热网监控系统总体方案———四信F2103GPRSDTU应用

一、监控系统组成
SCADS监控系统由三部分组成：
--监控中心（MCC）
--远程终端站（RTU）
--通信系统（包含热网MCC与热源控制中心之间的通信。）
      该系统的实施，可将现场的运行数据、报警信号实时的传送到监控中心，监控中心下达控制指令指导热力站运行并将预测热负荷经通信网络传至热源控制中心，指挥生产满足按需供热的要求，从而达到全网的优化运行、节能降耗的目的，并且实现热力站运行的无人值守。

  二、监控系统结构
1、北区的监控系统，由监控中心（MCC）和27个远程终端站（RTU）以及无线通信网络组成。
2、监控系统为B/S（浏览器/服务器）结构。采用工业标准以太网（Ethernet）将3台操作员站、1台工程师站、2台服务器和系统外设等经网络设备交换机（Switch）连接起来构成一个厂级局域网（LAN）。局域网通过无线通信方式的网络设备（如Router）与广域网（WAN）联接，实现监控中心MCC与现场级的远程终端站RTU的数据通信。
3、远程终端（RTU）通过无线公共通信网与监控中心（MCC）实现实时通信、数据传输。监控中心采集过程数据，并提供操作指导、控制、管网分析、故障诊断、报警、报告、历史数据处理，趋势显示等主要功能。
4、监控中心（MCC）与热源控制中心，经通信网络与相关通信设备（Modem）相连。将全热网的热负荷变化情况，由热网监控中心MCC传给热源的控制中心，以此作为热源负荷调节的依据。

  三、监控系统配置
1、 SCADA系统必须采用可靠的、成熟的工业级组态软件，采用32位技术和工业控制标准Windows NT/2000 Ethernet标准通信协议，该系统和其他系统可兼容并具有扩展性。
2、SCADA系统的监控中心包括：2个冗余服务器、1个工程师站和3个操作员站，服务器通过GPRS无线网络与现场RTU实现通信。
3、服务器包括数据库、趋势、日志图形和热源运行的主要信息。
4、服务器通过Ethernet LAN和工程师站、操作员站相连。采用服务器上的数据更新显示。
5、服务器冗余配置，一台故障时，备份服务器自动替代，备份服务器用最近数据更新。

  四、监控系统功能
1、监控中心功能
a）实时监测热网运行状态，运行参数的设定，负荷预测，运行分析以及调度热源实现全网的供热均衡；
b）可通过网络浏览器在所需地点实现所有监控管理功能，远程访问与参数浏览；
c）提供对运行分析和参数预测所需的各种温度、压力和流量分配的图表以及生成标准的水压图，对同类参数进行分析比较；
d）监控中心统一发送室外温度指导各热力站的优化运行；
e）实时接收各热力站的报警信息，提示操作人员进行报警处理。记录报警信息，形成报警日志；
f）显示工艺流程图画面及动态运行参数，根据用户权限管理的不同，可对现场进行远程控制和参数设定调整；
g）热力站数据监测和企业的信息管理系统相融合；
h）形成日、周、月等多种报表格式，并对所有热力站的重要参数汇总报表；
i）收集数据信息建立历史数据库和管理数据库。
★本期工程每个网的监控中心（MCC）分别管理27个远程终端站（RTU），每个系统应按50 座热力站的扩展能力设计，即系统应能支持不少于50个热力站的连接。
2、远程终端站组成和功能
a）远程终端站（RTU）组成
--远程终端站（RTU）由具有测控功能的控制器和通信系统组成。它通过与其相连接的现场仪表和执行机构完成对热力站的数据采集、控制和调节等任务。
b）主要监控功能
--控制器（或RTU）具有调节和采集过程参数的功能，如一、二级网供回水温度、压力和一级网的热量/流量、二级网的流量、补水流量以及室外温度等。将监测结果传送至热网监控中心MCC。
--应能根据室外温度制订向用户提供热负荷目标值。
--人机界面，操作单元屏幕显示。
--备用电源（UPS），控制器带有备用电源，在主电源掉电后，它能够维持控制器运行，同时控制器向监控中心发出掉电报警信息。
c）节能功能和优化控制
--一级网的最大流量限制
--一级网的最大热量限制
--一级网的回水温度限制
--一、二级网回水温差限制
--根据室外温度--热负荷曲线，调节二级网供热负荷
--根据二级网回水压力，控制补水泵转速
--根据二级网供回水压差，控制循环水泵转速，以保证热网的水力、热力平衡，达到节能、高效最优化运行。
--二级网供水温度超高报警、联锁功能。
--二级网回水压力过低，自动开放补水功能以及补水箱液位的监测等。

