热力站无人值守系统改造

王 凡

(太原市热力集团有限责任公司，山西 太原 030013)

1 基本情况与无人值守改造目标

我公司成立于20世纪80年代初，随着全社会节能环保意识的加深，人民对冬季采暖质量要求的提高，经过30年的发展，已拥有近1 000 km一次网供热管线，热力站1 310余座，形成1.3亿m2的供热面积，已经稳居全国第二大集中供热企业。根据使用热源不同下辖9个供暖分公司，我分公司现在承担太原市1 400万m2的供热面积，拥有热力站204座。在经过无人值守系统改造前，我公司热力站工作方式趋于传统即在冬季运行期间，除了我单位正式员工外还需雇佣冬季临时工负责协助生产，平均每座热力站需要配备3人～4人。他们的工作包括对热力站设备的巡视，二网软化水的生产，供热参数的抄报，根据生产调度部门调节一次网流量控制阀门的开度大小以控制换热量达到对二次网温度的控制等多种工作。

随着供热面积的持续增加，传统的热力站供热方式弊端凸显越来越严重：

1)人工成本的增加，我单位现冬季临时工工资每人每月需要1 500元，按每站需派驻4人，200座热力站每个供暖季就需要支付人工费用700多万元。2)人为故障频发，在热力站实际使用中，人为操作失误引发的运行故障随着热力站数量增加变的越来越多，过多过频繁的故障不仅影响到冬季供热服务，还会提高生产设备损耗率造成不必要的生产成本增加，同时增加设备维护人员的工作强度。3)热网调控不及时，热源分布不均匀。我分公司随着热源负荷的倍增，在近两年内供热面积由原来的600万m2增加到1 400万m2，原有的全网平衡系统通讯方式已经满足不了现在的需求，造成很多新建地下室热力站无法纳入全网平衡系统。基于多种传统热力站控制方式的弊端和我分公司在大规模发展中所突出的生产技术短板，我公司迫切需要对热力站实施无人值守控制系统改造，以实现热力站无人值守，热网参数的自动采集集中控制，热网联调联控实现全网平衡，发生故障自动报警，降低供热生产成本，提高我公司供热服务质量，提升我公司生产管理水平等目标。

2 热力站无人值守改造的前期保证

随着科学技术的日新月异，尤其是自动化控制技术、信息技术与物联网技术的发展，我公司近年来使用自动化控制设备对热力站控制技术及管理水平的提升，我单位集中自控人员与运管、调度部门专门对我单位现在运行中存在的短板进行了发现总结，对我单位彻底升级自动化控制水平实现热力站无人值守给予了充分的保证。

1)通讯技术的成熟与成本的降低，现阶段我单位供热区热力站域实现了4G无线通讯信号的全覆盖，大部分热力站都可以实现点对点数字电路的接入。2)物联网技术的成熟，随着物联网技术的提出与发展成熟，电子视频监控系统的广泛应用，通过电子眼代替人眼的愿望不再是奢求。3)随着我单位自动化控制系统的多次升级，已经建立了初步的热网全网平衡系统并在使用当中总结出来新的使用生产管理思路以适应热力站无人值守系统。4)我单位通过对所属热力站，进行通过抽取一次网回水补充进二次网回水的补水方式的改造，可以解决热力站需要有人参与生产软化水的工作即“一补二”自动补水系统。5)我单位已有热力站204座，为提高生产效率热力站无人值守改造已成当务之急。

3 热力站无人值守改造内容

热力站无人值守改造，是一种新的生产方式代替旧的生产方式的改造，改造的成功与否主要取决于两个方面：一、热力站及热网中生产控制设备的升级改造；二、热力站执行无人值守后生产工艺流程的改造。在很多创新式改造案例中有很多都是只注重生产设备硬件的更新改造，忽略了对生产技术人员，生产方式和专业技术能力的提升转变，造成了生产硬件有了但人不会用，形成穿新鞋走老路的生产模式，使新的生产设备不能发挥最大的效能。为了避免造成这种情况，我单位在制定热力站无人值守改造项目计划初期就提出“两双抓”的方针：热力站硬件要升级改造，同时运行生产人员的技术思想业务能力也要同步学习提高，新的生产设备要与新的生产意识相匹配。要做到改造后的控制系统“能用”“适用”“会用”。

