11监控系统设计.docx
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11监控系统设计
1.1监控系统设计
根据生产工艺设计要求，换热站的自控系统采用典型的两级监控方式。
上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面（HMI），为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由可编程控制器（PLC）构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。
本文所设计的换热站监控系统要求上位机系统专门为处理实时数据及历史数据而设计，在系统设计简洁、稳定、安全可靠的基础上，既能接受由下位机传送来的各项数据并实现现场运行参数的检测和实现，又能对这些数据进行存储、显示、报警、打印。
中心控制监控系统应该完成以下功能：
能对整个无人值守换热站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。
使得管理和调度人员能够在中心控制室和自己的办公室随时看到现场当时以及以往的运行参数，从而直接对全系统进行统一调度和管理。
在异常情况下，还可以直接在中央控制室通过监控系统对各换热站就地控制系统进行操作。
中心监控系统通过实时采集下位机换热站传输的压力、温度、流量、热量、二次回水温度、供水温度、室外温度等与生产有关的参数,监测设备的运行状态。
为了实现这些系统功能，设计时按不同的功能进行功能分解，因此划分为不同的模块，系统设计总体结构框图如图1.1所示：
图1.1监控系统设计总体结构图
1.2系统功能介绍
整个监控系统以中心监控服务器为核心，现场的温度、压力、热量、流量、液位、阀门开度、泵的起停状态等信号数据传输到中心监控服务器，由其作出判断和处理方案，然后再将换热站需要改变的参数信号数据传送给下位机换热站，让下位机换热站的工作人员进行适度调节。
1、数据网络通信
数据网络通信用于从控制器读取各种数据和状态信息以及下达控制命令和各种参数调整结果。
监控中心可以对所有的终端进行监测，通过对通信参数的设置来实现数据的实时、定时监测，并可进行数据分析、报警提醒。
将出现问题以报警发送至检测中心，监测中心根据报警，进行分析，做出相应处理。
通讯终端支持GPRS通讯方式，为数据采集网络的构建提供了极其简便快捷的配置方法。
通讯通道实时在线，永不掉线，传输快速，按流量计费，运行成本低。
通信参数设置用于设定主监控计算机与控制器之间的通信参数和协议。
2、数据采集
数据采集部分由数据处理、数据存储和数据输入模块组成。
其中有传感器参数设定，用于设置传感器的采样频率、阀值等。
从现场采集数据读入上位机，并能对变送器的量程进行设置。
数据输入为换热站的数据从现场传入PLC后进行输入采集，其中现场运行参数包括各换热站各自的供水温度、回水温度、供水压力、回水压力、供水流量、冷凝器入口温度、冷凝器出口温度、换热器入口温度、换热器出口温度，另外还有独立的室外温度，冷凝水箱水位，补水箱水位三个参数。
为了从下位机接收这些数据，需要在监控软件中建立一套变量来存放这些实时数据，使之成为软件可调用的参数，然后对其进行其他相关组态。
数据处理模块用于对从控制器读取的数据按照约定的格式进行分解处理。
对于采样数据，运用滤波方法对其进行必要的处理后存入数组。
数据存储是将采集到的生产过程中的各种重要运行数据加以处理并存入相应的数据库，供系统调用。
3、设备状态
设备状态部分由设备参数设置、数据显示、设备状态显示和异常状况报警模块组成。
设备参数设定用于设定各种设备的工作状态参数和运行参数，如变频器的频率上限、调整速度、电机的最高转速等。
其中设备状态调整包括参数优化和其他设备状态调整。
其他设备状态调整用于在计算机上对各种生产设备进行运行状态调整以及开动、停止等操作。
