换热站监控方案

换热站远程监控系统
沈阳凌控科技有限公司
1、概述
随着国民经济的不断进步和人民生活水平日益提高，社会对环境的要求越来越高。

近年来国家大力提倡城镇集中供热，改变原来各单位、各片区自己供热、单独建立锅炉房给城市带来的污染，由城市外围的一个或者多个热源厂提供热源，市内各片区建立换热站，统一给用户供热。

这样就大大减少了燃煤对城市环境的污染，同时也节省了能源，所以可以说这是一项即造福当代人民又造福后代子孙的伟大工程。

随着科学技术的日新月异，尤其是计算机、通讯技术的迅速发展，自动控制水平也得到了快速的发展和广泛的应用，尤其是在人们对供热质量的要求不断提高和能源紧张的今天，提高供热质量同时节约能源势在必行。

所以，目前各地供热公司新建换热站大多都是无人值守换热站，同时对老的换热站的改造也在向无人值守换热站靠拢。

供热系统是一个多参量、大滞后的复杂系统，供热系统综合节能控制技术，有针对性的解决供热系统热源、管网、终端用户三个部分实际问题，提供三个主要环节的信息化管理平台，实现了热源控制一体化，管网智能化，终端用户信息化；解决了系统整体过量供热，管网存在水力失调，室温存在冷热不均及锅炉冷凝水的问题，达到整个系统的节能目的；提高了供热品质及舒适度，延长了设备的使用寿命。

我公司研发的无人值守换热站远程监控系统是集现代计算机技术、自动控制技术和通讯技术为一体的，全面地监测热网的运行参数，控制热网的供热温度，为“按需供热”提供有效技术保障。

2、需求分析及设计目标
建立以热网控制中心为核心的一级或多级热网监控系统。

实现换热站的无人值守监控系统和巡检核查登记系统，是本方案所要解决的问题。

宏观掌握供热系统运行状况、运行质量。

保证供热系统的运行参数。

对热网的水力工况和热力工况进行全自动调节，解决各换热站的耦合影响，消除热网水平失调，平衡供热效果。

以节省总供热量为目标，在满足热网用户基本采暖要求的前提下尽量减少总供热量，从而达到提高经济效益的目的。

更好地进行供热系统设备的维护及管理。

及时检测报告供热系统故障，作到防微杜渐，防患未然。

为热网如何经济高效运行提供分析基础和分析依据。

通过记录的热网运行历史数据，在一个采暖期结束后与前期数据进行比较分析，查出主要能耗来源，为今后的节能挖潜改造提供条件。

3、设计原则
◇安全可靠稳定性原则
系统的安全可靠运行起着十分关键的作用，因此在系统建设过程中，将系统的安全、可靠、稳定性作为设计的首选原则。

终端应具备较强的抗干扰能力，严格全面的权限管理。

只有安全可靠的系统才能达到令人满意的结果。

在方案设计时，首先应考虑选用稳定可靠的产品和技术，使其具有必要的冗余容错能力，为用户提供高
可用服务。

要求系统在硬件配置、操作系统、以及系统管理等环节采取严格的安全措施，保证系统不受侵害。

◇先进性原则
系统采用先进成熟的具有当今国内先进水平的监测控制技术、控制器及应用软件，并具有完整的技术文档资料。

◇实用性原则
系统需要本着能够解决热网运行中存在的实际问题，进行整体规划，无论是网络体系、通信系统、硬件平台及软件功能，必须能够满足整个热网管理的需求。

力求完善化、科学化；用户界面设计友好，易于理解、易于掌握、便于操作。

◇可扩充性原则
应用软件的设计应逻辑结构清晰、易读。

在功能的划分和设计时，尽可能相对独立、减少相关性，以易于扩充、维护和修改。

采集控制器应充分考虑其独立性和扩展性，使设备配置和系统扩展有更大的自由度和灵活性。

为热用户的日益增长，预留较大的扩展空间。

系统不但要能满足现阶段的业务要求，而且要能满足将来业务的增长和新技术发展的要求，要在原有设备继续发挥作用的基础上，保证用户能方便地增加或调整设备，改善系统功能和性能，支持将来系统不断更新和便于升级，从而保护原有投资。

