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邊緣控制系統助力智能水務實現

邊緣控制系統助力智能水務實現

2021/9/15 15:11:57

利用工業物聯網(IIoT)實現水和污水處理的數字化轉型的工程,也是實現“智能水務(Smart Water)”的一個數字化轉型的過程。

  什么是“智能水務”?就是利用IIoT架構和設備控制并監測水處理和給水的基礎設施。這種控制系統的原理是通過使用邊緣控制器、先進的儀器儀表從而具有更好地監測、控制和預測基礎設施的能力。


  根據不斷增長的需求,讓我們看看這個過程中幾個漸進的迭代步驟:

  ●  監測:了解當前的系統狀態;

  ●  診斷:了解故障的原因和結果;

  ●  預測:利用采集的信息來預測和避免問題出現,如設備故障或關鍵過程偏差;

  ●  優化:利用采集的信息來提高效率;

  ●  學習:學習如何預測運營的行為。

  大多數現有的基礎設施只使用前兩個步驟,這意味著他們只能在監測和診斷階段受益。如果您能夠突破到下一個階段,就會得到更好的結果。新系統在設計時,必須考慮到這個轉型的過程,工廠的控制理念需要包括數據存儲的規定、支持IIoT的能力,以及使用邊緣控制器與數據云進行通信。廠長必須有明確定義的關鍵績效指標(KPI),如減少水損失、優化能耗,并承諾從按天排定或按小時排定維護計劃轉向基于按狀態的維護計劃。

  實現這些目標的基本步驟包括:

  ●  確定要監測的輸入/輸出(I/O)點;

  ●  確定或安裝監測這些數據點的儀表(最好是智能的);

  ●  納入適合連接這些數據點并對其進行處理或將其傳送到更高級別的系統;

  ●  將這些數據點記錄為有時間戳的歷史數據值以便于將它們用于分析。

  在進行數字化轉型時,從現有基礎設施的現代化投資中獲得最大收益,是現有公用事業部門應努力實現的其中一個目標。在這個過程中,公用事業部門的經營者們,請考慮以下幾個問題:

  1.這個新的基礎設施是否是面向未來的?

  任何新建系統的安裝或現有系統的擴建都必須納入“智能水務”的概念,因為這些基礎設施項目是長周期的,需要高額的資本支出,而且不能搭建在20世紀中期的過時架構中。

  2.在競爭激烈、資本支出縮減的世界中新的基礎設施是否有競爭力?

  減少運營和維護費用是公用事業部門競爭的有利條件。使用邊緣控制器提高數字化程度可以大大降低運營和維護成本,從而省下更多資金用于擴建和新建基礎設施。


  3.新的基礎設施能否通過手持設備進行遠程控制?

  在后疫情時代,人們更看重遠程查看和監測水務基礎設施等關鍵過程的能力。要實現這一目標就必須在控制系統中納入IIoT解決方案。

  4.控制系統是否具有網絡安全性?

  隨著黑客針對電力和水務等公共事業部門的攻擊不斷增加,公共事業部門必須認識到,一定要使用像艾默生RX3i CPL410(已通過阿基里斯2級認證)這樣的網絡安全控制器。它不僅提供加密的固件更新,還能防止未經授權的固件和配置更新,并防止“中間人”和“拒絕服務”等網絡攻擊。

  5.目前的勞動力狀況如何?

  勞動力狀況對數字化轉型之旅的成功與否關系重大。正在被新一代操作員和工程師逐漸取代的老齡化勞動力需要接受未來技術的培訓。此外,以往的經驗可能有助于增強他們的能力。過時的控制系統不僅對他們沒有吸引力,而且還可能妨礙他們的工作。此外,高管(CXO級別的員工)必須接受培訓,以明確界定需要監測和加強的關鍵績效指標;否則,在沒有及時投資的情況下,確實有可能過早地產生不現實的期望。


  當今社會,所有行業都在經歷某種形式的數字化轉型;傳統的控制系統、信息技術和數據科學的融合正在為新的解決方案鋪平道路。隨著這三方面技術轉型的發展,新的應用變得可能。

  部署技術能力的關鍵在于業務轉型:驅動過程的可靠性,成品的質量,超越競爭對手的競爭力,以及事半功倍的能力。

  在水務行業,成品是飲用水或處理后的污水。公用事業部門需要實現降低成本、增加過程可靠性以及合規等目標的方法。這種匯集在一起的需求為水務行業帶來了新的可能性,因為在不同的地區,提供更好的水處理的挑戰越來越大。從中央監測,到數字雙胞胎,再到數據分析,正在實施新的解決方案以提高處理效率并實現更好的預測分析。所有這些概念都被封裝在業界所謂的“智能水務”中。

  另外,水處理項目是長周期項目,并且這樣的基礎設施會持續使用很長時間。與石油天然氣和電力行業相比,該行業傳統上投資更少,這意味著水處理行業很多基礎設施已經20多年沒有升級了。

  但是,時代變了。老化的基礎設施正在被改造,人們問的第一個問題是:“它看起來會和原來一樣嗎?當花費巨額資本支出升級改造后有哪些先進技術能被利用從而獲得最大回報?”

  這就是采用邊緣控制器解決方案的“智能水務”架構的由來。在新建項目(尤其是智慧城市的項目)中,水處理項目的規范已經發展到包括增強的數字化。然而,在整個周期中實現完全數字化還需要做更多的工作。

  根據現有系統的市政給水設施的規模不同,技術選擇可能也會有所不同。中小型設施可能采用可編程邏輯控制器(PLC)和SCADA架構,如艾默生的PACSystem PLC,而大城市的大型公用事業部門可能采用分布式控制系統(DCS),如艾默生的Ovation自動化系統。

  然而,納入邊緣控制器架構的理念是獨立于現有的控制基礎架構的。邊緣控制器可以很容易地擴展控制理念并改變現有的操作。 

  邊緣自動化是在云邊緣運行過程的理念。這個想法是為了讓傳統的過程控制能夠與外部算法和命令進行互操作,同時關注核心過程自動化。例如,提高工廠產量的策略可能運行在邊緣控制器上,甚至運行在云上。必要時,它可以調整輸入參數或過程的設定值,以達到期望的結果。

  邊緣控制器還可以跨過程或地理位置將數據上傳到云端。也可以在單個位置依次查看和分析這些數據,以便進行比較分析并獲得洞察力。例如,用戶可以跨不同過程或地理位置比較同一制造商的100臺電機的能源使用數據,以比較能耗數據并在故障發生前識別故障。


  2021年是特殊的一年,每個行業都有應對和適應新冠肺炎威脅的特殊示例。人們迫切需要更多的數字化,特別是在更好的遠程監控和內置安全性方面。工廠操作員和工程師應該能夠遠程控制工廠和診斷故障,以保持過程的連續性,并且人工干預更多的是為了采取措施,而不是進行診斷。

  盡管新冠肺炎疫情最終可能會平息,但一個新常態已經形成——過去幾個月已經讓決策者清楚地相信,為了在新冠肺炎疫情等情況下獲得更好的運營控制,以及提高競爭力、質量和可靠性,更多的數字化和更智能的水務是絕對必要的。

  世界各國政府都在實施量化寬松政策,由此產生的資金也流入了水務行業。有專門針對水務基礎設施現代化的具體立法,其中許多資金將繼續用于在2021年及以后實施數字化基礎設施,加強控制系統架構。一個強大且具高可用性的邊緣控制系統將是數字化轉型之旅中必不可少的一步,也是水務行業數字化轉型中的一個最關鍵的部分。 

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審核編輯(
王靜
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