|
Новости / Энергетика –
Опыт разработки и эксплуатации информационно-аналитических систем в теплоэнергетикеАвторы: Даниельян С.А., Виноградов А.Н., Кузнецов Р.С., Чипулис В.П. Известия Томского политехнического университета. Одной из необходимых предпосылок для решения проблемы энергосбережения является внедрение на объектах теплоэнергетики (ОТЭ) систем технологического и коммерческого учета тепловой энергии. Выделим и далее будем рассматривать два класса ОТЭ – потребителей и источников тепловой энергии. В настоящий период, в отличие от последних десятилетий прошлого века, обще признана экономическая целесообразность установки на объектах-потребителях приборов учета тепловой энергии. Эти приборы, как правило, позволяют существенно сократить расходы на оплату потребляемых ресурсов и тем самым создают стимулы для реализации мер по их экономии. Постепенно так же приходит понимание необходимости пополнения и модернизации контрольно-измерительного оборудования на источниках теплоты – ТЭЦ, котельных, бойлерных. В связи с этим в последние годы наблюдается прогрессирующий процесс установки современных средств измерений на объектах теплоэнергетики. Контрольно-измерительные приборы нового поколения обеспечивают возможность не только осуществлять измерения с высокой точностью, но и выполнять их первичную обработку, накопление в архивах с последующей передачей в компьютер. Стало реальностью формирование баз данных (БД) результатов измерений для большого числа объектов за значительные интервалы времени (месяцы и годы). Такого рода информация представляет безусловный интерес как для проведения научных исследований, так и для решения конкретных практических задач. Появление новых возможностей, связанных с использованием информационных технологий в теплоэнергетике, послужило мощным стимулом к разработке информационно-измерительных систем. Общим для большинства из них является реализация таких функций, как сбор результатов измерений, передача их в компьютер и накопление базы данных, мониторинг, визуализация данных в виде графиков, таблиц, отчетов. Однако существуют другие, не менее интересные, важные и гораздо более сложные задачи. Решение их также опирается на использование БД результатов измерений, но не может быть получено с использованием информационно-измерительных систем и требует более глубокого и трудоемкого анализа информации. Выделим наиболее понятные и актуальные из этих задач.
Поскольку нарушения требований нормативной базы могут привести к весьма негативным последствиям (аварийные ситуации, финансовые потери при коммерческом учете потребляемых ресурсов), эта проблема представляется первоочередной и ей необходимо уделять постоянное внимание.
Решение этой задачи требует предварительной выработки критериев, имеющих понятный пользователю физический смысл и позволяющих количественно оценить параметры теплопотребления.
Здесь имеется в виду получение сравнительных характеристик теплопотребления (нормативных и фактических) для групп объектов, выделяемых пользователем по ряду признаков – географическому, административной, ведомственной принадлежности, отапливающему источнику тепловой энергии и т.д. Решение этой задачи требует накопления больших баз данных и развитых средств их обработки.