  五、通信系统
1、监控中心服务器通过宽带ADSL专线Internet公网接入，中心提供固定的IP地址；
2、各站点（RTU）通过各自的F2103 GPRS DTU连接到监控中心服务器，DTU通过软件配置监控中心的IP及端口后自动工作。
            
  F2103 GPRS DTU技术特点
      F2103 GPRS DTU采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。公司产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。

无线参数
l       支持EGSM900/GSM1800无线网络
l       GPRS multi-slot class 10
l       编码方案：CS1~CS4
l       符合SMG31bis技术规范
l       Compliant to GSM phase 2/2+
l       支持数据和短信功能
硬件系统
l       高性能RISC 嵌入式处理器，主频100M，512K FLASH。
l       接口：
同时支持RS232/RS485串口。串口速率110~230400bits/s。
      指示灯：具有电源、通信及在线指示灯。
      天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。
      SIM卡接口：3V/1.8V标准的推杆式用户卡接口。
      电源接口：标准的3芯火车头电源插座。
l       供电：
外接电源：DC 12V 500mA
宽电压供电：DC 5-35V
通信电流：<250mA (12V)
l       无线模块
采用高性能工业级GPRS无线模块
l       尺寸
      外形尺寸：91x58.5x22 mm（不包括天线及固定件）
l       其他参数:
工作环境温度-25~+65&ordm;C
储存温度-40~+85&ordm;C
相对湿度 95%(无凝结)
软件功能
l       智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。
l       支持RSA，RC4加密算法
l       支持虚拟数据专用网（APN）
l       透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式
l       支持数据中心动态域名和IP地址访问
l       支持双数据中心备份
l       支持多数据中心
l       支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。
l       支持短消息备份及告警。
l       多重软硬件看门狗
l       数据包传输状态报告。
l       标准的AT命令界面
l       可以用做普通拨号MODEM
l       支持telnet功能。
l       支持远程配置，远程控制
l       通过串口软件升级
l       同时支持LINUX和WINDOWS操作系统

3、只有当进行数据传输时， DTU才自动连接到网上（DTU数据触发功能）。
4、RTU可以根据实际情况灵活设置采集和传输时间。
5、系统具有精确的时钟校对功能。
6、提供通信软件。
7、应能提供远程系统诊断和修复功能。

