【摘要】通過(guò)IOTACS無(wú)人職守換熱站遠程控制系統的建設, 能極大地提高供熱企業(yè)的管理水平, 并通過(guò)換熱站的優(yōu)化節能控制運行策略, 為供熱企業(yè)節省大量的煤耗、電耗, 創(chuàng )造巨大的經(jīng)濟效益。
【關(guān)鍵詞】節能 無(wú)人職守換熱站 熱網(wǎng)監控 管網(wǎng)平衡 云計算 節電40% 節煤10%
【安裝單位】 煙臺東昌供熱有限責任公司
【安裝時(shí)間】 2012年
【換熱站數量】 50
前言
隨著(zhù)國民經(jīng)濟的不斷進(jìn)步和人民生活水平日益提高, 社會(huì )對環(huán)境的要求越來(lái)越高。近年來(lái)國家大力提倡城鎮集中供熱, 改變原來(lái)各單位、各片區自己供熱、單獨建立鍋爐房給城市帶來(lái)的污染, 由城市外圍的一個(gè)或者多個(gè)熱電廠(chǎng)提供熱源, 市內各片區建立換熱站,統一給用戶(hù)供熱。這樣就大大減少了燃煤對城市環(huán)境的污染, 同時(shí)也節省了能源, 所以可以說(shuō)這是一項即造福當代人民又造福后代子孫的偉大工程。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的日新月異, 尤其是計算機、通訊技術(shù)的迅速發(fā)展, 自動(dòng)控制水平也得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用, 尤其是在人們對供熱質(zhì)量的要求不斷提高和能源緊張的今天, 提高供熱質(zhì)量同時(shí)節約能源勢在必行。所以, 目前各地供熱公司新建換熱站大多都是無(wú)人值守換熱站, 同時(shí)對老的換熱站的改造也在向無(wú)人值守換熱站靠攏。
一、項目概況與需求:
煙臺東昌供熱公司原有一套PLC 監控系統,因監控系統現已故障,無(wú)法繼續使用。供熱公司欲建立新系統,恢復監控功能并加以改造升級。
1.1 工藝流程示意圖(圖一):
圖一
1.2 工藝設備及其監控需求:
1.3 公司調度和換熱站監控中心要求:
(1)各換熱站的數據通過(guò)移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò )平臺傳輸,采用雙向穩定的TCP 協(xié)議,把數據傳輸到云計算中心的有固定IP的服務(wù)器里。中心軟件平臺還可對各監測數據進(jìn)行分析、存儲、預警與管理,以及設備運維信息的建檔管理。
(2)在每個(gè)換熱站設立本站監測中心,監測界面以觸摸屏形式表達,畫(huà)面簡(jiǎn)單,方便工人操作。
(3)宏觀(guān)掌握供熱系統運行狀況、運行質(zhì)量。保證供熱系統的運行參數。對熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進(jìn)行全自動(dòng)調節, 解決各換熱站的耦合影響, 消除熱網(wǎng)水平失調, 平衡供熱效果。
(4)以節省總供熱量為目標, 在滿(mǎn)足熱網(wǎng)用戶(hù)基本采暖要求的前提下盡量減少總供熱量, 從而達到提高經(jīng)濟效益的目的。更好地進(jìn)行供熱系統設備的維護及管理。及時(shí)檢測報告供熱系統故障, 作到防微杜漸, 防患未然。
(5)為熱網(wǎng)如何經(jīng)濟高效運行提供分析基礎和分析依據。通過(guò)記錄的熱網(wǎng)運行歷史數據,在一個(gè)采暖期結束后與前期數據進(jìn)行比較分析, 查出主要能耗來(lái)源, 為今后的節能挖潛改造提供條件。
1.4現場(chǎng)數據采集的控制器要求:
1. 數據穩定可靠, 并不要求過(guò)高的采集頻率。
2. 有一定的分析計算能力, 例如計算瞬時(shí)流量、計算供回水壓差、溫差等。
3. 有一定數據存儲能力, 提供給遠程的上位機管理軟件。
4. 工作方式切換功能
5. 參數設定功能?山邮鼙O控中心的遠程參數設定, 也可接受現場(chǎng)觸摸屏的參數設定;
6. 溫度、壓力、流量信號的采集功能;
7. 通訊功能。內置通訊連接接口, 作為被叫方, 接受監控中心的訪(fǎng)問(wèn)命令、控制命令;
8. 連網(wǎng)全系統自動(dòng)控制功能。根據監控中心下載的局部控制目標參數實(shí)現自動(dòng)控制。采用專(zhuān)家PID 調節算法、滯后調節等算法, 調節換熱器的一次管網(wǎng)高溫水流量( 通過(guò)控制電動(dòng)調節閥實(shí)現) , 從而控制二次網(wǎng)的供/回水溫度;
