1 引言
目前我国水厂的自动化程度已经很高，基本实现了水泵自动运行、水质实时检测、加药量根据水质实时变化等无人值守的全自动运行状态。然而，近年来，随着大数据、云计算、物联网等新技术的快速发展与应用，“智慧水务”的发展理念受到普遍关注和认可，也得到大力推行[1]。“智慧化”水厂正在逐步取代“自动化”水厂。
2 自动化水厂概述
自动化水厂系统参见图1所示，自动水厂以PLC为核心控制器，采集设备的信号，控制设备的运行；以工控机为控制中心，远程监控整个水厂的设备参数与运行状态；以工业用超声液位传感器、流量传感器、PH计、余氯检测仪、COD检测仪、电磁阀、变频器、电机等一系列传感、检测、控制设备为控制终端，配合PLC与工控机完成自动化水厂的控制。
图1 自动化水厂系统图
2.1 系统图纸设计
硬件控制结构图参见图2所示，图纸设计用CAD进行绘制，水厂一般分为主站、过滤设备从站、PAC加药站、PAM加药站、臭氧站、次氯酸钠站、提升泵站、风机站、二次供水站等。一个站点设置一个控制柜，主站综合控制其余各个分站。
图2 硬件控制结构图
2.2 系统软件设计
软件设计用PLC软件编程，目前市场上常用的品牌有西门子、欧姆龙、三菱、AB等。以西门子为例，主站采用300PLC控制，从站采用smart200PLC控制 ，主站与各个从站之间采用PROFIBUS-DP（简称DP）通信，从站将数据通过DP通信传递给主站，主站进行统一控制与监测。
2.3 系统监控中心设计
监控中心用工控机控制，目前市场上常用的品牌有研祥、研华等，软件常用组态王、WINCC等。工控机接口众多，常用接口有网口、RS485口、RS232口、DP口、USB口等，为与主站及控制设备的连接提供了便利条件，随着网络信号的稳定，工控机与主站通过以太网通信的方式越来越多，以西门子WINCC监控软件为例，wincc上位机软件流程图参见图3 所示。
图3 wincc上位机软件流程图
3 智慧化水厂概述
严格来说，智慧化水厂包含自动化水厂，自动化水厂是智慧化水厂的基础。智慧化水厂在自动化水厂的基础上引入新的技术，充分结合当前物联网、BIM、大数据等技术对水厂进行进一步的智慧改进，形成一套智慧化的管理运营体系。
3.1 系统图纸设计
图纸设计在原有CAD的基础上引入BIM技术，使用BIM技术可以使规划、设计（初步设计、技术设计、施工图）、竞标、建造、经营、管理各个环节信息连贯一致，包
括设计与几何图形、成本、进度信息等。BIM系统管理结构图参见图4所示。
图4 BIM系统管理结构图
水厂采用BIM技术，不但可有效的保障项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都可在“可视化”的状态下进行[2]，而且可以利用BIM对一些场景进行模拟实验，例如节能模拟、日照模拟、紧急疏散模拟、施工方案模拟等。从根本上解决了传统CAD图纸存在的三维缺陷、信息收集局限性、各个专业各自为政、设计施工不串联性等缺点，大大节约了水厂的建造施工成本，减少设计施工变更，提高项目整体效率。
3.2 系统软件设计
软件层面上，在原有的PLC基础上引入物联网，物联网概念在21世纪初一经提出，马上引起了全球的关注[3]。物联网顾名思义，就是“物物相连的互联网”，是在互联网基础上的延伸与扩展，核心技术包含RFID射频技术、传感器技术、无线通信技术、云计算技术
等。物联网关键技术参见图5所示。
图5 物联网关键技术图
采用物联网技术对原有的PLC控制进行改进，除了对水厂设备进行控制外，还可对水厂的员工宿舍、中央控制室、配电间、设备房等进行智能控制。如配电间房门可设置刷脸进入装置，以防止外来人员随意进入，发生触电事故；厂区内地上管道，可搭配摄像头，若管道突然漏水，则摄像头马上对准漏水处且向管理人员发出报警；设备房或办公室可设置人来灯亮人走灯灭，窗帘自动开关等场景。
PLC控制的一大缺陷是电缆铺设维护问题，物联网则很好的规避了这个问题。随着5G网络的到来，网络信号稳定性强，响应速度快，无线传感器完全可以代替有线传感器对水厂进行水质、水位、加药量检测。水厂控制引入物联网技术是大势所趋，不但可以降低后期水厂的经营维护费用，还可大大提高水厂的安全性及工作人员的舒适度。物联网软控制拓扑关系参见图6所示。
图6 物联网软控制图
3.3 系统监控中心设计
参见图7所示，监控中心在原有的监控软件基础上引入大数据、云计算技术，形成大数据云计算平台。简单来说，云计算是硬件资源的虚拟化，而大数据是海量数据的高效处理。监控中心收集水厂所有传感器、前端设备及各种控制器信号形成大数据，经云计算进行计算、存储形成有用的数据分析结果，并将数据分析结果运用到水厂的实际生产运营中。如不同水质的加药量统计，当水厂PH值、COD值为某一值时，系统会根据以往的加药数据自动调整加药量。
图7 数据交互图
利用大数据云计算技术搭建的智慧水厂统一管理平台，强大的三维平台比以往的监控软件可视化更强，可操作性功能更多，数据更加完整、智能化程度更高。智慧化水厂系统总体架构集成图8所示。
图8 智慧化水厂系统图
4 结束语
根据以上自动化水厂与智慧水厂的对比分析，智慧水厂的建设，应该打破以往的思路，自上而下，做好顶层设计，站在智慧城市的高度，利用云计算、大数据等新的信息技术和思路，将水厂的管理、服务工作全面的智慧化，通过提升管理、服务的能效来保证水厂的安全、可靠、绿色[4]。