自动化水系统控制

一目了然 保持恒定的生产水平 确保水质 满足多变的需求 减少调整 自动化是为了节约和提高效率

荷兰主要建在填海造陆的土地上，一直与水有着密切的关系。它在土地开垦、水管理和饮用水净化方面一直是创新者。作为该国领先的饮用水公司之一，PWN在许多这些创新中发挥了作用，目前向每年消耗约1000亿升饮用水的150多万居民提供水。

当处理厂保持恒定的产出水平时，它们的运行效率最高，产出的产品质量最高，但PWN面临着白天变化很大的水需求。过去，该公司三个控制室的操作人员必须全天候(通常是每小时)调整生产水平，以使产量与波动的需求相匹配。

运营商必须将饮用水生产与需求分开，以有效利用公司的清洁水库，并保持生产水平不变。理论上，这些行动减少了所需的生产能力。它们还要求运营商对饮用水需求做出高度准确的估计。即使是很小的估计错误也经常导致生产率的剧烈调整。

使这一过程复杂化的其他因素包括由租赁合同和能源价格引起的不同的水源成本。此外，严格的质量要求导致处理工艺越来越复杂，对生产产出水平的变化很敏感。

最近，PWN实现了一个规则引擎应用程序，该应用程序根据地区、星期几和天气等因素预测饮用水需求。规则引擎计算每个公司工厂的生产水平，以满足需求，同时最小化生产成本。这种新系统可以将产量变化的次数减少到每天一次。

PWN还实施了新的西门子自动化控制系统(PCS-7)，该系统允许水务公司从一个独立于站点的位置控制所有工厂，最大限度地提高操作灵活性，并使规则引擎应用程序无需人工干预即可运行每个工厂。

这种新方法的效率要高得多，它将现有工厂能够满足的需求水平提高了10%以上。这意味着PWN将能够将其预计的3000万至5000万美元的新产能投资推迟10至20年。

水干净，成本低

PWN经营着几百口井，25个水处理和分配工厂，以及庞大的分配网络。该公司的部分产出包括将地表水抽到沙丘中储存，然后通过附近的井将其抽回。部分饮用水由地表水通过膜过滤或UV/H2O2处理等复杂和高度敏感的工艺生产。

更少的调整

为了应对日益严重的污染水平和更严格的立法，新工艺需要更复杂的控制策略。十年前，操作人员在该公司的八个控制室昼夜不停地工作。从那时起，PWN投资了过程自动化设备，将控制室的数量减少到三个。

以前，运营商对未来的需求只有一个大致的了解，因此他们不断调整工厂的生产水平，以保持他们确信可以避免短缺的库存量。为了维持适当的水库水位，需要经常进行调整。平均而言，每个工厂在典型的24小时内要进行10多次调整。

在此之前，运营商对不同水源的成本有一个大致的了解，但没有时间进行必要的详细计算以优化成本。此外，通过水处理过程突然调整流量水平可能会影响饮用水质量。

由于这些困难，PWN管理采用了一种新的过程控制理念:建立集中的、独立于位置的控制和无人控制室。

PWN的运营和水技术经理Antoine Freijters说:“因为我们从组织和技术的角度来看都是在开拓新的领域，所以找到一位有经验和专业知识的顾问来指导我们是很重要的。”该公司之所以选择Vertis BV，是因为它在开发控制策略方面的经验，以及它强大的沟通技巧，这有助于在所有组织层面上销售该项目。

PWN的创新经理Peer Kamp表示:“一个主要的挑战是，操作员的控制范围越来越大，他们与物理过程的距离越来越远，而过程控制系统需要人工干预，因此需要缩短反应时间。”“其中一个问题是如何设计控制系统，使过程操作员在99%的情况下依靠自动驾驶仪，在异常情况发生时能够有效地介入。在Vertis的帮助下，我们开发了一种新的过程自动化理念，旨在创建统一且清晰的人机界面格式。我们讨论了人体工程学指导原则，开发了一种新的报警理念，为过程自动化建立了分层结构，并定义了一套软件需求。”