Необходимость определения зависимостей с учетом реального технического состояния объекта определяется тем обстоятельством, что модельные зависимости, закладываемые в процессе проектирования ОТЭ, с течением времени после ввода объекта в эксплуатацию (а нередко и сразу) перестают быть адекватными и поэтому не могут использоваться, по крайней мере эффективно, для управления объектом. Системы, в которых существенный акцент делается на анализ результатов измерений, связанный с решением отмеченных выше задач, будем называть информационно-аналитическими системами (ИАС). В качестве примера кратко остановимся на возможностях трех ИАС, разработанных в ИАПУ ДВО РАН и эксплуатируемых применительно к двум классам ОТЭ – потребителям и источникам тепловой энергии. В [1] описана рабочая версия ИАС оперативного наблюдения и ретроспективного анализа режимов функционирования потребителей тепловой энергии (СОНА), применяемой с 2000 года в г. Владивостоке. Система предназначена для широкого круга пользователей – технических специалистов, представителей администрации, финансовых служб, а так же полезна при проведении научных исследований. Основное практическое применение системы связано с сервисным обслуживанием тепловых узлов и установленных на них приборов учета тепловой энергии. Первоначальным источником информации для работы системы являются интеграторы (тепловычислители), хранящие результаты измерений, поступающие с датчиков расхода, температуры и давления и осуществляющие их первичную обработку (в частности, вычисление потребляемой тепловой энергии). Система предназначена для реализации следующих основных функций:
С 2004г. новая версия ИАС СОНА, обладающая расширенными функциональными возможностями и ориентированная на работу с более широкой номенклатурой интеграторов, внедрена и используется при сервисном обслуживании объектов социальной сферы г. Артема. ИАС СОНА является основной интеллектуальной составляющей информационно-аналитического центра (ИАЦ) теплоэнергетического комплекса, развиваемого в ИАПУ ДВО РАН совместно с инжиниринго-внедренческой компанией ВИРА. ИАЦ базируется на использовании взаимосвязанного комплекса программных, технических средств и информационного обеспечения и включает:
На рис.1 представлена архитектура системы сбора и обмена данными ИАЦ. К настоящему времени функционирует первая очередь локального ИАЦ г. Артема и основного ИАЦ г. Владивостока. При этом в ИАЦ г. Артем выполняется лишь экспресс-анализ результатов измерений с выработкой рекомендаций по нормализации режимов эксплуатации тепловых узлов, а более детальный анализ осуществляется в ИАЦ г. Владивостока.
Рис.1 Подобного рода задачи, связанные с информационно-аналитическим обеспечением теплоэнергетических объектов, но более масштабные, сложные и функционально разнообразные, возникают при техническом обслуживании источников теплоты – ТЭЦ, котельных, бойлерных. При этом не только в значительной степени возрастает и усложняется информационная база результатов измерений, обусловленная широким спектром и большим количеством измерительного оборудования, устанавливаемого (причем, как правило, на значительном расстоянии друг от друга) на источниках теплоты, но и возникает еще один существенный, усложняющий разработку информационно-измерительных и аналитических систем аспект. Он связан с необходимостью создания совокупности автоматизированных рабочих мест с различным набором пользовательских функций. Естественно, что все эти автоматизированные рабочие места должны быть объединены в локальную компьютерную сеть, источником обрабатываемых данных для которой являются архивы контрольно-измерительных приборов. Программное управление такого рода системным объектом, включающем совокупность разнотипных (в том числе и по форматам архивируемых данных) контрольно-измерительных приборов, коммуникационных средств передачи данных в базовый компьютер и распространения их по локальной сети, является, безусловно, нетривиальной задачей. В конце 2010 г. коллективы сотрудников и ИАПУ и компаний ВИРА, Инфовира завершили работы по модернизации рабочей версии информационно-аналитической системы источников теплоты – ИСМА-ОКЕАН. Система внедрена и эксплуатируется во Всероссийском детском центре «Океан» (ВДЦ "Океан") в пригороде г. Владивостока с 2001г. Главный экран со всей инженерной инфраструктурой приведен на рис. 2.
Рис.2 Задачи, решаемые системой, концентрируются в двух направлениях – мониторинг (наблюдение в реальном времени за параметрами функционирования объекта, сопровождаемое выявлением нештатных и критических ситуаций с последующим оповещением пользователя об их возникновении) и ретроспективный анализ накапливаемых и хранимых системой результатов измерений. На объекте установлены датчики расхода ультразвуковые Ultraflow II, SONO 2500, SKU (холодная и сетевая вода, горячее водоснабжение - ГВС, подпитка, мазут); датчики расхода вихревые V-BAR 7OO (пар); датчики давления ОТ-1 (сетевая вода, ГВС, мазут); датчики уровня (баки-аккумуляторы, резервуары с мазутом,); термометры сопротивления РТ 500, 100 П (вода, пар, мазут, наружный воздух). Сигналы с датчиков передаются на шкаф автоматики, работающий на базе контроллера Mitsubishi FX3, далее преобразуются в Ithernet и поступают в компьютер. Система установлена на трех компьютерах – главного инженера, начальника теплового цеха и оператора. Компьютеры объединены в локальную сеть. На каждом из компьютеров в реальном времени можно наблюдать динамику функционирования объекта по каждому из измеренных параметров. Кроме того, на дисплее отражаются другие, вычисляемые системой параметры – уровни мазута и воды в соответствующих резервуарах, а также объемы их заполнения. Общий вид отображаемой на дисплее информации в режиме мониторинга представлен на схеме рис.3.
