Система автоматизированного управления коммунальным комплексом теплофикации

Система автоматизированного управления коммунальным комплексом теплофикации

Реферат

 

Изобретение относится к централизованным компьютеризированным системам теплофикации коммунального хозяйства районного или межгородского уровня. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей автоматизированной системы. Технический результат достигается за счет того, что система на основе двухтрубной теплосети и водопровода при распределении параллельно соединенных теплообменников с соответствующими клапанами и датчиками температуры в пространственно удаленные субкомплексы содержит цифровые каналы оперативной связи и радиостанцию коллективного обслуживания, оснащенную радиомодемом. Каждый субкомплекс содержит датчики давления и расхода воды, дополнительные датчики температуры воды и воздуха, дискретные датчики тревожной сигнализации, блок управления вспомогательными насосами и снабжен локальной радиостанцией, оснащенной радиомодемом, сигнальным процессором, мультиплексным и демультиплексным согласующими устройствами. Состав и связи системы инварианты к конкретному выполнению субкомплексов. Рассмотрен пример функционирования системы на основе типичного выполнения субкомплекса, содержащего по меньшей мере один контур горячего водоснабжения и один контур водяного отопления. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к системам авторегулирования температуры воды, используемой в коммунальном хозяйстве для горячего водоснабжения и водяного отопления, и может найти применение преимущественно в централизованных компьютеризированных системах теплофикации районного, городского или межгородского уровня.

Современный технический уровень развития централизованных систем теплофикации основан на использовании [1] в контурах автоматизированного управления элементов процессорной техники, датчиков параметров воды и электрифицированных исполнительных приводов. Это позволяет непрерывно оптимизировать процессы достижения и поддержания требуемого теплового равновесия в водяных системах теплообменников и теплопотребителей, реализовать весьма сложные последовательности операций вывода на заданный режим и вывода из него технологического оборудования. Основными системообразующими признаками для состава и соединений электрических цепей является конфигурация контура водоиспользования, вид и количество теплообменников.

Известна [2] система автоматизированного теплоподогрева воды на основе двухтрубной теплосети, а также множества параллельно включенных водо-водяных теплообменников (подогревателей), содержащая контроллер управления, датчики температуры нагреваемой воды и электрофицированные клапаны ее расхода в каждом теплообменнике. Изобретение направлено на решение задачи регулирования потока воды через раздельные теплообменники в соответствии с требованиями к общей тепловой нагрузке.

Недостатком системы [2] является неэкономичность, связанная с расходом нагревающей воды, и обусловленная этим обстоятельством низкая производительность. Подобные свойства системы [2] ограничивают ее область использования в коммунальных комплексах тепловодоснабжения.

Известна более производительная система [3] управления температурным равновесием на основе двухтрубной теплосети и водопровода, а также множества параллельно соединенных водо-водяных теплообменников с соответствующими электрифицированными клапанами расхода воды в каждом из них, содержащая управляющий компьютер, датчики температуры нагревающей и нагреваемой воды и устройства управления клапанами.

Система [3] более экономична по сравнению с аналогом [2] за счет снабжения потребителя нагреваемой водой из водопровода, однако тоже имеет узкую область применения только для решения задачи горячего водоснабжения. Действительно, в ряде стран мира с относительно мягким климатом и коротким холодным периодом, где для отопления обслуживаемых помещений традиционно используют электрические радиаторы, комбинирование их с системой горячего водоснабжения может составить законченную конфигурацию коммунального комплекса теплофикации. Однако в ряде стран мира с более суровыми погодными условиями, например в нашей стране, где для отопления обитаемых помещений традиционно используются водяные радиаторы, коммунальный комплекс теплофикации помимо обеспечения горячего водоснабжения должен нести и сезонную водоотопительную нагрузку. Другим недостатком системы [3] является ориентация ее технического решения на одноместную централизацию множества теплообменников, не учитывающая необходимость в их территориальном рассредоточении в коммунальном комплексе теплофикации с общими теплосетью и водопроводом.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей известной автоматизированной системы [3] путем распределения параллельно соединенных теплообменников с соответствующими электрифицированными клапанами и датчиками температуры воды в пространственно удаленные субкомплексы и введения признаков, дающих способность обеспечить дополнительно сезонную отопительную нагрузку.

