换热站远程监控系统方案之令狐文艳创作.docx

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换热站远程监控系统方案之令狐文艳创作

换热站

令狐文艳

技术方案

一、系统概述

随着国民经济的不断进步和人民生活水平日益提高，社会对环境的要求越来越高。

近年来我国北方城镇大力提倡城镇集中供热，改变原来各单位、各片区自己供热、单独建立锅炉房给城市带来的污染，由城市外围的一个或者多个热电厂提供热源，市内各片区建立换热站，统一给用户供热。

这样就大大减少了燃煤对城市环境的污染，同时也节省了能源。

随着科学技术的日新月异，尤其是计算机、通讯技术的迅速发展，自动控制水平也得到了快速的发展和广泛的应用，需求用户对供热质量的要求不断提高和能源紧张的今天，提高供热质量同时节约能源势在必行。

城镇热网远程监控系统是通过对供热系统的温度、压力、流量、开关量等进行测量、控制及远传，实现对供热过程有效的遥测及控制。

城镇热网远程集中监控系统是区域供热系统中的重要组成部分，它将实时、全面了解供热系统的运行工况，监视不利工况点的压差，保证区域供热系统安全合理地运行，并可根据运行数据进行供热规划和科学调配，为热力部门提供准确、有效的重要数据。

达到整个系统的节能目的；提高了供热品质及舒适度，延长了设备的使用寿命。

供热系统是一个多参量、大滞后的复杂系统，供热系统综合节能控制技术，有针对性的解决供热系统热源、管网、终端用户三个部分实际问题，提供三个主要环节的信息化管理平台，实现了热源控制一体化，管网智能化，终端用户信息化；解决了系统整体过量供热，管网存在水力失调，室温存在冷热不均的问题，达到整个系统节能目的。

二、方案介绍

×××××各换热站现有自动化监控系统是利用现场可编程逻辑控制器（PLC）监视换热站的运行情况及各点参数及其变化趋势和设备状态，不同的是换热站是有人值守的运行模式，各换热站是人工巡检的运营模式。

无法实现对供热系统的温度、压力、流量、开关量等进行及时测量、控制及远传与中心监控平台的数据通信。

针对×××××提出的多座换热站升级需求，我公司对系统方案设计充分考虑供热系统现状，分为换热站远程监测、控制、联网智能监控方案。

系统是集现代计算机技术、自动控制技术和通讯技术为一体的，全面地监测热网的运行参数，控制热网的供热温度，为“按需供热”提供有效技术保障。

系统节能率20—30%，使用寿命在10-15年以上。

 本系统是对换热站远程监测、控制系统的整体改造，将热交换采用当今最先进的自动化远程控制系统。

采用GPRS无线远程监控系统进行监控。

使用一台计算机作为上位机，通过无线数据传输模块，对各个换热站的工作状态进行远程监控。

上位机的监控人员根据上传数据可实时通过上位机各换热站的设备进行状态、数据监测及起停控制，实现换热站的无人值守。

三、设计原则

Ø安全可靠稳定性原则

系统的安全可靠运行起着十分关键的作用，因此在系统建设过程中，将系统的安全、可靠、稳定性作为设计的首选原则。

终端应具备较强的抗干扰能力。

终端应实现故障自诊断功能和自恢复功能，当出现故障的时候能自动重启而不需要人为的切断电源。

严格全面的权限管理；详细的操作日志功能。

只有安全可靠的系统才能达到令人满意的结果。

在方案设计时，首先应考虑选用稳定可靠的产品和技术，使其具有必要的冗余容错能力，为用户提供高可用服务。

要求系统在硬件配置、操作系统、以及系统管理等环节采取严格的安全措施，保证系统不受侵害。

Ø先进性原则

系统采用先进成熟的具有当今国内先进水平的监测控制技术、控制器及应用软件，并具有完整的技术文档资料。

Ø实用性原则

系统需要本着能够解决热网运行中存在的实际问题，进行整体规划，无论是网络体系、通信系统、硬件平台及软件功能，必须能够满足整个热网管理的需求。

力求完善化、科学化；用户界面设计友好，易于理解、易于掌握、便于操作。

Ø可扩充性原则

应用软件的设计应逻辑结构清晰、易读。

在功能的划分和设计时，尽可能相对独立、减少相关性，以易于扩充、维护和修改。

采集控制器应充分考虑其独立性和扩展性，使设备配置和系统扩展有更大的自由度和灵活性。

为热用户的日益增长，预留较大的扩展空间。

系统不但要能满足现阶段的业务要求，而且要能满足将来业务的增长和新技术发展的要求，要在原有设备继续发挥作用的基础上，保证用户能方便地增加或调整设备，改善系统功能和性能，支持将来系统不断更新和便于升级，从而保护原有投资。

