Мониторинг, диагностика и
телеуправление в системах теплоснабжения
Е.В. Волошин,
инж.-прогр.,
voloshin@infovira.ru
Р.С. Кузнецов,
н.с.,
к.т.н., kuznetsov@dvo.ru
В.В. Раздобудько,
вед. инж.-прогр.,
razdobudko@dvo.ru
В.П. Чипулис,
зав. лаб., д.т.н., проф., chipulis@vira.dvo.ru
ИАПУ ДВО РАН, г. Владивосток
Показан опыт решения задач энергосбережения за счет
использования информационно-аналитических систем в энергетике. Разработаны
методы и программные средства для оперативного сбора данных, выполнения диагностики
по результатам измерений приборов учёта и управления объектами теплоснабжения с
погодными регуляторами для обеспечения энергоэффективных режимов эксплуатации.
The
solution of energy saving problems by using the information-analytical systems
in heat and power engineering is shown. The methods and the software tools have
been developed for rapid data acquisition, the diagnostics of meters and the
remote control of heating controllers to provide energy-efficient modes.
Введение
В последнее десятилетие
отмечается интенсивный процесс внедрения информационно-измерительных систем в
теплоэнергетике. Он обусловлен возможностями современной измерительной базы,
позволяющей не только выполнять измерения в полном объеме и с высокой
точностью, но и передавать их в центр обработки и хранения данных с помощью
разнообразных телекоммуникационных средств. Выполняемые в этом направлении разработки
коллектива сотрудников Института автоматики и процессов управления ДВО РАН совместно
с инжиниринговой компанией Вира и IT-компанией Инфовира отличаются тем, что в
них существенный акцент делается на анализ результатов измерений с ориентацией
на потребности технических специалистов, представителей администрации и финансовых
служб.
Отметим опыт создания
следующих законченных и эксплуатируемых в настоящее время
информационно-аналитических систем (ИАС). В 2000 году была завершена разработка
ИАС «СОНА» [1], используемой при сервисном обслуживании тепловых узлов и
установленных на них приборов учета тепловой энергии. С 2001 года в котельной
Всероссийского детского центра «Океан» эксплуатируется ИАС мониторинга и анализа
эксплуатационных режимов источников теплоты «ИСМА-ОКЕАН» [2]. Интенсивный
процесс внедрения SCADA-систем побудил к разработке новой ИАС «АИСТ» [3] для
источников теплоты, реализующей функции мониторинга технологических процессов выработки
тепловой энергии с использованием системы TRACE MODE. Продолжением
работ является поэтапная разработка, связанная с введением в эксплуатацию
нового технологического и измерительного оборудования, аналогичной по решаемым
задачам ИАС для котельной ООО «Теплоэнерго», г. Большой Камень [4].
Следующий шаг в развитии
данного направления связан с разработкой платформы для создания ИАС [5]. Основная
цель, которая при этом преследовалась, заключается в следующем. Платформа должна
содержать базу данных (БД) и достаточно полный набор программных средств для
решения задач анализа (ориентированных на использование этой БД) и позволять
оперативно, с незначительными временными затратами компоновать системы анализа
для конкретных приложений. В 2006 году завершена разработка промышленной версии
ИАС «СКУТЕР» [6], в значительной степени отвечающей этому требованию. Информационной
базой [7] системы «СКУТЕР» являются результаты измерений приборов учёта ресурсов.
ИАС включает в себя набор независимых программных модулей, ориентированных на
решение требуемых прикладных задач и обладающих определенной функциональной
направленностью. Основными модулями системы являются следующие: «Сбор данных»,
«Графики», «Таблицы», «Отчеты», «Диаграммы», «Конфигуратор». Узкоспециализированными
модулями являются: «Температурный график», «Тепловой режим», «Рекомендации»,
«Дефекты», «Зависимости». Однако расширение возможностей ИАС «СКУТЕР» выполняется
постоянно путем развития аналитических функций, которые представлены в виде новых
модулей, интегрированных в платформу. Рассмотрим более подробно эти модули.
