热网监控系统的设计与实现

2013-09-06李志刚孙丽萍刘嘉新

森林工程 2013年4期

李志刚，孙丽萍，刘嘉新

（东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040）

1 系统总体结构

热网监控系统一般采用分散式局部测量、集中监视控制的方式。整个系统由调度中心、通信网络和前端采集控制系统（由若干个分散的远程测控终端RTU和各类现场仪表及传感器组成）三部分组成。调度中心是整个热网监控系统的核心，负责监视、控制和管理整个系统的运行;通信网络用来实现调度中心与远程测控终端的数据传输;前端采集控制系统主要是要完成单个站点的运行数据的收集、对现场设备的控制。

1.1 调度中心的组成

调度中心由硬件和软件两部分组成。

（1）硬件包括网络数据服务器、工程师操作站、操作员操作站、网络发布服务器、网络打印机和硬件防火墙（最好具备VPN汇聚功能）等。一般来说，一个调试中心至少需要两台计算机，一台做为工程师站，主要负责整个换热站系统的数据采集、指令下发、设备控制、状态监视、报警记录及输出各类报表等功能;另一台做为操作员站，可用来做WEB发布，视频监控和数据备份等。其中工程师站的数据库点的个数要求能够满足整个热网工程需求，而操作员站的数据库点的个数只要能够满足其基本功能及可。操作员站可以将工程师站的数据库做为远程数据库来使用。

（2）软件采用Tianx RW V2.0组态软件，Tianx RW V2.0从设计之初就一直致力于满足供热企业的各项需求，利用单一而完整的系统来进行完成各级规模、不同复杂度热网控制的需求，并保持系统的高性能和高可靠性。Tianx RW V2.0是一个完全专业化的热网自动化软件平台，可以通过可靠、灵活和高性能的系统特性大幅地提升客户的投资回报率。简单易用的操作流程和强大的功能能够使供热企业快速地完成各种热网运行状态的操作与分析。Tianx RW V2.0还包含了各种热网运行趋势、报表、工况分析和热网控制分析等功能。

1.2 通信网络的组成

通信网络调试中心网络与各换热子站控制系统之间的通讯网络，主要负责数据的传输，通讯网络的组建要根据供热工程实施地的实际情况而定，主要从其组建成本、通讯速率、传输的稳定性、日后的可维护性施工难度，以及运行成本等几个方面来考虑。网络方式一般有三种，VPN网络、专网方式和无线方式（GPRS/3G/无线基站）。

（1）VPN（虚拟局域网）方式。当子站之间距离比较远、热网规模较大的情况下，一家网络服务商不可能完成整网的通讯连接时，可以借助Internet公网实现网络通信，这是一种较为复杂的通信方式。调度中心要处理整个网络的数据、需要足够的带宽来保证数据传输的通畅，所以在大多数情况下采用固定IP的光纤接口，各个换热站可以采用ADSL拨号上网方式（只需要保证各站的通讯设备能够连上Internet公网及可）。通过所配置的具有VPN数据汇聚功能的路由器，将数据汇聚至调度中心数据服务器。这种组网方式的特点是借助借助Internet公网实现网络通信，各个站点的通讯不会产生相互影响，只要确保调度中心和各个换热站能够独立可靠地接入公网，就能够保证数据传输的通畅。但是需要向网络运营商（可能不止一家）缴纳一定的网络运营费，各地区不同网络服务商之间的资费标准可能会小有差异。通讯运营成本虽然不高，但有一定的网络硬件的前期投入。

（2）专网方式。通过租用网络运营商（电信、网通、联通和中国移动等）的网络所能组成的通讯网络。网络建设其间，由运营商在其机房出口将换热站网络进行VPN规划，组成专网。此种网络安全性较高，速度很快。相对投资成本跟据不同运营商、不同地点，网络费用会有较大的差异，价格趋于ADSL宽带或光纤介入之间。但这种组网方式只能在一家网络服务商的工程范围之内，较难实现不同网络服务商之间的网络通讯。

（3）无线方式。无线网络的建设，省去了通信电缆的铺设，方便系统的组建，稳定性与传统网络相比略显不够成熟。一般在新建设换热站，网络运营商固定网络没有进入换热站时可考虑无线传输做为临时解决通讯问题的方案。

无线网络通讯试一般包括GPRS（2G）、3G和无线基站三种。

GPRS是General Packet Radio Service的简称，经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。传输速率可提升至56Kbps甚至114Kbps。由于通讯速率不强，只能用于控制较少、监视数据较多的项目当中。优点是网络费用非常的低。