  六、SCADA系统软件
系统软件组成：
监控系统软件、热网水力平衡分析软件、模拟仿真系统和热网地理信息系统以及通讯管理软件等。
1、监控系统软件：
--时实在线的“监控与管理”、“诊断与报警”、“采集与报表”、“用户管理”、“系统查询”和“网络发布与通讯”软件等。
--系统软件本身必须是真正的32位应用程序，不得采用运行在32位平台上的16位系统软件。
--系统的操作员站应为Windows NT或最新版本平台上运行，具有中文界面。
2、热网水力平衡分析软件
包括热负荷的“预测与规划”、“分析与诊断”、“调节方案制定”、“技术方案优化”、“改造方案制定”和“热网规划和设计”等。专用计算分析监控系统热网软件是监控系统的核心，用于对热网的平衡分析管理和控制，用科学管理方法解决热网的水力失调和热力均衡问题。
3、地理信息系统软件
--供热设施数据管理
--供热设施的规划设计
--供热设施的检修和管理
--公司固定资产的管理
--热用户的管理、负荷统计
--供热事故分析处理
4、通讯管理软件
--支持多种通信方式
--对系统通信的监测与任何数据采集扫描相独立
--对采集来的数据进行校验，一旦接收无效数据或通信时间溢出信号，系统将产生该次通信错误的记录
--通信监测表，保持、显示通信软件的统计数字
--给出报警信号，通知操作员有故障的设备或通道
--通信统计情况可用画面显示和在报表中或用户定义的显示画面中输出
5、热网水力平衡分析软件的要求（离线）
5.1技术成熟先进，在国内外热力行业应用广泛
5.2采用线型理论技术和大型稀疏矩阵技术，计算分析功能强大
5.3功能全面，可用于热网规划设计，也可用于热网运行调节
5.4可视化图形界面，菜单操作简单方便
5.5多种图形、数据类型导入方式，热网图形建立方便快捷
5.6可根据热网系统的实际情况，修改管道、阀门、水泵属性库等
6、热网水力平衡分析软件的功能（离线）
6.1新建热网的规划与设计
--系统可以进行区域独立热网参数设计及管道计算，同时也可以选择新系统与老管网系统接口计算，分析新增管网对整个热网运行影响，从而可以利用软件进行新的管网规划及设计工作。
--在管网设计计算过程中可以计算新增管网对旧有管网的影响，可以通过优化计算，在满足管网运行的前提下，减小管径，节约管网建设费用。
--当进行新的热网的设计与规划的时候，软件可以结合热源的参数，输出能力与用户的采暖负荷要求来优化全网管道的管径，并可以模拟热网系统投运后的工况。
--根据用户设计负荷、设计温差的参数，确定全网设计流量；
--根据系统设计流量、设计比摩阻等初步确定一级网及二级网的管径；
--根据系统的压力需求、确定热源循环泵的参数、串联或者并联方式等；
--模拟投运后热网的运行工况，对设计方案进行模拟优化；
--确定环网的水力交汇点；
--确定最不利环路；
--确定各个热源的供热范围；
--用户能方便的选择需要绘制水压图的管段。可以选择任意两点之间所标定连续路径，进行绘制设计水压图。
6.2热网运行工况的诊断与分析
--根据热网实际运行参数，分析出全网中的不热用户和问题管段，通过改变热源或用户参数等，模拟各种调节方案，并通过对运行参数的分析，找到改善运行工况的方法，进而改善供暖状态，提高服务质量；
--根据各个时期热源和热力站、用户的参数，计算出管网流量；
--确定全网比摩阻比较大的管段；
--确定环网的水力平衡点；
--通过改变热源或者热力站的参数，确定用户的工况变化；
--通过各个运行工况的水压图、全网参数分布图、计算结果报告，分析出热网问题所在；
--关键点对相关区域供热的影响。
6.3管网技术改造的计算分析
--软件可以经济比摩阻、新增采暖负荷、流量等参数，对管网各段进行计算，技术人员可以参考管径的计算结果，指导热网的改造。
--软件还可以对管网改造方案进行模拟分析，技术人员可以通过各种方案的对比，确定经济、合理的管网改造方案。指导热力公司以最小投资，解决管网问题，降低技改成本；
--系统增大或减少负荷时，对热源、管道等参数输出的评估与分析；
--根据系统流量确定改造后循环水泵参数（流量、扬程）；
--根据系统的热量、流量等参数的需求，确定管道的保温、管径、长度等参数；
--根据系统的热量、流量等参数的需求，确定改造换热站需要的参数；
6.4
--可以根据室外温度的变化计算出不同环境条件下热网系统对热源输出流量、压力、热水温差等参数的要求，如果是多热源联网运行，还可以根据各热源的运行成本，制定出热网的运行方案。
--对下一采暖季热源投运进行经济技术比较；
--采暖初期、中期、后期系统的压力、流量、温差等参数的需求；
--每个热源在各时期的参数输出；
--多热源热网并联；
--热负荷增加，热源参数、管网输送能力是否满足；
--某个热用户参数变化时对其他用户参数的影响；
--调节阀门状态变化时，热网运行参数的变化
6.5计算、分析结果多种输出方式
--网络拓扑结构：节点号（名称）、管道号（名称）、管道长度、局部阻力、管径（校核计算）、分段阀门布置位置、地形标高；
--热源供热量；
--循环水泵参数（流量、扬程）；
--各热力站供热面积（用户节点流量和热量）；
--中继泵扬程；
--统计数据输出；
--数目不等的最大流速；
--数目不等的最大阻力管段；
--数目不等的最不利回路；
--各种管径的管道长度。
“离线运行软件”与“在线运行软件”有机结合，实现全热网的优化控制和经济运行。

