集中供热工程换热站专用控制系统设计及控制方案.docx
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集中供热工程换热站专用控制系统设计及控制方案
集中供热工程换热站专用控制系统设计及控制方案
技术方案
山西科达自控工程技术有限公司
2011年1月
1.
第一章设计方案综述
本系统是集公司多年来供热工程应用经验，专门针对北方集中供热工程项目提供的换热站专用控制系统。
该系统采用浙江中控自动化仪表有限公司自主研发的U6-200一体化PLC，监控中心上位机软件采用InscanHRC热网实时监控专用软件，配置热网管理软件包、热网平衡模块、Web发布软件包及GSM短消息报警模块，实现对各个小区换热站热网运行参数的采集存储，外界环境温度的补偿，热网温度流量、动力设备的启停及调节、安全报警以及自动分析、热网系统故障诊断、能源计量分析等功能，并配合现场网络视频监控系统，以达到整个热网系统的供热平衡、安全、经济运行，最终实现无人值守型换热站。
换热站专用控制系统图示
在自动化设计上，设置监控中心控制室（调度中心）一个，内含2台调度计算机同时通过通讯的方式对换热站进行监控，2台调度中心计算机为1主1备冗余。
主监控操作站完成控制室内人机交互功能，在计算机上显示各站换热网的工艺管道、参数、控制流程图，包含各类热力参数、阀门等各类执行机构状态的显示和自/手动操作。
监控操作站除完成基本的各换热站运行数据采集、远程调度控制、数据记录报表生成等之外，还具备热网平衡调节、提供热网负荷需求趋势预测、预测负荷与实际负荷对比、互联网web远程浏览、手机wap浏览、手机短信报警等热网管理功能。
换热站采用就地与主控室远程控制协作方式。
各站放置独立U6-200一体化PLC一套，该终端设备配有彩色触摸屏，方便巡检人员进行就地观测，实现小区热网运行参数的采集与监控，如压力、温度、流量、电流等，并集中将运行参数发送至远方控制中心；U6-200一体化PLC可就地存储至少一个采暖期的运行参数，实现根据室外温度值自动控制二次供回水温度，并可同时控制循环变频及补水变频，进行量值的调节；在启用换热平衡模块后，各站控制器接收主控室发送的平衡参数，结合各站过程参数调节二次供回水温度；控制器也可接收主控室下发的各项命令，完成远程控制热网温度、流量、动力设备的启停等。
同时结合网络视频监控系统，通过变焦功能，手动调节远近焦距，最终实现换热站无人值守。
1.1热网控制系统技术方案
1.1.1设计原则
本设计方案基于“集中管理，分散控制”的模式，数字化、信息化环保工程的思想，着眼于热网“管控一体化”信息系统的建设，建立一个先进、可靠、高效、安全且便于进一步扩充的集过程控制、监视和计算机调度管理于一体并且具备良好开放性的监控系统，完成对整个供热运行的监测与自动控制，实现“换热站无人值守”的目标。
1.1.2方案简介
自动化热网监控系统，采用分布式计算机系统结构，即采用中央与就地分工协作的监控方法。
中央控制室负责全网参数的监视以及必要时的远程调控，在开启平衡模块情况下完成各换热站的流量和能量调配；各换热站根据中央控制室下发的平衡参数进行供回水温度自动，同时也可通过就地手动干预或者远程干预。
本系统由调度监控中心、远程终端站、通讯网络和与监测控制有关的仪表等部分组成。
调度监控中心起着调度中枢的作用，可以察看全网的供热参数，同时进行热力工况的分析来指导全网的运行。
远程终端站由具有测控功能的控制装置和通讯系统组成。
远程终端站通过与其相连的仪表和执行机构完成对一、二级换热站和其它现场设备的数据采集和控制功能。
该热力站运行管理系统采用的策略为：
中央监测、现场控制。
中央管理工作站主要负责检测显示热网参数（必要时提供远程控制）和各站的协调；每个热力站独立地工作，互不干扰。
即使某一个换热站出现故障也不会影响其它换热站的正常工作。
各换热站主要实现以下三方面自动控制：
