CC BY
27
у + /2 =У + [тЫ + Ы2 ,
а на втором входном полюсе второго волоконно-оптического Y- разветвителя излучение будет с частотой v+fl. При этом разность частот равна
1оэсоре VIэиа1
Д/ = /2- fi = Atb или
Подставляя (4) в (3), получим
Д
b
(5)
L =
Д fc
Oscilloscope Vlsuallzer
Dbl Click On Objects to open properties. Move Objects with Mouse Drag
Time (s)
Рисунок 3 - Результат моделирования оптического смешения излучений
Так, например, принимая максимальное значение охраняемого периметра равным L=100 км., а период изменения частоты акустооптического модулятора (пилообразного напряжения)
Т=2Ln/с=2*100*103*1, 5/3*108=1*10-3 сек. При ^п=0 Гц, fmax=2 0*106Гц, значение Ь будет Ь=20*106/1*10-3=20*109 сек"2.
с/2пЬ=3*108*/2*1, 5*2 0*109=5*10-3 м*сек.
С учетом соотношения (4), номинальная статическая характеристика измерителя будет ЛЬ = 5х 10-3Д/ То есть, измеряя разность частот с погрешностью ±1Гц. точность определения места вторжения (возмущения) составит±ДХ=5 мм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванченко П., Красовский В. Распределенные волоконно-оптические системы для охраны периметра: перспективные технологии // Алгоритм безопасности, № 4, 2003.
2. Введенский Б. Волоконно-оптические сенсоры в системах охраны периметра // Мир и безопасность №4-5, 2006.
3. Ахманов С.А. Физическая оптика: Учебник. 2-еизд./С.А.Ахманов, С.Ю.Никитин.-М.:Изд-во МГУ;Наука,2 004.-656с.-(Классический университетский учебник).
УДК 621.3.083.7 Кузнецов Р.С.
ФГБУН «Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук», Владивосток, Россия
МОНИТОРИНГ И ВЕРИФИКАЦИЯ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЙ С ТЕПЛОВЫХ ПУНКТОВ
Представлен опыт создания и эффективного использования информационно-аналитических систем в теплоэнергетике. Рассмотрены проблемы приборного учета в системах горячего водоснабжения. Разработаны программные средства мониторинга и контроля работы приборов учёта тепловой энергии на основе телеизмерений в режиме реального времени
Ключевые слова:
теплоснабжение, энергосбережение, мониторинг, теплосчетчик, информационно-аналитическая система, телеметрия
Введение
В последнее десятилетие отмечается интенсивный процесс внедрения информационно-измерительных систем в теплоэнергетике. Он обусловлен возможностями современной измерительной базы, позволяющей не только выполнять измерения в полном объеме и с высокой точностью, но и передавать их в центр обработки и хранения данных с помощью разнообразных телекоммуникационных средств. Выполняемые в этом направлении разработки коллектива сотрудников Института автоматики и процессов управления ДВО РАН совместно с инжиниринговой компанией Вира и 1Т-компанией Инфовира отличаются тем, что в них существенный акцент делается на анализ результатов измерений с ориентацией на потребности технических специалистов, представителей администрации и финансовых служб.
Отметим опыт создания следующих законченных и эксплуатируемых в настоящее время информационно-аналитических систем (ИАС). В 2000 году была завершена разработка ИАС «СОНА» [1], используемой при сервис-ном 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. Продолжением работ является поэтапная разработка, связанная с введением в эксплуатацию нового технологического и измерительного оборудования, аналогичной по решаемым задачам ИАС для котельной ООО «Тепло-энерго», г. Большой Камень [4].
Следующий шаг в развитии данного направления связан с разработкой платформы для создания ИАС [5]. 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 2006 году завершена разработка промышленной версии ИАС «СКУТЕР» [6], в значительной степени отвечающей
этому требованию. Информационной базой [7] системы «СКУТЕР» являются результаты измерений приборов учёта энергоресурсов. ИАС включает в себя набор независимых программных модулей, ориентированных на решение требуемых прикладных задач и обладающих определенной функциональной направленностью. Расширение возможностей ИАС «СКУТЕР» выполняется постоянно путем развития аналитических функций, которые представлены в виде новых модулей интегрированных в платформу.