3G（3rd－generation）是第三代移动通信技术的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息（电子邮件和视频等）。代表特征是可以提供高速数据业务，能够完全满足热网监控系统的需求。缺点是运营费用极高。

无线基站。无线基站实际上是无线电台站的一种形式，使用专业无线电设备实现通讯，占用一定的无线频段。通过无线基站控制器控制几台或是十几台电台信号收发装置。此种通讯方式的优点是没有网络使用费用。缺点是前期投入资金比较大，各个分信号信号点之间若出现新的建筑就会阻断信号的传递。

1.3 前端采集控制系统的组成

前端采集控制系统由硬件和软件两部分组成。

（1）前端采集控制系统的硬件由PLC、现场仪表、通讯接口、触摸式人机接口HMI，以及相关电气设备组成。其核心部件PLC可以采用施耐德Modicon M340系列。该系列PLC具有功能强劲、维护便捷、操作简便、外形精巧和稳定可靠等特点。采用工业级Intel芯片组，外形体积小，性能价格比高，兼容性强，有强大的数据处理能力，便于升级、安装，系统组态简便。触摸屏采用施耐德公司的XBTG系列触屏，具有可靠性高，使用寿命长，操作简单的特点。

（2）PLC软件采用Unity Pro。该软件支持五种标准IEC 6－1131组态语言——功能块（用来组态模拟控制回路）、梯形图（用来组态逻辑控制）、顺序流程图（用来组态顺序控制）、指令表以及结构文本（用于用户自行编程和开发软件）。触摸屏软件采用Vijeo Designer，该系统具有丰富强大的图库，控件配置简便，可以完成离线仿真、在线测试等功能。并且可以完成两个通讯端口同时通讯，支持USB编程。

2 系统的功能及实现手段

2.1 调度中心的功能及实施方案

（1）实时数据监控:对全网换热站关建数据点进行监测（温度、压力、流量、液位、失水量、电量、热量、循环泵及补水泵频率电流等），运行人员直观全面的了解各换热站运行情况，并可完成对实时数据打印、导出至EXCEL功能，方便各部门对相关数据的调用。

（2）温压模型监视:用户可以根据此功能提供的实时数据，来分析相应的热网工况，及时对整个热网进行平衡调节，这对于当前的热网的调节是至关重要的。用户可以根据二次网供、回水温度来调节管网的热平衡，根据一次网的供、回水压力来调节管网的水平衡。

（3）专家级报表:对于采集来的数据，包括温度、压力、流量、液位、失水量、电量、热量、循环泵及补水泵频率电流等，形成专家级数据报表，可以使历史数据的查询变得更加自如。

（4）分站控制功能:以动态的方式对换热站的数据进行实时显示，同步获取各子站数据，并依据获取的温度、压力和流量等数据，采用动画模拟的方式，直观反映整个单个换热站的当前运行状态。在该窗口点击相应图标，如电调阀、循环泵、补水泵和电磁阀等，就可以对这些设备进行单体控制。

（5）热源数据:热源数据是热网监控不可分割的一部分，热网的综合调节也需要对热源数据进行有效地分析。该系统可以通过 OPC、DDE或ACCESS等接口与热源控制系统（DCS或是其他SCADA系统等）进行数据交换。

（6）热网数据分析评估:对每个站点的量、电、热指标进行分析统计，各项指标可以清晰地棒图上显示出来。该功能同时可为热力公司内部成本考核提供基础数据。

2.2 前端采集控制系统的功能及实施方案

（1）参数测量:主要完成管网现场过程的模拟量（如温度、压力、流量和热量等）、状态量（如泵的状态、水位高和低状态等）及脉冲量的测量、并完成相应的物理量的上下限比较、PID运算和逻辑运算等。

（2）资料存储:控制器按一定的时间间隔采集被测参数。一般情况下这些参数通过用户专用通讯线路传输到外网监控中心的服务器中。为防止监控中心的故障或停电，控制器必须具备一定的断电数据存储能力。可以在断电或是故障的情况下，将之前设定的系统参数或运行数据，存贮在控制器的SF卡或是FLASH卡当中。恢复供电或是故障解除后，控制器可按照之前设备的系统参数自动运行。