1. Мониторинг
приборов учёта
Базовой подсистемой информационно-аналитической
системы является подсистема сбора данных [8]. Качество и своевременность сбора
информации с приборов во многом является определяющим фактором качества работы
системы в целом. В свою очередь, процесс сбора информации зависит от следующих
технических решений: среда передачи данных (физический уровень), оконечные
устройства на удаленных объектах и в центре сбора информации, протоколы
передачи данных, программные средства сбора данных. В настоящее время получили
большое распространение сети GSM. Многие используют их для систем телеметрии. В
сети GSM раннего поколения для получения результатов измерений с теплосчетчиков
в основном использовалась технология передачи данных CSD. Однако данная
технология не позволяла поддерживать постоянное соединение с удаленными
модемами и осуществлять сбор данных одновременно с большого количества приборов
учета. Развитие телекоммуникационных технологий и переход на пакетную передачу
данных в сетях нового поколения позволяет осуществлять одновременный доступ к
GSM-модемам на гораздо более высоких скоростях. Оперативность в этом случае
гораздо выше, чем у связи по старым технологиям.
На первом этапе приборы учета подключали с помощью
GSM-терминалов, связь с которыми ведется только в режиме CSD. На сегодняшний
день осуществляется поэтапный перевод приборов учета на пакетную передачу данных.
В качестве абонентского оборудования нами были выбраны модемы Enfora GSM1318. Это устройство представляет собой интеллектуальный
GSM-модем со встроенным механизмом прозрачной передачи пакетов из сети на
коммуникационный порт и обратно в сеть ответов от подключенного прибора учета.
Модем имеет возможность обновления заводского ПО через сеть GSM, а также удаленного
конфигурирования и диагностики. Эти свойства позволили организовать плавный
переход от коммутируемых соединений к сбору данных по сети через выделенный частный
канал операторами мобильной связи. С точки зрения программного обеспечения этот
режим не имеет существенных отличий от использования GSM-модема для коммутируемых
соединений. Преимущества от использования новых технологий передачи данных:
параллельный сбор данных с большого количества приборов учёта, скорость
соединения и надежность передачи больших пакетов данных, отсутствие частых обрывов
сеанса связи и быстрое автоматическое восстановление соединения при обрыве.
Перевод системы сбора на использование протокола TCP/IP
позволил значительно повысить оперативность сбора данных, уменьшить расходы на
GSM-связь и значительно увеличить максимальное количество приборов учета,
обслуживаемых сервером сбора информации. Стала возможна организация мониторинга
в режиме реального времени приборов учета, подключенных к сети по TCP/IP,
которые могут работать одновременно (параллельный опрос данных). Разработан
новый сервис опроса мгновенных показаний приборов учета в режиме реального
времени. Для пользователей ИАС СКУТЕР разработан новый визуальный интерфейс
(рис.1), который позволяет следующее:
- поставить или снять прибор учета на/с опрос(а) в
режиме мониторинга;
- отобразить мгновенные параметры прибора в режиме
реального времени;
- просмотреть значения, полученные в результате
мониторинга в ретроспективе на графике;
- произвести предварительный контроль считанных
значений и диагностику;
- выдать рекомендации по наладке оптимального
режима функционирования объекта.
рис.
