SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Автоматизированная система оперативно-дистанционного управления процессом теплоснабжения

Статья посвящена применению SCADA-системы Trace Mode для оперативно-дистанционного управления объектами централизованного теплоснабжения города. Объект, на котором был реализован описываемый проект, находится на юге Архангельской области (город Вельск). Проект предусматривает оперативное наблюдение и управление процессом подготовки и распределения тепла для отопления и снабжения горячей водой объектов жизнедеятельности города. 

ЗАО «СпецТеплоСтрой», г. Ярославль

SpetsTeplostroy.png

Постановка задачи и необходимые функции системы

Цель, которая стояла перед нашей компанией — построить магистральную сеть для теплоснабжения большей части города, используя передовые методы строительства, где были использованы предызолированные трубы для строительства сети. Для этого было построено пятнадцать километров магистральных тепловых сетей и семь центральных тепловых пунктов (ЦТП). Назначение ЦТП — используя перегретую воду с ГТ-ТЭЦ (по графику 130/70 °С), готовит теплоноситель для внутриквартальных тепловых сетей  (по графику 95/70 °С) и подогревает воду до 60 °С для нужд ГВС (горячего водоснабжения), ЦТП работает по независимой, закрытой схеме. 

При постановке задачи учитывались многие требования, обеспечивающие энергосберегающий принцип работы ЦТП. Вот некоторые особо важные из них:
- осуществлять погодозависимое  управление системой отопления;
- поддерживать  на заданном уровне параметры  ГВС (температура t, давление P, расход G);
- поддерживать на заданном уровне параметры теплоносителя для отопления (температура t,  давление P, расход G);
- организовать коммерческий учет тепловой энергии и теплоносителя в соответствии с действующими нормативными документами  (НД);
- обеспечить АВР (автоматический ввод резерва) насосов (сетевых и ГВС) с выравниванием моторесурса;
- производить коррекцию основных параметров по календарю и по часам реального времени;
- производить периодическую передачу данных в диспетчерский пункт;
- производить диагностику средств измерения и работающего оборудования;
- отсутствие дежурного персонала на ЦТП;
- отслеживать и оперативно сообщать обслуживающему персоналу о возникновении нештатных ситуаций. 

В результате этих требований были определены функции создаваемой системы оперативно-дистанционного управления. Были выбраны основные и вспомогательные средства автоматизации и передачи данных. Произведен выбор SCADA-системы для обеспечения работоспособности системы в целом.

Необходимые и достаточные функции системы:
1_Информационные функции:
- измерение и контроль технологических параметров;
- сигнализация и регистрация отклонений параметров от установленных границ;
- формирование и выдача оперативных данных персоналу;
- архивирование и просмотр истории параметров.

2_Управляющие функции:
- автоматическое регулирование важных параметров процесса;
- дистанционное управление периферийными устройствами (насосами);
- технологические защиты и блокировки.

3_Сервисные функции:
- самодиагностика программно-технического комплекса в реальном времени;
- передача данных на диспетчерский пункт по расписанию, по запросу и по возникновению нештатной ситуации;
- тестирование работоспособности и правильности функционирования вычислительных устройств и каналов ввода/вывода.


Что повлияло на выбор средств автоматизации 
и программного обеспечения?

Выбор основных средств автоматизации происходил в основном по трем факторам — это цена, надежность и универсальность настройки и программирования. Так, для самостоятельной работы в ЦТП и для передачи данных были выбраны свободно-программируемые контроллеры серии PCD2-PCD3 фирмы Saia-Burgess. Для создания диспетчерского места была выбрана отечественная SCADA-система Trace Mode 6. Для передачи данных принято решение использовать обычную сотовую связь: использовать обычный голосовой канал для передачи данных и SMS-сообщения для оперативного извещения персонала о возникновении нештатных ситуаций.


Каков принцип работы системы
и особенности реализации управления в Trace Mode?

Как и во многих подобных системах, управленческие функции для непосредственного воздействия на регулирующие механизмы отдаются на нижний уровень, а уже управление всей системой в целом — на верхний. Описание работы нижнего уровня (контроллеров) и процесса передачи данных я сознательно опускаю и перейду сразу на описание верхнего.