9. 獨立自動(dòng)控制功能。根據運行人員通過(guò)現場(chǎng)觸摸屏設定的參數, 獨立完成控制任務(wù)。
10.手動(dòng)控制功能。運行人員通過(guò)對現場(chǎng)觸摸屏直接設定電動(dòng)調節閥開(kāi)度, 直接調整換熱站一次管網(wǎng)高溫水流量。
二、系統解決方案
2.1 總體設計思路
根據客戶(hù)需求和現場(chǎng)情況監控系統整體分為兩大部分:
2.1.1熱力公司遠程總監控中心
現場(chǎng)設備運行數據經(jīng)現場(chǎng)監控終端及其通訊端口,通過(guò)GPRS 發(fā)射器和GPRS 網(wǎng)絡(luò )平臺傳
輸到云端進(jìn)入到有固定IP地址的服務(wù)器里,把現場(chǎng)供熱站的各類(lèi)數據進(jìn)行采集進(jìn)入云計算中心,熱力公司的工作人員通過(guò)客戶(hù)計算機訪(fǎng)問(wèn)云計算中心服務(wù)器數據,實(shí)時(shí)了解各監測站點(diǎn)的設備運行情況、相關(guān)運行參數。監控中心發(fā)送的命令也由此路徑執行到受控設備。
2.1.2現場(chǎng)監控終端系統
主要由我公司研發(fā)生產(chǎn)的IOTACS控制器組成,負責采集現場(chǎng)數據,并將數據通過(guò)相應的DTU通訊端口上傳,同時(shí)執行各級中心下達的命令。
三、遠程監控中心架構
3.1 公司調度監控中心
監控中心設立在供熱公司,充分利用其現有網(wǎng)絡(luò )資源及軟硬件設施,對其進(jìn)行完善,并
增設服務(wù)器系統設備、工作站系統設備,建立統一的供熱實(shí)時(shí)監控與管理系統。
3.2云端系統組成
(1)基于云計算核心,用戶(hù)無(wú)需自建服務(wù)器,通過(guò)GPRS通訊方式與云端相連,完美實(shí)現遠程控制。
3.3系統應用軟件功能設計
(1)采用B/S結構:系統的設計是基于GPRS 數據傳輸技術(shù)和云端技術(shù)之上的,軟件開(kāi)發(fā)采用B/S 結構方式設計,支持各種平臺的Web訪(fǎng)問(wèn)模式設計,方便不同職能部門(mén)的工作人員工作。
數據匯集處理和前端控制程序等采用公司自主研發(fā)的嵌入式操作系統,前端采用人機界面觸摸屏的的方式,監控調度人員可現場(chǎng)在觸摸屏上完成所有操作。其他非監控類(lèi)人員使用瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)系統完成所有操作,采用B/S 體系結構。
(2)實(shí)現對換熱站設備運行情況、相關(guān)運行參數的實(shí)時(shí)監控,以及重要管網(wǎng)測點(diǎn)溫度、壓力數據的在線(xiàn)監測。
(3)實(shí)現對全部數據的分析、存儲、預警與報表統計、曲線(xiàn)分析輸出功能。
(4)實(shí)現對測點(diǎn)各種機電設備設施情況、維護情況規范化建檔管理。
(5)實(shí)現系統權限管理、安全管理、日志記錄管理功能。
(6)電子地圖可視化界面顯示
四.IOTACS熱網(wǎng)遠程控制系統組成架構
IOTACS終端主機具有5個(gè)485及232通道以及12個(gè)專(zhuān)用擴展通道,核心系統支持線(xiàn)程模式,可同時(shí)采集多個(gè)通道的數據,通過(guò)擴展通道可以擴展大量的采集模塊以及抄表模塊,通過(guò)云計算中心能夠對每個(gè)擴展模塊的控制通道進(jìn)行采集控制,單個(gè)終端主機可擴展至多達4096個(gè)A/D通道,1792個(gè)IO,1024個(gè)RS485接口以及512個(gè)12位D/A通道,具有極強的擴展及控制能力。(IOTACS熱網(wǎng)遠程控制系統控制中心主機箱,圖二)
圖二
IOTACS物聯(lián)網(wǎng)采集控制模塊集成觸摸屏控制,具有模糊控制算法,可以對輸入輸出接口進(jìn)行組合控制,自身就是一臺完整的小型控制終端,可以通過(guò)RS485接口級聯(lián)256個(gè)模塊進(jìn)行擴展,并能夠跨模塊聯(lián)動(dòng),連接Wiscloud DTU后可以進(jìn)行獨立運行或完美的云端控制,可以與組態(tài)軟件、PLC等組網(wǎng)。(數據采集點(diǎn)示意圖,圖三)
圖三
結合高階硬件濾波及軟件濾波算法,抗干擾能力強,檢測精度高,在惡劣環(huán)境下輸出穩定可靠!
