Modernization and Automation of Heat Supply System Minsk experiencce

V.A. Sednin, Scientific Consultant, Doctor of Engineering, Professor,
A.A. Gutkovskiy, Chief Engineer, Belorussian National Technicl University, Scientific Research and Innovations Center of Automated Control Systems in heat power industry

Keywords : heat supply system, automated control systems, reliability and quality improvement, heat delivery regulation, data archiving

Heat supply of large cities in Belorussia, as in Russia, is provided by cogeneration and district heat supply systems (hereinafter - DHSS), where facilities are combined into a single system. However, often the decisions made on individual elements of complex heat supply systems do not meet the systematic criteria, reliability, controllability and environment protection requirements. Therefore modernization of the heat supply systems and creation of automated process control systems is the most relevant task.

Описание:

В. А. Седнин, А.А. Гутковский

Теплоснабжение крупных городов Белоруссии, как и в России, обеспечивается системами теплофикации и централизованного теплоснабжения (далее - СЦТ), объекты которых увязаны в единую схему. Однако часто решения, принимаемые по отдельным элементам сложных систем теплоснабжения, не удовлетворяют системным критериям, требованиям надежности, управляемости и экологичности. Поэтому модернизация систем теплоснабжения и создание автоматизированных систем управления технологическими процессами является наиболее актуальной задачей.

В. А. Седнин , научный консультант, доктор техн. наук, профессор

А. А. Гутковский , главный инженер, Белорусский национальный технический университет, Научно-исследовательский и инновационный центр автоматизированных систем управления в теплоэнергетике и промышленности

Теплоснабжение крупных городов Беларуси, как и в России, обеспечивается системами теплофикации и централизованного теплоснабжения (далее – СЦТ), объекты которых увязаны в единую схему. Однако часто решения, принимаемые по отдельным элементам сложных систем теплоснабжения, не удовлетворяют системным критериям, требованиям надежности, управляемости и экологичности. Поэтому модернизация систем теплоснабжения и создание автоматизированных систем управления технологическими процессами является наиболее актуальной задачей.

Особенности систем централизованного теплоснабжения

Рассматривая основные особенности СЦТ Беларуси, можно отметить , что они характеризуются:

• непрерывностью и инерционностью своего развития;
• территориальной распределенностью, иерархичностью, разнообразием используемых технических средств;
• динамичностью процессов производства и стохастичностью потребления энергии;
• неполнотой и низкой степенью достоверности информации о параметрах и режимах их функционирования.

Важно отметить, что в СЦТ тепловые сети, в отличие от других трубопроводных систем, служат для транспорта не продукта, а энергии теплоносителя, параметры которого должны удовлетворять требованиям различных потребительских систем.

Указанные особенности подчеркивают существенную необходимость создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (далее – АСУ ТП), внедрение которых позволяет повысить энергетическую и экологическую эффективность, надежность и качество функционирования систем теплоснабжения. Внедрение АСУ ТП сегодня не является данью моде, а вытекает из основных законов развития техники и экономически обосновано на современном этапе развития техносферы.

СПРАВКА

Система централизованного теплоснабжения Минска представляет собой структурно сложный комплекс. В него в части производства и транспорта тепловой энергии входят объекты РУП «Минскэнерго» (Минских тепловых сетей, теплофикационные комплексы ТЭЦ-3 и ТЭЦ-4) и объекты УП «Минсккоммунтеплосеть» – котельные, тепловые сети и центральные тепловые пункты. Создание АСУ ТП УП «Минсккоммунтеплосеть» было начато в 1999 году, и в настоящее время она функционирует, охватывая практические все теплоисточники (свыше 20) и ряд районов тепловых сетей. Разработка проекта АСУ ТП Минских тепловых сетей была начата в 2010 году, реализация проекта началась в 2012 году и в настоящее время продолжается.

Разработка АСУ ТП системы теплоснабжения Минска

На примере Минска представляем основные подходы, которые были реализованы в ряде городов Беларуси и России при проектировании и разработке АСУ ТП систем теплоснабжения.

С учетом обширность вопросов, охватывающих предметную область теплоснабжения, и накопленного опыта в сфере автоматизации систем теплоснабжения на предпроектной стадии создания АСУ ТП Минских тепловых сетей была разработана концепция. Концепция определяет принципиальные основы организации АСУ ТП теплоснабжения Минска (см. справку) как процесса создания вычислительной сети (системы), ориентированной на автоматизацию технологических процессов топологически распределенного предприятия централизованного теплоснабжения.

Технологические информационные задачи АСУ ТП

Внедряемая автоматизированная система управления в первую очередь предусматривает повышение надежности и качества оперативного управления режимами функционирования отдельных элементов и системы теплоснабжения в целом . Поэтому данная АСУ ТП предназначена для решения следующих технологических информационных задач:

• обеспечение централизованного функционально-группового управления гидравлическими режимами теплоисточников, магистральных тепловых сетей и перекачивающих насосных станций с учетом суточных и сезонных изменений расходов циркуляции с корректировкой (обратной связью) по фактическим гидравлическим режимам в распределительных тепловых сетях города;
• реализация метода динамического центрального регулирования отпуска тепловой энергии с оптимизацией температур теплоносителя в подающих и обратных трубопроводах тепломагистралей;
• обеспечение сбора и архивации данных о тепловых и гидравлических режимах работы теплоисточников, магистральных тепловых сетей, перекачивающей насосной станции и распределительных тепловых сетей города для осуществления контроля, оперативного управления и анализа функционирования СЦТ Минских тепловых сетей;
• создание эффективной системы защиты оборудования теплоисточников и тепловых сетей в нештатных ситуациях;

создание информационной базы для решения оптимизационных задач, возникающих в ходе эксплуатации и модернизации объектов системы теплоснабжения Минска.

СПРАВКА 1

В состав Минских тепловых сетей входят 8 сетевых районов (РТС), 1 ТЭЦ, 9 котельных мощностью от нескольких сот до тысячи мегаватт. Кроме того, на обслуживании Минских тепловых сетей находятся 12 понизительных насосных станций, 209 ЦТП. Организационно-производственная структура Минских тепловых сетей по схеме «снизу вверх»: первый (нижний) уровень – объекты тепловых сетей, включая ЦТП, ИТП, тепловые камеры и павильоны; второй уровень – мастерские участки тепловых районов; третий уровень – теплоисточники, включающие в свой состав районные котельные (Кедышко, Степняка, Шабаны), пиковые котельные (Орловская, Комсомолка, Харьковская, Масюковщина, Курасовщина, Западная) и насосные станции; четвертый (верхний) уровень – диспетчерская служба предприятия.

Структура АСУ ТП Минских тепловых сетей

В соответствии с производственно-организационной структурой Минских тепловых сетей (см. справку 1) выбрана четырехуровневая структура АСУ ТП Минских тепловых сетей:

• первый (верхний) уровень – центральная диспетчерская предприятия;
• второй уровень – операторские станции районов тепловых сетей;
• третий уровень – операторские станции теплоисточников (операторские станции мастерских участков тепловых сетей);
• четвертый (нижний) уровень – станции автоматического управления установками (котлоагрегаты) и процессами транспорта и распределения тепловой энергии (технологическая схема теплоисточника, тепловые пункты, тепловые сети и т. п.).

Развитие (создание АСУ ТП теплоснабжения всего города Минска) предполагает включение в систему на втором структурном уровне операторских станций теплофикационных комплексов минских ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-4 и операторской станции (центральной диспетчерской) УП «Минск­коммунтеплосеть». Все уровни управления планируется объединить в единую вычислительную сеть.

