基于 DCS 技術的換熱站分布式監控系統的研究

張松巖

摘要：本文介紹了基于DCS的換熱站分布式監控系統。通過該系統的建立，能夠完成對換熱站設備狀態、管網數據的采集監測，并通過分析運行狀態，實現對下游用戶的精細化調控，達到智慧供熱、節能降耗的目的。

關鍵詞：換熱站;DCS;管網

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

Keywords：heatexchangestation;DCS;pipelinenetwork

引言

作為北方城市冬季供暖的重要手段，集中供熱模式已經成為重點發展及大力推廣的供暖方式。在集中供熱系統中，換熱站是一個極為重要的環節，它連接著熱源與熱用戶，其工作的安全性及可靠性對熱網安全、供熱質量均可造成直接影響。然而，目前仍有許多換熱站采用人工監控的方式，這種傳統的監控方式不但浪費人力，且在出現隱患時，很難做到及時發現并做出正確處置，極易造成事故規模的擴大化，使整套供熱系統間的安全性與可靠性均出現一定程度上的降低。

為了確保換熱站的運行安全及供熱品質，避免出現因各換熱站獨立運行造成的管網水力平衡失調、能源損耗及熱源浪費等情況，需要建立一套分散控制、集中監管、全網調度的監控系統，實現提高供熱生產運行調控決策的科學性和及時性、動態監控管網熱負荷需求、提升系統綜合能效及安全水平的目的。

1集中供熱系統及其主要特點

集中供熱系統是指由集中熱源所產生的蒸汽、熱水，通過管網供給一個城市（鎮）或部分區域生產、采暖和生活所需的熱量的方式。其是現代化城市的基礎設施之一，也是城市公用事業的一項重要設施。

集中供熱系統主要由熱源側、熱網側（即：輸配側）和熱用戶側等三部組成，其運行調節主要體現在熱源側和熱網側兩部分。目前，集中供熱系統的主要調控策略為：

1）熱源側建立供熱負荷預測模型，根據室外溫度對理論熱負荷進行測算，隨后根據理論熱負荷調整供熱量，確保滿足末端用戶熱負荷需求;

2）輸配側建立流量分配模型，根據采暖季的不同階段測算流量并進行分配。針對不同區域的流量比例，根據熱負荷的供應比例進行相應調節。對于不同特點的末端用戶將依據室外天氣情況對流量進行優化配置。

最終達到供應熱負荷與實際需求負荷的匹配，確保室內溫度達標的目標。

但，受人員、設備設施工況、管網運行實際情況、天氣情況等諸多因素的影響，現有調控策略在很大程度上難以實現科學、規范的進行熱負荷調節，導致換熱站及附屬管網設施間依然存在管網水力平衡失調、熱力失衡及熱源浪費等現象，并最終影響供熱效果、品質。

2DCS系統及其技術主要特點

DCS控制系統，是以微處理器為基礎，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協調的設計原則的儀表控制系統。其通過在系統物理結構上將控制系統、操作系統功能利用通信網絡向下層終端及PLC控制器進行分散，使各局部系統具有較強的獨立工作能力，并可以依靠各系統間形成的局域網絡及總線技術實現數據互通，將各種參數穩定迅速的上傳至總控終端，直觀顯示在控制軟件中，方便操作人員對如溫度、壓力、流量等換熱站運行參數進行了解與遠程控制。系統架構圖如圖2所示。

此外，根據DCS系統的特性，可在在總線設置專門收集各局部系統運行參數的數據管理服務器，其作用為將當前運行狀態下各項數據與以往運行中積累的歷史數據進行分析、處理、比對，并根據企業建立的數學模型對目前熱網運行狀態與用戶熱負荷動態需求的契合度，實現“以需定產，以產定調”的能源供給目標，達到數據的高利用率與能源的高效供應。

3分布式監控系統的構成

該系統架構圖如圖3所示。主要構成可以簡化為：一個監控中心及若干客戶端，與分散在各換熱站的服務器端通過網絡進行連接來實現實時監控。

1）監控中心作為分布式監控系統的最上層，可通過總線、局域網網絡系統實現對下層換熱站參數信息的統一上傳，并利用數據服務器對參數進行分析處理，隨后形成實時數據表單、運行曲線等直觀圖文顯示界面反饋至監控中心工程師站、操作員站操作界面，供運行人員對供熱系統內各換熱站運行情況進行評估。運行人員在對上述表單、曲線等信息進行評估后，通過與供熱負荷預測模型給出的理論值進行比對，在發現某下層換熱站實際供熱量與理論值出現偏差時，可通過網絡系統調節該換熱站內安裝有遠程操作模塊的電動閥、水泵變頻器等設備，指揮其改變閥門開度與水泵運轉頻率，達到及時調整換熱站供回水溫度、流量等參數的目的，使實際供熱量逐步趨近于理論供熱量，實現精細化調節與熱源高效利用的目標。