Рис.3 Одна из основных, наиболее ответственных функций системы – обнаружение нештатных и критических ситуаций и своевременное оповещение об их возникновении. Пользователю предоставлена возможность настройки диапазона нормативных и допустимых значений для каждого из измеряемых параметров. При выходе измеренной величины параметра за пределы нормативной включается предупредительная сигнализация – по желанию пользователя либо статическая визуальная (значение параметра обрамляется красной рамкой), либо динамическая (мигающая красная рамка). При возникновении критической ситуации, могущей привести к аварии, включается аварийная сигнализация – динамическая, сопровождаемая для усиления восприятия звуковой. Помимо этого, для каждого из контролируемых параметров пользователем задается допустимый интервал «устаревания» данных – период времени, в течение которого измеренные значения параметра не обновляются. Превышение интервала свидетельствует о том, что результатам измерения нельзя доверять. Такая ситуация возникает обычно при нарушении канала связи “прибор-компьютер”, либо неисправности локальной сети, либо в том случае, когда один из компьютеров-источников информации для другого выключен. Реализовано программное диагностирование такого рода дефектов и для каждого из них предусмотрена соответствующая визуальная сигнализация. В режиме ретроспективного анализа результатов измерений система предоставляет пользователю ряд возможностей, основные из которых сводятся к следующему. Построение и визуализация графиков. Графики подразделяются на стандартные и заказные. Стандартные графики реализуются через выпадающее меню, содержащее набор параметров и их сочетаний, подлежащих (по заданию пользователя) графическому представлению. Формирование и отображение заказных графиков предполагает предварительное задание пользователем функции (от параметров архивных переменных, констант и времени), подлежащей программной интерпретации с последующим графическим представлением. Стандартные графики подразделяются на две группы (примеры двух из них приведены ниже):
Стандартные графики второй группы (среднее по часам) реализуются для тех же параметров и их сочетаний, которые были перечислены выше. Использование таких графиков многообразно и весьма полезно на практике. Так, график “среднее по часам” расхода подпиточной воды в закрытой системе теплоснабжения позволяет с большой достоверностью выявлять несанкционированный (систематический) водозабор потребителей. Этот же график применительно к расходу горячей воды позволяет установить динамику потребления горячей воды в течение суток и должным образом управлять технологическим процессом ГВС. Знание статистической зависимости суточного расхода пара создает предпосылки для оценки загруженности котлов и облегчения процесса регулирования их производительности. Другие возможности системы в части ретроспективного анализа сводятся к следующему. Формирование таблиц значений параметров с различными интервалами времени (1 час, 6 часов, 12 часов, сутки, 7 суток и т.д.). В таблицах отражается тот же набор параметров, что и в стандартных графиках. Предусмотрен автоматический переход от таблиц к графикам и наоборот. Формирование отчетов о потребляемых и вырабатываемых теплоисточником ресурсах. Система ориентирована на формирование и вывод на печать произвольных отчетов, т.е. отчетов с различным содержательным наполнением. При этом подразумевается, что бланк отчета с указанием отражаемых в нем значений измеряемых и вычисляемых параметров указывается пользователем. В 2005-2006 годах была разработана система АИСТ для двух котельных г. Арсеньев. При этом было решено, учитывая опыт предыдущей разработки, не идти по пути ее адаптации к новым объектам, а создать принципиально новую систему на базе современных технологий в области инструментального обеспечения и разработки программных средств. Объектами автоматизации являлись котельная «Курс», работающая на твердом топливе и покрывающая потребности одной трети тепловой нагрузки города Арсеньев, и котельная «Интернат», работающая на жидком топливе (мазут) и отапливающая