Архитектура АСУ ТП системы теплоснабжения Минска

Анализ объекта управления в целом и состояние его отдельных элементов, а также перспективы развития системы управления позволили предложить архитектуру распределенной автоматизированной системы управления технологическими процессами системы теплоснабжения Минска в рамках объектов РУП «Минскэнерго». Корпоративная сеть интегрирует вычислительные ресурсы центрального офиса и удаленных структурных подразделений, в том числе и станции автоматического управления (САУ) объектов сетевых районов. Все САУ (ЦТП, ИТП, ПНС) и сканирующие станции подключаются непосредственно к операторским станциям соответствующих сетевых районов, устанавливаемым предположительно на мастерских участках.

На удаленном структурном подразделении (например, РТС-6) устанавливаются следующие станции (рис. 1): операторская станция «РТС-6» (ОпС РТС-6) – она является центром управления сетевого района и устанавливается на мастерском участке РТС-6. Для оперативного персонала ОпС РТС-6 обеспечивает доступ ко всем без исключения информационным и управляющим ресурсам САУ всех типов, а также доступ к разрешенным информационным ресурсам центрального офиса. ОпС РТС-6 обеспечивают регулярное сканирование всех подчиненных станций управления.

Собранная со всех ЦТП оперативная и коммерческая информация направляется для хранения на выделенный сервер базы данных (устанавливается в непосредственной близости от ОпС РТС-6).

Таким образом, с учетом масштабов и топологии объекта управления и сложившейся организационно-производственной структуры предприятия АСУ ТП Минских тепловых сетей строится по многозвенной схеме с применением иерархической структуры программно-технических средств и вычислительных сетей, решающих различные задачи управления на каждом уровне.

Уровни системы управления

На нижнем уровне система управления выполняет:

• предварительную обработку и передачу информации;
• регулирование основных технологических параметров, функции оптимизации управления, защиты технологического оборудования.

К техническим средствам нижнего уровня предъявляются повышенные требования надежности, включая возможность автономного функционирования при потере связи с вычислительной сетью верхнего уровня.

Последующие уровни системы управления строятся согласно иерархии системы теплоснабжения и решают задачи соответствующего уровня, а также обеспечивают операторский интерфейс.

Управляющие устройства, устанавливаемые на объектах, помимо своих прямых обязанностей, должны предусматривать и возможность агрегатирования их в распределенные системы управления. Управляющее устройство должно обеспечивать работоспособность и сохранность информации объективного первичного учета при длительных перерывах связи.

Основными элементами такой схемы являются технологические и операторские станции, соединенные между собой каналами связи. Ядром технологической станции должен являться промышленный компьютер, оснащенный средствами связи с объектом управления и канальными адаптерами для организации межпроцессорной связи. Основное назначение технологической станции – реализация алгоритмов прямого цифрового управления. В технически обоснованных случаях некоторые функции могут выполняться в супервизорном режиме: процессор технологической станции может управлять удаленными интеллектуальными регуляторами или программно-логическими модулями, используя при этом протоколы современных полевых интерфейсов.

Информационный аспект построения АСУ ТП теплоснабжения

Особое внимание при разработке уделялось информационному аспекту построения АСУ ТП теплоснабжения. Полнота описания технологии производства и совершенство алгоритмов преобразования информации являются важнейшей частью информационного обеспечения АСУ ТП, построенного на технологии прямого цифрового управления. Информационные возможности АСУ ТП теплоснабжением обеспечивают возможность решения комплекса инженерных задач, которые классифицируют:

• по стадиям основной технологии (производство, транспорт и потребление тепловой энергии);
• по назначению (идентификация, прогнозирование и диагностика, оптимизация и управление).

При создании АСУ ТП Минских тепловых сетей предусматривается формирование информационного поля, позволяющего оперативно решать весь комплекс вышеуказанных задач идентификации, прогнозирования, диагностики, оптимизации и управления. При этом информационно обеспечивается возможность решения системных задач верхнего уровня управления при дальнейшем развитии и расширении АСУ ТП по мере включения соответствующих технических служб обеспечения основного технологического процесса.

В частности, это относится к оптимизационным задачам, т. е. оптимизации производства тепловой и электрической энергии, режимов отпуска тепловой энергии, потокораспределения в тепловых сетях, режимов работы основного технологического оборудования теплоисточников, а также расчета нормирования топливно-энергетических ресурсов, энергоучета и эксплуатации, планирования и прогнозирования развития системы теплоснабжения. На практике решение части задач этого вида проводится в рамках АСУ предприятия. В любом случае они должны учитывать информацию, получаемую в ходе решения непосредственно задач управления технологическим процессом, а создаваемая АСУ ТП информационно должна интегрироваться с другими информационными системами предприятия.

Методология программно-объектного программирования

Построение программного обеспечения системы управления, которое является оригинальной разработкой коллектива центра, базируется на методологии программно-объектного программирования: в памяти управляющих и операторских станций создаются программные объекты, отображающие реальные процессы, агрегаты и измерительные каналы автоматизируемого технологического объекта. Взаимодействие этих программных объектов (процессов, агрегатов и каналов) между собой, а также с оперативным персоналом и с технологическим оборудованием, собственно, и обеспечивает функционирование элементов тепловых сетей по предопределенным правилам или алгоритмам. Таким образом, описание алгоритмов сводится к описанию наиболее существенных свойств этих программных объектов и способов их взаимодействия.

Синтез структуры системы управления технических объектов основан на анализе технологической схемы объекта управления и подробном описании технологии основных процессов и функционирования, присущих данному объекту в целом.

Удобным инструментом для составления подобного типа описания для объектов теплоснабжения является методология математического моделирования на макроуровне. В ходе составления описания технологических процессов составляется математическая модель, выполняется параметрический анализ и определяется перечень регулируемых и контролируемых параметров и регулирующих органов.

Конкретизируются режимные требования технологических процессов, на основании которых определяются границы допустимых диапазонов изменения регулируемых и контролируемых параметров и требования к выбору исполнительных механизмов и регулирующих органов. На основании обобщенной информации производится синтез автоматизированной системы управления объектом, которая при применении метода прямого цифрового управления строится по иерархическому принципу в соответствии с иерархией объекта управления.

АСУ районной котельной

Так, для районной котельной (рис. 2) автоматизированная система управления строится на базе двух классов.

Верхний уровень – операторская станция «Котельная» (ОпС «Котельная») – основная станция, которая координирует и контролирует подчиненные станции. ОпС «Котельная резервная» – станция горячего резерва, которая находится постоянно в режиме прослушивания и регистрации трафика основной ОпС и ее подчиненных САУ. Ее база данных содержит актуальные параметры и полные ретроспективные данные о функционировании рабочей системы управления. В любой момент времени резервная станция может быть назначена основной с полной передачей ей трафика и разрешением функций супервизорного управления.

Нижний уровень – комплекс объединенных совместно с операторской станцией в вычислительную сеть станций автоматического управления:

• САУ «Котлоагрегат» обеспечивает управление котлоагрегатом. Как правило, она не резервируется, т. к. резервирование тепловой мощности котельной производится на уровне котлоагрегатов.
• САУ «Сетевая группа» отвечает за теплогидравлический режим функционирования котельной (управление группой сетевых насосов, линией байпаса на выходе котельной, линией перепуска, входными и выходными задвижками котлов, индивидуальными насосами рециркуляции котлов и пр.).
• САУ «Водоподготовка» обеспечивает управление всем вспомогательным оборудованием котельной, необходимым для подпитки сети.