4 热力站无人值守系统的硬件组成构架

热力站无人值守系统组成包括：热力站控制运行系统，热网中控系统以及通讯系统。三个子系统相互依托缺一不可。三个系统同时作用于无人值守热力站，实现控制生产，安全监视，故障报警等功能。同时还有全网平衡系统负责对全部热力站二次网温度的平均控制。其中热力站自控系统负责对热力站参数进行采集对设备进行控制，视频监控系统负责观察热力站运行状态，通信系统负责将热力站站内的将前两系统的信息数据传输至中控室及片区中心站供生产调度人员使用，见图1。

4.1 热力站自动化控制系统

我公司热力站内原有自控系统主要依托PLC通过对热力站内一二次网温度、压力流量等运行参数的采集，上传至中控室上位机，由上位机进行工作设备运行状态的调整。对一次网流量控制电动阀门开度进行控制，对二次网进行自动补水工作。但要进行无人值守状态，除了上述的功能外，还需添加生产设备故障报警功能，包括二次网失温失压报警，循环泵停泵报警，变频器故障报警。其中变频器故障报警可以将变频器的故障报警和故障代码通过R485通讯协议与PLC链接向上位机上传；失温报警通过组态软件采集到热力站实时温度与热力站全网平衡系统温度设定值比较进行报警当温度传感器测得温度低于全网平衡设定温度3 ℃时触发报警；失压报警存在二次网欠压和超压两种故障表象，通过组态软件将实时采集二次网回水压力参数与热力站二次网补水定压点比较进行报警，当压力低于或高于定压点0.05 MP时触发报警；循环泵停泵报警我公司目前是通过比较二次网供回水压差的方法比较，当压力变送器采集到的二次网供回水压差变小或相同时触发报警，后经过使用发现这种方法对于供热面积大实际运行压差大的热力站适用，供热面积小实际运行压差的热力站可选配带有移动通讯功能的水泵停泵报警器。

4.2 视频监控系统

我公司通过在热力站内加高清装摄像头及网络硬盘录像机(NVR)，对热力站生产设备实时拍摄并保存，上传至中控室，由负责生产运行的专人对热力站进行统一的画面轮巡检查，代替以往热力站中常驻人工巡视工作。我公司摄影头机位安装要求为：能清晰拍摄到热力站大门起到安防作用；能清晰拍摄到热力站内配电柜及变频器起到方便设备故障报警后的观察，实现远程的故障初判；能清晰拍摄到热力站内循环泵、换热器等主要生产设备。同时具备运行视频的录像存储功能，我公司视频监控系统为每座热力站配备独立的NVR，分别录制各自热力站的视频录像，需要时通过服务器在线调取或者就地硬盘读取保存视频，这种方式可最大限度的节省网络资源，减少由于多路视频同时上传对上层造成带宽压力。同时便于设备维护，相较于服务器硬盘矩阵，故障造成的影响只会停留在一个热力站中。

4.3 通讯系统

通讯系统担负着设备、系统与人之间的联系工作，我公司在之前的自控系统改造中，曾经在热力站内安装过GPRS的无线通信设备，受当时的通讯技术制约，在使用中暴露出了很多不足，通讯设备故障率高，信号质量差，信号盲点多不能做到热力站的全覆盖。而通讯系统的稳定与高速又影响着整个无人值守系统的能否正常使用，所以在我公司本次通讯方式选型的时候，我单位配合通讯运营商在前期做了细致的覆盖勘探工作，得出我单位204座热力站202座适合光纤接入，2座由于光纤无法接入使用4G传输信号的勘测包括，同时结合我公司实际工况即我热力站有自控设备和监控高清摄像头3个，计算出信息传输量3台720P高清摄像头需要带宽6 M/s，自控数据传输需要2 M/s考虑到设备数据传输冗为热力站设计10 M/s带宽，片区中心站由于需要同时监视多座热力站轮巡视频和自控设备运行数据设计带宽为20 M/s，中控室设计带宽为50 M/s。考虑到以后自控监控数据有向手机APP应用端外网发布的需求，在中控室服务器端留有外网发布所需硬件设备。同时为了避免自控、监控数据在同一条网线上传输造成数据挤压，网络供应商提出了对网络带宽数据分割方案，自控系统数据与监控系统数据分开传输分别汇聚的传输方式，这种方式能够消除两系统同时使用对带宽造成的压力，保证数据的正常传输。基于实际工况要求，我单位选择了运营商提供的点对点数字电路业务，其使用优势有传输速率高、网络延时小、全透明传输、网络设备适应性高，同时可实现统一的网络监管功能。其中网络监管功能在无人值守系统运行中，发生断网恢复时，对网络断线原因的判断起到了很大作用。