主机系统应具有良好的可扩展能力，满足不同规模计算环境的要求，并且
能提供多种升级途径，给业务的不断发展创造条件。

缩放性是企业网结构要求中最重要的一个方面。

企业业务的快速变化，用户不可预测的需求都要求系统结构能适应这种情况。

这就意味着我们在最初设计中，投资重点要放在一个可缩放的结构上以及支持它的相关的软硬件。

◇兼容性原则
底层系统、数据库、采集控制器、通讯方法、网络协议都采用国际标准或统一标准，使得系统的兼容性大大提高，只要遵循统一标准，任何厂家的设备都可以接入该系统。

◇经济性原则
在满足系统需求的基础上，力争用最少的资金，获得最大的经济效益和社会效益。

经济性原则不仅体现在设计过程中，而且要为系统今后的维护降低成本打下基础。

4、系统解决方案
一个完整的热网监控系统在物理层面上主要由四部分组成：监控中心、通讯网络、现场监控设备、一次仪表；在软件层面上主要包括三部分：现场控制软件、通讯软件、中央监控调度软件。

热网监控系统采用分布式计算机系统结构。

目前在国内，对于供热系统的计算机监控方式，有两种不同的思路：一种是采用中央集中式监控方法；另一种是采用中央与本地分工协作的监控方法。

前一种方法是中央独揽大权，换热站只有测试仪表和执行机构，它的功能只是参数和指令的上传下达，换热站现场控制器不做自动调控的决策功能。

这种方法对中央监控软件的功能要求比较高，当热电厂不是“以热定电”即当热电厂供热量不足时，能进行流量的均匀调节，但其灵活性差，局部故障容易影响全局的正常运行。

例如，当中央调度室发生通讯故障的时候，整个热网的调节就全部失灵了。

第二种方法，即中央与本地分工协作监控方法，其供热量的自动调节决策功能完全“下放”给本地的热力站机组，中央控制室只负责全网参数的监视以及总供热量、总循环流量
的自动调控。

这种方法比较灵活，故障率少，容易适应热网不同建设期的需要。

第二种方法概括起来也可以叫做：“中央监测，统一调度，现场控制”。

这种方法经过我公司多年的实际工程经验积累，从现场控制硬件设备和控制软件到中央监控软件已经非常成熟，并在国内多个热力系统得以成功应用，是我公司极力推荐的系统结构模式。

由我公司自主开发研制的远程监控系统所采用的语言全部为中文，所有的现场控制器操作和上位机操作界面均为中文。

4.1 热网监控中心
热网运行管理软件安装在作为监控中心的服务器上，该服务器将采集现场控制机的数据，监测现场控制器的运行情况并指导操作员进行操作。

服务器定期从现场控制机采集数据以保证其数据库不断更新。

服务器还向现场控制器发送控制和参数设置指令。

操作员从控制中心通过该系统能够方便地得到子站运行的数据并向子站下达指令。

热网监控软件是热网监控系统的中央监控软件，是专门针对热力企业开发的一套专业软件，除了具备通用组态软件的功能外，更多的侧重于提供专业性的分析、优化决策功能，基本功能如下：
➢完善的系统组态：站点、图形、数据、数据库、设备、报警、以及趋势图等功能的组态
➢优秀的视窗人机交互界面，用户使用更加方便
➢直观的地图显示功能，以地图的方式根据各热力站的地理位置进行热力站的查找、浏览，实时图形化显示各换热站、热源的工艺流程及运行参数。

图形界面可以支持拖动、放大、缩小等操作，方便浏览。

➢动态显示各热力站的工艺参数，监测画面可以显示该站内所有测点数据，包括模拟输入/输出点，数字输入/输出点，并标明每个过程点的文字说明、数值、工程单位等基本属性。

➢监控中心定时统一发送控制策略给各热力站，并提供一致的室外温度指导热力站的运行调节。

当通讯故障时，各热力站采用站内的室外温度进行调节。

➢接收来自各现场控制机的事件报警，监控中心可以实时接受来自各热力站的报警信息，并提示操作人员进行报警信息处理。

同时记录所有报警信息，形成报警日志，可以方便进行报警信息查找，如下图所示：
➢根据要求，输出生产报表和管理报表；
➢收集数据信息建立历史和管理数据库；
➢实现现场数据远程调用、存储、对过程状态进行显示；
➢利用局域网、GPRS等实现在任何地点时间采集浏览现场数据，并根据不同权限对现场进行远程控制和调整；
➢实现热力站数据监测和企业信息管理系统的相互融合。