Мониторинг приборов учета
Базовой подсистемой информационно-аналитической системы является подсистема сбора данных [8]. Качество и своевременность сбора информации с приборов во многом является определяющим фактором качества работы системы в целом. В свою очередь, процесс сбора информации зависит от следующих технических решений: среда передачи данных (физический уровень), оконечные устройства на удаленных объектах и в центре сбора информации, протоколы передачи данных, программные средства сбора данных. В настоящее время получили большое распространение сети GSM. Многие используют их для систем телеметрии. В сети GSM раннего поколения для получения результатов измерений с теплосчетчиков в основном использовалась технология передачи данных CSD. Однако данная технология не позволяла поддерживать постоянное соединение с удаленными модемами и осуществлять сбор данных одновременно с большого количества приборов учета. Развитие телекоммуникационных технологий и переход на пакетную передачу данных в сетях нового поколения позволяет осуществлять одновременный доступ к GSM-модемам на гораздо более высоких скоростях. Преимущества от использования новых технологий передачи данных: параллельный сбор данных с большого количества приборов учёта, скорость соединения и надежность передачи больших пакетов данных, отсутствие частых обрывов сеанса связи и быстрое автоматическое восстановление соединения при обрыве.
Перевод системы сбора на использование протокола TCP/IP позволил значительно повысить оперативность сбора данных, уменьшить расходы на GSM-связь и значительно увеличить максимальное количество приборов учета, обслуживаемых сервером сбора информации. Стала возможна организация мониторинга в режиме реального времени приборов учета, подключенных к сети по TCP/IP, которые могут работать одновременно (параллельный опрос данных). Разработан новый сервис опроса мгновенных показаний приборов учета в режиме реального времени. Для пользователей ИАС СКУТЕР разработан новый визуальный интерфейс (рис.1), который позволяет следующее: - подать заявку на опрос прибора учета в режиме мониторинга;
- отобразить мгновенные параметры прибора в режиме реального времени;
- просмотреть тренды, полученные в результате мониторинга на графике;
- произвести предварительный контроль считанных значений и диагностику;
- выдать рекомендации по наладке оптимального режима функционирования объекта.
Модуль «Мониторинг» предоставляет пользователю возможность для выбора от 1 до 9 приборов учета для одновременного считывания данных в режиме реального времени. Группа выбранных для мониторинга приборов учёта передается на сервер мониторинга в сервис опроса, где происходит подписка на получение данных с определенной частотой в течение заданного пользователем периода времени. Полученные с прибора мгновенные и текущие итоговые показания автоматически сохраняются в базе данных по учёту энергоресурсов и отображаются в главном окне модуля. Для разных приборов учета и их конфигураций определяется индивидуальная мнемосхема и набор параметров. На рисунке 1 показан пример мониторинга теплосчетчика. На мнемосхеме отображаются температуры и расходы теплоносителя, а также сигнализация об обнаруженных дефектах. На графиках температур и
расходов можно в деталях оценить режим функционирования теплового узла и динамику изменения основных параметров теплоснабжения. Это необходимо при наладке систем регулирования, оценки пиковых значений водозабора и выявления проблем при эксплуатации теплосчетчика. Наглядная и оперативная картина с теплового узла может быть получена на удаленном компьютере оператора в любое время по запросу с помощью модуля «Мониторинг».
Дополнительным преимуществом модуля является возможность мониторинга сразу нескольких приборов учёта (рис.2) для получения общей картины участка тепловой сети по измерениям на группе объектов теплоснабжения. Этот режим работы модуля позволяет сравнить показания с приборов учёта в рядом расположенных зданиях или оценить ситуацию одновременно в нескольких населённых пунктах.
Верификация телеизмерений
Большие объёмы собираемых данных с многочисленных и разнотипных приборов учёта требуют оперативной проверки адекватности результатов измерений [9], диагностики технического состояния оборудования [10] и наладки эффективных режимов энергопотребления с помощью регуляторов [11]. Разрабатываемые в Институте автоматики и процессов управления методы и программные средства контроля и диагностики приборов учёта [12] и регулирования энергоресурсов ориентированы на получение адекватных моделей управления процессами энергосбережения. Выявление на ранних стадиях деградации погрешности измерительных приборов [13], выход из строя технологического оборудования, обнаружение нештатных режимов эксплуатации систем теплоснабжения возможно за счет анализа результатов измерений приборов учета [14].
