Управление системой теплоснабжения. С применением современного оборудования автоматизации

В. Г. Семенов, главный редактор, «Новости теплоснабжения»

Понятие системы

Все привыкли к выражениям «система теплоснабжения» , «система управления» , «автоматизированные системы управления» . Одно из простейших определений любой системы: множество связанных действующих элементов. Более сложное определение дает академик П. К. Анохин: «Системой моно назвать только такой комплекс избирательно - вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие приобретает характер взаимосодействия на получение фокусированного полезного результата» . Получение такого результата является целью системы, а цель формируется на основе потребности. В рыночной экономике технические системы, а также системы управления ими формируются на основе спроса, т. е. потребности, за удовлетворение которой кто - то готов платить.

Технические системы теплоснабжения состоят из элементов (ТЭЦ, котельные, сети, аварийные службы и т. д.), имеющих весьма жесткие технологические связи. «Внешней средой» для технической системы теплоснабжения являются потребители разных типов; газовые, электрические, водопроводные сети; погода; новые застройщики и т. д. Они обмениваются энергией, веществом и информацией.

Любая система существует в пределах каких - то ограничений, налагаемых, как правило, покупателями или уполномоченными органами. Это требования качества теплоснабжения, экологии, безопасности труда, ценовые ограничения.

Существуют активные системы, способные противостоять негативным воздействиям окружающей среды (неквалифицированным действиям администраций разных уровней, конкуренции других проектов...), и пассивные, у которых это свойство отсутствует.

Системы оперативного технического управления теплоснабжением относятся к типовым человеко - машинным системам, не являются очень сложными и достаточно легко автоматизируются. Фактически они являются подсистемами системы более высокого уровня - управления теплоснабжением на какой - то ограниченной территории.

Системы управления

Управлением называется процесс целенаправленного воздействия на систему, обеспечивающий повышение ее организованности, достижение того или иного полезного эффекта. Любая система управления разделяется на управляющую и управляемую подсистемы. Связь от управляющей подсистемы к управляемой называется прямой связью. Такая связь существует всегда. Противоположная по направлению связь называется обратной. Понятие обратной связи является фундаментальным в технике, природе и обществе. Считается, что управление без сильных обратных связей не эффективно, т. к. не обладает способностью к самовыявлению ошибок, формулировке проблем, не позволяет использовать возможности саморегулирования системы, а также опыт и знания специалистов.

С. А. Оптнер считает даже, что управление есть цель обратной связи. «Обратная связь воздействует на систему. Воздействие есть средство изменения существующего состояния системы путем возбуждения силы, позволяющей это сделать» .

В правильно организованной системе отклонение ее параметров от нормы либо отклонение от правильного направления развития перерастает в обратную связь и инициирует процесс управления. «Само отклонение от нормы служит стимулом возвращения к норме» (П. К. Анохин). Очень важно также, чтобы собственная цель управляющей системы не противоречила цели управляемой системы, т. е. той цели, для которой она создана. Принято считать, что требование «вышестоящей» организации безусловно для «нижестоящей» и автоматически трансформируется в цель для нее. Это иногда может привести к подмене цели.

Правильная цель управляющей системы - выработка управляющих воздействий на основе анализа информации об отклонениях или, другими словами, решение проблем.

Проблема есть ситуация несоответствия желаемого и существующего. Мозг человека устроен так, что мыслить в каком - то направлении человек начинает только тогда, когда выявляется проблема. Поэтому правильное определение проблемы предопределяет правильное управленческое решение. Выделяют две категории проблем: стабилизации и развития.

Проблемами стабилизации называют такие, решение которых направлено на предотвращение, устранение или компенсацию возмущений, нарушающих текущую деятельность системы. На уровне предприятия, региона или отрасли решение этих проблем обозначают термином управление производством.

Проблемами развития и совершенствования систем называют такие, решение которых направлено на повышение эффективности функционирования за счет изменения характеристик объекта управления или системы управления.

С точки зрения системного подхода проблема есть разница между существующей и желаемой системой. Система, заполняющая промежуток между ними, является объектом конструирования и называется решением проблемы.