  七、监控系统软件主要功能
1、工厂浏览器
--工厂浏览器实现工程资源集中管理，基于图形化操作，数据点参数可以通过彩色图形动态显示，可以直接通过图形操作设备，不同类型的图形可以同时显示。
--每个热力站至少有两个图形，MCC有数个系统总体图形，逻辑结构允许在图形间自由航行，同时有图形显示热源的主要工艺参数（如热源出口的热量、温度、压力和机泵运行状态室外温度等），这些数据参数通过ODBC或DCOM标准界面进行交换。
--一些图形用来显示整个热网的运行状况，有助于操作者对热网温度分布和压力分布（可绘制水压图）和用户热负荷做出判断。
2、趋势浏览
--所有被测量的数据被做成日志，并以趋势方式显示，以便分析、控制热网运行和供热情况，趋势可在线设置。
3、报警浏览
--报警浏览在所有时间提供系统发生的报警信息，并连续更新。有多种选项归类和显示。报警可以被重置或确认。
--把工厂浏览的图形和报警相连，使得在进行其他程序时，可以快速进入发生报警的画面。
--报警可以按照3个优先级分组，便于操作者对不正常的热力站的多项报警参数（例如压力损失、供热不足，系统的起停）有总的了解。具有最高优先级的报警会在自动弹出的报警窗口中显示，以防操作者忽略。
4、报警传送
--报警可以直接传送到外围设备，如打印机、手机、传真机和短消息。这一功能使热网维护人员直接得到通知，以减少停机时间提高整个热网的可靠性。
5、时间安排
--时间程序可以使热网取得很大的节能效果，时间程序可以在无人或热需求较少的时候（例如公用或商业建筑在夜间和周末，住宅在深夜）自动将温度设置成体温。这种功能也可以用于供热不足的场合，在这种情况下，热量在一定的时间内限定供给某一特定用户。
--时间程序可以按照星期来设定，表明考虑到在周末有不同的热量消费。
--时间程序被储存在控制器中。
6、趋势功能
--测量数据的趋势可以在线或离线分析，在一个窗口中可以显示最多10个参数的趋势；
--趋势数据可以很容易地被导出到第三方程序。
7、日志浏览
--显示时间和用户操作行为，该记录对分析操作者行为非常重要，对操作者不在的班次或在MCC上操作时，有特别重要的意义。
--日志浏览始终将某一特定工作站形成日志，浏览日志由四部分构成：
1）报警日志：某一被监控的热力站按时间排序的报警信息
2）系统日志：显示和系统相连的设备，例如打印机，光交换机或通信中断的信息
3）用户日志：某一操作员在某一工作站的行为
4）状态日志：机泵状态信息
--日志可以被过滤，过滤的标准可以被定义和保存（例如时间、日期、机组）
8、与第三方数据交换
--采用标准界面和协议，可通过ODBC、OPC、DDE和第三方系统交换数据非常容易。
9、报告
--报告为用户提供某一特定时期（如：某一用户的月热消耗）或当某一事件发生时的信息。报告可以自动生成，当报警发生，获取重要的信息以供分析。报告可以自动或手动被打印或储存。
总之，系统组态应做到软件模块化，实时数据库、HMI、服务器等主要部分可分别独立运行的组件。系统结构可以让用户灵活配置系统，合理分配服务器的负荷。

