熱力站無人值守系統改造

王 凡

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030013)

1 基本情況與無人值守改造目標

我公司成立于20世紀80年代初，隨著全社會節能環保意識的加深，人民對冬季采暖質量要求的提高，經過30年的發展，已擁有近1 000 km一次網供熱管線，熱力站1 310余座，形成1.3億m2的供熱面積，已經穩居全國第二大集中供熱企業。根據使用熱源不同下轄9個供暖分公司，我分公司現在承擔太原市1 400萬m2的供熱面積，擁有熱力站204座。在經過無人值守系統改造前，我公司熱力站工作方式趨于傳統即在冬季運行期間，除了我單位正式員工外還需雇傭冬季臨時工負責協助生產，平均每座熱力站需要配備3人～4人。他們的工作包括對熱力站設備的巡視，二網軟化水的生產，供熱參數的抄報，根據生產調度部門調節一次網流量控制閥門的開度大小以控制換熱量達到對二次網溫度的控制等多種工作。

隨著供熱面積的持續增加，傳統的熱力站供熱方式弊端凸顯越來越嚴重：

1)人工成本的增加，我單位現冬季臨時工工資每人每月需要1 500元，按每站需派駐4人，200座熱力站每個供暖季就需要支付人工費用700多萬元。2)人為故障頻發，在熱力站實際使用中，人為操作失誤引發的運行故障隨著熱力站數量增加變的越來越多，過多過頻繁的故障不僅影響到冬季供熱服務，還會提高生產設備損耗率造成不必要的生產成本增加，同時增加設備維護人員的工作強度。3)熱網調控不及時，熱源分布不均勻。我分公司隨著熱源負荷的倍增，在近兩年內供熱面積由原來的600萬m2增加到1 400萬m2，原有的全網平衡系統通訊方式已經滿足不了現在的需求，造成很多新建地下室熱力站無法納入全網平衡系統。基于多種傳統熱力站控制方式的弊端和我分公司在大規模發展中所突出的生產技術短板，我公司迫切需要對熱力站實施無人值守控制系統改造，以實現熱力站無人值守，熱網參數的自動采集集中控制，熱網聯調聯控實現全網平衡，發生故障自動報警，降低供熱生產成本，提高我公司供熱服務質量，提升我公司生產管理水平等目標。

2 熱力站無人值守改造的前期保證

隨著科學技術的日新月異，尤其是自動化控制技術、信息技術與物聯網技術的發展，我公司近年來使用自動化控制設備對熱力站控制技術及管理水平的提升，我單位集中自控人員與運管、調度部門專門對我單位現在運行中存在的短板進行了發現總結，對我單位徹底升級自動化控制水平實現熱力站無人值守給予了充分的保證。

1)通訊技術的成熟與成本的降低，現階段我單位供熱區熱力站域實現了4G無線通訊信號的全覆蓋，大部分熱力站都可以實現點對點數字電路的接入。2)物聯網技術的成熟，隨著物聯網技術的提出與發展成熟，電子視頻監控系統的廣泛應用，通過電子眼代替人眼的愿望不再是奢求。3)隨著我單位自動化控制系統的多次升級，已經建立了初步的熱網全網平衡系統并在使用當中總結出來新的使用生產管理思路以適應熱力站無人值守系統。4)我單位通過對所屬熱力站，進行通過抽取一次網回水補充進二次網回水的補水方式的改造，可以解決熱力站需要有人參與生產軟化水的工作即“一補二”自動補水系統。5)我單位已有熱力站204座，為提高生產效率熱力站無人值守改造已成當務之急。

3 熱力站無人值守改造內容

熱力站無人值守改造，是一種新的生產方式代替舊的生產方式的改造，改造的成功與否主要取決于兩個方面：一、熱力站及熱網中生產控制設備的升級改造；二、熱力站執行無人值守后生產工藝流程的改造。在很多創新式改造案例中有很多都是只注重生產設備硬件的更新改造，忽略了對生產技術人員，生產方式和專業技術能力的提升轉變，造成了生產硬件有了但人不會用，形成穿新鞋走老路的生產模式，使新的生產設備不能發揮最大的效能。為了避免造成這種情況，我單位在制定熱力站無人值守改造項目計劃初期就提出“兩雙抓”的方針：熱力站硬件要升級改造，同時運行生產人員的技術思想業務能力也要同步學習提高，新的生產設備要與新的生產意識相匹配。要做到改造后的控制系統“能用”“適用”“會用”。

4 熱力站無人值守系統的硬件組成構架

熱力站無人值守系統組成包括：熱力站控制運行系統，熱網中控系統以及通訊系統。三個子系統相互依托缺一不可。三個系統同時作用于無人值守熱力站，實現控制生產，安全監視，故障報警等功能。同時還有全網平衡系統負責對全部熱力站二次網溫度的平均控制。其中熱力站自控系統負責對熱力站參數進行采集對設備進行控制，視頻監控系統負責觀察熱力站運行狀態，通信系統負責將熱力站站內的將前兩系統的信息數據傳輸至中控室及片區中心站供生產調度人員使用，見圖1。