3路RS485 MODBUS RTU標準通訊接口
2路RS232標準通訊接口
16路12位A/D采集接口
2路4-20mA輸出接口
7路開(kāi)關(guān)量輸出,每一路可支持100mA負載
模擬量采集擴展模塊 DTU無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊
IOTACS系統拓撲圖 (圖四)
圖四
五.IOTACS熱網(wǎng)遠程控制系統GPRS通訊架構
通訊網(wǎng)絡(luò )承擔工作站與各個(gè)現場(chǎng)控制站之間的數據傳輸, 數據交換, 是整個(gè)監控項目的橋梁, 是保證熱網(wǎng)監測系統正常運行的關(guān)鍵,本系統采用GPRS無(wú)線(xiàn)通訊。
1. GPRS 無(wú)線(xiàn)通信的特點(diǎn)
(1) 永遠在線(xiàn): 通信時(shí), 不需要象PSTN 那樣要先撥號以后才能通信。用戶(hù)隨時(shí)都與網(wǎng)絡(luò )保持著(zhù)聯(lián)系, 即使沒(méi)有數據傳輸時(shí), 用戶(hù)也仍然附著(zhù)在網(wǎng)上與網(wǎng)絡(luò )保持著(zhù)聯(lián)系。
(2) 快速登錄: GPRS 無(wú)線(xiàn)終端一開(kāi)機, 即已經(jīng)與GPRS 網(wǎng)絡(luò )建立了連接。每次登錄Internet
只需要一個(gè)激活的過(guò)程, 一般僅需要1到3 秒鐘。
(3) 高速傳輸: 由于GPRS 采用了先進(jìn)的分組交換技術(shù), 數據傳輸的最高理論值可171.2kb/s。
(4) 按量計費: GPRS 網(wǎng)絡(luò )按照用戶(hù)接收和發(fā)送數據包的數量來(lái)收取費用。沒(méi)有數據流量傳輸時(shí), 用戶(hù)即使在線(xiàn), 也不收費。
(5) 覆蓋面廣: 目前, GPRS 網(wǎng)絡(luò )已基本覆蓋了所有GSM網(wǎng)絡(luò ), 偏遠地區不再是數據傳輸的盲區。
(6) 可移動(dòng)性: 企業(yè)對系統所有設備有自主權, 無(wú)需與運營(yíng)商交涉, 可以自由分配。
(7) 可靠性強: 系統具有糾錯、重發(fā)機制,從而確保數據的完整性和正確性。其次, 系統具有自動(dòng)恢復功能, 在GPRS 網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)不穩定的情況下, 保證系統穩定工作, 而無(wú)需人工干預。
(8) 安全性高: 系統在數據傳輸過(guò)程中加入了加密機制, 數據可以在公網(wǎng)上安全地傳輸。
(9) 無(wú)人職守: 系統具有雙向數據傳輸功能, 從而實(shí)現遠程控制, 無(wú)人職守。
(10) 靈活方便: 系統依托相應的軟件, 可以靈活實(shí)現點(diǎn)~點(diǎn)、點(diǎn)~多點(diǎn)、中心~多點(diǎn)的對等數據傳輸。熱網(wǎng)監控系統的通訊網(wǎng)絡(luò )結構圖如下(圖五):
圖五
六、IOTACS熱網(wǎng)遠程控制系統實(shí)現功能
6.1遠程采集
遠程數據采集可以定時(shí)采集, 也可以循環(huán)采集, 即可以采集當前的實(shí)時(shí)數據, 也可以采集過(guò)去的歷史數據( 要求數據采集設備能存儲至少一周的歷史數據, 已備通訊設備故障時(shí)數據不會(huì )丟失) 。
6.2遠程控制
