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1．概述
    在油田礦區供熱系統中，生產廠房、辦公樓和居民住宅區之間地理位置比較分散，造成了供熱面廣，熱力點多、熱損失大的特點。給供熱系統的操作及生產管理帶來許多困難。供熱站采用遠程測控終端（RTU）技術后，與中心鍋爐房的DCS構成一套SCADA系統。其功能是通過中心站全面了解整個供熱系統的工藝參數，為供熱管理人員提供集中供熱系統的運行狀態，幫助工作人員選擇合適的運行方式，進行優化生產和運行，實現過程檢測和控制及生產管理自動化。取得了明顯的社會效益和經濟效益。

2．系統描述
    集中供熱已經成為北方城市冬季采暖的主要供熱形式，也是節約能源、保護環境、實現城市現代化的重要措施。遼河油田近兩年來在礦區供熱系統經過一系列技術改造，進行了熱電廠擴建和油改煤工程，使中心地區和部分外圍地區實現了集中供熱。但由于供熱地域大、用戶比較分散，造成了熱力點多且相距較遠,給供熱過程參數檢測和控制及管理帶來一定的困難。在歡喜嶺地區集中供熱工程中由于采用了RTU技術 ，很好解決了這一難題，保證區域供熱在安全、合理、經濟的條件下運行。集中供熱工程采用了SCADA系統，整個系統分為三級，即第一級---控制管理級（主控中心即中控室），設在鍋爐中控室；第二級---過程控制級（PLC、RTU），分別位于中控室控制柜和各供熱站處；第三級---現場就地控制級，即為就地測控儀表設備。系統結構如所示。

3.供熱系統中央控制和RTU控制原理
3．1 供熱系統中央控制
    集中供熱通常采用的方法是根據二次網的供水溫度，調節一次網流量，進而控制二次網的供熱量。但是，從溫度調節的基本關系式可知，只有當二次網的循環流量是設定流量時，二次網的供水才是室外氣溫（亦即熱負荷）的單值函數，此時調節二次網的熱水溫度相當于調節了二次網的供熱量。由于存在冷熱不均的失調現象，要保證二次網流量按設計條件運行是很困難的，供熱系統二次網的流量是在大流量的工況下運行的，此時按照二次網的供水溫度進行自動調節，二次網必然是過熱的，將造成熱能的浪費。
    在沒有實現自動調節的狀態下，變頻調節普遍存在工況失調現象，導致熱用戶冷熱不均。為了滿足冷偏用戶的供熱要求，不斷地提高系統的供水溫度，實際上是提高了各用戶的平均溫度，很顯然，這種措施本質上是靠增加熱源總供熱量來改善供熱效果的，實際上并沒有縮小最熱用戶與最冷用戶之間的室溫差別，因此，達不到消除系統熱力失調的作用。解決系統熱力失調的主要方法是調節各個熱力站一次網供水閥門，使各熱力站的流量與它所需供暖面積的比例相同。
    均勻性調節可將外網的調節與熱源的調節，分為兩個獨立環節分別單獨進行，相互之間基本互不干擾。外網調節的目標是實現均勻化供熱，而總的供熱效果則通過對熱源的調節來實現，熱源的調節可根據室外天氣溫度、回水溫度及負荷情況進行調節。利用氣象預測和歷年氣象統計資料進行計算，繪制出溫度調節特性曲線指導供熱，當熱源的供熱量和外網的需熱量不一致時，依靠自動調節系統來維持供熱的均勻性。
    按上述的調節方法進行設計，將具有很強的通用性。不管是大流量運行，還是變流量運行，只要根據全網溫度設定值控制二次網的供、回水平均溫度，就能實現供熱量調節，既實用又方便。
    熱網的運行狀態總是會有一些變化，例如，在不同的月份可能供水溫度不同，熱源發生故障時可能會減小總供水量或是熱力站擴大面積使負荷增加，遇到這些情況，控制系統都能自動調節熱網的運行狀態使之適應新的變化，而不需對控制系統作任何調整。隨著室外環境溫度的變化，為保證供熱效果，熱源需進行統一調節。這時，可以隨室外環境溫度降低而升高供水溫度，也可提高總的出水流量，無論采用哪種方式，都是全面地升高或降低各熱力站的采暖效果，不會改變其均勻性。只有當個別熱力站二次管網發生變化，新增添或關閉一些用戶，管網做某種調節和轉換時，才需地對相應熱力站及相鄰幾個熱力站的供水閥門進行調節。