主机系统应具有良好的可扩展能力，满足不同规模计算环境的要求，并且能提供多种升级途径，给业务的不断发展创造条件。

缩放性是企业网结构要求中最重要的一个方面。

企业业务的快速变化，用户不可预测的需求都要求系统结构能适应这种情况。

这就意味着我们在最初设计中，投资重点要放在一个可缩放的结构上以及支持它的相关的软硬件。

Ø兼容性原则

底层系统、数据库、采集控制器、通讯方法、网络协议都采用国际标准或统一标准，使得系统的兼容性大大提高，只要遵循统一标准，任何厂家的设备都可以接入该系统。

在满足系统需求的基础上，力争用最少的资金，获得最大的经济效益和社会效益。

经济性原则不仅体现在设计过程中，而且要为系统今后的维护降低成本打下基础。

四、系统解决方案

4.1系统整体结构图

4.2热网无线数据传输模块功能详述

GPRSDTU无线数据传输模块可以实现温度，压力，流量，断电报警，柜门开关报警等信号的传输等功能。

中心可以实时传输对下位机（PLC）电动调节阀自动，手动控制，远程，就地控制等功能。

4.2.1实时数据远传中心功能

GPRSDTU无线数据传输模块可以实现传输如下实时数据的功能：

♦一次温度、压力、流量远程传送；

♦二次温度、压力、流量远程传送；

♦一次瞬时热量的计算，远程传送；

♦二次瞬时热量的计算，远程传送；

♦一次流量累计积算及显示，一次热量累计积算及显示；

♦二次流量累计积算及显示，二次热量累计积算及显示；

♦当前阀开度显示；

♦当前室外温度显示；

♦当前柜门报警状态显示；

以上数据可根据预先设定的时间间隔定时向中心发送。

同时，以上数据可以分别由中心单独招测，也可以一次性中心全部招测。

4.2.2原始电流值的远程传送

根据预先设定的状态，可以远程传送当前温度，压力，流量等参数原始电流值，供用户比较原始数据和计算出的温度压力等数据是否一致。

同时可以在必要时，实现电流数据的远程传输，供中心长期监测，比较之用。

4.2.3中心远程对时功能

为了保证中心系统时钟同下位机各个站点的系统时钟高度一致，每次GPRSDTU无线数据传输模块，或间隔一定的时间以后，会自动同中心系统进行时钟校对，保证整个系统时钟高度一致。