➢专业化的分析、统计功能，方便管理者了解系统运行状况
➢先进的报警管理功能
➢扩展的历史数据及趋势记录，收集所有采集的数据信息并建立历史数据库，要求显示所有运行参数如温度、压力、流量、热量等的历史趋势曲线，并可以选择同类参数进行比较分析。

➢标准和自由格式的报表生成，可形成日报表、周报表、月报表等多种报表
格式，并给出所有热力站的重点参数汇总报表，支持报表定制功能。

➢支持多种用户权限管理，充分保证系统的安全、可靠性，示例如下：➢丰富的应用开发环境，根据客户需要，可实现定制和二次开发。

最主要的特点是完全采用B/S结构设计，支持远程网络访问、远程控制、远程维护，使得公司管理层、运行维护人员不管处于什么地方，只要能通过电话或Internet访问服务器，即可将热网运行状况了然于胸。

主要监控画面和历史曲线、报表格式摘录部分实际工程界面如后附各图所示：
5.系统方案
5.1系统结构设计
本系统整体网络如下：
系统整体网络图
本系统分动态环境监控和视频监控两部分设计，系统详细设计如下：
5.1.1动态环境监控部分
●本系统由集中监控中心和换热站现场监控单元组成；
●本系统采用视频监控网络进行传输，系统采用IP网络组网方式，使用双网卡，与视频监控网络设置不同网段，做到网络隔离。

●集中监控中心设置在兴鼎公司办公区，实现所有供热机房动态环境系统集中监控。

集中监控中心通过周期性地采集各监控单元(SU)传来的各类信息, 对信息进行数据处理、存储、参数设置、告警管理,具有实时作业和历史数据处理功能,能同时监视辖区内监控单元的工作状态.
5.1.2视频监控部分
每个换热站有一路视频图像监控，接入动态环境监控中心，视频监控系统结构如下图：
视频监控系统结构图
说明：
●每个换热站一套红外半球摄像机，接入供热站硬盘录像机；
●通过换热站网络传输至视频监控中心;
●从视频监控中心交换机敷设网线传输至动态环境监控中心，并设置权限
只查看供热机房视频图像。

5.2系统建设
本次系统建设主要包括以下几个方面：
5.2.1换热站监控
换热站需要安装1台红外半球摄像机接入供热站硬盘录像机，通过视频监控网络传输到视频监控中心，在监控中心通过软件设置将供热机房视频图像接入办公楼动态环境监控中心。

5.2.2监控中心建设
在办公楼建设动态环境监控中心，设置LSC服务器、数据库服务器、动态环境监控终端、告警控制器及告警灯等设备。

将所有换热站动态环境监控系统及所有换热站视频监控图像接入到动态环境监控中心，通过动态环境监控终端可以实现所有供热机房的数据检测、存储及告警处理等所有系统或能。

5.3办公区楼机房监控
兴鼎公司办公大楼机房现在已经安装视频监控及红外移动，并且接入了兴鼎公司办公区视频监控系统，现在需要将的视频监控系统通过网络接入到办公楼动态环境监控中心，并设置权限在动态环境监控中心只能查看办公楼机房视频图像；同时在办公楼机房建设动态环境监控系统，接入办公楼动态环境监控中心，实现办公楼机房动态环境及视频的集中监控。

6．控制方案
6.1 换热站测点
换热站由水-水换热器组成的换热系统、循环水泵组成的循环水系统、补水泵组成的补水系统来构成。

在控制过程中，需要采集大量的物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数，通过PLC控制器对这些参数进行实时采集和处理。

换热站PLC控制系统对一次网的电动调节阀、二次网的循环系统、补水系统等控制对象实施自动控制，即实现换热站系统的全自动控制。

无人值守换热站的自动控制系统主要完成数据采集、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。

供热节能系统（水-水交换图）
●换热站数据采集
将站内的温度、压力、流量、水箱水位、电动调节阀状态、补水泵的启停状态、循环泵电流、电压、报警等参数采集、显示并上传监控中心。