1 Мониторинг теплового узла в масштабе
реального времени
Модуль «Мониторинг» предоставляет пользователю
возможность для выбора от 1 до 9 приборов учета для одновременного считывания
данных в режиме реального времени. Группа выбранных для мониторинга приборов
учёта передается на сервер мониторинга в сервис опроса, где происходит подписка
на получение данных с определенной частотой в течение заданного пользователем
периода времени. Полученные с прибора мгновенные и текущие итоговые показания
автоматически сохраняются в базе данных по учёту энергоресурсов и отображаются
в главном окне модуля (рис.1). Для разных приборов учета и их конфигураций определяется
индивидуальная мнемосхема и набор параметров. На рисунке 1 показан пример
мониторинга теплосчетчика. На мнемосхеме отображаются температуры и расходы
теплоносителя, а также сигнализация об обнаруженных дефектах. На графиках
температур и расходов можно в деталях оценить режим функционирования теплового
узла и динамику изменения основных параметров теплоснабжения. Это необходимо
при наладке систем регулирования, оценки пиковых значений водозабора и выявления
проблем при эксплуатации теплосчетчика. Наглядная и оперативная картина с
теплового узла может быть получена на удаленном компьютере оператора в любое
время по запросу с помощью модуля «Мониторинг». Дополнительным преимуществом
модуля является возможность мониторинга сразу нескольких приборов учёта для получения
общей картины участка тепловой сети по измерениям на группе объектов
теплоснабжения. Такой режим позволяет сравнить показания с приборов учёта
расположенных в рядом расположенных зданиях или оценить ситуацию одновременно в
нескольких населённых пунктах. Развитие модуля позволит оповещать об авариях и
нештатных ситуациях диспетчерские службы и персонал в любое время суток в
режиме реального времени.
2. Диагностическая
карта
Большие объёмы собираемых данных с многочисленных и
разнотипных приборов учёта требуют оперативной проверки достоверности
результатов измерений [9-10], диагностики технического состояния оборудования [11]
и наладки эффективных режимов энергопотребления. Разрабатываемые в Институте
автоматики и процессов управления методы и программные средства [12] контроля и
диагностики приборов учёта и регулирования энергоресурсов ориентированы на
получение адекватных моделей управления процессами энергосбережения. Выявление
на ранних стадиях деградации погрешности измерительных приборов [13], выход из
строя технологического оборудования, обнаружение нештатных режимов эксплуатации
систем теплоснабжения возможно за счет анализа результатов измерений приборов
учета [14]. Модуль «Экспресс-анализ» разработан для решения этих задач и предназначен
для визуализации обнаруженных нарушений по результатам анализа измерений,
полученных при сборе данных с приборов учёта. Развитие модуля нацелено на
улучшение функциональных возможностей системы СКУТЕР. Получение результатов
измерений с электросчётчиков, теплосчетчиков и регуляторов систем
теплоснабжения с частотой от нескольких секунд и выше в режиме мониторинга
потребовало выполнять оперативный расчет и диагностику ситуации на объектах
учёта. Разработана и добавлена в модуль «Экспресс-анализ» диагностическая карта
по разнотипным приборам учёта и регулирования. Диагностическая карта позволяет
рассчитать статистические показатели по всем значениям параметров прибора учёта
за выбранные пользователем сутки. Для каждого параметра вычисляются граничные
значения и ожидаемое (нормативное) значение. Система проверок для параметра
основана на сравнении статистических показателей измеряемого параметра с его
граничными и нормативными значениями. При выходе минимального, среднего или
максимального значения за допустимые диапазоны (аварийный, диапазон измерения,
технологический и др.) или существенном отклонении от нормы будет произведена
цветовая сигнализация о нарушении в диагностической карте. В случае невозможности
проверки значения параметра ячейка таблицы окрашивается в белый цвет. В случае
допустимых отклонений от нормы ячейка таблицы окрашивается в желтый цвет. При
превышении верхнего или нижнего пределов будет произведена сигнализация красным
цветом, также как, если по параметру нет данных. На рис.2 показан пример
диагностической карты для электросчетчика. Параметры, получаемые с прибора учёта:
- частота в электрической сети (F, Гц);
- напряжения по фазам (U, B)
- токи по фазам (I, A);
- коэффициенты передачи мощности;
- полная, активная и реактивная мощности.
