RTU在城市热网自动控制系统中的应用

　　引言
　　我国北方地区的冬季漫长而寒冷，暖气、地热等供暖方式已经成为这里人民冬季室内御寒的主要手段。随着城市供热管网的改造工程逐步深化，小区锅炉供暖的形式已在逐渐推出舞台，由一个热电厂负责几个片区的供热已经成为目前城市供热的发展趋势。目前由于各区域的距离远近，管网质量，换热设备等硬环境参差不齐，也存在着供热效率低、供热不平衡、能量浪费、热网波动严重等诸多问题。
　　该项目是我国北方某城市市政供热系统。该供热管网是以某热电厂为热源，总供暖面积540万平方米，热网半径约6千米，采用间接式供暖。一次网供、回水温度为130/70℃，供水压力14.7公斤/平方厘米。30座热力站和公用系统。
　　根据用户的具体要求，对于该供热自控系统，既要根据室外温度的变化调节二次侧供水温度，保证终端热用户的室内变化不超出某一范围（18±2℃，最低不低于16℃），这样既保证终端热用户有一个舒适的生活、工作环境，也可以最大限度地节约能源，同时也要实现在换热站的无人值守的情况下中控室可以远程调度每个热力站的参数，保证整个热网的热力平衡，供热系统可以安全可靠地运行。并初步实现热网热量的计量。
　　
　　系统控制策略分析
　　目前我国北方地区大部分采用城市集中供热形式，一个热电厂负责几百万平米的供热面积是很普遍的事情。供热系统是一个大惯性系统，供热面积越大惯性越强；各热力站之间存在一次网的水力耦合问题，热力站越多、网络越复杂这种耦合也就越强烈，这都给热网的水平热力调节带来了极大的控制难度；目前我国由随着“分户供暖”工作的逐步实施部分热用户已经采取了分户按流量计费的供暖收费方式，这和传统的按面积收费对供热公司的供暖理念有着本质差别。按热量收费时，供热公司只要尽可能地满足各用户的用热需求，为了节省采暖费，热用户会自动限制自己的用热量；而按面积收费时，热用户不会自觉节省热量，供热公司要在保证热用户的基本供热效果的前提下尽可能减少供热量来达到节能增效的目的。
　　考虑到上述社会现象，根据历年的气象统计，东北地区平均每个供暖季只有有30天能够达到最低气温，而每个供暖季共有135天的时间，也就是说仅有22％的时间热网处于满负荷运行状态。在其余的时间里，例如初寒期和末寒期，室外温度偏高，系统并不需要如此多的热量。由此采用分阶段改变流量的调控方案以便节省能耗。即在处寒期和末寒期，改变热水流量。由于热网规模较大，大容量的泵的启停工作量很大，所以应慎重选择流量改变的负荷转折点，计算最不利点压差和相应的供回水温度，确保系统供热质量不受影响。
　　针对该系统我们对一次网采用流量分段控制方案。热用户室内温度是控制系统的目标参数，室内温度主要取决于换热器的效率和二次网的综合供热能力。在这两个因素不变的前提下，热用户室内平均温度取决于二次网的供回水平均温度和当时的室外温度。我们把室外温度范围划分成几段，设置一定的模糊区域以防止系统频繁调节导致抖动，在不同的温段内我们通过改变一次网调节阀的开度来控制二次网的供回水平均温度。
　　根据控制策略分级执行的原则，该系统可以分成以下几部分：
　　·热力站就地监控系统：以SuperE RTU为核心，现场的温度、压力、热量、流量、液位、阀门开度、泵的启停状态等信号传输到控制器，由其进行A/D转换并作出判断和处理，实现现场的就地控制。
　　·现场仪表和执行机构：包括温度、压力、热量、流量、液位等传感器和变频器、阀门执行器等执行机构。
　　·通讯系统：以有线电话网（PSTN）为传输介质，实现热网热源调度中心与热力站就地监控系统的通讯；以双绞线（以太网）为传输介质，实现中控室内部工作站与厂区办公管理系统的通讯。
　　·热网热源调度中心：作为整个供热系统的运行调度枢纽，能够完成所有的数据处理和控制功能。
　　
　　热网热源调度中心监控系统
　　在中央控制室能对整个热网控制系统进行在线实时数据采集、控制，并实现管网分析与仿真、故障诊断、报警、历史数据处理、趋势显示、报表打印等功能。中控室系统结构如图1所示：
　　

