基于 DCS 技术的换热站分布式监控系统的研究

张松岩

摘要：本文介绍了基于DCS的换热站分布式监控系统。通过该系统的建立，能够完成对换热站设备状态、管网数据的采集监测，并通过分析运行状态，实现对下游用户的精细化调控，达到智慧供热、节能降耗的目的。

关键词：换热站;DCS;管网

Abstract：ThispaperintroducesthedistributedmonitoringsystemofheatexchangestationbasedonDCS（DistributedControlSystem）.Thesystemcollectsdataandmonitoringequipmentandpipelinenetworkstatusinheatexchangestation，andrealizationtherefinementregulationofpipelinenetworkthroughdataanalysis，achievingthepurposeofintelligentheatingandconsumptionreduction.

Keywords：heatexchangestation;DCS;pipelinenetwork

引言

作为北方城市冬季供暖的重要手段，集中供热模式已经成为重点发展及大力推广的供暖方式。在集中供热系统中，换热站是一个极为重要的环节，它连接着热源与热用户，其工作的安全性及可靠性对热网安全、供热质量均可造成直接影响。然而，目前仍有许多换热站采用人工监控的方式，这种传统的监控方式不但浪费人力，且在出现隐患时，很难做到及时发现并做出正确处置，极易造成事故规模的扩大化，使整套供热系统间的安全性与可靠性均出现一定程度上的降低。

为了确保换热站的运行安全及供热品质，避免出现因各换热站独立运行造成的管网水力平衡失调、能源损耗及热源浪费等情况，需要建立一套分散控制、集中监管、全网调度的监控系统，实现提高供热生产运行调控决策的科学性和及时性、动态监控管网热负荷需求、提升系统综合能效及安全水平的目的。

1集中供热系统及其主要特点

集中供热系统是指由集中热源所产生的蒸汽、热水，通过管网供给一个城市（镇）或部分区域生产、采暖和生活所需的热量的方式。其是现代化城市的基础设施之一，也是城市公用事业的一项重要设施。

集中供热系统主要由热源侧、热网侧（即：输配侧）和热用户侧等三部组成，其运行调节主要体现在热源侧和热网侧两部分。目前，集中供熱系统的主要调控策略为：

1）热源侧建立供热负荷预测模型，根据室外温度对理论热负荷进行测算，随后根据理论热负荷调整供热量，确保满足末端用户热负荷需求;

2）输配侧建立流量分配模型，根据采暖季的不同阶段测算流量并进行分配。针对不同区域的流量比例，根据热负荷的供应比例进行相应调节。对于不同特点的末端用户将依据室外天气情况对流量进行优化配置。

最终达到供应热负荷与实际需求负荷的匹配，确保室内温度达标的目标。

但，受人员、设备设施工况、管网运行实际情况、天气情况等诸多因素的影响，现有调控策略在很大程度上难以实现科学、规范的进行热负荷调节，导致换热站及附属管网设施间依然存在管网水力平衡失调、热力失衡及热源浪费等现象，并最终影响供热效果、品质。

2DCS系统及其技术主要特点

DCS控制系统，是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的仪表控制系统。其通过在系统物理结构上将控制系统、操作系统功能利用通信网络向下层终端及PLC控制器进行分散，使各局部系统具有较强的独立工作能力，并可以依靠各系统间形成的局域网络及总线技术实现数据互通，将各种参数稳定迅速的上传至总控终端，直观显示在控制软件中，方便操作人员对如温度、压力、流量等换热站运行参数进行了解与远程控制。系统架构图如图2所示。

此外，根据DCS系统的特性，可在在总线设置专门收集各局部系统运行参数的数据管理服务器，其作用为将当前运行状态下各项数据与以往运行中积累的历史数据进行分析、处理、比对，并根据企业建立的数学模型对目前热网运行状态与用户热负荷动态需求的契合度，实现“以需定产，以产定调”的能源供给目标，达到数据的高利用率与能源的高效供应。

3分布式监控系统的构成

该系统架构图如图3所示。主要构成可以简化为：一个监控中心及若干客户端，与分散在各换热站的服务器端通过网络进行连接来实现实时监控。

1）监控中心作为分布式监控系统的最上层，可通过总线、局域网网络系统实现对下层换热站参数信息的统一上传，并利用数据服务器对参数进行分析处理，随后形成实时数据表单、运行曲线等直观图文显示界面反馈至监控中心工程师站、操作员站操作界面，供运行人员对供热系统内各换热站运行情况进行评估。运行人员在对上述表单、曲线等信息进行评估后，通过与供热负荷预测模型给出的理论值进行比对，在发现某下层换热站实际供热量与理论值出现偏差时，可通过网络系统调节该换热站内安装有远程操作模块的电动阀、水泵变频器等设备，指挥其改变阀门开度与水泵运转频率，达到及时调整换热站供回水温度、流量等参数的目的，使实际供热量逐步趋近于理论供热量，实现精细化调节与热源高效利用的目标。