（3）通讯功能:控制器具有通讯功能，并且采用开放的通讯协议，具有10BaseT通讯口（应有国际标准RJ45接口），支持TCP/IP协议，控制器能将现场的设备运行情况实时传送到热网监控中心数据服务器进行分析处理。

（4）诊断自恢复功能:控制器上电后可自动对关键部位进行自检，并将故障资料上传给监控中心，继续运行，不会出现死机现象。

（5）日历、时钟功能:PLC设有日历和时钟（年、月、日、分、秒），并可接受监控中心对时命令，使整个系统时间保持一致。

（6）保护功能:控制器所有内存都应有后备电池或者能不需要电池而无限期保存资料。

（7）显示操作功能:控制器应配备中英文显示液晶触摸屏，带操作单元，安装在仪表箱面板上。

（8）控制调节功能:控制器除能在就地进行自动控制和调节外，还能在监控中心的命令下和允许的范围内，对换热站和其它现场设备进行控制和调节。

（9）组态功能:PLC的站名、站号、物理量转换公式、参数采样频率、限值均可在监控中心和现场进行组态。控制器应使用不依赖于电源的内存存储组态信息，并将组态信息上传到监控中心。

（10）控制器根据检测的信号，水压、温度超限报警，应具备人工/自动转换功能。

（11）控制器将测量主要工程参数，如一次网瞬时和累积流量、热量、压力和温度等，测量结果将传送到监控中心。

（12）控制器还应当具有接收温度控制曲线的功能，该曲线一般由热网运行操作人员根据室外温度的变化，通过触摸屏等人机界面进行设定，可以设定多条运行曲线，并可按时段或是某些特殊触发条件，以及人工进行曲线之间的切换。曲线也可以由调度中心的调度人员事先在上位系统当中编制，并存贮于上位机系统当中。曲线当中的各项可以随时进行修改。

（13）每个工程的补水压力控制方式都会有所不同，有的需要检测二次网回水压力、通过设定二次网回水压力设定值，来自动调节补水泵控制变频器的输出，从而完成系统的自动补水功能。也有的工程通过检测补水压力管道的压力，或者是二次网联通管网的压力来控制系统的补水。

（14）除了补水泵以外，二次网的另一个主要的设备就是循环泵，循环泵的控制一般分二种，一种方式是自动二次网供回水压力差控制方式，就是通过设定二次网回水的压力值来改变循环水泵控制变频器的输出，压差值设定的越大，循环泵的转速就越高。第二种方式是手动方式，直接手动输入循环水泵控制变频器的输出频率，来控制循环水泵的转速。

（15）控制器应当能够以自动和手动两种控制方式控制一网电动调节阀来，直接调节一次网的供水流量，间接地控制二次网的供水温度。当循环泵发生故障或是断电停止运行时，控制器应该能自动减小调节阀的开度，使其保持在预先设定好的设定值上，可以有效防止换热器汽化现象的产生。

（16）如果二次网的回水压力低于人为的设定值，控制器需自动停止循环泵的运行，防止管道中缺少，导致水泵汽化现象的发生。并将信号传递给调度中心，使调度人员第一时间进行故障处理。

（17）能接受监控中心参数修改更新指令，并保存更改历史记录。

（18）控制器还应当具有水箱液位监视及连锁功能，如软水箱低停补水泵、生水箱低停生水泵等功能。

3 集中供热系统的控制策略说明

目前几种最常用的控制策略。

3.1 供热量平衡策略

当供热管网以稳定的状态运行在正常工况时，如果忽略由于管道内壁粗糙度、管道长度，以及管道附件（如弯头，三通，阀门等）等产生的阻力，则管网的供热量应大致等于最终热用户的热负荷，也就是热用户的所有采暖设备的散热量。

假设供暖热用户的热负荷为Q1，则

式中:q为供热建筑的供热指标，一般为常数不同建筑类型的建筑，其供热指标也有所不同;V为供热建筑的外部体积;tn为建筑室内温度;tw为室外温度。

假设供暖热用户的所有采暖设备的散热量为Q2，则

式中:K为散热器的传导系数;F为散热器的散热面积;为散热器热煤平均温度;t为散热器g供温;th为散热器回温。

Q1=Q2，即供暖热用户的热负荷基本与供暖热用户的所有采暖设备的散热量一致，是供热调节的理论基础，从公式（1）中很容易可以看出，系数q和V在一般情况下变化很小，可以认为是常数。我们要把室内温度控制在一定的范围以内时，只要控制tw这一个参数及可，也就是说，室外温度tw是公式（1）当中唯一的变量。只要掌握室外温度对室内温度的影响，找出合适的控制方式，就可以很好的控制室内温度了。