开发专家系统

现有的过程控制系统被西门子PCS 7控制系统所取代。新系统使得从任何位置控制公司所有设施成为可能，减少了控制公司水生产网络所需的操作人员数量。接下来，开发了一个专家系统，利用模型、规则和程序来获取和部署人类专业知识，以预测第二天的饮用水需求，并确定满足该需求的生产水平，通常每天只更改一个设定值，如果需要，还会进行一次额外的调整。

Vertis的项目经理Maarten Wetterauw表示:“我们的第一步是采访PWN经理、技术人员和运营商，以更好地了解控制其生产设施所涉及的问题。“我们的目标是记录所有涉及的问题，并将它们转换为数学算法，从而自动控制每个工厂的运行。”

当他们记录监控逻辑时，Vertis工程师必须为专家系统开发选择规则引擎和平台。“监控逻辑可以用C语言从头开始编写，但它只能由编写程序的人来维护。随着时间的推移，即使是他们也可能会忘记它是如何建造的。”“与PWN一起，我们选择了Gensym的G2实时规则引擎作为专家系统开发的基础，因为它使开发和维护知识规则变得非常容易。

“G2为流程工程师提供了一个他们可以理解的环境，”他继续说道，“这样他们就可以轻松地开发和修改自己的规则。G2支持在算法的同时开发用户界面，并提供一个离线环境，可以评估不同的控制策略和假设场景。PWN还喜欢G2在闭环专家系统方面的良好记录。”

Vertis通过开发三个名为Plenty Control的模块完成了项目目标。这些模块是与PWN工程师和运营商密切合作开发的。G2的编程是由位于阿姆斯特丹的Illyan完成的。

第一个模块使用上个月的趋势、一周中当天的历史数据、天气预报、地区和其他信息来预测24小时内的需求。第二种方法是根据可用产能的假设来计算公司五个站点的生产率，以满足这一需求，同时最小化成本，并且每天只允许一次生产率变化。第三个模块维护一个实际产能的数据库(例如，通过跟踪设备的维护)，并检查第二个模块的输出，以确保生产计划不会超过实际产能。该模块采用OPC协议对西门子控制系统进行闭环监控，并使用ODBC标准访问AspenTech IP21数据库中的历史信息。

PWN的高级工程师Henk van Duist说:“我习惯用Visual Basic和(微软)Excel编程，因此在这些环境中构建了预测模块和生产模块的初步版本。我非常高兴地认识到G2用户界面的灵活性，这在动态环境中非常重要。尽管设计师、开发人员、程序员和关键用户之间经常发生争执，但我们设法交付并实现了一个非常成功的应用程序。现在，Vertis和我正在协助附近的一家饮用水公司(DZH)准备在他们的工厂实施Plenty Control。”

tonkarels，规则引擎的操作员和主要用户，从一开始就参与了开发，他说，在早期，“只有我的几个同事相信，通过自动驾驶仪来控制我们敏感而复杂的水处理过程是可能的。然而，自从2005年5月全面引入“充分控制”以来，很明显这个系统是有效的。现在饮用水过程是自动运行的，我们可以集中精力优化这一过程。”

该系统每天运行两次，分别在早上7点和晚上10点之前。在这些时候，将设置并保持生产速率，直到模块下一次运行。通常情况下，汇率只需要在每天早上7点调整一次。每年大约有三到四次，当出现规则引擎没有准备好处理的情况时，控制系统会触发警报。

Freijters说:“通过消除以前手工方法的生产高峰，专家系统使当前的设施能够满足比过去高10%的需求水平。”他说:“如果采用建造新设施的传统方法来增加类似的容量，将需要3000万至5000万美元。考虑到利息和维护成本，我们每年可以节省500多万美元。”

应用程序和新控制系统的结合使PWN能够降低控制室人员配置的成本。PWN从周一到周五从早上8点到下午5点的3个控制室改为2个控制室。Freijters说，他们的目标是在周一至周五的上午8点至10点为两个控制室配备人手。

他说:“这95%的减少每年为我们节省了大约180万美元。”“随着我们学会更有效地使用该系统，我们应该能够根据成本在我们的处理设施中做出更优化的生产决策，这应该会节省额外的成本。”

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