遠程控制是無(wú)人值守換熱站的重要環(huán)節, 包括對閥門(mén)的控制( 手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)) 、控制策略的選擇( 經(jīng)驗調節、定溫調節、手動(dòng)調節等) 供水溫度值的設定、循環(huán)泵的起停、補水泵的起停等。
(遠程監控界面現場(chǎng)實(shí)際工況,圖六)
圖六
6.3遠程調試
理想的通訊方式不但解決了數據的遠程采集和控制, 還可以實(shí)現現場(chǎng)控制器的遠程維護, 修改控制策略, 修改報警參數值, 等等?梢詼p少去現場(chǎng)的次數, 并且可以迅速的了解現場(chǎng)控制器的工作情況, 大大提高了工作效率。(遠程監控數據顯示及調試控制界面圖七)
圖七
6.3 溫度控制
要使用戶(hù)家里溫度更加舒適, 必須保證換熱站供出的溫度( 熱量) 合適, 這樣我們就根據不同情況對換熱站的二次出水溫度進(jìn)行控制?刂品绞酱笾路譃, 經(jīng)驗調節、定溫調節、分時(shí)段調節三種。
(1)經(jīng)驗調節
即根據以往的供熱經(jīng)驗, 在不同的室外溫度條件下, 保證不同的二次網(wǎng)供水溫度。各個(gè)控制器輸入二次供水溫度調節曲線(xiàn), 系統通過(guò)檢測二次網(wǎng)供水溫度和室外溫度, 自動(dòng)調節一次網(wǎng)的閥門(mén)開(kāi)度從而達到二次網(wǎng)的設定供水溫度值, 實(shí)現換熱站的質(zhì)調節。管理人員可以在現場(chǎng)通過(guò)液晶鍵盤(pán)或通過(guò)上位機軟件遠程對此曲線(xiàn)進(jìn)行修改。曲線(xiàn)如圖八:
圖八
(2)定溫調節
用戶(hù)可任意設定供水溫度值, 系統將自動(dòng)調節一次網(wǎng)的流量從而使二次網(wǎng)供水溫度穩定在此設定值。管理人員可以在現場(chǎng)通過(guò)液晶鍵盤(pán)或通過(guò)上位機軟件遠程對此設定值進(jìn)行修改。
(3)分時(shí)段調節
在不同的時(shí)間段設定不同的二次網(wǎng)供水溫度, 本方式支持在不同的時(shí)間段修正固定的供水溫度設定值( 經(jīng)驗調節曲線(xiàn)或固定供水溫度) , 這樣可生成一條更經(jīng)濟的運行曲線(xiàn)。管理人員可以在現場(chǎng)通過(guò)液晶鍵盤(pán)或通過(guò)上位機軟件遠程對此曲線(xiàn)進(jìn)行修改。如下圖九所示, 固定供水溫度運行( 紅色) +分時(shí)段修正運行時(shí)的實(shí)際供水溫度( 黑色) 曲線(xiàn):
圖九
6.4 壓力控制
無(wú)人值守換熱站中壓力控制主要是二次供水壓力( 或者是二次供回水壓差) 和二次回水壓力的控制。分別通過(guò)調整循環(huán)泵變頻頻率和補水泵變頻頻率實(shí)現。變頻恒壓供水已經(jīng)用得到很多, 這里就不在說(shuō)明。需要強調的是幾種故障和相應的保護措施。
(1)二次供水壓力過(guò)高, 供熱系統中, 此故障是個(gè)比較嚴重的故障, 需要系統停止運行進(jìn)行檢查, 否則有可能會(huì )造成用戶(hù)家里暖氣片的損壞。
(2) 二次回水壓力過(guò)高, 系統設置超壓泄水電磁閥, 報警發(fā)生時(shí)自動(dòng)打開(kāi)電磁閥泄水。
(3)二次回水壓力過(guò)低, 為了保護循環(huán)泵,此報警發(fā)生時(shí)系統應該停止運行并報警。