Для более простых объектов системы теплоснабжения, например тепловых пунктов и блочных котельных, система управления строится как одноуровневая на базе станции автоматического управления (САУ ЦТП, САУ БМК). В соответствии со структурой тепловых сетей станции управления тепловыми пунктами объединяются в локальную вычислительную сеть района тепловых сетей и замыкаются на операторскую станцию района тепловых сетей, которая, в свою очередь, имеет информационную связь с операторской станцией более высокого уровня интеграции.

Операторские станции

Программное обеспечение операторской станции обеспечивает дружественный интерфейс для оперативного персонала, управляющего работой автоматизированного технологического комплекса. Операторские станции имеют развитые средства оперативного диспетчерского управления, а также устройства массовой памяти для организации краткосрочных и долговременных архивов состояния параметров технологического объекта управления и действий оперативного персонала.

В случаях больших информационных потоков, замыкаемых на оперативном персонале, целесообразно организовать несколько операторских станций с выделением отдельного сервера базы данных и, возможно, коммуникационного сервера.

Операторская станция, как правило, сама непосредственно не воздействует на объект управления – она получает информацию от технологических станций и им же передает директивы оперативного персонала или задания (уставки) супервизорного управления, формируемые автоматически или полуавтоматически. Она образует рабочее место оператора сложного объекта, например котельной.

Создаваемая система автоматизированного управления предусматривает построение интеллектуальной надстройки, которая должна не только отслеживать возмущения, возникающие в системе, и реагировать на них, но и прогнозировать возникновение нештатных ситуаций и блокировать их возникновение. При изменении топологии сети теплоснабжения и динамики ее процессов предусмотрена возможность адекватного изменения структуры распределенной системы управления за счет добавления новых станций управления и (или) изменения программных объектов без изменения конфигурации оборудования существующих станций.

Эффективность АСУ ТП системы теплоснабжения

Анализ опыта эксплуатации АСУ ТП предприятий теплоснабжения 1 в ряде городов Беларуси и России, проводимый в течение последних двадцати лет, показал их экономическую эффективность и подтвердил жизнеспособность принятых решений по архитектуре, программному и техническому обеспечению.

По своим свойствам и характеристикам данные системы отвечают требованиям идеологии умных сетей. Тем не менее постоянно ведутся работы по совершенствованию и развитию разрабатываемых автоматизированных систем управления. Внедрение АСУ ТП теплоснабжения повышает надежность и экономичность работы СЦТ. Основная экономия ТЭР определяется оптимизацией теплогидравлических режимов тепловых сетей, режимов работы основного и вспомогательного оборудования теплоисточников, насосных станций и тепловых пунктов.

Литература

1. Громов Н. К. Городские теплофикационные системы. М. : Энергия, 1974. 256 с.
2. Попырин Л. С. Исследования систем теплоснабжения. М. : Наука, 1989. 215 с.
3. Ионин А. А. Надежность систем тепловых сетей. М. : Строй­издат, 1989. 302 с.
4. Монахов Г. В. Моделирование управления режимами тепловых сетей М. : Энергоатомиздат, 1995. 224 с.
5. Седнин В. А. Теория и практика создания автоматизированных систем управления теплоснабжением. Минск: БНТУ, 2005. 192 с.
6. Седнин В. А. Внедрение АСУ ТП как основополагающий фактор повышения надежности и эффективности систем теплоснабжения // Технология, оборудование, качество. Сб. матер. Белорусского промышленного форума 2007, Минск, 15–18 мая 2007 г. / Экспофорум – Минск, 2007. С. 121–122.
7. Седнин В. А. Оптимизация параметров температурного графика отпуска теплоты в теплофикационных системах // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2009. № 4. С. 55–61.
8. Седнин В. А. Концепция создания автоматизированной системы управления технологическими процессами Минских тепловых сетей / В. А. Седнин , А. В. Седнин, Е. О. Воронов // Повышение эффективности энергетического оборудования: Материалы научно-практической конференции, в 2-х т. Т. 2. 2012. С. 481–500.

1 Созданных коллективом Научно-исследовательского и инновационного центра автоматизированных систем управления в теплоэнергетике и промышленности Белорусского национального технического университета.

В. Г. Семенов, главный редактор, «Новости теплоснабжения»

Понятие системы

Все привыкли к выражениям «система теплоснабжения» , «система управления» , «автоматизированные системы управления» . Одно из простейших определений любой системы: множество связанных действующих элементов. Более сложное определение дает академик П. К. Анохин: «Системой моно назвать только такой комплекс избирательно - вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие приобретает характер взаимосодействия на получение фокусированного полезного результата» . Получение такого результата является целью системы, а цель формируется на основе потребности. В рыночной экономике технические системы, а также системы управления ими формируются на основе спроса, т. е. потребности, за удовлетворение которой кто - то готов платить.

Технические системы теплоснабжения состоят из элементов (ТЭЦ, котельные, сети, аварийные службы и т. д.), имеющих весьма жесткие технологические связи. «Внешней средой» для технической системы теплоснабжения являются потребители разных типов; газовые, электрические, водопроводные сети; погода; новые застройщики и т. д. Они обмениваются энергией, веществом и информацией.

Любая система существует в пределах каких - то ограничений, налагаемых, как правило, покупателями или уполномоченными органами. Это требования качества теплоснабжения, экологии, безопасности труда, ценовые ограничения.

Существуют активные системы, способные противостоять негативным воздействиям окружающей среды (неквалифицированным действиям администраций разных уровней, конкуренции других проектов...), и пассивные, у которых это свойство отсутствует.

Системы оперативного технического управления теплоснабжением относятся к типовым человеко - машинным системам, не являются очень сложными и достаточно легко автоматизируются. Фактически они являются подсистемами системы более высокого уровня - управления теплоснабжением на какой - то ограниченной территории.

Системы управления

Управлением называется процесс целенаправленного воздействия на систему, обеспечивающий повышение ее организованности, достижение того или иного полезного эффекта. Любая система управления разделяется на управляющую и управляемую подсистемы. Связь от управляющей подсистемы к управляемой называется прямой связью. Такая связь существует всегда. Противоположная по направлению связь называется обратной. Понятие обратной связи является фундаментальным в технике, природе и обществе. Считается, что управление без сильных обратных связей не эффективно, т. к. не обладает способностью к самовыявлению ошибок, формулировке проблем, не позволяет использовать возможности саморегулирования системы, а также опыт и знания специалистов.

С. А. Оптнер считает даже, что управление есть цель обратной связи. «Обратная связь воздействует на систему. Воздействие есть средство изменения существующего состояния системы путем возбуждения силы, позволяющей это сделать» .

В правильно организованной системе отклонение ее параметров от нормы либо отклонение от правильного направления развития перерастает в обратную связь и инициирует процесс управления. «Само отклонение от нормы служит стимулом возвращения к норме» (П. К. Анохин). Очень важно также, чтобы собственная цель управляющей системы не противоречила цели управляемой системы, т. е. той цели, для которой она создана. Принято считать, что требование «вышестоящей» организации безусловно для «нижестоящей» и автоматически трансформируется в цель для нее. Это иногда может привести к подмене цели.

Правильная цель управляющей системы - выработка управляющих воздействий на основе анализа информации об отклонениях или, другими словами, решение проблем.

Проблема есть ситуация несоответствия желаемого и существующего. Мозг человека устроен так, что мыслить в каком - то направлении человек начинает только тогда, когда выявляется проблема. Поэтому правильное определение проблемы предопределяет правильное управленческое решение. Выделяют две категории проблем: стабилизации и развития.