Кроме того, расширение функциональных возможностей предлагаемой системы автоматизированного управления коммунальным комплексом теплофикации позволяет обеспечить экономию тепловых, энергетических и материальных ресурсов территориального региона ее применения за счет: повышения качества теплоснабжения на основе автоматического поддержания требуемых технологических параметров в сетях отопления и горячего водоснабжения с учетом суточного графика потребления, сезона и реальных погодных условий; объективного и оперативного учета расхода теплоносителя и холодной воды; прогнозирования и оперативного выявления внештатных и аварийных ситуаций; предотвращения ошибок обслуживающего персонала и сокращения его численности; повышения качества информационного обеспечения технологических и административных служб предприятий тепловых сетей; формирования информационной базы данных состояния и реализации технологического процесса теплоснабжения на объектах предприятий тепловых сетей.

Поставленная цель, т.е. расширение функциональных возможностей системы автоматизированного управления коммунального комплекса теплофикации на основе двухтрубной теплосети и водопровода, а также множества параллельно соединенных водо-водяных теплообменников с соответствующими электрифицированными клапанами расхода воды в каждом из них, содержащей управляющий компьютер, датчики температуры нагревающей и нагреваемой воды и устройства управления клапанами, достигается тем, что при распределении параллельно соединенных теплообменников с соответствующими клапанами и датчиками температуры в пространственно удаленные субкомплексы, система содержит цифровые каналы оперативной связи, радиостанцию коллективного обслуживания, оснащенную радиомодемом, а каждый субкомплекс содержит датчики давления и расхода воды, дополнительные датчики температуры воды и воздуха, дискретные датчики тревожной сигнализации, блок управления вспомогательными насосами и снабжен локальной радиостанцией, оснащенной радиомодемом, сигнальным процессором, мультиплексным и демультиплексным согласующими устройствами, при этом выходы каналов оперативной связи и радиомодем радиостанции коллективного обслуживания подключены к соответствующим портам компьютера, а все датчики температуры, давления, расхода воды и тревожной сигнализации подключены через мультиплексное согласующее устройство к первому информационному порту процессора, у которого второй информационный порт подключен к радиомодему локальной радиостанции, а выводной порт процессора через демультиплексное согласующее устройство - к соответствующим входам устройств управления клапанами и блока управления насосами.

На фиг. 1 изображена структурная схема системы автоматизированного управления коммунальным комплексом теплофикации, а на фиг. 2 - пример структурной организации входящего в нее локального субкомплекса и управления им.

Система фиг. 1 содержит управляющий компьютер 1, цифровые каналы 2 оперативной связи, радиостанцию 3, оснащенную радиомодемом 4, локальный субкомплекс 5, снабженный сигнальным процессором 6, локальной радиостанцией 7 с радиомодемом 4, аналогичным радиомодему 4 радиостанции 3, мультиплексным согласующим устройством 8 и демультиплексным согласующим устройством 9. Локальные субкомплексы 5 пространственно удалены друг от друга, а их количество определяется числом потребителей 10 горячей воды для отопления и водоразбора. На фиг. 1 и 2 двойные линии связей условно соответствуют трубопроводам, а одинарные сплошные линии связей - электрическим цепям. Субкомплексы 5 параллельно подключены к двухтрубной теплосети в составе трубопровода 11 нагревающей (сетевой) воды и трубопровода 12 возвратной воды, а также к водопроводу 13. Радиостанция 3 коллективного обслуживания осуществляет дуплексную связь с каждой из локальных радиостанций 7. Выходной трубопровод 14 субкомплекса 5 соответствует водоразборному выходу разомкнутого контура тепловодоснабжения у потребителя 10, а его трубопроводы 15 и 16 соответствуют абонентским вводам замкнутого контура водяного отопления.