(4) 補水箱水位過(guò)低, 應該停止補水, 避免補水泵長(cháng)期無(wú)水運行造成損壞。
(5) 補水箱水位過(guò)高, 應該關(guān)閉自來(lái)水, 避免不必要的浪費。
(6)有些換熱站生水壓力不足或防止短時(shí)間停水, 應該設置生水箱。另外, 控制器和變頻器進(jìn)行通訊, 設定和讀取變頻器的參數如: 工作電壓、工作頻率、工作電流等, 以便了解水泵電機的運行情況。
6.5 報警管理
無(wú)人值守換熱站的監控中心軟件具備報警管理功能, 每條報警信息應該包含報警站點(diǎn)、報警發(fā)生時(shí)間、報警參數及當前值等詳細信息。軟件對過(guò)去的報警可以按站點(diǎn)或按時(shí)間進(jìn)行查詢(xún), 并記錄報警的處理人和處理時(shí)間。
6.6權限設置
監控系統對運行人員、維護人員、管理人員賦予不同的權限, 不同的人員具有不同的操作權限, 從而避免了操作不當所造成的系統故障。
七、IOTACS與傳統PLC控制系統優(yōu)勢對比
1、基于云計算平臺:無(wú)需自建機房和數據中心,可在手機、電腦等終端連接云計算中心,進(jìn)行高效率的數據運行及運算能力,并可在云端對所有設備進(jìn)行設定,隨時(shí)調用、監管、控制。
2、無(wú)需任何編程 采用觸摸屏一體化設計,在施工部署時(shí)不需要任何的編程,具有完美的模糊控制理念及控制算法,可以將所有輸入輸出接口進(jìn)行任意組合控制,并且可以完全脫離云計算中心自動(dòng)運行,也可以通過(guò)云計算中心進(jìn)行極端復雜的流程控制。
3、系統成本低:省去PLC系統自拉光纖、自架服務(wù)器、購買(mǎi)UPS和蓄電池等額外的財力消耗,同時(shí)省下后期昂貴的系統維護費用。
4、控制能力強大:?jiǎn)螜C可承載1萬(wàn)以上的終端連接數量且運行毫無(wú)負擔。物聯(lián)網(wǎng)控制終端主機具有5個(gè)485及232通道以及12個(gè)專(zhuān)用擴展通道,嵌入式軟件開(kāi)發(fā)時(shí)采用了線(xiàn)程模式,可同時(shí)采集多個(gè)通道的數據,通過(guò)擴展通道可以擴展大量的采集模塊以及抄表模塊,終端主機能夠將擴展模塊的數據自動(dòng)打包上傳到云計算中心,也可以通過(guò)云計算中心對每個(gè)擴展模塊的控制通道進(jìn)行控制,單主機通過(guò)擴展可實(shí)現多達2048以上通道的數據采集以及控制。
5、擴展能力強大,擴展方便快捷:可達到無(wú)縫擴展至10萬(wàn)以上的終端連接數量,獨自研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)終端設備的透傳協(xié)議,使后期新增擴展模塊時(shí)無(wú)需重新編程,模塊的通用性強,自帶輸入、輸出、485、Mbus、模擬量采集適應用戶(hù)的新增需求。
6、穩定性強:一體化開(kāi)發(fā)的自有系統,主機高度集成化,把觸摸屏的控制、DTU和主機的處理部分、以及采集部分、下位機通信部分集成一體,任何節點(diǎn)的損壞都不會(huì )影響整個(gè)系統的運行,運行更加穩定。
7、人性化服務(wù):支持地理信息系統,觸摸屏終端可隨時(shí)提供動(dòng)態(tài)數據,了解電廠(chǎng)的電量、電壓、電流檢測,整個(gè)系統可在云端無(wú)縫升級。
8、后期運維方便:系統不需要專(zhuān)門(mén)維護,一旦發(fā)生故障,根本不需像老式系統那樣等待專(zhuān)業(yè)人員現場(chǎng)編程調試,只需請電工按照操作要求重新安裝備選模塊即可,方便快捷,時(shí)效性高。
