Анализ работы средств регулирования и дистанционное управление процессами теплоснабжения

Е.В. Волошин,

инженер-программист, voloshin@infovira.ru
Р.С. Кузнецов,

н.с., к.т.н., kuznetsov@dvo.ru
В.П. Чипулис,

зав. лаб., д.т.н., проф., chipulis@vira.dvo.ru
ИАПУ ДВО РАН, г. Владивосток

Анализируются возможности эффективного применения регуляторов теплоснабжения в системах мониторинга и диспетчеризации тепловых пунктов с целью энергосбережения. Приводится описание оригинальной разработки программных средств, ориентированных на дистанционную настройку регуляторов и анализ режимов регулирования.

The effectiveness of energy savings by using heating controllers is analyzed on monitoring and dispatching systems of thermal points. Original software has been developed for remote control of heating and for analysis of regulatory regimes.

Введение

Выделяют два принципиально различных способа регулирования теплоснабжения – количественный и качественный [1]. В системах централизованного теплоснабжения в нашей стране используется качественный способ регулирования, при котором отпуск теплоты на источнике осуществляется путем изменения температуры теплоносителя подаваемого в теплосеть. При этом расход теплоносителя в тепловом узле каждого потребителя должен оставаться постоянным в течение всего отопительного сезона. Однако качественный способ регулирования осуществляется для всей теплосети и не учитывает тепловой режим каждого потребителя в отдельности. Помимо этого он выполняется зачастую со значительными отклонениями от нормы, что связано как с занижением температуры теплоносителя в холодное время года, так и с ее превышением в периоды межсезонья. В результате потребители устанавливают автоматику на своих индивидуальных тепловых пунктах, совмещая качественное централизованное и количественное местное регулирование. Эффективность приборного учета и энергосбережение напрямую зависит от системы автоматического регулирования (САР) теплоснабжения. Помимо теплосчётчика тепловой узел с САР оборудован регулирующим клапаном, циркуляционными насосами и контроллером для регулирования температуры в системе отопления, на который подключены контрольные датчики температуры наружного воздуха и температуры теплоносителя (рис. 1). Регулирование осуществляется путем изменения коэффициента смешения при помощи клапана с электроприводом, установленного на подающем трубопроводе. Регулирующий клапан (задвижка с электроприводом) принимает сигналы от контроллера на открытие или закрытие. При повышении температуры наружного воздуха регулирующий клапан отрабатывает на прикрытие задвижки и расход теплоносителя из теплосети уменьшается, что приводит к сокращению теплопотребления здания. При похолодании происходит обратный процесс. Циркуляционные насосы поддерживают необходимый расход во внутреннем контуре системы отопления даже при полном закрытии регулирующего клапана. Контроллер осуществляет управление процессом и поддерживает температуру в системе отопления после узла смешения в соответствии с заданным температурным графиком от температуры наружного воздуха. Настройка температурного графика и коэффициентов регулирования осуществляется индивидуально для каждого объекта теплоснабжения. Оптимальная настройка системы автоматического регулирования позволяет получить наилучший эффект и обеспечить комфортный для жильцов тепловой режим при максимальном энергосбережении.

рис. 1 Схема приборного учета и регулирования теплоснабжения

1. Мониторинг и дистанционное управление

Рассмотрим решение задачи дистанционного управления теплоснабжением объекта на примере регулятора количества теплоты Danfoss ECL Comfort 210/310. В контроллере реализована таблица памяти для хранения текущих данных с датчиков и настроек прибора. Для каждой схемы регулирования разработана отдельная программа управления, которая подключается к прибору в виде модульной схемы-ключа. За каждым ключом закреплены определенные ячейки памяти, которые он активирует при установке. Таким образом, имеется возможность записать в память прибора для каждого ключа свой вариант настроек, включая адрес прибора в системе удаленного управления и передачи данных. Погодный регулятор поддерживает на аппаратном уровне различные интерфейсы для считывания данных. Непосредственный порядок считывания данных с прибора определяется коммуникационным протоколом. Для интерфейса RS-485 используется Modbus RTU, а для Ethernet применяется Modbus TCP [2]. По протоколу происходит обращение к ячейкам памяти прибора по их номеру, описанному в документации. Таким образом, есть возможность считывать и изменять ячейки памяти прибора. Считывание реализуется с помощью Modbus-функций Read Holding Registers и Read Input Registers, которые позволяют считывать как одну ячейку памяти, так и несколько. Modbus-функция Preset Single Register позволяет записать значение в одну ячейку памяти прибора за один запрос. Следовательно, при конфигурации прибора, когда возникает потребность изменить существенное количество ячеек памяти, необходимо отправить много запросов, что увеличивает время процесса настройки и требует надежный канал связи. Следует отметить, что всего в протоколе Modbus существует несколько десятков функций, но в ECL 210/310 для чтения и записи данных реализованы и используются только три вышеперечисленных. Протокол является открытым и широко распространенным, поддерживается в SCADA-системах. Это дает возможность легко интегрировать контроллер в проекты автоматизации разного уровня сложности. На рис. 2 приведены варианты подключения приборов. В одном из вариантов компьютер, играющий роль пульта диспетчера, непосредственно подсоединен к линии с одним или с группой приборов, которые находятся рядом. Если же пульт диспетчера находится далеко от регулятора и для передачи данных используется глобальная сеть (например, в случае отдельного теплового узла жилого дома), то возможны проблемы, связанные с задержками получения ответов от прибора, которые будут более длительными, чем при непосредственном подключении к прибору через коммуникационный порт. Величина задержек при таких условиях изменчива и зависит от степени загруженности сети, что может привести к нештатным ситуациям при передаче данных. Например, возможна ситуация, когда первый запрос придет позже второго.

