淺析信息技術(shù)在供熱企業(yè)生產(chǎn)中的應用

任秀芳 王 巍 丁國臣

1.海軍航空大學青島校區(qū)，山東青島 266041；2.青島高科熱力有限公司，山東青島 266041

信息技術(shù)（Information Technology，縮寫IT），是用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)總稱。它是應用計算機科學通信技術(shù)來設計、開發(fā)、安裝和實施信息系統(tǒng)及應用軟件。也被稱為信息和通信技術(shù)（Information and Communications Technology,ICT），主要包括傳感、智能、通信和控制技術(shù)。

供熱企業(yè)在生產(chǎn)管理方面的行業(yè)特點：供熱企業(yè)的生產(chǎn)運營宏觀上主要分為熱源和熱網(wǎng)2個部分，熱源主要以熱水或蒸汽鍋爐的運營為主，一般以熱水或蒸汽為熱媒體通過熱力管網(wǎng)一次網(wǎng)向熱力站進行熱能輸送，在換熱站進行熱交換，經(jīng)由二次網(wǎng)將熱能輸送到用戶家中。集中供熱系統(tǒng)具有大慣性、長時滯、非線性的特點，在運行過程中存在水力失調(diào)、冷熱不均的現(xiàn)象，遠端近端差別也很大，而供熱水力平衡會反過來對熱源熱水鍋爐造成影響，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，互相影響。如何做到在安全生產(chǎn)的前提下，保障用戶的供熱效果，又通過合理的調(diào)度，節(jié)省能源，降低排放，減少成本，是供熱行業(yè)生產(chǎn)運行當中面臨的重要問題。

本文論述了供熱企業(yè)生產(chǎn)當中的熱源DCS鍋爐控制系統(tǒng)、熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的組成及應用，并簡單介紹其他為生產(chǎn)服務系統(tǒng)，如生產(chǎn)調(diào)度及能源分析系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、定點測溫系統(tǒng)，并討論如何將各個信息系統(tǒng)有機地結(jié)合起來為企業(yè)的整體生產(chǎn)運行服務。

1 熱源DCS鍋爐控制系統(tǒng)

鍋爐DCS系統(tǒng)是一個多輸入、多輸出、多回路、非線性的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)參數(shù)與被調(diào)節(jié)參數(shù)之間，相互作用相互影響，調(diào)節(jié)難度較大。根據(jù)鍋爐控制系統(tǒng)的工藝特點，DCS鍋爐控制系統(tǒng)一般將整個鍋爐控制系統(tǒng)分解成各個子系統(tǒng)，如給煤系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、汽包液位系統(tǒng)，爐膛負壓系統(tǒng)等模塊，將各個子系統(tǒng)工藝參數(shù)采集上來，在工程師站進行組態(tài)，構(gòu)成一個個閉環(huán)的子系統(tǒng)，并實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的邏輯聯(lián)鎖。鍋爐DCS系統(tǒng)以過程控制為目標，一般由工業(yè)Ethernet層、上位機信息系統(tǒng)、鍋爐控制終端系統(tǒng)組成。

（1）工業(yè)Ethernet層采用多種工業(yè)通訊協(xié)議，具有高可靠的電氣性能，通過應用層的軟件系統(tǒng)能實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)與企業(yè)信息系統(tǒng)的無縫鏈接，實現(xiàn)企業(yè)級管控一體化。

（2）上位機信息系統(tǒng)由現(xiàn)場組態(tài)軟件、工程師站和操作員站構(gòu)成，工程師站具有高于操作員的權(quán)限，可根據(jù)工藝需要對DCS控制系統(tǒng)組態(tài)進行修改，編譯并下裝程序至現(xiàn)場控制器。其他各操作員站互為冗余，可各自獨立完成整個工藝過程的監(jiān)控，如顯示溫度、壓力等運行狀態(tài)、工藝流程的動態(tài)圖表、工藝參數(shù)的趨勢、歷史數(shù)據(jù)記錄。

（3）鍋爐控制終端系統(tǒng)主要由主控制器CPU及I/O卡件組成，I/O卡件與現(xiàn)場的檢測設備、執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)接，將鍋爐各檢測點的溫度、壓力、流量、開度等檢測值發(fā)送給CPU，CPU通過上位機組態(tài)軟件監(jiān)控終端將檢測值以圖文并存的方式直觀顯示在操作員站上，同時操作人員可實現(xiàn)實時監(jiān)控工藝參數(shù)，并根據(jù)需要通過上位機軟件下發(fā)操作命令，CPU通過計算把操作指令轉(zhuǎn)換成開關(guān)量或模擬量，通過I/O卡件下發(fā)的執(zhí)行機構(gòu)，來實現(xiàn)諸如現(xiàn)場的水泵啟停、擋板的開度調(diào)節(jié)等功能。