Конкретная конфигурация субкомплекса 5 по составу теплопреобразующего оборудования и по трубопроводным внутренним соединениям может быть многовариантной [4], однако состав признаков и связей в предлагаемой системе является инвариантным к деталям вариантов ее выполнения. Поэтому на фиг. 2 изображен типичный пример выполнения субкомплекса 5, содержащий один разомкнутый контур горячего водоснабжения, образованный группой из m параллельно соединенных водо-водяных теплообменников (водоподогревателей) 17₁ ... 17_m с соответствующими парами электрофицированных клапанов 18₁ ... 18_m, 19₁ ... 19_m регулирования расхода нагреваемой и нагревающей воды, и один замкнутый контур водяного отопления, образованный относительно тепловой нагрузки у потребителя 10 трубопроводами 15, 16 со вспомогательными насосами 20 и параллельно подключенный к теплосети 11, 12. Условное изображение теплообменников 17 на фиг. 2 инвариантно охватывает их возможное как одноступенчатое, так и двухступенчатое выполнение по способам водоподогрева.

Субкомплексы 5 оснащены датчиками 21, 22, 23₁ ... 23_m температуры воды, датчиком 24 температуры воздуха, датчиками 25 ... 30 давления воды и датчиками 31 ... 33 ее расхода. Выбор конкретного выполнения датчиков, их количество и место установки на трубопроводах определяются принятой технологией контроля и регулирования параметров воды в субкомплексах 5, которые могут быть воплощены в виде тепловых подстанций. Кроме того, каждый субкомплекс 5 оснащен группой 34 дискретных датчиков тревожной сигнализации, выполненных в виде переключателей типа "сухой контакт", реле, концевых выключателей, сетевых контакторов или компараторов допускового контроля, однозначно характеризующих внештатное (предаварийное или аварийное) состояние оборудования субкомплекса и наличие на нем сетевого электропитания. Совокупность датчиков температуры, давления, расхода воды и тревожной сигнализации составляют одноименные измерительные каналы контроля параметров в субкомплексе 5 и подключены к соответствующим входам мультиплексного согласующего устройства 8. Аналогичным образом совокупность входов устройств 35₁ ... 35_m, 36₁ ... 36_m управления клапанами 17₁ ... 17_m, 18₁ ... 18_m и устройств 37, 38 управления блокировочными клапанами (задвижками) 39, 40 и вход блока 41 управления насосами 20 образуют одноименные управляющие каналы, подключенные к соответствующим входам демультиплексного согласующего устройства 9. По входам/выходам упомянутых каналов предлагаемая система инвариантна к конкретному воплощению субкомплекса 5. Электропитание последнего является двояким: от промышленной электросети или от накопительного источника бесперебойного питания (на схемах фиг. 1 и 2 не показаны) на интервалы отключения электросети в пределах его емкостного ресурса.

В качестве радиостанций 3 и 7 с радиомодемами 4 может быть использована системно ориентированная радиостанция типа "Заря-А", в качестве управляющего компьютера 1 - промышленный вариант процессора 486, а в качестве сигнального процессора 6 - например, изделие SUCOS PS3 фирмы Knokner-Moeller [5] или его функциональный эквивалент. Структурные составляющие 1 ... 4 схемы фиг. 1 размещаются на центральном диспетчерском пункте, при этом цифровые каналы оперативной связи могут быть выполнены в виде функциональной клавиатуры и/или оконечных шифраторов (кодеров) от линий телефонной связи, от автоматизированных рабочих мест оператора-технолога, технических, диспетчерских, аварийных и директивных служб предприятия теплосетей.

Предлагаемая система автоматизированного управления коммунальным комплексом теплофикации функционирует следующим образом.

