供暖系统自动化控制方案.doc

XXXXXX有限公司供热管网自动控制系统方案同方股份有限公司2010年6月目录1大滞后控制对象自动化系统要点分析22分时、分温、分区供暖自动控制模式23供暖节能自动控制系统的构成23.1供热自动控制系统总体架构23.2节能自控系统的组成33.3监控中心的主要功能53.3.1设备配置53.3.2监控管理软件53.3.3监控管理主机123.3.4系统组态功能133.3.5人机界面的特点133.4各换热站的设备功能143.4.1数据采集143.4.2DDC智能控制器153.4.3触摸式操作显示屏153.4.4GPRS无线数据传输器153.5供暖节能自动控制系统的设备配置164节能自动控制系统拟选设备简介184.1DDC智能控制器184.2一体化彩色液晶触摸屏（工控机）194.3GPRS无线数据传输器195热网监控系统解决的问题和产生的效益19XXXXXX有限公司供热管网自动控制系统方案XXXXXX有限公司供热管网自动控制系统方案华发公司于2009年建立了热网系统监控管理系统，对100多个换热站的运行数据实时全面监控管理。在此基础上，今年新建的20个换热站采用全自动化控制方式，实现热力平衡调节和节能控制，下个采暖期逐步推广，最终达到无人值守站的自动化控制水平。本方案根据华发公司供暖管网的实际需求和现状，着重说明自动化控制与供热节能。供热节能主要包括热源厂节能、供热管网系统节能和用热系统节能三大部分，要做到合理供暖，杜绝浪费，首先要解决这三大部分的热能供需匹配问题。也就是说：保持能耗的动态跟踪，控制热能供需平衡，从而实现节省燃煤（或燃气），节省热能、电能，节省与此相关的人力、物力、场地和运输费用。因此，按需供暖、减少或杜绝热能浪费，是最有效的节能手段，这是首要问题。其次，在保证热源厂供热总量的前题下，解决如何提高热效，实现节能的问题。本方案从供热管网系统和用热系统的能耗的动态跟踪与节能自动控制着手，本着投资少，见效快，收益大的原则，结合各换热站设施和供热用途等实际情况，充分利用换热站原有的温度、压力传感设备和控制设备，改装水泵电机变频器的控制线路，加装DDC智能控制单元，通过自动控制软件设定的节能程序，根据用热需求量的变化，控制供热管道阀门开度、控制水泵转速，变人工主观控制为节能自动控制，变全热全程供暖为分时分温按需供暖，并逐步实现全管网的智能化控制。节能自动控制系统方案按以下几个部分加以说明：l 大滞后控制对象自动化系统要点分析l 分时、分温、分区供暖的自动控制模式l 供暖节能自动控制系统的构成l 节能效益分析l 系统拟选设备简介1 大滞后控制对象自动化系统要点分析XX华发的热力管网调控，多以回水温度作为调节的参照变量，但是，供热管网系统是大滞后控制对象，变量因素多，响应时间长，不适合用PID方式调节，极难达到理想的控制效果。针对这种控制对象，行之有效的手段是采用先进过程控制方式，例如：预测控制。预测控制的优点：l 模型简单，容易获得l 算法简单，容易实现l 参数少，容易整定l 鲁棒性好，使用安全稳定l 与PID算法相比，设定值改变时，预测控制，响应曲线大大改进，振荡小、上升时间短、调整时间小。对于大滞后对象，预测控制算法可根据时段合理优化温度设定，快速、平稳地达到设定的温度。在原有基础上，把参数进一步简化，用“统一预测控制算法”的系列程序，结合供热自动化系统设备，实现节能控制的目的。2 分时、分温、分区供暖自动控制模式系统安装了相关自控设备以后，就可以根据建筑物不同的供热用途，采取不同的节能运行模式，实现供热支路流量科学合理分配，“分时、分温、分区供暖自动控制。3 供暖节能自动控制系统的构成3.1 供热自动控制系统总体架构供热自动控制系统主要由系统监控中心、现场控制单元、数据通讯系统、仪表和传感器及电动调节阀、电气设备部分组成，各部分协调工作，实现整个供热系统的自动化控制或智能控制。