Проблемами стабилизации называют такие, решение которых направлено на предотвращение, устранение или компенсацию возмущений, нарушающих текущую деятельность системы. На уровне предприятия, региона или отрасли решение этих проблем обозначают термином управление производством.

Проблемами развития и совершенствования систем называют такие, решение которых направлено на повышение эффективности функционирования за счет изменения характеристик объекта управления или системы управления.

С точки зрения системного подхода проблема есть разница между существующей и желаемой системой. Система, заполняющая промежуток между ними, является объектом конструирования и называется решением проблемы.

Анализ существующих систем управления теплоснабжением

Системный подход - это подход к исследованию объекта (проблемы, процесса) как к системе, в которой выделены элементы, внутренние связи и связи с окружающей средой, влияющие на результаты функционирования, а цели каждого из элементов определены исходя из общего предназначения системы.

Цель создания любой централизованной системы теплоснабжения - обеспечение качественного, надежного теплоснабжения за минимальную цену. Эта цель, устраивающая потребителей, граждан, администрацию и политиков. Такая же цель должна быть и у системы управления теплоснабжением.

Сегодня существует 2 основных типа систем управления теплоснабжением:

1) администрация муниципального образования или региона и подчиненные ей руководители государственных теплоснабжающих предприятий;

2) руководящие органы немуниципальных теплоснабжающих предприятий.

Рис. 1. Обобщенная схема существующей системы управления теплоснабжением.

Обобщенная схема системы управления теплоснабжением представлены на рис. 1. В ней представлены только те структуры (окружающая среда), которые реально могут осуществлять воздействие на управляющие системы:

Увеличить или уменьшить доходы;

Заставить пойти на дополнительные расходы;

Сменить руководство предприятий.

Для реального анализа мы должны исходить из предпосылки, что выполняется только то, за что платят или могут уволить, а не то, что декларируется. Государство

Законодательство, регулирующее деятельность предприятий по теплоснабжению, практически отсутствует. Не прописаны даже процедуры государственного регулирования локальных естественных монополий в теплоснабжении.

Теплоснабжение - основная проблема при реформах ЖКХ и РАО «ЕЭС России» , она не может быть решена отдельно ни в одной, ни в другой, поэтому практически не рассматривается, хотя именно через теплоснабжение эти реформы должны были бы быть взаимоувязаны. Нет даже утвержденной правительством концепции развития теплоснабжения страны, не говоря уж о реальной программе действий.

Качество теплоснабжения федеральные органы управления никак не регулируют, нет даже нормативных документов, определяющих критерии качества. Надежность теплоснабжения регулируется только через технические надзорные органы. Но т. к. взаимодействие между ними и тарифными органами ни в одном нормативном документе не прописано, оно часто отсутствует. У предприятий же имеется возможность не выполнять любые предписания, обосновывая это отсутствием финансирования.

Технический надзор по существующим нормативным документам сводится к контролю отдельных технических узлов, причем тех, по которым существует больше правил. Система во взаимодействии всех ее элементов не рассматривается, не выявляются мероприятия, дающие наибольший общесистемный эффект.

Стоимость теплоснабжения регулируется только формально. Тарифное законодательство настолько общее, что практически все отдано на усмотрение федеральной и в большей степени региональных энергетических комиссий. Нормативы теплопотребления регулируются только для новых зданий. В государственных программах энергосбережения раздел по теплоснабжению практически отсутствует.

В итоге роль государства отвелась к взиманию налогов и, через надзорные органы, информации местных органов власти о недостатках, существующих в теплоснабжении.

За работу естественных монополий, за функционирование отраслей, обеспечивающих возможность существования нации, отвечает перед парламентом исполнительная власть. Проблема не в том, что федеральные органы функционируют неудовлетворительно, а в том, что в структуре федеральных органов фактически нет структуры, от

Компания Siemens является признанным мировым лидером в разработке систем для энергетики, в том числе для систем тепло- и водоснабжения. Именно этим занимается один из Департаментов Siemens - Building Technologies – «Автоматизация и безопасность зданий». Компания предлагает полный спектр оборудования и алгоритмов для автоматизации котельных, тепловых пунктов и насосных станций.

1. Структура системы теплоснабжения

Компания Siemens предлагает комплексное решение для создания единой системы управления городскими системами тепло- и водоснабжения. Комплексность подхода состоит в том, что заказчикам предлагается все, начиная с выполнения гидравлических расчетов систем тепло- и водоснабжения и заканчивая системами коммуникации и диспетчеризации. Реализацию такого подхода обеспечивает накопленный опыт специалистов компании, приобретенный в разных странах мира в ходе выполнения разнообразных проектов в области систем теплоснабжения крупных городов Центральной и Восточной Европы. В настоящей статье рассмотрены структуры систем теплоснабжения, принципы и алгоритмы управления, которые были реализованы при выполнении этих проектов.

Системы теплоснабжения строятся преимущественно по 3-ступенчатой схеме, частями которой являются:

1. Источники тепла разных типов, соединенные между собой в единую закольцованную систему

2. Центральные тепловые пункты (ЦТП), присоединенные к магистральным тепловым сетям с высокой температурой теплоносителя (130...150°С). В ЦТП температура плавно снижается до максимальной температуры 110 °С, исходя из потребностей ИТП. У малых систем уровень центральных тепловых пунктов может отсутствовать.

3. Индивидуальные тепловые пункты, получающие тепловую энергию от ЦТП и обеспечивающие теплоснабжение объекта.

Принципиальной особенностью решений Siemens является то, что вся система основана на принципе 2-х трубной разводки, которая является лучшим технико-экономическим компромиссом. Такое решение позволяет снизить потери тепла и потребление электроэнергии в сравнении с широко распространенными в России 4-х трубной или 1-но трубной с открытым водоразбором системами, инвестиции в модернизацию которых без изменения их структуры не эффективны. Расходы на обслуживание таких систем постоянно увеличиваются. Между тем, именно экономический эффект является основным критерием целесообразности развития и технического совершенствования системы. Очевидно, что при сооружении новых систем следует принимать апробированные на практике оптимальные решения. Если же речь идет о капитальном ремонте системы теплоснабжения неоптимальной структуры, экономически выгодно переходить к 2-х трубной системе с индивидуальными тепловыми пунктами в каждом доме.

При обеспечении потребителей теплом и горячей водой, управляющая компания несет постоянные расходы, структура которых выглядит следующим образом:

Затраты на выработку тепла для потребления;

потери в источниках тепла вследствие несовершенства способов выработки тепла;

потери тепла в тепловых магистралях;

р асходы на электроэнергию.

Каждая из этих составляющих может быть снижена при оптимальном управлении и применении современных средств автоматизации на каждом уровне.

2. Источники тепла

Известно, что для систем теплоснабжения предпочтительными являются большие источники комбинированной выработки тепла и электроэнергии или такие источники, в которых тепло является вторичным продуктом, например, продуктом промышленных процессов. Именно на основе таких принципов возникла идея центрального теплоснабжения. В качестве резервных источников тепла используются котельные, работающие на разных видах топлива, газовые турбины и прочее. Если газовые котельные служат основным источником тепла, они должны работать с автоматической оптимизацией процесса горения. Только так можно получить экономию и снизить выбросы по сравнению с распределенной выработкой тепла в каждом доме.

