摘要：將SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)應(yīng)用于集中供熱，每個(gè)換熱站設(shè)置1套控制器、數(shù)據(jù)采集器及測(cè)量?jī)x表，由監(jiān)控中心對(duì)整個(gè)供熱系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，可以解決整個(gè)供熱系統(tǒng)熱量分配不均等問題。本文根據(jù)呼倫貝爾市自動(dòng)化信息化工程的實(shí)踐，介紹了采用美國(guó)Wonderware System Platform平臺(tái)軟件，對(duì)城市供熱調(diào)度管理SCADA系統(tǒng)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出了其應(yīng)用效果。

    關(guān)鍵詞：城市供熱；SCADA系統(tǒng)

   1 引言

   隨著設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展，設(shè)備的功能越來越多，其自身的結(jié)構(gòu)、組成愈加復(fù)雜，因而發(fā)生故障的原因也隨之復(fù)雜。與此同時(shí)，設(shè)備制造商的產(chǎn)品分布在全國(guó)各地，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，制造商需要投入很大的人力和物力進(jìn)行維護(hù)工作。小區(qū)熱網(wǎng)換熱站必然分布在城市的各個(gè)角落，單獨(dú)的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，只有形成規(guī)模的幾種監(jiān)測(cè)控制才能達(dá)到信息化、集約化的需求。因此，統(tǒng)一的信息集控系統(tǒng)成為熱力公司的選擇。這樣的信息系統(tǒng)不但為設(shè)備企業(yè)增加綜合競(jìng)爭(zhēng)力，提升設(shè)備的附加產(chǎn)值，也為熱力公司提供企業(yè)信息化的有力支持。^[1]

   因此，建立一套完整的設(shè)備遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)，對(duì)于管理者或熱力公司來說，有著重要的意義，其意義表現(xiàn)在：^[2]

   實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的工況參數(shù)，及時(shí)進(jìn)行修正，避免造成更大的損失；

   降低維護(hù)成本，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的維護(hù)工作；

   通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供優(yōu)質(zhì)快速的服務(wù)，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力；

   增加產(chǎn)品附加值，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

   2 城市供熱調(diào)度管理SCADA系統(tǒng)介紹

   供熱輸配SCADA系統(tǒng)是由RTU、有線通訊網(wǎng)（或無(wú)線通訊網(wǎng)）、SCADA操作員站組成。

   SCADA系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容如下：

   (1) 生產(chǎn)調(diào)度通過實(shí)時(shí)采集熱源鍋爐的各種參數(shù)及鍋爐的熱負(fù)荷、出水溫度、供水壓力等；

   (2) 換熱站的熱水溫度、壓力、流量、熱量、累計(jì)流量和累計(jì)熱量及調(diào)壓設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和控制參數(shù)；

   (3) 輸配管網(wǎng)的熱水流量的控制參數(shù)，動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)閥門設(shè)備的啟停和運(yùn)行，使輸配管網(wǎng)上的熱負(fù)荷保持在最佳平穩(wěn)狀態(tài)，提高企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效益。^[3,4]

   管網(wǎng)管理主要實(shí)現(xiàn)輸配管網(wǎng)信息管理，管網(wǎng)的新建、維護(hù)和改造。公司將綜合生產(chǎn)調(diào)度、管網(wǎng)管理，結(jié)合公司的營(yíng)業(yè)策略，進(jìn)行科學(xué)合理的決策和宏觀管理。

   供熱系統(tǒng)分級(jí)控制與優(yōu)化調(diào)度硬件模塊分三層：遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、本地控制室、協(xié)調(diào)決策層。遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)：通過傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù)發(fā)送給RTU，RTU經(jīng)過分析發(fā)送指令給就地設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作；本地控制室之間的信息傳遞通過局域網(wǎng)完成；協(xié)調(diào)決策層與本地控制室之間的信息傳遞是通過廣域網(wǎng)完成。數(shù)據(jù)的傳輸有有線通訊和無(wú)線通訊兩種。

