基于SCADA的熱力站自控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

田海川

摘要：在熱力企業(yè)自控運(yùn)行應(yīng)用領(lǐng)域，SCADA的熱力站自控系統(tǒng)發(fā)揮著很重要的作用，熱力自控運(yùn)行系統(tǒng)可以滿足熱力企業(yè)在業(yè)務(wù)上的需求。本文對SCADA系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，結(jié)合SCADA的熱力站自控系統(tǒng)和熱力企業(yè)的自控運(yùn)行的實(shí)際情況，提出了基于SCADA的熱力站自控系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：SCADA熱力企業(yè)熱力站自動(dòng)化控制

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0000-00

1前言

自動(dòng)化在能源領(lǐng)域特別是在熱力企業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)行中具有很重要的作用，自動(dòng)化使熱力企業(yè)在整個(gè)生產(chǎn)過程中在無人值守的情況下，實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)過程中信息處理以及過程控制自動(dòng)化。在不同的領(lǐng)域方向，自動(dòng)化采用不同的應(yīng)用系統(tǒng)，SCADA全稱是數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)，在熱力企業(yè)領(lǐng)域，SCADA在管網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)控方面發(fā)展和應(yīng)用廣泛。SCADA數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)在熱力企業(yè)業(yè)務(wù)中可以滿足用戶對熱網(wǎng)監(jiān)控、熱力站自控運(yùn)行等方面的需要?；赟CADA的熱力站自控系統(tǒng)作為一個(gè)參考模型，對其他專業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以提供參照的作用。

2SCADA數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)分析

SCADA在體系結(jié)構(gòu)上是一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，SCADA體系結(jié)構(gòu)由兩部分組成，包括中心站系統(tǒng)和終端站系統(tǒng)。終端站系統(tǒng)是直接在現(xiàn)場運(yùn)行的設(shè)備，主要作用是負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和整理，并對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)。中心站系統(tǒng)可以對終端站數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，向用戶發(fā)送設(shè)備操作指令，中心站系統(tǒng)是直接面向系統(tǒng)管理用戶，為系統(tǒng)管理用戶提供人機(jī)界面的個(gè)性化服務(wù)。把SCADA系統(tǒng)的終端站系統(tǒng)和中心站系統(tǒng)等部分進(jìn)行組網(wǎng)和互聯(lián)，就構(gòu)成了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在熱力管網(wǎng)中，SCADA系統(tǒng)的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中我們可以看出，熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由三個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，分別是現(xiàn)場的終端站系統(tǒng)，生產(chǎn)調(diào)度中心的中心站系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在熱網(wǎng)和供熱站現(xiàn)場中分布著終端站，系統(tǒng)終端站主要負(fù)責(zé)本地現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和本地現(xiàn)場的數(shù)據(jù)監(jiān)控。在熱網(wǎng)企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度中心分布著系統(tǒng)的中心站，中心站系統(tǒng)負(fù)責(zé)對各個(gè)終端站的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供了一個(gè)統(tǒng)一生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控的信息平臺(tái)。在熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)我們可以看到遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能是把終端站系統(tǒng)和中心站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)信息交換功能。

在早期熱網(wǎng)企業(yè)中，對熱網(wǎng)運(yùn)行的自動(dòng)化監(jiān)測是熱網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的主要目的，但是隨著熱力企業(yè)的發(fā)展，城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)集中供熱發(fā)展使熱網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，熱力企業(yè)的運(yùn)行管理負(fù)擔(dān)越來越重，對熱網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來越高，熱力企業(yè)SCADA的熱力站自控系統(tǒng)的提出可以從根本上減少企業(yè)運(yùn)行中人力資源的投入，減少企業(yè)運(yùn)行成本。SCADA熱力站自控系統(tǒng)可以在原有的基礎(chǔ)設(shè)備的基礎(chǔ)上對熱力站自控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，不需要更換設(shè)備。在新建的熱力企業(yè)中，可以直接把SCADA的熱力站自控系統(tǒng)投入到熱力站的自控應(yīng)用應(yīng)用建設(shè)中?；赟CADA的熱力站自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性價(jià)比高，為熱力企業(yè)實(shí)現(xiàn)自控監(jiān)測提供一個(gè)優(yōu)越的解決方案。

3自控系統(tǒng)分析

3.1自動(dòng)控制系統(tǒng)概念

在生產(chǎn)中沒有人直接參與進(jìn)來，整個(gè)過程都是應(yīng)用控制器對機(jī)器設(shè)備等被控對象進(jìn)行控制，按照預(yù)期計(jì)劃自動(dòng)運(yùn)行并完成生產(chǎn)，這就是自動(dòng)控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)是把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需要的各部分系統(tǒng)組合起來，完成對象的自動(dòng)控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)簡稱自控系統(tǒng)。

3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類

自控系統(tǒng)按照控制對象和規(guī)律變化的不同可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)等。開環(huán)控制系統(tǒng)是輸入輸出量之間不存在反饋通道的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是將被控制量反饋到其輸入端，并與參考輸入相比較的控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)是給定值為常值的控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)中給定值隨時(shí)間變化有一定規(guī)律，且事先給定了時(shí)間函數(shù)的控制系統(tǒng)。線性控制系統(tǒng)是組成元件都具有線性特征的控制系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)是至少有一個(gè)組成元件具有非線性特征的控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)是各組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)都是隨時(shí)間連續(xù)變化的。離散控制系統(tǒng)組成部分中至少有一個(gè)信號(hào)時(shí)隨時(shí)間的離散變化。