рис. 2 Удалённый доступ к регулятору

В связи с необходимостью осуществлять техническое и информационное обслуживание установленных регуляторов на объектах теплоснабжения требуется программное обеспечение для телеуправления. Программа от производителя прибора предназначена для настройки регулятора только по локальной сети и не позволяет работать через глобальную сеть, так как в ней жестко указано время ожидания ответа на запрос, которое рассчитано только на локальную сеть, без возможности изменения. Использовать SCADA-систему для мониторинга и диспетчеризации вместе с данными приборами целесообразно только на крупных объектах с местным диспетчерским пунктом, а для одного прибора применять подобную систему для опроса по глобальной сети экономически не выгодно и технически сложно.

Для повышения эффективности и более гибкого использования погодных регуляторов ECL Comfort 210/310 разработано программное обеспечение для дистанционного управления прибором с целью последующей его эксплуатации на объектах – потребителях тепловой энергии. Проанализировав достоинства и недостатки имеющихся программных средств, а также приняв во внимание решаемые задачи и опыт эксплуатации, определены следующие основные функции программы:

- считывание данных в локальных сетях (RS-485, Ethernet);

- возможность поиска всех подключенных приборов в локальной сети RS-485;

- считывание данных через глобальную сеть с помощью коммуникационного оборудования;

- удаленная настройка и управление приборами в глобальной и локальной сетях;

- мониторинг параметров прибора в режиме реального времени;

- возможность визуально диагностировать качество связи с прибором, а также достоверность запрашиваемых данных;

- возможность записи принятых значений параметров в БД для последующего ретроспективного анализа;

- возможность сохранения конфигурации прибора в отдельный xml-файл, с помощью которого можно настраивать другие приборы данной серии;

- возможность сохранения значений текущих параметров в файл формата xls;

- возможность интеграции программы со SCADA-системами на крупных объектах и использования независимо для работы со средними и малыми объектами.

Программа опроса работает с прибором по принципу «запрос – ответ». Оператору необходимо выбрать последовательный порт, к которому подключен прибор (или группа приборов), а также следует задать время ожидания ответа от прибора (таймаут на чтение), задержку перед отправлением запроса прибору (таймаут на запись) и количество повторений запросов (перезапросов), если ответ не будет получен за указанный таймаут на чтение. Все приведенные задержки измеряются в секундах. Последний параметр, который необходимо указать – это сетевой адрес прибора. При использовании нескольких регуляторов на одной линии их сетевые адреса должны быть известны во избежание возникновения коллизий при их опросе. В случае одного прибора на линии возможно для опроса использовать широковещательный адрес. При запросе по данному адресу ответит любой прибор, что позволяет опросить прибор, не зная его реальный адрес, а также присвоить ему удаленно новый адрес. Широковещательный адрес для протокола Modbus RTU – 254, а для Modbus TCP – 0.

Процесс считывания разделен на два этапа. На первом происходит проверка связи с прибором по данному адресу, визуально определяется ее качество. После установления соединения с прибором, зачитываются основные настройки: тип, серийный номер, номер ключа и установленная схема теплового узла. Все настройки выводятся на графическую форму, при этом в списке приборов добавляется новая строка с данными опрошенного регулятора. В режиме опроса Modbus RTU есть дополнительная опция – поиск приборов. Эта возможность особенно востребована на крупных объектах, когда бывает необходимо полностью просканировать линию и определить количество работающих приборов в диагностических целях. Поиск осуществляется путем полного перебора всех возможных скоростей и адресов. После завершения сканирования все найденные регуляторы будут добавлены в список доступных для мониторинга приборов.

