1．概述
    在油田礦區供熱系統中，生產(chǎn)廠(chǎng)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(diǎn)多、熱損失大的特點(diǎn)。給供熱系統的操作及生產(chǎn)管理帶來(lái)許多困難。供熱站采用遠程測控終端（RTU）技術(shù)后，與中心鍋爐房的DCS構成一套SCADA系統。其功能是通過(guò)中心站全面了解整個(gè)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(tài)，幫助工作人員選擇合適的運行方式，進(jìn)行優(yōu)化生產(chǎn)和運行，實(shí)現過(guò)程檢測和控制及生產(chǎn)管理自動(dòng)化。取得了明顯的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

2．系統描述
    集中供熱已經(jīng)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(huán)境、實(shí)現城市現代化的重要措施。遼河油田近兩年來(lái)在礦區供熱系統經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)改造，進(jìn)行了熱電廠(chǎng)擴建和油改煤工程，使中心地區和部分外圍地區實(shí)現了集中供熱。但由于供熱地域大、用戶(hù)比較分散，造成了熱力點(diǎn)多且相距較遠,給供熱過(guò)程參數檢測和控制及管理帶來(lái)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(shù) ，很好解決了這一難題，保證區域供熱在安全、合理、經(jīng)濟的條件下運行。集中供熱工程采用了SCADA系統，整個(gè)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(guò)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(chǎng)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(wǎng)的供水溫度，調節一次網(wǎng)流量，進(jìn)而控制二次網(wǎng)的供熱量。但是，從溫度調節的基本關(guān)系式可知，只有當二次網(wǎng)的循環(huán)流量是設定流量時(shí)，二次網(wǎng)的供水才是室外氣溫（亦即熱負荷）的單值函數，此時(shí)調節二次網(wǎng)的熱水溫度相當于調節了二次網(wǎng)的供熱量。由于存在冷熱不均的失調現象，要保證二次網(wǎng)流量按設計條件運行是很困難的，供熱系統二次網(wǎng)的流量是在大流量的工況下運行的，此時(shí)按照二次網(wǎng)的供水溫度進(jìn)行自動(dòng)調節，二次網(wǎng)必然是過(guò)熱的，將造成熱能的浪費。
    在沒(méi)有實(shí)現自動(dòng)調節的狀態(tài)下，變頻調節普遍存在工況失調現象，導致熱用戶(hù)冷熱不均。為了滿(mǎn)足冷偏用戶(hù)的供熱要求，不斷地提高系統的供水溫度，實(shí)際上是提高了各用戶(hù)的平均溫度，很顯然，這種措施本質(zhì)上是靠增加熱源總供熱量來(lái)改善供熱效果的，實(shí)際上并沒(méi)有縮小最熱用戶(hù)與最冷用戶(hù)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(gè)熱力站一次網(wǎng)供水閥門(mén)，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(wǎng)的調節與熱源的調節，分為兩個(gè)獨立環(huán)節分別單獨進(jìn)行，相互之間基本互不干擾。外網(wǎng)調節的目標是實(shí)現均勻化供熱，而總的供熱效果則通過(guò)對熱源的調節來(lái)實(shí)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(jìn)行調節。利用氣象預測和歷年氣象統計資料進(jìn)行計算，繪制出溫度調節特性曲線(xiàn)指導供熱，當熱源的供熱量和外網(wǎng)的需熱量不一致時(shí)，依靠自動(dòng)調節系統來(lái)維持供熱的均勻性。
    按上述的調節方法進(jìn)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(wǎng)溫度設定值控制二次網(wǎng)的供、回水平均溫度，就能實(shí)現供熱量調節，既實(shí)用又方便。
    熱網(wǎng)的運行狀態(tài)總是會(huì )有一些變化，例如，在不同的月份可能供水溫度不同，熱源發(fā)生故障時(shí)可能會(huì )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(dòng)調節熱網(wǎng)的運行狀態(tài)使之適應新的變化，而不需對控制系統作任何調整。隨著(zhù)室外環(huán)境溫度的變化，為保證供熱效果，熱源需進(jìn)行統一調節。這時(shí)，可以隨室外環(huán)境溫度降低而升高供水溫度，也可提高總的出水流量，無(wú)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(huì )改變其均勻性。只有當個(gè)別熱力站二次管網(wǎng)發(fā)生變化，新增添或關(guān)閉一些用戶(hù)，管網(wǎng)做某種調節和轉換時(shí)，才需地對相應熱力站及相鄰幾個(gè)熱力站的供水閥門(mén)進(jìn)行調節。