4.2.4远程自动化控制功能

GPRSDTU无线数据传输模块可以远程设定调节阀的各种自动化控制模式：

♦根据室外温度调节二次网供水温度模式；

♦根据预先设定的各个时间段的供水温度调整二次网的供水温度；

♦根据预先设定的各个时间段的阀开度调整一次网的阀开度；

♦设定当前的供水温度值；

♦设定当前的阀开度；

♦设定当前的阀偏移量

4.2.5远程报警参数设置功能

远程设定如下参数的上下限报警值，当测量值超出该值设定的上下限时，本地PLC通过GPRSDTU无线数据传输模块自动上传报警数据，同时中心有声音和视觉的提示：

♦一次温度，压力，流量；

♦二次温度，压力，流量；

♦室外温度；

♦阀开度；

♦柜门状态；

4.2.6远程量程设定

可以通过GPRSDTU无线数据传输模块远程分别设定如下参数的量程：

♦一次供水温度；

♦一次回水温度；

♦二次供水温度；

♦二次回水温度；

♦一次供水压力；

♦一次回水压力；

♦二次供水压力；

♦二次回水压力；

♦一次供水流量；

♦室外温度；

4.2.7远程自控参数设定

远程设置各换热站PLC所用到的各种自控参数。

主要包括如下：

♦室外温度同供水温度之间的对应关系表

♦供水温度偏差同阀开度变化量之间的对应关系表

♦一天之内各个不同时间段的二次供水温度关系表

♦一天之内各个不同时间段的阀开度变化关系表

♦自控调整周期

♦配合不同模式设定当前供水温度，阀开度，阀偏移量等参数

4.2.8远程设定报警功能开关

报警功能开关控制自动报警，并实时远传该报警数据。

4.3中心分布系统组成及功能概述

4.3.1中心系统软件组成结构图

4.3.2中心软件功能概述

整个组态软件系统架构是基于分布式的C-S架构，在两台互为热备的数据服务器上安装组态王服务器版本，负责实时采集、处理从区域控制器上传的各种实时监控数据，在两台监控工作站上安装组态王通用版，在工程师站上安装组态王开发运行版。

✧冗余监控服务器

热网监控中心的监控服务器（兼操作员站），采用双机冗余热备形式和基于客户／服务器方式的开放系统。

主要功能包括：

a）通过交换机与现场各个下位机（PLC）连接，通过GPRSDTU无线数据传输模块与热网中各个热力站控制子系统连接，采集现场过程数据，进行统一的存储与管理；b）作为整个监控系统的数据库，存储各种数据，包括实时数据和历史资料；c）作为人机接口（HMI），通过多媒体手段（画面、声音等），为操作人员提供热网中各个热力站形象直观的现场过程数据、过程报警、事件报警等；d）作为人机接口，操作员通过输入设备（鼠标、键盘等），向热网中各个热力站发送调控指令；e）按照设计要求为投影仪等提供显示画面和过程数据。

✧工程师站

热网监控中心的工程师站，主要功能是：

a）经过授权的维护人员（维护工程师），通过工程师站可以对各个锅炉控制子系统和整个热网控制系统进行维护，包括控制网络的组态设置（网络节点的增减、通讯速率的设置等）、人机接口（HMI）画面的修改、现场过程资料采样点和被控点的增减等；2）具有操作员站的全部功能，需要时可以作为操作员站使用；3）也可以按照设计要求为投影仪等提供显示画面和过程数据。

4.3.2.1热网分控中心功能描述

✧监控系统SCADA功能与数据管理功能

监控系统能够从锅炉监控系统和热网监控系统的运行过程中采集数据，进行加工处理，也可以被写回流程，完成锅炉和热网系统的数据采集和控制功能。

监控软件能够根据应用软件的需求对数据进行定位和操作。

✧计算机的热备与无扰动切换

热网监控服务器（操作员站）采用双机热备的方式，冗余操作时，在计算机本机（生产机）正常工作的同时，热备机实时地刷新本身的数据区，始终与本机的数据相同。

在本机发生故障时，热备机能够以与本机相同的过程数据接替本机的控制功能，从而实现无扰动切换功能。

✧分布式的网络结构

监控软件支持分布式网络结构，各节点可以独立的执行赋给它的任务，节点可以脱机而不会影响整个网络的运行，节点同样可以在网上任何地方获取数据。

监控软件支持“请求式数据传输”，实现数据共享。

✧数据库

软件具有关系型数据库支持功能，收集、存储、管理工艺流程中的实时和历史数据，该数据库除了具备常规的数据管理功能以外，还具有开放的结构，支持通用的数据交换协议（ODBC），确保数据的可靠利用。

监控软件支持建立在以标准的以太网环境下的客户机/服务器的体系结构，网络协议采用TCP/IP。

计算机系统中的站点分成数据处理节点和数据浏览节点，这种结构不仅可以实现数据的共享，而且可以实现配置的共享。

✧监控功能

监控系统（监控服务器、操作员站、工程师站、背投式大屏幕投影仪等）能够提供各种图形显示、多媒体显示、动画等功能，能够以数字、符号及图形方式为操作人员动态地模拟生产过程，并能够显示实时过程资料，易于操作和管理。

监控系统能够在操作员站上对过程数据进行读/写操作，或者只读操作，完成对各个力站的控制和对整个热网工艺流程的控制。

监控系统能够根据预先设定的报警值对生产过程中产生的异常事件产生多种形式的报警，报警信息可以在网络上各节点之间传递，并且可以实现网络打印，能够弹出报警窗口，同时，根据工艺要求预设各种报警的优先级，主要报警抑制次要报警。