参数自优化主要是通过控制器反馈的压力和水位自动调整PID参数，下传到控制器中，通过控制器的PID调节功能实现系统的控制；此外还具有重要参数的优化调整功能。
只有当系统处于控制状态时，其他设备状态调整才有效，否则无效。
其中PID控制参数设定使用自动和软手动两种控制方式控制回水压力。
为了控制回水压力，需要对补水进行PID控制。
由于控制程序在PLC中已经写好，在这里只需要添加对PID的3个参数进行设定的界面。
为了满足用户需求，设置两种控制方式。
一种为自动设置，只需要输入PID的3个参数；另一种为软手动控制，以拖动控制条的方式进行控制。
为了安全，还要提供对输出上限和下限限定的设置功能。
数据显示既能显示实时数据，又能以表格或者曲线的方式显示历史数据。
数据的显示分为两大类。
第一类是实时数据的显示。
监控软件的画面编辑器中提供输入，输出域这个控件，可以通过修改该控件的属性方便的实现与监控软件里建立的变量进行连接，直接在画面上显示出当前的实时数据。
第二类是历史数据的显示。
为了对供热过程做详细的了解，需要对运行的历史数据进行查看和调用。
监控软件的归档组件提供了存储数据并且在图形编辑界面上将历史数据以表格或者曲线的方式表示出来的功能．只要在这些控件上引入需要显示的变量，就可以将实时运行数据以表格或者曲线显示出来，通过时间轴就可以找到之前的数据，方便于对系统运行状态的分析。
设备状态显示用于动态显示生产过程中的重要设备（如水泵、电动阀等）的启动、停止和故障。
用趋势图的形式动态显示清水池水位、管网压力、取水和供水流量、电压、电流等。
操作人员通过状态显示流程图就可以很方便的了解生产中各种设备的工作状况。
异常状况报警在运行状况超出预设值时进行报警，并允许用户对报警上下限自由设置。
处理在发生生产故障时立即报警，发出报警声音同时使报警画面闪烁，以引起操作人员的注意。
记录报警发生时的有关信息，如报警信息、故障报警时间、确认报警时间等，并对报警信息进行管理。
监控系统的一个重要的方面就是必须在出现异常状况的时候提示操作者并且能做出回应。
首先在监控软件里对需要报警的变量进行报警范围的设置，该功能的实现，与数据采集功能中对于变量的设置类似，建立一个专门用来设置报警上下限的页面，通过输入，输出域和VBS脚本来实现。
监控软件提供专门的报警组件，可以对报警信息的上下限、报警显示文本、颜色等进行配置，并且在变量恢复正常值时也进行提示。
4、数据输出模块数据管理部分包括数据查询、数据备份、数据输出和打印模块。
数据查询模块主要包括历史数据查询，查询选择画面。
历史数据查询包括管网压力历史数据、水位历史数据、取水和供水流量历史数据、电耗表等，还可查询重要设备的运行参数、状态、操作记录以及报警的历史记录。
数据备份模块负责各种数据库的备份以及维护。
信息管理及监控软件会定期将数据库备份到另外的目录下保存，并将当前使用
的数据库清空。
该操作可由管理员手工执行和设定
数据输出模块负责各种数据报表的生成和打印输出，能够生成日生产报表、月生产报表、年生产报表、电耗表等。
打印可以将选定的日期范围内的数据以EXCEL表格的形式打印出来。
很多时候，客户要求将某些日期的数据以表格的形式打印出来。
虽然监控软件提供了专门打印功能的组件，不过鉴于组件的操作繁琐，并且只能打印出整套数据，不能只将指定范围的数据单独打印出来，所以改用其他方法来实现打印的功能。
监控软件是个开放性的组态软件，一般支持EXCEL控件。
设计一个打印画面，将需要的数据导入EXCEL控件里，然后即可生成EXCEL表格文件，保存此表格文件后就能完成打印的操作．
5、全网供热控制算法
供热系统水力失调即流量分配的不均匀性会引起用户水平方向和垂直方向的室温偏差，称之为供热系统的热力失调。
热用户实际室温与平均室温的偏差，反映了供热系统热力工况的失调程度。