Второй этап представляет собой непосредственный опрос прибора, который есть в списке, предварительно сформированном на первом этапе. Выбрав из списка нужный прибор можно запустить циклический опрос, при этом все необходимые адреса параметров разбиваются по посылкам и отправляются прибору. Визуальный интерфейс программы опроса приведен на рисунке 3.

рис. 3 Мониторинг регулятора отопления

Как указывалось ранее, при работе через глобальную сеть возникают определенные проблемы, связанные с различным временем прохождения ответных пакетов. В связи с этим в программе предусмотрены простые, но эффективные меры по диагностике ответов. Их суть состоит в том, что один и тот же запрос посылается не один, а последовательно два раза. Соответственно, должны вернуться два одинаковых ответа. Если возвращаются разные ответы или на один запрос не приходит ответа вообще за заданный тайм-аут, то ответ считается непринятым и происходит процедура повтора запроса. Когда все попытки исчерпаны, то данному запросу выставляется флаг отсутствия достоверности и опрос переходит на следующий в очереди параметр. Данный метод несколько снижает скорость опроса, но при этом гарантирует надежность соответствия параметров их реальным значениям. Для каждого параметра на графической форме подсвечивается его достоверность. В случае удачного принятия значения параметра, его поле подсвечивается зеленым цветом, в случае неудачного принятия поле параметра становится красным. Дополнительные средства визуальной диагностики выводятся внизу графического окна. В любой момент времени там можно увидеть, какой параметр или группа параметров запрошена в данный момент, какой по счету пакет запрошен, сколько было попыток перезапроса и таймер ожидания ответа. Данные средства позволяют оперативно выявить проблему, возникшую при работе с регулятором, а также обеспечивают наиболее полную информативность опроса. При приостановке сбора становятся доступными функции записи в прибор редактируемых значений, сохранения настроек данной вкладки в xml-файл, загрузки настроек для данной вкладки из xml-файла и сохранения текущих параметров в xls-файл. Процедура записи в прибор происходит в следующем порядке: в графическом окне редактируются значения нужных параметров, нажимается графическая кнопка “Записать в прибор”, при этом формируется список всех динамических параметров на данной вкладке, после чего они поочередно отправляются в прибор. Также как и в опросе необходимо определять достоверность записанных данных. Сначала записывается параметр, при удачной записи посылается запрос на считывание значения данного параметра. Если значение при записи совпадает с новым полученным значением, то параметр считается успешно записанным. Если же значение записано неудачно, поле параметра подсвечивается красным и процесс записи прекращается, программа переходит в ждущий режим, в котором возможно повторно запустить процедуру записи или продолжить процесс опроса прибора.

В режиме приостановленного опроса существует возможность управления приводами ECL и дискретными выводами. Привод может находиться в автоматическом, неподвижном, открытом и закрытом режимах. В автоматическом режиме прибор сам регулирует приводом подачу теплоносителя на основании своих расчетов, в неподвижном режиме прибор не может управлять приводом и привод стоит неподвижно в том состоянии, при котором режим был установлен. Открытый и закрытый режимы соответственно полностью открывают или закрывают задвижку, прибор также не может управлять приводом. Дискретные выводы могут быть в автоматическом, замкнутом и разомкнутом состояниях. Управление выводами может производиться либо в автоматическом режиме, либо жестко указываться их состояние вручную. По окончании каждого цикла опроса всех параметров полученные значения записываются в БД.

Программное обеспечение для работы с регулятором ECL 210 находится в промышленной эксплуатации на заводе «Радиоприбор» г. Владивосток. ECL 210 регулирует подачу теплоносителя на тепловом узле одного из цехов и управляется из местного диспетчерского пункта по проводной линии RS-485. Благодаря постоянному контролю удалось настроить регулятор максимально рационально, при этом цех сохранял постоянную комфортную для работы температуру днем и приемлемо пониженную температуру ночью и в нерабочие дни, что позволило сэкономить за отопительный сезон на отоплении порядка 20% по сравнению с предыдущим отопительным сезоном. Помимо крупных объектов, данные регуляторы устанавливаются вместе с тепловычислителями в тепловых узлах жилых домов. С данными объектами осуществляется связь через глобальную сеть с помощью специального коммуникационного оборудования ‑ GSM-модемов. Модемы поддерживают коммутируемый канал передачи данных CSD и соединение по сети с использованием протокола передачи данных TCP/IP.

