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    作者簡介：魏欽志（1982-）男，黑龍江哈爾濱人，畢業于哈爾濱工業大學計算機科學技術與應用專業，現任北京三維力控科技有限公司沈陽分公司負責人，負責力控系統產品在東北區域的營銷與管理工作。

    摘要：介紹了基于力控Forcecontrol 軟件平臺的熱網SCADA 系統設計，簡要的講述了力控熱網版的基本功能、特點、主要技術及節能效果。為提高我國的工業自動化系統制造、裝備水平提供解決方案，縮短自動化系統與國外同類產品的差距。

    關鍵詞： 力控Forcecontrol；力控熱網版SCADA

    1 行業背景

    1.1行業背景

    隨著政府對節能減排力度的加大以及擴大內需的逐步深入，信息化技術對熱網行業的影響也越來越大。從前的供熱公司都是國營，受到供熱成本高、資源浪費、收費困難等因素影響，供熱企業虧的多，賺的少，大多靠政府補貼生存。而隨著各地供熱企業的改制力度加大，資源進行了合理分配，各供熱企業紛紛扭虧為盈。與此同時，無人值守換熱站自動化改造的不斷進行、企業信息化的逐步實施，如何節能減排，成為供熱企業最關注的話題。

    在集中供熱系統中，采暖熱水由水力管網輸送到各個換熱站，再由換熱站換熱后，把熱能輸送到各個熱用戶。因此，換熱站的平穩、節能運行在供熱中就顯得十分重要。
 
    我國現行的熱力站運行管理仍處于手工操作階段，影響了集中供熱優越性的充分發揮。主要反映在：缺少全面的參數測量手段，無法對運行工況進行系統的分析判斷；系統運行工況失調難以消除，造成用戶冷熱不均；供熱參數未能在最佳工況下運行，供熱量與需熱量不匹配；運行數據不全，難以實現量化管理。

    搞好城市集中供熱工程，必須要全面提高供熱技術水平。一是要提高供熱系統的自動化控制水平，另一方面要提高供熱行業的管理水平。供熱工程中的自動控制對于保證供熱系統優質供熱、安全運行、經濟節能、環境保護具有十分重要的作用。

    1.2 技術的發展概況

    軟件是供熱生產過程控制系統的核心與靈魂，自動化系統沒有軟件做支持就變成了一堆廢銅爛鐵。歐美日各國的生產過程控制系統之所以具有很高的水平，主要原因就是他們擁有優秀、強大的軟件支撐，我國在這方面和世界先進水平還有相當的差距。近年來產品和技術的發展出現了一種趨勢，那就是軟件，尤其是上位軟件在一個自動化供熱系統中所占比例在逐漸上升。

    因此發展供熱軟件，尤其是以監控組態軟件為核心的自動化軟件，對于提高我國的工業自動化系統制造、裝備水平具有非常大的帶動力量，對于縮短自動化系統與國外同類產品的差距具有非常重要的戰略意義。

    1.3主要研究的方向及內容

    在未來的供熱管理系統中，有人值守的高污染鍋爐房，會逐漸被無人值守的自動化換熱網所取代。原因是工廠從觀念上越來越重視生產管理，而且在企業信息化建設的逐漸加大，軟件的管理能力、分析能力和故障預警能力都得到了提高。

    本系統將會從根本上改變我國供熱企業自動化系統制造、裝備水平的落后局面，針對自己實際需求，最大限度地發揮產業優勢，以此來整合工業自動化系統硬件廠商，形成具有國際競爭力的自動化系統產業集團，帶動相關國內行業自動化產品從整體上趕超過國際先進水平。

    2 設計原則

    熱網監控系統(Monitoring System of Heating Network，簡稱MSHN)采用全分布式體系結構，基于Microsoft VStudio.NET開發平臺，使用.net IIS的Web Server 和集中式數據庫并豐富了對外接口。概括地講，熱網監控系統軟件采用分布式實時數據庫設計技術、軟總線技術、調度模型技術、異種數據庫互聯技術、ODBC數據庫的遠程雙向傳輸確保系統具有足夠的靈活性和可擴展性；采用內存優化技術、構件安全可靠性技術、實時智能技術、加固的TCP/IP網絡技術來獲得高可靠性，并提高系統運行的效率，使分布式組件之間協同工作，并向外提供服務功能。