  八、控制策略
1、热负荷的预测与规划
       根据系统运行参数及气象预报，进行采暖日热负荷预测，给出热源对热力站的过程控制进行参数优化设定，使系统处于最佳经济运行状态。
2、参数的数据采集
       对运行中的关键参数，进行系统水力工况的监测。显示热网监控参数、实时数据、动态画面，定时生成报表并存储。
3、控制分析和建议
        热网热力平衡的分析和控制策略的实施，对全网关键工艺参数（流量、温度和压力等）的分布情况进行特定分析，并提出有针对性的指导性的控制建议，以此解决全热网的水力失调和热力失调问题。
4、控制理论
       监控中心（MCC）所提供的SCADA监控系统的控制策略，应有完整的先进的控制理论为基础，应有国家一级刊物上发表的论文以佐证和工程运行的实例和验收证明，以保证项目的可靠性。
5、节能措施。
监控系统控制策略，具备限制一次侧的流量、热量和回水温度的节能措施。
6、输出定时
       对公共建筑物的热用户的供热系统，可根据作息时间的要求设置不同的输出，控制电动调节的开度以便节约能源。
7、初步平衡
       首先按水压图进行全网的水力分配，在靠近热源的热力站加装自力式差压控制器。热网通过自力式差压控制器进行初步调节，初步做到水力平衡消除系统工况的水力失调；
8、热量平衡
      监测各热力站的一级网和二级网环路的热量/流量和供回水温度，采用热量平衡分配的原则进行热网的进一步热量分配；
9、优化控制
       监控中心根据用户热需求协调供热量，使供热与热需求相适应。热力站一级网电动调节阀（要求双阀并联配置）根据热负荷的要求进行细调，实现优化控制、经济运行。
综上所述，系统控制策略总体要求是：既要达到全网热量平衡又要满足经济运行的最佳效果。
监控系统软件是实施热网控制策略的核心，用于对热网的平衡分析管理和控制，用科学管理方法，解决热网的水力失调和热力均衡问题，达到全网的热力平衡。投标商应详细描述，所采用的控制策略。