3．2熱力站RTU控制原理
    系統采用中央控制，即通過計算機網絡將各熱力站的RTU連在一起。中央控制系統是在全網統一監測系統的基礎上，以各熱力站二次網的供、回水平均溫度彼此一致為調節目標，各熱力站的RTU將一次儀表測量出的二次網供回水溫度，計算全網調節均勻后的供、回水平均溫度值，并將此值發送到各熱力站RTU作為設定值進行具體的調節。保證各熱力站間的均勻供熱，這種調節系統調節精度高，控制效果好，熱網的平均失調度可控制在最低的水平，因而節能效果也最明顯，這種均勻調節一般不會導致系統振蕩。
    只有二次網的供、回水平均溫度才是室外氣溫（亦即熱負荷）的單值函數，而與二次網的循環流量大小沒有關系。也就是說，不管二次網循環流量的大小如何，只要二次網的供回水平均溫度一定，二次網的供熱量就一定。因此適合我國國情的二次網的供熱量的調節，應該是二次網的平均溫度，而不是二次網的供水溫度。各熱力站的RTU將檢測供回水溫度基本上反映了該熱力站所負責建筑的平均室溫。如果將各個熱力站的二次網供回水平均溫度調為一致，則可以近似認為采暖房間的室溫是彼此均勻的。
    各熱力站的RTU根據主機所發出的命令，圍繞本站的二次網供、回水溫度的設定值，采用PID算法進行自動調節。由于各熱力站的供熱面積、用熱情況、地理位置等不同，以及室外氣溫的變化，二次網的回水溫度是一個非常重要的指標，RTU通過現場儀表測量本站熱工參數，并遠傳到中控室的主機，這些數據直接反映此站所供用戶的整體耗熱情況。若為了保證冷偏用戶達到要求而以二次網的回水溫度來調節，則會造成過熱用戶的浪費和熱源不足。另外各熱力站所帶的供熱面積不會經常改變，并且各建筑物的負荷主要由室外環境溫度所決定。因此，隨室外環境溫度變化，各熱力站的熱負荷同步升高或降低，各熱力站間熱負荷之比基本不變。因此，系統一旦調節均勻，就基本能夠保持整體平衡，而且各熱力站調節閥門動作的頻繁程度較低，這樣系統可以長期穩定運行。
遠程自動：中控室協調控制，將二次網供回水溫度平均設定值發往各熱力站，進行全網平衡調節。在熱源不足時，實現熱量均攤。
遠程手動：特殊情況下，在監控中心計算機上直接對某一熱力站閥門的開度進行調節，控制閥門的開度。
就地自動：在熱源充足的情況下，各站現場控制機根據本站供回水溫度平均設定值，就地調節閥門，保證溫度恒定。
就地手動：當通訊系統或本站現場控制機出現故障時，由人工手動調節閥門。

4．系統構成、配置及功能
4．1 系統構成
    本系統采用先北京安控公司的鍋爐DCS系統及遠程測控終端等硬件設備和工控組態軟件構成。系統大致分為中控室的服務器、工程師站和操作員站、各熱力站的RTU（遠程測控終端）、通訊網絡系統和一次測控儀表。熱力站監控系統由RTU、一次測量儀表電動調節閥及其它執行機構等設備組成。RTU可獨立完成測量、控制、通訊、數據處理、顯示、操作等任務。各RTU之間、RTU與中控室之間相互協調工作，實現整個熱網監控系統的各項功能。
4．2中控室任務
    中控室通過通訊系統采集現場熱力站的RTU上傳數據，并將這些參數進行在線存儲、處理分析、報表打印，并根據運行工況將調度命令下發給RTU，完成對整個熱網的優化調度。根據用戶的熱力需求分配熱網內各熱力站所需熱量，同時確定其運行方式，平衡全網的供熱需求，保證區域供熱在安全、合理、經濟的條件下運行。
4．3中控室的硬、軟件配置及功能