Модуль «Экспресс-анализ» разработан для решения этих задач и предназначен для визуализации обнаруженных нарушений по результатам анализа измерений, полученных при сборе данных с приборов учёта. Развитие модуля нацелено на улучшение функциональных возможностей системы СКУТЕР [15]. Получение результатов измерений с электросчётчиков, теплосчетчиков и регуляторов систем теплоснабжения в режиме мониторинга [16] потребовало выполнять оперативный расчет и диагностику ситуации на объектах учёта.
В последнее время все больше приборов учета устанавливают не только для систем отопления, но и для выполнения измерений потребления горячего водоснабжения. Возникают вопросы адекватности результатов измерений горячей воды с точки зрения возможности их непосредственного использования для оплаты потребляемых ресурсов. Измерение расхода горячей воды в открытой системе теплоснабжения требует новых методов верификации результатов измерений. Схема открытой системы теплоснабжения изображена на рис.3. Под открытой понимается такая система теплоснабжения, из которой осуществляется отбор теплоносителя на нужды горячего водоснабжения (ГВС). Вентиль В позволяет отключить нагрузку отопления в межотопительный период. Смеситель 81 (элеватор или клапан прямого действия) служит для поддержания нормативного значения температуры горячей воды путем смешения теплоносителя из подающего и обратного трубопроводов системы. Крановый смеситель 82 предназначен для смешения горячей воды (после 81) с холодной водой в той пропорции, которая необходима потребителю. В открытой системе теплоснабжения измеряются следующие параметры: Мпод (Мобр) - расход теплоносителя в подающем (обратном) трубопроводе всей системы; Огвс = Ог - О2 - расход горячей воды (dG на графике); Ьдод (Ьобр) - температура теплоносителя в подающем (обратном) трубопроводе системы.
Рассмотрим потребление горячей воды в открытой системе теплоснабжения с циркуляцией на ГВС на примере объектов г. Владивостока.
На рис. 4 показаны графики изменения объемного расхода теплоносителя усредненного за месяц по часам суток в контуре ГВС для жилого дома (а) и ДЮСШ Чемпион (Ь).
Рисунок 1 - Мониторинг теплового узла в масштабе реального времени
Рисунок 2 - Мониторинг нескольких приборов в разных населенных пунктах
Рисунок 3 - Открытая система теплоснабжения
Отметим характерные особенности потребления ГВС в этих зданиях. Показания расхода на ГВС (dG ось Я1) отображены на нижнем графике рис.4. Для жилого дома характерно пиковое потребление горячей воды в вечернее время с 21 по 23 часа и отсутствие потребления в ночные часы с 2 ночи до 6 утра. Следует отметить, что при отсутствии проблем учета ГВС в идеальном случае в ночные часы потребление (расход dG) должно быть нулевым. Однако на графике расхода ГВС (рис.4а) в ночные часы потребление сохраняется на уровне 0,4 м3/час. Причиной ненулевого расхода на ГВС в ночные часы могут быть как утечки теплоносителя (при достоверном отсутствии потребления жильцами), так и погрешности измерения расходомеров [17]. Иная ситуация наблюдается на рис. 4Ь для ДЮСШ. Здесь потребление в системе ГВС имеет ярко выраженное пиковое значение в 19 часов, что объясняется хозяйственно-бытовыми работами в школе.
ш . мЗ/ч Ш С2, мз/ч ЕЛ ас. мЗ/ч |ЕВ !е!!а
щ
С 7 утра наблюдается незначительное потребление на нужды ГВС. В ночные часы потребление отсутствует. Однако на графике расхода ГВС (нижний график рис.4Ь ось Я1) видно, что значение разности расходов dG большую часть суток отрицательное, даже в моменты незначительного использования горячего водоснабжения (утром и днем). Расход по показаниям приборов учета становится положительным только во время пикового потребления ГВС, что явно не соответствует реальной картине потребления - суточный суммарный расход на ГВС будет существенно занижен. Отрицательные значения потребления в системе ГВС обусловлены как погрешностью измерительных приборов, так и перетоками воды, например из системы холодного водоснабжения. Оценка влияния перетока на адекватность измерений потребления горячей воды дана в работе [18].