3.3可編程控制器

自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心組成部分是可編程控制器，監(jiān)控功能主要是通過可編程控制器的編程實(shí)現(xiàn)的。在可編程控制器的發(fā)展中，PLC可編程邏輯控制器是重要的階段，特點(diǎn)是可靠并且方便操作，在自動(dòng)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有一定的市場占有率。PLC可編程邏輯控制器是數(shù)字運(yùn)行操作的裝置，主要應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境下，PLC可編程邏輯控制器的內(nèi)部存儲(chǔ)器的程序都是可以編制的，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、算數(shù)運(yùn)算等指令，PLC可編程邏輯控制器對各種類型對象和過程的控制是通過數(shù)字和模式的輸入和輸出方式。控制器與現(xiàn)場的執(zhí)行器等設(shè)備相連實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能主要是以I/O信號(hào)的方式，I/O通道主要包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出四種。

4熱力站自控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

本文熱力站自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)是熱力站的工藝流程，實(shí)現(xiàn)熱力站無人值守自動(dòng)運(yùn)行的目的，設(shè)置中心站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控管理，對熱力站的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)可以作為熱力站SCADA的終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴a(chǎn)調(diào)度中心系統(tǒng)。

4.1自動(dòng)控制運(yùn)行

對自動(dòng)控制運(yùn)行的應(yīng)用通過控制器完成，自動(dòng)控制運(yùn)行依據(jù)是工藝流程，自動(dòng)控制運(yùn)行設(shè)計(jì)包括壓力控制、供熱溫度控制、執(zhí)行器狀態(tài)控制、連鎖控制盒保護(hù)。

4.1.1壓力控制

以熱力站的實(shí)際運(yùn)行需求為依據(jù)，對水泵的變頻控制通過現(xiàn)場控制器實(shí)現(xiàn)，控制過程如圖2所示。該控制過程是是定值閉環(huán)控制，從圖中可以看出，整個(gè)控制過程的輸出和輸入形成反饋的關(guān)系。

4.1.2供熱溫度控制

在系統(tǒng)中通過氣候補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)供熱溫度的自動(dòng)控制，供熱溫度自動(dòng)控制過程如圖3溫度程序閉環(huán)控制所示。在溫度程序閉環(huán)控制圖中我們可以看出結(jié)構(gòu)主要由氣候補(bǔ)償器、室外溫度傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)器和溫度變送器等部分組成。工作原理是熱力站所在地區(qū)的氣候溫度通過室外溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)返回給氣候補(bǔ)償器。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制依據(jù)室外氣候變化和用戶室內(nèi)溫度需要，計(jì)算出換熱器供水溫度的曲線圖，按照控制目標(biāo)曲線圖數(shù)據(jù)的要求實(shí)現(xiàn)二次供水溫度控制，從而實(shí)現(xiàn)供水溫度的溫度程序閉環(huán)控制。

4.1.3執(zhí)行器狀態(tài)控制

熱力站現(xiàn)場的執(zhí)行器的開關(guān)和啟用的控制可以通過自動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，有遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種自動(dòng)控制方式，對控制方式選完之后再對執(zhí)行器進(jìn)行控制。執(zhí)行器狀態(tài)開環(huán)控制包括遠(yuǎn)程控制和本地控制兩種方式，在遠(yuǎn)程控制方式下，系統(tǒng)管理用戶對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制基于以太網(wǎng)技術(shù)，通過工作站可視化的人機(jī)界面的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在本地控制方式下，系統(tǒng)管理用戶對本地設(shè)備開啟狀態(tài)的控制是通過設(shè)備上的開關(guān)按鈕進(jìn)行控制。執(zhí)行器狀態(tài)開環(huán)控制系統(tǒng)中輸出和輸入不形成反饋。

4.1.4連鎖控制和保護(hù)

熱力站現(xiàn)場設(shè)備的連鎖控制和保護(hù)可以通過自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，熱力站連鎖控制范圍包括水泵、閥門和調(diào)節(jié)閥等參數(shù)。對補(bǔ)水箱的水位要做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，如果水位超出了最大限定值，補(bǔ)給水泵運(yùn)行會(huì)自動(dòng)停止，對水泵吸水管的壓力做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，壓力過低時(shí)，水泵自動(dòng)停止循環(huán)，換熱器一次水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)閉。水泵啟動(dòng)前，對閥門狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，閥門開啟后執(zhí)行啟動(dòng)指令，如出現(xiàn)問題會(huì)報(bào)警給用戶。

4.2監(jiān)控信息管理系統(tǒng)

監(jiān)控信息管理系統(tǒng)主要是在中心站系統(tǒng)中完成信息監(jiān)控管理功能，滿足熱力企業(yè)的生產(chǎn)監(jiān)控和調(diào)度運(yùn)行業(yè)務(wù)的需要。監(jiān)控信息管理系統(tǒng)以工業(yè)以外網(wǎng)作為技術(shù)支持，完成控制器和中心站的連接。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在中心站的數(shù)據(jù)庫中，中心站系統(tǒng)通過人機(jī)交互界面的應(yīng)用軟件為用戶提供圖形圖表、數(shù)據(jù)報(bào)表查詢打印、數(shù)據(jù)管理等功能。中心站系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，軟件平臺(tái)主要是數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控軟件等。

5 結(jié)語

基于SCADA的熱力站自控系統(tǒng)是科學(xué)的，在今后的熱力企業(yè)的自控運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)展中會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。隨著熱力企業(yè)發(fā)展和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，基于SCADA的熱力站自控系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。

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