对于一些较为复杂的控制和调节，监控系统能够自动的运用一些适用的、可靠的算法对过程值进行调整，使这些过程值按照工艺设计要求，保持在一定的范围内，从而实现计算机对过程的控制。

✧报表功能

监控系统具有报表功能，能够将系统中的任何数据按照操作人员的要求进行采样，并存储在一个数据文件中，保证至少两年不溢出。

文件中的数据能够随时作为历史数据显示。

数据文件能够支持流行的数据库，数据归档支持分布式结构，可以在故障时就地存储和转发。

监控系统能够支持以工业数据交换协议来存储数据，操作人员能够用电子表格生成各类生产流程和系统运行状态的详细报表，报表包含所属的实时和历史数据。

✧报警功能

监控系统具有报警功能，当产生过程报警时，操作员站和背投式大屏幕投影仪能够弹出报警画面，报警打印机打印出报警信息，操作员站和背投式大屏幕投影仪画面能够显示报警位置、原因、时间等相关信息，操作人员能够在操作员站对过程报警进行确认。

维护工程师能够根据工艺要求定义不同过程报警的不同优先级。

✧注释功能

监控系统操作员站对于所有的设备都配有注释功能，监控系统配有一专用的注释清单来存储给定设备的运行信息。

✧趋势功能

监控系统能够提供2种趋势功能，包括历史趋势功能和实时趋势功能。

操作人员或管理人员能够调出任意过程参数任意时刻的历史趋势资料；操作人员能够根据需要改变实时趋势的采样时间。

在同一趋势画面中，可用不同颜色显示多条趋势曲线。

✧访问控制

监控系统设置访问控制功能，通过访问控制功能，系统给予操作员相应的权限。

操作员权限可以组态，每一操作员的权限是唯一的。

监控系统能够按责任分成不同的领域，被选择的过程显示、报警清单和报表仅对相关操作员开放。

4.3.2.2系统特点

♦超大系统容量。

可以同时容纳5000-6000个I/O点，长时间数据存储,存储数据可达百G以上。

♦全面系统冗余处理。

包括数据库冗余，系统冗余，通讯冗余等。

♦灵活定制各级管理员及管理权限；

♦数据自动报警显示。

包括声光提示等；

♦大分辨率显示器和投影仪支持；

♦固定客户端，移动客户端同时支持；

♦支持历时数据导入，导出，支持历时数据后补添加；

♦直观，灵活定制的趋势图，曲线，报表等；

♦方便，迅速，灵活的历时数据定制查询，打印，报表生成等；

4.3.3系统详细功能描述

支持PID温差控制，供回水压差限幅调节。

控制流程如下图所示：

4.3.3.1方便灵活的人员权限管理

可以任意定制人员的管理权限和管理功能。

甚至可以全部删除用户，进行人员权限再分配等；

4.3.3.2功能强大的站点管理，添加，删除，

可以任意进行站点的添加，删除，修改等。

添加删除等站点管理设计参数全面，功能强大。

可以任意删除站点，可以任意添加站点。

可以对现有站点进行任意修改，修改任意站点参数对系统不会造成影响。

可直观浏览现有站点的各个参数，包括：

♦站点IP地址；

♦站点地理位置；

♦自控周期，室外计算/下发周期；

♦当前控制策略模式；

♦当前报警开关，电流回传功能开关，DTU在线与否等；

♦当前站点归属，支路号，管井，供热面积等；

4.3.3.3清晰，直观，超大字体的实时数据显示；

为了便于用户长时间监测实时数据的需要。

设计实时数据显示时，采用隔行错色的视觉显示方式，便于用户长时间监视而不会引起视觉疲劳。

同时为了更便于人员查看。

采用了超大计算机字体，并加强了字体处理效果；实时数据显示内容如下：

♦一次温度、压力、流量；

♦二次温度、压力，流量；

♦瞬时流量，热量；

♦累计流量，热量；

♦当前室外温度，阀开度；

♦当前数据接收时间；

4.3.3.4地图数据直观显示

直接引入管网地理信息平面图。

直观表明各个换热站的地理位置，管径，距离中心供热点的距离。

并且实时显示该站点的温度，压力，流量等数据。

供用户比较沿线管损，温度变化趋势，压力变化趋势等。

4.3.3.5热交换站各种数据模拟画面显示

