Информационно-аналитическое обеспечение систем мониторинга, анализа и управления объектами теплоэнергетики

Вестник ДВО РАН. 2016. № 4

УДК 658.26:681.518

Р.С. КУЗНЕЦОВ, В.П. ЧИПУЛИС

Информационно-аналитическое обеспечение систем мониторинга, анализа и управления объектами теплоэнергетики

Рассмотрены проблемы автоматизации технологических процессов и внедрения информационных технологий в теплоэнергетике. Описаны функциональные возможности созданных информационно-аналитических систем. Особое внимание уделяется анализу экономической эффективности потребления тепловой энергии и автоматического регулирования в системах теплоснабжения.

Ключевые слова: теплосчетчик, энергоэффективность, энергосбережение, информационно-аналитическая система, автоматическое управление.

Information and analytical systems for monitoring, analysis and automatic control of energy utilities.

R.S. KUZNETSOV, V.P. CHIPULIS (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok).

The paper deals with problems of process automation and application of information technologies in heat-power engineering. The functionality of some information analysis systems is described. Particular attention is paid to economic efficiency analysis of heat energy consumption and automatic control in heating systems.

Key words: heat meter, energy efficiency, energy savings, information analysis system, automatic control.

Введение

В последние годы, особенно после принятия федерального закона об энергосбережении и повышении энергоэффективности, наблюдается повсеместная установка измерительного оборудования в системах теплоснабжения для обеспечения возможности учета и регулирования вырабатываемых и потребляемых энергоресурсов. В теплоэнергетике наступило время больших перемен, связанных с приходом информационно-аналитического обеспечения с акцентом на современные средства измерений, дистанционный сбор и анализ результатов измерений. В ИАПУ ДВО РАН с 2000 г. совместно с энергосервисными компаниями выполняются работы в рамках поэтапного развития информационно-аналитического центра (ИАЦ) теплоэнергетического комплекса Приморского края. Основная стратегическая задача ИАЦ - интеграция разработок, связанных с внедрением информационных технологий в энергетическом секторе региона. ИАЦ базируется на использовании взаимосвязанного комплекса программных, технических средств и информационного обеспечения и включает:

1) телекоммуникационные средства и системы сбора и дистанционной передачи результатов измерений;

2) информационное обеспечение ИАЦ: средства накопления и ведения баз данных;

*КУЗНЕЦОВ Роман Сергеевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ЧИПУЛИС Валерий Павлович - доктор технических наук, заведующий лабораторией (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: kuznetsov@dvo.ru

3) программные средства мониторинга, оценки технического состояния, анализа ретроспективной информации, оценки эффективности внедряемых в теплоэнергетике технологий и выработки управляющих решений;

4) информационно-аналитический портал в сети Интернет по учету и регулированию энергоресурсов.

Основной интеллектуальной составляющей ИАЦ являются информационно-аналитические системы (ИАС), в которых (в отличие от традиционных информационно-измерительных систем) основной акцент делается на анализе результатов измерений как в реальном времени, так и накапливаемых за значительные периоды времени (месяцы и годы). Создание информационно-аналитических систем ведется с помощью специализированной платформы, разработанной в ИАПУ ДВО РАН. Платформа содержит базу данных, базовый набор программных средств для решения задач анализа и возможность расширения функциональности за счет создания с незначительными временными затратами новых компонентов системы для конкретных приложений.

В качестве примера кратко опишем ряд ИАС, находящихся в промышленной эксплуатации в настоящее время на трех классах объектов: источники тепловой энергии, крупные промышленные предприятия и тепловые пункты абонентов теплоснабжения.

Системы мониторинга и анализа объектов генерации

Постепенно приходит понимание необходимости пополнения и модернизации контрольно-измерительного оборудования на источниках теплоты - ТЭЦ, котельных, бойлерных. В связи с этим прогрессирует процесс установки современных средств измерений на объектах генерации. 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 ИАЦ. Стало реальностью формирование баз данных (БД) результатов измерений. 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-аналитических систем. ИАС источника тепловой энергии является сложным программно-техническим комплексом, она предназначена для сбора, мониторинга и анализа результатов измерений.