    （1）高可靠性、經濟性、易維護、易操作的原則，滿足熱網現狀。
    （2）系統開放性強,兼容性強，監控中心軟件選用熱網專用軟件，保證與RTU的通用性及通訊協議的開放性。
    （3）設計條件嚴格依據國家的相關標準，參考《城市熱力網設計規范CJJ34-2002》技術內容以及具體的技術方案如下。

    2.1基于.net+XML框架

    熱網監控系統軟件基于.net框架，采用可裁剪、可伸縮的分布式體系結構，既可分布式使用，也可集中使用。系統由多個組件構成，每個核心功能組件都采用獨立進程形式，可以同時運行在同一節點機，也可以分別運行在不同節點機上。這樣能夠最大程度地滿足不同工程應用的需求。

    利用XML+.net的框架技術優勢，支持不同應用構件的在線插拔，提高系統的可靠性和軟件代碼的可復用性。比如在線修改組態、遠程系統維護等功能，現在實現起來就非常容易了。

    2.2高性能、高壓縮比的實時/歷史數據庫

    力控企業級實時歷史數據庫pSpace是一個高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性強、跨平臺的開放式實時歷史數據庫系統。產品為完全的分布式結構，可任意組建應用模式，支持C/S和B/S應用，它可以提供豐富的企業級信息系統客戶端應用和工具；大容量支持企業級應用，內部實現高數據壓縮率，可實現歷史數據的海量存儲，靈活的擴展結構可滿足各種需求，具備廣泛的安全性和可跟蹤性。

    2.3提供多種數據庫接口

    除了保持對關系數據庫的雙向ODBC訪問方式支持外，在Excel或其他第三方軟件中隨意引用熱網監控系統軟件任意時刻的歷史數據，或者批量引用歷史數據。另外，熱網監控系統軟件還增加了對PI、PHD、Infoplus的支持。為了實施先進控制建模、統計分析，熱網監控系統軟件必須提供快速的實時、歷史數據訪問接口，建模工具、分析統計工具可以批量、快速讀取實時和歷史數據，同時將控制輸出送給熱網監控系統軟件。

    2.4提供對通訊協議轉發的支持

    通訊服務器與力控各種系列信息化產品組合配套應用，也可以單獨運行，與人機界面、實時數據庫構成分布式結構，支持后臺服務模式。

    支持通過RS232、RS422、RS485、電臺、電話輪巡撥號、以太網、移動GPRS、CDMA、GSM、zigbee網絡等方式和遠程現場設備進行通訊。
    內置軟件看門狗，支持控制設備與網絡冗余和負載均衡，支持斷線緩存與遠程歷史數據傳輸。
    支持遠程配置，提供對外開放接口，可獲取設備配置及鏈路與設備狀態信息等。
    支持多種協議的設備掛在一條通訊鏈路上與力控進行通訊，方便電臺等遠程通訊。
    支持與設備采取主從、主主、從主等多種交互機制來進行通訊，支持以串口、網絡、MODEM、GPRS、CDMA等方式將數據主動上傳及轉發。
    提供標準的開放接口，第三方開發工具（如：VC++、VB等）可以通過接口訪問設備的參數、網絡狀態、通訊配置參數等。

    2.5改進的調度模型技術

    熱網監控系統軟件屬于實時應用系統，并發任務出現的時刻和數量不可預計，如在數據越限報警、設備狀態報警、幾千乃至幾萬點數據的同時采集、控制命令的回寫、歷史數據存儲與檢索等。調度模型技術保證這些并發任務一個不漏地，按照緊急程度和發生時間的先后準確、無誤地執行。

    2.6動態界面

    動態模擬顯示現場設備的運行狀態，采用2D技術表示運行參數及系統流程，采用3D動畫技術使系統流程圖更加逼真。將換熱站的各組態生成精靈圖庫，如鍋爐，上煤除渣設備，風機，除塵器，脫硫設備，軟水設備，加藥設備，換熱器（板式），管道，泵，分集水器，水箱，閥門，變頻柜，傳感器（溫度、壓力、流量、熱量、電能、煤量），以便靈活調用。

    2.7 DCS監控網絡

    在鍋爐房、熱力站中推廣應用供熱數據集中監測系統，將各鍋爐房及熱力站的運行參數（溫度、壓力、流量、巡檢情況、補水情況等）上傳到監控指揮中心，構成以熱力調度為核心的集散式監控系統。在監控中心可以及時掌握熱源、熱網、熱力站甚至于熱用戶的運行狀況，為進一步的數據挖掘、系統辨識、優化計算提供基礎數據庫。