3．2熱力站RTU控制原理
    系統采用中央控制，即通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )將各熱力站的RTU連在一起。中央控制系統是在全網(wǎng)統一監測系統的基礎上，以各熱力站二次網(wǎng)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(wǎng)供回水溫度，計算全網(wǎng)調節均勻后的供、回水平均溫度值，并將此值發(fā)送到各熱力站RTU作為設定值進(jìn)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(wǎng)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(huì )導致系統振蕩。
    只有二次網(wǎng)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(wǎng)的循環(huán)流量大小沒(méi)有關(guān)系。也就是說(shuō)，不管二次網(wǎng)循環(huán)流量的大小如何，只要二次網(wǎng)的供回水平均溫度一定，二次網(wǎng)的供熱量就一定。因此適合我國國情的二次網(wǎng)的供熱量的調節，應該是二次網(wǎng)的平均溫度，而不是二次網(wǎng)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(gè)熱力站的二次網(wǎng)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(fā)出的命令，圍繞本站的二次網(wǎng)供、回水溫度的設定值，采用PID算法進(jìn)行自動(dòng)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(wǎng)的回水溫度是一個(gè)非常重要的指標，RTU通過(guò)現場(chǎng)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(hù)的整體耗熱情況。若為了保證冷偏用戶(hù)達到要求而以二次網(wǎng)的回水溫度來(lái)調節，則會(huì )造成過(guò)熱用戶(hù)的浪費和熱源不足。另外各熱力站所帶的供熱面積不會(huì )經(jīng)常改變，并且各建筑物的負荷主要由室外環(huán)境溫度所決定。因此，隨室外環(huán)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(mén)動(dòng)作的頻繁程度較低，這樣系統可以長(cháng)期穩定運行。
遠程自動(dòng)：中控室協(xié)調控制，將二次網(wǎng)供回水溫度平均設定值發(fā)往各熱力站，進(jìn)行全網(wǎng)平衡調節。在熱源不足時(shí)，實(shí)現熱量均攤。
遠程手動(dòng)：特殊情況下，在監控中心計算機上直接對某一熱力站閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行調節，控制閥門(mén)的開(kāi)度。
就地自動(dòng)：在熱源充足的情況下，各站現場(chǎng)控制機根據本站供回水溫度平均設定值，就地調節閥門(mén)，保證溫度恒定。
就地手動(dòng)：當通訊系統或本站現場(chǎng)控制機出現故障時(shí)，由人工手動(dòng)調節閥門(mén)。

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(tài)軟件構成。系統大致分為中控室的服務(wù)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(wǎng)絡(luò )系統和一次測控儀表。熱力站監控系統由RTU、一次測量?jì)x表電動(dòng)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(wù)。各RTU之間、RTU與中控室之間相互協(xié)調工作，實(shí)現整個(gè)熱網(wǎng)監控系統的各項功能。
4．2中控室任務(wù)
    中控室通過(guò)通訊系統采集現場(chǎng)熱力站的RTU上傳數據，并將這些參數進(jìn)行在線(xiàn)存儲、處理分析、報表打印，并根據運行工況將調度命令下發(fā)給RTU，完成對整個(gè)熱網(wǎng)的優(yōu)化調度。根據用戶(hù)的熱力需求分配熱網(wǎng)內各熱力站所需熱量，同時(shí)確定其運行方式，平衡全網(wǎng)的供熱需求，保證區域供熱在安全、合理、經(jīng)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(yè)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(tài)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(jìn)行通訊軟件和其它管理軟件的開(kāi)發(fā)。