2）客戶端為該系統直面用戶的界面，它分布于這套系統網絡中的各處，通過系統內部局域網絡或經由路由器接入系統網絡，使監控系統中的客戶端不僅僅局限于傳統PC端上的瀏覽器或軟件界面，新興移動設備（如：智能手機，平板電腦等）及設備可視化終端等，也能夠利用app軟件或系統改造方式登錄客戶端，接入監控系統網絡，使管理人員、運行人員可隨時隨地調閱熱網系統主要參數、運行狀態等信息。

3）服務器端、網絡層級是監控系統中最為重要、最為關鍵的設備。這些服務器將通過不同層級的網絡下沉嵌入至下屬換熱站設備的控制器當中，使原本單一的控制器轉變為具備程序處理、數據存儲、圖像組態成型的復合服務器兼控制器，并利用總線網絡、局域網或路由器等網絡設施實現接收來自監控中心、移動設備、設備可視化終端等不同客戶端傳送的指令，并控制執行;采集下屬換熱站的數據、存儲以及發送;遠程調控相關參數設定;故障報警信息等多種功能。

4）設備層面是構成分布式監控系統最基礎的執行層級，其廣泛分布于熱網系統的各個重要環節，包括但不限于熱源側、輸配側的電動調節閥、水泵變頻器、各類傳感器等;用戶側溫控閥、溫度流量傳感器等。這些基礎設備在運行期間可實時采集現場運行數據，并通過關聯本地有線、無線網絡設施，實現向監控中心數據服務器發送數據，并接受來自監控中心的調控指令對設備運行進行調節的功能。

4換熱站分布式監控系統的功能

為確保分布式監控系統部署后，換熱站能夠安全、穩定運行，確保用戶側動態熱負荷需求得到滿足，系統仍應具備自動化控制調節、換熱站無人值守、實時計量反饋、分時分區調控等功能。

4.1自動化控制調節功能

換熱站運控調節工作的開展情況直接決定了用戶側采暖品質及換熱站的運行能耗情況。通過對換熱站運行情況的前期調研，可針對影響換熱站運行的主要因素進行邏輯分析，建立其變量與供熱量、供熱品質間的算法，并輸入PID控制功能塊，使系統具備自動化調控能力。

通過對歷史同期、當前室外氣溫等運行數據進行比對，由系統下發當日當時熱負荷預測曲線，指導換熱站設備設施依照曲線進行自動調節，并結合二次側反饋溫度數值及系統內嵌氣候補償控制功能模塊控制循環水泵頻率及電動閥門開度進行供熱量修正。系統界面如圖4所示。

4.2換熱站無人值守功能

分布式監控系統的部署，可極大緩解換熱站運維壓力，并可進一步降低人力成本，減少日常運維開支，使換熱站運維向無人化邁進一步。為確保實現換熱站的無人值守化，分布式監控系統除需具備自動化控制調節能力外，還需要布置完善的視頻監控網絡。上層監控中心在具備實時遠程監控熱力站運行的基礎之上，通過部署視頻監控網絡，可實現：

1）場區的24小時不間斷監視，前端網絡攝像機通過總線在監控中心服務器進行視頻存儲，幫助運行人員確認設備運行狀態。

2）設備運行期間出現故障時，能夠對故障設備進行識別，并聯動報警信息投送至監控中心界面，幫助運行人員快速進行處置，降低設備故障對管網系統的影響程度，提升運行安全、穩定性。

3）換熱站無人值守期間，監控中心可通過攝像機對門禁、授權人員、訪問人員等進行識別，避免無關人員擅自進入換熱站，造成安全隱患。

4.3實時計量反饋功能

為確保換熱站無人值守運行期間管網運行的平穩，保證用戶側采暖品質，系統需要對一、二次管網側溫度、壓力、瞬時流量、瞬時熱量等重要因素進行監測、記錄、回傳，定期生成水力平衡曲線圖或數據報表，指導監控中心運行人員調整自動化控制調節功能參數，改變循環泵運行頻率對各換熱站一、二次管網流量分配進行調節，促進各供熱區域實現水力平衡，提升熱源利用效率，提高用戶側整體溫度水平，做到精準施控。

4.4分時分區調控功能

在供熱系統中，用戶側熱負荷需求，特別是大型公建、交通樞紐、酒店旅館、辦公場所等用戶的熱負荷需求會根據時間變動呈現規律性變化。為滿足用戶動態的熱負荷需求，分布式監控系統在部署初期需要積累供熱轄區內特定用戶的不同時間段用熱量數據，以此為基礎建立針對不同用戶的動態供熱量數學模型，實現對用戶理論用熱量的精確預測，并設置分時分區運行方案，明確重要參數具體調控區間。同時，通過向用戶側管網進出口植入具備遠程控制能力的調節裝置，使用戶側管網流量、溫度等參數嚴格按照分時分區運行方案進行聯動調節，確保用戶動態熱負荷需求得到滿足，實現“以需定產，以產定調”的目標。

5結論

基于DCS的分布式監控系統的應用，提升了換熱站的自動化控制能力、遠程監控能力及數據分析能力。通過對DCS系統架構的運用，實現了對換熱站設備設施的遠程干預能力與關鍵參數的監測能力，進一步提升了集中供熱系統的聯動程度，為精細化調節提供了便利，為節能減排奠定了基礎。

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