系统原则上可按6层结构，通过城域网连接到系统监控中心。各层内容包括：（1） 机电设施层：锅炉和换热站的水泵、供热管网、电机、动力控制柜等；（2） 就地仪表层：就地仪表、执行机构、变频调速装置、调节阀门等；（3） 现场控制层：指现场DDC智能控制设备；（4） 通信网络层：GPRS通信网络；（5） 中央监控层：为集中供热系统计算机监控系统的核心，通过中央监控层对全网的运行实施统一的监控。接收各站点的故障报警，达到安全、节能、环保型供热的要求，并保证供热质量；（6） 信息管理层：通过信息管理层，完成全网调度指挥、事故报警处理，实现科学管理，提高企业效益。信息管理层实际上是一个计算机信息网络系统。以太网、局域网，或GPRS无线网络3.2 节能自控系统的组成计算机监控系统将实时、全面地监控各换热站运行情况，根据对热负荷的变化和预测，调节热源，按需供热，以满足全网供热热量均衡和节能的目的。监控系统由三部分组成：（1）控制（监控）中心本部分是供热节能系统自动控制系统的核心，通过中央监控层对全网的运行实施统一的监控，掌握和控制全系统设备的运行状态，保证供热管网或个体建筑按设定温度曲线运行。监控管理机以组态动画的形式实时显示热源（锅炉）及供热管网的工况，并把现场的测量数据和计量数据送入数据库中。系统具有数据统计分析、趋势曲线、历史记录、数据查询、检索、事故追忆、故障报警等功能。控制中心的设备包括监控主机，显示器，打印机，网络交换机，路由器以及系统控制软件、系统管理数据库，系统组态软件、WEB数据发布软件等等。（2）热源（锅炉）数据采集和监控采集锅炉的炉膛温度、烟道温度、出水温度、出水压力、出水流量、补水量等参数，以及设备运行状态参数，采集的数据传送到控制中心。在保证锅炉安全运行的同时，可根据管网的热力需求，适当调节燃气量，控制锅炉的热能输出，达到节能的目的。（3）换热站在各换热站设置现场自动控制单元，实现运行参数、运行状态参数及故障信号等各类参数的采集：l 采集现场一次/二次热网运行数据，包括供回水温度、供回水压力、流量、热量；l 采集变频器转速、状态、故障；l 采集循环水泵及补水泵工作状态、故障；l 水箱液位监测；l 阀门开度监测；存储，可按多种程序设定控制模式，对站内循环泵、补水泵、电动调节阀等进行调控，确保其运行在设定范围内。值班巡检人员可通过人机界面，对站内设备进行监视、控制及操作。本方案为水阀输出控制、变频器转速控制设计了接口预留；GPRS无线网络保持与控制中心主机进行双向数据通讯，把供回水温度、供回水压力、流量、变频器转速、工况状态、故障、水箱液位监测、阀门开度监测等数据传送到监控中心；在联网控制状态下，换热站自控系统也可按监控中心的遥控指令和设定程序运行。换热站控制设备主要由DDC智能控制器、液晶显示器（或触摸屏）、温度变送器、压力变送器等设备，以及嵌入式软件和人机界面软件构成。（4）用热建筑群（或单体用热建筑）节能单元配置自动控制单元，实现运行参数、运行状态参数及故障信号等各类参数的采集：采集进楼供热管道的供回水温度、供回水压力、流量、热量；采集建筑内有代表性的室温；按多种程序设定控制模式，通过电动调节阀对进楼供热流量进行调控，确保其运行在设定范围内。值班巡检人员可通过人机界面，对站内设备进行监视、控制及操作。GPRS无线数据传输器，把供回水温度、供回水压力、流量、阀门开度等工况数据传送到监控中心；在联网自控控制状态下，监控中心可遥控本用热系统的运行模式。用热建筑群或单体用热建筑自动控制设备主要由DDC智能控制器、液晶显示器（或触摸屏）、温度变送器、压力变送器、电动调节阀等设备，以及嵌入式软件和人机界面软件构成。（5）通信网络主要由GPRS无线网、以太网服务器、路由器和相关软件构成。