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我国北方地区基本位于寒带及高寒带地区,有着漫长的冬季需要进行供暖,以保障人民日常工作及生活。但由于技术、工艺及其他因素的限制,我国过去一直采用小锅炉小区域供热系统,致使城市形象大打折扣,环境污染严重,随着人们环保意识的增强,各地都开展“蓝天碧水工程”,集中供热事业迅猛发展,管网规模不断扩大;另一方面,能源供应日益紧张,成本不断上升而随着人们生活水平的提高,对供热质量的需求也越来越高。这些,都使得技术进步和技术改造成为各热力公司面临的紧迫问题,粗放型的供热方式必须向“高效、节能、舒适”的高技术型供热方式转变,因此,供热管网计算机监控系统正是适应时代要求的产物,
1、计算机监控系统的作用及位置
热网控制系统设计采用PC+PLC模式,以此实现对整个热网系统的集中管理、分散控制。系统主工控机设在热网控制中心,主要負责采集过程数据,并提供操作指导、设备控制、故障诊断、报警信息、事件报告、数据处理、趋势显示。监测系统由1个热网控制中心及若干个PLC远程子站组成,负责各站内数据采集、控制调节、系统报警、通过接口模块和通讯系统将检测的数据传送到热网控制中心上位机等功能。热网控制中心主要任务是负责供热系统的节能运行,集中体现为:
(1)全热网热力平衡管理,包括对一次网的平衡管理和二次网的平衡管理。
(2)基于热力平衡的热网,热源供热量合理并跟随气象预报(包含风、雪天影响等)进行科学预测和规划。实现跟随环境温度变化执行科学供热运行,从而达到经济运行的目的。
2、供热管网计算机监控系统原理和组成
2.1供热网自动监控系统的5大功能
(1)及时检测参数,了解系统工况,做到“居调度室而知全局”。
(2)均匀调节流量,消除冷热不均,消除水力工况失调,不能单靠系统投运前的一次性初调节,在系统运行过程中,经常的流量均匀调节是必不可少的。除电动自力式调节阀外,其它手动调节阀将无能为力。
(3)合理匹配工况,保证按需供热。计算机监控系统可以通过软件开发,配量供热系统热特性识别和工况优化分析程序,根据前几天供热系统的实测供回水温度、循环流量、室外温度,以及历年同期情况和气象预报,预测当天的最佳况匹配,进而对热源和热力网实行直接自动控制或运行指导。
(4)及时诊断故障,确保安全运行。
(5)健全运行档案,实现量化管理。计算机系统可以建立各种信息数据库,能够对运行进程的各种信息数据进行分析,根据需要打印运行日志。水压图、煤耗、电耗、水耗、供热量等运行控制指标,还可调阅各重要参数的历史数据。供热系统的计算机自动监控,不但可以改善供热效果,而且能大大提高系统的热能利用率,一般在手动调节的基础上,还能再节能10%~20%左右。
2.2计算机监控系统的2种监控方式
目前在国内,对于供热系统计算机监控方式有两种不同的思路:(1)采用中央集中式监控方式,即中央大权独揽,热力站机组只有测试仪表和执行机构,它的功能只是参数的下情上达和指令的上情下达本身没有独立的自动调控的决策功能;(2)中央与就地分工协作的监控方法,即集散式(或又称分布式)的系统。在后者系统中,各热力站的专用控制器(或PLC系统)就成为连接一次网和二次网,起“承上启下”作用的关键设备。对一次网来说,中央控制室从各热力站控制器获得需求信息,然后综合调配各站的供量,调节自身出力,满足总负荷的变化。对二次网来说,控制器要保证在室外温度变化的情下用户室内温度达到需求,并确保系统安全稳定运行,这是目前国内外最常采用的方式。由于供热网广域分布的特点,其监控系统的联网方式是保证运行可靠性的关键环节,对这样复杂的系统,常将其称为SCADA系统(监视控制与数据采集系统: SupervisoryControl And DataAcquisition) 2.3监控系统硬件4大组成部分供热网计算机监控系统从硬件角度看由4大部分(或4个层次)组成。
