人工智能在自来水厂电气自动化控制中的应用

钟 逵

（浙江中控信息产业股份有限公司，浙江 杭州 310051）

引言

城市自来水厂日常运作中，主要是使用取水泵站汲取自然界中的水源或者是地下水，经过沉淀、效度、过滤等多项工艺，由独立配水泵站通过复杂的城市供水管网架构将水输送给群众。从现代自来水厂基本结构来看，电气自动化控制是现代水厂中的主要组成部分。将人工智能技术运用在自来水厂的电器自动化控制中，能够保证水厂的高效稳定运行。

1 自来水厂的电气自动化控制形式

自来水厂中使用的控制技术主要包含四个方面，分别是水质监测、水处理、变频节能、综合自动化技术。在水厂自动化控制技术当中，可以将其细化为数据的采集、设备运行的动态监控、集散控制等多方面。整体上来看就是个人计算机与可编程逻辑控制器组成的系统。SCADA系统所覆盖范围比较大，通讯方式也相对灵活，但是实时性问题不够，实际难以控制。DCS系统属于分布式控制系统，能够切实达成分散控制目标，系统的实时性特征也非常显著，但是实际编程难度比较大，要求研发和维护人员具备极高的专业素养、素质。IPC+PLC系统能够实现分级分布控制的目标，也可以实现集中管理。PLC具备极高的稳定性与可靠性，提供可编程操作，设备维护也相对简单，开发周期较长，系统配置也十分灵活和方便，能与施工现场信号相连接，实现机电一体化控制[1]。

2 电气自动化控制在自来水厂中的发展现状

2.1 电气自动化控制技术发展运用

国内经济可持续发展的实现，促进自动化技术的越发成熟，电厂、化工厂都对自动化技术十分重视，但是自来水厂的工业化进程十分缓慢。近年来国家重视自来水厂的自动化建设，重视程度远远超过其他行业，这也让新建自来水厂的规模大于传统的自来水厂。传统的自来水厂建设具备足够丰富的经验，但是受到传统思想、陈旧设备等的影响，水厂实现全面自动化十分困难，除了需要大量的资金设备作为支持以外，还需要大量时间来建设、贯彻、落实。

2.2 人工智能技术运用

人工智能技术是计算机信息技术的一个分支技术，实际使用的本质是使用性能优良的计算机模拟人脑来进行思考、处理工作，同时依靠现代信息系统对获取的数据进行智能、全面管理，获得与人类作业相似的成果。现实生活中这一项技术主要包含语音识别、文字处理、机器人制造和图像等多个技术，这些技术在自来水厂电气自动化控制中发挥了巨大的作用。自来水厂是城市的基础部分，需要24 h全方面不停运转，传统自来水厂在处理进水、过滤、效度等作业的时候，都需要大量的人工作业参与其中。而使用人工智能技术能够大大提高整体的工作效率，降低作业成本并减少施工中存在的误差。

3 人工智能在自来水厂自动化控制中的运用

3.1 设备操作

电气自动化控制在自来水厂中的运用十分广泛，自来水厂具备服务性质，是公益性基础设施，需要24 h全天候供应水，因此需要借助电气自动化控制来掌握水厂的日常工作。在电气自动化控制技术使用过程中也会存在一些问题，比如处理问题相对死板，突发性问题解决十分困难，仍旧需要人力完成。此时在系统中融合智能化技术，将该技术与自来水厂的设备、管理相融合，使用人工智能技术根据设备的运行状态、工况等进行合理规划，保证水厂内部电气自动化设备能始终处于正常工作状态，同时也可以根据实际需要和用水需求，自动调整工作效率，撤换效率较低、容易发生事故的电气设备自动化故障，更换性能全面而丰富的电气自动化设备，提高水厂的整体安全系数来保证整体管理水平的提升[2]。

3.2 故障诊断

人工智能技术主要是模拟人的思维和想法，对人的行为进行分析。人工智能技术不仅仅能操控水厂的内部设备，也可以实现对电气自动化设备的故障诊断、分析处理。自来水厂的工作中变压器和电动机等装置是自来水厂运行正常、安全的核心，是主要的电气自动化设备。实际生产中自来水厂的运行需要24 h不间断运行，长期高负荷运行状态下设备出现概率的可能性非常大。自来水厂内部监控能够管理生产设备，实现对设备的运行调度，动态监测生产作业周边的地理环境，从各方面来看人工智能技术使用都存在巨大的价值。能对自来水厂内部变压器的工作状态实现动态监测、监控、调度，体积设备运行过程中产生的数据，在此基础上建立起人工智能大数据。自来水厂核心电气自动化设备运行的时候产生大量数据，对这部分数据进行分析、整理、提取，构筑出符合当前发展需要的数据模型，当系统监测出设备生产中异常参数的时候，将其与正常模型对比，自动处理故障信息，及时发出预警。在生产事故之前，能对设备生产的故障进行分析处理，保证自来水厂能够正常运转，提高实际工作效率。