Основные функции, выполняемые ИАС для котельных:

• сбор результатов измерений параметров работы котельной в реальном времени;

• мониторинг эксплуатационных режимов;

• контроль значений параметров технологических процессов котельной;

• своевременное выявление нештатных и критических ситуаций, предупреждение аварийных;

• формирование архива результатов измерений параметров;

• формирование и визуализация графиков;

• анализ ретроспективной информации;

• учет выработанной и отпущенной тепловой энергии, а также расходов на собственные нужды;

• подготовка отчетной документации;

• расчет экономических показателей котельной.

Особенность таких систем состоит в использовании широкого спектра промышленных приборов и устройств, объединенных в единую промышленную сеть, что позволяет получить достоверную и своевременную информацию о режимах эксплуатации котельной, о производительности как самой котельной, так и отдельных технологических процессов.

В 2004-2005 гг. была разработана система «АИСТ» для двух котельных г. Арсеньев [3]. Объекты автоматизации - котельная «Курс», работающая на твердом топливе и покрывающая потребности одной трети тепловой нагрузки города, 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. 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. Программные средства для сбора информации с измерительных приборов и оперативного мониторинга технологических процессов разработаны, в соответствии с отечественным и мировым опытом построения подобных систем, с использованием SCADA-системы Trace Mode 5. Создана сеть автоматизированных рабочих мест (АРМ) с требуемым для каждого места набором функциональных возможностей. На рис. 1 показана общая мнемосхема котельной, а на рис. 2 - мнемосхема оператора парового котла.

На базе опыта создания системы «АИСТ» разрабатывается аналогичный проект системы автоматизации котельной N° 1 г. Большой Камень [2]. Первый этап реализации системы завершен в конце 2007 г. На рис. 3 приведена схема промышленной сети системы «АИСТ-БК». АРМ «Диспетчер» выполняет роль сервера сбора данных, поэтому реализовано на базе промышленного компьютера, который обеспечивает повышенную надежность, защищенность от воздействий окружающей среды и непрерывную круглосуточную работу в течение длительного времени. АРМ «Начальник котельной» помимо функций мониторинга позволяет выполнять анализ ретроспективной информации с помощью встроенных средств анализа. Компьютеры системы объединены в локальную сеть, обеспечивающую

24.04.2006 12:58:26

шЛле

ЕД °с ЕЯ К!,ЛМ2 El ^

Котельная КУРС

I ЕЛ °с ИЗ к--**"-'

КТГД

«»«и* I Ш1 гаеЛяИ КОСЯ* NUM0WM4HW.' насосов II ШК1

)МИ кгс/см2

т Д

ГШ II

ВШ Л1М

ИП 1сиА«2 13Л m-W

Сетглые тгпяоо&игнники

к1сЛм2

EES -с I " Ш1

Температура каружног о воздуха

5.7 &с

Ш Ш ЕЗ

'-С кгс/см2 т/час

Из тетюсепш

га ш шш

Ротр НЫ£ ЕЕШ SB

Котельная бойлерная Котлы 1 и 2' Котлы Зи4 Журнал тревог

_2_JLMJ |[ 1 °щ |

ш с га *** 1

Ш ЕИ|"- шп пт к со ее *«Ju3 JJJj <£ % СО ,

выкл. ЗВУК Графики

Рис. 1. Мнемосхема работы котельной

Рис. 2. Мнемосхема работы котла

обмен данными между ними и доступ к общей базе данных. Связь осуществляется по стандарту xDSL высокоскоростной цифровой абонентской линии VDSL, обеспечивающему высокую скорость передачи данных.

