力控热网版SCADA 软件在热网监控系统中的应用

2010-06-04北京三维力控科技有限公司魏钦志

自动化博览 2010年1期

北京三维力控科技有限公司魏钦志

1 背景

1.1 行业背景

随着政府对节能减排力度的加大以及扩大内需的逐步深入，信息化技术对热网行业的影响也越来越大。从前的供热公司都是国营，受到供热成本高、资源浪费、收费困难等因素影响，供热企业亏的多，赚的少，大多靠政府补贴生存。而随着各地供热企业的改制力度加大，资源进行了合理分配，各供热企业纷纷扭亏为盈。与此同时，无人值守换热站自动化改造的不断进行、企业信息化的逐步实施，如何节能减排，成为供热企业最关注的话题。

在集中供热系统中，采暖热水由水力管网输送到各个换热站，再由换热站换热后，把热能输送到各个热用户。因此，换热站的平稳、节能运行在供热中就显得十分重要。

我国现行的热力站运行管理仍处于手工操作阶段，影响了集中供热优越性的充分发挥。主要反映在：缺少全面的参数测量手段，无法对运行工况进行系统的分析判断；系统运行工况失调难以消除，造成用户冷热不均；供热参数未能在最佳工况下运行，供热量与需热量不匹配；运行数据不全，难以实现量化管理。

搞好城市集中供热工程，必须要全面提高供热技术水平。一是要提高供热系统的自动化控制水平，另一方面要提高供热行业的管理水平。供热工程中的自动控制对于保证供热系统优质供热、安全运行、经济节能、环境保护具有十分重要的作用。

1.2 技术的发展概况

软件是供热生产过程控制系统的核心与灵魂，自动化系统没有软件做支持就变成了一堆废铜烂铁。欧美日各国的生产过程控制系统之所以具有很高的水平，主要原因就是他们拥有优秀、强大的软件支撑，我国在这方面和世界先进水平还有相当的差距。近年来产品和技术的发展出现了一种趋势，那就是软件，尤其是上位软件在一个自动化供热系统中所占比例在逐渐上升。

因此发展供热软件，尤其是以监控组态软件为核心的自动化软件，对于提高我国的工业自动化系统制造、装备水平具有非常大的带动力量，对于缩短自动化系统与国外同类产品的差距具有非常重要的战略意义。

1.3 主要研究的方向及内容

在未来的供热管理系统中，有人值守的高污染锅炉房，会逐渐被无人值守的自动化换热网所取代。原因是工厂从观念上越来越重视生产管理，而且在企业信息化建设的逐渐加大，软件的管理能力、分析能力和故障预警能力都得到了提高。

本系统将会从根本上改变我国供热企业自动化系统制造、装备水平的落后局面，针对自己实际需求，最大限度地发挥产业优势，以此来整合工业自动化系统硬件厂商，形成具有国际竞争力的自动化系统产业集团，带动相关国内行业自动化产品从整体上赶超过国际先进水平。

2 设计原则

热网监控系统(Monitoring System of Heating Network，简称MSHN)采用全分布式体系结构，基于Microsoft VStudio.NET开发平台，使用.net IIS的Web Server 和集中式数据库并丰富了对外接口。概括地讲，热网监控系统软件采用分布式实时数据库设计技术、软总线技术、调度模型技术、异种数据库互联技术、ODBC数据库的远程双向传输确保系统具有足够的灵活性和可扩展性；采用内存优化技术、构件安全可靠性技术、实时智能技术、加固的TCP/IP网络技术来获得高可靠性，并提高系统运行的效率，使分布式组件之间协同工作，并向外提供服务功能。

（1）高可靠性、经济性、易维护、易操作的原则，满足热网现状。

（2）系统开放性强，兼容性强，监控中心软件选用热网专用软件，保证与RTU的通用性及通讯协议的开放性。

（3）设计条件严格依据国家的相关标准，参考《城市热力网设计规范CJJ34-2002》技术内容以及具体的技术方案如下。

2.1 基于.net+XML框架

热网监控系统软件基于.net框架，采用可裁剪、可伸缩的分布式体系结构，既可分布式使用，也可集中使用。系统由多个组件构成，每个核心功能组件都采用独立进程形式，可以同时运行在同一节点机，也可以分别运行在不同节点机上。这样能够最大程度地满足不同工程应用的需求。

利用XML+.net的框架技术优势，支持不同应用构件的在线插拔，提高系统的可靠性和软件代码的可复用性。比如在线修改组态、远程系统维护等功能，现在实现起来就非常容易了。