(1)中央控制室系统又称管理级。有和热源监控系统(如锅炉房或热电厂首站)全为一体的,也有单独对外部供热网实施监控的,有和单位局域网联网的,也有自成体系的。其硬件部分主要包括:工控机(上位机)、服务器、UPS电源、网络通讯设备等。
(2)通讯系统又称通讯级。实现远程监控的各种通讯手段,一般分为有线传输和无线传输两大类型。
(3)热力站自控系统又称自动级。由于换热站的自控系统功能明确,监测参数相对固定(国家换热站机组规范中有明确规定),所以,一般不
再采用PLC系统,而是使用针对不同应用要求而开发的换热站专用控制器。控制器的基本功能除参数监测、安全保护、数据远传外,主要就是通过控制一次侧调节阀开
度而改变一次侧流量,从而达到控制二次侧水温的目的。根据应用层次不同,大概可以分为3类。
a简单单回路控制器。在生活热水系统中,换热器二次侧水温要求相对稳定,所以只安装自力式温控阀便可基本满足要求。
b气候补偿型控制器。根据室外温度的变化而改变二次网的水温,在保证室内温度合格的前提下,做到舒适、节能。这也是一种简单的控制器,只采集室外温度和二次供水温度,根据面板定的控制曲线改变调节阀开度。它不能采集更多的参数,也没有更复杂的功能,但价格便宜,安装使用方便,运行可靠,所以特别适合在小型机组上应用,在无人值守站中也可使用。由于它没有联网功能,所以在大型的供热网监控系统中不使用。
c标准换热站控制器。为了适应我国供热网规模大,工况复杂,技术水平相对落后的情况,对作为供热网监控系统核心设备的换热站控制器就提出了较高要求。调节功能。通过设定的标准温度控制曲线或有关指令控制一次侧调节阀开度改变一次侧流量,从而调节二次侧水温,使其达到预定的要求。计算功能。通过采集一次网瞬时流量、一次供水温度、一次回水温度,计算出一次网瞬时热量,进而进行流量累积和热量累积。同样,二次网也可以如此。控制功能包括二次侧供水温度/供回水平均温度控制(不同时段的不同曲线;最高及最低限制),一次侧回水温度最高限制,一次、二次回水温度限制(DRT),一次流量最高、最低限制,阀位最大、最小开度限制,二次侧供、回压差控制,二次侧回水定压,手动/自动方式切换等等。安全功能。包括防汽化,二次供温超高限保护及报警,二次供压超高限保护及报警,二次回温超低限保护及报警,泵变频器运行保护及报警,水箱水位低保护及报警联网功能。适应多种方式的广域网联接,本地多台控制器的局域联接。
(4)最后要说明的是控制器自身有内部的软件,国内产品大部分不需要复杂的二次开发,只进行简单设置或组态即可。
3、现场控制器
控制器主要由液晶显示操作终端和主控制器两部分组成。5寸彩色液晶显示屏主要完成各种监控画面、采集参数的显示,并接受一些参数设定的输入信息,响应用户键盘操作。其中主控制器主要包括核心CPU板以及各种I/O板卡,其主要功能是对热网各运行参数(温度、压力、流量等)进行实时监控及采集,并根据气象环境和负荷的变化按预先设定的控制策略对网中的泵和调节阀进行自动调节,来实现换热机组或热力站的完全自动控制,同时通过VPDNPSTN、ADSL等多种通讯方式与监控中心进行通讯。具体功能如下:
(1)参数检测:主要完成管网现场过程的模拟量(如温度、压力、热量等)、状态量(如泵的状态、温度等)及脉冲量的测量。
(2)数据存储:由于热网运行的大惰性和控制系统的非实时性,要求现场控制设备能按指定的时间间隔进行参数存储,一般情况下这些参数通过通讯网络定期传输到监控中心的服务器中。
(3)通讯:内置调制解调器、以太网卡,可采用TCP/IP,PPP,HTTP,FTP协议支持PSTN、VPDN、ADSL等多种通讯方式。该控制器能够在主动或被动方式下与监控中心通过某种通讯网络进行数据通信,以便监控中心能了解系统的整个运行状况,做到系统协调优化运行。
(4)显示操作功能:该控制器具备液晶显示和操作界面,以方便运行人员在现场对运行状况一目了然,同时可以人工直接控制调节系统运行工况。
