十分靈活和方便，能與施工現場信號相連接，實現機電一體化控制[1]。

2 電氣自動化控制在自來水廠中的發展現狀

2.1 電氣自動化控制技術發展運用

國內經濟可持續發展的實現，促進自動化技術的越發成熟，電廠、化工廠都對自動化技術十分重視，但是自來水廠的工業化進程十分緩慢。近年來國家重視自來水廠的自動化建設，重視程度遠遠超過其他行業，這也讓新建自來水廠的規模大于傳統的自來水廠。傳統的自來水廠建設具備足夠豐富的經驗，但是受到傳統思想、陳舊設備等的影響，水廠實現全面自動化十分困難，除了需要大量的資金設備作為支持以外，還需要大量時間來建設、貫徹、落實。

2.2 人工智能技術運用

人工智能技術是計算機信息技術的一個分支技術，實際使用的本質是使用性能優良的計算機模擬人腦來進行思考、處理工作，同時依靠現代信息系統對獲取的數據進行智能、全面管理，獲得與人類作業相似的成果。現實生活中這一項技術主要包含語音識別、文字處理、機器人制造和圖像等多個技術，這些技術在自來水廠電氣自動化控制中發揮了巨大的作用。自來水廠是城市的基礎部分，需要24 h全方面不停運轉，傳統自來水廠在處理進水、過濾、效度等作業的時候，都需要大量的人工作業參與其中。而使用人工智能技術能夠大大提高整體的工作效率，降低作業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用

3.1 設備操作

電氣自動化控制在自來水廠中的運用十分廣泛，自來水廠具備服務性質，是公益性基礎設施，需要24 h全天候供應水，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，突發性問題解決十分困難，仍舊需要人力完成。此時在系統中融合智能化技術，將該技術與自來水廠的設備、管理相融合，使用人工智能技術根據設備的運行狀態、工況等進行合理規劃，保證水廠內部電氣自動化設備能始終處于正常工作狀態，同時也可以根據實際需要和用水需求，自動調整工作效率，撤換效率較低、容易發生事故的電氣設備自動化故障，更換性能全面而豐富的電氣自動化設備，提高水廠的整體安全系數來保證整體管理水平的提升[2]。

3.2 故障診斷

人工智能技術主要是模擬人的思維和想法，對人的行為進行分析。人工智能技術不僅僅能操控水廠的內部設備，也可以實現對電氣自動化設備的故障診斷、分析處理。自來水廠的工作中變壓器和電動機等裝置是自來水廠運行正常、安全的核心，是主要的電氣自動化設備。實際生產中自來水廠的運行需要24 h不間斷運行，長期高負荷運行狀態下設備出現概率的可能性非常大。自來水廠內部監控能夠管理生產設備，實現對設備的運行調度，動態監測生產作業周邊的地理環境，從各方面來看人工智能技術使用都存在巨大的價值。能對自來水廠內部變壓器的工作狀態實現動態監測、監控、調度，體積設備運行過程中產生的數據，在此基礎上建立起人工智能大數據。自來水廠核心電氣自動化設備運行的時候產生大量數據，對這部分數據進行分析、整理、提取，構筑出符合當前發展需要的數據模型，當系統監測出設備生產中異常參數的時候，將其與正常模型對比，自動處理故障信息，及時發出預警。在生產事故之前，能對設備生產的故障進行分析處理，保證自來水廠能夠正常運轉，提高實際工作效率。

3.3 需求預測

自來水廠工作范圍包含水廠內部水資源的存儲、生產，同時包含供水調度需求。在水廠的日常工作當中，在保證水廠內部正常運行基礎上，需要考慮整個生產過程中的實時數據管理，保證用戶能夠隨時享受到安全、潔凈、快速的凈水服務。系統在此過程中收集大量的數據，建立起符合用戶用水習慣的與內部自來水廠設備相符合的模型。在這個過程中使用人工智能算法技術預測短時間之內人們的用水量需求，計算出水廠內部核心設備所需要的最大輸出總功率。根據水廠內部結構不同泵室運行安全的需要，使用智能化技術來進行智能自動化控制，滿足水廠供水任務的設備運行配比從而實現穩定供水，達到節水降耗的目的。智能化技術還可以采集水廠內設備在不同時間內運行產生的數據，借助人工智能系統實現數據的采集、處理，實現數據的自我學習、自我優化，讓水廠工作狀態逐步穩定。早期人們使用人工智能技術時候需水廠的內部員工來輔助處理。當技術使用逐步成熟之后智能化系統可以自動作業，替代傳統的人工作業來降低水廠的工作車成本。