　　
　　中央控制室由一台通讯处理机，一台工程师站和若干台工作员站组成，它们之间由快速以太网互连，并可通过此网络接入企业管理信息网。所有的控制命令均是通过组态好的客户定制系统中文人机界面操作。如启停某一设备、手动或自动执行顺序控制、SuperE RTU控制方式的切换及对现场SuperE RTU参数设定值的修改等。
　　上位机开发平台我们选用了MCGS5.5组态软件配合C语言程序实现控制系统的通讯、管理、监控和显示。该系统提供了一个完整的对象数据库，将用户接口、控制功能块、以及整个系统和设备的控制信息综合在一起，以满足监控要求。考虑到与下位机通讯的稳定性、现场的实施方便及易操作性、经济合理性。我们采用分组交换的通讯方式，既能保证上位机与下位机之间通讯的稳定性，又能保证工程现场实现的易操作性。软件系统结构设计如图2所示：
　　

　　
　　系统运行、操作监督管理系统实现对系统信息的管理。它与下位机通讯并给用户提供了对下位机操作的平台；采集数据的集中分析模块在系统运行时从下位机取得数据，将取得数据进行分析、处理，并将处理后的数据进行存储，同时提供接口与其他模块交互使得其他模块可以取得系统的信息，提供历史数据。
　　系统运行、操作监督管理系统模块实现用户显示界面并完成与用户的交互并完成对前台显示的组态过程。在系统运行时与用户交互，显示下位机的运行状态，并接收用户输入，产生相应的控制信息，通知系统管理模块控制下位机运行。
　　信息生成及数据通迅模块负责生实现上、下位机之间的数据通讯。
　　
　　热力站就地监控系统控制原理
　　热源厂通过输汽管道将过热蒸汽输送到各换热站，在换热站中蒸汽经热交换器将采暖热水加热，循环泵通过供热管道将热水送到各热用户。因此，换热站作为热源厂与热用户之间的中间环节，其供热品质的好坏对改善热网热力工况，提高供热质量起着重要作用。就地控制系统能够根据室外环境温度及不同的供热时段采取具有一定前瞻性的供热策略，使每一个换热站按照设计迅速达到热平衡，不但可以极大地节约能源，而且可以对热网的水力平衡起到不可忽视的积极作用。
　　换热站工艺流程如图3所示：
　　

　　
　　为了达到设计目的，需对换热站内的参数进行测量与控制。具体监控表如表1所示。
　　

　　
　　由于各用户的建筑面积、暖气片性能及房屋保温质量各不相同，很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量，而供、回水的平均温度从整体上反映了各用户暖气片的平均温度，因此本系统采用控制供、回水平均温度的方法来间接控制用户室温。控制原理框图见图4。
　　

　　
　　图4中T0表示室外大气温度5 min内的平均值，TS表示供、回水温度的设定值，T1表示供水温度测量值，T2表示回水温度测量值。图中红线所示的反馈回路需要控制系统通过远程方式采集多个典型热用户的室内温度，并求出其平均值来修正TS的给定。因为热用户的室内温度并不是每个热网控制系统都有条件对该值进行监控，所以这里我们在该方案中不考虑此回路。
　　