   數(shù)據(jù)的傳輸方式有三種： 電話線（ 或I STN或P STN，DDN）、無(wú)線電波（GPRS、CDMA等）及光纜。用電話線傳輸數(shù)據(jù)很昂貴，如采用電話線傳輸數(shù)據(jù)，常將基地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，將它打包，在電話費(fèi)較便宜時(shí)，傳入中心計(jì)算機(jī)；供熱系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)的信息常采用無(wú)線電波的形式發(fā)送，其安裝和傳輸費(fèi)用較低；電纜常用于近距離數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩暂^高。隨著公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，利用公用傳輸線路完成數(shù)據(jù)傳輸，是發(fā)展的趨勢(shì)。如ISDN、DDN等已在供熱系統(tǒng)中被廣泛采用。

   3 供熱SCADA系統(tǒng)構(gòu)架及軟件模塊

   呼倫貝爾市的供熱調(diào)度SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1：^[5]

                     
                         圖1    呼倫貝爾市供熱調(diào)度SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

   此系統(tǒng)監(jiān)控中心四個(gè)操作人員可對(duì)供熱進(jìn)行監(jiān)控；辦公網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)通過正常的IE瀏覽器可瀏覽數(shù)據(jù)、報(bào)表、曲線等；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用冗余配置保證數(shù)據(jù)的不缺失；通訊前置機(jī)也采用冗余配置，采集原有調(diào)度中心的通訊前置機(jī)上數(shù)據(jù)，通過軟件自動(dòng)進(jìn)行負(fù)荷的均衡分配。

    4 供熱SCADA系統(tǒng)的主要功能

   整體功能描述：運(yùn)行人員對(duì)整個(gè)熱網(wǎng)運(yùn)行過程的操作和監(jiān)視，計(jì)算累積熱量、累積流量、瞬時(shí)熱量、瞬時(shí)流量等數(shù)據(jù)。

    以C/S架構(gòu)形式，由操作員站、工程師站、數(shù)據(jù)庫(kù)等組合成系統(tǒng)。操作員站是操作員對(duì)工藝流程監(jiān)控、操作、歷史數(shù)據(jù)查詢、趨勢(shì)曲線瀏覽、實(shí)時(shí)報(bào)警顯示、歷史報(bào)警查詢等的操作平臺(tái)。根據(jù)不同的操作員用戶名和登錄密碼，對(duì)操作權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，限制執(zhí)行操作員功能的權(quán)限。工程師站是軟件工程師對(duì)軟件修改、組態(tài)時(shí)使用，平時(shí)可以運(yùn)行組態(tài)好的工程，作為一備用操作員站使用，完成操作站的功能；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)的，采用磁盤陣列的計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Cluster形式，冗余存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)業(yè)主方行政業(yè)務(wù)的需要，對(duì)二級(jí)、三級(jí)單位劃分不同權(quán)限，管理不同區(qū)域的供熱站，制定不同用戶名和密碼。當(dāng)二級(jí)、三級(jí)單位登錄時(shí)，軟件自動(dòng)根據(jù)分配的權(quán)限，對(duì)打開界面進(jìn)行判斷，允許權(quán)限內(nèi)的界面打開。

   (1) 標(biāo)準(zhǔn)畫面顯示

   標(biāo)準(zhǔn)畫面為2D畫面，可以根據(jù)需要進(jìn)行3D轉(zhuǎn)換。

   工藝流程圖：以動(dòng)態(tài)的方式對(duì)采集信息的實(shí)時(shí)顯示采集的參數(shù)如換熱站的動(dòng)畫（以程序繪畫方式）模擬顯示，實(shí)時(shí)獲取各子站數(shù)據(jù)，并依據(jù)獲取的溫度、壓力、等數(shù)據(jù)，采用動(dòng)畫模擬的方式，直觀反映整個(gè)熱網(wǎng)的當(dāng)前狀態(tài)。

