作者簡(jiǎn)介：魏欽志（1982-）男，黑龍江哈爾濱人，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)與應用專(zhuān)業(yè)，現任北京三維力控科技有限公司沈陽(yáng)分公司負責人，負責力控系統產(chǎn)品在東北區域的營(yíng)銷(xiāo)與管理工作。

    摘要：介紹了基于力控Forcecontrol 軟件平臺的熱網(wǎng)SCADA 系統設計，簡(jiǎn)要的講述了力控熱網(wǎng)版的基本功能、特點(diǎn)、主要技術(shù)及節能效果。為提高我國的工業(yè)自動(dòng)化系統制造、裝備水平提供解決方案，縮短自動(dòng)化系統與國外同類(lèi)產(chǎn)品的差距。

    關(guān)鍵詞： 力控Forcecontrol；力控熱網(wǎng)版SCADA

    1 行業(yè)背景

    1.1行業(yè)背景

    隨著(zhù)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(shù)對熱網(wǎng)行業(yè)的影響也越來(lái)越大。從前的供熱公司都是國營(yíng)，受到供熱成本高、資源浪費、收費困難等因素影響，供熱企業(yè)虧的多，賺的少，大多靠政府補貼生存。而隨著(zhù)各地供熱企業(yè)的改制力度加大，資源進(jìn)行了合理分配，各供熱企業(yè)紛紛扭虧為盈。與此同時(shí)，無(wú)人值守換熱站自動(dòng)化改造的不斷進(jìn)行、企業(yè)信息化的逐步實(shí)施，如何節能減排，成為供熱企業(yè)最關(guān)注的話(huà)題。

    在集中供熱系統中，采暖熱水由水力管網(wǎng)輸送到各個(gè)換熱站，再由換熱站換熱后，把熱能輸送到各個(gè)熱用戶(hù)。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(yōu)越性的充分發(fā)揮。主要反映在：缺少全面的參數測量手段，無(wú)法對運行工況進(jìn)行系統的分析判斷；系統運行工況失調難以消除，造成用戶(hù)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(shí)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(shù)水平。一是要提高供熱系統的自動(dòng)化控制水平，另一方面要提高供熱行業(yè)的管理水平。供熱工程中的自動(dòng)控制對于保證供熱系統優(yōu)質(zhì)供熱、安全運行、經(jīng)濟節能、環(huán)境保護具有十分重要的作用。

    1.2 技術(shù)的發(fā)展概況

    軟件是供熱生產(chǎn)過(guò)程控制系統的核心與靈魂，自動(dòng)化系統沒(méi)有軟件做支持就變成了一堆廢銅爛鐵。歐美日各國的生產(chǎn)過(guò)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(yōu)秀、強大的軟件支撐，我國在這方面和世界先進(jìn)水平還有相當的差距。近年來(lái)產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展出現了一種趨勢，那就是軟件，尤其是上位軟件在一個(gè)自動(dòng)化供熱系統中所占比例在逐漸上升。

    因此發(fā)展供熱軟件，尤其是以監控組態(tài)軟件為核心的自動(dòng)化軟件，對于提高我國的工業(yè)自動(dòng)化系統制造、裝備水平具有非常大的帶動(dòng)力量，對于縮短自動(dòng)化系統與國外同類(lèi)產(chǎn)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(lái)的供熱管理系統中，有人值守的高污染鍋爐房，會(huì )逐漸被無(wú)人值守的自動(dòng)化換熱網(wǎng)所取代。原因是工廠(chǎng)從觀(guān)念上越來(lái)越重視生產(chǎn)管理，而且在企業(yè)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(huì )從根本上改變我國供熱企業(yè)自動(dòng)化系統制造、裝備水平的落后局面，針對自己實(shí)際需求，最大限度地發(fā)揮產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，以此來(lái)整合工業(yè)自動(dòng)化系統硬件廠(chǎng)商，形成具有國際競爭力的自動(dòng)化系統產(chǎn)業(yè)集團，帶動(dòng)相關(guān)國內行業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品從整體上趕超過(guò)國際先進(jìn)水平。

    2 設計原則

    熱網(wǎng)監控系統(Monitoring System of Heating Network，簡(jiǎn)稱(chēng)MSHN)采用全分布式體系結構，基于Microsoft VStudio.NET開(kāi)發(fā)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(wǎng)監控系統軟件采用分布式實(shí)時(shí)數據庫設計技術(shù)、軟總線(xiàn)技術(shù)、調度模型技術(shù)、異種數據庫互聯(lián)技術(shù)、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(yōu)化技術(shù)、構件安全可靠性技術(shù)、實(shí)時(shí)智能技術(shù)、加固的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )技術(shù)來(lái)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(xié)同工作，并向外提供服務(wù)功能。