3. Насосные станции

Тепло из источников тепла передается в магистральные тепловые сети. Теплоноситель перекачивается сетевыми насосами, которые работают непрерывно. Поэтому подбору и способу эксплуатации насосов должно уделяться особое внимание. Режим работы насоса зависит от режимов тепловых пунктов. Снижение расхода на ЦТП влечет за собой нежелательное увеличение напора насоса (насосов). Увеличение напора отрицательно воздействует на все компоненты системы. В лучшем случае увеличивается только гидравлический шум. В любом случае теряется электрическая энергия. В этих условиях безусловный экономический эффект обеспечивается при частотном управлении насосами. Используются различные алгоритмы управления. В базовой схеме контроллер поддерживает постоянный перепад давления на насосе путем изменения частоты вращения. В связи с тем, что с уменьшением расхода теплоносителя снижаются потери давления в трассах (квадратичная зависимость), можно снизить также заданное значение (уставку) перепада давления. Такое управление насосами называется пропорциональным и позволяет дополнительно снизить затраты на работу насоса. Более эффективно управление насосами с коррекцией задания по “удаленной точке”. В этом случае измеряется перепад давления в конечных точках магистральных сетей. Текущие значения перепада давления компенсируют давления на насосной станции.

4. Центральные тепловые пункты (ЦТП)

В современных системах теплоснабжения ЦТП играют очень важную роль. Энергосберегающая система теплоснабжения должна работать с применением индивидуальных тепловых пунктов. Однако это не значит, что ЦТП будут закрываться: они выполняют функцию гидравлического стабилизатора и одновременно разделяют систему теплоснабжения на отдельные подсистемы. Из ЦТП в случае применения ИТП исключаются системы центрального горячего водоснабжения. При этом через ЦТП проходят только 2 трубы, разделенные теплообменником, который отделяет систему магистральных трасс от системы ИТП. Таким образом, система ИТП может работать с другими температурами теплоносителя, а также с меньшими динамическими давлениями. Это гарантирует стабильную работу ИТП и одновременно влечет за собой сокращение инвестиций на ИТП. Температура подачи из ЦТП корректируется в соответствии с температурным графиком по температуре наружного воздуха с учетом летнего ограничения, которое зависит от потребности системы ГВС в ИТП. Речь идет о предварительной корректировке параметров теплоносителя, что позволяет снизить потери тепла во вторичных трассах, а также увеличить срок службы компонентов тепловой автоматики в ИТП.

5. Индивидуальные тепловые пункты (ИТП)

Работа ИТП влияет на экономичность всей системы теплоснабжения. ИТП – стратегически важная часть системы теплоснабжения. Переход от 4-х трубной системы к современной 2-х трубной сопряжен с определенными трудностями. Во-первых, это влечет за собой необходимость инвестиций, во-вторых, без наличия определенного “ноу-хау” внедрение ИТП может наоборот увеличить текущие расходы управляющей компании. Принцип работы ИТП заключается в том, что тепловой пункт находится непосредственно в здании, которое отапливается и для которого готовится горячая вода. При этом к зданию подключено только 3 трубы: 2 для теплоносителя и 1 для холодного водоснабжения. Таким образом, упрощается структура трубопроводов системы, и при плановом ремонте трасс сразу имеет место экономия на прокладке труб.

5.1. Управление контуром отопления

Контроллер ИТП управляет тепловой мощностью системы отопления, изменяя температуру теплоносителя. Уставка температуры отопления определяется по температуре наружного воздуха и кривой отопления (погодозависимое управление). Кривая отопления определяется с учетом инерционности здания.

5.2. Инерционность здания

Инерционность зданий оказывает значительное влияние на результат погодозависимого управления отоплением. Современный контроллер ИТП должен учитывать этот влияющий фактор. Инерционность здания определяется значением постоянной времени здания, которое находится в диапазоне от 10 часов у панельных домов до 35 часов у кирпичных домов. Контроллер ИТП определяет на основании постоянной времени здания так называемую "комбинированную" температуру наружного воздуха, которая и используется в качестве корректирующего сигнала в автоматической системе регулирования температуры воды на отопление.

5.3. Сила ветра

Ветер существенно влияет на температуру помещения особенно в высотных зданиях, расположенных на открытых территориях. Алгоритм коррекции температуры воды на отопление, учитывающий влияние ветра, обеспечивает до 10% экономии тепловой энергии.

5.4 Ограничение температуры обратной воды

Все описанные выше виды управления косвенно влияют на снижение температуры обратной воды. Эта температура является главным показателем экономичной работы системы теплоснабжения. При различных режимах работы ИТП температура обратной воды может быть снижена при помощи функций ограничения. Однако все функции ограничения влекут за собой отклонения от комфортных условий, и их применение должно иметь технико-экономическое обоснование. В независимых схемах подключения контура отопления при экономичной работе теплообменника разность температур обратной воды первичного контура и контура отопления не должна превышать 5°С. Экономичность обеспечивается функцией динамического ограничения температуры обратной воды (DRT – differential of return temperature ): при превышении заданного значения разности температур обратной воды первичного контура и контура отопления контроллер снижает расход теплоносителя в первичном контуре. При этом снижается и пиковая нагрузка (рис. 1).

Рис. 6. Двухпроводная линия с двумя коронирующими проводами при разных расстояниях между ними

16 м; 3 - Ьп = 8 м; 4 - Ь,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ефимов Б.В. Грозовые волны в воздушных линиях. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2000. 134 с.

2. Костенко М.В., Кадомская К.П., Левиншгейн МЛ., Ефремов И.А. Перенапряжения и защита от них в

воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения. Л.: Наука, 1988. 301 с.

A.M. Прохоренков

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЁННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕМ ГОРОДА

Вопросам внедрения ресурсосберегающих технологий в современной России уделяется значительное внимание. Особенно остро эти вопросы стоят в районах Крайнего Севера. В качестве топлива для городских котельных используется мазут, который доставляется железнодорожным транспортом из центральных регионов России, что существенно повышает стоимость вырабатываемой тепловой энергии. Продолжительность

отопительного сезона в условиях Заполярья на 2-2,5 месяца длиннее по сравнению с центральными районами страны, что связано с климатическими условиями Крайнего Севера. При этом теплоэнергетические предприятия должны вырабатывать необходимое количество теплоты в виде пара, горячей воды при определенных параметрах (давление, температура) для обеспечения жизнедеятельности всех городских инфраструктур.

Снижение затрат на выработку отпускаемой потребителям тепловой энергии возможно только за счет экономичного сжигания топлива, рационального использования электроэнергии для собственных нужд предприятий, сведения потерь теплоты к минимуму на участках транспортировки (тепловые сети города) и потребления (здания, предприятия города), атакже снижения численности обслуживающего персонала на участках производства.

Решение всех этих задач возможно только за счет внедрения новых технологий, оборудования, технических средств управления, позволяющих обеспечить экономическую эффективность работы теплоэнергетических предприятий, атакже повысить качество управления и эксплуатации теплоэнергетических систем.

Постановка задачи

Одна из важных задач в области теплофикации городов - создание теплоснабжающих систем с параллельной работой нескольких источников тепла. Современные системы централизованного теплоснабжения городов сложились как очень сложные, пространственно распределённые системы с замкнутой циркуляцией. Свойство саморегулирования у потребителей, как правило, отсутствует, распределение теплоносителя производится предварительной установкой специально рассчитанных (на один из режимов) постоянных гидравлических сопротивлений [ 1]. В этой связи случайный характер отбора тепловой энергии потребителями пара и горячей воды приводит к сложным в динамическом отношении переходным процессам во всех элементах теплоэнергетической системы (ТЭС) .