3.3 监控中心的主要功能3.3.1 设备配置监控中心由监控机主机1台、数据库服务器1台、监控工作站（可选）、打印机等设备组成。详见监控中心设备配置表。3.3.2 监控管理软件本方案的上位机管理软件，采用WINDOWS环境下的通用型工控软件和编程技术，运行在基于以太网结构和TCPIP协议的网络环境，可实现全系统联网控制。本方案选用组态王软件，功能强大，运行环境适应广泛，带加密锁，带WEB发布功能，可实现多达50台电脑共享监控数据的功能。监测点可为无限个点。所有的换热站通过GPRS无线通讯方式与监控中心计算机相连。若某一控制器发生故障，监控系统也可保持正常运行，而不会对整个监控网络产生不利的影响。现场控制器具有通讯功能，并且采用开放的通讯协议，具有GPRS通讯口，支持TCP/IP协议。控制器能将现场的设备运行情况传送到监控中心供分析处理，同时可接收监控中心传送的指令进行控制和调节，如控制参数的调节，并支持现场修改控制器内部数据功能。 供热参数实时监测：本监控软件通过与数据采集站的通讯接口，将现场数据采集到实时数据库中，实时采集各换热站一次网、二次网的运行数据，包括供回水温度、供回水压力、供水流量和热量、水箱水位、补水流量、介质流向、巡检记录、循环泵启停状态、补水泵启停状态或变频器频率（阀门开度为预留参数）等参数。 地理信息功能以地图方式显示整个管网的地理分布、管路管径（包括变径）、分布、走向及其阀门井室位置、阀门型号、规格等相关信息，并且实现图形化地图显示换热站、热源的工艺流程及运行参数。按地理位置点击换热站图标，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。 故障诊断及处理本软件可对各数据采集站及通讯线路的工作状态进行在线查询和分析，当发生故障时，产生报警信息，提示操作人员对发生故障的设备进行恢复和处理。 运行参数、设备参数及图形显示用图形实时显示各站设备的运行工况。图形包括系统总图、子系统图等，依照系统实际情况，在相应位置显示各点的运行参数、设备参数等详细信息。所有模拟图形具有动态显示效果。 显示平面图实时绘制整个热网一次网温度、压力、流量的平面棒图。便于分析全网水力平衡状态。 报警功能当各种运行参数超过设定范围时，以声光形式报警，提示操作人员进行报警处理。各种报警能及时在屏幕中显示，记录在报警数据库中，形成报警日志，并可对报警信息进行排序和检索，方便以后的事故分析。报警信息具有优先权。 多级用户权限管理系统中系统管理员具有最高权限，可以设定多级的用户权限。用户根据权限行使不同的职能。用户登录超过一定时间，可自行注销该用户登录，避免其他人员使用此权限进行系统操作。用户的一切操作过程在报警记录中以事件的形式显示，便于事故的追忆与分析。 安全性监控系统软件具有防止各类计算机病毒侵害的措施，并按时进行数据库的备份，防止数据丢失。系统限制用户使用系统键，任务切换键，只有系统管理员具有退出权限，保证系统连续稳定运行。新建的20个换热站完成了如下功能：（1）采集各换热站一次网、二次网的运行数据，包括供回水温度、供回水压力、供热流量、热量、水箱水位、排水沟水位参数；采集变频器转速、状态、故障；循环水泵及补水泵的工作状态、故障；补水压力、水箱液位监测、阀门开度监测数据。（2）在新建的全自动化控制站加装大屏幕真彩触摸屏，在触摸屏中安装组态软件，实现温度、压力或水泵电机转速的设定，系统按设置的曲线自动化运行；当设定在自控状态时，DDC控制器根据自动控制程序或监控中心的遥控指令，控制水泵电机的启停、水泵电机的转速及阀门开度，使供暖温度保证在设定值内。（3）当供回水温度、压力、流量、热量出现异常，设备状态出现异常或发生故障时，可编程控制器根据预置的程序发出声光报警讯号，同时，通过 GPRS DTU 上传给监控中心，提示值班人员及时处理。（4）实现远程控制，在控制中心对自动化换热站进行遥控。