2）客户端为该系统直面用户的界面，它分布于这套系统网络中的各处，通过系统内部局域网络或经由路由器接入系统网络，使监控系统中的客户端不仅仅局限于传统PC端上的浏览器或软件界面，新兴移动设备（如：智能手机，平板电脑等）及设备可视化终端等，也能够利用app软件或系统改造方式登录客户端，接入监控系统网络，使管理人员、运行人员可随时随地调阅热网系统主要参数、运行状态等信息。

3）服务器端、网络层级是监控系统中最为重要、最为关键的设备。这些服务器将通过不同层级的网络下沉嵌入至下属换热站设备的控制器当中，使原本单一的控制器转变为具备程序处理、数据存储、图像组态成型的复合服务器兼控制器，并利用总线网络、局域网或路由器等网络设施实现接收来自监控中心、移动设备、设备可视化终端等不同客户端传送的指令，并控制执行;采集下属换热站的数据、存储以及发送;远程调控相关参数设定;故障报警信息等多种功能。

4）设备层面是构成分布式监控系统最基础的执行层级，其广泛分布于热网系统的各个重要环节，包括但不限于热源侧、输配侧的电动调节阀、水泵变频器、各类传感器等;用户侧温控阀、温度流量传感器等。这些基础设备在运行期间可实时采集现场运行数据，并通过关联本地有线、无线网络设施，实现向监控中心数据服务器发送数据，并接受来自监控中心的调控指令对设备运行进行调节的功能。

4换热站分布式监控系统的功能

为确保分布式监控系统部署后，换热站能够安全、稳定运行，确保用户侧动态热负荷需求得到满足，系统仍应具备自动化控制调节、换热站无人值守、实时计量反馈、分时分区调控等功能。

4.1自动化控制调节功能

换热站运控调节工作的开展情况直接决定了用户侧采暖品质及换热站的运行能耗情况。通过对换热站运行情况的前期调研，可针对影响换热站运行的主要因素进行逻辑分析，建立其变量与供热量、供热品质间的算法，并输入PID控制功能块，使系统具备自动化调控能力。

通过对历史同期、当前室外气温等运行数据进行比对，由系统下发当日当时热负荷预测曲线，指导换热站设备设施依照曲线进行自动调节，并结合二次侧反馈温度数值及系统内嵌气候补偿控制功能模块控制循环水泵频率及电动阀门开度进行供热量修正。系统界面如图4所示。

4.2换热站无人值守功能

分布式监控系统的部署，可极大缓解换热站运维压力，并可进一步降低人力成本，减少日常运维开支，使换热站运维向无人化迈进一步。为确保实现换热站的无人值守化，分布式监控系统除需具备自动化控制调节能力外，还需要布置完善的视频监控网络。上层监控中心在具备实时远程监控热力站运行的基础之上，通过部署视频监控网络，可实现：

1）场区的24小时不间断监视，前端网络摄像机通过总线在监控中心服务器进行视频存储，帮助运行人员确认设备运行状态。

2）设备运行期间出现故障时，能够对故障设备进行识别，并联动报警信息投送至监控中心界面，帮助运行人员快速进行处置，降低设备故障对管网系统的影响程度，提升运行安全、稳定性。

3）换热站无人值守期间，监控中心可通过摄像机对门禁、授权人员、访问人员等进行识别，避免无关人员擅自进入换热站，造成安全隐患。

4.3实时计量反馈功能

为确保换热站无人值守运行期间管网运行的平稳，保证用户侧采暖品质，系统需要对一、二次管网侧温度、压力、瞬时流量、瞬时热量等重要因素进行监测、记录、回传，定期生成水力平衡曲线图或数据报表，指导监控中心运行人员调整自动化控制调节功能参数，改变循环泵运行频率对各换热站一、二次管网流量分配进行调节，促进各供热区域实现水力平衡，提升热源利用效率，提高用户侧整体温度水平，做到精准施控。

4.4分时分区调控功能

在供热系统中，用户侧热负荷需求，特别是大型公建、交通枢纽、酒店旅馆、办公场所等用户的热负荷需求会根据时间变动呈现规律性变化。为满足用户动态的热负荷需求，分布式监控系统在部署初期需要积累供热辖区内特定用户的不同时间段用热量数据，以此为基础建立针对不同用户的动态供热量数学模型，实现对用户理论用热量的精确预测，并设置分时分区运行方案，明确重要参数具体调控区间。同时，通过向用户侧管网进出口植入具备远程控制能力的调节装置，使用户侧管网流量、温度等参数严格按照分时分区运行方案进行联动调节，确保用户动态热负荷需求得到满足，实现“以需定产，以产定调”的目标。

5结论

基于DCS的分布式监控系统的应用，提升了换热站的自动化控制能力、远程监控能力及数据分析能力。通过对DCS系统架构的运用，实现了对换热站设备设施的远程干预能力与关键参数的监测能力，进一步提升了集中供热系统的联动程度，为精细化调节提供了便利，为节能减排奠定了基础。

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