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RTU在油田矿区供热系统中的应用
jiang_0514 发表于 2009/4/2 21:04:39 1583 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 系统描述
图1 供热管理SCADA结构框图
集中供热已经成为北方城市冬季采暖的主要供热形式，也是节约能源、保护环境、实现城市现代化的重要措施。辽河油田近两年来在矿区供热系统经过一系列技术改造，进行了热电厂扩建和油改煤工程，使中心地区和部分外围地区实现了集中供热。但由于供热地域大、用户比较分散，造成了热力点多且相距较远，给供热过程参数检测和控制及管理带来一定的困难。在欢喜岭地区集中供热工程中由于采用了RTU技术，很好的解决了这一难题，保证区域供热在安全、合理、经济的条件下运行。集中供热工程采用了SCADA系统，整个系统分为三级：第一级-控制管理级（主控中心即中控室），设在锅炉中控室；第二级-过程控制级（PLC、RTU），分别位于中控室控制柜和各供热站处；第三级-现场就地控制级，即为就地测控仪表设备。系统结构如图1所示。
2 供热系统中央控制和RTU控制原理
2.1 供热系统中央控制
集中供热通常采用的方法是根据二次网的供水温度，调节一次网流量，进而控制二次网的供热量。但是，从温度调节的基本关系式可知，只有当二次网的循环流量是设定流量时，二次网的供水才是室外气温（即热负荷）的单值函数，此时调节二次网的热水温度相当于调节了二次网的供热量。由于存在冷热不均的失调现象，要保证二次网流量按设计条件运行是很困难的，供热系统二次网的流量是在大流量的工况下运行的，此时按照二次网的供水温度进行自动调节，二次网必然是过热的，将造成热能的浪费。
在没有实现自动调节的状态下，变频调节普遍存在工况失调现象，导致热用户冷热不均。为了满足冷偏用户的供热要求，不断地提高系统的供水温度，实际上是提高了各用户的平均温度，很显然，这种措施本质上是靠增加热源总供热量来改善供热效果的，实际上并没有缩小最热用户与最冷用户之间的室温差别，因此达不到消除系统热力失调的作用。解决系统热力失调的主要方法是调节各个热力站一次网供水阀门，使各热力站的流量与它所需供暖面积的比例相同。
均匀性调节可将外网的调节与热源的调节，分为两个独立环节分别单独进行，相互之间基本互不干扰。外网调节的目标是实现均匀化供热，而总的供热效果则通过对热源的调节来实现，热源的调节可根据室外天气温度、回水温度及负荷情况进行调节。利用气象预测和历年气象统计资料进行计算，绘制出温度调节特性曲线指导供热，当热源的供热量和外网的需热量不一致时，依靠自动调节系统来维持供热的均匀性。
按上述的调节方法进行设计，将具有很强的通用性。不管是大流量运行，还是变流量运行，只要根据全网温度设定值控制二次网的供、回水平均温度，就能实现供热量调节，既实用又方便。
热网的运行状态总是会有一些变化，例如，在不同的月份可能供水温度不同，热源发生故障时可能会减小总供水量或热力站扩大面积使负荷增加，遇到这些情况，控制系统都能自动调节热网的运行状态使之适应新的变化，而不需对控制系统作任何调整。随着室外环境温度的变化，为保证供热效果，热源需进行统一调节。这时，可以随室外环境温度降低而升高供水温度，也可提高总的出水流量，无论采用哪种方式，都是全面地升高或降低各热力站的采暖效果，不会改变其均匀性。只有当个别热力站二次管网发生变化，新增添或关闭一些用户，管网做某种调节和转换时，才需要对相应热力站及相邻几个热力站的供水阀门进行调节。
2.2 热力站RTU控制原理
系统采用中央控制，即通过计算机网络将各热力站的RTU连在一起。中央控制系统是在全网统一监测系统的基础上，以各热力站二次网的供、回水平均温度彼此一致为调节目标，各热力站的RTU用一次仪表测量出的二次网供回水温度，计算全网调节均匀后的供、回水平均温度值，并将此值发送到各热力站RTU作为设定值进行具体的调节，保证各热力站间的均匀供热。这种调节系统调节精度高、控制效果好，热网的平均失调度可控制在最低的水平，因而节能效果也最明显，这种均匀调节一般不会导致系统振荡。