Оперативный контроль состояния удаленных объектов и управление оборудованием, находящимся на контролируемых пунктах (КП), невозможны без разработки автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями (АСДК и У ЦТП и НС) города. Поэтому одной из актуальных проблем является управление потоками тепловой энергии с учетом гидравлических характеристик как самих тепловых сетей, так и потребителей энергии. Она требует решения задач, связанных с созданием теплоснабжающих систем, где параллельно ра-

ботают несколько источников тепла (тепловых станций - ТС)) на общую тепловую сеть города и на общий график тепловой нагрузки. Такие системы позволяют экономить топливо при теплофикации, увеличивать степень загрузки основного оборудования, осуществлять эксплуатацию котлоагрегатов в режимах с оптимальными значениями КПД.

Решение задач оптимального управления технологическими процессами отопительной котельной

Для решения задач оптимального управления технологическими процессами отопительной котельной "Северная" Государственного областного теплоэнергетического предприятия (ГОТЭП) "ТЭКОС" в рамках гранта Программы импорта энергосберегающих и природоохранных оборудования и материалов (ПИЭПОМ) Российско-Американского комитета была осуществлена поставка оборудования (финансирование правительства США). Это оборудование и разработанное для него программное обеспечение позволили решить широкий круг задач реконструкции на базовом предприятии ГОТЭП "ТЭКОС", а полученные результаты - тиражировать на теплоэнергетические предприятия области.

Основой реконструкции систем управления котлоагрегатами ТС стала замена морально устаревших средств автоматизации центрального пульта управления и локальных систем автоматического регулирования на современную микропроцессорную распределенную систему управления. Внедрённая распределённая система управления котлоагрегатами на базе микропроцессорной системы (МПС) TDC 3000-S (Supper) фирмы Honeywell обеспечила единое комплексное решение для реализации всех системных функций управления технологическими процессами ТС. Эксплуатируемая МПС обладает ценными качествами: простотой и наглядностью компоновки функций управления и эксплуатации; гибкостью выполнения всех требований процесса с учётом показателей надёжности (работа в режиме "горячего" резерва второго компьютера и УСО), готовностью и экономичностью; лёгким доступом ко всем данным системы; простотой изменения и расширения сервисных функций без обратного воздействия на систему;

улучшенным качеством представления информации в виде, удобном для принятия решений (дружественный интеллектуальный операторский интерфейс), что способствует сокращению ошибок оперативного персонала при эксплуатации и контроле процессов ТС; компьютерным созданием документации АСУ ТП; повышенной эксплуатационной готовностью объекта (результат самодиагностики системы управления); перспективностью системы с высокой степенью инновации . В системе TDC 3000 - S (рис. 1) имеется возможность подключения внешних PLC контроллеров других производителей (эта возможность реализуется при наличии модуля шлюза PLC). Информация от PLC контроллеров ото-

бражается в ТОС в виде массива точек, доступного для чтения-записи из пользовательских программ. Это дает возможность использовать для сбора данных распределённые станции ввода-вывода, установленные в непосредственной близости от управляемых объектов, и передавать данные в ТОС по информационному кабелю, используя один из стандартных протоколов. Подобный вариант позволяет интегрировать новые объекты управления, в том числе автоматизированную систему диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями {АСДКиУ ЦТПиНС}, в имеющуюся АСУ ТП предприятия без внешних изменений для пользователей.

Локальная компьютерная сеть

Универсальные станции

Компьютерный Прикладной Исторический

шлюз модуль модуль

Локальная сеть управления

Шлюз магистрали

I Резервный (АРММ)

Модуль Усовершенст-. ованного менеджера процесса (АРММ)

Универсальная сеть управления

Контроллеры ввода-вывода

Кабельные трассы 4-20 мА

Станция ввода-вывода SIMATIC ЕТ200М.

Контроллеры ввода-вывода

Сеть PLC устройств (PROFIBUS)

Кабельные трассы 4-20 мА

Датчики расхода

Датчики температуры

Датчики давления

Анализаторы

Регуляторы

Частотные станции

Задвижки

Датчики расхода

Датчики температуры

Датчики давления

Анализаторы

Регуляторы

Частотные станции

Задвижки

Рис. 1. Сбор информации распределёнными PLC станциями, передачи её в TDC3000-S для визуализации и обработки с последующей выдачей управляющих сигналов

Проведенные экспериментальные исследования показали, что процессы, протекающие в паровом котле в эксплуатационных режимах его работы, имеют случайный характер и относятся к нестационарным, что подтверждается полученными результатами математической обработки и статистического анализа . Учитывая случайный характер процессов, протекающих в паровом котле, за меру оценки качества управления приняты оценки смещения математического ожидания (МО) M(t) и дисперсии 5 (?) по основным координатам регулирования :

Ем, (t) 2 MZN (t) - MrN (t) ^ гМих (t) ^ min

где Mzn{t), Mmn{t) - заданное и текущее МО основных регулируемых параметров парового котла: количество воздуха, количество топлива, а также паропроизводителыюсть котла.

s 2 (t) = 8|v (t) - q2N (t) ^ s^ (t) ^ min, (2)

где 52Tn, 5zn2(t) - текущая и заданная дисперсии основных регулируемых параметров парового котла.

Тогда критерий качества управления будет иметь вид

Jn = I [авМй(t) + ßsö;, (t)] ^ min, (3)

где n = 1, ...,j; - ß - весовые коэффициенты.

В зависимости от режима работы котла (регулировочный или базовый) должна формироваться оптимальная стратегия управления.

Для регулировочного режима работы парового котла стратегия управления должна быть направлена на поддержание давления в паровом коллекторе постоянным независимо от расхода пара потребителями тепловой энергии. Для этого режима работы за меру качества управления принята оценка смещения МО давления пара в главном паровом коллекторе в виде

ер (/) = Рг{1) - Рт () ^Б^ (4)

где ВД, Рт(0 - заданное и текущее среднее значения давления пара в главном паровом коллекторе.

Смещение давления пара в главном паровом коллекторе по дисперсии с учетом (4) имеет вид

(0 = -4г(0 ^^ (5)

где (УрзОО, арт(0 - заданная и текущая дисперсии давления.

Для настройки коэффициентов передачи регуляторов контуров многосвязной системы управления котла использовались методы нечёткой логики .

В процессе опытной эксплуатации автоматизированных паровых котлов был накоплен статистический материал, позволивший получить сравнительные (с работой неавтоматизированных котлоагрегатов) характеристики технико-экономической эффективности внедрения новых методов и средств управления и продолжить реконструкционные работы на других котлах. Так, за период полугодовой эксплуатации неавтоматизированных паровых котлов № 9 и 10, а также автоматизированных паровых котлов № 13 и 14 были получены результаты, которые представлены в табл.1.

Определение параметров оптимальной загрузки тепловой станции

Для определения оптимальной загрузки ТС необходимо знать энергетические характеристики их парогенераторов и котельной в целом, которые представляют собой зависимость между количеством подводимого топлива и получаемой теплоты.

Алгоритм нахождения этих характеристик включает следующие этапы:

Таблица 1

Показатели работы котлоагрегатов

Название пок^ателя Значение показателей доя котлов

№9-10 № 13-14

Выработка тепла,Гкал Расход тошшва,т Удельная норма расхода топлива на выработку 1 Гкал тепловой энергии,кг у.т.^кал 170 207 20 430 120,03 217 626 24 816 114,03

1. Определение тепловой производительности котлов для различных нагрузочных режимов их работы.

2. Определение потерь теплоты А()с учётом КПД котлов и их полезной нагрузки.

