基于 DCS 技術(shù)的換熱站分布式監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張松巖

摘要：本文介紹了基于DCS的換熱站分布式監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的建立，能夠完成對(duì)換熱站設(shè)備狀態(tài)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)，并通過分析運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下游用戶的精細(xì)化調(diào)控，達(dá)到智慧供熱、節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：換熱站;DCS;管網(wǎng)

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(jīng)成為重點(diǎn)發(fā)展及大力推廣的供暖方式。在集中供熱系統(tǒng)中，換熱站是一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)，它連接著熱源與熱用戶，其工作的安全性及可靠性對(duì)熱網(wǎng)安全、供熱質(zhì)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(jiān)控的方式，這種傳統(tǒng)的監(jiān)控方式不但浪費(fèi)人力，且在出現(xiàn)隱患時(shí)，很難做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出正確處置，極易造成事故規(guī)模的擴(kuò)大化，使整套供熱系統(tǒng)間的安全性與可靠性均出現(xiàn)一定程度上的降低。

為了確保換熱站的運(yùn)行安全及供熱品質(zhì)，避免出現(xiàn)因各換熱站獨(dú)立運(yùn)行造成的管網(wǎng)水力平衡失調(diào)、能源損耗及熱源浪費(fèi)等情況，需要建立一套分散控制、集中監(jiān)管、全網(wǎng)調(diào)度的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)提高供熱生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)控決策的科學(xué)性和及時(shí)性、動(dòng)態(tài)監(jiān)控管網(wǎng)熱負(fù)荷需求、提升系統(tǒng)綜合能效及安全水平的目的。

1集中供熱系統(tǒng)及其主要特點(diǎn)

集中供熱系統(tǒng)是指由集中熱源所產(chǎn)生的蒸汽、熱水，通過管網(wǎng)供給一個(gè)城市（鎮(zhèn)）或部分區(qū)域生產(chǎn)、采暖和生活所需的熱量的方式。其是現(xiàn)代化城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是城市公用事業(yè)的一項(xiàng)重要設(shè)施。

集中供熱系統(tǒng)主要由熱源側(cè)、熱網(wǎng)側(cè)（即：輸配側(cè)）和熱用戶側(cè)等三部組成，其運(yùn)行調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在熱源側(cè)和熱網(wǎng)側(cè)兩部分。目前，集中供熱系統(tǒng)的主要調(diào)控策略為：

1）熱源側(cè)建立供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，根據(jù)室外溫度對(duì)理論熱負(fù)荷進(jìn)行測(cè)算，隨后根據(jù)理論熱負(fù)荷調(diào)整供熱量，確保滿足末端用戶熱負(fù)荷需求;

2）輸配側(cè)建立流量分配模型，根據(jù)采暖季的不同階段測(cè)算流量并進(jìn)行分配。針對(duì)不同區(qū)域的流量比例，根據(jù)熱負(fù)荷的供應(yīng)比例進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。對(duì)于不同特點(diǎn)的末端用戶將依據(jù)室外天氣情況對(duì)流量進(jìn)行優(yōu)化配置。

最終達(dá)到供應(yīng)熱負(fù)荷與實(shí)際需求負(fù)荷的匹配，確保室內(nèi)溫度達(dá)標(biāo)的目標(biāo)。

但，受人員、設(shè)備設(shè)施工況、管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際情況、天氣情況等諸多因素的影響，現(xiàn)有調(diào)控策略在很大程度上難以實(shí)現(xiàn)科學(xué)、規(guī)范的進(jìn)行熱負(fù)荷調(diào)節(jié)，導(dǎo)致?lián)Q熱站及附屬管網(wǎng)設(shè)施間依然存在管網(wǎng)水力平衡失調(diào)、熱力失衡及熱源浪費(fèi)等現(xiàn)象，并最終影響供熱效果、品質(zhì)。

2DCS系統(tǒng)及其技術(shù)主要特點(diǎn)

DCS控制系統(tǒng)，是以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則的儀表控制系統(tǒng)。其通過在系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)上將控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)功能利用通信網(wǎng)絡(luò)向下層終端及PLC控制器進(jìn)行分散，使各局部系統(tǒng)具有較強(qiáng)的獨(dú)立工作能力，并可以依靠各系統(tǒng)間形成的局域網(wǎng)絡(luò)及總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，將各種參數(shù)穩(wěn)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(duì)如溫度、壓力、流量等換熱站運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了解與遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

此外，根據(jù)DCS系統(tǒng)的特性，可在在總線設(shè)置專門收集各局部系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，其作用為將當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下各項(xiàng)數(shù)據(jù)與以往運(yùn)行中積累的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、比對(duì)，并根據(jù)企業(yè)建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)目前熱網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與用戶熱負(fù)荷動(dòng)態(tài)需求的契合度，實(shí)現(xiàn)“以需定產(chǎn)，以產(chǎn)定調(diào)”的能源供給目標(biāo)，達(dá)到數(shù)據(jù)的高利用率與能源的高效供應(yīng)。