　　
　　补水控制
　　供、回水压力是热网安全运行的重要参数。供水压力过高可能造成热水管道及用户暖气片的破裂；循环热水的流失会使回水压力过低，有可能形成热水汽化，引起热交换器的剧烈振动。恒压控制的最佳方案是对补水泵进行变频调速控制，但考虑到成本问题以及此处对压力的稳定性要求并不高，只要压力不超出某一范围即可，所以采用开关补水控制方案。补水控制逻辑中涉及到的供水压力P1和回水压力P2间的关系可参看相关资料。
　　供热量及换热器效率计算
　　换热器中供热蒸汽提供的热量部分被热水吸收，也就是说换热器的效率不可能为100％。换热器的换热效率一方面由换热器的结构决定，另一方面由于换热器内部结垢而使效率降低，当换热效率低于某一值时（例如75％），系统做出提示报警，提示操作人员及时除垢。
　　过热蒸汽经换热器后变成凝结水，因此其提供的热量为：
　　Q1＝W*γ （2-1）
　　式中，W—外网蒸汽质量流量，
　　γ—过热蒸汽汽化潜热。
　　当系统不补水时，供水流量M1等于回水流量M2，此时瞬时供热量为：
　　Q2＝Cp*M2(T1-T2) （2-2）
　　当系统处于补水状态时，供水流量M1等于回水流量M2与补水流量M3之和，此时瞬时供热量为：
　　Q＇2＝Cp*[M2*(T1-T2)+M3*(T1-T3)] (2-3)
　　式中，T1为供水温度，T2为回水温度，T3为补水温度，Cp为水的比热容，因压力和温度都不太高，为简化计算，取Cp＝4．1868（MJ／T·C），流量单位是t／h，热量单位是MJ。因此，当不补水时换热器的热效率为：
　　n＝Q2/Q1 *100% （2-4）
　　当补水时换热器的热效率为：
　　 n＝Q＇2/Q1 *100% （2-5）
　　前馈＋反馈控制算法
　　因补水温度较低，当补水泵开启时，会使供水温度迅速降低，而且由于压力的变化需经常开关补水泵，所以这是引起供水温度波动的一个重要原因，采用前馈控制会使系统性能得到较大改善。比较式（2-2）、（2-3）可以看出，如果要保证补水前后供水温度T1不变，需在开启补水泵的同时，加大供热蒸汽量，多提供：ΔQ2＝Q＇2-Q2＝Cp*M3*(T1-T3)的热量。考虑到换热器的热效率，供热蒸汽流量需增加：
　　ΔW=ΔQ2/n*γ=Cp*M3*(T1-T3)/n*γ (3-1)
　　而不补水时供热蒸汽流量为：
　　W=Q2/n*γ=Cp*M2*(T1-T3)/n*γ (3-2)
　　其相对变化量为：
　　ΔW/W =[ M3*(T1-T3)]/[ M2*(T1-T3)] (3-3)
　　设系统采用对数特性阀，理想流量特性用下式表示：
　　W＝Wmax*R(l/L-1) (3-4)
　　式中：W、Wmax———控制阀为某一开度及全开时的流量
　　l、L———控制阀为某一开度及全开时推杆的位移量
　　R—――控制阀的理想可调比当推杆位移量增加Δl时，流量增加ΔW，则：
　　ΔW＝Wmax*R((l+Δl)/L-1)- Wmax*R(l/L-1) (3-5)
　　用式（3-5）比式（3-4）得：
　　ΔW/W = RΔl/L-1 (3-6)
　　所以推杆位移得相对变化量为：
　　Δl/L＝1/lnR*ln(1+ΔW/W) (3-7)
　　＝1/lnR*ln{1+[ M3*(T1-T3)]/[ M2*(T1-T3)]}
　　反馈控制采用增量PID控制算式，输入信号为Ts与供、回水温度平均值之差，其输出信号与前馈信号相加后，控制蒸汽阀门的开度。式（1—1）Ts的计算公式中，供热系数K需根据热用户室温自动修正。换热站到热用户之间的传输管道较长，因而存在较大的传输滞后，滞后时间的计算公式为：
　　τ＝L1*S/M1 (3-8)
　　式（3-8）中，τ为滞后时间，L1为传输管道的平均长度，S为管道横截面积，M1为供水流量。所以修改供热系数K要考虑滞后时间的影响，在此采用“等等看”的控制策略，K的基本值取1．72，当用户室温小于（Ta-0.5）℃时，K增加0.01；用户室温大于（Ta-0.5）℃时，K减小0.01（Ta为用户期望温度值），等到τ时间之后，再次修正供热系数K。
　　
　　热力站就地监控系统控制功能设计
　　热力站就地监控系统由具有测控功能的SuperE RTU、电控柜、传感器、执行机构及通讯系统组成。控制器通过与相连的传感器和执行机构完成对换热器和其它现场设备的数据采集和控制功能；SuperE RTU即可独立工作，也可直接与通讯网络连接，接受中央管理工作站的监督控制。热力站就地监控系统完成的主要控制功能如下：
　　1.室外温度曲线
　　将一天分为几个供热时段，每一时段设定一期望室内温度。然后工控机根据室大气温度的变化来自动调节供、回水温度的平均值，并根据典型用户室内温度的平均值自动修正供热系数，从而保证室内温度等于设定值。操作员也可以任意设定供水温度曲线或平移已有曲线。采用此方式可以足够精确的设定用户供水温度曲线，同时不需要进行曲率、斜率等复杂计算，从而降低工程和维护工作量。
　　2.温度控制回路
　　根据室外温度设定二次供水温度设定值，控制一次侧电动调节阀调节流量满足二次侧供水温度的要求。可以通过操作面板和监控系统修改或上下平移温度曲线；也可以通过时间程序移动温度曲线。提供室外温度传感器故障保护。
　　3.二次网循环泵控制
　　通过采集系统总出、回水温度的温差、各区用户系统回水温度温差与系统设计温差进行比较，通过变频器自动调节循环泵的转速，实现对系统总流量和温度的调节。使循环水泵按照实际负荷输出功率，减少不必要的电能损失，实现小流量大温差的运行模式。通过此举，可以及时地把流量、扬程调整到需要的数值上，消除多余的电能消耗，从而达到良好的节能效果。
　　设计两台变频泵不仅是为了系统备用，也是为了防止系统超调。如果负荷不够，则泵的转速加大，达到100％时还不满足要求，则启动第二台泵。如果泵反馈信号不等于输出信号或者任意泵报警，产生“维护报警”信号。如果所有泵均报警，产生“无可用泵”信号。根据运行时间自动切换各循环泵。同时也提供低水压保护和连锁功能。
　　4.补水泵控制
　　当二次侧回水压力低于设定值时，自动控制补水泵进行工频补水，如果压力还不满足要求，则启动第二台定速补水泵。根据供、回水压力的变化自动开关补水泵，以保持管网压力；对循环水泵的运行状态进行检测与显示；当供、回水温度及压力超限时，声、光报警。
　　5.回水温差和流量限制
　　通过限制每组换热器一次侧电动调节阀的阀位来控制一、二次侧的回水温差以及一次侧流量，通过该功能可以避免因抢水引起的换热机组间的不平衡状态，消弱极端情况下的峰值，有效的控制由于时间段等原因造成的浪涌现象。有利于提高换热效率，达到节能效果。
　　6.现场人机界面
　　在现场人机界面上，可以通过操作面板任意调节系统所需的各种运行状态，例如：冷却、冷冻水供回水温度及温差，变频器最大最小运行频率等，并可随时查阅以往运行记录。根据用户要求可将当前参数以画面、曲线、报表的形式在屏幕上显示。
　　
　　通讯系统设计
　　在上、下位机通讯的方式上，我们采用分组交换（CHINAPAC）方式。分组交换，是中国电信推出的一种进行数据交换的通信网络服务。它采用“存储—转发”方式，把报文（数据流）截成许多比较短的、被规格化了的“分组”（packet）进行交换和传输,从而实现存储在计算机内的信息资源共享。分组通过网络到达终点的方法有两种，它们是虚电路（Virtual Circuit ）和数据报（Datagram）。本系统具体做法是采用虚呼叫（SVC）方案。CHINAPAC可分为交换型虚电路（SVC）和永久型虚电路（PVC）。交换型虚电路（SVC）：可同时与不同用户进行通信，方便灵活；永久型虚电路（PVC）：可建立与一个或多个用户的固定连接。X.25分组交换网就属于前者。X.25分组交换网的优势在于：
　　① 具有差错校验与重发功能，从而保证传输的准确性。
　　② 自动选择迂回路由。
　　③ 可实现多方通信，大大提高线路利用率。
　　④ 信息传递安全、可靠。
　　⑤ 传输速率高。
　　我们系统中，一条X.25 分组线可以连接16 ，24 或32 条虚电路，既可以与16 个，24 个或32 个X.28 线相连。我们充分利用热力站现有的调制解调器，中控室配接X.25卡、分组专线同步调制解调器及配套设备，通过现有公共电话网，使中控室和30个热力站和热源厂保持实时的动态连接，充分保证热力站和中央管理工作站之间的通讯。
　　热力站和热源厂子系统接入分组交换网分两步，第一步是上位机（装有EICON 卡的PC 机）采用X.25(64K, 同步)分组方式，通过X.25 分组专线同步调制解调器（DT--128），接入分组交换网；第二步是下位机（各远程控制设备）由于传输数据量小，所以采用X.28（9.6K,异步）分组方式，每一条X.28 分组线对应一个下位机站点，通过X.28 分组专线异步调制解调器接入分组交换网。上位机X.25 同步专线的速率设定为64K。网络连接方式如图6所示：
　　

