RTU在油田礦區(qū)供熱系統(tǒng)中的應用
發(fā)布者：管理員 發(fā)布時間：2013-05-26 22:42:43 瀏覽次數(shù)：
1．概述
在油田礦區(qū)供熱系統(tǒng)中，生產(chǎn)廠房、辦公樓和居民住宅區(qū)之間地理位置比較分散，造成了供熱面廣，熱力點多、熱損失大的特點。給供熱系統(tǒng)的操作及生產(chǎn)管理帶來許多困難。供熱站采用遠程測控終端（RTU）技術(shù)后，與中心鍋爐房的DCS構(gòu)成一套SCADA系統(tǒng)。其功能是通過中心站全面了解整個供熱系統(tǒng)的工藝參數(shù)，為供熱管理人員提供集中供熱系統(tǒng)的運行狀態(tài)，幫助工作人員選擇合適的運行方式，進行優(yōu)化生產(chǎn)和運行，實現(xiàn)過程檢測和控制及生產(chǎn)管理自動化。取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。
2．系統(tǒng)描述
集中供熱已經(jīng)成為北方城市冬季采暖的主要供熱形式，也是節(jié)約能源、保護環(huán)境、實現(xiàn)城市現(xiàn)代化的重要措施。遼河油田近兩年來在礦區(qū)供熱系統(tǒng)經(jīng)過一系列技術(shù)改造，進行了熱電廠擴建和油改煤工程，使中心地區(qū)和部分外圍地區(qū)實現(xiàn)了集中供熱。但由于供熱地域大、用戶比較分散，造成了熱力點多且相距較遠,給供熱過程參數(shù)檢測和控制及管理帶來一定的困難。在歡喜嶺地區(qū)集中供熱工程中由于采用了RTU技術(shù) ，很好解決了這一難題，保證區(qū)域供熱在安全、合理、經(jīng)濟的條件下運行。集中供熱工程采用了SCADA系統(tǒng)，整個系統(tǒng)分為三級，即第一級---控制管理級（主控中心即中控室），設在鍋爐中控室；第二級---過程控制級（PLC、RTU），分別位于中控室控制柜和各供熱站處；第三級---現(xiàn)場就地控制級，即為就地測控儀表設備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如所示。
3.供熱系統(tǒng)中央控制和RTU控制原理
3．1 供熱系統(tǒng)中央控制
集中供熱通常采用的方法是根據(jù)二次網(wǎng)的供水溫度，調(diào)節(jié)一次網(wǎng)流量，進而控制二次網(wǎng)的供熱量。但是，從溫度調(diào)節(jié)的基本關(guān)系式可知，只有當二次網(wǎng)的循環(huán)流量是設定流量時，二次網(wǎng)的供水才是室外氣溫（亦即熱負荷）的單值函數(shù)，此時調(diào)節(jié)二次網(wǎng)的熱水溫度相當于調(diào)節(jié)了二次網(wǎng)的供熱量。由于存在冷熱不均的失調(diào)現(xiàn)象，要保證二次網(wǎng)流量按設計條件運行是很困難的，供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)的流量是在大流量的工況下運行的，此時按照二次網(wǎng)的供水溫度進行自動調(diào)節(jié)，二次網(wǎng)必然是過熱的，將造成熱能的浪費。
在沒有實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的狀態(tài)下，變頻調(diào)節(jié)普遍存在工況失調(diào)現(xiàn)象，導致熱用戶冷熱不均。為了滿足冷偏用戶的供熱要求，不斷地提高系統(tǒng)的供水溫度，實際上是提高了各用戶的平均溫度，很顯然，這種措施本質(zhì)上是靠增加熱源總供熱量來改善供熱效果的，實際上并沒有縮小最熱用戶與最冷用戶之間的室溫差別，因此，達不到消除系統(tǒng)熱力失調(diào)的作用。解決系統(tǒng)熱力失調(diào)的主要方法是調(diào)節(jié)各個熱力站一次網(wǎng)供水閥門，使各熱力站的流量與它所需供暖面積的比例相同。