3. Определение нагрузочных характеристик котлоагрегатов в диапазоне их изменения от минимально допустимых до максимальных.

4. Исходя из изменения суммарных потерь теплоты в паровых котлах определение их энергетических характеристик, отражающих часовой расход условного топлива, по формуле 5= 0,0342(0, + АС?).

5. Получение энергетических характеристик котельных (ТС) с использованием энергетических характеристик котлов.

6. Формирование с учетом энергетических характеристик ТС управляющих решений о последовательности и очерёдности их загрузки в течение отопительного периода, а также в летний сезон.

Другой важный вопрос организации параллельной работы источников (ТС) - определение факторов, оказывающих существенное влияние на нагрузку котельных, и задач системы управления теплоснабжением по обеспечению потребителей необходимым количеством тепловой энергии при возможно минимальных затратах на её выработку и передачу.

Решение первой задачи осуществляется с помощью увязки графиков подачи с графиками использования теплоты посредством системы теплообменных аппаратов, решение второй - посредством установления соответствия тепловой нагрузки потребителей ее выработке, т. е. при помощи планирования изменения нагрузки и снижения потерь при передаче тепловой энергии. Обеспечение увязки графиков подачи и использования теплоты должно осуществляться за счет применения локальной автоматики на промежуточных ступенях от источников тепловой энергии до её потребителей.

Для решения второй задачи предлагается реализовать функции оценки планируемой нагрузки потребителей с учетом экономически обоснованных возможностей источников энергии (ТС). Такой подход возможен с использованием методов ситуационного управления на базе реализации алгоритмов нечеткой логики. Основной фактор, оказывающий существенное влияние на

тепловую нагрузку котельных, - это та ее часть, которая используется на отопление зданий и на горячее водоснабжение. Средний тепловой поток (в Ваттах), используемый на отопление зданий, определяется по формуле

где /от - средняя температура наружного воздуха за определенный период; г{ - средняя температура внутреннего воздуха отапливаемого помещения (температура, которую нужно поддерживать на заданном уровне); /0 - расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления; <70 - укрупненный показатель максимального теплового потока на отопление жилых и общественных зданий в Ваттах на 1 м площади здания при температуре /0; А - общая площадь здания; Кх - коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий (при отсутствии конкретных данных его можно считать равным 0,25).

Из формулы (6) видно, что тепловая нагрузка на отопление зданий определяется в основном температурой наружного воздуха.

Средний тепловой поток (в Ваттах) на горячее водоснабжение зданий определяется выражением

1,2ш(а + ^)(55 - ^) р

Ыт „ . „ _ с"

где т - число потребителей; а - норма расхода воды на горячее водоснабжение при температуре +55 °С на одного человека в сутки в литрах; Ь - норма расхода воды на горячее водоснабжение, потребляемой в общественных зданиях, при температуре +55 °С (принимается равной 25 литрам в сутки на одного человека); с - теплоемкость воды; /х- температурахолодной (водопроводной) воды в отопительный период (принимается равной +5 °С).

Анализ выражения (7) показал, что при расчете средняя тепловая нагрузка на горячее водоснабжение получается постоянной. Реальный же отбор тепловой энергии (в виде горячей воды из крана), в отличие от рассчитанного значения, имеет случайный характер, что связано с увеличение разбора горячей воды утром и вечером, и уменьшением отбора в течение дня и ночи. На рис. 2, 3 представлены графики изменения

Oil 012 013 014 015 016 017 018 019 1 111 112 113 114 115 116 117 118 119 2 211 212 213 214 215 216 217 218 219 3 311 312 313 314 315 316 317

дни месяца

Рис. 2. График изменения температуры воды в ЦТП N9 5(7 - прямая котельная вода,

2 - прямая квартальная, 3 - вода на ГВС, 4 - обратная квартальная, 5 - обратная котельная вода) и температуры наружного воздуха (6) за период с 1 по 4 февраля 2009 года

давления и температуры горячей воды для ЦТП № 5, которые были получены из архива СДКи У ЦТП и НС г. Мурманска.

С наступлением теплых дней, когда температура окружающей среды в течение пяти суток не опускается ниже +8 °С, отопительная нагрузка потребителей отключается и тепловая сеть работает на нужды горячего водоснабжения. Средний тепловой поток на ГВС в неотопительный период рассчитывается по формуле

где - температура холодной (водопроводной) воды в неотопительный период (принимается равной +15 °С); р - коэффициент, учитывающий изменение среднего расхода воды на ГВС в неотопительный период по отношению к отопительному периоду (0,8 - для жилищно-коммунального сектора, 1 - для предприятий).

С учетом формул (7), (8) рассчитываются графики тепловой нагрузки потребителей энергии, которые являются основой для построения заданий по централизованному регулированию подачи тепловой энергии ТС.

Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления центральными тепловыми пунктами и насосными станциями города

Специфическая особенность города Мурманска состоит в том, что он расположен на холмистой местности. Минимальная высотная отметка 10 м, максимальная - 150 м. В связи с этим теплосети имеют тяжелый пьезометрический график. Из-за повышенного давления воды на начальных участках увеличивается аварийность (разрывы труб).

Для оперативного контроля состояния удаленных объектов и управления оборудованием, находящимся на контролируемых пунктах (КП),

Рис. 3. График изменения давления воды в ЦТП N° 5 за период с 1 по 4 февраля 2009 года: 1 - вода на ГВС, 2 - прямая котельная вода, 3 - прямая квартальная, 4 - обратная квартальная,

5 - холодная, 6 - обратная котельная вода

была разработана АСДКиУЦТПиНС города Мурманска. Контролируемые пункты, на которых в процессе реконструкционных работ установлено оборудование телемеханики, расположены на удалении до 20 км от головного предприятия. Связь с оборудованием телемеханики на КП осуществляется по выделенной телефонной линии связи. Центральные бойлерные (ЦТП) и насосные станции представляют собой отдельно стоящие здания, в которых установлено технологическое оборудование. Данные с КП поступают на диспетчерский пункт (в ПКАРМ диспетчера), находящийся на территории ТС "Северная" предприятия "ТЭКОС", и в сервер ТС, после чего становятся доступными пользователям локальной вычислительной сети предприятия для решения своих производственных задач.

В соответствии с задачами, решаемыми с помощью АСДКиУЦТПиНС, комплекс имеет двухуровневую структуру (рис. 4).

Уровень 1 (верхний, групповой) - пульт диспетчера. На этом уровне реализованы следующие функции: централизованный контроль и дистанционное управление технологическими процессами; отображение данных на дисплее пульта управления; формирование и выдача от-

четной документации; формирование заданий в АСУ ТП предприятия на управление режимами параллельной работы тепловых станций города на общую городскую тепловую сеть; доступ пользователей локальной сети предприятия к базе данных технологического процесса .

Уровень 2 (локальный, местный) - оборудование КП с размещенными на них датчиками (сигнализации, измерения) и оконечными исполнительными устройствами. На этом уровне реализованы функции сбора и первичной обработки информации, выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

Функции, выполняемые АСДКиУЦТПиНС города

Информационные функции: контроль показаний датчиков давления, температуры, расхода воды и контроль состояния исполнительных механизмов (вкл./выкл., откр./закр.).

Управляющие функции: управление сетевыми насосами, насосами горячей воды, прочим технологическим оборудованием КП.

Функции визуализации и регистрации: все информационные параметры и параметры сигнализации отображаются натрендах и мнемосхемах операторской станции; все информационные

ПК АРМ диспетчера

Адаптер ШВ/К8-485

Выделенные телефонные линии

Контроллеры КП

Рис. 4. Структурная схема комплекса

параметры, параметры сигнализации, команды управления регистрируются в базе данных периодически, атакже в случаях изменения состояния.