Анализ существующих систем управления теплоснабжением

Системный подход - это подход к исследованию объекта (проблемы, процесса) как к системе, в которой выделены элементы, внутренние связи и связи с окружающей средой, влияющие на результаты функционирования, а цели каждого из элементов определены исходя из общего предназначения системы.

Цель создания любой централизованной системы теплоснабжения - обеспечение качественного, надежного теплоснабжения за минимальную цену. Эта цель, устраивающая потребителей, граждан, администрацию и политиков. Такая же цель должна быть и у системы управления теплоснабжением.

Сегодня существует 2 основных типа систем управления теплоснабжением:

1) администрация муниципального образования или региона и подчиненные ей руководители государственных теплоснабжающих предприятий;

2) руководящие органы немуниципальных теплоснабжающих предприятий.

Рис. 1. Обобщенная схема существующей системы управления теплоснабжением.

Обобщенная схема системы управления теплоснабжением представлены на рис. 1. В ней представлены только те структуры (окружающая среда), которые реально могут осуществлять воздействие на управляющие системы:

Увеличить или уменьшить доходы;

Заставить пойти на дополнительные расходы;

Сменить руководство предприятий.

Для реального анализа мы должны исходить из предпосылки, что выполняется только то, за что платят или могут уволить, а не то, что декларируется. Государство

Законодательство, регулирующее деятельность предприятий по теплоснабжению, практически отсутствует. Не прописаны даже процедуры государственного регулирования локальных естественных монополий в теплоснабжении.

Теплоснабжение - основная проблема при реформах ЖКХ и РАО «ЕЭС России» , она не может быть решена отдельно ни в одной, ни в другой, поэтому практически не рассматривается, хотя именно через теплоснабжение эти реформы должны были бы быть взаимоувязаны. Нет даже утвержденной правительством концепции развития теплоснабжения страны, не говоря уж о реальной программе действий.

Качество теплоснабжения федеральные органы управления никак не регулируют, нет даже нормативных документов, определяющих критерии качества. Надежность теплоснабжения регулируется только через технические надзорные органы. Но т. к. взаимодействие между ними и тарифными органами ни в одном нормативном документе не прописано, оно часто отсутствует. У предприятий же имеется возможность не выполнять любые предписания, обосновывая это отсутствием финансирования.

Технический надзор по существующим нормативным документам сводится к контролю отдельных технических узлов, причем тех, по которым существует больше правил. Система во взаимодействии всех ее элементов не рассматривается, не выявляются мероприятия, дающие наибольший общесистемный эффект.

Стоимость теплоснабжения регулируется только формально. Тарифное законодательство настолько общее, что практически все отдано на усмотрение федеральной и в большей степени региональных энергетических комиссий. Нормативы теплопотребления регулируются только для новых зданий. В государственных программах энергосбережения раздел по теплоснабжению практически отсутствует.

В итоге роль государства отвелась к взиманию налогов и, через надзорные органы, информации местных органов власти о недостатках, существующих в теплоснабжении.

За работу естественных монополий, за функционирование отраслей, обеспечивающих возможность существования нации, отвечает перед парламентом исполнительная власть. Проблема не в том, что федеральные органы функционируют неудовлетворительно, а в том, что в структуре федеральных органов фактически нет структуры, от

Особенностями теплоснабжения являются жесткое взаимовлияние режимов теплоснабжения и теплопотребления, а также множественность точек поставки нескольких товаров (тепловая энергия, мощность, теплоноситель, горячая вода). Цель теплоснабжения, не обеспечение генерации и транспорта, а поддержание качества названных товаров для каждого потребителя.

Эта цель достигалась относительно эффективно при стабильных расходах теплоносителя во всех элементах системы. Применяемое у нас “качественное” регулирование по самой своей сути подразумевает изменение только температуры теплоносителя. Появление зданий с регулируемым потреблением обеспечило непредсказуемость гидравлических режимов в сетях при сохранении постоянства расходов в самих зданиях. Жалобы в соседних домах пришлось ликвидировать завышенной циркуляцией и соответствующими массовыми перетопами.