9、節能量大:國內節能率最高的物聯(lián)網(wǎng)云計算遠程節能控制系統,為多個(gè)地區供熱公司提供IOTACS系統,達到節電高40%,節煤高12%。
10、兼容性強:能兼容并學(xué)習市面上幾乎所有品牌的熱表、壓力表等設備的協(xié)議,進(jìn)行遠程操作,無(wú)需配備指定設備,利于廠(chǎng)家控制設備成本。
八、目前換熱站工控老系統現狀
1、大多數是用PLC組合集成的,不支持云計算,普遍采用的是組態(tài)系統,只能通過(guò)電腦操作控制,且需要自己拉光纖,架設數據中心,系統投資多,F場(chǎng)部署和管理復雜,二次運維成本十分昂貴。
2、控制能力差,控制通道太少,擴充到24路時(shí),運行困難,當達到200個(gè)通道的時(shí)候組態(tài)系統基本癱瘓,擴展能力差,很難實(shí)現管網(wǎng)平衡。
3、穩定性差,單線(xiàn)串聯(lián)的變頻器、熱表的控制中,某一設備的死機造成整個(gè)鏈路無(wú)法運行的問(wèn)題。不人性化,系統參數固定,無(wú)法根據需要重新設定。
4、后期維護復雜,一旦模塊損壞,需要專(zhuān)業(yè)編程人員現場(chǎng)測試并進(jìn)行重新編程,時(shí)效性差。
5、不同品牌設備的兼容性差,同一用戶(hù)的終端品牌及品種數量眾多,協(xié)議千變萬(wàn)化,采集點(diǎn)與終端數量不斷增加,設備死機,不執行指令的情況時(shí)有發(fā)生。
九、IOTACS 引領(lǐng)新一代工業(yè)革命,相比目前國內99%工業(yè)控制進(jìn)口PLC系統,我們擁有更多的優(yōu)勢!
1、施工部署簡(jiǎn)單10倍以上
2、運營(yíng)成本降低50%以上
3、施工效率提高10倍以上
4、從此不再需要專(zhuān)業(yè)的PLC程序員
5、期維護簡(jiǎn)單,費用幾乎為零
6、相同成本下比PLC的帶載能力高達20倍以上
十、結論
總之, 無(wú)人值守換熱站很好的實(shí)現了對換熱站設備的自動(dòng)控制, 遠程監控,提高了供熱質(zhì)量。本案例實(shí)際應用單位煙臺東昌供熱有限公司每年使用本系統可節電高達40%,節煤高達10%,在滿(mǎn)足了用戶(hù)需求的前提下, 節約了大量的人力、物力資源, 減少了不必要的浪費。同時(shí), 管理人員可以更清楚的了解各個(gè)換熱站的運行數據, 使管理更加有地放矢, 有效的提高了供熱管理水平; 提高了熱力系統的運行管理水平;為熱力系統的運行管理提供一個(gè)良好的支持環(huán)境; 提高公司效益。不斷提高, 一次性投資逐漸減低, 但產(chǎn)生的經(jīng)濟效果很大, 一般僅節電的效益在一年左右的時(shí)間即可收回投資。目前, 我國在水泵控制系統中應用變頻技術(shù)雖然有了很大進(jìn)步, 但總體水平仍然很低, 其應用量?jì)H占水泵總量的5- 7%, 而先進(jìn)的工業(yè)化國家其應用量已達90%左右。在供熱領(lǐng)域, 在補水定壓控制系統中已得到了充分的利用, 但在循環(huán)水泵的控制方面, 受制于技術(shù)、經(jīng)濟、以及經(jīng)濟體制、產(chǎn)權隸屬關(guān)系等外部因素的影響, 其應用普及的還很慢。但隨著(zhù)配套技術(shù)的發(fā)展, 人們思想意識的提高, 特別是“熱改”后, 變頻調速泵控制技術(shù)必將在集中供熱系統中得到廣泛的利用。