《自动化博览》

    摘要：将SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统应用于集中供热，每个换热站设置1套控制器、数据采集器及测量仪表，由监控中心对整个供热系统进行远程自动化控制，可以解决整个供热系统热量分配不均等问题。本文根据呼伦贝尔市自动化信息化工程的实践，介绍了采用美国Wonderware System Platform平台软件，对城市供热调度管理SCADA系统的方案进行设计，并给出了其应用效果。

    关键词：城市供热；SCADA系统

   1 引言

   随着设备制造业的发展，设备的功能越来越多，其自身的结构、组成愈加复杂，因而发生故障的原因也随之复杂。与此同时，设备制造商的产品分布在全国各地，当设备出现故障时，制造商需要投入很大的人力和物力进行维护工作。小区热网换热站必然分布在城市的各个角落，单独的监测控制系统费时费力，只有形成规模的几种监测控制才能达到信息化、集约化的需求。因此，统一的信息集控系统成为热力公司的选择。这样的信息系统不但为设备企业增加综合竞争力，提升设备的附加产值，也为热力公司提供企业信息化的有力支持。^[1]

   因此，建立一套完整的设备远程服务系统，对于管理者或热力公司来说，有着重要的意义，其意义表现在：^[2]

   实时监控设备的工况参数，及时进行修正，避免造成更大的损失；

   降低维护成本，通过远程监控，就可以实现对设备的维护工作；

   通过网络向用户提供优质快速的服务，增强企业竞争力；

   增加产品附加值，提升产品竞争力。

   2 城市供热调度管理SCADA系统介绍

   供热输配SCADA系统是由RTU、有线通讯网（或无线通讯网）、SCADA操作员站组成。

   SCADA系统监控内容如下：

   (1) 生产调度通过实时采集热源锅炉的各种参数及锅炉的热负荷、出水温度、供水压力等；

   (2) 换热站的热水温度、压力、流量、热量、累计流量和累计热量及调压设备运行参数和控制参数；

   (3) 输配管网的热水流量的控制参数，动态自动控制和调节阀门设备的启停和运行，使输配管网上的热负荷保持在最佳平稳状态，提高企业的运营效益。^[3,4]

   管网管理主要实现输配管网信息管理，管网的新建、维护和改造。公司将综合生产调度、管网管理，结合公司的营业策略，进行科学合理的决策和宏观管理。

   供热系统分级控制与优化调度硬件模块分三层：远动系统、本地控制室、协调决策层。远动系统：通过传感设备采集数据发送给RTU，RTU经过分析发送指令给就地设备进行动作；本地控制室之间的信息传递通过局域网完成；协调决策层与本地控制室之间的信息传递是通过广域网完成。数据的传输有有线通讯和无线通讯两种。

   数据的传输方式有三种： 电话线（ 或I STN或P STN，DDN）、无线电波（GPRS、CDMA等）及光缆。用电话线传输数据很昂贵，如采用电话线传输数据，常将基地数据存储在本地，将它打包，在电话费较便宜时，传入中心计算机；供热系统中测点的信息常采用无线电波的形式发送，其安装和传输费用较低；电缆常用于近距离数据传输，其数据传输的安全性较高。随着公用数据网的蓬勃发展，利用公用传输线路完成数据传输，是发展的趋势。如ISDN、DDN等已在供热系统中被广泛采用。

   3 供热SCADA系统构架及软件模块

   呼伦贝尔市的供热调度SCADA系统的结构如图1：^[5]

                     
                         图1    呼伦贝尔市供热调度SCADA系统结构图

   此系统监控中心四个操作人员可对供热进行监控；办公网内的计算机通过正常的IE浏览器可浏览数据、报表、曲线等；数据库服务器采用冗余配置保证数据的不缺失；通讯前置机也采用冗余配置，采集原有调度中心的通讯前置机上数据，通过软件自动进行负荷的均衡分配。

    4 供热SCADA系统的主要功能

   整体功能描述：运行人员对整个热网运行过程的操作和监视，计算累积热量、累积流量、瞬时热量、瞬时流量等数据。

    以C/S架构形式，由操作员站、工程师站、数据库等组合成系统。操作员站是操作员对工艺流程监控、操作、历史数据查询、趋势曲线浏览、实时报警显示、历史报警查询等的操作平台。根据不同的操作员用户名和登录密码，对操作权限进行统一规划，限制执行操作员功能的权限。工程师站是软件工程师对软件修改、组态时使用，平时可以运行组态好的工程，作为一备用操作员站使用，完成操作站的功能；数据库服务器是存储历史数据的，采用磁盘阵列的计算机，数据库采用Cluster形式，冗余存储数据。根据业主方行政业务的需要，对二级、三级单位划分不同权限，管理不同区域的供热站，制定不同用户名和密码。当二级、三级单位登录时，软件自动根据分配的权限，对打开界面进行判断，允许权限内的界面打开。

   (1) 标准画面显示

   标准画面为2D画面，可以根据需要进行3D转换。

   工艺流程图：以动态的方式对采集信息的实时显示采集的参数如换热站的动画（以程序绘画方式）模拟显示，实时获取各子站数据，并依据获取的温度、压力、等数据，采用动画模拟的方式，直观反映整个热网的当前状态。

   全面显示每个热力站的一次网供和回水温度、一次网供和回水压力、一次网流量及供热量、二次网供和回水温度、二次网供水和回水压力、阀门开度、水泵开启状态，补水量等参数。调度人员也可以通过鼠标器选择需要显示的参数。通过图形显示出每个热力站出现的一次网供水超压和二次网补水过量等故障状态，并通过计算机给出声音报警。