Применяемые сегодня гидравлические расчетные модели, не смотря на их периодическую калибровку, не могут обеспечить учет отклонений расходов на вводах зданий из-за изменения внутренних тепловыделений и потребления горячей воды, а также влияния солнца, ветра и дождя. При фактическом качественно-количественном регулировании, необходимо “видеть” систему в реальном времени и обеспечить:

• контроль максимального количества точек поставки;
• сведение текущих балансов отпуска, потерь и потребления;
• управляющее воздействие при недопустимом нарушении режимов.

Управление должно быть максимально автоматизированным, иначе его просто невозможно реализовать. Задача состояла в том, чтобы добиться этого без чрезмерных затрат на оборудование контрольных точек.

Сегодня, когда в большом количестве зданий имеются измерительные системы с расходомерами, датчиками температуры и давления, использовать их только для финансовых расчетов неразумно. АСУ «Тепло» построена, в основном, на обобщении и анализе информации «от потребителя».

При создании АСУ были преодолены типовые проблемы устаревших систем:

• зависимость от корректности вычислений приборов учета и достоверности данных в неповеряемых архивах;
• невозможность сведения оперативных балансов из-за нестыковок времени измерений;
• невозможность контроля быстроменяющихся процессов;
• несоответствие новым требованиям информационной безопасности федерального закона «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации».

Эффекты от внедрения системы:

Службы по работе с потребителями:

• определение реальных балансов по всем видам товаров и коммерческих потерь:
• определение возможных забалансовых доходов;
• контроль фактического потребления мощности и соответствия ее ТУ на подключение;
• введение ограничений соответствующих уровню платежей;
• переход на двухставочный тариф;
• контроль КПЭ для всех служб, работающих с потребителями, и оценка качества их работы.

Эксплуатация:

• определение технологических потерь и балансов в тепловых сетях;
• диспетчерское и аварийное управление по фактическим режимам;
• поддержание оптимальных температурных графиков;
• контроль состояния сетей;
• наладка режимов теплоснабжения;
• контроль отключений и нарушений режимов.

Развитие и инвестиции:

• достоверная оценка результатов внедрения проектов улучшений;
• оценка эффектов инвестиционных затрат;
• разработка схем теплоснабжения в реальных электронных моделях;
• оптимизация диаметров и конфигурации сети;
• снижение затрат на подключение при учете реальных резервов пропускной способности и энергосбережения у потребителей;
• планирование ремонтов
• организация совместной работы ТЭЦ и котельных.

Статья 18. Распределение тепловой нагрузки и управление системами теплоснабжения

1. Распределение тепловой нагрузки потребителей тепловой энергии в системе теплоснабжения между , поставляющими тепловую энергию в данной системе теплоснабжения, осуществляется органом, уполномоченным в соответствии с настоящим Федеральным законом на утверждение схемы теплоснабжения , путем внесения ежегодно изменений в схему теплоснабжения.

2. Для распределения тепловой нагрузки потребителей тепловой энергии все теплоснабжающие организации, владеющие источниками тепловой энергии в данной системе теплоснабжения, обязаны представить в орган, уполномоченный в соответствии с настоящим Федеральным законом на утверждение схемы теплоснабжения, заявку, содержащую сведения:

1) о количестве тепловой энергии, которую теплоснабжающая организация обязуется поставлять потребителям и теплоснабжающим организациям в данной системе теплоснабжения;

2) об объеме мощности источников тепловой энергии, которую теплоснабжающая организация обязуется поддерживать;

3) о действующих тарифах в сфере теплоснабжения и прогнозных удельных переменных расходах на производство тепловой энергии, теплоносителя и поддержание мощности.

3. В схеме теплоснабжения должны быть определены условия, при наличии которых существует возможность поставок тепловой энергии потребителям от различных источников тепловой энергии при сохранении надежности теплоснабжения . При наличии таких условий распределение тепловой нагрузки между источниками тепловой энергии осуществляется на конкурсной основе в соответствии с критерием минимальных удельных переменных расходов на производство тепловой энергии источниками тепловой энергии, определяемыми в порядке, установленном основами ценообразования в сфере теплоснабжения, утвержденными Правительством Российской Федерации, на основании заявок организаций, владеющих источниками тепловой энергии, и нормативов, учитываемых при регулировании тарифов в области теплоснабжения на соответствующий период регулирования.