①根据调度监控中心的各站调控参数以及二次侧供回水温度自动控制高温水进入换热器入口调节阀的开度；②根据定压点压力自动控制补水泵转速，若回水压力低于设定值时自动报警；③自动检测循环泵运行状态，并根据压力自动控制主循环泵的转速。
整个通讯系统分调度监控中心、各换热站和通讯网络三个部分，通讯采用ADSL通讯方式，在调度监控中心设立专网，在每个换热站独立设立通讯方式，与U6-200一体化PLC的通讯模块相连，进行数据的收发。
1.1.3功能特点
换热站专用控制器功能：
1.专用控制器：
专门为换热站量身定做的U6-200一体化PLC，无需用户编程，简单易用，内置的常规功能即可满足所有换热机组控制需求；
2.人性化显示：
自带7寸真彩触摸屏，内置单双换热机组流程图画面，显示直观，操作方便，易学易懂，充分体现人性化，方便巡检人员进行就地观测，包括温度、压力、流量、循环泵、补水泵的状态等；
3.参数检测功能：
完成模拟量采集包括:
一次网供水温度和压力、一次网回水温度和压力、二次网供水温度和压力、二次网回水温度和压力、室外温度、阀门开度、频率反馈、一次网流量、二次网流量等,状态量采集如：
泵状态等；脉冲量采集如：
累计补水量、累计耗热量等的测量；
4.通讯功能：
现场控制设备能够与调度中心进行数据通信，支持采用ADSL或GPRS通讯方式，即通过Internet和移动网络，主从站间进行数据传输，主站可远程监控各从站工况，无论距离远近；
5.参数存储：
可就地存储至少一个采暖期的运行参数，以便供热企业进行能效分析；
6.控制模式：
本地监控站可以自动识别中控室传来的控制模式的指令（本地控制、温度控制、直接阀位/频率控制），经过判断执行其中一种控制指令，并运行对应的控制模式；
7.控制功能：
根据换热站实际运行情况进行相关控制；
a）根据调度监控中心的各站调控参数以及二次侧供回水温度自动控制高温水进入换热器入口调节阀的开度；
b）根据定压点压力自动控制补水泵转速，若回水压力低于设定值时自动报警；
c）自动检测循环泵运行状态，并根据压力自动控制主循环泵的转速，；
8.联锁保护功能：
本地监控器诊断到设备出现故障（如电机过流、过压等）或现场工况发生异常变化（如二次网压力过高、过低等），控制器可根据相应故障诊断软件及工况评估逻辑，立即停止对应的设备运行，同时将报警类型及信息上传至中控室，尽可能地保护系统的安全运行。
9.报警功能：
根据工艺要求，可将报警分为不同级别。
a）各个温度、压力、水位等超限报警。
至少包括：
一次供水压力、二次回水压力、二次供水温度高限报警，补水箱水位高低限报警等。
b）水泵、电机、电动阀、变频器、换热器、通讯系统等故障报警；
c）停电报警：
换热站配置UPS电源，作为现场控制器和调制解调器的后备电源，当换热站供电出现故障或停电时，控制器能够生成停电报警信号，并通知中央控制室的调度人员采取相应的措施。
热网实时监控专用软件功能：
1.专用软件功能：
各个换热站控制器与调度中心InscanHRC热网实时监控专用软件进行通讯，实现换热站无人值守，满足所有换热站功能需求；
2.供热参数实时监测功能：
调度中心直观显示各个换热站在区域内的分布图，点击可进入换热站运行参数详细图，实时显示热力站一级网和二级网供回水温度和压力、流量、热量、阀门开度、水泵开启状态、循环泵变频、补水泵变频、液位等参数；
3.手自动控制模式：
a）根据现场工况提供两种控制模式用于控制换热站的一次网阀门开度，分别为：
本地温度控制、直接阀位控制。
b）根据现场工况提供三种控制模式用于控制换热站的二次网循环水流量，分别为：
本地手动控制、本地自动控制、直接转速控制。
4.远程修正功能：
中控计算机能对本地控制站进行参数组态，包括修改温度控制参数的给定值、控制模式及比例系数、积分系数及供热曲线等控制参数；参数修正要设定权限。
5.故障诊断及报警功能：
根据参数信息及时诊断各系统的故障并指导维护。
应能诊断下列故障：
压力、温度、流量传感器故障；通讯系统故障；各热力站水泵、电机、电动阀、变频器等设备的故障；各热力站的超限报警；第一时间接收各远端控制站报警和故障信号，能及时发出声光信号，并进行记录。