均勻性調(diào)節(jié)可將外網(wǎng)的調(diào)節(jié)與熱源的調(diào)節(jié)，分為兩個獨立環(huán)節(jié)分別單獨進行，相互之間基本互不干擾。外網(wǎng)調(diào)節(jié)的目標是實現(xiàn)均勻化供熱，而總的供熱效果則通過對熱源的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，熱源的調(diào)節(jié)可根據(jù)室外天氣溫度、回水溫度及負荷情況進行調(diào)節(jié)。利用氣象預測和歷年氣象統(tǒng)計資料進行計算，繪制出溫度調(diào)節(jié)特性曲線指導供熱，當熱源的供熱量和外網(wǎng)的需熱量不一致時，依靠自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)來維持供熱的均勻性。
按上述的調(diào)節(jié)方法進行設計，將具有很強的通用性。不管是大流量運行，還是變流量運行，只要根據(jù)全網(wǎng)溫度設定值控制二次網(wǎng)的供、回水平均溫度，就能實現(xiàn)供熱量調(diào)節(jié)，既實用又方便。
熱網(wǎng)的運行狀態(tài)總是會有一些變化，例如，在不同的月份可能供水溫度不同，熱源發(fā)生故障時可能會減小總供水量或是熱力站擴大面積使負荷增加，遇到這些情況，控制系統(tǒng)都能自動調(diào)節(jié)熱網(wǎng)的運行狀態(tài)使之適應新的變化，而不需對控制系統(tǒng)作任何調(diào)整。隨著室外環(huán)境溫度的變化，為保證供熱效果，熱源需進行統(tǒng)一調(diào)節(jié)。這時，可以隨室外環(huán)境溫度降低而升高供水溫度，也可提高總的出水流量，無論采用哪種方式，都是全面地升高或降低各熱力站的采暖效果，不會改變其均勻性。只有當個別熱力站二次管網(wǎng)發(fā)生變化，新增添或關(guān)閉一些用戶，管網(wǎng)做某種調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換時，才需地對相應熱力站及相鄰幾個熱力站的供水閥門進行調(diào)節(jié)。
3．2熱力站RTU控制原理
系統(tǒng)采用中央控制，即通過計算機網(wǎng)絡將各熱力站的RTU連在一起。中央控制系統(tǒng)是在全網(wǎng)統(tǒng)一監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以各熱力站二次網(wǎng)的供、回水平均溫度彼此一致為調(diào)節(jié)目標，各熱力站的RTU將一次儀表測量出的二次網(wǎng)供回水溫度，計算全網(wǎng)調(diào)節(jié)均勻后的供、回水平均溫度值，并將此值發(fā)送到各熱力站RTU作為設定值進行具體的調(diào)節(jié)。保證各熱力站間的均勻供熱，這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度高，控制效果好，熱網(wǎng)的平均失調(diào)度可控制在最低的水平，因而節(jié)能效果也最明顯，這種均勻調(diào)節(jié)一般不會導致系統(tǒng)振蕩。
只有二次網(wǎng)的供、回水平均溫度才是室外氣溫（亦即熱負荷）的單值函數(shù)，而與二次網(wǎng)的循環(huán)流量大小沒有關(guān)系。也就是說，不管二次網(wǎng)循環(huán)流量的大小如何，只要二次網(wǎng)的供回水平均溫度一定，二次網(wǎng)的供熱量就一定。因此適合我國國情的二次網(wǎng)的供熱量的調(diào)節(jié)，應該是二次網(wǎng)的平均溫度，而不是二次網(wǎng)的供水溫度。各熱力站的RTU將檢測供回水溫度基本上反映了該熱力站所負責建筑的平均室溫。如果將各個熱力站的二次網(wǎng)供回水平均溫度調(diào)為一致，則可以近似認為采暖房間的室溫是彼此均勻的。
各熱力站的RTU根據(jù)主機所發(fā)出的命令，圍繞本站的二次網(wǎng)供、回水溫度的設定值，采用PID算法進行自動調(diào)節(jié)。由于各熱力站的供熱面積、用熱情況、地理位置等不同，以及室外氣溫的變化，二次網(wǎng)的回水溫度是一個非常重要的指標，RTU通過現(xiàn)場儀表測量本站熱工參數(shù)，并遠傳到中控室的主機，這些數(shù)據(jù)直接反映此站所供用戶的整體耗熱情況。若為了保證冷偏用戶達到要求而以二次網(wǎng)的回水溫度來調(diào)節(jié)，則會造成過熱用戶的浪費和熱源不足。另外各熱力站所帶的供熱面積不會經(jīng)常改變，并且各建筑物的負荷主要由室外環(huán)境溫度所決定。因此，隨室外環(huán)境溫度變化，各熱力站的熱負荷同步升高或降低，各熱力站間熱負荷之比基本不變。因此，系統(tǒng)一旦調(diào)節(jié)均勻，就基本能夠保持整體平衡，而且各熱力站調(diào)節(jié)閥門動作的頻繁程度較低，這樣系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行。