Контролируемые параметры по электросчетчику:
отклонение напряжения, отклонение частоты, несимметрия токов и напряжений в
трёхфазной системе, превышение номинального тока, перекос фаз по активным
мощностям, избыточная реактивная мощность и др.
рис.
2 Диагностика параметров электросчётчика
Аналогичная по принципу визуализации, но с другим
набором параметров, диагностическая карта создана для теплосчетчиков. Основные
параметры прибора: температуры, расходы и давления теплоносителя. Вычисляемые
параметры: тепловая энергия, перепад давлений, разности температур и расходов,
относительная погрешность измерения разности расходов и другие дополнительные
параметры в зависимости от схемы измерения прибора. Контролируемые параметры
теплосчетчика: превышение динамического диапазона измерения расходомера, отклонение
от температурного графика, выход погрешности измерения за допускаемый диапазон,
сверхнормативное потребление тепловой энергии или дефицит энергии, динамика
изменения основных параметров теплоснабжения от температуры наружного воздуха,
несанкционированный водозабор и утечки теплоносителя.
3. Телеуправление
Выделяют два принципиально различных способа
регулирования теплоснабжения – количественный и качественный. 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 [15]. 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.
Установка системы автоматического регулирования
(САР) 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 теплосчетчика
(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.
В связи с необходимостью осуществлять техническое и
информационное обслуживание регуляторов, установленных на объектах
теплоснабжения, разработано программное обеспечение для телеуправления.
Реализованы функции диспетчеризации и удаленного управления процессами регулирования
для тепловых узлов, оснащенных погодным регулятором Danfoss ECL Comfort 200/300
и позднее Danfoss ECL 210/310 [16]. Программа позволяет получить и изменить
следующую информацию:
- «Состояние системы» -
отображение значений датчиков температур S1, S2, S3, S4, состояния клапана M1 и
насоса P1 (рис. 3а);
- «Температурный график» -
возможность выбора наклона и сдвига кривой графика отопления/ГВС, а также изменения
уставок температур для дневного и ночного режимов регулирования (рис. 3b);
- «Коэффициенты ПИД» -
изменение зоны пропорциональности и постоянной интегрирования (рис. 4a);
- «Расписание» - формирование
недельного расписания алгоритма работы прибора (рис. 4b).
а.
б.
рис.
3 Состояние системы (а) и температурный
график регулирования (b)
а. б.
рис.
4 Коэффициенты регулирования (а) и
расписание работы регулятора (b)
В последних версиях ИАС, разработанных для системы теплоснабжения
заводов «Радиоприбор»[17] и «Дальприбор», а также абонентов ЗАО УК «Тополиная
Аллея» и ООО УК «Советского района» г. Владивосток, реализованы, помимо
мониторинга и диагностики, функции управления процессами теплоснабжения с помощью
программных средств диспетчеризации и удаленного управления процессами регулирования
для всех тепловых узлов. Предложены методы анализа эффективности
регулирования теплоснабжения с использованием
регрессионных моделей объектов теплоэнергетики, и проведена
количественная оценка энергосбережения с учетом различных
факторов влияющих на потребление тепловой энергии [18-19].
В заключении отметим, что аналитическая платформа
для разработки ИАС теплоэнергетического комплекса имеет весьма хорошие
перспективы развития. Благодаря масштабируемости и модульности организации
платформы, внедрение новых элементов не составит особого труда. Учитывая
большие работы по реконструкции существующего технологического оборудования и
по реализации программ энергосбережения, актуальность и практическая значимость
информационно-аналитических систем в теплоэнергетике будет только возрастать. В
ближайшем будущем предполагается расширение функционала платформы внедрение как
новых систем в теплоэнергетике, так и модернизация уже эксплуатируемых ИАС.
Постепенное развитие платформы с учетом задач решаемых в повседневной практике пользователями
систем позволяет наблюдать за все повышающимся интересом к ИАС и высокой оценкой
их значимости по результатам работы.
Литература
1.
Чипулис В.П. и др.