] G1. мЗ/ч Ш G2, мЗ/ч HldG. мЗ/ч
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
а)
■Ш
JS\ н
2.4 0.120
0.117
2.2 0.114
0.111
2.0 0.108
1.8 0.105
0.102
1.6 0.099
1.4 0.096
0.093
1 2 0.090
1 0 0.087
0.084
0 S 0.081
0 - 0 078
0.075
0.4 0.072
0.069
02 0.066
-0.0 0.063
ГШ
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
ТШ
0.085 0.080 0.075 0.070 0.065 0.060 0.055 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 -0.005 -0.010
b)
Рисунок 4
Расход теплоносителя в открытой системе теплоснабжения
Поскольку сейчас на практике принято формировать отчеты о потреблении ГВС на основе суточных показаний приборов учета, то от глаз инспекторов теплоснабжающих организаций зачастую скрыты проблемы достоверности измерений. Нет явной методики оперативной оценки погрешности измерения расходомеров, установленных в системе ГВС. Для решения проблем учета ГВС требуется автоматически выявлять выше описанные ситуации при сборе данных с приборов учета. Первый шагом на этом пути является добавление в модуль «Экспресс-анализ» верификации новых измерительных данных и дополнительных проверок для систем ГВС.
Предлагается для автоматического контроля потребления ГВС и выявления нештатных ситуаций (утечки, перетоки) использовать следующую формулу:
Задавая параметр 5, эксперт настраивает насколько строго система верификации будет обнаруживать отклонение минимального расхода на ГВС от среднесуточного расхода. Ограничение потребления на ГВС по верхней границе определяется максимальным часовым расходом на ГВС, который рассчитывается из максимальной тепловой нагрузки:
^тах _гвс 20 • Qmax _гвс
Перечислим проверки, основанные на этом параметре системы ГВС. Если минимальное значение расхода на ГВС за сутки больше половины от максимального расхода по проектной нагрузке, то будет показана критическая ситуация за текущие сутки (красный крест в модуле «Экспресс-анализ»):
Gm
^ H = 0GH
- Gm
> 5
Gm
> 0,5
24 ^тт
где От1п - минимальный расход на ГВС при распределении по часам суток; Он - расход на ГВС за час Н распределения по часам суток; 5 - порог отклонения минимального расхода ГВС от среднего скорректированного расхода ГВС. Под скорректированным расходом подразумевается значение потребления ГВС за сутки без учета утечек, перетоков и погрешности измерения, т.е. фактический расход ГВС. Под минимальным расходом ГВС, который в ночные часы при отсутствии потребления должен быть нулевым, подразумевается характеристика «несовершенства» учёта ГВС, включающая утечки и перетоки воды, а также погрешности самих расходомеров. Отметим, что нулевой минимальный расход не гарантирует отсутствие проблем в системе ГВС, которые, возможно, компенсируют друг друга. Однако при значительных отклонениях Ст±п от нуля можно с уверенностью делать вывод о проблеме учёта потребления на ГВС, и проводить более детальный анализ причин, которые вызвали это отклонение. Для определения степени серьезности проблемы учёта ГВС взята относительная величина минимального расхода ГВС по показаниям приборов к фактическому среднему расходу ГВС.
max _гвс
Предупреждение пользователю будет выдано, если минимальный расход на ГВС за текущие сутки составляет не менее 5% от максимального расхода по проектной нагрузке: Gm
Gm
> 0,05
max _гвс
Если пиковый часовой расход на ГВС превышает максимальный расход по проектной нагрузке, то система верификации будет выдавать сообщение об ошибке:
Gri
> Gm
-"гвс ^ итах _гвс
Стабильность разности температур в системе ГВС характеризует правильную работу циркуляции. Большой разброс значений разности температур в системе ГВС означает, что контур циркуляции работает нестабильно, возможны перетоки воды или отключения циркуляционных насосов. Для схем измерения в системах ГВС с датчиками температуры добавлены следующие проверки в систему верификации. Предупреждение «Температура на ГВС ниже нормы ( Ьгвс < 50°С)» и «Разность температур на ГВС очень высокая (dtгвс > 10)».