1）中控室硬件：
兩臺冗余備份的工業控制計算機；操作員站；操作臺；報表打印機；控制柜；控制器、電源模塊、通訊模塊、I/0模塊；UPS電源等。
2）中控室軟件：
操作系統軟件：操作系統選用Windows2000 server。
監控系統軟件：選WinCC/Intouch/組態王應用軟件、監控軟件仿真軟件和其它冗余軟件。
編程軟件：選用VisualC++和offices2000,進行通訊軟件和其它管理軟件的開發。
組態軟件Espider（開發\運行版）：運用組態軟件，用戶可以方便地構造適應自己需要的數據采集監控系統，編制系統流程圖、數據表格、報警畫面、控制畫面，在任何需要的時候把現場的信息實時地傳送到中控室，并實時地把控制命令發送到現場RTU保證信息在全網范圍內的暢通。
監控系統軟件可根據用戶的技術要求實現以下功能：
1、 控制和算法組態
控制和算法組態在RTU中完成，RTU支持梯形圖、標準C兩種編程語言，梯形圖組態用以生成系統所有回路連續控制算法、順序控制算法、特殊處理算法及統計算法。
2、 圖形畫面組態
圖形畫面組態工具可方便地繪制出應用系統所需的各種總貌圖、流程圖和工況圖，并可以靈活的生成多種動態顯示方式。
3、 實時數據庫組態
用來定義各個數據點，進行信號采集與轉換、報警設置、顯示、集中數據管理等任務。實時采集各熱力站一次網、二次網的運行數據，包括供回水溫度、供回水壓力、補水流量、閥門開度、水箱水位、巡檢記錄、防盜報警、循環泵和補水泵啟停狀態及等參數。建立數據庫，對各熱力站實時參數進行采集儲存，實現歷史數據查詢，曲線顯示，并可生成各種趨勢圖。
4、 歷史數據庫組態
可方便地定義需保留的工位點、中間量點、采樣間隔以及保留時間長度等。
5、 實時及歷史趨勢分析
系統提供了靈活的分析畫面，可以根據需要對系統數據點進行準確的趨勢分析。
6、 過程報警、打印及存儲
多種報警級別，可按物理位置或類型查詢報警信息，采用多媒體技術報警，在線打印報警信息，存儲報警歷史信息。當某一模擬量（如溫度、壓力、流量、閥門等）測量值超出給定范圍或某一設備發生故障時，可以聲光形式報警。各種故障能及時在屏幕中顯示，并被記錄在報警數據庫中，并可對報警信息進行排序和檢索，方便以后的事故分析。
7、 報表生成及打印
系統提高了多種報表打印方式。可以隨機打印、定時打印，報表可以直接顯示在操作系統的顯示屏上。報表和打印功能：包括各種運行記錄的日報表、統計報表及設備故障狀態和維護清單等。可以具有屏幕拷貝功能，將屏幕上所顯示的流程圖和曲線圖等打印輸出。
8、冗余軟件－保證系統可靠運行
主要完成冗余功能（既通常所說的雙機熱備功能），其構造思想是主機和從機
通過TCP、IP網絡連接。正常情況下，主機處于工作狀態，從機處于監視狀態，一旦從機發現主機異常，從機將會代替主機，進行實時監控并保存歷史數據。當主機修復重新啟動后，從機檢測到主機的恢復，就會自動將主機丟失的歷史數據拷貝給主機，同時從機將重新回到監視狀態。這樣，即使是發生了機器故障，系統也能保存一個完整的數據庫。冗余功能的實現，有效地減少了數據丟失的可能，增加了系統的可靠性和連續性，方便了系統維護。
9、 地理信息功能
通過掃描儀、專業制圖軟件，把熱電整個管網地理分布圖掃描進計算機，此圖可心任意放大、縮小、移動，按地理位置點擊熱力站圖標，可以切換到該站的動態立體管網平面圖，顯示所有參數，圖文并茂，直觀方便。
10、能源計量管理功能
工作站可以根據現場控制單元的測量參數對一些能耗、水耗參數等進行計量和累計，計算出其平均值和累計值，計量時間可以為時、日、月、年，計量結果將以數據文件的形式存貯。
11、中央調度及遠程控制