实际模拟换热站的工作流程。

显示各个关键部位的实时数据。

4.3.3.6远程查询设置各个报警参数

可以查询设置各个报警参数，可以查询报警设置日志等。

可以设置和查询的报警参数如下：

♦一次供水温度上下限；

♦二次供水温度上下限；

♦一次供水压力上下限；

♦二次供水压力上下限；

♦阀开度报警上下限；

♦室外温度报警上下限；

4.3.3.7远程查询设置各种量程范围参数

以远程查询或者设置各种一次仪表的测量范围。

并可以查询修改日志等工作，可以查询或设置量程的参数如下：

♦一次供回温度；

♦二次供回温度；

♦一次供回压力；

♦二次供回压力；

♦流量；

4.3.3.8远程设置和查询自控策略以及相关参数

可以远程查询或设置各个站点当前的自控策略以及相关工作参数。

并可以查询操作日志。

其中包括：

♦供水温度同室外温度对应关系表；

♦供水温度偏差同阀开度变化量关系表；

♦每天不同时间段供水温度对应关系表；

♦每天不同时间段阀开度对应关系表；

♦当前自控采用的策略模式；

4.3.3.9用户浏览，添加，删除，权限修改，密码修改等操作

4.3.3.10站点归属管理，支路管理等操作

4.3.3.11历时数据查询，曲线图显示，报表生成，打印等

五、各种控制模式详述

5.1、一次网调节阀控制方式

可以全面多种模式，按系统设定的优先级级别调整一次网调节阀其中按照优先级别依次如下：

5.1.1联动控制模式

该模式下，调节阀执行的优先级别最高。

无论当前处于何种状态，只要联动模式任何情况发生时，调节阀优先执行预定操作。

预定操作包括，阀门关闭等。

触发情况包括如下：

♦系统断电

当控制器检测到系统断电（或循环泵断电）时，无论调节阀处于何种状态，首先发出指令，关闭调节阀。

防止出现热交换器过热汽化等极端情况。

该情况只有在有后备电源的情况下才能起效，同时电调阀应具有断电自动关闭功能。

♦二次网欠压

该情况一般预示二次网缺水。

同时补水系统出现故障。

因此，必须停止热交换，关闭电调阀，关闭循环泵。

♦循环泵故障

♦二次网温度高于报警值

♦一次网压力高于报警值

5.1.2流量（或热量）上下限模式

系统可以按流量（或热量）设定一次网流量的上下限值，当系统达到设定极限值时，自动减小电调阀开度，以减小系统流量，达到预先设定的流量范围。

5.1.3控制二次网供水温度模式

系统主要以二次网供水温度为调节对象。

当二次网供水温度过高时，减少阀开度，反之亦然。

5.1.4控制一次网流量模式

系统主要以一次网的供水流量作为当前的调节对象，当一次网的流量高于设定值时，减少阀开度，当一次网的流量低于设定值时，增大阀开度。

一次网流量设定值必须在流量上下限范围内。

5.1.5控制一次网阀开度模式

系统主要以一次网的阀开度作为调节对象，当一次网的阀开度大于设定值时，减小阀开度。

反之亦然。

5.2控制方式选择

5.2.1室外温度方式

按照室外温度设定各种控制参数。

即根据不同的室外温度值设定不同模式下的控制参数。

比如按照不同的室外温度值，设定不同的二次网供水温度值，在按二次网供水温度调节时，需要依据不同的供水温度值来减少或增加阀开度。

5.2.2时间段方式

把一天设为24个不同的时间段，在不同时间段内，设定不同的控制参数。

比如设定一天24个不同时间段的二次网供水温度值，在按二次网供水温度调节时，需要依据不同的供水温度值来减少或增加阀开度。

5.2.3手动指定方式

由中心手动指定当前的控制参数。

包括手动指定二次网供水温度，手动指定当前阀开度等。

5.3循环泵控制

采用供、回水压差和温差结合控制循环泵变频器的方式，把二网流量控制在合理的范围内，既能达到用户流量需求，又不浪费，从而达到节省电能的目的。

无人值守换热站中压力控制主要是二次供水压力（或者是二次供回水压差）和二次回水压力的控制。

分别通过调整循环泵变频频率和补水泵变频频率实现。

