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    摘要：將SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)應(yīng)用于集中供熱，每個換熱站設(shè)置1套控制器、數(shù)據(jù)采集器及測量儀表，由監(jiān)控中心對整個供熱系統(tǒng)進行遠程自動化控制，可以解決整個供熱系統(tǒng)熱量分配不均等問題。本文根據(jù)呼倫貝爾市自動化信息化工程的實踐，介紹了采用美國Wonderware System Platform平臺軟件，對城市供熱調(diào)度管理SCADA系統(tǒng)的方案進行設(shè)計，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，設(shè)備制造商的產(chǎn)品分布在全國各地，當設(shè)備出現(xiàn)故障時，制造商需要投入很大的人力和物力進行維護工作。小區(qū)熱網(wǎng)換熱站必然分布在城市的各個角落，單獨的監(jiān)測控制系統(tǒng)費時費力，只有形成規(guī)模的幾種監(jiān)測控制才能達到信息化、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)增加綜合競爭力，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)備遠程服務(wù)系統(tǒng)，對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]

   實時監(jiān)控設(shè)備的工況參數(shù)，及時進行修正，避免造成更大的損失；

   降低維護成本，通過遠程監(jiān)控，就可以實現(xiàn)對設(shè)備的維護工作；

   通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供優(yōu)質(zhì)快速的服務(wù)，增強企業(yè)競爭力；

   增加產(chǎn)品附加值，提升產(chǎn)品競爭力。

   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)度通過實時采集熱源鍋爐的各種參數(shù)及鍋爐的熱負荷、出水溫度、供水壓力等；

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

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

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

   供熱系統(tǒng)分級控制與優(yōu)化調(diào)度硬件模塊分三層：遠動系統(tǒng)、本地控制室、協(xié)調(diào)決策層。遠動系統(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)備進行動作；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)，常將基地數(shù)據(jù)存儲在本地，將它打包，在電話費較便宜時，傳入中心計算機；供熱系統(tǒng)中測點的信息常采用無線電波的形式發(fā)送，其安裝和傳輸費用較低；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。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)控中心四個操作人員可對供熱進行監(jiān)控；辦公網(wǎng)內(nèi)的計算機通過正常的IE瀏覽器可瀏覽數(shù)據(jù)、報表、曲線等；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用冗余配置保證數(shù)據(jù)的不缺失；通訊前置機也采用冗余配置，采集原有調(diào)度中心的通訊前置機上數(shù)據(jù)，通過軟件自動進行負荷的均衡分配。

    4 供熱SCADA系統(tǒng)的主要功能

   整體功能描述：運行人員對整個熱網(wǎng)運行過程的操作和監(jiān)視，計算累積熱量、累積流量、瞬時熱量、瞬時流量等數(shù)據(jù)。

    以C/S架構(gòu)形式，由操作員站、工程師站、數(shù)據(jù)庫等組合成系統(tǒng)。操作員站是操作員對工藝流程監(jiān)控、操作、歷史數(shù)據(jù)查詢、趨勢曲線瀏覽、實時報警顯示、歷史報警查詢等的操作平臺。根據(jù)不同的操作員用戶名和登錄密碼，對操作權(quán)限進行統(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軟件修改、組態(tài)時使用，平時可以運行組態(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)庫服務(wù)器是存儲歷史數(shù)據(jù)的，采用磁盤陣列的計算機，數(shù)據(jù)庫采用Cluster形式，冗余存儲數(shù)據(jù)。根據(jù)業(yè)主方行政業(yè)務(wù)的需要，對二級、三級單位劃分不同權(quán)限，管理不同區(qū)域的供熱站，制定不同用戶名和密碼。當二級、三級單位登錄時，軟件自動根據(jù)分配的權(quán)限，對打開界面進行判斷，允許權(quán)限內(nèi)的界面打開。

   (1) 標準畫面顯示

   標準畫面為2D畫面，可以根據(jù)需要進行3D轉(zhuǎn)換。

   工藝流程圖：以動態(tài)的方式對采集信息的實時顯示采集的參數(shù)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(shù)據(jù)，并依據(jù)獲取的溫度、壓力、等數(shù)據(jù)，采用動畫模擬的方式，直觀反映整個熱網(wǎng)的當前狀態(tài)。