4. Если теплоснабжающая организация не согласна с распределением тепловой нагрузки, осуществленным в схеме теплоснабжения, она вправе обжаловать решение о таком распределении, принятое органом, уполномоченным в соответствии с настоящим Федеральным законом на утверждение схемы теплоснабжения, в уполномоченный Правительством Российской Федерации федеральный орган исполнительной власти.

5. Теплоснабжающие организации и теплосетевые организации, осуществляющие свою деятельность в одной системе теплоснабжения, ежегодно до начала отопительного периода обязаны заключать между собой соглашение об управлении системой теплоснабжения в соответствии с правилами организации теплоснабжения, утвержденными Правительством Российской Федерации.

6. Предметом указанного в части 5 настоящей статьи соглашения является порядок взаимных действий по обеспечению функционирования системы теплоснабжения в соответствии с требованиями настоящего Федерального закона. Обязательными условиями указанного соглашения являются:

1) определение соподчиненности диспетчерских служб теплоснабжающих организаций и теплосетевых организаций, порядок их взаимодействия;

3) порядок обеспечения доступа сторон соглашения или, по взаимной договоренности сторон соглашения, другой организации к тепловым сетям для осуществления наладки тепловых сетей и регулирования работы системы теплоснабжения;

4) порядок взаимодействия теплоснабжающих организаций и теплосетевых организаций в чрезвычайных ситуациях и аварийных ситуациях.

7. В случае, если теплоснабжающие организации и теплосетевые организации не заключили указанное в настоящей статье соглашение, порядок управления системой теплоснабжения определяется соглашением, заключенным на предыдущий отопительный период, а если такое соглашение не заключалось ранее, указанный порядок устанавливается органом, уполномоченным в соответствии с настоящим Федеральным законом на утверждение схемы теплоснабжения.

Статья посвящена применению SCADA-системы Trace Mode для оперативно-дистанционного управления объектами централизованного теплоснабжения города. Объект, на котором был реализован описываемый проект, находится на юге Архангельской области (город Вельск). Проект предусматривает оперативное наблюдение и управление процессом подготовки и распределения тепла для отопления и снабжения горячей водой объектов жизнедеятельности города.

ЗАО «СпецТеплоСтрой», г. Ярославль

Постановка задачи и необходимые функции системы

Цель, которая стояла перед нашей компанией — построить магистральную сеть для теплоснабжения большей части города, используя передовые методы строительства, где были использованы предызолированные трубы для строительства сети. Для этого было построено пятнадцать километров магистральных тепловых сетей и семь центральных тепловых пунктов (ЦТП). Назначение ЦТП - используя перегретую воду с ГТ-ТЭЦ (по графику 130/70 °С), готовит теплоноситель для внутриквартальных тепловых сетей (по графику 95/70 °С) и подогревает воду до 60 °С для нужд ГВС (горячего водоснабжения), ЦТП работает по независимой, закрытой схеме.

При постановке задачи учитывались многие требования, обеспечивающие энергосберегающий принцип работы ЦТП. Вот некоторые особо важные из них:

Осуществлять погодозависимое управление системой отопления;

Поддерживать на заданном уровне параметры ГВС (температура t, давление P, расход G);

Поддерживать на заданном уровне параметры теплоносителя для отопления (температура t, давление P, расход G);

Организовать коммерческий учет тепловой энергии и теплоносителя в соответствии с действующими нормативными документами (НД);

Обеспечить АВР (автоматический ввод резерва) насосов (сетевых и ГВС) с выравниванием моторесурса;

Производить коррекцию основных параметров по календарю и по часам реального времени;

Производить периодическую передачу данных в диспетчерский пункт;

Производить диагностику средств измерения и работающего оборудования;

Отсутствие дежурного персонала на ЦТП;

Отслеживать и оперативно сообщать обслуживающему персоналу о возникновении нештатных ситуаций.

В результате этих требований были определены функции создаваемой системы оперативно-дистанционного управления. Были выбраны основные и вспомогательные средства автоматизации и передачи данных. Произведен выбор SCADA-системы для обеспечения работоспособности системы в целом.