　　
　　为了防止由通讯服务器端所连接的X.25或同步MODEM发生故障而引发的全网通讯系统瘫痪，保证高的网络可靠性，我们采用冗余的通讯系统。在通讯服务器一侧配置了两个X.25 卡，每个X.25卡均配以相应的同步专线MODEM，一条X.25建立多条SVC——既连接多条下位机X.28 专线，SVC数量的设置，是根据电信局提供的参数，在通讯服务器端通过C语言程序对有关参数进行设置完成的，从而达到几条X.25 同步专线就可以控制多个子站。从而实现通讯服务器的冗余配置。为了使这些冗余配置发挥作用，通讯服务器和子站SuperE RTU端还需要通过适当的编程实现上述功能。
　　系统经济效益分析
　　通过对该城市热网自动控制系统的投运，热网过去主要依靠人工调节的控制手段得到了彻底改善，一次网运行得到合理控制，失调现象得到了有效地解决，消除了热网中各站冷热不均的现象。按需供热、节能降耗，改变了不合理的小温差大流量运行方式，即保证了远端客户的供热需要又避免了近端用户的过热现象这直给企业带来了经济效益的提高。随着供热事业的规模化发展，有效的自控手段大大增强了供热运行的管理能力，做到决策有据可依，管理有证可查，大大提高了供暖公司生产管理、人员管理和设备维护的水平。
　　
　　
　　参考文献
　　1.《供暖通风设计手册》中国建筑工业出版社，1987
　　2.《中华人民共和国城镇建设行业标准---板式换热机组》
　　3.《城市供热管网施工及验收规范》
　　4.《城市热力网设计规范》
　　5.《板式换热机组标准---控制部分》
　　6.《城市冷·暖·汽三联供手册》中国建筑工业出版社，1995
　　7.《平衡阀的选用》暖通空调，1998（3）
　　8.《分组交换业务简介》中国电信北京分公司

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