Для удобства использования диспетчерское место оснащено персональным компьютером (ПК) с двумя мониторами. Данные со всех пунктов стекаются на диспетчерский контроллер и через интерфейс RS-232  передаются в OPC-сервер, работающий на ПК. Проект реализован в Trace Mode версии 6 и рассчитан на 2048 каналов. Это первый этап внедрения описываемой системы. 

Особенностью реализации поставленной задачи в Trace Mode является попытка создания многооконного интерфейса с возможностью наблюдения за процессом теплоснабжения в режиме on-line, как на схеме города, так и на мнемосхемах тепловых пунктов. Использование многооконного интерфейса позволяет решить проблемы вывода большого количества информации на дисплей диспетчера, которая должна быть достаточна и в то же время неизбыточна. Принцип многооконного интерфейса позволяет иметь доступ к любым параметрам процесса в соответствии с иерархической структурой окон. А также упрощается внедрение системы на объекте, так как такой интерфейс по внешнему виду весьма похож на широко распространенные продукты семейства Microsoft и имеет схожее оборудование меню и панелей инструментов, знакомых любому пользователю персонального компьютера.

На рис. 1 представлен главный экран системы. На нем схематично отображена магистральная теплосеть с указанием источника тепла (ТЭЦ) и центральных тепловых пунктов (с первого по седьмой). На экран выведена информация о возникновении нештатных ситуаций на объектах, текущая наружная температура воздуха, дата и время последней передачи данных с каждого пункта. Объекты теплоснабжения снабжены всплывающими подсказками. При возникновении нештатной ситуации — объект на схеме начинает «мигать», и появляются запись о событии и красный мигающий индикатор в отчете тревог рядом с датой и временем передачи данных. Имеется возможность просмотра укрупненных тепловых параметров по ЦТП и по всей теплосети в целом. Для этого необходимо отключить показ списка отчета тревог и предупреждений (кнопка «ОТиП»).

pic1.jpg

Рис. 1. Главный экран системы. Схема расположения объектов теплоснабжения г. Вельска

Переход на мнемосхему теплового пункта возможен двумя способами — необходимо щелкнуть мышкой по значку на схеме города или по кнопке с надписью теплового пункта.

Мнемосхема теплового пункта открывается на втором экране. Это сделано как для удобства наблюдения за конкретной ситуацией на ЦТП, так и для наблюдения за общим состоянием системы. На этих экранах в режиме реального времени визуализируются все контролируемые и регулируемые параметры, в том числе и параметры, которые считываются с теплосчетчиков. Все технологическое оборудование и средства измерения снабжены всплывающими подсказками в соответствии с технической документацией. 

Изображение оборудования и средств автоматизации на мнемосхеме максимально приближено к реальному виду. 

На следующем уровне многооконного интерфейса осуществляется непосредственное управление процессом теплопередачи, изменение настроек, просмотр характеристик работающего оборудования, наблюдение за параметрами в реальном времени с историей изменений.

На рис. 2 представлен экранный интерфейс для просмотра и управления основными средствами автоматизации (управляющий контроллер и тепловычислитель). На экране управления контроллером имеется возможность изменить телефонные номера для передачи SMS-сообщений, запретить или разрешить передачу аварийных и информационных сообщений, управлять периодичностью и величиной передачи данных, задавать параметры для самодиагностики средств измерения. На экране тепловычислителя можно просматривать все настроечные параметры, изменять доступные настройки и управлять режимом обмена данными с контроллером.

pic2.jpg

Рис. 2. Управляющие экраны для тепловычислителя «Взлет ТСРВ» и контроллера PCD253

На рис. 3 показаны всплывающие панели для управляющего оборудования (регулирующий клапан и насосные группы). Здесь отображается текущее состояние этого оборудования, сведения об ошибках и некоторые параметры, необходимые для самодиагностики и проверки. Так, для насосов очень важными параметрами являются давление сухого хода, время наработки на отказ и задержка для включения.