自动化换热站的控制模式：（1）离热源厂较近的换热站，热力充足，往往过量供热，住户温度很高，居民在家中穿着单衣还开着窗户，浪费大量热能。这类区域，采用调节一次网供水流量的方式：根据回水温度，自动调节电动调节阀的开度，使一次网回水温度保持在预定值。为了保证全网的压力均衡，在调节一次流量的同时，还要限定一次水电动调节阀的最大和最小开度。（2）根据二次网回水温度，采用PID调节方式，控制二次循环泵变频器频率（控制循环泵流量），使二次网回水温度达到预定的设定值。二次水循环压力限定：为了保证最高端用户的供暖，在调节二次水温度的同时，还要限定变频器最小运行频率，以保证二次循环水的最小供水压力。（3）在离热源厂较远的管网末端，水温较低，水压不足，采用在一次网的水泵加压方式。（4）模糊控制：安装室外温度传感器，根据室外测量温度对应二次水温度的经验数值，根据室外温度调节二次水设定温度值。3.3.3 监控管理主机监控管理机可进行“上位机”与“下位机”的双向通讯功能，把现场的测量数据和计量数据送入实时数据库中，实时显示供热管路和各用热用户的用热状况，同时完成报警、数据统计分析、趋势曲线、历史记录、数据查询、检索、事故追忆等监控功能，并根据数据的变化用动画的方式形象的表示出来。监控管理机可实现以下功能： 可对全网的供热情况和用热情况进行实时记录、历史记录、检索查询和统计分析，并可自动生成多种管理和统计报表，自动完成贸易结算，进一步提高了供热管理的工作效率（具体要求见附后的报表说明）。 可实时完成网损热量的计算、统计和记录，并根据用热量的状况分摊网损热量，实时热损计算也为及时发现管网泄漏提供了有效的监测手段。 根据各换热站实际供热面积和供热量，实时计算单位热值和单位电耗等重要指标，当设定值超标时，系统发出声光警示，可保证系统高效节能。 长时间、大容量、标准化的数据记录，可实时查询近3年来的各项历史数据，通过备份可查询十年的数据，为供热系统运行过程的优化和对供热网运行的经济性进行综合成本分析提供大量的原始数据和信息。 事故报警记录和追忆功能对于所有监测点的温度、压力、差压参数可作周期的记录，并且自动记录各监测点的各种异常状况（停电、停汽、通讯中断、仪表故障、超限报警等），对监测点及通讯线路的工作状态进行在线查询和分析，当发生故障时，产生报警信息（可以语音、动画闪动等方式实现），提示操作人员对发生故障的设备进行恢复和处理。以备工况和事故分析时使用，也为热网的严格管理提供依据。3.3.4 系统组态功能监控管理机采用通用工控组态软件为用户进行系统的二次开发和扩展提供了冗余和良好的开发平台，同时在各采集点掉电后，数据仍然保持掉电前的状态。可完成下列报表的统计、数据保存及报表打印 日数据文件 日报表 月数据文件 月报表 热费统计表（其中热费统计表输出的项目有：累计供、回水流量、累计热量、单价、用热金额、不回水金额、总金额。完全满足统计用户每月用热应交费用的功能。） 热损统计表 季报表（同月报表，只是相应的各项为该季度统计值。） 年报表（同月报表，只是相应的各项为该年的统计值。） 分析表（此表供报表管理人员使用，具体内容由管理人员填写）。3.3.5 人机界面的特点 系统提供用于操作数据和非正常情况有效地通讯的操作界面，操作界面在Windows NT或WINDOWS XP环境中运行。在不同的运行环境中，该界面保持一致的外观。 该界面是交互的，全图形化的和基于图标的。 为减少操作人员的培训，该界面是基于视窗的形式。为使常用的操作简单易行，标准显示画面和用户定义画面上具有标准的工具条图标和下拉式菜单。 系统提供HELP文件来帮助指导操作人员。 操作界面以局域网方式与系统服务器连接。通过操作员界面，操作人员可以实现以下功能： 显示控制现场设备、了解报警信息及其优先级、启动报表打印、事件记录及存档、改变口令、在线生成数据库和彩色显示画面、监测通讯通道、系统参数组态。 