監控中心可將調度或由計算機運算分析后的被控參數設定值發送至相應的現場控制單元指導控制，也可根據需要直接完成對各熱力站循環水泵、補水泵及電動調節閥的遠程控制。
12、網絡功能
運行在基于EtherNet網絡結構和TCP、IP網絡協議的網上，可實現廠級聯網，TCP/IP網絡協議提供了在不同硬件系結構和操作系統的計算機組成的網絡上進行通信的能力。監控中心計算機作為采集數據的網絡服務器，其它站點作為網絡客戶機共離服務器中的數據。

5．熱力站RTU的硬件配置及功能
5．1熱力站RTU的硬件配置
    熱力站的RTU選用北京安控公司的SuperE RTU。該產品適用于各行各業，各種場合的參數監測及控制系統的自動化。它強大的軟硬件功能使其無論是獨立運行還是連成網絡均能實現復雜系統的控制。在RTU領域其性能價格比最高。
    其出色表現在以下幾個方面：配置合理，具有很強的現場適應能力；強大的軟件功能，可以滿足各種靈活控制、復雜運算的要求；具有RTU和PLC的雙重優勢，應用靈活；靈活的通訊方式，標準的通訊協議，可方便的組成各種復雜系統；現場監控和遠程監控兼備，為系統操作、診斷、維護和升級提供了方便；工業標準設計，能夠工作于各種惡劣環境；充分的可靠性設計，嚴格的質量檢驗，為用戶提高了可靠的保證。
5．2熱力站RTU功能
    主要完成數據采集、自動控制、參數存儲、實時通訊、故障報警等功能。可獨立完成本地控制，也可受控于監控中心。
數據采集：將各站的溫度、壓力　、流量、循環泵和補水泵的啟停狀態、報警參數、巡檢記錄及補水流量上傳監控中心。
遠動控制：接受監控中心的命令和設定參數，控制一次網電動調節閥的開度，實現調節過程；對補水泵和循環水泵進行啟停控制。
參數存儲：存儲累計流量、故障參數和其它重要參數。
故障報警：完成運行參數的越限報警、防盜報警、以及設備的自診斷報警。
5．3通訊系統
    通訊系統分為無線通訊和有線通訊兩種工作形式。
1． 無線通訊方式
無線電臺通訊，采用進口原裝的數傳電臺進行信號傳輸，內置9600bps modem，功率為5W，含電源、天線和饋線。選用高增益天線，頻率范圍：220-240MHz。
GPRS DTU  測控終端DTU的數據通過網絡發往指定數據中心，數據中心在收到DTU的數據后，進行協議轉換還原用戶數據，同時對DTU進行管理。實現數據的雙向流動。
2、有線通訊方式
普通市話網：需要撥號，速度較慢，價格較低。
綜合業務數字網ISDN：需要撥號，速度較快，價格較高。
X.25分組數據網：不需撥號，價格適中。
敷設專線：一次性投資，工作量大，速度快。
本工程采用有線通訊方式，在每站設置一個Modem，在中控室設置多通路接口Modem。
5．4現場一次設備
熱力站現場一次設備主要包括：電動調節閥220VAC電源，4－20mA輸出，具有上下限限位保護，過流保護等功能。伐體選用雙座調節閥，線性度好（也可選用偏心碟閥）。閥門特性選擇時應注意流量與管徑的匹配，以便得到符合要求的調節特性。溫度測量選用鎧裝一體化溫度變送器，測溫元件選用PT100熱電阻，變送器為24VDC供電，4－20mA輸出。壓力測量選用進口組裝的壓力變送器，24VDC電源，4－20mA輸出。其它設備選擇類似。

作者簡介:張殿文，中油遼河工程有限公司(原遼河油田設計院)，高級工程師，現從事石油化工自動化工程設計及技術管理工作。
        陳平，中油遼河工程有限公司(原遼河油田設計院)，助理工程師，現從事石油化工自動化工程設計工作。
        秦芳晨，中油遼河工程有限公司(原遼河油田設計院)，工程師，現從事石油化工自動化工程設計工作。

From: zhangdw2002 <zhangdw2002@sina.com>