下面说明几种故障和相应的保护措施。

♦二次供水压力过高，供热系统中，此故障是个比较严重的故障，需要系统停止运行进行检查，否则有可能会造成用户家里暖气片的损坏。

♦二次回水压力过高，系统设置超压泄水电磁阀，报警发生时自动打开电磁阀泄水。

♦二次回水压力过低，为了保护循环泵，此报警发生时系统应该停止运行并报警。

♦补水箱水位过低，应该停止补水，避免补水泵长期无水运行造成损坏。

♦补水箱水位过高，应该关闭自来水，避免不必要的浪费。

♦有些换热站生水压力不足或防止短时间停水，应该设置生水箱。

♦DTU和PLC进行通讯，设定和读取变频器的参数如：

工作电压、工作频率、工作电流等，以便了解水泵电机的运行情况。

通讯方式可以通过一根通讯电缆实现。

5.4补水泵控制

♦二网回水压力过低，通过控制一次网同二次网的通断电磁阀向二网补水。

♦二网回水压力过低，通过控制备用补水泵向二网补水

♦二网压力过高，控制电磁阀关闭，停止补水。

♦二网压力过高，控制泄水阀放水，并向主控发报警信号

♦二网回压控制补水泵变频器。

六、系统网络

本系统由作为上位机的计算机、无线数据传输模块、天线、各种传感器、和作为下位机的PLC构成上位机链接系统。

上位机提供良好的人机界面，对全网进行监控和管理;下位机直接参与现场控制，通过各种传感器采集实时参数以及发出控制命令。

上位机和下位机之间通过无线数据传输设备进行无线通信。

6.1特殊I/O单元

♦无线数据传输模块

  本系统采用无线数据传输模块（DTU）作为计算机与可编程序控制器的数据传输媒介。

计算机（或PLC）和模块之间的通信是通过RS-232异步串口来完成的，该模块在本系统中只作数据传输使用，它与计算机和PLC接线为简单的三线连接即可。

 在本系统中，模块以广播的方式发送信息，而通过PLC上位机链接的帧格式中的节点号来判断接收方和发送方。

对于节点号不符的信息，将由PLC拒绝接收。

♦上位机链接通信

 上位机链接通信用来在PLC和上位机之间传送数据，使得上位机可以使用上位机链接命令监视PLC的运行状态和数据区的内容。

还可以使用TXD（—）指令将PLC数据区的数据传送到上位机。

上位机链接通信是一种主从总线通信方式，以上位机作为工业局域网通信的主站，其它所有连入该网的PLC皆为从站。

在本系统中，上位计算机监控各换热站工作，各站独立运行，彼此之间无数据交换，故在数据传送方式上属主从通信。

♦上位机主要功能

1、巡回检测各换热站及泵房的实时参数,包括各站每台泵的工作状态、过载状态、泵电流，各站二次侧回水压力、出水压力、回水温度、出水温度、水位等。

2、接收和记录下位机传来的报警信号，包括电源掉电，火警，盗警信号。

3、 远程开、关泵操作。

可分别对各站每台泵单独进行起、停控制操作。

4、使用曲线图、表格方式显示实时数据和历史数据以及表格打印。

♦下位机主要功能

1、现场数据采集和处理，发出执行动作信号，与上位机交换信息。

2、二次侧回水温度、出水温度、回水压力、出水压力监测。

3、二次侧各泵电流的监测及电流超高、低限时自动停泵。

  现场控制机是集散型控制系统的终端环节，既可独立工作，也可以接受中央管理工作站的监督指导。

现场控制机与其所控系统内的传感器、执行器及被控设备组成了一个相对独立的控制单元。

现场控制机的主要功能如下：

参数检测：

主要完成管网现场过程的模拟量（如温度、压力、热量等）、状态量（如泵的状态、温度等）及脉冲量的测量。

数据存储：

由于热网运行的大惰性，和控制系统的非实时性，要求现场控制设备能按指定的时间间隔进行参数存储，一般情况下这些参数通过通讯网络定期传输到监控中心的服务器中。

通讯：

现场控制设备必须能够在主动或被动方式下与监控中心通过某种通讯网络进行数据通信，以便监控中心能了解系统的整个运行状况，做到系统协调优化运行。

显示操作功能：

现场控制设备具备液晶显示和操作界面，以方便运行人员在现场对运行状况一目了然，同时可以人