4.1 熱力站自動化控制系統

我公司熱力站內原有自控系統主要依托PLC通過對熱力站內一二次網溫度、壓力流量等運行參數的采集，上傳至中控室上位機，由上位機進行工作設備運行狀態的調整。對一次網流量控制電動閥門開度進行控制，對二次網進行自動補水工作。但要進行無人值守狀態，除了上述的功能外，還需添加生產設備故障報警功能，包括二次網失溫失壓報警，循環泵停泵報警，變頻器故障報警。其中變頻器故障報警可以將變頻器的故障報警和故障代碼通過R485通訊協議與PLC鏈接向上位機上傳；失溫報警通過組態軟件采集到熱力站實時溫度與熱力站全網平衡系統溫度設定值比較進行報警當溫度傳感器測得溫度低于全網平衡設定溫度3 ℃時觸發報警；失壓報警存在二次網欠壓和超壓兩種故障表象，通過組態軟件將實時采集二次網回水壓力參數與熱力站二次網補水定壓點比較進行報警，當壓力低于或高于定壓點0.05 MP時觸發報警；循環泵停泵報警我公司目前是通過比較二次網供回水壓差的方法比較，當壓力變送器采集到的二次網供回水壓差變小或相同時觸發報警，后經過使用發現這種方法對于供熱面積大實際運行壓差大的熱力站適用，供熱面積小實際運行壓差的熱力站可選配帶有移動通訊功能的水泵停泵報警器。

4.2 視頻監控系統

我公司通過在熱力站內加高清裝攝像頭及網絡硬盤錄像機(NVR)，對熱力站生產設備實時拍攝并保存，上傳至中控室，由負責生產運行的專人對熱力站進行統一的畫面輪巡檢查，代替以往熱力站中常駐人工巡視工作。我公司攝影頭機位安裝要求為：能清晰拍攝到熱力站大門起到安防作用；能清晰拍攝到熱力站內配電柜及變頻器起到方便設備故障報警后的觀察，實現遠程的故障初判；能清晰拍攝到熱力站內循環泵、換熱器等主要生產設備。同時具備運行視頻的錄像存儲功能，我公司視頻監控系統為每座熱力站配備獨立的NVR，分別錄制各自熱力站的視頻錄像，需要時通過服務器在線調取或者就地硬盤讀取保存視頻，這種方式可最大限度的節省網絡資源，減少由于多路視頻同時上傳對上層造成帶寬壓力。同時便于設備維護，相較于服務器硬盤矩陣，故障造成的影響只會停留在一個熱力站中。

4.3 通訊系統

通訊系統擔負著設備、系統與人之間的聯系工作，我公司在之前的自控系統改造中，曾經在熱力站內安裝過GPRS的無線通信設備，受當時的通訊技術制約，在使用中暴露出了很多不足，通訊設備故障率高，信號質量差，信號盲點多不能做到熱力站的全覆蓋。而通訊系統的穩定與高速又影響著整個無人值守系統的能否正常使用，所以在我公司本次通訊方式選型的時候，我單位配合通訊運營商在前期做了細致的覆蓋勘探工作，得出我單位204座熱力站202座適合光纖接入，2座由于光纖無法接入使用4G傳輸信號的勘測包括，同時結合我公司實際工況即我熱力站有自控設備和監控高清攝像頭3個，計算出信息傳輸量3臺720P高清攝像頭需要帶寬6 M/s，自控數據傳輸需要2 M/s考慮到設備數據傳輸冗為熱力站設計10 M/s帶寬，片區中心站由于需要同時監視多座熱力站輪巡視頻和自控設備運行數據設計帶寬為20 M/s，中控室設計帶寬為50 M/s。考慮到以后自控監控數據有向手機APP應用端外網發布的需求，在中控室服務器端留有外網發布所需硬件設備。同時為了避免自控、監控數據在同一條網線上傳輸造成數據擠壓，網絡供應商提出了對網絡帶寬數據分割方案，自控系統數據與監控系統數據分開傳輸分別匯聚的傳輸方式，這種方式能夠消除兩系統同時使用對帶寬造成的壓力，保證數據的正常傳輸。基于實際工況要求，我單位選擇了運營商提供的點對點數字電路業務，其使用優勢有傳輸速率高、網絡延時小、全透明傳輸、網絡設備適應性高，同時可實現統一的網絡監管功能。其中網絡監管功能在無人值守系統運行中，發生斷網恢復時，對網絡斷線原因的判斷起到了很大作用。