6.多功能报表：
运行记录、报表及图形打印功能：
可以自动生成、打印多种多样的报表和参数变化曲线，至少包括各种运行记录的日报表，统计分析报表及设备的故障状态和维护清单，包括日/月/季等报表以及各个换热站对比统计分析，为供热企业分析热网运行提供数据分析依据。
7.参数统计及能源计量功能：
根据实测参数统计各站及全网的能耗和水耗，计算出其平均值和累计值。
计量时间可以为时、日、月、年，计量结果将以数据文件的形式存储在外存储器内，为量化管理和收费提供依据。
8.热网平衡功能：
自动根据换热站远近距离、换热站负荷大小，现实换热站间热力/水力平衡；
9.短信报警功能：
可将报警信息发送到相关责任人的手机上，用于及时处理报警，排除险情
10.手机监管：
支持WAP手机浏览：
通过手机，直接浏览关键的运行参数，真正做到远程监控的管理方式；
11.视频监控：
可结合网络视频监控系统，通过变焦功能，手动调节远近焦距，最终实现换热站无人值守；
1.2热网控制系统功能
1.2.1网络结构图
集中供热工程换热站专用控制系统图示（adsl网络连接）
1.2.2网络结构概述
本方案将采用先进的分布式和模块化设计理念，利用成熟的软硬件产品完成整个系统体系结构的搭建。
本系统由各换热站采集控制设备、通讯网络和监控中心组成。
各换热站采集控制设备使用U6-200一体化PLC，该设备是一套相对独立运行的可编程控制设备，可对现场设备进行监测和控制；能够满足需要进行流量计算、PID闭环控制和逻辑顺序控制等应用的场合。
通讯网络是监控中心与各换热站间连接的桥梁，承载着数据传送的功能。
监控中心采用上位机软件InscanHRC热网实时监控专用软件，配置热网管理软件包、热网平衡模块、Web发布软件包及GSM短消息报警模块，实现对监控数据进行高效采集、长期存储、查询、数据处理等功能；以数据库为核心构成完整的数据服务层，为上层应用系统提供稳定的数据源。
1.2.3监控调度中心软件功能
热力公司下属的各个换热站采集的实时数据，通过ADSL+VPN的方式传递到调度中心（调度中心需要有使用公网固定IP或域名），由运行在调度中心的组态监控软件对换热站内的压力、温度和流量数据进行实时监控，统一调整各站参数，统一调整管网平衡。
提供热网管线非矢量的地理分布图，地理分布图上标有各个换热站的实际位置，并显示换热站的主要运行参数，在该画面上通过按钮可以切换到任一个换热站，查看换热站的详细信息。
换热站管网运行图
提供换热站数据总貌画面，总貌画面以数据列表的形式，呈现了各个换热站在一次网、二环网中的实时采集数据以及通讯状态。
热网换热站监控总貌
提供单个换热站的运行监控画面，该画面显示单个换热站内的各数据采集点的实时运行数据。
换热站远程监控
提供单个换热站的补/回水泵远程控制画面，通过该画面可远程监控某个换热站内的补水泵和循环泵运行。
换热站远程补水/回水控制
提供数据的自动保存功能，保存的历史数据可随时供使用者调取、查询。
提供数据报表生成和打印功能，可生成日报、月报、年报及同期比较报表，通过报表分析数据的变化情况，判断管路的失水情况，分析设备运行是否正常。
能耗数据查询表
热网关键参数报表
提供多种数据曲线/图形显示功能，可选择任意换热站的数据点进行查看，比较实时或历史的曲线数据。
运行数据曲线
气温预测曲线
各个换热站供热区域对比饼图
提供位于实时数据采集和管理分析软件基础之上的换热站综合运行软件，拥有热网平衡轮询监视、气象数据更新、DCS数据采集报警、平衡数据分析等功能，是一套拥有强大扩展性的综合应用软件。
换热站综合运行软件图示
平衡运行前后数据对比图
多级操作权限设置，不同的操作人员设置不同的功能权限，防止不同级别的操作人员越权操作。
换热站综合管理登录系统登录
异常情况报警（通信失败、循环泵全停、超流量、低流量、超温、低温等），当发生系统报警时，自动出现报警提示，并提供报警历史查询功能。