   全面顯示每個(gè)熱力站的一次網(wǎng)供和回水溫度、一次網(wǎng)供和回水壓力、一次網(wǎng)流量及供熱量、二次網(wǎng)供和回水溫度、二次網(wǎng)供水和回水壓力、閥門開度、水泵開啟狀態(tài)，補(bǔ)水量等參數(shù)。調(diào)度人員也可以通過鼠標(biāo)器選擇需要顯示的參數(shù)。通過圖形顯示出每個(gè)熱力站出現(xiàn)的一次網(wǎng)供水超壓和二次網(wǎng)補(bǔ)水過量等故障狀態(tài)，并通過計(jì)算機(jī)給出聲音報(bào)警。

   改變現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的控制趨勢(shì)，如改變二次供水溫度曲線、壓力報(bào)警遠(yuǎn)程設(shè)定、溫度報(bào)警遠(yuǎn)程設(shè)定、遠(yuǎn)程停泵等。另外也可以按用戶需要直接選定需要控制的某設(shè)備，改變循環(huán)泵差壓值、改變補(bǔ)水泵壓力設(shè)定值，自動(dòng)或手動(dòng)給出由人或計(jì)算機(jī)運(yùn)行分析后得出的控制指令，讓相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)執(zhí)行。這樣，工作站不僅可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，而且可以簡(jiǎn)單、迅速的調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

    運(yùn)行記錄及報(bào)表、圖形打印：工作站主機(jī)可以自動(dòng)生成，打印多種多樣的報(bào)表，包括各種運(yùn)行記錄的日?qǐng)?bào)表，統(tǒng)計(jì)報(bào)表及設(shè)備的故障狀態(tài)和維護(hù)清單等，報(bào)表的格式也可按照用戶的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

    用戶可以確認(rèn)或重設(shè)報(bào)警，瀏覽報(bào)警的詳細(xì)信息。主要報(bào)警點(diǎn)有系統(tǒng)斷電報(bào)警，泵的故障報(bào)警，變頻器的故障報(bào)警，軟水箱水位高、低報(bào)警，一次網(wǎng)、二次網(wǎng)管路的超溫、超壓報(bào)警等。

    (2) 趨勢(shì)顯示

   趨勢(shì)顯示可用整幅畫面顯示, 也可在任何其它畫面的某一部位, 用任意尺寸顯示。所有模擬量信號(hào)及計(jì)算值均可設(shè)置為趨勢(shì)顯示。

    (3) 天氣預(yù)報(bào)（如圖2所示）
   
                   
                           圖2  SCADA系統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)界面 

    (4) 記錄及報(bào)表模塊

    所有記錄使用可編輯的標(biāo)題, 而不是預(yù)先打印的形式。供方按用戶指定的格式, 確定所有記錄的標(biāo)題。數(shù)據(jù)庫(kù)中所具有的所有過程點(diǎn)均可以記錄，如圖3所示。
 
                   
                             圖3   SCADA系統(tǒng)過程點(diǎn)信息查詢

    (5) 實(shí)時(shí)報(bào)警記錄

    記錄整個(gè)熱網(wǎng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的報(bào)警記錄由運(yùn)行人員進(jìn)行操作確認(rèn)，如圖4所示。
  
                 
                        圖4   SCADA系統(tǒng)報(bào)警記錄

    (6) 歷史報(bào)警記錄

    對(duì)所有出現(xiàn)的報(bào)警及報(bào)警恢復(fù)由管理人員進(jìn)行設(shè)定時(shí)間查詢以便分析報(bào)警時(shí)間及具體原因。均可由打印機(jī)打印出來。

    (7) 數(shù)據(jù)報(bào)表

    對(duì)于采集來的數(shù)據(jù)包括溫度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)等，形成數(shù)據(jù)報(bào)表；報(bào)表有以下幾種：

    ① 歷史報(bào)表

    歷史報(bào)表能進(jìn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)的生成，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間范圍、間隔、起始時(shí)間可進(jìn)行任意指定，并可以根據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間進(jìn)行查詢歷史數(shù)據(jù)。

     ②多功能報(bào)表

    可以任意設(shè)置報(bào)表格式，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表打印等。既可以制作實(shí)時(shí)報(bào)表，也可以制作歷史報(bào)表。可以在報(bào)表上同時(shí)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和任意時(shí)刻的歷史數(shù)據(jù)，并加以統(tǒng)計(jì)處理，例如取行平均、列平均，統(tǒng)計(jì)出最大最小值。