небольшой район на окраине города. Информационной базой для работы системы АИСТ являются результаты измерений контрольно-измерительного оборудования, установленного на объектах, с возможностями архивирования и/или передачи данных в компьютер. Выбор контрольно-измерительных приборов осуществлялся в соответствии с существующей схемой технологических процессов и с учетом получения требуемых технико-экономических показателей, а так же последующей автоматизации локальных контуров. Система охватывает различные технологические процессы, такие как потребление холодной воды, деаэрация, выработка тепловой энергии, работа котлов, подогревателей, аккумулирование тепловой энергии для нужд горячего водоснабжения с последующим отпуском в теплосеть и др. Подбор оборудования осуществлялся с позиций обеспечения надежности, а также минимизации стоимости монтажных и пуско-наладочных работ, так как при больших тепловых нагрузках существенно возрастает трудоемкость установки оборудования. В соответствие с этим для каждого котла при учете выработки пара было принято решение использовать погружные вихревые расходомеры. Для учета расходов воды на водогрейных котлах и в техпроцессах подготовки воды были использованы ультразвуковые и электромагнитные расходомеры, что позволило увеличить точность измерений при большем динамическом диапазоне. Вследствие этого появилась возможность обнаружения утечек теплоносителя в ночные часы, которые нельзя было определить с использованием существующей диафрагмы вследствие нечувствительности в нижнем диапазоне измерений. Аналогичная ситуация прослеживалась и по второй котельной, где некоторые средства измерения просто отсутствовали. На объектах было установлено следующее оборудование:
Автоматическое поддержание постоянного давления в теплосети осуществляется частотным преобразователем FDU40-031-54CE фирмы Emotron, встроенным в шкаф управления насосами АЭП-40-031-54Ч-22А компании ADL. Установка необходимой величины давления возможна как непосредственно со шкафа управления, так и дистанционно с компьютера, при этом в системе учитывается потребляемая насосом электрическая энергия. Вторичные приборы представлены контроллерами фирм Mitsubishi FX2N, OWEN TPM-138, модулями УСО ICP DAS I-7015, а также платами ввода аналоговых и импульсных сигналов AD-32L и TMC-10 производства ICP DAS, встроенными в промышленный компьютер. Данные от измерительных датчиков с помощью соответствующих контроллеров и драйверов системы TRACE-MODE отображаются средствами Монитора Реального Времени и записываются в базу данных реального времени, встроенную в Trace Mode. С использованием разработанных средств репликации полученные результаты измерений попадают в общую базу данных системы, реализованную на основе СУБД MySQL. Согласно ТЗ создана сеть автоматизированных рабочих мест с требуемым для каждого АРМ набором функциональных возможностей. На рис.4 приведена функциональная схема компьютерной сети системы АИСТ. АРМ’ы операторов котлов и оператора бойлерной котельной «Курс» реализованы на базе промышленных компьютеров ES-161-Fanless (обеспечивающих повышенную надежность, защищенность от воздействий окружающей среды и непрерывную круглосуточную работу в течение длительного времени) и выполняют только функции удаленных консолей мониторинга. Для АРМ начальников смен обеих котельных использованы промышленные компьютеры ROBO-2000. Эти АРМ помимо функций мониторинга позволяют выполнять анализ ретроспективной информации. Остальные АРМ (инженерно-технического и управляющего персонала) с полным набором функциональных возможностей системы реализованы на базе Pentium IV-2800. Все компьютеры системы объединены в локальную сеть, обеспечивающую передачу данных между ними и доступ к общей базе данных. Общая база данных позволяет не только отслеживать работу всех объектов мониторинга, но и проводить анализ ретроспективной информации параметров функционирования технологического процесса различными математическими методами, получать генерализированные (обобщенные) характеристики режимов работы, подготавливать необходимую отчетную информацию.