2.2 高性能、高压缩比的实时/历史数据库

力控企业级实时历史数据库pSpace是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强、跨平台的开放式实时历史数据库系统。产品为完全的分布式结构，可任意组建应用模式，支持C/S和B/S应用，它可以提供丰富的企业级信息系统客户端应用和工具；大容量支持企业级应用，内部实现高数据压缩率，可实现历史数据的海量存储，灵活的扩展结构可满足各种需求，具备广泛的安全性和可跟踪性。

2.3 提供多种数据库接口

除了保持对关系数据库的双向ODBC访问方式支持外，在Excel或其他第三方软件中随意引用热网监控系统软件任意时刻的历史数据，或者批量引用历史数据。另外，热网监控系统软件还增加了对PI、PHD、Infoplus的支持。为了实施先进控制建模、统计分析，热网监控系统软件必须提供快速的实时、历史数据访问接口，建模工具、分析统计工具可以批量、快速读取实时和历史数据，同时将控制输出送给热网监控系统软件。

2.4 提供对通讯协议转发的支持

通讯服务器与力控各种系列信息化产品组合配套应用，也可以单独运行，与人机界面、实时数据库构成分布式结构，支持后台服务模式。

支持通过RS232、RS422、RS485、电台、电话轮巡拨号、以太网、移动GPRS、CDMA、GSM、zigbee网络等方式和远程现场设备进行通讯。

内置软件看门狗，支持控制设备与网络冗余和负载均衡，支持断线缓存与远程历史数据传输。

支持远程配置，提供对外开放接口，可获取设备配置及链路与设备状态信息等。

支持多种协议的设备挂在一条通讯链路上与力控进行通讯，方便电台等远程通讯。

支持与设备采取主从、主主、从主等多种交互机制来进行通讯，支持以串口、网络、MODEM、GPRS、CDMA等方式将数据主动上传及转发。

提供标准的开放接口，第三方开发工具（如：VC++、VB等）可以通过接口访问设备的参数、网络状态、通讯配置参数等。

2.5 改进的调度模型技术

热网监控系统软件属于实时应用系统，并发任务出现的时刻和数量不可预计，如在数据越限报警、设备状态报警、几千乃至几万点数据的同时采集、控制命令的回写、历史数据存储与检索等。调度模型技术保证这些并发任务一个不漏地，按照紧急程度和发生时间的先后准确、无误地执行。

2.6 动态界面

动态模拟显示现场设备的运行状态，采用2D技术表示运行参数及系统流程，采用3D动画技术使系统流程图更加逼真。将换热站的各组态生成精灵图库，如锅炉，上煤除渣设备、风机、除尘器、脱硫设备、软水设备、加药设备、换热器（板式）、管道、泵、分集水器、水箱、阀门、变频柜、传感器（温度、压力、流量、热量、电能、煤量），以便灵活调用。

2.7 DCS监控网络

在锅炉房、热力站中推广应用供热数据集中监测系统，将各锅炉房及热力站的运行参数（温度、压力、流量、巡检情况、补水情况等）上传到监控指挥中心，构成以热力调度为核心的集散式监控系统。在监控中心可以及时掌握热源、热网、热力站甚至于热用户的运行状况，为进一步的数据挖掘、系统辨识、优化计算提供基础数据库。

2.8 锅炉的节能减耗

燃煤锅炉是一个典型的分布式参数的对象，每台锅炉的运行效率都不一样。燃煤锅炉又是高排放、高污染的源头，我国在很长的一段时间里还是要以燃煤锅炉为供热系统的主要热源。因此提高锅炉的运行效率，可以直接降低能耗、减少污染的排放。通过对历史数据的聚类分析，得到最佳的经济运行工况，从而直接指导锅炉的经济运行。

2.9 热网的经济节能

供热网络承担着输送用户所需能量的任务，而且输送能量所消耗的电量也是巨大的。热力网实现最经济的能量输送的前提，是要保证系统的水力工况和热力工况相平衡。系统优化分析软件根据用户所需的热量，为热力网络的热力输送提供最佳的优化运行方案，从而保证热力输送系统在最小能耗下运行。