3分布式監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

該系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。主要構(gòu)成可以簡(jiǎn)化為：一個(gè)監(jiān)控中心及若干客戶端，與分散在各換熱站的服務(wù)器端通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1）監(jiān)控中心作為分布式監(jiān)控系統(tǒng)的最上層，可通過總線、局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)下層換熱站參數(shù)信息的統(tǒng)一上傳，并利用數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析處理，隨后形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表單、運(yùn)行曲線等直觀圖文顯示界面反饋至監(jiān)控中心工程師站、操作員站操作界面，供運(yùn)行人員對(duì)供熱系統(tǒng)內(nèi)各換熱站運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估。運(yùn)行人員在對(duì)上述表單、曲線等信息進(jìn)行評(píng)估后，通過與供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型給出的理論值進(jìn)行比對(duì)，在發(fā)現(xiàn)某下層換熱站實(shí)際供熱量與理論值出現(xiàn)偏差時(shí)，可通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)節(jié)該換熱站內(nèi)安裝有遠(yuǎn)程操作模塊的電動(dòng)閥、水泵變頻器等設(shè)備，指揮其改變閥門開度與水泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，達(dá)到及時(shí)調(diào)整換熱站供回水溫度、流量等參數(shù)的目的，使實(shí)際供熱量逐步趨近于理論供熱量，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)節(jié)與熱源高效利用的目標(biāo)。

2）客戶端為該系統(tǒng)直面用戶的界面，它分布于這套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的各處，通過系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)或經(jīng)由路由器接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使監(jiān)控系統(tǒng)中的客戶端不僅僅局限于傳統(tǒng)PC端上的瀏覽器或軟件界面，新興移動(dòng)設(shè)備（如：智能手機(jī)，平板電腦等）及設(shè)備可視化終端等，也能夠利用app軟件或系統(tǒng)改造方式登錄客戶端，接入監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使管理人員、運(yùn)行人員可隨時(shí)隨地調(diào)閱熱網(wǎng)系統(tǒng)主要參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等信息。

3）服務(wù)器端、網(wǎng)絡(luò)層級(jí)是監(jiān)控系統(tǒng)中最為重要、最為關(guān)鍵的設(shè)備。這些服務(wù)器將通過不同層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)下沉嵌入至下屬換熱站設(shè)備的控制器當(dāng)中，使原本單一的控制器轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆涑绦蛱幚怼?shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖像組態(tài)成型的復(fù)合服務(wù)器兼控制器，并利用總線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)或路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)接收來自監(jiān)控中心、移動(dòng)設(shè)備、設(shè)備可視化終端等不同客戶端傳送的指令，并控制執(zhí)行;采集下屬換熱站的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)以及發(fā)送;遠(yuǎn)程調(diào)控相關(guān)參數(shù)設(shè)定;故障報(bào)警信息等多種功能。

4）設(shè)備層面是構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)最基礎(chǔ)的執(zhí)行層級(jí)，其廣泛分布于熱網(wǎng)系統(tǒng)的各個(gè)重要環(huán)節(jié)，包括但不限于熱源側(cè)、輸配側(cè)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、水泵變頻器、各類傳感器等;用戶側(cè)溫控閥、溫度流量傳感器等。這些基礎(chǔ)設(shè)備在運(yùn)行期間可實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過關(guān)聯(lián)本地有線、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)向監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，并接受來自監(jiān)控中心的調(diào)控指令對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能。

4換熱站分布式監(jiān)控系統(tǒng)的功能

為確保分布式監(jiān)控系統(tǒng)部署后，換熱站能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，確保用戶側(cè)動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷需求得到滿足，系統(tǒng)仍應(yīng)具備自動(dòng)化控制調(diào)節(jié)、換熱站無人值守、實(shí)時(shí)計(jì)量反饋、分時(shí)分區(qū)調(diào)控等功能。

4.1自動(dòng)化控制調(diào)節(jié)功能

換熱站運(yùn)控調(diào)節(jié)工作的開展情況直接決定了用戶側(cè)采暖品質(zhì)及換熱站的運(yùn)行能耗情況。通過對(duì)換熱站運(yùn)行情況的前期調(diào)研，可針對(duì)影響換熱站運(yùn)行的主要因素進(jìn)行邏輯分析，建立其變量與供熱量、供熱品質(zhì)間的算法，并輸入PID控制功能塊，使系統(tǒng)具備自動(dòng)化調(diào)控能力。