3.3 需求预测

自来水厂工作范围包含水厂内部水资源的存储、生产，同时包含供水调度需求。在水厂的日常工作当中，在保证水厂内部正常运行基础上，需要考虑整个生产过程中的实时数据管理，保证用户能够随时享受到安全、洁净、快速的净水服务。系统在此过程中收集大量的数据，建立起符合用户用水习惯的与内部自来水厂设备相符合的模型。在这个过程中使用人工智能算法技术预测短时间之内人们的用水量需求，计算出水厂内部核心设备所需要的最大输出总功率。根据水厂内部结构不同泵室运行安全的需要，使用智能化技术来进行智能自动化控制，满足水厂供水任务的设备运行配比从而实现稳定供水，达到节水降耗的目的。智能化技术还可以采集水厂内设备在不同时间内运行产生的数据，借助人工智能系统实现数据的采集、处理，实现数据的自我学习、自我优化，让水厂工作状态逐步稳定。早期人们使用人工智能技术时候需水厂的内部员工来辅助处理。当技术使用逐步成熟之后智能化系统可以自动作业，替代传统的人工作业来降低水厂的工作车成本。

3.4 工艺调节

在人工智能技术使用的过程中，人工智能技术具备显著的自我学习能力，在运行过程中实现对数据的实时统计和分析，根据得到的数据进行分析和处理。另外根据预先输入的知识或者是理论经验，对突发事件进行初步的推演、计算，用来解决实际遇到的问题。自来水厂水质处理过滤生产中，进水水质质量稳定性是影响自来水厂出水的关键因素。过滤系统中引入人工智能降技术来进行调控，能够实现对过滤设备参数工艺系数、出水质量指标等进行控制，实现调控数据的分析与学习。在系统运行中可以实现提前预警，自动处理、调控工艺参数，将水质不稳定对自来水厂产生的影响因素降低到最小，进一步保证自来水厂的工作效率，提高自来水的过滤质量[3]。

3.5 智能变频

从自来水厂处理实际效果来看，用水量变化大的问题客观存在的，季节与时段不同，用户对用水量需求也存在明显的差别。季节不同、时段不同，用户对用水需求量也有显著差异。水厂供水系统必须根据用户实际情况来进行适当地调整。低峰阶段水泵机组根据高峰阶段标准运行，可以利用阀门来调节，整体能耗比较大，但是机组运行也会受到影响。最佳方式是根据实际用水量对水泵机组运行开展自动化控制，实现节能环保的目标，让水厂的自动化水平显著提升。在节能技术的使用中变频调节技术是比较突出的节能技术，节能效果显著，可以通过冗余设计和用水变化所产生的电能资源消耗真正节省下来。变频调速控制技术是指以变频调整原理为基础，在保证供水系统用水量变化的基础上，自动化调整水泵工况让其达到降低损耗和提高工作效率的目的。变频器是一种以变频调速技术来作为基础改变概率调整电机转速装置，作为一种先进的调频技术，变频器不仅仅能实现大范围调频，具备很高的可靠性和操作性，同时具备显著的节电效果。使用变频器实现变频节能供水，通过使用恒压变量、变压变量两种方式来实现。恒压变量供水系统通过调整变频器转速来保证水压不变，该技术使用比较成熟使用范围广。变压变量供水系统根据用户用水量变化来调整变频器转速、供水压力，在现实生活的使用中该方式具备显著的节能效果。实际运用由于受到水头损失等因素的影响，实际用量难以确定[4]。

3.6 案例

某水电厂目前设置了四个泵房，所有泵房安装的送水泵均为10 kV机组，建设初期所有机组都处于工频运行状态，给调度、管网压力调节工作的开展造成麻烦，客观上诱导市政管网发生爆管，后期不断进行调节、技术改良，当前有两个泵房已经具备自动调节运行参数来控制水压力的稳定技术能力。为保证供水技术有效而稳定的开展，针对泵房设置一拖二变频的控制系统，保证单台水泵设备也可以在工频和变频的技术条件下开展。针对该项目使用的设备机组，控制技术主要分为两类，分别是开环控制技术、闭环控制技术。开环控制技术是的机械设备遵守技术在上位机或者是触屏中设定的频率参数。闭环控制是机组设备人员在上位机与触屏装置中设定压力参数值之后，技术结合实际运行状态，自动设定压力调节泵在运行过程中的频率和参数，借此开展增泵操作，保证水泵设备运行过程中参数压力值能够处于稳定水平，保证运行中的参数稳定，达到标准水平。在维持压力参数处于稳定状态的背景下，技术通常会自动采集自动化设备运行中产生的故障状态信息。如果系统发生故障报警，对应机组设备处于正常运行状态下，系统会自动发出停止运行的指令，同时发出停止运行的指令和警报信号，机组设备设立绕组温度参数，当系统检测到温度超过预警数值的时候，自动提醒值班人员开展管理措施，自动报警通知管理人员。温度超过报警数值的时候系统会自动报警，同时强制性停止。本次项目能够自动遵守设定的压力参数控制泵的启停，实现变频与工频的切换，泵的运行参数能够达到恒压供水目标。当2台泵处于变频运行状态的时候，泵的运行模式效率将同步[5]。

人工智能技术在水厂电气自动化控制中的实现，首先了解供水区域内的用水量需求，实现二次增压泵站的最优技术控制。其次根据实际生产控制所提供的生产技术数据，引入管网不利点、管网末梢电压力测定数据作为基础，保证水业务正常开展，通过收集数据建立模型，使用人工智能技术预测在半个销售与一个小时之内的用水需要，计算出总输出功率，结合泵房的设备配置情况，通过自动化控制技术来实现技术的最佳控制，实现安全供水和节能增效的目标。

4 结语

电气设备组件是现代自来水厂生产设备自动化组成的重要部分，将人工智能技术运用在城市自来水的电气自动化控制中，加以运用智能化技术，能够维持城市自来水厂的日常生产，优化设备性能，保证水质的输出质量，满足水厂发展的经济效益与社会效益。