系统的标准显示画面包括：报警摘要显示、事件摘要显示、点细节摸板显示、分组控制和分组趋势摸板显示、通讯状态显示、系统状态显示、操作员绘制画面显示。系统状态显示包括： 未被认知的报警点、已被认知的报警点、通讯故障、打印机离线。管理显示画面包括：总貌画面显示、分站流程图画面显示、报警摘要显示、事件摘要显示、控制调整画面显示、趋势画面显示、报表画面显示、通讯状态显示等。 系统状态显示包括：未被认知的报警点、已被认知的报警点、通讯故障等。3.4 各换热站的设备功能换热站的数据传输和自动控制系统,由DDC智能控制器、现场显示操作器、GPRS 通讯设备，以及原有的温度传感器、压力传感器、热能积算仪等设备组成。远程终端站通过现场的传感器和仪表采集换热站的运行数据，经现场DDC智能控制器的程序处理，再由GPRS 通讯设备将各种数据上传至到监控中心。如果换热站升级为联网自动控制，监控中心可对换热站进行远程监视和控制操作。可对循环泵、补水泵、电动调节阀等进行调控，确保其运行在设定范围内。3.4.1 数据采集数据采集由供热站的温度变送器、压力器变送器、热能积算仪、DDC智能控制器、数据接口转换器等设备组成。实现对现场一次/二次网运行数据，包括供回水温度、供回水压力、流量、热量；采集变频器转速、状态、故障；循环水泵及补水泵的工作状态、故障；补水压力、水箱液位监测、阀门开度监测数据的采集。3.4.2 DDC智能控制器DDC智能控制器的功能是根据设定的程序，对现场采集的一次/二次网运行数据进行处理。包括供回水温度、供回水压力、流量、热量；采集变频器转速、状态、故障；循环水泵及补水泵的工作状态、故障；补水压力、水箱液位、阀门开度监测数据等。把汇总处理的数据通过 GPRS DTU 上传给监控中心。当设定在自控状态时，DDC智能控制器根据自动控制程序或监控中心的遥控指令，控制水泵电机的启停、水泵电机的转速及阀门开度，使供暖温度保证在设定值内。当供回水温度、压力、流量、热量、变频器转速等数据出现异常，设备状态出现异常或发生故障时，DDC智能控制器根据预置的程序发出声光报警讯号，同时，通过 GPRS DTU 上传给监控中心，提示值班人员及时处理。3.4.3 触摸式操作显示屏一体化触摸屏以组态图方式显示设备工况、显示采集的所有温度、压力、流量以及设备运行状态数据。同时也可以按多种设定的程度模式控制水泵启停、水泵转速、水阀开度，实现分温、分时、分区供热智能化。3.4.4 GPRS无线数据传输器GPRS无线数据传输器基于ARM（高级RISC微处理器）平台、嵌入式操作系统，内置工业级GPRS无线模块；提供标准RS232/485数据接口；支持（多）点到多中心应用。通过中国移动或中国联通无线网络，GPRS无线数据传输器以短信通讯方式，有效地实现换热站设备数据与控制中心的指令的双向透明传输。GPRS无线数据传输系统易于搭建，不受距离限制。同时，GPRS无线数据传输系统具有通讯中断后重新恢复功能和重要通讯参数保护存储等功能，使得通讯网络系统运行更加可靠。3.5 供暖节能自动控制系统的设备配置监控中心的设备配置表序号设备名称设备功能描述数量1工控机CPU 酷睿2，内存 4G，硬盘320G，17寸液晶显示器1套2数据库服务器兼作WEB SERVER网络发布CPU 酷睿2，内存 4G，硬盘320G，17寸液晶显示器可在办公网络发布热网数据1套3工作站（可选配）DELL CPU 酷睿2双核，内存 2G，硬盘320G ，DVD刻录，三星21寸液晶可选多套4路由器4个端口1个5打印机（可选配）喷墨打印机或激光打印机可选6组态软件1套换热站的设备配置（1）换热站原有设备：7个板式换热器（5个大的板式换热器和2个小的板式换热器）；每个分区的二次侧的供回水管道上都装有压力和温度传感器，即：3个压力变送器、3个温度传感器；每个分区的管道上装有超声波流量计，即：3个超声波流量计。