(5)报警功能:该控制器能够识别参数异常,并做出报警提示、报警上传等故障处理。
(6)控制调节功能:该控制器能够灵活的完成室外温度补偿、自动补水、温度调节、流量调节等自动控制环节。
4、系统的通讯方式及网络
通讯网络选用无线数据GPRS通讯方式,利用移动通讯网络的无缝地连结,与有线通讯相比,减少一次性投资,运行可靠,维护量少,运行费用低廉,按通讯流量收费,可扩展性强。各换热站均设立GPRS调制解调器,把各站的采集信号传递至热网控制中心。中心控制站设固定IP地址与各GPRS连接。
5、计算机监控系统硬件及软件配置方案
热网控制中心硬件配置:热网控制中心是监控系统的核心部分。由于它承担了对所有相关信息的数据采集,归档、综合分析处理并且对全网提出运行建议并实施控制执行等多项任务。因此,其硬件配置是二台高性能计算机服务器和三台工控机及配套的通讯设备和显示设备组成的。另外,本监控中心的信息可以通过局域网方便的上传给多个相关领导部门,从而为形成调度指挥系统提供了方便。
数据通讯功能
(1)中心站数据通讯模块必须由二台通讯服务器运行(互为热备)。
(2)必须具备并行通讯处理能力,可同时与全部远程子站通讯。
(3)与子站的通讯控制方式:热网控制中心主动轮询(按设定时间或间隔轮询,记录失败时间并能自动重拨),历史数据自动入库。
(4)提供文字、图象、语音报警及相关的事件处理,可通过短信方式通知值班人员或负责人。
(5)提供与上级和主管领导的计算机系统联网服务,需要提供简明扼要、图形化的信息。
(6)满足对远程子站管理和控制通讯需求。
(7)可靠性要求:通訊成功率大于90%;数据在传输过程中不应出现错误。远程子站(换热站)硬件配置:远程子站监控系统是由PLC现场工作站和安装在现场的各类流量、温度、压力等检测设备以及电动调节阀、变频组成的控制系统。远程子站监控系统既可以实施由热网控制中心下达的远控调节,又可实施热网控制中心指挥下的现场人工手动调节。各远程子站配置具有GPRS通讯接口的PLC可编程控制器一台,要求配备足够数量的开关量和模拟量接口,并具有一定的扩展功能,并配置“5”人机界面远程子站(换热站)软件配置:远程子站软件系统是为完成PLC现场工作站采集远程子站(换热站)参数和控制参数并与热网控制中心进行通讯而设计,同时也支持现场工作站脱离热网控制中心独立运行。■
1、计算机监控系统的作用及位置
热网控制系统设计采用PC+PLC模式,以此实现对整个热网系统的集中管理、分散控制。系统主工控机设在热网控制中心,主要負责采集过程数据,并提供操作指导、设备控制、故障诊断、报警信息、事件报告、数据处理、趋势显示。监测系统由1个热网控制中心及若干个PLC远程子站组成,负责各站内数据采集、控制调节、系统报警、通过接口模块和通讯系统将检测的数据传送到热网控制中心上位机等功能。热网控制中心主要任务是负责供热系统的节能运行,集中体现为:
(1)全热网热力平衡管理,包括对一次网的平衡管理和二次网的平衡管理。
(2)基于热力平衡的热网,热源供热量合理并跟随气象预报(包含风、雪天影响等)进行科学预测和规划。实现跟随环境温度变化执行科学供热运行,从而达到经济运行的目的。
2、供热管网计算机监控系统原理和组成
2.1供热网自动监控系统的5大功能
(1)及时检测参数,了解系统工况,做到“居调度室而知全局”。
(2)均匀调节流量,消除冷热不均,消除水力工况失调,不能单靠系统投运前的一次性初调节,在系统运行过程中,经常的流量均匀调节是必不可少的。除电动自力式调节阀外,其它手动调节阀将无能为力。
(3)合理匹配工况,保证按需供热。计算机监控系统可以通过软件开发,配量供热系统热特性识别和工况优化分析程序,根据前几天供热系统的实测供回水温度、循环流量、室外温度,以及历年同期情况和气象预报,预测当天的最佳况匹配,进而对热源和热力网实行直接自动控制或运行指导。
(4)及时诊断故障,确保安全运行。