遠程自動：中控室協(xié)調(diào)控制，將二次網(wǎng)供回水溫度平均設定值發(fā)往各熱力站，進行全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)。在熱源不足時，實現(xiàn)熱量均攤。
遠程手動：特殊情況下，在監(jiān)控中心計算機上直接對某一熱力站閥門的開度進行調(diào)節(jié)，控制閥門的開度。
就地自動：在熱源充足的情況下，各站現(xiàn)場控制機根據(jù)本站供回水溫度平均設定值，就地調(diào)節(jié)閥門，保證溫度恒定。
就地手動：當通訊系統(tǒng)或本站現(xiàn)場控制機出現(xiàn)故障時，由人工手動調(diào)節(jié)閥門。
4．系統(tǒng)構(gòu)成、配置及功能
4．1 系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)采用先北京安控公司的鍋爐DCS系統(tǒng)及遠程測控終端等硬件設備和工控組態(tài)軟件構(gòu)成。系統(tǒng)大致分為中控室的服務器、工程師站和操作員站、各熱力站的RTU（遠程測控終端）、通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)和一次測控儀表。熱力站監(jiān)控系統(tǒng)由RTU、一次測量儀表電動調(diào)節(jié)閥及其它執(zhí)行機構(gòu)等設備組成。RTU可獨立完成測量、控制、通訊、數(shù)據(jù)處理、顯示、操作等任務。各RTU之間、RTU與中控室之間相互協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)整個熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能。
4．2中控室任務
中控室通過通訊系統(tǒng)采集現(xiàn)場熱力站的RTU上傳數(shù)據(jù)，并將這些參數(shù)進行在線存儲、處理分析、報表打印，并根據(jù)運行工況將調(diào)度命令下發(fā)給RTU，完成對整個熱網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度。根據(jù)用戶的熱力需求分配熱網(wǎng)內(nèi)各熱力站所需熱量，同時確定其運行方式，平衡全網(wǎng)的供熱需求，保證區(qū)域供熱在安全、合理、經(jīng)濟的條件下運行。
4．3中控室的硬、軟件配置及功能
1）中控室硬件：
兩臺冗余備份的工業(yè)控制計算機；操作員站；操作臺；報表打印機；控制柜；控制器、電源模塊、通訊模塊、I/0模塊；UPS電源等。
2）中控室軟件：
操作系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)選用Windows2000 server。
監(jiān)控系統(tǒng)軟件：選WinCC/Intouch/組態(tài)王應用軟件、監(jiān)控軟件仿真軟件和其它冗余軟件。
編程軟件：選用VisualC++和offices2000,進行通訊軟件和其它管理軟件的開發(fā)。
組態(tài)軟件Espider（開發(fā)\運行版）：運用組態(tài)軟件，用戶可以方便地構(gòu)造適應自己需要的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，編制系統(tǒng)流程圖、數(shù)據(jù)表格、報警畫面、控制畫面，在任何需要的時候把現(xiàn)場的信息實時地傳送到中控室，并實時地把控制命令發(fā)送到現(xiàn)場RTU保證信息在全網(wǎng)范圍內(nèi)的暢通。
監(jiān)控系統(tǒng)軟件可根據(jù)用戶的技術(shù)要求實現(xiàn)以下功能：
1、 控制和算法組態(tài)
控制和算法組態(tài)在RTU中完成，RTU支持梯形圖、標準C兩種編程語言，梯形圖組態(tài)用以生成系統(tǒng)所有回路連續(xù)控制算法、順序控制算法、特殊處理算法及統(tǒng)計算法。
2、 圖形畫面組態(tài)