    2.8鍋爐的節能減耗

    燃煤鍋爐是一個典型的分布式參數的對象，每臺鍋爐的運行效率都不一樣。燃煤鍋爐又是高排放、高污染的源頭，我國在很長的一段時間里還是要以燃煤鍋爐為供熱系統的主要熱源。因此提高鍋爐的運行效率，可以直接的降低能耗、減少污染的排放。通過對歷史數據的聚類分析，得到最佳的經濟運行工況，從而直接指導鍋爐的經濟運行。

    2.9熱網的經濟節能

    供熱網絡承擔著輸送用戶所需能量的任務，而且輸送能量所消耗的電量也是巨大的。熱力網實現最經濟的能量輸送的前提，是要保證系統的水力工況和熱力工況相平衡。系統優化分析軟件根據用戶所需的熱量，為熱力網絡的熱力輸送提供最佳的優化運行方案，從而保證熱力輸送系統在最小能耗下運行。

    3 軟件功能

    運行人員對整個熱網運行過程的操作和監視，計算累積熱量、累積流量、瞬時熱量、瞬時流量等數據。

    3.1標準畫面顯示

    標準畫面為2D畫面，可以根據需要進行3D轉換。

    工藝流程圖：以動態的方式對采集信息的實時顯示　　采集的參數如換熱站的動畫（以程序繪畫方式）模擬顯示，實時獲取各子站數據，并依據獲取的溫度、壓力等數據，采用動畫模擬的方式，直觀反映整個熱網的當前狀態。

                 

                                    圖1 工藝流程圖

    3.2 趨勢顯示

    趨勢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。所有模擬量信號及計算值，均可設置為趨勢顯示。

                     

                                      圖2 趨勢顯示畫面

    3.3天氣預報

    3.4記錄及報表模塊

    所有記錄使用可編輯的標題, 而不是預先打印的形式。供方按用戶指定的格式, 確定所有記錄的標題。數據庫中所具有的所有過程點均可以記錄。

                  

                                    圖3 系統日志顯示畫面

                 

                                 圖4 實時報警窗口

    實時報警記錄：記錄整個熱網運行過程中產生的報警記錄由運行人員進行操作確認。

                

                                     圖5 歷史報警查詢畫面

    歷史報警記錄：對所有出現的報警及報警恢復,由管理人員進行設定時間查詢以便分析報警時間及具體原因。均可由打印機打印出來。

    3.5數據報表

    對于采集來的數據包括、溫度數據、壓力數據等，形成數據報表；報表有以下幾種：

    （1） 歷史報表　　歷史報表能進行日報、月報、季報、年報的生成，對數據存儲的時間范圍、間隔、起始時間可進行任意指定，并可以根據存儲的時間進行查詢歷史數據。

                

                             圖6 換熱站歷史報表查詢畫面

    （2） 多功能報表　　可以任意設置報表格式，實現各種運算、數據轉換、統計分析、報表打印等。既可以制作實時報表，也可以制作歷史報表。可以在報表上同時顯示實時數據和任意時刻的歷史數據，并加以統計處理，例如取行平均、列平均，統計出最大最小值。

               

                          圖7 換熱站數據報表匯總畫面

    3.6鍋爐經濟運行模塊

    通過挖掘鍋爐的歷史運行數據，得到鍋爐的最佳運行效率，并且給出當前鍋爐的運行效率評價。

               

                               圖8 鍋爐運行的經濟效率

    3.7水壓圖模塊

    通過分析熱網的運行數據，繪制枝狀網、環狀網在多熱源或單熱源時的熱網水壓圖。

                    

                          圖9熱網絡的水壓圖

    3.8熱網優化調度運行模塊

    根據辨識得到的熱網水力工況及其特性，為熱網運行提出優化調度運行方案。

                

                                   圖10 熱網優化運行曲線

    3.9其它功能模塊

    （1）在熱網調整初期或者維護階段，可以遠方手動控制閥門開度及變頻器的轉速。
    （2）遠方人工設定換熱站的供熱量設定值或者根據室外溫度自動下發目標控制值。
    （3）系統預留和地理信息GIS軟件,收費軟件等接口。
    （4）支持WAP手機瀏覽。
    （5）支持短信報警。

    4 應用效果總結

    4.1 供暖調節實現科學預測

    針對熱網供熱具有很強的非線性、大滯后、時變性和不確定性，系統根據熱網溫度、流量參數結合熱網時滯、慣性、室外溫度變化等因素，通過算法模型預測調節方案。

    根據當前一級網供水流量、供水溫度、回水溫度和室外溫度結合運行調節方式，預測未來24小時室外溫度變化情況和供熱負荷走向，這些計算和預測都是對運行數據進行統計分析后，經過研發的分析評價系統自動完成。