4.4 热网中控系统

如果说热力站自控系统是整个无人值守自控系统的双手，视频监控系统是眼睛，通讯系统是整个系统中的神经系统，那么中控机房的构建就是整个无人值守自控系统的中枢大脑，见图2。鉴于此，我单位在无人值守自控系统改造初期，就设定结合以往工作经验，将中控机房的设备配套安装与无人值守系统生产工艺流程的制定相结合，同步进行，最大限度避免硬件设备与生产工艺的冲突，造成不必要的设备资源浪费，同时在前期针对生产运行部门需求做了充分调研对今后系统功能延伸，供热面积增扩网留出合理的冗余空间。同时在系统构建初期就让热网运行管理人员对系统运行工艺流程与系统组成硬件有了初步了解，方便在无人值守自控系统建设后期至投运初期的人机使用无缝衔接。其主要设备包括交换机，防火墙，视频监控服务器，自控系统服务器，全网平衡系统服务器。

5 热力站无人值守生产工艺流程

在集中供热工程中，热力站的稳定运行是与用户冷暖息息相关的，热力站无人值守系统改造不仅要实现无人值守，提供更好更稳定的供热服务同时还要达到节能降耗减排的作用。就需要制定一整套新的生产工艺流程。为此充分研究以往传统热力站有人值守的工艺流程结合新的可利用资源与思想，从中剥离出可用自控、监控系统代替的人工操作步骤如：热力站内安防，运行参数抄报，设备故障报警等功能，同时把管控人员功能集约化专业化，为此我公司重新制定了一整套热力站无人值守生产操作工艺流程。

由于我公司供热面积大，热力站数量多，地理位置分布广。结合以往的生产管理制度，我公司制定站、段、中心控制的三级管理层。以地理位置就近原则由一个热力站长负责几座热力站，其工作主要职能与有人值守时没有发生明显变化。在热力站正常运行时，鉴于我公司热力站自控系统可实现功能，由PLC对热力站各参数进行抄报，进行一次网对二次网的自动补水。各热力站的自控监控设备通过网络设备，将热力站运行的实时参数抄报至中控室，包括热网运行一二次网温度压力，电动阀门开度，循环泵变频器启停频率，设备故障报警、失温失压报警，站内各机位实时视频等。中控室管控人员，在可以通过对站内的运行参数，控制修改全网平衡系统，由全网平衡系统对热力站一次网电动流量控制阀门进行开度更改，实现全网热源的平衡分配。当热力站运行出现故障时，热力站将报警信息向中控室发布，调度人员结合报警信息、运行参数、视频监控做出判断安排专业维修人员对故障热力站进行维护。同时在片区中心站设立专门的运管人员，负责通过自控参数与站内视频画面对所属片区热力站运行状态的监管发现问题上报。为避免无人值守系统存在可能的故障及盲点，保留部分的热力站巡检人员，我公司在第一年使用中平均每10个热力站每个班配备一名巡视人员，定时对热力站进行巡查，人工抄报参数，从而发现无人值守系统未发现的故障与隐患。随着无人值守系统功能的使用完善与稳定，人工巡查频率可进一步降低。

6 结语

我公司通过对热力站内自控系统功能完善化的改造与视频监控系统的加装，以及设备的联网互通。加上制定了科学详细的针对于热力站无人值守的运行工艺流程。我公司热力站无人值守系统的改造得以成功，在改造后运行的第一个供暖季，直接节省人工成本600余万元；通过对中自控与通信系统的优化去除了人为操作对全网平衡系统的影响，加强了全网平衡系统的控制力与执行力，提高了8%热源使用率降低了热源成本。同时减少了人为误操作对供热设备的损坏，节省了设备损耗成本。但是在使用过程中也发现一些故障与问题如：由于热力站无人值守进行了一次网向二次网的自动补水，一次网水质的好坏压力的高低将严重影响自动补水故障率，发生过由于一次网水中杂质过多将电磁阀工作行程卡死，造成二网压力超压安全阀跑水的情况。由于热力站仪表设备，变频器，PLC等设备全部联网化，没有考虑到电磁信号对通讯设备干扰作用，在测试期间发生了由于热力站变频器启动，对通信设备干扰从而引发了自控系统网络的大规模网络阻塞，整个无人值守系统处于瘫痪状态。后经过在对热力站通信设备进行屏蔽抗干扰处理后，此故障彻底恢复。

在使用中由于对热力站数据采集的准确度和集成度的提高，热力站自控数据结合我单位现在使用的分户式热计量表，用户远传热计量表数据的汇总可以形成我单位热力站运行供热温度的大数据平台，针对这些数据可以实现我单位供热温度的多级考量，实现更科学的热源多级平衡分配，这些课题有待在今后的工作中研究解决。