(5)健全运行档案,实现量化管理。计算机系统可以建立各种信息数据库,能够对运行进程的各种信息数据进行分析,根据需要打印运行日志。水压图、煤耗、电耗、水耗、供热量等运行控制指标,还可调阅各重要参数的历史数据。供热系统的计算机自动监控,不但可以改善供热效果,而且能大大提高系统的热能利用率,一般在手动调节的基础上,还能再节能10%~20%左右。
2.2计算机监控系统的2种监控方式
目前在国内,对于供热系统计算机监控方式有两种不同的思路:(1)采用中央集中式监控方式,即中央大权独揽,热力站机组只有测试仪表和执行机构,它的功能只是参数的下情上达和指令的上情下达本身没有独立的自动调控的决策功能;(2)中央与就地分工协作的监控方法,即集散式(或又称分布式)的系统。在后者系统中,各热力站的专用控制器(或PLC系统)就成为连接一次网和二次网,起“承上启下”作用的关键设备。对一次网来说,中央控制室从各热力站控制器获得需求信息,然后综合调配各站的供量,调节自身出力,满足总负荷的变化。对二次网来说,控制器要保证在室外温度变化的情下用户室内温度达到需求,并确保系统安全稳定运行,这是目前国内外最常采用的方式。由于供热网广域分布的特点,其监控系统的联网方式是保证运行可靠性的关键环节,对这样复杂的系统,常将其称为SCADA系统(监视控制与数据采集系统: SupervisoryControl And DataAcquisition) 2.3监控系统硬件4大组成部分供热网计算机监控系统从硬件角度看由4大部分(或4个层次)组成。
(1)中央控制室系统又称管理级。有和热源监控系统(如锅炉房或热电厂首站)全为一体的,也有单独对外部供热网实施监控的,有和单位局域网联网的,也有自成体系的。其硬件部分主要包括:工控机(上位机)、服务器、UPS电源、网络通讯设备等。
(2)通讯系统又称通讯级。实现远程监控的各种通讯手段,一般分为有线传输和无线传输两大类型。
(3)热力站自控系统又称自动级。由于换热站的自控系统功能明确,监测参数相对固定(国家换热站机组规范中有明确规定),所以,一般不
再采用PLC系统,而是使用针对不同应用要求而开发的换热站专用控制器。控制器的基本功能除参数监测、安全保护、数据远传外,主要就是通过控制一次侧调节阀开
度而改变一次侧流量,从而达到控制二次侧水温的目的。根据应用层次不同,大概可以分为3类。
a简单单回路控制器。在生活热水系统中,换热器二次侧水温要求相对稳定,所以只安装自力式温控阀便可基本满足要求。
b气候补偿型控制器。根据室外温度的变化而改变二次网的水温,在保证室内温度合格的前提下,做到舒适、节能。这也是一种简单的控制器,只采集室外温度和二次供水温度,根据面板定的控制曲线改变调节阀开度。它不能采集更多的参数,也没有更复杂的功能,但价格便宜,安装使用方便,运行可靠,所以特别适合在小型机组上应用,在无人值守站中也可使用。由于它没有联网功能,所以在大型的供热网监控系统中不使用。
c标准换热站控制器。为了适应我国供热网规模大,工况复杂,技术水平相对落后的情况,对作为供热网监控系统核心设备的换热站控制器就提出了较高要求。调节功能。通过设定的标准温度控制曲线或有关指令控制一次侧调节阀开度改变一次侧流量,从而调节二次侧水温,使其达到预定的要求。计算功能。通过采集一次网瞬时流量、一次供水温度、一次回水温度,计算出一次网瞬时热量,进而进行流量累积和热量累积。同样,二次网也可以如此。控制功能包括二次侧供水温度/供回水平均温度控制(不同时段的不同曲线;最高及最低限制),一次侧回水温度最高限制,一次、二次回水温度限制(DRT),一次流量最高、最低限制,阀位最大、最小开度限制,二次侧供、回压差控制,二次侧回水定压,手动/自动方式切换等等。安全功能。包括防汽化,二次供温超高限保护及报警,二次供压超高限保护及报警,二次回温超低限保护及报警,泵变频器运行保护及报警,水箱水位低保护及报警联网功能。适应多种方式的广域网联接,本地多台控制器的局域联接。