只有二次网的供、回水平均温度才是室外气温（即热负荷）的单值函数，而与二次网的循环流量大小没有关系。也就是说，不管二次网循环流量的大小如何，只要二次网的供回水平均温度一定，二次网的供热量就一定。因此适合我国国情的二次网的供热量的调节，应该是二次网的平均温度，而不是二次网的供水温度。各热力站的RTU将检测供回水温度，基本上反映了该热力站所负责建筑的平均室温。如果将各个热力站的二次网供回水平均温度调为一致，则可以近似认为采暖房间的室温是彼此均匀的。
各热力站的RTU根据主机所发出的命令，围绕本站的二次网供、回水温度的设定值，采用PID算法进行自动调节。由于各热力站的供热面积、用热情况、地理位置等不同，以及室外气温的变化，二次网的回水温度是一个非常重要的指标，RTU通过现场仪表测量本站热工参数，并远传到中控室的主机，这些数据直接反映此站所供用户的整体耗热情况。若为了保证冷偏用户达到要求而以二次网的回水温度来调节，则会造成过热用户的浪费和热源不足。另外各热力站所带的供热面积不会经常改变，并且各建筑物的负荷主要由室外环境温度所决定。因此，随室外环境温度变化，各热力站的热负荷同步升高或降低，各热力站间热负荷之比基本不变。因此，系统一旦调节均匀，就基本能够保持整体平衡，而且各热力站调节阀门动作的频繁程度较低，这样系统可以长期稳定运行。
远程自动：中控室协调控制，将二次网供回水温度平均设定值发往各热力站，进行全网平衡调节。在热源不足时，实现热量均摊。
远程手动：特殊情况下，在监控中心计算机上直接对某一热力站阀门的开度进行调节，控制阀门的开度。
就地自动：在热源充足的情况下，各站现场控制机根据本站供回水温度平均设定值，就地调节阀门，保证温度恒定。
就地手动：当通讯系统或本站现场控制机出现故障时，由人工手动调节阀门。
3 系统构成、配置及功能
3.1 系统构成
本系统由北京安控公司的锅炉DCS系统及远程测控终端等硬件设备和工控组态软件构成。系统大致分为中控室的服务器、工程师站和操作员站，各热力站的RTU（远程测控终端），通讯网络系统和一次测控仪表。热力站监控系统由RTU、一次测量仪表电动调节阀及其它执行机构等设备组成。RTU可独立完成测量、控制、通讯、数据处理、显示、操作等任务。各RTU之间、RTU与中控室之间相互协调工作，实现整个热网监控系统的各项功能。
3.2 中控室任务
中控室通过通讯系统采集现场热力站的RTU上传数据，并将这些参数进行在线存储、处理分析、报表打印，并根据运行工况将调度命令下发给RTU，完成对整个热网的优化调度。根据用户的热力需求分配热网内各热力站所需热量，同时确定其运行方式，平衡全网的供热需求，保证区域供热在安全、合理、经济的条件下运行。
3.3 中控室的软件配置及功能
操作系统软件：操作系统选用Windows2000 Server。
监控系统软件：选WinCC/InTouch/组态王应用软件、监控软件仿真软件和其它冗余软件。
编程软件：选用VisualC++和Offices 2000，进行通讯软件和其它管理软件的开发。
组态软件Espider（开发/运行版）：运用组态软件，用户可以方便地构造适应自己需要的数据采集监控系统、编制系统流程图、数据表格、报警画面、控制画面，在任何需要的时候把现场的信息实时地传送到中控室，并实时地把控制命令发送到现场RTU，保证信息在全网范围内的畅通。
监控系统软件可根据用户的技术要求实现以下功能：
a 控制和算法组态
控制和算法组态在RTU中完成，RTU支持梯形图、标准C两种编程语言，梯形图组态用以生成系统所有回路连续控制算法、顺序控制算法、特殊处理算法及统计算法。
b 图形画面组态
c 实时数据库组态
用来定义各个数据点，进行信号采集与转换、报警设置、显示、集中数据管理等任务。实时采集各热力站一次网、二次网的运行数据，包括供回水温度、供回水压力、补水流量、阀门开度、水箱水位、巡检记录、防盗报警、循环泵和补水泵启停状态等参数。建立数据库，对各热力站实时参数进行采集储存，实现历史数据查询，曲线显示，并可生成各种趋势图。
d 历史数据库组态
e 实时及历史趋势分析
f 过程报警、打印及存储
g 报表生成及打印
h 冗余软件-保证系统可靠运行
主要完成冗余功能（既通常所说的双机热备功能），其构造思想是主机和从机通过TCP/IP网络连接。正常情况下，主机处于工作状态，从机处于监视状态，一旦从机发现主机异常，从机将会代替主机，进行实时监控并保存历史数据。当主机修复重新启动后，从机检测到主机的恢复，就会自动将主机丢失的历史数据拷贝给主机，同时从机将重新回到监视状态。这样，即使是发生了机器故障，系统也能保存一个完整的数据库。冗余功能的实现，有效地减少了数据丢失的可能，增加了系统的可靠性和连续性，方便了系统维护。