組態(tài)軟件Espider（開(kāi)發(fā)\運行版）：運用組態(tài)軟件，用戶(hù)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(huà)面、控制畫(huà)面，在任何需要的時(shí)候把現場(chǎng)的信息實(shí)時(shí)地傳送到中控室，并實(shí)時(shí)地把控制命令發(fā)送到現場(chǎng)RTU保證信息在全網(wǎng)范圍內的暢通。
監控系統軟件可根據用戶(hù)的技術(shù)要求實(shí)現以下功能：
1、 控制和算法組態(tài)
控制和算法組態(tài)在RTU中完成，RTU支持梯形圖、標準C兩種編程語(yǔ)言，梯形圖組態(tài)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(huà)面組態(tài)
圖形畫(huà)面組態(tài)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(dòng)態(tài)顯示方式。
3、 實(shí)時(shí)數據庫組態(tài)
用來(lái)定義各個(gè)數據點(diǎn)，進(jìn)行信號采集與轉換、報警設置、顯示、集中數據管理等任務(wù)。實(shí)時(shí)采集各熱力站一次網(wǎng)、二次網(wǎng)的運行數據，包括供回水溫度、供回水壓力、補水流量、閥門(mén)開(kāi)度、水箱水位、巡檢記錄、防盜報警、循環(huán)泵和補水泵啟停狀態(tài)及等參數。建立數據庫，對各熱力站實(shí)時(shí)參數進(jìn)行采集儲存，實(shí)現歷史數據查詢(xún)，曲線(xiàn)顯示，并可生成各種趨勢圖。
4、 歷史數據庫組態(tài)
可方便地定義需保留的工位點(diǎn)、中間量點(diǎn)、采樣間隔以及保留時(shí)間長(cháng)度等。
5、 實(shí)時(shí)及歷史趨勢分析
系統提供了靈活的分析畫(huà)面，可以根據需要對系統數據點(diǎn)進(jìn)行準確的趨勢分析。
6、 過(guò)程報警、打印及存儲
多種報警級別，可按物理位置或類(lèi)型查詢(xún)報警信息，采用多媒體技術(shù)報警，在線(xiàn)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(mén)等）測量值超出給定范圍或某一設備發(fā)生故障時(shí)，可以聲光形式報警。各種故障能及時(shí)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(jìn)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?？梢噪S機打印、定時(shí)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(tài)和維護清單等?？梢跃哂衅聊豢截惞δ?，將屏幕上所顯示的流程圖和曲線(xiàn)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(shuō)的雙機熱備功能），其構造思想是主機和從機
通過(guò)TCP、IP網(wǎng)絡(luò )連接。正常情況下，主機處于工作狀態(tài)，從機處于監視狀態(tài)，一旦從機發(fā)現主機異常，從機將會(huì )代替主機，進(jìn)行實(shí)時(shí)監控并保存歷史數據。當主機修復重新啟動(dòng)后，從機檢測到主機的恢復，就會(huì )自動(dòng)將主機丟失的歷史數據拷貝給主機，同時(shí)從機將重新回到監視狀態(tài)。這樣，即使是發(fā)生了機器故障，系統也能保存一個(gè)完整的數據庫。冗余功能的實(shí)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(guò)掃描儀、專(zhuān)業(yè)制圖軟件，把熱電整個(gè)管網(wǎng)地理分布圖掃描進(jìn)計算機，此圖可心任意放大、縮小、移動(dòng)，按地理位置點(diǎn)擊熱力站圖標，可以切換到該站的動(dòng)態(tài)立體管網(wǎng)平面圖，顯示所有參數，圖文并茂，直觀(guān)方便。
10、能源計量管理功能
工作站可以根據現場(chǎng)控制單元的測量參數對一些能耗、水耗參數等進(jìn)行計量和累計，計算出其平均值和累計值，計量時(shí)間可以為時(shí)、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(fā)送至相應的現場(chǎng)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(huán)水泵、補水泵及電動(dòng)調節閥的遠程控制。
12、網(wǎng)絡(luò )功能