Необходимые и достаточные функции системы:

1_Информационные функции:

Измерение и контроль технологических параметров;

Сигнализация и регистрация отклонений параметров от установленных границ;

Формирование и выдача оперативных данных персоналу;

Архивирование и просмотр истории параметров.

2_Управляющие функции:

Автоматическое регулирование важных параметров процесса;

Дистанционное управление периферийными устройствами (насосами);

Технологические защиты и блокировки.

3_Сервисные функции:

Самодиагностика программно-технического комплекса в реальном времени;

Передача данных на диспетчерский пункт по расписанию, по запросу и по возникновению нештатной ситуации;

Тестирование работоспособности и правильности функционирования вычислительных устройств и каналов ввода/вывода.

Что повлияло на выбор средств автоматизации

и программного обеспечения?

Выбор основных средств автоматизации происходил в основном по трем факторам - это цена, надежность и универсальность настройки и программирования. Так, для самостоятельной работы в ЦТП и для передачи данных были выбраны свободно-программируемые контроллеры серии PCD2-PCD3 фирмы Saia-Burgess. Для создания диспетчерского места была выбрана отечественная SCADA-система Trace Mode 6. Для передачи данных принято решение использовать обычную сотовую связь: использовать обычный голосовой канал для передачи данных и SMS-сообщения для оперативного извещения персонала о возникновении нештатных ситуаций.

Каков принцип работы системы

и особенности реализации управления в Trace Mode?

Как и во многих подобных системах, управленческие функции для непосредственного воздействия на регулирующие механизмы отдаются на нижний уровень, а уже управление всей системой в целом - на верхний. Описание работы нижнего уровня (контроллеров) и процесса передачи данных я сознательно опускаю и перейду сразу на описание верхнего.

Для удобства использования диспетчерское место оснащено персональным компьютером (ПК) с двумя мониторами. Данные со всех пунктов стекаются на диспетчерский контроллер и через интерфейс RS-232 передаются в OPC-сервер, работающий на ПК. Проект реализован в Trace Mode версии 6 и рассчитан на 2048 каналов. Это первый этап внедрения описываемой системы.

Особенностью реализации поставленной задачи в Trace Mode является попытка создания многооконного интерфейса с возможностью наблюдения за процессом теплоснабжения в режиме on-line, как на схеме города, так и на мнемосхемах тепловых пунктов. Использование многооконного интерфейса позволяет решить проблемы вывода большого количества информации на дисплей диспетчера, которая должна быть достаточна и в то же время неизбыточна. Принцип многооконного интерфейса позволяет иметь доступ к любым параметрам процесса в соответствии с иерархической структурой окон. А также упрощается внедрение системы на объекте, так как такой интерфейс по внешнему виду весьма похож на широко распространенные продукты семейства Microsoft и имеет схожее оборудование меню и панелей инструментов, знакомых любому пользователю персонального компьютера.

На рис. 1 представлен главный экран системы. На нем схематично отображена магистральная теплосеть с указанием источника тепла (ТЭЦ) и центральных тепловых пунктов (с первого по седьмой). На экран выведена информация о возникновении нештатных ситуаций на объектах, текущая наружная температура воздуха, дата и время последней передачи данных с каждого пункта. Объекты теплоснабжения снабжены всплывающими подсказками. При возникновении нештатной ситуации - объект на схеме начинает «мигать», и появляются запись о событии и красный мигающий индикатор в отчете тревог рядом с датой и временем передачи данных. Имеется возможность просмотра укрупненных тепловых параметров по ЦТП и по всей теплосети в целом. Для этого необходимо отключить показ списка отчета тревог и предупреждений (кнопка «ОТиП»).

Рис. 1. Главный экран системы. Схема расположения объектов теплоснабжения г. Вельска

Переход на мнемосхему теплового пункта возможен двумя способами - необходимо щелкнуть мышкой по значку на схеме города или по кнопке с надписью теплового пункта.

Мнемосхема теплового пункта открывается на втором экране. Это сделано как для удобства наблюдения за конкретной ситуацией на ЦТП, так и для наблюдения за общим состоянием системы. На этих экранах в режиме реального времени визуализируются все контролируемые и регулируемые параметры, в том числе и параметры, которые считываются с теплосчетчиков. Все технологическое оборудование и средства измерения снабжены всплывающими подсказками в соответствии с технической документацией.