   改变现场机的控制趋势，如改变二次供水温度曲线、压力报警远程设定、温度报警远程设定、远程停泵等。另外也可以按用户需要直接选定需要控制的某设备，改变循环泵差压值、改变补水泵压力设定值，自动或手动给出由人或计算机运行分析后得出的控制指令，让相应的现场控制机执行。这样，工作站不仅可以监视整个系统的运行情况，而且可以简单、迅速的调整设备运行状态。

    运行记录及报表、图形打印：工作站主机可以自动生成，打印多种多样的报表，包括各种运行记录的日报表，统计报表及设备的故障状态和维护清单等，报表的格式也可按照用户的要求进行设计。

    用户可以确认或重设报警，浏览报警的详细信息。主要报警点有系统断电报警，泵的故障报警，变频器的故障报警，软水箱水位高、低报警，一次网、二次网管路的超温、超压报警等。

    (2) 趋势显示

   趋势显示可用整幅画面显示, 也可在任何其它画面的某一部位, 用任意尺寸显示。所有模拟量信号及计算值均可设置为趋势显示。

    (3) 天气预报（如图2所示）
   
                   
                           图2  SCADA系统天气预报界面 

    (4) 记录及报表模块

    所有记录使用可编辑的标题, 而不是预先打印的形式。供方按用户指定的格式, 确定所有记录的标题。数据库中所具有的所有过程点均可以记录，如图3所示。
 
                   
                             图3   SCADA系统过程点信息查询

    (5) 实时报警记录

    记录整个热网运行过程中产生的报警记录由运行人员进行操作确认，如图4所示。
  
                 
                        图4   SCADA系统报警记录

    (6) 历史报警记录

    对所有出现的报警及报警恢复由管理人员进行设定时间查询以便分析报警时间及具体原因。均可由打印机打印出来。

    (7) 数据报表

    对于采集来的数据包括温度数据、压力数据等，形成数据报表；报表有以下几种：

    ① 历史报表

    历史报表能进行日报、月报、季报、年报的生成，对数据存储的时间范围、间隔、起始时间可进行任意指定，并可以根据存储的时间进行查询历史数据。

     ②多功能报表

    可以任意设置报表格式，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。可以在报表上同时显示实时数据和任意时刻的历史数据，并加以统计处理，例如取行平均、列平均，统计出最大最小值。

    5 呼伦贝尔市的供热调度SCADA系统的详细配置清单

    软件实施内容：每站点做最小4副界面，再有相应的趋势、报表、报警等。
      
                                  表1 软件配置
                    

                               表2 硬件配置  
           


   6 供热SCADA系统的应用效果

   (1) 供暖调节实现科学预测

    针对热网供热具有很强的非线性、大滞后、时变性和不确定性，系统根据热网温度、流量参数结合热网时滞、惯性、室外温度变化等因素，通过算法模型预测调节方案。

   根据当前一级网供水流量、供水温度、回水温度和室外温度结合运行调节方式，预测未来24小时室外温度变化情况和供热负荷走向，这些计算和预测都是对运行数据进行统计分析后，经过研发的分析评价系统自动完成。

   另外，以热网分析为基础建立动态水压图。从而对调节方案的合理性进行评估，以保证热网的稳定运行，模拟出初期、中期、高期运行的不同时期的运行工况，并对热网的供热能力进行评估，以保证热网的安全运行；分析热用户负荷变化，预测对其他热用户或热源的影响；分析热源参数，预测热用户的热耗是否满足要求。增加热负荷，管网输送能力是否足够。如何调整设备，泵、阀门对热网运行的影响。干管上阀门对相关区域供热效果的影响。分析供热垂直、水平失调，验证解决方案。

    (2) 运行效果实现科学分析

    通过建立科学供热控制模型，分析热网工况特性，保证热源负荷合理供给，同时保证热源与热网的良好匹配，科学分析供热效率，保证标准供热。

    供热运行指挥中心依据调控热源的热量并且兼顾调节一次网和二次网各环路的平衡，实现整个热网平衡和供热效果稳定；并在此基础上，依据环境温度及部分热用户的实际供热效果对热源供热量进行预报规划和运行中的实时调节，达到经济运行的目标。

    供热运行指挥中心可以进行在线诊断报警。通过对传送来的实时数据，对数据的正确性和完整性进行检查，当异常或超界时，发出相关报警信息。通过历史数据和实时数据的比较，分析是否存在泄漏，设备运行是否正常。

    供热运行状况的集中监测和分析评价，必将为科学供热提供有利保证，为实现企业的稳步发展，创建节能型社会发挥重要作用。

    参考文献：

    [1] 孙泉. 基于城市供水SCADA系统的管网泄漏检测及其定位研究[D]. 湖南大学. 2008

    [2] 牟兆泉. 基于SCADA原理的城市燃气管网安全监控系统的设计与实现[D],山东大学. 2006

    [3] 韩路跃. iFIX在城市供水SCADA系统的应用[J], 自动化与仪表. 2004.03

    [4] 刘清林. SCADA系统在城市供水调度系统中的应用[J], 电脑与信息技术.2003.06

   [5] 郝冉冉,宋永明,李颜强,赵自军. SCADA系统在城市燃气管网调度管理的应用[J], 煤气与热力. 2009.01

   李全忠（1974-）男，内蒙古呼伦贝尔人，工程师，现就职于呼伦贝尔市人才流动人事考试中心。

   柴景武（1973-）男，北京人，高级工程师，现就职于北京信博昂自动化科技有限公司。  

   摘自《自动化博览》2012年第一期