实际工程运行当中，其他气象条件，如日照时间、风速及气流方向等，也会对室外温度参数tw产生一定的影响，但是由于影响不大，在理论研究时，可暂且忽略不计。

目前常用的控制策略有供水温度调节;回水温度调节;供回水平均温度调节;供热量调节四种调节方式。

3.2 供水温度tg策略

调节的依据为:

式中:tg为管网供水温度;tn为室内温度;tw为室外温度;为相对流量比，等于管网实际流量G与管网设计流量G′的比值，即为散热器的散热指数，为一常数，普通散热器的散热指数一般为0.14～0.37。

当室外温度tw在某一时间段为一定值时，相对流量比是定值，所以可以推断出，二次网供水温度tg也是一个定值。

二次网供水温度控制策略的最大的优点是控制响应速度快、系统调节能力强。但由于供水温度不能够完全反映热用户的室内供热情况，可能会在控制上产生一定的误差，需要运行人员有较高的管网调控工艺水平。此种控制方式仍然是目前工程当中最常采用的控制策略。

从上面的分析能够得出这样的结论，在某段时间内，二次供水温度和室外温度在数学上有唯一的对应关系，如图1所示，根据这种对应关系，就可以自行设定温度控制曲线了。

图1 温度控制曲线Fig.1 Temperature control curve

3.3 回水温度th策略

调节的依据为:

式中:th为管网供水温度;tn为热用户室内温度;tw为室外温度;为相对流量比，等于管网实际流量G与管网设计流量G′的比值，即=G/G′;β 为散热器的散热指数，为一常数，普通散热器的散热指数一般为0.1 4～0.37。

理论分析的过程和供水温度相类似，也可以绘制出类似的对应曲线。

在一段时间内的室外温度和供水温度在理论上有唯一的对应关系，回水温度也可以反映出某一个支路的供热品质的好坏。

（1）优点:回水温度是最直接的控制手段，也是所需要的结果，一般在二级网水力工况不失衡的情况下，当网路的回水温度满足控制指标时，基本可以保证供热品质了。所以说回水温度的控制好坏也是控制效果的最终体现。

（2）缺点:当供热半径较长时，回水温度的响应时间会很长，具有严重的滞后性，控制算法复杂，难以掌握，控制效果有时不太理想;另外当支路较多时，或支路的负荷类型不同时，用回水温度作为控制指标也难以作到很科学。

3.4 供、回水平均温度（tg+th）策略

根据能量衡定理及稳态下的热量平衡方程可以得到如下结论:散热器向房间的传热量应与其向室外的传热量相同，即满足以下公式:

式中:q为供热建筑的供热指标，一般为常数不同建筑类型的建筑，其供热指标也有所不同;V为供热建筑的外部体积;tn为建筑室内温度;tw为室外温度。K为散热器的传热系数;F为散热器的散热面积;为散热器热煤平均温度;t为散热器g供温;th为散热器回温。

由上述公式及分析解出建筑室内温度tn:

也就是说，当管道运行在稳定工况下进，室内温度的控制受供、回水温度和室外温度的共同影响，其系数由热用户建筑的综合传热系数和散热器的传热系数的比值决定。如果在热用户建筑的综合传热系数和散热器的传热系数的比值相差不大的的情况下，各换热站的供、回温度平均值基本上就能够反映该换热站所供用户的室内平均温度。如果将各个换力站的二次网供、回水平均温度调为一致，则可以近似地认为其各热用户的室内温温度是相同的。

（1）优点:不管是质调节还是量调节，对控制指标没有影响。即二级网流量的变化不会影响到供、回水平均温度的设定值，对管网运行人员的工艺水平相对要求就可以降低一些。

（2）缺点:此种控制策略在使用时，其供热范围内的建筑物的综合传热系数最好与其散热器的传热系数约相当，才能够发挥此种控制策略的最大优点。但由于各种原因，这两个系数很难一致，所以导致供回水平均温度目标值不是很准确，如果供热半径过长的话，供回水平均温度的调节周期太长，容易超调或者滞后。