3 软件功能

运行人员对整个热网运行过程的操作和监视，计算累积热量、累积流量、瞬时热量、瞬时流量等数据。

图1 工艺流程图

3.1 标准画面显示

标准画面为2D画面，可以根据需要进行3D转换。

工艺流程图：以动态的方式对采集信息的实时显示。

采集的参数如换热站的动画（以程序绘画方式）模拟显示，实时获取各子站数据，并依据获取的温度、压力等数据，采用动画模拟的方式，直观反映整个热网的当前状态。

3.2 趋势显示

趋势显示可用整幅画面显示, 也可在任何其它画面的某一部位，用任意尺寸显示。所有模拟量信号及计算值，均可设置为趋势显示。

图2 趋势显示画面

3.3 天气预报

图3 天气预报画面

3.4 记录及报表模块

所有记录使用可编辑的标题，而不是预先打印的形式。供方按用户指定的格式, 确定所有记录的标题。数据库中所具有的所有过程点均可以记录。

图4 系统日志显示画面

图5 实时报警窗口

实时报警记录：记录整个热网运行过程中产生的报警记录由运行人员进行操作确认。

历史报警记录：对所有出现的报警及报警恢复，由管理人员进行设定时间查询以便分析报警时间及具体原因。均可由打印机打印出来。

图6 历史报警查询画面

3.5 数据报表

对于采集来的数据，包括温度数据、压力数据等，形成数据报表；报表有以下几种：

图7 换热站历史报表查询画面

（1）历史报表

历史报表能进行日报、月报、季报、年报的生成，对数据存储的时间范围、间隔、起始时间可进行任意指定，并可以根据存储的时间进行查询历史数据。

（2）多功能报表

可以任意设置报表格式，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。可以在报表上同时显示实时数据和任意时刻的历史数据，并加以统计处理，例如取行平均、列平均，统计出最大最小值。

图8 换热站数据报表汇总画面

3.6 锅炉经济运行模块

通过挖掘锅炉的历史运行数据，得到锅炉的最佳运行效率，并且给出当前锅炉的运行效率评价。

图9 锅炉运行的经济效率

3.7 水压图模块

通过分析热网的运行数据，绘制枝状网、环状网在多热源或单热源时的热网水压图。

图10 热网络的水压图

3.8 热网优化调度运行模块

根据辨识得到的热网水力工况及其特性，为热网运行提出优化调度运行方案。

图11 热网优化运行曲线

3.9 其它功能模块

（1）在热网调整初期或者维护阶段，可以远方手动控制阀门开度及变频器的转速。

（2）远方人工设定换热站的供热量设定值或者根据室外温度自动下发目标控制值。

（3）系统预留和地理信息GIS软件，收费软件等接口。

（4）支持WAP手机浏览。

（5）支持短信报警。

4 应用效果总结

4.1 供暖调节实现科学预测

针对热网供热具有很强的非线性、大滞后、时变性和不确定性，系统根据热网温度、流量参数结合热网时滞、惯性、室外温度变化等因素，通过算法模型预测调节方案。

根据当前一级网供水流量、供水温度、回水温度和室外温度结合运行调节方式，预测未来24小时室外温度变化情况和供热负荷走向，这些计算和预测都是对运行数据进行统计分析后，经过研发的分析评价系统自动完成。

另外，以热网分析为基础建立动态水压图。从而对调节方案的合理性进行评估，以保证热网的稳定运行，模拟出初、中、高不同时期的运行工况，并对热网的供热能力进行评估，以保证热网的安全运行；分析热用户负荷变化，预测对其他热用户或热源的影响；分析热源参数，预测热用户的热耗是否满足要求。增加热负荷，管网输送能力是否足够。如何调整设备，泵、阀门对热网运行的影响。干管上阀门对相关区域供热效果的影响。分析供热垂直、水平失调，验证解决方案。

4.2 运行效果实现科学分析

通过建立科学供热控制模型，分析热网工况特性，保证热源负荷合理供给，同时保证热源与热网的良好匹配，科学分析供热效率，保证标准供热。

供热运行指挥中心依据调控热源的热量并且兼顾调节一次网和二次网各环路的平衡，实现整个热网平衡和供热效果稳定；并在此基础上，依据环境温度及部分热用户的实际供热效果对热源供热量进行预报规划和运行中的实时调节，达到经济运行的目标。

供热运行指挥中心可以进行在线诊断报警。通过对传送来的实时数据，对数据的正确性和完整性进行检查，当异常或超界时，发出相关报警信息。通过历史数据和实时数据的比较，分析是否存在泄漏，设备运行是否正常。

供热运行状况的集中监测和分析评价，必将为科学供热提供有利保证，为实现企业的稳步发展，创建节能型社会发挥重要作用。

该系统目前已投入运行在大庆石化集团下属物业管理外围物业公司27座换热站（供热面积642万平方米）； 4座区域供热锅炉房及下设16座热力站（供热面积173万平方米）；6座燃油锅炉房（供热面积90万平方米）。目前已全部投入运行，从数据采集、数据传输、数据分析、供热状况评价以及预测调节上都达到了很好的效果。