圖形畫面組態(tài)工具可方便地繪制出應用系統(tǒng)所需的各種總貌圖、流程圖和工況圖，并可以靈活的生成多種動態(tài)顯示方式。
3、 實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)
用來定義各個數(shù)據(jù)點，進行信號采集與轉(zhuǎn)換、報警設置、顯示、集中數(shù)據(jù)管理等任務。實時采集各熱力站一次網(wǎng)、二次網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)，包括供回水溫度、供回水壓力、補水流量、閥門開度、水箱水位、巡檢記錄、防盜報警、循環(huán)泵和補水泵啟停狀態(tài)及等參數(shù)。建立數(shù)據(jù)庫，對各熱力站實時參數(shù)進行采集儲存，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，曲線顯示，并可生成各種趨勢圖。
4、 歷史數(shù)據(jù)庫組態(tài)
可方便地定義需保留的工位點、中間量點、采樣間隔以及保留時間長度等。
5、 實時及歷史趨勢分析
系統(tǒng)提供了靈活的分析畫面，可以根據(jù)需要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)點進行準確的趨勢分析。
6、 過程報警、打印及存儲
多種報警級別，可按物理位置或類型查詢報警信息，采用多媒體技術(shù)報警，在線打印報警信息，存儲報警歷史信息。當某一模擬量（如溫度、壓力、流量、閥門等）測量值超出給定范圍或某一設備發(fā)生故障時，可以聲光形式報警。各種故障能及時在屏幕中顯示，并被記錄在報警數(shù)據(jù)庫中，并可對報警信息進行排序和檢索，方便以后的事故分析。
7、 報表生成及打印
系統(tǒng)提高了多種報表打印方式。可以隨機打印、定時打印，報表可以直接顯示在操作系統(tǒng)的顯示屏上。報表和打印功能：包括各種運行記錄的日報表、統(tǒng)計報表及設備故障狀態(tài)和維護清單等。可以具有屏幕拷貝功能，將屏幕上所顯示的流程圖和曲線圖等打印輸出。
8、冗余軟件－保證系統(tǒng)可靠運行
主要完成冗余功能（既通常所說的雙機熱備功能），其構(gòu)造思想是主機和從機
通過TCP、IP網(wǎng)絡連接。正常情況下，主機處于工作狀態(tài)，從機處于監(jiān)視狀態(tài)，一旦從機發(fā)現(xiàn)主機異常，從機將會代替主機，進行實時監(jiān)控并保存歷史數(shù)據(jù)。當主機修復重新啟動后，從機檢測到主機的恢復，就會自動將主機丟失的歷史數(shù)據(jù)拷貝給主機，同時從機將重新回到監(jiān)視狀態(tài)。這樣，即使是發(fā)生了機器故障，系統(tǒng)也能保存一個完整的數(shù)據(jù)庫。冗余功能的實現(xiàn)，有效地減少了數(shù)據(jù)丟失的可能，增加了系統(tǒng)的可靠性和連續(xù)性，方便了系統(tǒng)維護。
9、 地理信息功能
通過掃描儀、專業(yè)制圖軟件，把熱電整個管網(wǎng)地理分布圖掃描進計算機，此圖可心任意放大、縮小、移動，按地理位置點擊熱力站圖標，可以切換到該站的動態(tài)立體管網(wǎng)平面圖，顯示所有參數(shù)，圖文并茂，直觀方便。
10、能源計量管理功能
工作站可以根據(jù)現(xiàn)場控制單元的測量參數(shù)對一些能耗、水耗參數(shù)等進行計量和累計，計算出其平均值和累計值，計量時間可以為時、日、月、年，計量結(jié)果將以數(shù)據(jù)文件的形式存貯。
11、中央調(diào)度及遠程控制
監(jiān)控中心可將調(diào)度或由計算機運算分析后的被控參數(shù)設定值發(fā)送至相應的現(xiàn)場控制單元指導控制，也可根據(jù)需要直接完成對各熱力站循環(huán)水泵、補水泵及電動調(diào)節(jié)閥的遠程控制。
12、網(wǎng)絡功能
運行在基于EtherNet網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和TCP、IP網(wǎng)絡協(xié)議的網(wǎng)上，可實現(xiàn)廠級聯(lián)網(wǎng)，TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議提供了在不同硬件系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)的計算機組成的網(wǎng)絡上進行通信的能力。監(jiān)控中心計算機作為采集數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡服務器，其它站點作為網(wǎng)絡客戶機共離服務器中的數(shù)據(jù)。