Изображение оборудования и средств автоматизации на мнемосхеме максимально приближено к реальному виду.

На следующем уровне многооконного интерфейса осуществляется непосредственное управление процессом теплопередачи, изменение настроек, просмотр характеристик работающего оборудования, наблюдение за параметрами в реальном времени с историей изменений.

На рис. 2 представлен экранный интерфейс для просмотра и управления основными средствами автоматизации (управляющий контроллер и тепловычислитель). На экране управления контроллером имеется возможность изменить телефонные номера для передачи SMS-сообщений, запретить или разрешить передачу аварийных и информационных сообщений, управлять периодичностью и величиной передачи данных, задавать параметры для самодиагностики средств измерения. На экране тепловычислителя можно просматривать все настроечные параметры, изменять доступные настройки и управлять режимом обмена данными с контроллером.

Рис. 2. Управляющие экраны для тепловычислителя «Взлет ТСРВ» и контроллера PCD253

На рис. 3 показаны всплывающие панели для управляющего оборудования (регулирующий клапан и насосные группы). Здесь отображается текущее состояние этого оборудования, сведения об ошибках и некоторые параметры, необходимые для самодиагностики и проверки. Так, для насосов очень важными параметрами являются давление сухого хода, время наработки на отказ и задержка для включения.

Рис. 3. Панель управления группами насосов и регулирующим клапаном

На рис. 4 показаны экраны для наблюдения за параметрами и регулирующими контурами в графическом виде с возможностью просмотра истории изменения. На экран параметров выведены все контролируемые параметры теплового пункта. Они сгруппированы по физическому смыслу (температура, давление, расход, количество тепла, тепловая мощность, освещение). На экран регулирующих контуров выведены все контуры управления параметрами и отображается текущее значение параметра, заданное с учетом зоны нечувствительности, положение клапана и выбранный закон регулирования. Все эти данные на экранах разбиты на страницы, подобно общепринятому оформлению в Windows-приложениях.

Рис. 4. Экраны графического отображения параметров и регулирующих контуров

Все экраны можно перемещать по пространству двух мониторов, одновременно выполняя несколько задач. В режиме реального времени доступны все необходимые параметры для безаварийной работы системы распределения тепла.

Как долго разрабатывалась система, сколько было разработчиков?

Базовая часть системы диспетчеризации и управления в Trace Mode была разработана в течение одного месяца автором этой статьи и запущена в городе Вельске. На рис. представлена фотография с временного диспетчерского помещения, где установлена система и проходит опытная эксплуатация. В настоящий момент силами нашей организации вводится в действие еще один тепловой пункт и аварийный источник тепла. Именно на этих объектах проектируется специальное диспетчерское помещение. После его введения в эксплуатацию в систему будут включены уже все восемь тепловых пунктов.

Рис. 5. Временное рабочее место диспетчера

В процессе эксплуатации АСУ ТП возникают различные замечания и пожелания от диспетчерской службы. Таким образом, постоянно идет процесс обновления системы для улучшения эксплуатационных свойств и удобства работы диспетчера.

Каков эффект от внедрения такой системы управления?

Достоинства и недостатки

В данной статье автор не ставит задачу оценить экономический эффект от внедрения системы управления в цифрах. Однако экономия очевидна из-за сокращения персонала, занятого в обслуживании системы, значительного уменьшения количества аварий. Кроме того, очевиден экологический эффект. А также следует отметить, что внедрение такой системы позволяет оперативно реагировать и устранять ситуации, которые могут привести к непредвиденным последствиям. Срок окупаемости всего комплекса работ (строительство теплотрассы и тепловых пунктов, монтаж и наладка, автоматизация и диспетчеризация) для заказчика составит 5-6 лет.

Можно привести достоинства работающей системы управления:

Наглядность представления информации на графическом изображении объекта;

Что касается анимационных элементов, то они специальным образом добавлялись в проект для улучшения визуального эффекта от просмотра программы.

Перспективы развития системы