    5 呼倫貝爾市的供熱調(diào)度SCADA系統(tǒng)的詳細(xì)配置清單

    軟件實(shí)施內(nèi)容：每站點(diǎn)做最小4副界面，再有相應(yīng)的趨勢(shì)、報(bào)表、報(bào)警等。
      
                                  表1 軟件配置
                    

                               表2 硬件配置  
           


   6 供熱SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用效果

   (1) 供暖調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)測(cè)

    針對(duì)熱網(wǎng)供熱具有很強(qiáng)的非線性、大滯后、時(shí)變性和不確定性，系統(tǒng)根據(jù)熱網(wǎng)溫度、流量參數(shù)結(jié)合熱網(wǎng)時(shí)滯、慣性、室外溫度變化等因素，通過算法模型預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)方案。

   根據(jù)當(dāng)前一級(jí)網(wǎng)供水流量、供水溫度、回水溫度和室外溫度結(jié)合運(yùn)行調(diào)節(jié)方式，預(yù)測(cè)未來24小時(shí)室外溫度變化情況和供熱負(fù)荷走向，這些計(jì)算和預(yù)測(cè)都是對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，經(jīng)過研發(fā)的分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)自動(dòng)完成。

   另外，以熱網(wǎng)分析為基礎(chǔ)建立動(dòng)態(tài)水壓圖。從而對(duì)調(diào)節(jié)方案的合理性進(jìn)行評(píng)估，以保證熱網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，模擬出初期、中期、高期運(yùn)行的不同時(shí)期的運(yùn)行工況，并對(duì)熱網(wǎng)的供熱能力進(jìn)行評(píng)估，以保證熱網(wǎng)的安全運(yùn)行；分析熱用戶負(fù)荷變化，預(yù)測(cè)對(duì)其他熱用戶或熱源的影響；分析熱源參數(shù)，預(yù)測(cè)熱用戶的熱耗是否滿足要求。增加熱負(fù)荷，管網(wǎng)輸送能力是否足夠。如何調(diào)整設(shè)備，泵、閥門對(duì)熱網(wǎng)運(yùn)行的影響。干管上閥門對(duì)相關(guān)區(qū)域供熱效果的影響。分析供熱垂直、水平失調(diào)，驗(yàn)證解決方案。

    (2) 運(yùn)行效果實(shí)現(xiàn)科學(xué)分析

    通過建立科學(xué)供熱控制模型，分析熱網(wǎng)工況特性，保證熱源負(fù)荷合理供給，同時(shí)保證熱源與熱網(wǎng)的良好匹配，科學(xué)分析供熱效率，保證標(biāo)準(zhǔn)供熱。

    供熱運(yùn)行指揮中心依據(jù)調(diào)控?zé)嵩吹臒崃坎⑶壹骖櫿{(diào)節(jié)一次網(wǎng)和二次網(wǎng)各環(huán)路的平衡，實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱網(wǎng)平衡和供熱效果穩(wěn)定；并在此基礎(chǔ)上，依據(jù)環(huán)境溫度及部分熱用戶的實(shí)際供熱效果對(duì)熱源供熱量進(jìn)行預(yù)報(bào)規(guī)劃和運(yùn)行中的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。

    供熱運(yùn)行指揮中心可以進(jìn)行在線診斷報(bào)警。通過對(duì)傳送來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的正確性和完整性進(jìn)行檢查，當(dāng)異常或超界時(shí)，發(fā)出相關(guān)報(bào)警信息。通過歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的比較，分析是否存在泄漏，設(shè)備運(yùn)行是否正常。

    供熱運(yùn)行狀況的集中監(jiān)測(cè)和分析評(píng)價(jià)，必將為科學(xué)供熱提供有利保證，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，創(chuàng)建節(jié)能型社會(huì)發(fā)揮重要作用。

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   李全忠（1974-）男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，工程師，現(xiàn)就職于呼倫貝爾市人才流動(dòng)人事考試中心。

   柴景武（1973-）男，北京人，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于北京信博昂自動(dòng)化科技有限公司。  

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第一期