Автоматизация проектирования информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики

Даниельян С.А. , Кузнецов Р.С. , Раздобудько В.В., Чипулис В.П. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

Приведен опыт проектирования и разработки информационно-аналитических систем в теплоэнергетике. Рассмотрены примеры внедрения в промышленную эксплуатацию систем подобного класса.

В институте автоматики и процессов управления ДВО РАН с 1998 года ведутся работы, связанные с разработкой, внедрением и сопровождением информационно-аналитических систем (ИАС) мониторинга и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики (ОТЭ) Дальневосточного региона России. В этой связи уместно отметить следующие законченные и эксплуатируемые в настоящее время ИАС. В 2 0 0 0 году была завершена разработка ИАС «СОНА» [1], используемой до настоящего времени при сервисном обслуживании тепловых узлов и установленных на них приборов учета тепловой энергии. С 2001 года в котельной Всероссийского детского центра «Океан» эксплуатируется ИАС мониторинга и анализа эксплуатационных режимов источников теплоты «ИСМА-ОКЕАН» [2]. Интенсивный процесс внедрения SCADA-систем побудил к разработке новой ИАС «АИСТ» [3] для источников теплоты, реализующей функции мониторинга технологических процессов выработки тепловой энергии с использованием системы Trace-mode 5. Система «АИСТ» внедрена в 2 00 5 году и эксплуатируется в котельных «Курс» и «Южная» г. Арсеньев. Следующий шаг в развитии данного направления связан с разработкой некой платформы (универсальной заготовки) для создания систем анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики (ОТЭ). Основная цель, которая при этом преследовалась, заключается в следующем. Платформа должна содержать базу данных (БД) и достаточно полный набор программных средств для решения задач анализа (ориентированных на использование этой БД) и позволять оперативно, с незначительными временными затратами компоновать системы анализа для конкретных приложений. В 2 0 0 6 году завершена разработка промышленной версии ИАС «СКУТЕР», в значительной степени отвечающей этому требованию.

Информационной базой системы «СКУТЕР» являются результаты измерений параметров ОТЭ, получаемые в процессе мониторинга с использованием SCADA-системы (в основном для источников теплоты) либо считываемых из архивов тепловычислителей (в основном для объектов-потребителей теплоты). Система включает в себя набор независимых программных модулей, ориентированных на решение требуемых прикладных задач и обладающих определенной функциональной направленностью. Основными модулями системы являются следующие: «Сбор данных», «Графики», «Таблицы», «Отчеты», «Температурные графики», «Тепловой режим»,

«Рекомендации», «Дефекты», «Диаграммы», «Зависимости», «Конфигуратор». Система реализует клиент-серверную архитектуру, основанную на использовании единой базы данных, доступной клиентским приложениям (модулям) посредством локальной сети передачи данных (TCP/IP). Отдельные модули системы могут использоваться автономно (со своей локальной копией базы данных), например, модуль сбора при ручном сборе данных, с последующей синхронизацией собранных данных в серверную базу. Другим примером использования раздельных баз данных является сбор данных с приборов учета в региональном центре сбора (например, по телефонным каналам) и их передача в общий центр данных по скоростным линиям (TCP/IP). Ниже приводится краткое описание основных модулей системы «СКУТЕР».

«Сбор данных». Модуль предназначен для считывания архивной информации из архивов приборов учета, первичной обработки и сохранения результатов в базу данных ретроспективной информации. В список устройств, поддерживаемых модулем, входят теплосчетчики SKU-01, SKM-01, Multical III и ВКТ-7. Другие виды счетчиков могут быть добавлены путем написания соответствующего драйвера. Модуль поддерживает различные режимы работы: непосредственный опрос, ручной опрос с помощью модема и автоматический сбор по расписанию. Первый режим предназначен для сбора с приборов с использованием ноутбука с непосредственным подключением, а два других - для сбора с использованием модема (в том числе и GSM) . Автоматический режим используется для массового опроса группы приборов в составе информационноаналитического центра.

Для упрощения обнаружения ошибок, возникающих в процессе сбора информации, в модуле предусмотрен журнал, хранящийся в базе данных. Модуль реализован в виде многопоточной программы, что позволяет использовать для сбора информации несколько модемов одновременно. Количество модемов не ограничено.