Функции мониторинга в системе «АИСТ-БК» реализованы на базе SCADA-системы Trace Mode 6 со встроенными средствами экспресс-анализа данных, разработанными сотрудниками ИАПУ ДВО РАН. Экспресс-анализ данных направлен на своевременное выявление нештатных ситуаций (журнал тревог) и оценку режимов функционирования котельной в целом и технологического оборудования в частности (тренды изменения параметров в режиме реального времени). В режиме ретроспективного анализа система

Рис. 3. Схема промышленной сети системы «АИСТ-БК»

позволяет выполнять визуализацию графиков изменения параметров, формирование таблиц по выбранным параметрам с различным шагом дискретизации по времени; генерацию отчетов по вырабатываемым и расходуемым котельной энергоресурсам. При этом система оперирует не только с измеряемыми и считываемыми из архивов контрольно-измерительных приборов параметрами, но и с другими, имеющими содержательный смысл величинами, произвольно задаваемыми пользователем с помощью функции от измеряемых параметров. Функции анализа реализованы на базе платформы для проектирования и разработки информационно-аналитических систем в теплоэнергетике [6]. Система «АИСТ-БК» интегрирована в ИАЦ теплоэнергетического комплекса Приморского края. В локальной системе «АИСТ-БК» выполняются лишь мониторинг и элементарный анализ результатов измерений с выработкой рекомендаций по нормализации режимов эксплуатации котельной, а более детальный и сложный анализ осуществляется в ИАЦ.

При вводе котельной в эксплуатацию было установлено три котла, которые работали по методу слоевого сжигания твердого топлива. Котельная использует местный низкокалорийный уголь. Поэтому эффективность сгорания была невысокой. В 2009 г. установлены два дополнительных водогрейных котла, № 4 и 5, работающие по технологии высокотемпературного кипящего слоя. Старые котлы также были реконструированы под новый метод сжигания твердого топлива. Это повысило КПД котельной на 20 %. В начале отопительного сезона 2013/14 г. произведена очередная модернизация котельной [5]. Новое котельное оборудование добавлено в систему «АИСТ-БК», и разработаны индивидуальные мнемосхемы для 4, 5 и 6-го котлов (рис. 4). Особое внимание уделено работе воздуховодов, дымососов и датчиков напора для топки, так как они характеризуют действие метода «острого дутья» в кипящем слое для эффективного сжигания топлива. Отображаются температуры дымовых газов в разных частях дымоотвода, состояние электродвигателей дымососов и воздуховодов. Отображаются текущая частота, величина тока, и рассчитывается мощность работы электродвигателей. В связи с наличием избыточного количества

Рис. 4. Мнемосхема технологического процесса

паровых котлов планируется вырабатывать электричество (поначалу на собственные нужды). Для этого в систему введен учет электричества на базе электросчетчиков СЕ303. Разработан программный модуль для формирования отчета о потреблении электрической энергии, предоставляемого главному энергетику. В ближайшем будущем на котельной будут заменяться 3-й паровой и 1-й пароводогрейный котлы вместе со всем измерительным оборудованием и исполнительными механизмами, что потребует дальнейшего развития АСУ ТП.

Системы учета энергии на тепловых пунктах потребителей

В [1] описана рабочая версия ИАС оперативного наблюдения и ретроспективного анализа режимов функционирования потребителей тепловой энергии (СКУТЕР). Система предназначена для широкого круга пользователей - технических специалистов, представителей администрации, финансовых служб, а также используется при проведении научных исследований на базе ИАПУ ДВО РАН. Основное практическое применение системы связано с сервисным обслуживанием тепловых пунктов зданий и установленных на них приборов учета тепловой энергии теплосчетчиков. Теплосчетчики являются первоначальным источником информации для работы ИАС. Они хранят результаты измерений, поступающие с датчиков расхода, температуры и давления, и осуществляют их первичную обработку (в частности вычисление тепловой энергии). Функциональные возможности ИАС ориентированы на решение следующих задач:

• считывание архивов теплосчетчиков по доступным каналам связи;

• своевременное обнаружение нештатных и критических ситуаций;

• экспресс-анализ результатов измерений и выработка рекомендаций для корректировки режимов функционирования тепловых пунктов;

• визуализация результатов измерений на задаваемом пользователем интервале времени (графики, таблицы, отчеты);

• сравнительный анализ фактических и нормативных режимов эксплуатации;

• получение и визуализация интегральных характеристик теплоснабжения для групп объектов - потребителей тепловой энергии, выделяемых по ведомственному, административному, географическому признакам и т.д.;

• формирование зависимостей между измеряемыми и вычисляемыми системой параметрами с учетом реального технического состояния объекта;

• телеуправление режимами теплоснабжения с помощью регуляторов;

• организация защищенного доступа к информации по энергопотреблению с помощью Интернет-портала [8].

На рис. 5 представлена схема системы сервисного обслуживания приборов учета, функционирующая на протяжении 15 отопительных сезонов на базе ИАЦ ИАПУ ДВО РАН во Владивостоке. В 2012 г. выполнены работы по созданию и внедрению муниципальной информационной системы автоматизированного учета и контроля энергоресурсов для администрации г. Артем. В соответствии с техническим заданием на 62 муниципальных объектах и диспетчерском пункте администрации Артемовского округа выполнены следующие работы:

1) установлено оборудование автоматизированной системы на узлах учета тепловой энергии, обеспечены линии связи;

2) организовано рабочее место диспетчера, включая установку специализированного ПО и необходимого оборудования;

3) выполнены пусконаладочные работы в диспетчерском пункте и на узлах учета тепловой энергии.

Локальная ИАС в Артеме выполняет лишь сбор и экспресс-анализ результатов измерений с выработкой рекомендаций по нормализации режимов эксплуатации тепловых узлов.

Рис. 5. Сервисное обслуживание приборов учета

Данные из локальной ИАС-Артем синхронизируются в ИАЦ, где осуществляется более детальный анализ.

Системы для промышленных предприятий

В версиях ИАС для крупных потребителей энергии [7] реализованы, помимо сбора и анализа, функции мониторинга и управления процессами теплоснабжения. Возможности ИАС ориентированы на обеспечение бесперебойного и качественного теплоснабжения, поддержание оптимальных (энергоэффективных) эксплуатационных режимов, а также получение реального экономического эффекта за счет работы систем автоматического регулирования. В 2006 г. начата разработка системы мониторинга и автоматического регулирования теплоснабжения [9] (СМАРТ) завода «Радиоприбор», г. Владивосток. На территории завода находятся здания различного назначения (складские, административные, производственные), они объединены протяженной теплосетью, замыкающейся на узле гидравлической защиты, на котором ведется коммерческий учет. Помимо традиционных задач учета для отдельных тепловых узлов заказчиком были поставлены другие, специфичные для обычного объекта теплоснабжения задачи: мониторинг эксплуатационных режимов в едином диспетчерском пункте; анализ баланса расходов и потребляемой энергии; энергосбережение за счет регулирования и оценка эффективности работы автоматики; количественное регулирование теплоснабжения по заводу в целом. Создана информационная сеть, по которой осуществляется сбор результатов измерений с теплосчетчиков. Организован диспетчерский пункт, на котором установлено серверное оборудование с информационно-аналитической системой «СКУТЕР». С помощью ИАС осуществляется сбор данных, мониторинг теплоснабжения всего завода и отдельных корпусов, хранение накопленной информации, аналитическая обработка и представление результатов анализа в виде графиков, таблиц и отчетов.