（2）实施后应满足的要求：每一个建筑物的主回水管上都要加装电动阀门，以便实现更加精确的控制。每一个建筑物电动阀门所在的主管道要有对电动阀门的旁通手动阀门，手动阀门的最大流量为电动阀门的1520%，这样，即使电动阀门关闭，散热片也不会因为温度过低而损坏。（3）换热站自动控制设备配置：序号设备名称设备功能描述数量1现场可编程控制器可以采集现场一次/二次网运行数据，包括供回水温度、供回水压力、流量、热量；采集变频器转速、状态、故障；循环水泵及补水泵工作状态、故障；水箱液位监测、阀门开度监测；并备有水阀控制、变频器转速控制输出端口预留；每个现场可编程控制器输入通道16个，模拟输出6个，开关量输出6个。2个2触摸式操作显示屏10寸液晶触摸屏，真彩色显示，嵌入式低功耗CPU为核心(主频400MHZ)的高性能嵌入式一体化工控机。该产品设计采用了高亮度液晶显示屏(分辨率640 480)，四线电阻式触摸屏(分辨率10241024)同时还预装了微软嵌入式实时多任务WINCE操作系统操作系统。触摸屏以组态图方式显示设备工况、显示采集的所有温度、压力、流量数据。同时也可以按多种设定的程度模式控制水泵启停、水泵转速、水阀开度，实现分温、分时、分区供热智能化。1个3温度变送器将PT100或PT1000铂电阻温度信号转换成420 mA信号输出4个4压力变送器将管网压力信号转换成420 mA 信号输出4个5流量变送器（或热量仪）将管网流量信号转换成420 mA 信号输出，作为热能计量的重要依据和参数。（如果用热量仪，数据交换采用RS485或RS232方式）2个6电动控制调节阀27GPRS DTU无线数据传输器数据传输管理，数据流量控制；重要通讯参数保护存储和通讯中断后重新恢复等功能；连接方便、即插即用、便于维护更换；性能稳定、环境适应性强；兼容多种数据中心软件，扩充性好；LED通讯状态显示，为调试提供了极大方便。1套8标准控制9工程辅材1批上述设备配置可根据要求增减。4 节能自动控制系统拟选设备简介4.1 DDC智能控制器方案拟选MCU系列DDC智能控制器，该产品是专为供热管网节能研发的，本人领导了研发的全过程并完成了软件配套。MCU系列产品与美国霍尼韦尔、江森、艾默生等自控品牌具有同等的功能和上乘品质，在与霍尼韦尔、江森、西门子的竞标时，体现极高的性价比和技术优势；MCU系列产品在上海世博会、奥运场馆和工业生产流水线上都有杰出的应用；XX华发热力公司换热站自控工程、大连市富丽华大酒店西楼自控系统是卓有影响的样板工程。MCU-1666型控制器的功能特点如下： 8个开头量输入、8个模拟量输入，共16个输入，适合现场各种信号的采集。6个开头量输出、6个模拟量输出，共12个输出。以9003换热站为例，配置 3个 MCU-1666 控制器，就具备了多功能输入通道 48 个，模拟输出 18 个，开关量输出 18 个，适合现场各种信号的采集，可以实现多种控制组合。MCU-1666型DDC智能控制器支持BACnet / Modbus协议，功能块式编程方式，不会出现语句错误，编程时直观准确，方便快捷。MCU-1666是汉字化编程软件，直观易学，并可免费升级。MCU-1666具有很强的抗干扰能力，特别值得一提的是在“北京长城润滑油公司生产线”、“徐州矿务局煤矿地热自动化控制工程”“XX华发热网监控及自控系统工程”项目中，MCU-1666型控制器在多台200300 kW变频电机的强干扰下，运行稳定，一切正常。本设计方案已经预留了 6台变频电机所需的 “启停控制、转速控制、状态信息”共 18 组输入和输出接口，以后实现自动控制时，不需要增加设备投资。4.2 一体化彩色液晶触摸屏（工控机）本方案设计为联网自动化换热站配置了10