為保證整個系統(tǒng)的可靠性，在實際應用當中往往對主控CPU、工程師站等重要組件實施冗余、容錯配置。

2 熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)

SCADA（英文Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)?？蓪ΜF(xiàn)場的運行設備進行遠程實時監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制、測量、調(diào)節(jié)以及報警等各項功能。

供熱企業(yè)熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的傳統(tǒng)工作方式存在以下特點：（1）各換熱站大都采用人工監(jiān)控，一方面浪費人力；另一方面在出現(xiàn)事故隱患時，操作人員很難及時發(fā)現(xiàn)，容易造成設備事故的發(fā)生；（2）各換熱站都獨立運行，難以達到供熱系統(tǒng)整體最佳狀態(tài)，單站調(diào)節(jié)容易造成熱力失衡，影響供熱效果，造成能源浪費；（3）供熱的一、二次網(wǎng)覆蓋地域范圍大，存在工藝調(diào)節(jié)需求的實時性與系統(tǒng)長時滯、非線性特點之間的矛盾。

根據(jù)熱網(wǎng)系統(tǒng)的工況特點，熱網(wǎng)監(jiān)控SCADA系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線（一般采用VPN專線）和以太網(wǎng)架構(gòu)的標準通訊協(xié)議（如TCP/IP協(xié)議或MODBUS協(xié)議等）將各個換熱站聯(lián)系起來，組成一個由主站系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)及遠程終端控制構(gòu)成的有機系統(tǒng)。

（1）主站系統(tǒng)由上位機與操作站組成。上位機主要由主服務器、通訊（OPC）服務器、歷史數(shù)據(jù)庫器、WEB發(fā)布服務器等組成。操作站與服務器相連，安裝有人/機交互界面，操作人員可通過操作站對所有換熱站的溫度、壓力、流量、熱量等工藝參數(shù)進行實時監(jiān)控，并可遠程進行站內(nèi)水泵的啟/停，電動調(diào)節(jié)閥開度、溫度調(diào)節(jié)曲線等工藝參數(shù)的修改。

（2）通信系統(tǒng)是提供主站系統(tǒng)及遠程終端控制單元之間的通訊網(wǎng)絡，通?？煞譃橛芯€通訊系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)。有線方式以光纖、雙絞線等為傳輸載體。無線方式以GPRS 3G或4G無線網(wǎng)絡為傳輸載體。通訊網(wǎng)絡一般采用TCP/IP協(xié)議或MODBUS協(xié)議，通訊網(wǎng)絡的通訊質(zhì)量直接影響整個SCADA系統(tǒng)的調(diào)節(jié)傳輸?shù)膶崟r性。

（3）遠程終端控制系統(tǒng)（Remote Terminal Unit，簡稱RTU），在熱網(wǎng)SCADA中以可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱PLC）為主，比如西門子智能樓宇POL638系列產(chǎn)品，使用圖形化編程，可擴展性好，能適應多種工況，且價格低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場機組的各控制回路就地自控，并能通過以太網(wǎng)通訊與上位機主站系統(tǒng)進行實時通訊，操作員可以就地通過現(xiàn)場的人機交互界面HMI查看現(xiàn)在供熱機組運行的實時工況，并能鏈接到SCADA系統(tǒng)，從上位機讀取相關(guān)信息，來顯示工藝參數(shù)、歷史趨勢、診斷數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。

熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)綜合了SCADA系統(tǒng)的優(yōu)點，并結(jié)合供熱企業(yè)的熱力輸配、工藝等特性進行合理調(diào)配，保證了管網(wǎng)安全合理供熱，并提高了緊急事件反應速度。

3 供熱企業(yè)生產(chǎn)中的其他信息系統(tǒng)

（1）能源分析采集管理平臺。能源分析采集管理平臺以OPC等通用協(xié)議與供熱企業(yè)的DCS、SCADA等信息系統(tǒng)連接，從各生產(chǎn)相關(guān)的系統(tǒng)中采集并存儲數(shù)據(jù)，通過預制的數(shù)學模型進行篩選形成大數(shù)據(jù)，能更集中、更鮮明地反映客觀實際，評價供熱企業(yè)的節(jié)能潛力，對供熱質(zhì)量、供熱安全保障進行動態(tài)掌握，對生產(chǎn)供熱能耗數(shù)據(jù)進行精細管理，實現(xiàn)能耗與供給的合理調(diào)配和平衡，提前做好能源的供應儲備，保證供熱生產(chǎn)的連續(xù)性。