   全面顯示每個熱力站的一次網(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)，補水量等參數(shù)。調(diào)度人員也可以通過鼠標器選擇需要顯示的參數(shù)。通過圖形顯示出每個熱力站出現(xiàn)的一次網(wǎng)供水超壓和二次網(wǎng)補水過量等故障狀態(tài)，并通過計算機給出聲音報警。

   改變現(xiàn)場機的控制趨勢，如改變二次供水溫度曲線、壓力報警遠程設(shè)定、溫度報警遠程設(shè)定、遠程停泵等。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、改變補水泵壓力設(shè)定值，自動或手動給出由人或計算機運行分析后得出的控制指令，讓相應(yīng)的現(xiàn)場控制機執(zhí)行。這樣，工作站不僅可以監(jiān)視整個系統(tǒng)的運行情況，而且可以簡單、迅速的調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)。

    運行記錄及報表、圖形打印：工作站主機可以自動生成，打印多種多樣的報表，包括各種運行記錄的日報表，統(tǒng)計報表及設(shè)備的故障狀態(tài)和維護清單等，報表的格式也可按照用戶的要求進行設(shè)計。

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

    (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(shè)置為趨勢顯示。

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

    (4) 記錄及報表模塊

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

    (5) 實時報警記錄

    記錄整個熱網(wǎng)運行過程中產(chǎn)生的報警記錄由運行人員進行操作確認，如圖4所示。
  
                 
                        圖4   SCADA系統(tǒng)報警記錄

    (6) 歷史報警記錄

    對所有出現(xiàn)的報警及報警恢復(fù)由管理人員進行設(shè)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。

    (7) 數(shù)據(jù)報表

    對于采集來的數(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(shù)據(jù)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(jù)存儲的時間進行查詢歷史數(shù)據(jù)。

     ②多功能報表

    可以任意設(shè)置報表格式，實現(xiàn)各種運算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、統(tǒng)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(shù)據(jù)和任意時刻的歷史數(shù)據(jù)，并加以統(tǒng)計處理，例如取行平均、列平均，統(tǒng)計出最大最小值。

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

    軟件實施內(nèi)容：每站點做最小4副界面，再有相應(yīng)的趨勢、報表、報警等。
      
                                  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)實現(xiàn)科學(xué)預(yù)測

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

   根據(jù)當前一級網(wǎng)供水流量、供水溫度、回水溫度和室外溫度結(jié)合運行調(diào)節(jié)方式，預(yù)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(yù)測都是對運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后，經(jīng)過研發(fā)的分析評價系統(tǒng)自動完成。

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

    (2) 運行效果實現(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，保證熱源負荷合理供給，同時保證熱源與熱網(wǎng)的良好匹配，科學(xué)分析供熱效率，保證標準供熱。

    供熱運行指揮中心依據(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，實現(xiàn)整個熱網(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際供熱效果對熱源供熱量進行預(yù)報規(guī)劃和運行中的實時調(diào)節(jié)，達到經(jīng)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(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的正確性和完整性進行檢查，當異常或超界時，發(fā)出相關(guān)報警信息。通過歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的比較，分析是否存在泄漏，設(shè)備運行是否正常。

    供熱運行狀況的集中監(jiān)測和分析評價，必將為科學(xué)供熱提供有利保證，為實現(xiàn)企業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，創(chuàng)建節(jié)能型社會發(fā)揮重要作用。

    參考文獻：

    [1] 孫泉. 基于城市供水SCADA系統(tǒng)的管網(wǎng)泄漏檢測及其定位研究[D]. 湖南大學(xué). 2008

    [2] 牟兆泉. 基于SCADA原理的城市燃氣管網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D],山東大學(xué). 2006

    [3] 韓路躍. iFIX在城市供水SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用[J], 自動化與儀表. 2004.03

    [4] 劉清林. SCADA系統(tǒng)在城市供水調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用[J], 電腦與信息技術(shù).2003.06

   [5] 郝冉冉,宋永明,李顏強,趙自軍. SCADA系統(tǒng)在城市燃氣管網(wǎng)調(diào)度管理的應(yīng)用[J], 煤氣與熱力. 2009.01

   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人事考試中心。

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

   摘自《自動化博覽》2012年第一期