换热站监控参数包括：
●一次网的供/回水压力、温度
●一次网的流量、热量、累积流量、累积热量
●二次网供/回水温度、压力
●补水流量、累计流量
●水箱液位
●循环泵电流；
●补水泵电流；
●二次网回水泄压电磁阀状态；
●补水电磁阀状态；
●补水流量
●循环水泵和补水泵的启停及运行状态等；
●运行参数的越限报警；
a二次侧供水压力过高
b二次侧供水温度过高
c二次侧回水压力过低
d二次侧回水压力过高
e水箱水位超高、超低
f循环泵电流高报警
g循环泵缺相报警
h停电报警
i 自来水停水报警
●换热站设备组成
换热站设备由PLC控制柜、现场仪表、执行机构、二次显示仪表及GPRS DTU等组成。

⏹PLC控制器
PLC控制器具有高可靠性和高稳定性。

该系统由CPU模块、模拟量输入模块、显示模块、+24V电源和控制箱等组成。

⏹温度变送器
温度变送器分室外温度变送器、工艺管道温度变送器。

室外温度变送器：测量范围-50℃至 +50 ℃；感温元件Pt100；电源电压24VDC输出信号4-20mA。

工艺管道温度变送器：测量范围0℃至 +150 ℃；感温元件Pt100；
电源电压24VDC输出信号4-20mA。

⏹压力变送器
压力量程1.0 MPa（1.6 MPa）、精度等级优于0.5级；工作电压24VDC 输出信号4-20mA。

⏹液位变送器
量程3米、精度等级优于0.2级；工作电压24VDC输出信号4-20mA。

⏹电动调节阀
换热站作为量调（或质调）用的电动调节阀其重要性毋庸置疑，能否达到用户满意的调节效果及节能降耗效果，电动调节阀的选用至关重要。

选用电子式电动调节阀，供电电压为220VAC，输入4~20mA，反馈4~20mA。

同时电动调节阀应具有以下几个特点：
⏹流量热量计
流量计选用电磁流量计，测量热量配对铂电阻。

流量计要求：测量介质导电率＞20uS/cm，精度 1.0级以上，工作温度-25~150℃，220VAC50 Hz供电，RS-485接口，4~20 Ma输出功能。

⏹GPRS DTU
GPRS DTU用于传输信号的无线通讯模块。

兴鼎热力换热站测点表
换热站测点明细表
6.2 控制方案
总体控制方案就是在保证系统的循环水量按供热面积平均分配的前提下，实现均匀供热，同时保证用户室温基本合格。

换热站站一次网的循环流量设置高限报警，亦即系统的控制是在该流量不能超过设定值的前提下进行，一旦该
流量超过设定值，那么控制流量成了最优先的事情。

一般适合在一次网供汽压力不高的场合，用户侧的温度通过调节阀门来调节，压力通过循环水泵变频定压控制；
在一次网的供汽压力较高的场合，用户侧温度通过循环泵变频辅以调节阀来调节，电动阀控制一次网的流量，流量不能超过设定值。

参数设定值显得非常关键，非常关键的参数有：
各站一次网循环流量
用户侧供水压力
用户侧供水温度
这是需要实际摸索或依据热力公司运行管理人员的经验。

将所得的经验值直接在中控室下发，可以改其中的某几个站，也可以全部修改设定值。

下面主要分析温度和压力控制的设定模式。

6.3 温度设定控制
二次网供温控制有直接设定控制、室外温度补偿控制等多种控制模式。

其中直接设定控制指在现场控制设备操作界面上运行人员根据经验直接设定合适的二次网供水温度，然后控制设备通过调节一次网电动调节阀保证二次网供水温度达到设定值；室外温度补偿控制则根据室外温度的变化，随时调整二次网供水温度，既可以通过对照查表，也可以通过设定曲线的方式实现。

换热站温度控制主要是实现室外温度补偿的供热量和需热量一致的调节，在控制器的程序中有四种方法，用户可以根据需要自行选择：直接固定二次网供水温度法、带室外气候补偿的二次网供水温度或回水温度或二次网的供回水
平均温度经验法、带室外气候补偿的二次网供水温度或回水温度或二次网的供回水平均温度公式法、分时段修正法。