（2）地理信息系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)是一個綜合了計算機科學、地理學、信息科學等學科，可為各領(lǐng)域地提供數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)平臺。地理信息系統(tǒng)對各種信息進行加工、處理并且實現(xiàn)各種信息的數(shù)字化。供熱地理信息系統(tǒng)就是集換熱站設備、供熱管網(wǎng)設施以及換熱站、管網(wǎng)位置分布等各種信息為一體的計算機管理信息系統(tǒng)，通過地理信息系統(tǒng)，供熱企業(yè)可方便直觀地掌控供熱區(qū)域管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各換熱站、甚至于每個閥門、井室的詳細位置和具體型號、生產(chǎn)日期、使用年限等信息，對于生產(chǎn)、建設施工、搶修指揮提供了重要的數(shù)據(jù)平臺。

（3）室溫采集系統(tǒng)。以電信運營商的無線通信網(wǎng)絡為鏈路，充分利用電信運營商無線網(wǎng)絡覆蓋面廣的特點，在供熱區(qū)域的用戶家里定點發(fā)放無線測溫儀，在供熱期間實時采集的用戶家里的溫度，通過劃分典型區(qū)域進行數(shù)據(jù)篩選分析，從而實現(xiàn)熱網(wǎng)、熱源的精細化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)按需供熱，按需生產(chǎn)。

4 大數(shù)據(jù)和智能供熱綜合管理平臺

近年，隨著我國的電信行業(yè)大規(guī)模的迅速發(fā)展，通訊鏈路的帶寬越來越高，接入費用越來越低，從而使各個行業(yè)能夠以更加低廉的價格應用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。而依托于互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)所開發(fā)的信息平臺在各自的領(lǐng)域中也有了越來越廣泛，越來越深入的應用。

供熱行業(yè)中的各種信息系統(tǒng)，都有其特定的功能和區(qū)域，并在各自的業(yè)務范圍內(nèi)相對獨立的運行，通過信息技術(shù)可運用互聯(lián)網(wǎng)、VPN和4G等有線或無線通訊網(wǎng)絡，配合統(tǒng)一的通訊協(xié)議，可使不管是遠在幾公里外的換熱站，還是幾十公里外的中繼泵站，都可以在調(diào)度中心實現(xiàn)集中管控，且與現(xiàn)場僅有毫秒級的延遲。

通過應用軟件平臺與標準的通訊協(xié)議，可在各個獨立的信息平臺之間架起橋梁，實現(xiàn)各個平臺之間的數(shù)據(jù)共享，從而解決了各信息系統(tǒng)之間互不相通的“信息孤島”問題。將各信息平臺采集來的數(shù)據(jù)，存放在綜合管理平臺的歷史數(shù)據(jù)庫當中，將形成非常重的數(shù)據(jù)檔案庫。

智能供熱綜合管理平臺可根據(jù)每一個熱電企業(yè)的具體運營方式、生產(chǎn)指標、工藝調(diào)節(jié)參數(shù)等為每個企業(yè)量身定制相應的數(shù)學模型，將各個信息平臺采集來的數(shù)據(jù)通過數(shù)學模型的進行篩選分析，經(jīng)過一定時間的積累即可形成具有戰(zhàn)略意義的大數(shù)據(jù)。

通過對大數(shù)據(jù)的分析，不僅僅可以對企業(yè)運行中發(fā)生的種種問題進行回溯比對，形成各領(lǐng)域的經(jīng)驗；也可對企業(yè)的未來的生產(chǎn)發(fā)展、資金調(diào)配、節(jié)能減排、采購預算等提供指導性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

信息技術(shù)改進了傳統(tǒng)供熱企業(yè)生產(chǎn)運作方式，提高了工作效率，節(jié)省了人力、物力，同時也降低了能耗，減少了碳排放。以先進的計算機、網(wǎng)絡技術(shù)為載體，配合強大的應用軟件平臺，將各個獨立的信息系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)，生成具有戰(zhàn)略意義的大數(shù)據(jù)，在競爭日益激烈且復雜多變的市場環(huán)境下，信息技術(shù)將幫助供熱企業(yè)改善管理與決策，并進一步增強企業(yè)的核心競爭力。