    （1）高可靠性、經(jīng)濟性、易維護、易操作的原則，滿(mǎn)足熱網(wǎng)現狀。
    （2）系統開(kāi)放性強,兼容性強，監控中心軟件選用熱網(wǎng)專(zhuān)用軟件，保證與RTU的通用性及通訊協(xié)議的開(kāi)放性。
    （3）設計條件嚴格依據國家的相關(guān)標準，參考《城市熱力網(wǎng)設計規范CJJ34-2002》技術(shù)內容以及具體的技術(shù)方案如下。

    2.1基于.net+XML框架

    熱網(wǎng)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(gè)組件構成，每個(gè)核心功能組件都采用獨立進(jìn)程形式，可以同時(shí)運行在同一節點(diǎn)機，也可以分別運行在不同節點(diǎn)機上。這樣能夠最大程度地滿(mǎn)足不同工程應用的需求。

    利用XML+.net的框架技術(shù)優(yōu)勢，支持不同應用構件的在線(xiàn)插拔，提高系統的可靠性和軟件代碼的可復用性。比如在線(xiàn)修改組態(tài)、遠程系統維護等功能，現在實(shí)現起來(lái)就非常容易了。

    2.2高性能、高壓縮比的實(shí)時(shí)/歷史數據庫

    力控企業(yè)級實(shí)時(shí)歷史數據庫pSpace是一個(gè)高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性強、跨平臺的開(kāi)放式實(shí)時(shí)歷史數據庫系統。產(chǎn)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(yè)級信息系統客戶(hù)端應用和工具；大容量支持企業(yè)級應用，內部實(shí)現高數據壓縮率，可實(shí)現歷史數據的海量存儲，靈活的擴展結構可滿(mǎn)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(guān)系數據庫的雙向ODBC訪(fǎng)問(wèn)方式支持外，在Excel或其他第三方軟件中隨意引用熱網(wǎng)監控系統軟件任意時(shí)刻的歷史數據，或者批量引用歷史數據。另外，熱網(wǎng)監控系統軟件還增加了對PI、PHD、Infoplus的支持。為了實(shí)施先進(jìn)控制建模、統計分析，熱網(wǎng)監控系統軟件必須提供快速的實(shí)時(shí)、歷史數據訪(fǎng)問(wèn)接口，建模工具、分析統計工具可以批量、快速讀取實(shí)時(shí)和歷史數據，同時(shí)將控制輸出送給熱網(wǎng)監控系統軟件。

    2.4提供對通訊協(xié)議轉發(fā)的支持

    通訊服務(wù)器與力控各種系列信息化產(chǎn)品組合配套應用，也可以單獨運行，與人機界面、實(shí)時(shí)數據庫構成分布式結構，支持后臺服務(wù)模式。

    支持通過(guò)RS232、RS422、RS485、電臺、電話(huà)輪巡撥號、以太網(wǎng)、移動(dòng)GPRS、CDMA、GSM、zigbee網(wǎng)絡(luò )等方式和遠程現場(chǎng)設備進(jìn)行通訊。
    內置軟件看門(mén)狗，支持控制設備與網(wǎng)絡(luò )冗余和負載均衡，支持斷線(xiàn)緩存與遠程歷史數據傳輸。
    支持遠程配置，提供對外開(kāi)放接口，可獲取設備配置及鏈路與設備狀態(tài)信息等。
    支持多種協(xié)議的設備掛在一條通訊鏈路上與力控進(jìn)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(lái)進(jìn)行通訊，支持以串口、網(wǎng)絡(luò )、MODEM、GPRS、CDMA等方式將數據主動(dòng)上傳及轉發(fā)。
    提供標準的開(kāi)放接口，第三方開(kāi)發(fā)工具（如：VC++、VB等）可以通過(guò)接口訪(fǎng)問(wèn)設備的參數、網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)、通訊配置參數等。

    2.5改進(jìn)的調度模型技術(shù)

    熱網(wǎng)監控系統軟件屬于實(shí)時(shí)應用系統，并發(fā)任務(wù)出現的時(shí)刻和數量不可預計，如在數據越限報警、設備狀態(tài)報警、幾千乃至幾萬(wàn)點(diǎn)數據的同時(shí)采集、控制命令的回寫(xiě)、歷史數據存儲與檢索等。調度模型技術(shù)保證這些并發(fā)任務(wù)一個(gè)不漏地，按照緊急程度和發(fā)生時(shí)間的先后準確、無(wú)誤地執行。