3.4 工藝調節

在人工智能技術使用的過程中，人工智能技術具備顯著的自我學習能力，在運行過程中實現對數據的實時統計和分析，根據得到的數據進行分析和處理。另外根據預先輸入的知識或者是理論經驗，對突發事件進行初步的推演、計算，用來解決實際遇到的問題。自來水廠水質處理過濾生產中，進水水質質量穩定性是影響自來水廠出水的關鍵因素。過濾系統中引入人工智能降技術來進行調控，能夠實現對過濾設備參數工藝系數、出水質量指標等進行控制，實現調控數據的分析與學習。在系統運行中可以實現提前預警，自動處理、調控工藝參數，將水質不穩定對自來水廠產生的影響因素降低到最小，進一步保證自來水廠的工作效率，提高自來水的過濾質量[3]。

3.5 智能變頻

從自來水廠處理實際效果來看，用水量變化大的問題客觀存在的，季節與時段不同，用戶對用水量需求也存在明顯的差別。季節不同、時段不同，用戶對用水需求量也有顯著差異。水廠供水系統必須根據用戶實際情況來進行適當地調整。低峰階段水泵機組根據高峰階段標準運行，可以利用閥門來調節，整體能耗比較大，但是機組運行也會受到影響。最佳方式是根據實際用水量對水泵機組運行開展自動化控制，實現節能環保的目標，讓水廠的自動化水平顯著提升。在節能技術的使用中變頻調節技術是比較突出的節能技術，節能效果顯著，可以通過冗余設計和用水變化所產生的電能資源消耗真正節省下來。變頻調速控制技術是指以變頻調整原理為基礎，在保證供水系統用水量變化的基礎上，自動化調整水泵工況讓其達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速技術來作為基礎改變概率調整電機轉速裝置，作為一種先進的調頻技術，變頻器不僅僅能實現大范圍調頻，具備很高的可靠性和操作性，同時具備顯著的節電效果。使用變頻器實現變頻節能供水，通過使用恒壓變量、變壓變量兩種方式來實現。恒壓變量供水系統通過調整變頻器轉速來保證水壓不變，該技術使用比較成熟使用范圍廣。變壓變量供水系統根據用戶用水量變化來調整變頻器轉速、供水壓力，在現實生活的使用中該方式具備顯著的節能效果。實際運用由于受到水頭損失等因素的影響，實際用量難以確定[4]。

3.6 案例

某水電廠目前設置了四個泵房，所有泵房安裝的送水泵均為10 kV機組，建設初期所有機組都處于工頻運行狀態，給調度、管網壓力調節工作的開展造成麻煩，客觀上誘導市政管網發生爆管，后期不斷進行調節、技術改良，當前有兩個泵房已經具備自動調節運行參數來控制水壓力的穩定技術能力。為保證供水技術有效而穩定的開展，針對泵房設置一拖二變頻的控制系統，保證單臺水泵設備也可以在工頻和變頻的技術條件下開展。針對該項目使用的設備機組，控制技術主要分為兩類，分別是開環控制技術、閉環控制技術。開環控制技術是的機械設備遵守技術在上位機或者是觸屏中設定的頻率參數。閉環控制是機組設備人員在上位機與觸屏裝置中設定壓力參數值之后，技術結合實際運行狀態，自動設定壓力調節泵在運行過程中的頻率和參數，借此開展增泵操作，保證水泵設備運行過程中參數壓力值能夠處于穩定水平，保證運行中的參數穩定，達到標準水平。在維持壓力參數處于穩定狀態的背景下，技術通常會自動采集自動化設備運行中產生的故障狀態信息。如果系統發生故障報警，對應機組設備處于正常運行狀態下，系統會自動發出停止運行的指令，同時發出停止運行的指令和警報信號，機組設備設立繞組溫度參數，當系統檢測到溫度超過預警數值的時候，自動提醒值班人員開展管理措施，自動報警通知管理人員。溫度超過報警數值的時候系統會自動報警，同時強制性停止。本次項目能夠自動遵守設定的壓力參數控制泵的啟停，實現變頻與工頻的切換，泵的運行參數能夠達到恒壓供水目標。當2臺泵處于變頻運行狀態的時候，泵的運行模式效率將同步[5]。

人工智能技術在水廠電氣自動化控制中的實現，首先了解供水區域內的用水量需求，實現二次增壓泵站的最優技術控制。其次根據實際生產控制所提供的生產技術數據，引入管網不利點、管網末梢電壓力測定數據作為基礎，保證水業務正常開展，通過收集數據建立模型，使用人工智能技術預測在半個銷售與一個小時之內的用水需要，計算出總輸出功率，結合泵房的設備配置情況，通過自動化控制技術來實現技術的最佳控制，實現安全供水和節能增效的目標。

4 結語

電氣設備組件是現代自來水廠生產設備自動化組成的重要部分，將人工智能技術運用在城市自來水的電氣自動化控制中，加以運用智能化技術，能夠維持城市自來水廠的日常生產，優化設備性能，保證水質的輸出質量，滿足水廠發展的經濟效益與社會效益。