«Графики». Пользователю предоставляется широкий набор возможностей (в том числе и оригинальных) 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.)*

Рис. 1. Изменения параметров теплосети во времени

Рис.2. Представление параметров теплосети по часам суток.

Рис. З.Сравнение периодов. Расход теплоносителя за последний месяц в текущем и прошлом отопительном сезоне.

«Таблицы». Таблицы достаточно просты, но эффективны для анализа числовых рядов данных. Группы параметров, отображаемых в таблицах, в общем случае могут не совпадать 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).

@ СКУТЕР:: Таблицы и отчёты г: Котельная "Курс"

Рис. 4. Месячный отчёт в виде ряда усреднённых данных (по суткам).

«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 с целью оценки эффективности качественного регулирования отпуска тепловой энергии в теплосеть. На рис. 5 показаны в сравнении нормативный и фактический температурные графики. Из рисунка видно, что фактический график (130-70°С) не выдерживался в соответствии с требованиями СНиП (отклонение от утвержденного температурного графика температуры в подающем трубопроводе превышает 3°С). Наблюдается перетоп при плюсовой температуре наружного воздуха и недотоп в наиболее холодный период отопительного сезона.

Рис. 5. Сравнение утвержденного и фактического температурных графиков

«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.

Режимы функционирования тепловой сети определяются по следующим показателям:

отпуск тепловой энергии в тепловую сеть;

температура теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети;

разность значений температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах;

температура теплоносителя в обратном трубопроводе тепловой сети.

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. На рис.6 показан визуальный интерфейс модуля.

Рис. 6. Графики нормативных и фактических значений температуры теплоносителя на фоне температуры наружного воздуха

В дополнение к графическому отображению параметров теплового режима реализована возможность визуализации сравнительных характеристик фактических и нормативных значений параметров. Предусмотрено три основных режима сравнительного анализа:

сравнение абсолютных значений параметров;

определение относительного (в процентах) рассогласования между нормативным и фактическим значениями параметра;

определение коэффициента превышения (занижения) фактического значения параметра над нормативным.

На рис. 7 приводится пример анализа эффективности выполнения температурного графика на источнике теплоты по абсолютному рассогласованию среднесуточной нормативной и фактической температуры в подающем трубопроводе.

Рис.7. Сравнение значений измеренной и нормативной температуры теплоносителя в подающем трубопроводе теплосети

«Дефекты». Модуль предназначен для выявления дефектов ОТЭ, модели которых задаются пользователем и отображаются с помощью символьного языка в виде формул, аргументами которых являются измеряемые параметры объекта.

Дефекты объектов диагностирования подразделяются на поведенческие и физические. Поведенческие дефекты связываются с возникновением нештатных и критических ситуаций, приводящих к нарушению требований нормативной базы, предъявляемых к эксплуатационным режимам ОТЭ. Примерами поведенческих дефектов являются выход измеряемой величины за пределы динамического диапазона измерений датчика; несанкционированный водозабор; недопустимое отклонение температуры теплоносителя от нормативного значения и т.д. Примерами физических дефектов являются утечки в трубопроводах, метрологический отказ (погрешность прибора превышает указанную в его паспорте величину), катастрофические дефекты измерительного оборудования, ассоциируемые с кодами ошибок, выявляемых встроенными средствами контроля. На рис. 8 приведен пример результата работы модуля.

Рис. 8 Дефекты

«Рекомендации». Модуль является внешним, т.е. отдельной программой, с которой можно работать как автономно, так и вызывать из других модулей системы. Модуль предназначен для оперативного анализа результатов измерений за прошедший (непродолжительный) период времени, определения и визуализации основных показателей функционирования объекта, выявления отклонений от нормативных режимов, а так же выработки рекомендаций по их устранению. Модуль особенно полезен при сборе данных непосредственно на объекте. На рис. 9 и рис. 10 приведены примеры результатов работы модуля.

Рис. 9. Сравнение фактических параметров с нормативными

[$| СКУТЕР - Рекомендации :: Диана: Отопление 20Ё

И О 27.02.2007-27.03.2007

№ п/п Дефект Рекомендации

1 Завышение расхода Снизить М1 до величины 6.300 тн/ч. Следить, чтобы Цот было достаточным. Проверить баланс расходов ({1е11аМ < +-4% для закрытых систем}.