3.5 供热量Q策略

如果能够准确掌握各个换热站的热量的精确数据，再通过结合长斯的运行数据，依托调度人员的丰富经验，再加之上位系统当中集成的天气预报系统的相关功能，就可能近似地模拟出室外温度变化与换热站供热量的关系曲线。因为按照做到按需求供热，都是最合理、最实际，也是最经济的控制策略。

对于有供有回的管线，其供热量的公式为:Q=G供H供－G回H回－（G供－G回）H自，

式中:G供为一网供水流量;G回为一网回水流量;H供为供水热焓;H回为回水热焓。

H自为补水的自然热焓。忽略一网在站内的失水，可以认为G供=G回=G。

这样供热量的公式为:Q=G（H供－H回）。

由上述公式可以看出，供热量Q是流量G和热焓H的函数，而热焓H又是压力和温度的函数。所以在调节供热量Q的同时，一网的流量、压力和温度都随之变化。

因此在调整一级网的电动调节门的同时，既要合理的控制供热量，又要防止热网水力失调。

由于各热力站的热用户情况、建筑物结构和地理位置等的不同，会造成其单位面积耗热量（W/m2）的差异。但由于各换热热站所供的负荷面积轻易不会发生改变，并且各建筑物的负荷主要由室外环境温度所决定。所以，由外部气象环境的变化所引起的各个换热站的热负荷的变化是同步的，要么同时需求增大，要么需求同时降低，但是各个换热站之间的热负荷的比值是基本不变的。因此，只要前期将系统网管调节的完善一些，运行期间就基本能够保持住整体管网的平衡。而且此种控制策略可以使各个换热站的调节阀动作的频率较低，这更有得于系统的长期稳定运行。

积累了大量的原始运行数据，并且对各换热站的热用户情况十分熟悉，这样可以很容易的拟合出曲线，如图2所示。

图2 供热量曲线Fig.2 Heating load curve

由上图可知，热用户的热负荷需求随室外温度的变化而变化，如果能根据室外温度的变化及时的调整供热量，使其刚好满足用户的室内温度需求，这样将节约大量的热能。

（1）优点:以供热量来指导换热站运行，一是达到节能的目的，二是可以直观的进行统计分析，直接对换热站的运行情况实施考核。

（2）缺点:供热量的指标和建筑类型有直接的关系，不能所有建筑物一概而论;再有就是有时供热面积的核算不是很准确，造成单位供热量测算不准;从自控角度讲，调整供热量的话，会造成流量压力温度同时变化，可能影响到热力工况及水力工况，难以掌握。

3.6 分布式变频控制策略

取消管网中的调节设备，在管网的适当节点设置安装可调速的水泵，以满足其后的水力工况要求。如果控制管网中适当节点的压差，该点称之为压差控制点，对于主循环泵的选择，只要能够满足流量和热源到压差控制点的阻力即可，这样可大大降低主循环泵的扬程，使主循环泵电机功率下降;压差控制点之后的每个用户设置相应的分布变频泵，成为分布式变频控制系统。取消原来用于支线平衡阀门或电动调节阀，从而减少了阀门节流的能量损失。水泵采用变频器调速，主循环泵可大大降低电能消耗。图3为分布式变频控制系统模式水力图。

（1）优点:节约电能可观，系统整体压力水平较低，系统更加安全。水力工况更好，基本解决整网热力平衡问题

（2）缺点:一次性投资较大，管理复杂，泵选型需要精确，对热网自动化控制水平要求较高

图3 分布式变频控制系统模式水力图Fig.3 Distributed monitoring and control curve

4 结论

热网监控系统本身就是一个大型的复杂性系统，其调节能力的好坏不仅取决于管网自身的设计及特性，还取决于自动控制水平的参与程度，以及所有相关人员的综合素质，要做到完全精准的控制，本身就是一件非常困难的事情。别外室外气象条件的变化也是千变万化，也会对供热系统本身产生一定的影响。加之供热系统是一个慢性较强的系统，不可能过于频繁地进行调节，否则会适得其反。所以一个好的供热系统一定要有一个尽可能准确的负荷预测功能，更应该把以上综合因素综合考虑进来，并给出及时、有效的解决方案。

由于本人水平和时间的限制，对于此系统当中的许多细节，如上位机系统及PLC代码编程、现场各类仪表选型、上位机与下位系统通讯故障处理，以及其他可能在工程应用当中出现的问题未做进一步的研究和讨论。随着人们热网工艺水平的不断提高、科技的不断发展，未来的热网监控系统必将会向通用化、智能化、标准化、简单化的方向稳步发展。

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