Функции сигнализации: отключение электроэнергии на КП; срабатывание датчика затопления на КП и охраны на КП; сигнализация от датчиков предельного (высокого/низкого) давления в трубопроводах и отдатчиков аварийного изменения состояния исполнительных механизмов (вкл./выкл., откр./закр.).

Концепция системы поддержки принятия и исполнения решений

Современная автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Диспетчер в многоуровневой АСУ ТП получает информацию с монитора ЭВМ и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии, с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов. Таким образом, диспетчер становится главным действующим лицом в управлении технологическим процессом предприятия. Технологические процессы в теплоэнергетике потенциально опасны. Так, за тридцать лет число учтенных аварий удваивается примерно каждые десять лет. Известно , что в установившихся режимах сложных систем энергетики ошибки из-за неточности исходных данных составляют 82-84 %, из-за неточности модели -14-15%, из-за неточности метода - 2-3 %. Ввиду большой доли погрешности исходных данных возникает и погрешность в расчете целевой функции, что приводит к значительной зоне неопределенности при выборе оптимального режима работы системы. Эти проблемы можно устранить, если рассматривать автоматизацию не просто как способ замещения ручного труда непосредственно при управлении производством, а как средство анализа, прогноза и управления . Переход от диспетчеризации к системе поддержки принятия решения означает переход к новому качеству - интеллектуальной информационной системе предприятия. В основе любой аварии (кроме стихийных бедствий) лежит ошибка человека (оператора). Одна из причин этого - старый, традиционный подход к построению сложных систем управления, ориентированный на применение новейших техни-

ческих и технологических достижений при недооценке необходимости использования методов ситуационного управления, методов интеграции подсистем управления, а также построения эффективного человеко-машинного интерфейса, ориентированного на человека (диспетчера). При этом предусмотрен перенос функций диспетчера по анализу данных, прогнозированию ситуаций и принятию соответствующих решений на компоненты интеллектуальных систем поддержки принятия и исполнения решений (СППИР) . Концепция СППИР включает целый ряд средств, объединенных общей целью - способствовать принятию и реализации рациональных и эффективных управленческих решений. СППИР - это диалоговая автоматизированная система, которая выступает в качестве интеллектуального посредника, поддерживающего естественно-языковый интерфейс пользователя со ЗСАОА-системой, и использует правила принятия решений, соответствующие модели и базы. Наряду с этим СППИР осуществляет функцию автоматического сопровождения диспетчера на этапах анализа информации, распознавания и прогнозирования ситуаций. На рис. 5 представлена структура СППИР, с помощью которой диспетчер ТС осуществляет управление теплоснабжением микрорайона.

Исходя из отмеченного выше можно выделить несколько нечетких лингвистических переменных, влияющих на нагрузку ТС, а следовательно, и на работу тепловых сетей . Эти переменные приведены в табл. 2.

В зависимости от сезона, времени суток, дня недели, атакже характеристик наружной среды блок оценки ситуаций осуществляет расчёт технического состояния и необходимой производительности источников тепловой энергии. Такой подход позволяет решать проблемы экономии топлива при теплофикации, увеличивать степень загрузки основного оборудования, осуществлять эксплуатацию котлов в режимах с оптимальными значениями КПД .

Построение автоматизированной системы распределённого управления теплоснабжением города возможно при следующих условиях:

внедрении автоматизированных систем управления котлоагрегатами отопительных котельных. (Внедрение АСУ ТП на ТС "Северная"

Рис. 5. Структура СППИР отопительной котельной микрорайона

Таблица 2

Лингвистические переменные, определяющие нагрузку отопительной котельной

Обозначение Название Область значений (универсальное множество) Термы

^мес Месяц от января до декабря «янв», «февр», «март», «апр», «май», «июнь», «июль», «авг», «сент», «окт», «нояб», «дек»

Т-нед День недели рабочий или выходной «рабочий», «выходной»

ТСуг Время суток от 00:00 до 24:00 «ночь», «утро», «день», «вечер»

т 1 н.в Температура наружного воздуха от-32 до+32 °С «ниже», «-32», «-28», «-24», «-20», «-16», «-12», «-8», «^1», «0», «4», «8», «12», «16», «20», «24», «28», «32», «выше»

1"в Скорость ветра от 0 до 20 м/с «0», «5», «10», «15», «выше»

обеспечило снижение удельной нормы расхода топлива на котлах № 13,14 по сравнению с котлами № 9,10 на 5,2 %. Экономия электроэнергии после установки частотных векторных преобразователей на приводы вентиляторов и дымососов котла № 13 составила 36 % (удельный расход до реконструкции - 3,91 кВт-ч/Гкал, после реконструкции - 2,94 кВт-ч/Гкал, а для котла

№ 14 - 47 % (удельный расход электроэнергии до реконструкции - 7,87кВт-ч/Гкал., после реконструкции - 4,79 кВт-ч/Гкал));

разработке и внедрении АСДКиУЦТПиНС города;

внедрении методов информационной поддержки операторов ТС и АСДКиУЦТПиНС города с использованием концепции СППИР.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шубин Е.П. Основные вопросы проектирования систем теплоснабжения городов. М.: Энергия, 1979. 360 с.

2. Прохоренков A.M. Реконструкция отопительных котельных на базе информационно-управляющих комплексов // Наука производству. 2000. № 2. С. 51-54.

3. Prokhorenkov A.M., Sovlukov A.S. Fuzzy models in control systems of boiler aggregate technological processes // Computer Standarts & Interfaces. 2002. Vol. 24. P. 151-159.

4. Месарович M., Мако Д., Такахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973. 456 с.

5. Prokhorenkov A.M. Methods for identification of random process characteristics in information processing systems // IEEE Transactions on instrumentation and measurement. 2002. Vol. 51, N° 3. P. 492-496.

6. Прохоренков A.M., Качала H.M. Обработка случайных сигналов в цифровых промышленных системах управления // Цифровая обработка сигналов. 2008. № 3. С. 32-36.

7. Prokhorenkov A.M., Kachala N.M. Determination of the classification characteristics of random processes // Measurement Techniques. 2008. Vol. 51, № 4. P. 351-356.

8. Прохоренков A.M., Качала H.M. Влияние классификационных характеристик случайных процессов на точность обработки результатов измерений // Измерительная техника. 2008. N° 8. С. 3-7.

9. Prokhorenkov А.М., Kachala N.M., Saburov I.V., Sovlukov A.S. Information system for analysis of random processes in nonstationary objects // Proc. of the Third IEEE Int. Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications (IDAACS"2005). Sofia, Bulgaria. 2005. P. 18-21.

10. Методы робастного нейро-нечеткого и адаптивного управления / Под ред. Н.Д. Егупова // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002". 658 с.

П. Prokhorenkov A.M., Kachala N.M. Effectiveness of adaptive algorithms for tuning regulators in control systems subjected to the influence of random disturbances // BicrniK: Научно-технич. ж-л. Спецвыпуск. Черкасьский державный технол. ун-т.-Черкаськ. 2009. С. 83-85.

12. Prokhorenkov A.M., Saburov I.V., Sovlukov A.S. Data maintenance for processes of decision-making under industrial control // BicrniK: научно-технич. ж-л. Спецвыпуск. Черкасьский державный технол. ун-т. Черкаськ. 2009. С. 89-91.

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

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»).

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.

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.

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.

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.

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;

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

Перспективы развития системы