通過對(duì)歷史同期、當(dāng)前室外氣溫等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，由系統(tǒng)下發(fā)當(dāng)日當(dāng)時(shí)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，指導(dǎo)換熱站設(shè)備設(shè)施依照曲線進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，并結(jié)合二次側(cè)反饋溫度數(shù)值及系統(tǒng)內(nèi)嵌氣候補(bǔ)償控制功能模塊控制循環(huán)水泵頻率及電動(dòng)閥門開度進(jìn)行供熱量修正。系統(tǒng)界面如圖4所示。

4.2換熱站無人值守功能

分布式監(jiān)控系統(tǒng)的部署，可極大緩解換熱站運(yùn)維壓力，并可進(jìn)一步降低人力成本，減少日常運(yùn)維開支，使換熱站運(yùn)維向無人化邁進(jìn)一步。為確保實(shí)現(xiàn)換熱站的無人值守化，分布式監(jiān)控系統(tǒng)除需具備自動(dòng)化控制調(diào)節(jié)能力外，還需要布置完善的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。上層監(jiān)控中心在具備實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)崃φ具\(yùn)行的基礎(chǔ)之上，通過部署視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)：

1）場(chǎng)區(qū)的24小時(shí)不間斷監(jiān)視，前端網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過總線在監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行視頻存儲(chǔ)，幫助運(yùn)行人員確認(rèn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2）設(shè)備運(yùn)行期間出現(xiàn)故障時(shí)，能夠?qū)收显O(shè)備進(jìn)行識(shí)別，并聯(lián)動(dòng)報(bào)警信息投送至監(jiān)控中心界面，幫助運(yùn)行人員快速進(jìn)行處置，降低設(shè)備故障對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的影響程度，提升運(yùn)行安全、穩(wěn)定性。

3）換熱站無人值守期間，監(jiān)控中心可通過攝像機(jī)對(duì)門禁、授權(quán)人員、訪問人員等進(jìn)行識(shí)別，避免無關(guān)人員擅自進(jìn)入換熱站，造成安全隱患。

4.3實(shí)時(shí)計(jì)量反饋功能

為確保換熱站無人值守運(yùn)行期間管網(wǎng)運(yùn)行的平穩(wěn)，保證用戶側(cè)采暖品質(zhì)，系統(tǒng)需要對(duì)一、二次管網(wǎng)側(cè)溫度、壓力、瞬時(shí)流量、瞬時(shí)熱量等重要因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄、回傳，定期生成水力平衡曲線圖或數(shù)據(jù)報(bào)表，指導(dǎo)監(jiān)控中心運(yùn)行人員調(diào)整自動(dòng)化控制調(diào)節(jié)功能參數(shù)，改變循環(huán)泵運(yùn)行頻率對(duì)各換熱站一、二次管網(wǎng)流量分配進(jìn)行調(diào)節(jié)，促進(jìn)各供熱區(qū)域?qū)崿F(xiàn)水力平衡，提升熱源利用效率，提高用戶側(cè)整體溫度水平，做到精準(zhǔn)施控。

4.4分時(shí)分區(qū)調(diào)控功能

在供熱系統(tǒng)中，用戶側(cè)熱負(fù)荷需求，特別是大型公建、交通樞紐、酒店旅館、辦公場(chǎng)所等用戶的熱負(fù)荷需求會(huì)根據(jù)時(shí)間變動(dòng)呈現(xiàn)規(guī)律性變化。為滿足用戶動(dòng)態(tài)的熱負(fù)荷需求，分布式監(jiān)控系統(tǒng)在部署初期需要積累供熱轄區(qū)內(nèi)特定用戶的不同時(shí)間段用熱量數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)建立針對(duì)不同用戶的動(dòng)態(tài)供熱量數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶理論用熱量的精確預(yù)測(cè)，并設(shè)置分時(shí)分區(qū)運(yùn)行方案，明確重要參數(shù)具體調(diào)控區(qū)間。同時(shí)，通過向用戶側(cè)管網(wǎng)進(jìn)出口植入具備遠(yuǎn)程控制能力的調(diào)節(jié)裝置，使用戶側(cè)管網(wǎng)流量、溫度等參數(shù)嚴(yán)格按照分時(shí)分區(qū)運(yùn)行方案進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，確保用戶動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷需求得到滿足，實(shí)現(xiàn)“以需定產(chǎn)，以產(chǎn)定調(diào)”的目標(biāo)。

5結(jié)論

基于DCS的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，提升了換熱站的自動(dòng)化控制能力、遠(yuǎn)程監(jiān)控能力及數(shù)據(jù)分析能力。通過對(duì)DCS系統(tǒng)架構(gòu)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換熱站設(shè)備設(shè)施的遠(yuǎn)程干預(yù)能力與關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)能力，進(jìn)一步提升了集中供熱系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)程度，為精細(xì)化調(diào)節(jié)提供了便利，為節(jié)能減排奠定了基礎(chǔ)。

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