На рис. 5 показан визуальный интерфейс модуля «Экспресс-анализ», отображающий результаты верификации данных в системе ГВС.
Рисунок 5 - Обнаружение нештатных ситуаций в системе ГВС
Заключение
В заключении отметим, что аналитические возможности разрабатываемых ИАС для теплоэнергетики постоянно наращиваются. Благодаря масштабируемости и модульности организации аналитической платформы, выполнено внедрение новых функциональных возможностей мониторинга и верификации
данных приборного учета в системах теплоснабжения. Практическая значимость информационно-аналитических систем в теплоэнергетике при реализации программ энергосбережения возрастает с каждым годом. В ближайшем будущем предполагается расширение функциональных возможностей ИАС с учетом наших результатов научно-исследовательских работ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чипулис В.П. и др. Система мониторинга и анализа режимов функционирования потребителей тепловой энергии // Информатизация и системы управления в промышленности. - 2005. - №7. - С. 23-28.
2. Чипулис В.П. и др. Автоматизация процессов мониторинга, регулирования и анализа режимов функционирования источников теплоты // Информатизация и системы управления в промышленности. -2004. - №1. - С. 5-8.
3. Чипулис В.П. и др. Учет и анализ параметров технологических процессов выработки тепловой энергии // Информатизация и системы управления в промышленности. - 2006. - №7. - С. 4-9.
4. Волошин Е.В., Кузнецов Р.С., Чипулис В.П. Автоматизация объектов теплоэнергетики на базе аналитической платформы // Автоматизация в промышленности. №12. 2016. C. 18-24.
5. Чипулис В.П. и др. Автоматизация проектирования информационно-аналитических систем объектов теплоэнергетики // Надежность и качество 2008: труды международного симпозиума. - Пенза: ПГУ, 2008. С. 270-274.
6. Кузнецов P.C., Раздобудько В.В., Чипулис В.П. Информационно-аналитические системы объектов теплоэнергетики // Информатика и системы управления. №2(28). 2011. С. 41-49.
7. Бабенко В.Н., Кузнецов Р.С., Раздобудько В.В. База данных учета тепловой энергии для объектов теплопотребления Приморского края // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Свидетельство «О государственной регистрации базы данных» № 2008620273 от 16 июля 2 008 г.
8. R. Kuznetsov, V. Chipulis. Wireless Data Collection in Power System // Lecture Notes in Electrical Engineering Volume 280, 2014, pp 21-26.
9. Чипулис В.П. Адекватность результатов измерений в задачах учёта тепловой энергии // Измерительная техника. 2016. № 5. С. 46-49.
10. Чипулис В.П. Диагностирование кратных дефектов объектов теплоэнергетики. Часть 2 // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 56-58.
11. Чипулис В.П. Выбор и оценка эффективности регулирования режимов теплопотребления // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 2. С. 193-197.
12. Kuznetsov R.S. Diagnostic application in the heat-power engineering // First Russia and Pacific Conference on Computer Technology and Applications. - Vladivostok, Russia, 6 - 9 September, 2010. - P. 291-293.
13. Чипулис В.П. Сравнительная оценка двух методов косвенных измерений разности расходов теплоносителя // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 33-35.
14. А.Н. Виноградов и др. Анализ процессов теплопотребления на примере использования информационно-аналитической системы «СКУТЕР» // Промышленные АСУ и контроллеры. 2010. - №12. - С.1-6.
15. Bogdanov Y., Chipulis V. Information-Analytical Systems of Thermo-Power Engineering // Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social-Informatics and Telecommunications Engineering. 2012. Т. 72 LNICST. С. 116-124.
16. Волошин Е.В., Кузнецов Р.С., Раздобудько В.В., Чипулис В.П. Мониторинг, диагностика и телеуправление в системах теплоснабжения // В сборнике: Труды международной конференции "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта ^AD/CAM/PDM - 2014)" Под редакцией Толока А.В.. 2014. С. 116-120.
17. Чипулис В.П., Кузнецов Р.С. О прогнозировании относительного расхождения показаний каналов измерения расхода в задачах учета тепловой энергии // Измерительная техника. 2008. № 4. С. 35-39.
18. Chipulis V.P. Adequacy of Measurement Results in Accounting for Thermal Energy // Measurement Techniques. 2016. С. 1-5.