(4)最后要说明的是控制器自身有内部的软件,国内产品大部分不需要复杂的二次开发,只进行简单设置或组态即可。
3、现场控制器
控制器主要由液晶显示操作终端和主控制器两部分组成。5寸彩色液晶显示屏主要完成各种监控画面、采集参数的显示,并接受一些参数设定的输入信息,响应用户键盘操作。其中主控制器主要包括核心CPU板以及各种I/O板卡,其主要功能是对热网各运行参数(温度、压力、流量等)进行实时监控及采集,并根据气象环境和负荷的变化按预先设定的控制策略对网中的泵和调节阀进行自动调节,来实现换热机组或热力站的完全自动控制,同时通过VPDNPSTN、ADSL等多种通讯方式与监控中心进行通讯。具体功能如下:
(1)参数检测:主要完成管网现场过程的模拟量(如温度、压力、热量等)、状态量(如泵的状态、温度等)及脉冲量的测量。
(2)数据存储:由于热网运行的大惰性和控制系统的非实时性,要求现场控制设备能按指定的时间间隔进行参数存储,一般情况下这些参数通过通讯网络定期传输到监控中心的服务器中。
(3)通讯:内置调制解调器、以太网卡,可采用TCP/IP,PPP,HTTP,FTP协议支持PSTN、VPDN、ADSL等多种通讯方式。该控制器能够在主动或被动方式下与监控中心通过某种通讯网络进行数据通信,以便监控中心能了解系统的整个运行状况,做到系统协调优化运行。
(4)显示操作功能:该控制器具备液晶显示和操作界面,以方便运行人员在现场对运行状况一目了然,同时可以人工直接控制调节系统运行工况。
(5)报警功能:该控制器能够识别参数异常,并做出报警提示、报警上传等故障处理。
(6)控制调节功能:该控制器能够灵活的完成室外温度补偿、自动补水、温度调节、流量调节等自动控制环节。
4、系统的通讯方式及网络
通讯网络选用无线数据GPRS通讯方式,利用移动通讯网络的无缝地连结,与有线通讯相比,减少一次性投资,运行可靠,维护量少,运行费用低廉,按通讯流量收费,可扩展性强。各换热站均设立GPRS调制解调器,把各站的采集信号传递至热网控制中心。中心控制站设固定IP地址与各GPRS连接。
5、计算机监控系统硬件及软件配置方案
热网控制中心硬件配置:热网控制中心是监控系统的核心部分。由于它承担了对所有相关信息的数据采集,归档、综合分析处理并且对全网提出运行建议并实施控制执行等多项任务。因此,其硬件配置是二台高性能计算机服务器和三台工控机及配套的通讯设备和显示设备组成的。另外,本监控中心的信息可以通过局域网方便的上传给多个相关领导部门,从而为形成调度指挥系统提供了方便。
数据通讯功能
(1)中心站数据通讯模块必须由二台通讯服务器运行(互为热备)。
(2)必须具备并行通讯处理能力,可同时与全部远程子站通讯。
(3)与子站的通讯控制方式:热网控制中心主动轮询(按设定时间或间隔轮询,记录失败时间并能自动重拨),历史数据自动入库。
(4)提供文字、图象、语音报警及相关的事件处理,可通过短信方式通知值班人员或负责人。
(5)提供与上级和主管领导的计算机系统联网服务,需要提供简明扼要、图形化的信息。
(6)满足对远程子站管理和控制通讯需求。
(7)可靠性要求:通訊成功率大于90%;数据在传输过程中不应出现错误。远程子站(换热站)硬件配置:远程子站监控系统是由PLC现场工作站和安装在现场的各类流量、温度、压力等检测设备以及电动调节阀、变频组成的控制系统。远程子站监控系统既可以实施由热网控制中心下达的远控调节,又可实施热网控制中心指挥下的现场人工手动调节。各远程子站配置具有GPRS通讯接口的PLC可编程控制器一台,要求配备足够数量的开关量和模拟量接口,并具有一定的扩展功能,并配置“5”人机界面远程子站(换热站)软件配置:远程子站软件系统是为完成PLC现场工作站采集远程子站(换热站)参数和控制参数并与热网控制中心进行通讯而设计,同时也支持现场工作站脱离热网控制中心独立运行。■