追求热力工况的稳定，既不发生水平失调（各热用户间或立管间）也不出现垂直失调（同一立管间），供暖房间室温均匀一致，这是供热系统重要的控制目标之一。
为了提高供热效果，克服热力工况失调现象，日前国内常采用“大流量、小温差”的运行方式，它靠换大水泵、增加水泵并联台数或增设加压泵等方式提高系统循环流量。
这种“大流量”的运行方式在一定程度上能够缓解热力工况的失调，因此得到广泛应用。
但是“大流量”必然造成大热源、大能耗，加大了供热量的浪费，降低了系统的可调性，应该逐渐摒弃这种落后的还行方式。
热力系统热力失调的根本原因是水力失调即流量分配不均所致。
因此，消除系统热力失调、实现热力工况稳定最有效、最经济的方法是进行系统的流量均匀调节（初调节），亦即根据当前热用户的特性、负荷、热量的供给情况等，对全网的流量在各个二次网之间进行统一合理分配，保证各用户的室内温度稳定在一定范围内，同时保证各热力站之间供热效果的均衡一致。
以往，用手工进行初调节己有多种方法，如阻力系数法、预定计划法等。
但由于计算量大或实地调节工作量大，只适用于小型系统。
近年来，为了解决热力工况失调问题，出现了比例法、补偿法（这两种方法国外通常采用），有模型的模拟分析法、模拟阻力法，无模型的温度调节法等。
数值模拟是以计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题研究的目的，它以其节省时间，节省人力物力、适应可多变因素等诸多优势越来越引起人们的重视，而且随着计算机处理能力的不断提高，其在工程领域内的应用获得了迅速的发展。
下面将对供热系统的流量调节方法逐一介绍，最后重点介绍温度调节法。
⑴阻力系数法
阻力系数法的基本原理是一定阻力系数的供热系统必须对应一定的流量分配。
依据公式：
2
G
-——⑴
式中:
G—热用户的理想流量，m3/h;
DH一热用户局部系统的压力降，mH?
。
；
实际操作中，系统阻力系数靠流量G、压力降△万的直接测量后间接计算，要把热
用户局部系统的阻力系数调到理想值，必须反复测量其流量和压力降，反复调节有关阀
门才能实现。
这种调节方法属于试凑法，操作繁琐、费时，实用性不大。
⑵预定计划法
调节前，将供热系统所有热用户入口阀门关死，然后按照一定顺序，根据预先计算的启动流量，逐个开启热用户入口阀门。
但是这种方法工作量大，且不适合运行过程中进行调节。
⑶比例法
比例法的基本原理是当各用户系统阻力系数一定时，系统上游端的调节，将引起各个热用户流量成比例的变化。
调节方法是先使系统中的所有平衡阀全开，计算各支线实际流量与理想流量的比值，以比值小的作为参考，从比值大到小依次调节,使其比值为1。
⑷补偿法
补偿法是靠供热系统上游端平衡阀的调节，来补偿下游端因调节而引起的系统阻力的变化。
调节方法是任意确定调节支线，找到该支线中局部系统阻力最大的热用户，计算出该用户的平衡阀在理想流量下的压降值，根据它和设计流量求出平衡阀的特性系数（与阻力系数本质相同），根据参考资料确定平衡阀开度来进行调节，然后再进行下一个用户的调节，同时用一台智能仪表实时监督已经调好的平衡阀，使其流量始终保持在设定值。
支路上的用户调节好了以后，按照上述方法调节各支线，各支线、各区段调节后，初调节就进行完毕了。
比例法和补偿法是国外通常采用的调节方法，不足是需要平衡阀、智能仪表做依托，设备昂贵，不适合国情。
⑸模拟分析法
和电网类似，由管道、阀门、水泵等部件连接构成输送热水的供热网满足基尔霍夫第一和第二定律。
根据基尔霍夫第一定律，对于任何一个集中供热系统，所有流入或流出任一个节点的流量，其代数和为零，对于一个有m条支路、n个节点的封闭循环管网，有：
AG=O
⑵
上式中:
A为热网关联矩阵（nxm},代表热网的拓扑结构，其秩R（A）=n-1元素a（i,j），满足以下规一贝
1,节点i的流体直接进入支路j
a（i,j）=彳-1，支路j的流体直接流向节点i
其中i=1,2,3,……n；j=1,2,3,……m；G=（G「G?