Система мониторинга и анализа
режимов функционирования потребителей тепловой энергии // Информатизация и
системы управления в промышленности. – 2005. – №7. – С. 23-28.
2. Чипулис
В.П. и др. Автоматизация процессов мониторинга, регулирования и анализа режимов
функционирования источников теплоты // Информатизация и системы управления в
промышленности. – 2004. – №1. – С. 5-8.
3. Чипулис
В.П. и др. Учет и анализ параметров технологических процессов выработки
тепловой энергии // Ин-форматизация и системы управления в промышленности. –
2006. – №7. – С. 4-9.
4. Чипулис
В.П. и др. Система мониторинга и ретроспективного анализа режимов
функционирования котельной // Информационные технологии в проектировании и
производстве. – 2011. – №2. – С. 43-49.
5.
Чипулис В.П. и др. Автоматизация проектирования
информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики // Надежность и
качество 2008: труды международного симпозиума. – Пенза: ПГУ, 2008. С. 270-274.
6.
Кузнецов P.C., Раздобудько
В.В., Чипулис В.П. Информационно-аналитические системы объектов теплоэнергетики
// Информатика и системы управления. №2(28). 2011. С. 41-49.
7.
Бабенко В.Н.,
Кузнецов Р.С., Раздобудько В.В. База данных учета тепловой энергии для объектов
теплопотребления Приморского края // Федеральная служба по интеллектуальной
собственности, патентам и товарным знакам. Свидетельство «О государственной
регистрации базы данных» № 2008620273 от 16 июля
8.
R. Kuznetsov, V. Chipulis. Wireless Data Collection in
Power System // Lecture Notes in Electrical Engineering Volume 280, 2014, pp
21-26.
9.
Чипулис В.П.
Оценка достоверности результатов измерений в теплоэнергетике // Измерительная
техника. – М.: Издательский дом «Технологии». – 2005. – №5. – С. 53-58.
10. Кузнецов P.C. К анализу достоверности
результатов измерений в задачах учета тепловой энергии // Датчики и системы,
2008. №7. C. 45-47.
11. Чипулис В.П. Диагностирование технического состояния
тепловых систем // Автоматика и телемеханика. 2002. № 6. С. 146-154.
12. Kuznetsov
R.S. Diagnostic application in the heat-power engineering // First Russia and Pacific Conference on Computer
Technology and Applications. – Vladivostok, Russia, 6 - 9 September, 2010. – P. 291-293.
13. В.П. Чипулис, Р.С. Кузнецов. О прогнозировании
относительного расхождения показаний каналов измерения расхода в задачах учета
тепловой энергии // Измерительная техника, 2008. №4. С. 35-39.
14. А.Н.
Виноградов и др. Анализ процессов теплопотребления на примере использования
информационно-аналитической системы «СКУТЕР» // Промышленные АСУ и контроллеры.
2010. – №12. – С.1-6.
15. Чипулис В.П. Оценка эффективности регулирования теплопотребления
// Датчики и системы. 2013. №4. С. 45-49.
16. Волошин Е.В. Анализ и разработка программных средств
мониторинга и диспетчеризации для регулятора тепловой энергии Danfoss ECL 210/310
// Промышленные АСУ и контроллеры. ‑ 2013. – №8. – С.51-57.
17. R. Kuznetsov, V. Chipulis. Monitoring and Automatic
Control for Heating System of the Plant // Lecture Notes in Electrical
Engineering. Volume 279, 2014, pp 7-12.
18. R. Kuznetsov, V. Chipulis. Regression Analysis
in Energy Systems // Advanced Materials Research. Materials, Mechatronics and
Automation II. Vol. 740, 2013. P. 772-777.
19. А.Н.
Виноградов. Оценка эффективности управления процессами потребления тепловой
энергии объектами ЖКХ с использованием информационных технологий //
Промышленные АСУ и контроллеры. – 2013. – №12. – C. 66–69.