i 地理信息功能
通过扫描仪、专业制图软件，把热电整个管网地理分布图扫描进计算机，此图可任意放大、缩小、移动，按地理位置点击热力站图标，可以切换到该站的动态立体管网平面图，显示所有参数，图文并茂，直观方便。
j 能源计量管理功能
工作站可以根据现场控制单元的测量参数对一些能耗、水耗参数等进行计量和累计，计算出其平均值和累计值，计量时间可以为时、日、月、年，计量结果将以数据文件的形式存贮。
k 中央调度及远程控制
监控中心可将调度或由计算机运算分析后的被控参数设定值发送至相应的现场控制单元指导控制，也可根据需要直接完成对各热力站循环水泵、补水泵及电动调节阀的远程控制。
l 网络功能
运行在基于Ethernet网络结构和TCP/IP网络协议的网上，可实现厂级联网，TCP/IP网络协议提供了在不同硬件结构和操作系统的计算机组成的网络上进行通信的能力。监控中心计算机作为采集数据的网络服务器，其它站点作为网络客户机共离服务器中的数据。
4 热力站RTU的硬件配置及功能
4.1 热力站RTU的硬件配置
热力站的RTU选用北京安控公司的SuperE RTU。该产品适用于各行各业、各种场合的参数监测及控制系统的自动化。它强大的软硬件功能使其无论是独立运行还是连成网络均能实现复杂系统的控制，在RTU领域性能价格比最高。其出色表现在以下几个方面：配置合理，具有很强的现场适应能力；强大的软件功能，可以满足各种灵活控制、复杂运算的要求；具有RTU和PLC的双重优势，应用灵活；灵活的通讯方式，标准的通讯协议，可方便的组成各种复杂系统；现场监控和远程监控兼备，为系统操作、诊断、维护和升级提供了方便；工业标准设计，能够工作于各种恶劣环境；充分的可靠性设计，严格的质量检验，为用户提供了可靠的保证。
4.2 热力站RTU功能
主要完成数据采集、自动控制、参数存储、实时通讯、故障报警等功能。可独立完成本地控制，也可受控于监控中心。
数据采集：将各站的温度、压力、流量、循环泵和补水泵的启停状态、报警参数、巡检记录及补水流量上传监控中心。
远动控制：接受监控中心的命令和设定参数，控制一次网电动调节阀的开度，实现调节过程；对补水泵和循环水泵进行启停控制。
参数存储：存储累计流量、故障参数和其它重要参数。
故障报警：完成运行参数的越限报警、防盗报警以及设备的自诊断报警。
4.3 通讯系统
通讯系统分为无线通讯和有线通讯两种工作形式。
(1) 无线通讯方式
无线电台通讯，采用进口原装的数传电台进行信号传输，内置9 600bps Modem，功率为5W，含电源、天线和馈线。选用高增益天线，频率范围：220~240MHz。
GPRS DTU，测控终端DTU的数据通过网络发往指定数据中心，数据中心在收到DTU的数据后，进行协议转换还原用户数据，同时对DTU进行管理，实现数据的双向流动。
(2) 有线通讯方式
普通市话网：需要拨号，速度较慢，价格较低。
综合业务数字网ISDN：需要拨号，速度较快，价格较高。
X.25分组数据网：不需拨号，价格适中。
敷设专线：一次性投资，工作量大，速度快。
本工程采用有线通讯方式，在每站设置一个Modem，在中控室设置多通路接口Modem。
4.4 现场一次设备
热力站现场一次设备主要包括：电动调节阀220VAC电源，4~20mA输出，具有上下限限位保护、过流保护等功能。阀体选用双座调节阀，线性度好（也可选用偏心碟阀）。阀门特性选择时应注意流量与管径的匹配，以便得到符合要求的调节特性。温度测量选用铠装一体化温度变送器，测温元件选用PT100热电阻，变送器为24VDC供电，4~20mA输出。压力测量选用进口组装的压力变送器，24VDC电源，4~20mA输出。其它设备选择类似。
5 结语
在欢喜岭地区集中供热工程中，由于采用了热网集散控制系统及RTU技术，使得该系统的5台锅炉实现了监控自动化，10个热力站实现了无人职守。
运行记录和对热网集散控制系统的测试结果表明，该工艺系统主要指标：二次网供回水温度平均值与设定值的差小于1.5℃，热网失调度小于1%。自动化程度在国内处于先进水平，特别是热力站生产过程测控应用了RTU技术后，使热力站的生产及管理实现自动化，能很好地保证用户室温在设定范围内波动，提高了工艺系统的安全性和自动化水平，减轻了工人的劳动强度，计量更加准确，延长了设备运行周期。
参考文献：
[1] 方原柏. 远程测控终端在SO2烟气制酸装置中的应用[M]. 自动化博览, 2002, 6.
