东部市政供水区 (EMWD)为加利福尼亚州河滨县 558 平方英里范围内的近 100 万居民提供服务。作为该州第六大零售供水机构，其使命是提供“安全、可靠、经济且环保的供水、污水处理和再生水服务”。
“我们始终致力于生产尽可能高质量的水，”运营和维护助理总经理 Matthew Melendrez 说， “并尽可能经济地为客户做到这一点，以帮助他们降低成本。”
但人口的增长和服务区域的扩大使得该地区的需求不断增加。其四个海水淡化厂目前每天处理约 4800 万加仑的废水，去除杂质。
“我们试图去除的两大主要物质是有机物和氨，”Melendrez 指出。“如果不清除这些物质，它们会对环境造成很大影响。”
控制起来颇具挑战性且耗能密集的过程
曝气是废水处理的关键步骤，也是能耗最高的步骤之一。EMWD 工厂将近一半的电费都花在了用于生物降解废物的溶解氧上。
Melendrez 解释说：“长期以来，行业一直在努力控制曝气并寻找更好的方法来操作池塘。由于氨和有机物的流速和体积快速波动，过程参数几乎每分钟都会发生变化，这使得很难编程典型的 PID 设定点来达到其溶解氧 (DO) 目标。”
将目标设定得过高需要增加电力来提供不必要的空气。将目标设定得过低会抑制氨氧化，进而需要消毒和大量氯。
“我们通常使用一个简单的 PID 控制系统，根据溶解氧的升高或下降缓慢地打开和关闭空气阀门。所有操作都是基于反应和反馈的，操作员通常每天都会介入进行手动调整，”Melendrez 说。“但由于罐体非常大，且条件不断变化，从进行调整到看到结果之间存在滞后。这一切都使得常规 PID 难以应对，这也是提高效率的最大机会之一。”
更好的曝气性能也会对下游过程产生积极影响，工厂可以在这些过程中改善消毒并降低化学品成本。
人工智能和机器学习解决方案
EMWD 找到了其长期合作的技术供应商罗克韦尔自动化，开发并测试了一款人工智能 (AI) 应用程序，该程序能够学习曝气操作的当前状态，并在人员干预最少的情况下，根据条件变化优化调整 PID 响应。
EMWD 与 罗克韦尔自动化水处理、解决方案与服务以及高级分析团队合作，在其 San Jacinto Valley 再生水厂（每天处理 700 万加仑水）试点部署了 AI 驱动的控制系统。工厂员工在现有自动化网络上安装了一个 Allen-Bradley CompactLogix™ 5480 控制器，使其能够根据需要与其他过程进行接口。
“既然我们已经使用罗克韦尔自动化进行控制，这似乎是一个很好的解决方案，可以很好地与我们系统的其他部分集成。安装和实施都很简单，只需进行一些小的编程，我们将来可以将该单元和 AI 部署到其他流程中，而无需更多的模块，”Melendrez 说。“罗克韦尔自动化让一切变得简单，我们作为一个团队紧密合作，一切都很顺利。”
两个 Logix 核心连接到控制系统，而另外两个处理器执行罗克韦尔自动化 AI 软件。AI 通过持续监控和更新 PID 响应来控制送入曝气池的空气量。然后使用这些数据来调整空气阀和输送的氧气量，以防止溶解氧偏离设定值过远。
“通过机器学习，罗克韦尔自动化的数据科学家确定废水流量和氨负荷对氧气性能的影响最大，”Melendrez 解释道。“他们构建了一个模型，可以相当准确地预测任何给定速率和负荷的溶解氧需求，并远程编程 AI 软件。”
随后，EMWD 先运行了一个月的经典 PID 控制，然后再运行一个月的 AI 驱动控制，以比较结果。
显著的性能提升
通过 AI 支持的控制，EMWD 将送入曝气池的空气量减少了多达 31%。该工厂不仅更成功地将溶解氧运行得更接近其设定点，而且还能够降低溶解氧目标。更好的溶解氧控制还提高了出水质量，减少了氨的渗漏，降低了对消毒剂的需求。
“看到它从一个不太起作用、需要人类定期接管的系统，变成一个完全自动化的系统，并在性能、财务效益方面带来实质性改进，同时减少了我们的碳足迹，这真是令人兴奋。”Melendrez 分享道。
他估计，改进的溶解氧控制将使工厂每天减少 960 千瓦时 (kWh) 的电力消耗，从而每年节省 42,000 美元。此外，降低溶解氧设定值的能力将进一步每天节省 1,370 kWh 的电力，从而每年节省 60,000 美元。
Rockwell Automation EMWD 水务和污水处理客户经理 Myan Bourdon 对该应用在行业中的前景感到兴奋。她说：“我们渴望与 EMWD 和其他水务和污水处理供应商一起探索人工智能和机器学习如何提高运营的可持续性和生产力。”
EMWD 继续使用 AI 驱动的控制系统，并希望与罗克韦尔自动化合作，将其应用扩展到该地区的其他曝气池。展望未来，Melendrez 发现了另一个应用 AI 解决方案的机会：消毒。