Рис.4 В процессе эксплуатации разработчики системы при помощи средств VPN (Virtual private network) получают возможность удаленного доступа к компьютерам системы через сеть Интернет для оперативного устранения сбоев в эксплуатации, внесения изменений в программные средства и их реконфигурацию без выезда к заказчику. Программно-аппаратный комплекс АИСТ представляет собой территориально распределенную систему со значительным удалением узлов, сочетающую в себе свойства системы реального времени и системы обработки ретроспективной информации. Для передачи данных между удаленными узлами системы используется протокол TCP/IP, а в качестве физической среды передачи данных – оборудование ADSL, работающее по стандартной телефонной линии. Для защиты информации, передаваемой по открытым каналам сети Интернет, была построена виртуальная частная сеть (VPN) с использованием шифрованного протокола IPSEC. Программные средства для сбора информации с измерительных приборов и оперативного мониторинга технологического процесса были разработаны, в соответствии с отечественным и мировым опытом построения подобных систем, с использованием SCADA-системы Trace Mode 5 компании AdAstra, являющейся ведущим производителем SCADA-систем в России. Несоответствие архива измеренных данных системы Trace Mode 5 требованиям подсистемы ретроспективного анализа (ограниченный объем архива, сложность программного интерфейса доступа к данным архива, усеченная реализация SQL), а также необходимость организации сложной структуры конфигурационной информации потребовали использовать в качестве информационного ядра подсистемы полнофункциональную СУБД среднего класса. В качестве такой СУБД была выбрана СУБД MySQL с открытым кодом, которая является одним из лидеров по скорости работы, гибкости и простоте использования. Для обеспечения переноса информации из архива Trace Mode в базу данных ретроспективного анализа системы на сервере сбора была разработана программа автоматического конвертирования данных. На рис. 5 в качестве примера представлена мнемосхема мониторинга котельной «Курс».
Рис.5 Система ретроспективного анализа включает в себя набор независимых программных модулей, ориентированных на решение требуемых прикладных задач и обладающих определенной функциональной направленностью. Взаимосвязь программных модулей осуществляется на уровне базы данных с использованием стандартных протоколов обмена данными ОС Windows. Ниже кратко описаны основные модули ретроспективного анализа.
Графики. Пользователю предоставляется широкий набор возможностей графического отображения значений измеряемых и вычисляемых на их основе параметров. Среди них выделим следующие: до шести осей ординат (по три с каждой стороны), интерактивное масштабирование по каждой оси в отдельности с помощью мыши («приближение-удаление», сжатие-растяжение, сдвиг), усреднение по времени (среднечасовые, среднесуточные, среднемесячные и т.д.), групповое усреднение (по часам суток, по дням недели), показ-скрытие отдельных графиков с помощью мыши. Промежутки времени по оси абсцисс для удобства могут быть размечены цветными полосами (дни недели, недели, месяцы, годы). Области значений тех или иных графиков (динамический, критический и др. диапазоны) размечаются цветными горизонтальными полосами. Графики можно распечатать на принтере и сохранить в графический файл. Вид графиков (цвет, ось, которой он принадлежит, единицы измерения и др.) настраивается. Отметим, что для систематизации хранимых в базе данных результатов измерений используется система трёхуровневой группировки: данные группируются в группы, группы — в наборы, а наборы — в конфигурации. Например, в конфигурации «Котельная Курс» имеются такие наборы, как «Котёл №1», «Котёл №2», «Теплосеть» и т.д. Далее в наборах по котлам имеются группы графиков и таблиц такие, как «Выработка тепла», «Параметры воды» или «Параметры пара» и т.д. А уже в группах находятся собственно соответствующие параметры (теплота, расходы, температуры и т.д.). В предыдущей разработке (система «ИСМА-ОКЕАН») так же использовалась такая трёхуровневая группировка данных. Однако лишь в последней версии системы появилась возможность настраивать конфигурации без внесения изменений в программу (настройки хранятся в базе данных). Таблицы. Таблицы достаточно просты, но эффективны для анализа числовых рядов данных. Группы параметров, отображаемых в таблицах, не совпадают с группами параметров графиков. В таблицу можно одновременно поместить гораздо больше параметров, чем одновременно отображаются на графиках. Как уже было сказано выше, группы для таблиц (равно как и для графиков) настраиваются. В таблицах предусмотрено усреднение по времени, как и на графиках. Таблицы можно распечатать на принтере и сохранить в текстовый файл специального формата, который можно открыть в любой электронной таблице.
Отчеты. Модуль формирования отчётов обладает определенной универсальностью: формы отчётов настраиваемы, механизм представления данных в этих формах позволяет выполнять их математическую обработку. Так можно, например, создавать отчёты в виде сводных данных за отчётный период, в виде ряда усреднённых данных (посуточные, почасовые отчёты) и т.д. Отчёты формируются за такие отчётные периоды, как сутки и месяц либо с начала суток и с начала месяца (по текущий час или дату).