2 Отрицательная разность расходов 1) Расходомеры перепутаны местами. 2) Переток из другой системы. 3) При отсутствии теплоснабжения отключать расходомеры.

Рис. 10. Рекомендации

«Диаграммы». Модуль предназначен для интегральной оценки режимов теплопотребления совокупности объектов-потребителей тепла, выбранных пользователем с помощью модуля «Конфигуратор». Функциональные возможности модуля упорядочены по следующим группам показателей: энергетическая эффективность;

экономическая эффективность; поведенческие дефекты.

В части анализа экономической эффективности пользователю предоставляется возможность сопоставить нормативное (расчетное) теплопотребление с измеренным, оценить экономический эффект приборного учета (в Гкал. и %) для каждого объекта из группы, для всех объектов по месяцам, для всех объектов за весь анализируемый интервал времени; определить экономические потери, связанные с перетопами; получить пространственную картину экономической эффективности, позволяющей интегрально оценить (в абсолютных и относительных единицах) вклад каждого объекта в общий экономический эффект и т.д.

В части анализа энергетической эффективности пользователь может определить численные значения различных коэффициентов эффективности теплопотребления, выявить все перетопы, сопоставить нормативные и фактические характеристики теплопотребления.

В результате определения и анализа поведенческих дефектов пользователю предоставляются возможности оценки баланса потоков, выявления несанкционированного водозабора, выявление дефицита температуры теплоносителя, завышения температуры обратной воды, определения адекватности теплового и гидравлического режимов.

На рис. 11-14 приведены примеры работы модуля «Диаграммы».

Рис.11. Тепловая энергия

Рис.12. Баланс потоков в закрытой системе

Рис.13. Соответствие теплового и гидравлического режимов

Рис.14. Интегральная оценка экономической эффективности приборного учета

«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 прогнозиро-

вать их дальнейшие изменения. Результаты анализа впоследствии могут быть использованы для составления прогнозов, оценки качества технологического процесса и решения задач диагностики измерительного оборудования. На рис.15 показан визуальный интерфейс программного модуля.

Модуль поддерживает два режима работы: простая регрессия; множественная регрессия.

Простая регрессия предполагает построение 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, линия тренда и значение критерия достоверности аппроксимации Я-квадрат.

Множественная регрессия позволяет формировать модели, отображающие фактическую зависимость одного параметра от нескольких других. Получаемые модели - эталонные зависимости, определенные по заведомо «правильной» информации, в дальнейшем используются для решения задач диагностирования физических и поведенческих дефектов объектов.

Щ

График Вид Расцветка Модули Справка

р У ? *?

| V. [КУРС: Температура воды в подающем трубопроводе^ Трубоггров *|

В Зависимость (П) от (Та) | Ц У = -0.5784 X +62.7296. 1*-к в а драт = 0.8543

3

78.873.1

67.561.956.3-

-35Я -27^2 ^55 ЙТ7 Й\8 ^9 ОЛ ЗЯ 7Я Ш||

Нажмите П для вызова справочной системы 101.01.0G-12.04.06 |100000 | [б

Рис. 15. Зависимость температуры в подающем трубопроводе теплосети от температуры наружного воздуха

«Конфигуратор». Модуль предназначен для ввода данных по объектам в статическую БД, а именно:

наименование, адрес, имена и телефоны.

информация о приборах, установленных на объектах (типы, описания интеграторов, схемы подключения; описание расходомеров - тип, диаметр, динамический диапазон измерений);

проектные значения измеряемых и вычисляемых параметров;

температурный график объекта;

классификация объекта по категориям (ведомственная, административная, географическая принадлежность; источник теплоты; ответственный по обслуживанию; тип сбора данных, тип измерительного оборудования и др.).

В настоящее время описанная выше платформа используется при проектировании информационно-аналитических систем мониторинга и анализа следующих котельной ООО «Теплоэнерго», г. Большой Камень, и системы теплопотребления ОАО «Радиоприбор», г. Владивосток (15 тепловых узлов).

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. -№1. -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 в промышленности, 200 6. -№7. - С. 4-9.

^СКУТЕР :: Зависимости - Арсеньев: Котельная К.УРС