Каждая радиостанция системы имеет индивидуальный цифровой радиопозывной, после приема и дешифрации которого она начинает передачу через свой радиомодем принимаемых цифровых данных в компьютер 1 для радиостанции 3 и в процессор 6 - для радиостанции 7. Для функционирования системы предусмотрено 2 основных режима: установочный и контрольный. В установочном режиме радиостанции 3 вслед за радиопозывным радиостанции 7 соответствующего субкомплекса 5 передает цифровой пароль установочного режима и группу цифровых инструкций соответствующему компьютеру 6. В этом режиме между радиостанцией 3 и радиостанциями 7 происходит последовательный обегающий радиообмен. В контрольном режиме радиостанция 3 вслед за радиопозывным радиостанции 7 соответствующего субкомплекса 5 передает цифровой пароль контрольного режима и затем в течение временной паузы, занятой в установочном режиме цифровыми инструкциями, принимает на свой радиопозывной возвратные цифровые данные из этого субкомплекса. Оба вида пароля являются общими для всех радиостанций 7, входящих в систему. В контрольном режиме между радиостанцией 3 и радиостанциями 7 также идет последовательный обегающий радиообмен.

При нормативном функционировании комплекса теплофикации установочный режим происходит в расчетное время не более четырех раз в сутки. При наличии сигналов тревожной сигнализации в информации субкомплексов 5 или в каналах 2 оперативной связи происходит экстренное наступление установочного режима. Контрольный режим осуществляется интенсивно в состоянии постоянного дежурного радиообмена через относительно малые периоды контроля (несколько минут).

Вначале рассмотрим взаимодействие составляющих частей системы при нормативном функционировании.

Компьютер 1 в соответствии с сезонно-суточным графиком потребления горячей воды, прогнозом погоды и данными о параметрах воды, отдаваемой ТЭЦ в теплосеть, рассчитывает текущие нормы уставок на температуру воды на каждом субкомплексе 5, затем в расчетное время установочного радиосеанса транслирует эти нормы через радиомодем 4 и радиостанцию 3 на радиопозывной первого локального субкомплекса 5. При этом компьютер 1 использует часть исходной информации из каналов 2 оперативной связи. Радиостанция 7 первого субкомплекса 5 через свой радиомодем 4 вводит нормы уставок в сигнальный процессор 6, который на основе текущей информации вычисляет такую совокупность управляющих сигналов для клапанов и насосов, при которой может быть достигнут режим теплового равновесия с допустимыми уровнями давлений и расходов воды в соответствующих трубопроводах. Упомянутые управляющие сигналы через демультиплексирующее согласующее устройство 9 распределяются на входы соответствующих каналов управления в данном субкомплексе 5 и стремятся уравнять в нем производительность теплообменником 17₁ ... 17_m. При открытых клапанах 39, 40 насосы 20, подмешивающие воду из обратного трубопровода в трубопровод 15 питания отопительной нагрузки нагревающей водой (+150^oC), не только создают в ней требуемый температурный режим (+60^o ... +70^oC) и допустимый режим по перепаду давлений, но и устраняют опасные временные гидравлические перегрузки в тепловой сети при отработке текущих отклонений температуры от заданных уставок. Однако работа насосов 20 вызывает также и сопутствующее противодавление возвратной воды в рубашках теплообменников 17₁ ... 17_m, смещает их температурный режим и приводит к необходимому автоматическому дорегулированию группы клапанов 18 - 19. После установления общего равновесия по температуре и давлению в контурах горячего водоснабжения и водяного отопления сигнальный процессор фиксирует данные для передачи в последующем контрольном режиме. Таким образом, совместное регулирование водных потоков в контурах отопления и горячего водоснабжения значительно сложнее, чем процессы установления теплового равновесия, протекающие в известной системе-прототипе [3], и требует для своего осуществления расширенного состава датчиков, согласующих устройств и исполнительных устройств в сочетании с радиоуправлением при пространственном рассредоточении субкомплексов 5 вдоль водотранспортировочных трасс 11 ... 13.

Затем в последующее расчетное время радиосеанса осуществляется установочный режим во втором субкомплексе 5 и т.д.

В контрольном режиме радиостанция 3 передает радиопозывной соответствующего субкомплекса 5 и пароль контрольного режима, после чего ожидает на свой радиопозывной передачу данных о состоянии данного субкомплекса. Здесь его сигнальный процессор 6 через канал "радиомодем/радиостанция 4/7 - радиостанция/радиомодем 3/4" информирует компьютер 1 о параметрах достигнутого режима статического установления по данным датчиков расхода и давления 928 - 33) на вводных трубопроводах данного субкомплекса. Эти сведения регистрируются, снабжаются временной меткой и служат текущей информацией для диспетчеризации, возможных режимных коррекций через установочный режим или расчета коммерческих параметров горячего водоиспользования во всем комплексе. При нормативном функционировании комплекса информация о состоянии датчиков 21 - 23 и 34 компьютеру 1 не передается и соответствующий временной интервал в кадре радиосообщения радиостанции 7 остается незаполненным.