    2.6動(dòng)態(tài)界面

    動(dòng)態(tài)模擬顯示現場(chǎng)設備的運行狀態(tài)，采用2D技術(shù)表示運行參數及系統流程，采用3D動(dòng)畫(huà)技術(shù)使系統流程圖更加逼真。將換熱站的各組態(tài)生成精靈圖庫，如鍋爐，上煤除渣設備，風(fēng)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(mén)，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(wǎng)絡(luò )

    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(shí)掌握熱源、熱網(wǎng)、熱力站甚至于熱用戶(hù)的運行狀況，為進(jìn)一步的數據挖掘、系統辨識、優(yōu)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(gè)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(cháng)的一段時(shí)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(guò)對歷史數據的聚類(lèi)分析，得到最佳的經(jīng)濟運行工況，從而直接指導鍋爐的經(jīng)濟運行。

    2.9熱網(wǎng)的經(jīng)濟節能

    供熱網(wǎng)絡(luò )承擔著(zhù)輸送用戶(hù)所需能量的任務(wù)，而且輸送能量所消耗的電量也是巨大的。熱力網(wǎng)實(shí)現最經(jīng)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(yōu)化分析軟件根據用戶(hù)所需的熱量，為熱力網(wǎng)絡(luò )的熱力輸送提供最佳的優(yōu)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(gè)熱網(wǎng)運行過(guò)程的操作和監視，計算累積熱量、累積流量、瞬時(shí)熱量、瞬時(shí)流量等數據。

    3.1標準畫(huà)面顯示

    標準畫(huà)面為2D畫(huà)面，可以根據需要進(jìn)行3D轉換。

    工藝流程圖：以動(dòng)態(tài)的方式對采集信息的實(shí)時(shí)顯示　　采集的參數如換熱站的動(dòng)畫(huà)（以程序繪畫(huà)方式）模擬顯示，實(shí)時(shí)獲取各子站數據，并依據獲取的溫度、壓力等數據，采用動(dòng)畫(huà)模擬的方式，直觀(guān)反映整個(gè)熱網(wǎng)的當前狀態(tài)。

                 

                                    圖1 工藝流程圖

    3.2 趨勢顯示

    趨勢顯示可用整幅畫(huà)面顯示, 也可在任何其它畫(huà)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(huà)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(hù)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(guò)程點(diǎn)均可以記錄。

                  

                                    圖3 系統日志顯示畫(huà)面

                 

                                 圖4 實(shí)時(shí)報警窗口

    實(shí)時(shí)報警記錄：記錄整個(gè)熱網(wǎng)運行過(guò)程中產(chǎn)生的報警記錄由運行人員進(jìn)行操作確認。

                

                                     圖5 歷史報警查詢(xún)畫(huà)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(jìn)行設定時(shí)間查詢(xún)以便分析報警時(shí)間及具體原因。均可由打印機打印出來(lái)。

    3.5數據報表

    對于采集來(lái)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(jìn)行日報、月報、季報、年報的生成，對數據存儲的時(shí)間范圍、間隔、起始時(shí)間可進(jìn)行任意指定，并可以根據存儲的時(shí)間進(jìn)行查詢(xún)歷史數據。

                

                             圖6 換熱站歷史報表查詢(xún)畫(huà)面

    （2） 多功能報表　　可以任意設置報表格式，實(shí)現各種運算、數據轉換、統計分析、報表打印等。既可以制作實(shí)時(shí)報表，也可以制作歷史報表?？梢栽趫蟊砩贤瑫r(shí)顯示實(shí)時(shí)數據和任意時(shí)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(huà)面

    3.6鍋爐經(jīng)濟運行模塊

    通過(guò)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(jià)。

               

                               圖8 鍋爐運行的經(jīng)濟效率

    3.7水壓圖模塊

    通過(guò)分析熱網(wǎng)的運行數據，繪制枝狀網(wǎng)、環(huán)狀網(wǎng)在多熱源或單熱源時(shí)的熱網(wǎng)水壓圖。

                    

                          圖9熱網(wǎng)絡(luò )的水壓圖

    3.8熱網(wǎng)優(yōu)化調度運行模塊

    根據辨識得到的熱網(wǎng)水力工況及其特性，為熱網(wǎng)運行提出優(yōu)化調度運行方案。

                

                                   圖10 熱網(wǎng)優(yōu)化運行曲線(xiàn)