運行在基于EtherNet網(wǎng)絡(luò )結構和TCP、IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的網(wǎng)上，可實(shí)現廠(chǎng)級聯(lián)網(wǎng)，TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)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(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行通信的能力。監控中心計算機作為采集數據的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，其它站點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)機共離服務(wù)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(chǎn)品適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合的參數監測及控制系統的自動(dòng)化。它強大的軟硬件功能使其無(wú)論是獨立運行還是連成網(wǎng)絡(luò )均能實(shí)現復雜系統的控制。在RTU領(lǐng)域其性能價(jià)格比最高。
    其出色表現在以下幾個(gè)方面：配置合理，具有很強的現場(chǎng)適應能力；強大的軟件功能，可以滿(mǎn)足各種靈活控制、復雜運算的要求；具有RTU和PLC的雙重優(yōu)勢，應用靈活；靈活的通訊方式，標準的通訊協(xié)議，可方便的組成各種復雜系統；現場(chǎng)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(yè)標準設計，能夠工作于各種惡劣環(huán)境；充分的可靠性設計，嚴格的質(zhì)量檢驗，為用戶(hù)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(dòng)控制、參數存儲、實(shí)時(shí)通訊、故障報警等功能?？瑟毩⑼瓿杀镜乜刂?，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(huán)泵和補水泵的啟停狀態(tài)、報警參數、巡檢記錄及補水流量上傳監控中心。
遠動(dòng)控制：接受監控中心的命令和設定參數，控制一次網(wǎng)電動(dòng)調節閥的開(kāi)度，實(shí)現調節過(guò)程；對補水泵和循環(huán)水泵進(jìn)行啟?？刂?。
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(wú)線(xiàn)通訊和有線(xiàn)通訊兩種工作形式。
1． 無(wú)線(xiàn)通訊方式
無(wú)線(xiàn)電臺通訊，采用進(jìn)口原裝的數傳電臺進(jìn)行信號傳輸，內置9600bps modem，功率為5W，含電源、天線(xiàn)和饋線(xiàn)。選用高增益天線(xiàn)，頻率范圍：220-240MHz。
GPRS DTU  測控終端DTU的數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)往指定數據中心，數據中心在收到DTU的數據后，進(jìn)行協(xié)議轉換還原用戶(hù)數據，同時(shí)對DTU進(jìn)行管理。實(shí)現數據的雙向流動(dòng)。
2、有線(xiàn)通訊方式
普通市話(huà)網(wǎng)：需要撥號，速度較慢，價(jià)格較低。
綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)ISDN：需要撥號，速度較快，價(jià)格較高。
X.25分組數據網(wǎng)：不需撥號，價(jià)格適中。
敷設專(zhuān)線(xiàn)：一次性投資，工作量大，速度快。
本工程采用有線(xiàn)通訊方式，在每站設置一個(gè)Modem，在中控室設置多通路接口Modem。
5．4現場(chǎng)一次設備
熱力站現場(chǎng)一次設備主要包括：電動(dòng)調節閥220VAC電源，4－20mA輸出，具有上下限限位保護，過(guò)流保護等功能。伐體選用雙座調節閥，線(xiàn)性度好（也可選用偏心碟閥）。閥門(mén)特性選擇時(shí)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(jìn)口組裝的壓力變送器，24VDC電源，4－20mA輸出。其它設備選擇類(lèi)似。

作者簡(jiǎn)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(dòng)化工程設計及技術(shù)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(dòng)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(dòng)化工程設計工作。

From: zhangdw2002 <zhangdw2002@sina.com>