5．熱力站RTU的硬件配置及功能
5．1熱力站RTU的硬件配置
熱力站的RTU選用北京安控公司的SuperE RTU。該產(chǎn)品適用于各行各業(yè)，各種場合的參數(shù)監(jiān)測及控制系統(tǒng)的自動化。它強大的軟硬件功能使其無論是獨立運行還是連成網(wǎng)絡均能實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的控制。在RTU領(lǐng)域其性能價格比最高。
其出色表現(xiàn)在以下幾個方面：配置合理，具有很強的現(xiàn)場適應能力；強大的軟件功能，可以滿足各種靈活控制、復雜運算的要求；具有RTU和PLC的雙重優(yōu)勢，應用靈活；靈活的通訊方式，標準的通訊協(xié)議，可方便的組成各種復雜系統(tǒng)；現(xiàn)場監(jiān)控和遠程監(jiān)控兼?zhèn)?，為系統(tǒng)操作、診斷、維護和升級提供了方便；工業(yè)標準設計，能夠工作于各種惡劣環(huán)境；充分的可靠性設計，嚴格的質(zhì)量檢驗，為用戶提高了可靠的保證。
5．2熱力站RTU功能
主要完成數(shù)據(jù)采集、自動控制、參數(shù)存儲、實時通訊、故障報警等功能?？瑟毩⑼瓿杀镜乜刂疲部墒芸赜诒O(jiān)控中心。
數(shù)據(jù)采集：將各站的溫度、壓力 、流量、循環(huán)泵和補水泵的啟停狀態(tài)、報警參數(shù)、巡檢記錄及補水流量上傳監(jiān)控中心。
遠動控制：接受監(jiān)控中心的命令和設定參數(shù)，控制一次網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)調(diào)節(jié)過程；對補水泵和循環(huán)水泵進行啟?？刂?。
參數(shù)存儲：存儲累計流量、故障參數(shù)和其它重要參數(shù)。
故障報警：完成運行參數(shù)的越限報警、防盜報警、以及設備的自診斷報警。
5．3通訊系統(tǒng)
通訊系統(tǒng)分為無線通訊和有線通訊兩種工作形式。
1． 無線通訊方式
無線電臺通訊，采用進口原裝的數(shù)傳電臺進行信號傳輸，內(nèi)置9600bps modem，功率為5W，含電源、天線和饋線。選用高增益天線，頻率范圍：220-240MHz。
GPRS DTU 測控終端DTU的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)往指定數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心在收到DTU的數(shù)據(jù)后，進行協(xié)議轉(zhuǎn)換還原用戶數(shù)據(jù)，同時對DTU進行管理。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流動。
2、有線通訊方式
普通市話網(wǎng)：需要撥號，速度較慢，價格較低。
綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)ISDN：需要撥號，速度較快，價格較高。
X.25分組數(shù)據(jù)網(wǎng)：不需撥號，價格適中。
敷設專線：一次性投資，工作量大，速度快。
本工程采用有線通訊方式，在每站設置一個Modem，在中控室設置多通路接口Modem。
5．4現(xiàn)場一次設備
熱力站現(xiàn)場一次設備主要包括：電動調(diào)節(jié)閥220VAC電源，4－20mA輸出，具有上下限限位保護，過流保護等功能。伐體選用雙座調(diào)節(jié)閥，線性度好（也可選用偏心碟閥）。閥門特性選擇時應注意流量與管徑的匹配，以便得到符合要求的調(diào)節(jié)特性。溫度測量選用鎧裝一體化溫度變送器，測溫元件選用PT100熱電阻，變送器為24VDC供電，4－20mA輸出。壓力測量選用進口組裝的壓力變送器，24VDC電源，4－20mA輸出。其它設備選擇類似。
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