pic3.jpg

Рис. 3. Панель управления группами насосов и регулирующим клапаном

На рис. 4 показаны экраны для наблюдения за параметрами и регулирующими контурами в графическом виде с возможностью просмотра истории изменения. На экран параметров выведены все контролируемые параметры теплового пункта. Они сгруппированы по физическому смыслу (температура, давление, расход, количество тепла, тепловая мощность, освещение). На экран регулирующих контуров выведены все контуры управления параметрами и отображается текущее значение параметра, заданное с учетом зоны нечувствительности, положение клапана и выбранный закон регулирования. Все эти данные на экранах разбиты на страницы, подобно общепринятому оформлению в Windows-приложениях.

pic4.jpg

Рис. 4. Экраны графического отображения параметров и регулирующих контуров

Все экраны можно перемещать по пространству двух мониторов, одновременно выполняя несколько задач. В режиме реального времени доступны все необходимые параметры для безаварийной работы системы распределения тепла.


Как долго разрабатывалась система, сколько было разработчиков?

Базовая часть системы диспетчеризации и управления в Trace Mode была разработана в течение одного месяца автором этой статьи и запущена в городе Вельске. На рис. представлена фотография с временного диспетчерского помещения, где установлена система и проходит опытная эксплуатация. В настоящий момент силами нашей организации вводится в действие еще один тепловой пункт и аварийный источник тепла. Именно на этих объектах проектируется специальное диспетчерское помещение. После его введения в эксплуатацию в систему будут включены уже все восемь тепловых пунктов. 

pic5.jpg

Рис. 5. Временное рабочее место диспетчера

В процессе эксплуатации АСУ ТП возникают различные замечания и пожелания от диспетчерской службы. Таким образом, постоянно идет процесс обновления системы для улучшения эксплуатационных свойств и удобства работы диспетчера.


Каков эффект от внедрения такой системы управления? 
Достоинства и недостатки

В данной статье автор не ставит задачу оценить экономический эффект от внедрения системы управления в цифрах. Однако экономия очевидна из-за сокращения персонала, занятого в обслуживании системы, значительного уменьшения количества аварий. Кроме того, очевиден экологический эффект. А также следует отметить, что внедрение такой системы позволяет оперативно реагировать и устранять ситуации, которые могут привести к непредвиденным последствиям. Срок окупаемости всего комплекса работ (строительство теплотрассы и тепловых пунктов, монтаж и наладка, автоматизация и диспетчеризация) для заказчика составит 5—6 лет.

Можно привести достоинства работающей системы управления:
- наглядность представления информации на графическом изображении объекта;
- оперативное реагирование на возникающие нештатные ситуации на удаленных друг от друга ЦТП;
- возможность оперативно изменять режим передачи данных и множество настроечных и управляющих сигналов;
- информирование обслуживающего персонала о необходимости проведения технического обслуживания оборудования или средств автоматизации;
- повышение требований к профессиональному уровню обслуживающего персонала.

К недостаткам можно отнести:
- отсутствие постоянной связи с объектами автоматизации в силу использования сотовой связи;
- использование в проекте Trace Mode большого количества анимационных элементов, что ведет к притормаживанию работы программы;
- использование OPC-сервера как буфера передачи данных в SCADA-систему.

Что касается  анимационных элементов, то они  специальным образом добавлялись в проект для улучшения визуального эффекта от просмотра программы.


А что дальше? 
Перспективы развития системы

Дальнейшее развитие системы управления тепловыми пунктами города подразумевает увеличение количества информационных и управляющих каналов объектов до обоснованного необходимого количества. Также существует необходимость архивации поступающих данных, выборка необходимых данных и формирование отчетных документов, включения в программу аналитических блоков, позволяющих давать рекомендации диспетчеру. Кроме того, система расширяется из-за строительства новых объектов теплоснабжения. Дальнейшая работа над системой управления, безусловно, будет вестись с учетом предложений и замечаний пользователей системы.

Однако уже сейчас можно сказать, что данная система управления тепловыми пунктами города позволяет в реальном времени увидеть полную картину по любому объекту теплоснабжения города. А также оперативно вмешаться в процесс управления, своевременно подготовить план по техническому обслуживанию оборудования и средств автоматизации.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(19)_2008

А.А. Коновалов, ведущий инженер-программист,
ЗАО «СпецТеплоСтрой», г.Ярославль,
тел.: (4852) 513-888,  
е-mail: konalex@mail.ru