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1、項目背景介紹

焦作市博愛縣第二污水處理廠始建于 2019 年，位于河南省焦作市博愛縣開源大道與博廣路交叉口，總占地 4.5 萬 m2，設計處理規模近期 2 萬噸/天，遠期 3 萬噸/天。目前日處理能力在 1 萬噸以下，主要收集博愛縣主城區西部及南部新擴展區的生活污水。采用成熟、穩定、可靠的 A2O 工藝和深度處理工藝，實現生活污水的無害化處理和達標排放。本項目分兩期建設，近期設計規模為 2 萬噸/天，遠期設計規模為 6 萬噸/天。目前正采用我公司“數字化污水廠”建設方案進行設計。通過數字化污水廠建設方案，可以實現污水廠的數字化雙胞胎運營及全生命周期管理，實現污水廠的穩定達標、節能降耗、高效互動運行。該方案可全面提升污水廠管理水平。

2、項目目標與原則

基于行業發展現狀和污水處理廠轉型需求，中原環保股份有限公司和河南智慧水務股份有限公司達成智慧水務戰略合作，引入西門子數字化工業集團先進的數字化軟硬件體系，率先建立了國內基于工業物聯網的第一座智慧污水廠—焦作市博愛縣第二污水處理廠，以最終目標“提質增效、節能降耗”為方向，以數字化引領智慧化，以技術創新推動成果落地，三方聯合共同打造水處理行業標桿，建成國內第一座智慧污水廠標桿項目，從一體化設計施工到一體化運行維護的全生命周期管理、軟硬件高度統一的完善的智慧污水廠。

3、項目實施與應用情況

（1）項目規劃：

COMOS（西門子一體化設計一體化運維軟件）平臺為工廠相關人員提供了一個高效的相互協作的工作環境，工廠設計的 P&ID  圖、電氣圖、工程設計數據，工程項目信息、工廠運維信息、工廠資產信息等都能保存在單一的數據庫中，不同部門的用戶被賦予不同的權限，以便在登錄 COMOS  后能以既定的權限進行相應的工作，并且不同的數據能以不同顏色標識數據狀態，實現不同部門之間便捷、高效的合作；COMOS   采用的單一數據庫技術、面向對象技術、 工作層技術、知識庫技術等，實現了與多種設計軟件的集成，如二維或三維 CAD軟件、SAP  和 MS Office 軟件等，以共享方式管理工廠的所有資源信息。

在 COMOS 中，可以進行工廠設計，定義自己的工廠結構，文檔報表模板，用戶權限，以及工廠自己的管理工作流，文檔審批流程，工廠規則等，因此，通過簡單的配制和客戶化工作，就能使 COMOS 成為企業管理經驗、知識沉淀的平臺，從而真正達到企業工廠管理的信息化，標準化，智能化。實現工廠從設計到運維的所有參與人員，所有的設計工作流、運維工作流，所涉及到的數據、文檔、圖紙、信息等均能以企業的標準、流程，在一個通用獨立的數據庫中進行管理，這對于工廠管理的質量，效率等都帶來了極大的益處。

（2）實施與應用情況：

① 數字化水務設備：該污水廠的主體工藝段 A2O 反應池全部采用數字化設備，包括智能電機控制柜（iMCC）、高級自動化控制柜（PLC）、智能按鈕箱、智能閥門和智能儀表，采用 PROFINET  通訊總線控制方式，代替傳統大量硬接線，只用一根通訊電纜就能將所有控制設備連接起來，進行現場信號的采集和傳輸。同時配備雙冗余設計，提高自控系統安全性。該方式設計、施工簡單，節省電纜成本和安裝費用，采集信息更全面，集多種控制、保護、監控、診斷功能于一體，繼而實現設備狀態監測、遠程診斷、智能維護等功能。在不增加建設成本的基礎上，提高了工程質量，縮短了建設周期，并對污水廠的后期維護起到降低難度、節省費用的效果。

②  全生命周期管理：面向污水廠 A2O 段和鼓風機房的所有設備，從一體化設計到一體化運維進行全生命周期管理，所有設備及其屬性構成了統一數據庫平臺，工程師可以使用一致的數據，在同一數據庫下完成設計和運維工作。

③ 數字化雙胞胎：面向博愛污水廠全廠建立三維可視化模型，還原污水廠現場。結合全生命周期設計階段數據，可以將設備在污水廠環境下的 3D 視圖與圖紙、說明書等 2D 信息關聯起來，實現二維設計與三維展示的數據交互。運維人員可以在 3D 視圖中快速查看設備位置，直接訪問設備特性、維護歷史記錄、文檔等信息，實時掌握設備的真實狀態，輔助決策。同時接收自控系統采集的實時數據和故障信號，方便人員查看和監控現場運行。借助模型定制巡檢、維護、事故等沉浸式培訓場景，減少傳統實地培訓量和培訓費用，提高污水廠培訓效率和人員培訓效果。

④ 智能化仿真建模：仿真模型是對系統或過程的生物、化學、物理等過程的數學描述，利用成熟的反應機理數學模型，結合實時獲得的運行參數，通過計算機仿真建立污水處理系統，可實現水質預測、水量預測、生化分析、運行調整等功能。通過控制仿真模型，可以測試控制程序，提早檢測錯誤，降低現場試車的風險和成本；通過工藝仿真模型，可以預測進出水變化，優化污水廠工藝、控制等方案，改善運行策略，減少能源消耗，提高污水廠的精細化管理水平。

⑤ 智慧水務綜合管控平臺：采用 B/S 架構，以污水廠三維可視化模型為基礎，結合真實感強烈的視圖和快速導航功能，可以將設備的 3D 模型與圖紙、列表等 2D 信息、自控系統采集的動態數據都關聯起來，輔助運維人員直接訪問或更新設備特性、維護歷史記錄、文檔等內容，模擬運行、巡查、維護等場景，減少大量的外操巡檢工作，降低人工強度。同時集成遠程控制、設備管理、人員培訓、KPI  分析、能耗管理等功能，整體提高污水廠運營透明化、管理精細化和工程一體化水平，結合數據挖掘、趨勢預測、精準控制等方法，為全面實現污水廠的智慧化打下堅實基礎。

（3）項目創新性：

通過 COMOS  軟件系統的實施和部署，構建焦作市博愛縣第二污水處理廠數字化項目設計和數字化工廠運維管理平臺，在此基礎上整合項目數字化設計、項目數字化交付、工廠設備運維管理、工廠信息文檔及數據管理，構建工廠全生命周期管理，消除工廠管理過程中的各個信息孤島，構建工廠一體化管理，杜絕差錯和失誤，提高工廠管理效率和質量。

4、效益分析

（1）從根本上建成一個智慧 4.0 污水廠，基于數字化技術實現設計、施工、調試、運維等有效協同，靈活控制現場設備，優化維護管理流程，提高響應速度，提升水質，節能減耗，高效管理，無人（少人）值守，實現可視化、數字化、智能化升級；

（2）為國內污水處理廠的智慧化轉型提供新思路、新技術，以智慧水務建設為抓手促進更多傳統行業的智慧建設，以提高河南省智慧化行業水平，帶動區域經濟整體發展；

（3）為引入、培養智能制造、工業物聯網、大數據分析、人工智能等領域的高精尖人才提供成長平臺，協同發揮高校、企業、科研機構等各方作用，激發人才創新能力，促進社會、經濟、生態的高質量發展。