  九、监控中心配置
1、系统服务器（2台冗余配置）
处理器：         petium-IV 双核 3.0G
内存：             最低1GB
驱动器DVD-ROM： 50X
★硬盘：           SCSI 160GB
                   转速10000rpm
                   传输速率（内部）&ge;30MB/S
                   平均寻道时间：5ms
                   Cache--缓存&ge;4.0MB
配置RAID系统、SMART技术，7&times;24小时不间断连续运行
支持热插拔
功能键盘+MOUSE
显示器：         21&Prime; 液晶显示器
以太网卡：      PCI 10/100M
冗余软件
2、操作员站（3台）
处理器：        petium-IV 双核 3.0G
内存：           最低1GB DDR
驱动器DVD-ROM：50X
硬盘：          120GB
                缓存&ge;2M
功能键盘+MOUSE
显示器：液晶显示器
彩显卡：        21&Prime;Trinitor
监视器：        21&Prime;液晶显示器
操作系统：      Windows NT
以太网卡：      PCI 10/100M
多媒体：        声卡+音响系统
3、工程师站（1台）
处理器：         petium-IV 双核 3.0G
内存：           1GB DDR
驱动器DVD-ROM：50X
硬盘：          120GB/7200转
                缓存&ge;2M
光电鼠标
显卡：          GFM&times;400   128M DDR
显示器：        21&Prime;液晶显示器
操作系统：      Windows NT或2000
以太网卡：      PCI 10/100M
多媒体：        声卡+音响系统
4、附属设备
--DLP投影仪
带有与计算机系统进行数据传输的通讯接口，用以接收计算机系统输出的信号，显示热网及热力站的流程图及其主要运行参数及状态。技术要求
    a. 亮度：&ge;700流明，不受外界光线干扰；
    b. 亮度均匀，图像无明显暗角；
    c 清晰度，图像清晰度细腻；
d. 对比度：370：1 图像有层次感；
e. 功率低、易散热、稳定性高；
--文件打印机     24针
--激光打印机     600&times;600，A3
--UPS电源       30分钟，6kVA
--交换机         RJ 45/16端口
--路由器
--控制中心操作台
--室外温度传感器
5、控制器
5.1技术要求
--★控制器32位处理器，CPU主频&ge;100MHZ，DRAM&ge;64MB，SRAM&ge;32KB，RS232接口。
--控制器结构紧凑，要求采用高质量的产品（提供原产地证明，并在国内热网有成熟的应用业绩），适用于供热系统热力站。
--应用程序可以用编程软件和热力站专用功能块开发，程序可以通过以太网通信口和有线、无线通信下载到控制器。
--调试工具可用于调试，它使控制器的操作、监控和设置文档变得容易。
--控制器宜采用模块化设计，在面板上具有通信卡插槽，实现GPRS无线通信。
--控制器和SCADA监控中心的通信，采用国际控制领域通行的标准OPC，OPC服务器许可在控制器通信卡上，SCADA是客户端。
--控制器可以通过人机界面现场操作，屏幕显示，数据上传，热力站为完全无人值守；            
--具有远程维护能力
--控制器宜为模块化结构，即插即用和预接线；
--★MTBF&ge;10万小时；
--★现场控制器监控点配置如下：
AI：23      DI：12
AO：6      DO：12
5.2功能要求
--模块化结构：支持扩展模块，自由配置I/O模块；
--采集功能：采集工艺参数具有数据过滤，数采周期可进行设定；
--存储功能：数据可按时间保存，掉电不丢失，具有足够的存储空间；
--显示功能：控制器有画面显示、参数组态、设定参数、人机交互功能等；
--控制功能：实现电动阀和水泵的变频调节等功能；
--通讯功能：控制器应支持多种通讯，如RJ45以太网、ADSL宽带以及无线通讯的连接（如GPRS、CDMA等）；
--在线诊断自检功能：可自动检查主板、外设及I/O设备是否正常，若有异常给出报警；
--故障报警：控制器可通过相关的通讯方式向上位机报警直至收到确认信息。内容包括：超温、超压、液位高低以及停电等信息；
--Web访问远程维护功能：可授权用户可以在任何地方通过有线或无线等方式登陆网页，了解控制器运行情况。
--控制器的各种I/O点，考虑20%的余量。
--控制器应具有人-机操作界面，并具有适当数量的操作键，以便操作人员的调试和运行。
--平均无故障时间（MTBF）&ge;10万小时；
5.3控制器的环境要求：
运行：0～50℃
储存：-40～70℃
湿度：5～95% R.H无凝露。
6、单座热力站的监控点
1）一级网供回/水温度
2）一级网供/回水压力
3）一级网热量（超声波流量计）
4）二级网流量（弯管流量计）
5）一级网除污器差压，二次网除污器差压
6）二级网供/回水温度
7）二级网供回/水压力
8）补水流量（弯管流量计）
9）室外温度
10）水箱液位和联锁(电磁阀)
11）循环水泵变频调节反馈
12）循环水泵变频调节
13) 一级网电动调节阀调节（双阀并联）
14) 补水定压调节（与补水设备配套提供，自成系统）
15) 2台循环水泵运行状态及开停
16) 2台循环水泵故障
17) 补水泵运行状态及开停
18) 补水泵故障