中控室报警画面
具备异常情况报警信息短信通知功能，当变量报警产生后，按预先设定好的手机号码和报警内容进行发送，及时通知相关值班维护人员。
短消息报警图示
提供数据的分析功能，通过记录的热网运行历史数据，在一个采暖期结束后与前期数据进行比较分析，查出整个换热管网的主要问题，为今后的升级改造提供有针对性的分析。
热网换热站统计报表
能耗数据明细
提供双机冗余备份功能，系统由两套组态相同的监控软件，一套设为主站，另一套设为从站，系统正常工作时只有主机和换热站通讯，从机不通讯，从机通过主站进行数据备份和同步。
如果主机出现故障，其中一个从机接管主机工作。
等主机恢复之后，可以通过自动或手动方式进行干预来恢复先前状态。
本系统采用网络化设计，在服务器端运行WEBSERVER程序并发布监控画面后，用户可通过IE浏览器访问换热站数据采集系统采集到的各种运行数据。
同时，可按用户需求，定制若干手机浏览页面，供用户便捷的进行访问。
手机WAP浏览
可结合网络视频监控系统，通过变焦功能，远程调节摄像头的观察位置和远近焦距，最终实现换热站无人值守。
换热站视频监控
同时，使用数据实时转发技术，可远程浏览控制专网内的DCS运行数据，真正实现全厂信息的集中监控。
DCS运行数据的WEB发布
1.2.4本地换热站控制器功能
本地换热站在U6-200一体化PLC的7寸真彩触摸屏上提供单个换热站的运行监控流程图画面，显示直观，操作方便，易学易懂，充分体现人性化，方便巡检人员进行就地观测。
双换热机组本地监控
换热站本地补水/回水控制
1.2.5热网平衡模块功能
在运行与控制方面最重要的问题在于热网平衡。
一个集中供热系统，特别是一个大的集中供热系统，要实现稳定运行和均衡供热的基本条件是保证管网的水力工况平衡。
过去，热网平衡问题一直是难以解决的问题，一些系统中存在的工作压力不能满足正常工作需要，热力站不能获得需要的压差，用户普遍不热，或者前端用户压差高，流量超过设计值，而末端压差不足流量低于设计值因而造成近端用户过热，远端用户不热的原因，就是因为系统存在水力工况不平衡的问题。
造成系统水力工况不平衡原因是多方面的主要有：
受热源厂设备的限制，供给的压力不足，或者因为系统的循环水量超过原设计值，使循环水泵的供给压力下降；管网设计不合理，或者管网堵塞造成系统的压力损失过大，超出了热源厂设备所能提供的压力；系统（管网和热力站）缺少合理分配水量的手段，为解决末端用户不热的问题而加大循环水量，因而降低了一次供水温度。
解决此类问题虽然需要由设备选型与管线铺设来保障，但是在控制上仍需要由控制手段来保障，特别是在整个热网负荷变化的情况下协调各换热站的能量分配。
对于热网平衡来说，目的是使总能量在各站之间均匀分配，使各站的温度尽量均匀，但同时也要考虑到各站的暖气和地暖因素影响，这会造成有些地区的温度偏高或偏低。
整个平衡是按照周期性进行控制（考虑二网滞后因素影响），综合考虑各站的供回水温度和流量，经过平衡算法得到各站平衡参数，将参数下发给各换热站由各站控制器来合理地调整一网流量，使得整个网络中各站温度趋于平衡。
算法中的主要模块配置参数和参数使用说明如下：
一、优先级
该参数表明换热站在整个平衡系统中的优先级，级别越高表明该站能优先从热网中得到更多的资源，往往也能获得较高的温度。
二、敏感度
该参数表明换热站覆盖区域温度变化对阀门开度大小变化的敏感性，级别越高表明一定的阀门开度变化造成的温度改变越大。
该参数是匹配性参数，需根据换热站特性设置。
三、回水相关度
该参数表明平衡系统衡量标准与二次网回水温度的相关程度，级别越高表明二网回水温度在整个平衡效果评价体系中占的分量越重，同时也表明二网回水温度控制将会越平均。
四、鲁棒性
该参数表明换热站区域温度的可控程度，鲁棒性越强表明该站温度的可调程度和范围越大。
该参数是匹配性参数，强烈建议采用模块默认设置。
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