G3,……Gm）T为热网管段流量
向量。
元素Gi为热网第i管段的流量（m3h）。
根据基尔霍夫第二定律，对于任何一个集中供热系统，任意一个回路，管段的压降代数和为零，对于一个有m条支路、n个节点的封闭循环管网，有；
上式中：
B为热网基本回路矩阵（kxm,基本回路数k=m一n•1,其秩R（B）=k。
元素5小满足以下规则：
厂
1,支路j在基本回路i中，且于基本回路方向一致
B（i,j）=$-1，支路j在基本回路i中，且于基本回路方向相反
-0，支路j不在基本回路中
其中i=1,2,3,……k;j=1,2,3,……m；：
H=（：
已，.：
巴，•：
巴，……•：
Hm）T为热网
管段压力降向压。
元素厶Hi为热网第i管段的压力降（KPa）。
由于热网内的水流处于阻力平方区，因而稳态下，厶H可以表示成：
H二SIG|G-DH（4）
式中:
G是支路流量的n阶列向量;S是以各支路阻力系数为元素的n阶列向量；
DH是以各支路上泵的扬程为元素的n阶列向量，支路上无泵时，相应的元素为0。
将
（2）、（3）、⑷三式联立可以得到未知数和方程数相同的方程组，从而得出任何一个供热系统，其流量分配即水力工况唯一决定于系统管段的阻力状况，系统阻力状况一定，其流量分配状况也一定。
因此任何流量分配状况的改变，必须首先改变系统的阻力状沉，阀门的调节就是为实现这一目的。
模拟分析法就是事先通过预测，计算出调节过程中的过渡流量（或压力），然后在现场实施调节的力法。
首先确定实际工况，根据
（1）式，通过实际测量的流量G和支路的压力降厶H计算出各支路的实际阻力系数S。
然后计算理想工况，把各支路的实际阻力系数和热用户的理想流量带入到上述讨论的联立方程中，求出热用户理想的阻力系数。
最后，进行流量调节，使各用户的阻力系数等于理想值。
⑹模拟阻力法
模拟阻力法的基本原理是在现场测试管网的实际阻力系数（24），由计算机直接计算出待调用户的理想阻力系数和相应调配阀的理想开度，直接在现场调节阀门开度即可。
首先测出各热用户的流量、压降、各节点的表压值，算出系统的阻力系数。
然后再把各用户要求的理想流量输入到计算机内，由已编制好的计算软件直接确定出调节方案。
最后，一次将调节阀调节到理想开度。
和模拟分析法比较，这种方法由于各节点静压相互抵消所以可不必考虑位置高度的影响，由计算机确定调节方案，把调节阀的理想阻力系数直接换算为开度，无需通过流量（或压力）来间接判断调节
阀的阻力系数大小，这样可大大减少现场测量的工作量和调节的工序。
但是这种方法需要在每个节点都安装可能不止一个压力表，且需要专用的调节阀和专用的计算软件。
⑺温度调节法
1温度调节法的原理
供热就是为了创造一个适合人们生活、工作和生产的室内温度环境，因此室温的高低是衡量供热效果和进行热力工况分析、计算的最重要参数。
温度调节法就是基于系统的热力工况特性的一种方法，它简单易行，调节过程测量参数单一，只有温度一种类型参数，不必进行流量、压力的测量，因此需要的测量仪表较少，调节费用相对较低，比较适合我国的国情。
但是在控制上存在一定的问题。
温度调节法是以各个热力站的二次网供回水温度或供回水平均温度一致为标准，根据实际供热的运行状态，调节各热力站的用户流量，以实现各热用户室内温度稳定和均衡一致的目的。
对于同一供热系统，当室内散热器选择完全按设计条件进行时，二次网供回水
平均温度tp可视为室内温度tn的函数，即:
从该式可以看出:
供热房间的室内温度tn与供热系统的供回水平均温度tp存
在简单的对应关系。
为实现均匀供热，即各二次网的室内温度tn相等，只要保证各二次网的供回水平均温度相等即可。
对于采用一、二次网间接连接的热网，可以通过调节各热力站一次网侧流量阀的开度来控制二次网的供回水平均温度，通过调节二次网供回水平均温度并使之相等，保证各二次网之间均匀供热。
2基准平均温度的选取
在采用温度调节法时，如何选取基准的平均温度十分重要。
当热源总供给热量大于或等于热用户总需求热量时，基准温度应取自温度调节曲线中与室外温度相对应的二次网供回水平均温度；当热源的总供给热量小于用户总需求热量时，各用户的供回水平均温度不可能达到上述基准温度，这时可粗略地把热源的总供回水平均温度作为基准温度。
3一次网流量设定值的确定
为了实现热网的动态控制，需要了解各热力站用户及换热器的热工特性参数，在此基础上给出调节目标设定值并使控制系统实现这个目标。
通常的方法是从设计参数出发确定调节目标，一般都以各热力站的供热面积作为特性参数，按照供热面积分配各热力站所应达到的目标流量。
但是可能由于建筑物及散热形式的不同，采暖面积统计不准确以及用户采暖面积变动等原因，按照设计面积进行调整，难以达到满意的效果。
在采用计算机对热网进行监测与控制时，利用实侧数据，有可能从中辨识出实际的用户热工特性参数，从而更好地指导热网的调节与运行，达到满意的供热效果。
对于间连式集中供热网，可以通过调节各热力站一次网侧流量阀来实现二次网供回水平均温度相等。
下面将介绍如何确定一次网流量设定值。
由热平衡方程：
散热方程：
t2g+t?