    3.9其它功能模塊

    （1）在熱網(wǎng)調整初期或者維護階段，可以遠方手動(dòng)控制閥門(mén)開(kāi)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(dòng)下發(fā)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(shí)現科學(xué)預測

    針對熱網(wǎng)供熱具有很強的非線(xiàn)性、大滯后、時(shí)變性和不確定性，系統根據熱網(wǎng)溫度、流量參數結合熱網(wǎng)時(shí)滯、慣性、室外溫度變化等因素，通過(guò)算法模型預測調節方案。

    根據當前一級網(wǎng)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(lái)24小時(shí)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(jìn)行統計分析后，經(jīng)過(guò)研發(fā)的分析評價(jià)系統自動(dòng)完成。

    另外，以熱網(wǎng)分析為基礎建立動(dòng)態(tài)水壓圖。從而對調節方案的合理性進(jìn)行評估，以保證熱網(wǎng)的穩定運行，模擬出初、中、高不同時(shí)期的運行工況，并對熱網(wǎng)的供熱能力進(jìn)行評估，以保證熱網(wǎng)的安全運行；分析熱用戶(hù)負荷變化，預測對其他熱用戶(hù)或熱源的影響；分析熱源參數，預測熱用戶(hù)的熱耗是否滿(mǎn)足要求。增加熱負荷，管網(wǎng)輸送能力是否足夠。如何調整設備，泵、閥門(mén)對熱網(wǎng)運行的影響。干管上閥門(mén)對相關(guān)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(shí)現科學(xué)分析

    通過(guò)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(shí)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調控熱源的熱量并且兼顧調節一次網(wǎng)和二次網(wǎng)各環(huán)路的平衡，實(shí)現整個(gè)熱網(wǎng)平衡和供熱效果穩定；并在此基礎上，依據環(huán)境溫度及部分熱用戶(hù)的實(shí)際供熱效果對熱源供熱量進(jìn)行預報規劃和運行中的實(shí)時(shí)調節，達到經(jīng)濟運行的目標。

    供熱運行指揮中心可以進(jìn)行在線(xiàn)診斷報警。通過(guò)對傳送來(lái)的實(shí)時(shí)數據，對數據的正確性和完整性進(jìn)行檢查，當異?；虺鐣r(shí)，發(fā)出相關(guān)報警信息。通過(guò)歷史數據和實(shí)時(shí)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(jià)，必將為科學(xué)供熱提供有利保證，為實(shí)現企業(yè)的穩步發(fā)展，創(chuàng )建節能型社會(huì )發(fā)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(yè)管理外圍物業(yè)公司27座換熱站（供熱面積642萬(wàn)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(wàn)平方米）；6座燃油鍋爐房（供熱面積90萬(wàn)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(jià)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(dòng)控制方案的實(shí)施下，一方面減小了管網(wǎng)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(cháng)時(shí)間超越用戶(hù)需求供熱時(shí)，可通過(guò)減小流量的方式降低一次能源的消耗。

    在自動(dòng)控制方案的實(shí)施下，對一次網(wǎng)電動(dòng)調節、換熱站水泵實(shí)現了最合理、最及時(shí)的調節，從而避免了人工調節在時(shí)間上的滯后性和對經(jīng)驗的依賴(lài)性，因此可以保證用戶(hù)在舒適性的基礎上節省熱費10％以上。

    在自動(dòng)控制方案的實(shí)施下，煤?jiǎn)魏闹笜丝山档偷?5.0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?jiǎn)蝺r(jià)200元/噸計算，可節省費用120.2萬(wàn)、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(lái)進(jìn)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(jìn)行自動(dòng)控制，通過(guò)改變電動(dòng)機的電流頻率，實(shí)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(shí)現精度很高的運行。變頻控制的節能還表現在消除了電動(dòng)機啟動(dòng)過(guò)程中的大電流，對延長(cháng)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(guò)減小電機轉速來(lái)降低水泵的揚程和流量。管網(wǎng)最小流量，即水泵可減小到的最小流量，取決于二次網(wǎng)管網(wǎng)水平失調的情況。根據大慶物業(yè)公司的現狀，可減少平米泵耗20％以上。

    另一方面，可通過(guò)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(wàn)度，節電56.8萬(wàn)度，按電單價(jià)0.654元/度計算，可節省購電費用37.1萬(wàn)元人民幣以上。

    合計節省購電費用和購煤費用為157.3萬(wàn)元人民幣以上。

    另外，由于新增自動(dòng)控制設施，換熱站最終可達到無(wú)人值守，若以減少30人工計算，每年可節省人工費用30萬(wàn)元。