Температурный график. Модуль предназначен для построения фактического температурного графика источника теплоты по результатам измерения температуры в подающем и обратном трубопроводах теплосети. Модуль позволяет производить сравнительный анализ утвержденного для источника теплоты температурного графика и рассчитанного на основе измеренных данных за выбранный временной период. Тепловой режим. Модуль предназначен для объективного анализа эффективности отпуска тепловой энергии в тепловую сеть посредством сравнения нормативных (расчетных) значений показателей функционирования источника теплоты, как производителя тепловой энергии в системе теплоснабжения с фактическими данными, полученными в результате измерений. Сравнивая фактические и расчетные параметры работы системы теплоснабжения, выявляют основные причины некачественного теплоснабжения. Исходными данными для расчета нормативных показателей являются климатические данные региона, расчетные тепловые нагрузки на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение и утвержденный для источника на данный сезон температурный график. Пересчет нормативных показателей ведется в зависимости от фактической температуры наружного воздуха измеряемой на объекте автоматизации. В дополнение к графическому отображению параметров теплового режима реализована возможность визуализации сравнительных характеристик фактических и нормативных значений параметров (равнение абсолютных значений параметров; определение относительного (в процентах) рассогласования между нормативным и фактическим значениями параметра; определение коэффициента превышения (занижения) фактического значения параметра над нормативным).
Зависимости. Модуль предназначен для выявления тенденции изменения измеряемых параметров с учетом их взаимосвязи. Регрессионный анализ основан на построении так называемой линии тренда (аппроксимации и сглаживания). Линии тренда позволяют графически отображать тенденции данных и прогнозировать их дальнейшие изменения. Результаты анализа впоследствии могут быть использованы для составления прогнозов, оценки качества технологического процесса и решения задач диагностики измерительного оборудования. Программный модуль поддерживает два режима работы:
Простая регрессия предполагает построения элементарной зависимости одного параметра от другого, причем это могут быть как измеряемые, так и рассчитываемые по формулам, задаваемым пользователем, величины. При работе в этом режиме на графике отображается набор данных, характеризующий распределение значений выбранных параметров, и линия тренда и значение критерия достоверности аппроксимации. Множественная регрессия позволяет формировать модели, отображающие фактическую зависимость одного параметра от множества других. Получаемые с его помощью эталонные зависимости, определенные по заведомо «правильной» информации, в дальнейшем используются для решения задач диагностирования физических и поведенческих дефектов объектов. Модуль позволяет графически сопоставлять на временной оси измеренные и вычисленные значения параметра, соответствующего функции, аппроксимирующей сформированную зависимость.
Основной эффект от внедрения системы АИСТ заключается в том, что ее использование позволяет обеспечить качественно новый уровень управления технологическими процессами котельных с использованием измерительного оборудования нового поколения и современных информационных технологий. Возможности СИСТЕМЫ ориентированы на обеспечение бесперебойного и качественного теплоснабжения, поддержание оптимальных (энергоэффективных) эксплуатационных режимов котельных, а так же получение реального экономического эффекта и, как следствие, сдерживание роста тарифов на тепловую энергию и горячую воду.
Литература: 1. Бабенко В.Р., Кузнецов Р.С., Орлов С.И., Чипулис В.П. Система мониторинга и анализа режимов функционирования потребителей тепловой энергии.//Информатизация и системы управления в промышленности, 2005.-№7.-С 23-28. 2. Бабенко В.Н., Виноградов А.Н., Малышко А.В., Михальцов А.С., Орлов С.И., Чипулис В.П. Автоматизация процессов мониторинга, регулирования и анализа режимов функционирования источников теплоты // Информатизация и системы управления в промышленности.-2004.- N1.-С.5-8. 3. Виноградов А.Н., Гербек Ф.Э., Раздобудько В.В., Кузнецов Р.С., Чипулис В.П. Учет и анализ параметров технологических процессов выработки тепловой энергии//Информатизация и системы управления.-2006.-№7.-С. 4-9.
|