В то же время, например, при срабатывании одного или нескольких датчиков 34 тревожной сигнализации процессор 6 осуществляет доступное оперативное регулирование для снижения (снятия) нагрузочного режима с соответствующего оборудования субкомплекса, рассчитывает возможность перераспределения нагрузки (или снижения ее нормы) на исправное оборудование и вводит в состав информационного кадра информацию о показаниях всех датчиков 34 и 21 - 23. После получения полной информации от датчиков компьютер 1 с учетом информации из каналов 2 связи анализирует общую ситуацию в комплексе и вырабатывает управленческое решение (новые нормы уставок и/или шифрованную директиву на режимные изменения для отдельных составных частей субкомплекса, создающих сигналы тревоги). Оно транслируется в данный субкомплекс с паролем установочного режима в нерасчетное время и исполняется под управлением его процессора 9 до прибытия ремонтной службы.

Другим примером оперативного взаимодействия по радиоканалу может служить отключение сетевого электропитания на работающем субкомплексе 5. При этом все электрические устройства этого субкомплекса автоматически переходят на обслуживание от резервного источника бесперебойного питания (например, от аккумуляторной батареи), срабатывает соответствующий датчик тревожной сигнализации и в радиосеансе контрольного режима сообщение об этом поступает в компьютер 1. Фиксируется время поступления сообщения, начиная с которого в течение определенной продолжительности по каналам 2 оперативной связи (например, по телефонной линии) должен быть установлен прогноз на длительность отключения. Транслируемое на субкомплекс 5 последующее управленческое решение предписывает либо ожидание включения электросети, либо снятие субкомплекса с тепловой нагрузки за остаток времени, определяемый емкостью резервного источника питания, когда предписывается конечное перекрытие всех клапанов и останов насосов 20.

Во всех случаях снятия с нагрузки технологического оборудования комплекса сигнальный процессор 6 вырабатывает необходимую для этого временную последовательность управляющих сигналов (циклограмму отключения), при которой во взаимосвязанных контурах отопления и горячего водоснабжения не происходят опасные перенапряжения по температуре и давлению. Включение технологического оборудования, по аналогии, также происходит по соответствующей временной последовательности управляющих сигналов (циклограмме включения) тоже под контролем процессора 6.

Формула изобретения

Система автоматизированного управления коммунальным комплексом теплофикации на основе двухтрубной теплосети и водопровода, а также множества параллельно соединенных водо-водяных теплообменников с соответствующими электрифицированными клапанами расхода воды в каждом из них, содержащая управляющий компьютер, датчики температуры нагревающей и нагреваемой воды и устройства управления клапанами, отличающаяся тем, что при распределении параллельно соединенных теплообменников с соответствующими клапанами и датчиками температуры в пространственно удаленные субкомплексы, она содержит цифровые каналы оперативной связи, радиостанцию коллективного обслуживания, оснащенную радиомодемом, а каждый субкомплекс содержит датчики давления и расхода воды, дополнительные датчики температуры воды и воздуха, дискретные датчики тревожной сигнализации, блок управления вспомогательными насосами и снабжен локальной радиостанцией, оснащенной радиомодемом, сигнальным процессером, мультиплексным и демультиплексным согласующими устройствами, при этом выходы каналов оперативной связи и радиомодем радиостанции коллективного обслуживания подключены к соответствующим портам компьютера, а все датчики температуры, давления, расхода воды и тревожной сигнализации подключены через мультиплексное согласующее устройство к первому информационному порту процессора, у которого второй информационный порт подключен к радиомодему локальной радиостанции, а выводной порт процессора через демультиплексное согласующее устройство - к соответствующим входам устройств управления клапанами и блока управления насосами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2