4.4 熱網中控系統

如果說熱力站自控系統是整個無人值守自控系統的雙手，視頻監控系統是眼睛，通訊系統是整個系統中的神經系統，那么中控機房的構建就是整個無人值守自控系統的中樞大腦，見圖2。鑒于此，我單位在無人值守自控系統改造初期，就設定結合以往工作經驗，將中控機房的設備配套安裝與無人值守系統生產工藝流程的制定相結合，同步進行，最大限度避免硬件設備與生產工藝的沖突，造成不必要的設備資源浪費，同時在前期針對生產運行部門需求做了充分調研對今后系統功能延伸，供熱面積增擴網留出合理的冗余空間。同時在系統構建初期就讓熱網運行管理人員對系統運行工藝流程與系統組成硬件有了初步了解，方便在無人值守自控系統建設后期至投運初期的人機使用無縫銜接。其主要設備包括交換機，防火墻，視頻監控服務器，自控系統服務器，全網平衡系統服務器。

5 熱力站無人值守生產工藝流程

在集中供熱工程中，熱力站的穩定運行是與用戶冷暖息息相關的，熱力站無人值守系統改造不僅要實現無人值守，提供更好更穩定的供熱服務同時還要達到節能降耗減排的作用。就需要制定一整套新的生產工藝流程。為此充分研究以往傳統熱力站有人值守的工藝流程結合新的可利用資源與思想，從中剝離出可用自控、監控系統代替的人工操作步驟如：熱力站內安防，運行參數抄報，設備故障報警等功能，同時把管控人員功能集約化專業化，為此我公司重新制定了一整套熱力站無人值守生產操作工藝流程。

由于我公司供熱面積大，熱力站數量多，地理位置分布廣。結合以往的生產管理制度，我公司制定站、段、中心控制的三級管理層。以地理位置就近原則由一個熱力站長負責幾座熱力站，其工作主要職能與有人值守時沒有發生明顯變化。在熱力站正常運行時，鑒于我公司熱力站自控系統可實現功能，由PLC對熱力站各參數進行抄報，進行一次網對二次網的自動補水。各熱力站的自控監控設備通過網絡設備，將熱力站運行的實時參數抄報至中控室，包括熱網運行一二次網溫度壓力，電動閥門開度，循環泵變頻器啟停頻率，設備故障報警、失溫失壓報警，站內各機位實時視頻等。中控室管控人員，在可以通過對站內的運行參數，控制修改全網平衡系統，由全網平衡系統對熱力站一次網電動流量控制閥門進行開度更改，實現全網熱源的平衡分配。當熱力站運行出現故障時，熱力站將報警信息向中控室發布，調度人員結合報警信息、運行參數、視頻監控做出判斷安排專業維修人員對故障熱力站進行維護。同時在片區中心站設立專門的運管人員，負責通過自控參數與站內視頻畫面對所屬片區熱力站運行狀態的監管發現問題上報。為避免無人值守系統存在可能的故障及盲點，保留部分的熱力站巡檢人員，我公司在第一年使用中平均每10個熱力站每個班配備一名巡視人員，定時對熱力站進行巡查，人工抄報參數，從而發現無人值守系統未發現的故障與隱患。隨著無人值守系統功能的使用完善與穩定，人工巡查頻率可進一步降低。

6 結語

我公司通過對熱力站內自控系統功能完善化的改造與視頻監控系統的加裝，以及設備的聯網互通。加上制定了科學詳細的針對于熱力站無人值守的運行工藝流程。我公司熱力站無人值守系統的改造得以成功，在改造后運行的第一個供暖季，直接節省人工成本600余萬元；通過對中自控與通信系統的優化去除了人為操作對全網平衡系統的影響，加強了全網平衡系統的控制力與執行力，提高了8%熱源使用率降低了熱源成本。同時減少了人為誤操作對供熱設備的損壞，節省了設備損耗成本。但是在使用過程中也發現一些故障與問題如：由于熱力站無人值守進行了一次網向二次網的自動補水，一次網水質的好壞壓力的高低將嚴重影響自動補水故障率，發生過由于一次網水中雜質過多將電磁閥工作行程卡死，造成二網壓力超壓安全閥跑水的情況。由于熱力站儀表設備，變頻器，PLC等設備全部聯網化，沒有考慮到電磁信號對通訊設備干擾作用，在測試期間發生了由于熱力站變頻器啟動，對通信設備干擾從而引發了自控系統網絡的大規模網絡阻塞，整個無人值守系統處于癱瘓狀態。后經過在對熱力站通信設備進行屏蔽抗干擾處理后，此故障徹底恢復。

在使用中由于對熱力站數據采集的準確度和集成度的提高，熱力站自控數據結合我單位現在使用的分戶式熱計量表，用戶遠傳熱計量表數據的匯總可以形成我單位熱力站運行供熱溫度的大數據平臺，針對這些數據可以實現我單位供熱溫度的多級考量，實現更科學的熱源多級平衡分配，這些課題有待在今后的工作中研究解決。