h
Q二KF{g-tn}（6）
2
供热方程：
QG2CP（t2gt2h）（7）
热耗方程：
QKWFW（tntW）（8）
其中：
KF,KwFw分别表示散热器总散热能力和建筑物向室外散热能力，G2表
（9）
其中相当于从散热器热水到室外的等效传热系数，对换热器间连热力站，再引入换热器传热方程及一次网热平衡方程：
Q：
"G1Cp：
（t1g-t1h）
（12）
（13）
该方程描述了间连热力站用户的综合传热特性。
从中可知和KiFi为用户热工
特性参数，它们只取决于热用户结构，与热网运行参数无关。
对于均匀供热，由前
面可知，可令二次网供回水平均温度相等，而一次侧供水温度t1g和室外温度tw都相
等，故由（（13）可知对各热力子站有：
为热力子站的个数。
并且各热力子站一次侧流量的和等于一次网总供水流量,
即：
s
二.（G1）二G1t
1i
（15）
（GJ=
G1t为一次网总供水流量。
联立方程（14）,（15得:
1
（K1F））
（16）
只要求出热力子站的热工特性参数i和（KT）就可以确定各热力子站一次侧流量调节的设定值。
i和（KF）i可通过在线辨识的方法获取。
4用户热工特性参数的和（K1F）的在线辨识
为对热网进行准确调节，所需要的用户热工性能参数为各热力站用户值以及
热交换器散热能力（KiFi）i，式（10）是从稳定传热出发得到的，实际过程为一动态过程，而是一段时间内用户的总热量与此段时间内水温和外温温差的积分之比
T1
T0（G2）iCP叫g（）-t2h（）]d
i-取.i-.o30天
叮0.5{[t2gG）+t2hG）]-
0
（17）
KF）
#：
（G2）iCpP[t2g⑴—t2h（"di
.10.5{[tigC）tihC）]-[t2g（）t2h（）]}d.
（18）
5温度调节法存在的问题
温度调节法虽然只有温度一种被测量，需要较少的测量仪表，调节费用少。
但它在控制上存在问题。
供热一次网为闭合水力网络，局部用户支路的流量变化会引起全网压力分布的变化，从而对其它支路的流量产生影响。
如果这种闭合相当严重，只有对系统进行整体控制算法才能实现有效的控制；另一方面，供热系统的热惯性大，温度变化明显滞后，调节时系统难以稳定。
本文采用温度调节法对整体进行控制作为试图解决以上问题的一种探索。
6、系统配置
监控系统的中心监控主服务器使用中央控制室windowsXP系统服务器，输出设备使用打印机，数据通讯网络选用GPRS网络，选用SQL数据库存储调用数据，选用组态王等软件进行监控界面实现。
系统预期达到的主要功能如下：
1）巡回监测整个热网各热力站点的实时热工参数（温度、压力、流量等）。
2）单独监测某一个热力点或热源处某台锅炉的实时运行参数。
3）绘制并显示同条管线上不同测点、不同时间的参数对比变化图及某站点的系统工况。
.
4）查看本运行期内的各项运行参数的历史数据并生成打印报表打印。
5）具有高、低限报警功能，报警参数自动记录并分紧急告警、严重告警、一般告
警3个告警等级
6）显示当天各时间段内的热力工况参数．
7）可动态显示整个热力管网的系统工况图和全局运行参数．
8）对各热力站点及相关仪表设备进行参数设置．
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