За время эксплуатации программного обеспечения мониторинга и диспетчеризации ECL Comfort 210/310 на крупных и малых объектах теплоэнергетики повышена эффективность теплоснабжения. Заложенные средства диагностики и проверки значений параметров показали свою надежность даже при очень низком качестве связи.

2. Анализ эффективности регулирования

Рассмотрим объект теплоснабжения (ООО Радиоприбор, г. Владивосток), в тепловом узле которого для регулирования отопления установлен контроллер (рис. 1). Регулятор поддерживает (за счет изменения расхода теплоносителя) температуру в подающем трубопроводе после узла смешения t_см в соответствии с установленным графиком зависимости от температуры наружного воздуха t_нв. M₁, M₂ – массовые расходы теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. Т₁, Т₂ – температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. Заметим, что значения параметров M₁, M₂, T₁, T₂, t_нв, измеряются соответствующими датчиками и доступны для анализа. Для последующего анализа взяты две выборки данных архива теплосчётчика с 18.01.09 по 28.02.09 (выборка А) и 4.03.09 по 1.04.09 (выборка В). В архиве аккумулируются среднечасовые значения измеряемых параметров, которые в дальнейшем отображаются на графиках.

Проанализируем эффективность регулирования теплопотребления объекта, принимая во внимание, что регулирование осуществляется как на источнике теплоты (качественное), так и у потребителя (количественное). На рис.4(а) представлены графики изменения потребляемой тепловой энергии Q, расхода M₁ и температуры наружного воздуха t_нв по часам суток для выборки А, а на рис.4(б) – для выборки В. Очевидно, что график на рис.4(а) соответствует ситуации, при которой отсутствует количественное регулирование за счет изменения расхода теплоносителя (отсутствует корреляция Q от M₁ и, следовательно, можно сделать вывод о том, что регулятор не работает), а график на рис.4(б) показывает, что регулятор, безусловно, выполняет свои функции. Эти выводы подтверждаются графиками на рис.5, отображающими тенденции зависимости Q от Т₁ и M₁ для выборки А, а так же графиками на рис.6, отображающими эти же зависимости для выборки В.

рис. 4 Изменение Q, M₁ и t_нв в течение суток (усреднение по часам суток)

Действительно, на графиках рис.5 прослеживается очевидная зависимость Q от Т₁ (значение критерия Пирсона, определяющего достоверность аппроксимации результатов измерений R²=0,92) при отсутствии зависимости Q от M₁ (R²=0,056). Такие зависимости характерны для достаточно эффективного качественного регулирования теплопотребления при отсутствии регулирования количественного [3]. На рис.6 наблюдается иная картина, свидетельствующая о преобладающем эффекте количественного регулирования.

рис. 5 Зависимости (а) Q(T1) и (б) Q(M1) для выборки А

рис. 6 Зависимости (а) Q(T1) и (б) Q(M1) для выборки B

Благодаря работе САР теплопотребление здания снижается при повышении температуры наружного воздуха. Установка системы автоматического регулирования позволяет исключить перерасход энергии (перетоп) в переходный период (особенно в момент оттепели), нормализовать гидравлический режим объекта теплопотребления и получить экономию от 5 до 40%. При установке только теплосчётчика (без САР) фактическое теплопотребеление может быть даже больше, чем нормативное значение. Причинами такого отрицательного эффекта могут быть недостаточная теплоизоляция здания, особенности его конструкции и перетопы из-за завышенной температуры теплоносителя в осенний и весенний периоды (например, во Владивостоке температура в теплосети поддерживается не ниже 55ºС для обеспечения нормы на горячее водоснабжение). Отметим, что причинами низкого энергосберегающего эффекта от применения САР могут быть не только физические дефекты оборудования, входящего в её состав, но также некорректные настройки и режимы работы контроллера, выполняющего автоматическое регулирование. Поэтому после установки САР на тепловом узле необходимо выполнять анализ и оценку эффективности регулирования теплопотребления.

Литература

1. В.И. Манюк, Я.И. Каплинский и др. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник. М.: Стройиздат, 1988.

2. Jian Kuang, Guibao Wang, Jiali Bian. A Modbus Protocol Stack Compatible with RTU/TCP Frames and Embedded Application // Advances in Intelligent and Soft Computing, Springer Berlin Heidelberg. Volume 143, 2012, pp 765-770.

3. R. Kuznetsov, V. Chipulis. Regression Analysis in Energy Systems //Advanced Materials Research. Materials, Mechatronics and Automation II. Vol. 740, 2013. P. 772-777.