以下仅以二次网供水温度为例进行描述，回水温度或平均温度类似。

这些设定值可以在中控室直接发出。

直接固定二次网供水温度法就是不管室外温度如何变化，二次网的供水温度均保持不变，该方法简单不加描述。

分时段修正法用于以下几种场合：有的建筑物白天有人晚上基本无人，如学校等可以分时段运行；即使在相同的室外温度情况下，晴天、雨天、雪天、风力大等等，建筑物的耗热量是不同的，因此二次网的供水温度值应设定不同值，所谓修正是指分时段运行场合的二次网供水温度与设定值之间的偏差，这样可以更加经济运行。

如下图所示：
分时段调节曲线
室外温度补偿（经验法）
随室外温度变化，改变二次供水温度的设定值，并以该设定值作为调节目标调节一次阀。

室外温度补偿
按设定的换热站设计参数（设计室外温度、室内温度、供水温度、回水温度、散热器参数等），计算出在不同的室外温度下适合的二次供回水平均温度，并以该平均温度作为调节目标调节电动调节阀。

对有的集中供热管网，一次网的回水温度不希望高于某一个值，例如北京热力公司一次网的回水温度就不能高于60°C，过高温度的回水直接回到电厂也是一种能源浪费，因此根据一次网的回水温度高低来辅助调节一次网的电动调节阀，保证回水温度不高于60°C。

6.4 压力设定控制
二次网系统的最佳调节是质量并调，即在改变二次网温度的同时二次网循环流量也随之改变。

系统流量也随着用户的供热量而变化，主要是通过加压泵变频器来实现。

压力（或二次网循环流量）控制方法：根据二次网的供水压力或供回水压差来控制二次网加压水泵的运行频率，实现二次网的流量变化。

6.5 补水泵的控制
具有恒压补水功能，可根据二次网系统设定的补水压力值自动控制补水泵的转速，压力控制稳定；
补水箱缺水自动保护功能，在补水箱缺水时自动停泵并打开自来水电磁阀，防止补水泵空转烧毁。

6.6 换热站故障报警
当换热泵站出现下列异常时，系统会自动报警，并上传给监控中心，并依据故障的程度判断是否自动停止系统运行，并关断相应的阀门。

供水压力过低—停止工作
换热站内温度过高整套系统停止工作
二次供水温度过高—关小阀门或增加循环泵运行频率
二次供水压力过高—关小阀门或降低循环泵运行频率
二次回水压力过低—系统失水，增加补水泵频率
失水量大，整套设备停止工作
换热站故障，比如停电、各种现场设备故障。

7、监控中心管理系统
在中央控制室的安装了监控中心远程监控管理系统，该系统主要用于监控和调整各个换热站运行，包括以下几个方面的内容：
●工艺流程总图显示
在画面中通过编程实现模拟显示整个换热站现场进汽供水的全过程，并且在换热器本体上实时显示各工艺段的运行情况，包括该工艺流程图、所有的设备状态、所有的工艺参数以及各控制回路的详细参数等。

以便于操作者能及时准确的掌握换热站的具体运行情况，能够对现场设备的故障进行实时诊断。

●调节回路显示
包括所有调节回路，可修改设定值、控制方式、调节参数等。

●设定值显示、报警记录
包括所有调节回路及顺控回路等的设定值、控制方式、调节参数及报警值等。

对于如进水流量、供水压力、回水压力、供水温度、循环泵三相电流、电压等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，立即进行声光报警，通过报警一览表对话框可以检查报警超出的范围以及错误来源，并对此采取相应的措施。

●标准功能画面显示
包括实时报警显示、历史报警显示、趋势曲线显示、操作记录显示等。

●报表显示和打印
用户可以随心所欲地编制各种各样的报表。

●历史数据的存储与检索
对重要的数据进行在线存储。

可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式来检索历史数据。

●历史趋势
在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。

●远程组态
在监控计算机上可以对换热站的运行方式进行远程组态，必要时直接远程操作换热站的设备，如停泵、调整调节阀开度等工作。

此项功能需要较高的工程师权限，一般工作人员不能使用。