    另外，以熱網分析為基礎建立動態水壓圖。從而對調節方案的合理性進行評估，以保證熱網的穩定運行，模擬出初、中、高不同時期的運行工況，并對熱網的供熱能力進行評估，以保證熱網的安全運行；分析熱用戶負荷變化，預測對其他熱用戶或熱源的影響；分析熱源參數，預測熱用戶的熱耗是否滿足要求。增加熱負荷，管網輸送能力是否足夠。如何調整設備，泵、閥門對熱網運行的影響。干管上閥門對相關區域供熱效果的影響。分析供熱垂直、水平失調，驗證解決方案。

    4.2運行效果實現科學分析

    通過建立科學供熱控制模型，分析熱網工況特性，保證熱源負荷合理供給，同時保證熱源與熱網的良好匹配，科學分析供熱效率，保證標準供熱。

    供熱運行指揮中心依據調控熱源的熱量并且兼顧調節一次網和二次網各環路的平衡，實現整個熱網平衡和供熱效果穩定；并在此基礎上，依據環境溫度及部分熱用戶的實際供熱效果對熱源供熱量進行預報規劃和運行中的實時調節，達到經濟運行的目標。

    供熱運行指揮中心可以進行在線診斷報警。通過對傳送來的實時數據，對數據的正確性和完整性進行檢查，當異常或超界時，發出相關報警信息。通過歷史數據和實時數據的比較，分析是否存在泄漏，設備運行是否正常。

    供熱運行狀況的集中監測和分析評價，必將為科學供熱提供有利保證，為實現企業的穩步發展，創建節能型社會發揮重要作用。

    該系統目前已投入運行在大慶石化集團下屬物業管理外圍物業公司27座換熱站（供熱面積642萬平方米）； 4座區域供熱鍋爐房及下設16座熱力站（供熱面積173萬平方米）；6座燃油鍋爐房（供熱面積90萬平方米）。目前已全部投入運行，從數據采集、數據傳輸、數據分析、供熱狀況評價以及預測調節上都達到了很好的效果。

    4.3節能減耗分析

    4.3.1 降低單位煤耗

    在自動控制方案的實施下，一方面減小了管網水平失調的程度（根據運行數據分析，現有水平失調程度在15％~20％之間），使得供熱房間溫度的分布更為均勻。另一方面，當熱源長時間超越用戶需求供熱時，可通過減小流量的方式降低一次能源的消耗。

    在自動控制方案的實施下，對一次網電動調節、換熱站水泵實現了最合理、最及時的調節，從而避免了人工調節在時間上的滯后性和對經驗的依賴性，因此可以保證用戶在舒適性的基礎上節省熱費10％以上。

    在自動控制方案的實施下，煤單耗指標可降低到45.0公斤/平米供熱面積，熱源總耗煤量為54098.9噸，節煤6011.0噸，按煤單價200元/噸計算，可節省費用120.2萬、元人民幣以上。

    4.3.2減少二氧化碳排放量

    按照節煤6011.0噸來進行計算，減少二氧化碳的排放量至少為16300噸。

    4.3.3降低單位電耗

    在換熱站增設水泵的變頻設施，可對頻率設施進行自動控制，通過改變電動機的電流頻率，實現改變電機轉速。變頻控制的調節范圍很寬，且能保持較高的效率，實現精度很高的運行。變頻控制的節能還表現在消除了電動機啟動過程中的大電流，對延長水泵的使用壽命也很有益處。

    在換熱站增設水泵的變頻設施，一方面可以通過減小電機轉速來降低水泵的揚程和流量。管網最小流量，即水泵可減小到的最小流量，取決于二次網管網水平失調的情況。根據大慶物業公司的現狀，可減少平米泵耗20％以上。

    另一方面，可通過改變現有的定流量和分階段改變流量的運行調節方法，采用變流量調節方法，可減少25％以上的平米泵耗。

    各換熱站水泵的電單耗由2.5度/平米當量供熱面積，控制到1.8度/平米當量供熱面積，，總耗電量為145.8萬度，節電56.8萬度，按電單價0.654元/度計算，可節省購電費用37.1萬元人民幣以上。

    合計節省購電費用和購煤費用為157.3萬元人民幣以上。

    另外，由于新增自動控制設施，換熱站最終可達到無人值守，若以減少30人工計算，每年可節省人工費用30萬元。