Аналогичные задачи мониторинга и анализа решены для абонентов системы теплоснабжения ЗАО УК «Тополиная Аллея» и завода «Дальприбор». Разработанные для них

Рис. 6. Управление погодным регулятором

б

а

в

г

ИАС существенно отличаются от предыдущей в части реализации сбора результатов измерений, поскольку автоматизируемые тепловые узлы территориально удалены друг от друга. Реализованы также функции диспетчеризации и телеуправления процессами регулирования для всех тепловых узлов. Создана программа управления погодным регулятором ECL Comfort [4] (рис. 6), предназначенная для получения и изменения следующей информации:

1. Состояние системы - отображение значений датчиков температур S1, S2, S3, S4, состояния клапана M1 и насоса P1 (рис. 6a).

2. Температурный график - возможность выбора наклона и сдвига кривой графика отопления/ГВС, а также изменения уставок температур для дневного и ночного режимов регулирования (рис. 6б).

3. Коэффициенты ПИД - изменение зоны пропорциональности и постоянной интегрирования регулятора (рис. 6в).

4. Расписание - формирование недельного расписания работы прибора по дневной/ ночной уставкам температур (рис. 6г).

Заключение

ИАЦ теплоэнергетического комплекса имеет хорошие перспективы развития. Учитывая масштабные работы по модернизации существующего технологического и измерительного оборудования, по реконструкции объектов энергетики и по реализации программ энергосбережения, актуальность и практическая значимость ИАЦ для решения сложных задач будет только возрастать. Основной эффект заключается в том, что использование ИАЦ позволяет обеспечить качественно новый уровень управления технологическими процессами выработки и потребления энергоресурсов с использованием

современных информационных технологий. Возможности ИАЦ ориентированы на обеспечение бесперебойного и качественного теплоснабжения, поддержание оптимальных (энергоэффективных) эксплуатационных режимов, а также получение реального экономического эффекта и, как следствие, сдерживание роста тарифов на тепловую энергию и горячую воду.

ЛИТЕРАТУРА

1. Виноградов А.Н., Даниельян С.А., Кузнецов Р.С. Анализ процессов теплопотребления на примере использования информационно-аналитической системы «СКУТЕР» // Промышленные АСУ и контроллеры. М., 2010. № 12. С. 1-6.

2. Виноградов А.Н., Даниельян С.А., Кузнецов Р.С., Раздобудько В.В., Чипулис В.П. Система мониторинга и ретроспективного анализа режимов функционирования котельной // Информационные технологии в проектировании и производстве. М.: ВИМИ, 2011. № 2. С. 43-50.

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. 2006. № 7. С. 4-9.

4. Волошин Е.В. Анализ и разработка программных средств мониторинга и диспетчеризации для регулятора тепловой энергии Danfoss ECL 210/310 // Промышленные АСУ и контроллеры. 2013. № 8. С. 51-57.

5. Волошин Е.В. Система мониторинга и анализа Котельной № 1 города Большой Камень // Промышленные АСУ и контроллеры. 2015. № 2. С. 45-51.

6. Даниельян С.А., Кузнецов Р.С., Раздобудько В.В., Чипулис В.П. Автоматизация проектирования информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество». Пенза: ПГУ, 2008. Т. 1. С. 270-274.

7. Даниельян С.А., Кузнецов Р.С., Раздобудько В.В., Чипулис В.П. Система мониторинга и автоматического регулирования теплоснабжения // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта ^AD/CAM/PDM - 2010): тр. междунар. конф. М.: Ин-т пробл. упр. им. В.А. Трапезникова РАН, 2010. С. 234-237.

8. Раздобудько В.В., Кузнецов Р.С., Чипулис В.П. Информационно-аналитический портал по учету и регулированию энергоресурсов // Управление развитием крупномасштабных систем MLSD'2015: материалы Восьмой Междунар. конф.: в 2 т. М.: Ин-т пробл. упр. им. В.А. Трапезникова РАН, 2015. Т. 2. С. 152-155.

9. Kuznetsov R., Chipulis V. Monitoring and automatic control for heating system of the plant // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2014. Т. 279 LNEE. P. 7-12.