蒸汽换热站远程智能监控解决方案
一、 需求分析
1、现状
某地换热中心现有 10 个换热站,换热站热源有太阳能锅炉产生的蒸汽提供,多有换热分站单独运行,互不干涉。某换热分站系统图如下:
换热站内部如下图所示:
每个换热站都有自己的控制系统 HMI 画面,用于监控换热站内循环泵、出气阀、流量计、压力表等设备和仪表。
2、需求
当前运行模式下,每个换热站单独运行,所有换热站的换热效率得不到有效统计,所有换热站都需要人工值守,所有换热站的仪表数据都需要人工去抄录汇总,这无疑会消耗大量的人力物力。
为提高换热站的运行效率和提高换热站的自动化程度,换热中心需要一套整体管控方案将该地区多有换热站远程管控起来,将所有换热站的关键仪表数据做集中计量,自动存储,灵活生成各种报表,并且,能够对所有换热站系统进行远程控制,对关键设备可远程启停。为集中衡量该地区换热效率,换热中心希望能够设计一套蒸汽需求和供应关系曲线,根据曲线追踪可定量地分析出供求关系比,设计自动供应系统,最终实现供求关系自动调节。
二、 网络设计
1#远程换热站 2#远程换热站 3#远程换热站 4#远程换热站 10#远程换热站 WiCloud
如图所示,我们采用Witlinc 工业 4G 路由器 WL-430T-LT 配置WiVPN 方式通过 4G 网络实现远程测压点和控制中心的网络连接。采用WL-430T-LT 工业 4G 路由器&WL-620F-S 工业区域防火墙方式连接远程换热站到控制中心。采用 WL-820B-B 工业私有云&瘦客户机作为控制中心的数据采集存储及远程操作终端。采用 WiSCADA 工业组态软件作为控制系统数据采集与分析、展示的平台。采用 WL-630F-S 工业核心防火墙来保护工业控制网络不受外界互联网侵害。
如图所示,在远程换热站控制系统网络出口处增加一台WL-620F-S 工业区域防火墙,用于保护换热站控制系统网络安全。在防火墙出口处安装一台 WL-430T-LT 工业 4G 路由器,配置 4G 上网卡使其能够连接到互联网。 配置 WL-430T-LT 工业 4G 路由器的WiVPN 功能,使其能够通过证书连接到控制中心的私有云,方便私有云内数据采集服务器采集到换热站的系统数据。
在控制中心私有云的网络出口处安装一台 WL-630F-S 工业核心防火墙,该防火墙LAN 口连接至私有云内的交换机。WAN 口通过宽带网络连接至互联网。工业防火墙内配置 WiVPN 证书,使其能够通过互联网访问到远程测压点的工业 4G 路由器,与之建立稳定的网络连接。配置LAN 口安全策略允许私有云内数据采集服务器能够连接
到远程的工业 4G 路由器,从而可以正常的读取到测压点的仪表数据, 配置安全策略使得私有云内WiSCADA 组态软件的WEB 发布路劲允许通过。除此之外。拒绝其他一切外部网络连接访问私有云。
三、 软件设计
选用WiSCADA 2.0 软件作为换热站控制中心的数据采集及处理平台。WiSCADA 软件采用 C/S、B/S 架构,软件界面友好,编辑方式基于Windows 风格,在线帮助文档通俗易懂,用户只需稍微学习便可自己开发 HMI 画面。图像界面支持自由缩放、鼠标漫游、自适应屏幕、透明色、过渡色、旋转/倾斜、幻灯显示,内嵌JAVASCRIPT,用户可以自主开发更高级的功能。支持表达式、触发器、定时器、多语言、XML 支持、变量替换、定制图形。支持 Windows XP/7/8/CE/SERVER 的 32/64 位操作系统。网络版除了具有单机版的全部功能外,还支持WEB 端、网络客户端方式通过局域网访问,另外,网络版还支持智能移动终端安装 APP 通过互联网访问组态服务器,APP 支持 Android 和IOS。WiSCADA 软件支持 3D 功能,用户可以自由编辑 3D 图形,让自己的HMI 画面更加绚丽多彩。
1、无人值守
在每个换热站配备防偷盗报警装置、入侵报警装置、安防监控装置, 将这些装置系统用网络化方式连接后远程接入控制中心私有云上的WiSCADA 软件内,在软件上配置相应的报警状态,规划合适的事件处理步骤。在软件内设计每个换热站报警显示和设置面板,基本包括开窗报警、配电间入侵、泵房入侵等内容,控制中心的管理员可以远程对这些报警设备进行管理。
2、多手段报警
在 WiSCADA 软件中,配置故障报警功能,将所有换热站的故障情况以语音报警、警示灯指示、微信、邮件等警报方式提示在运行人员眼前,做到提醒及时推送、故障及时发现、问题及时处理。并且将所有故障报警记录到数据库,以备后期分析原因,查找隐患。配置操作记录功能,用于将所有访问控制中心 HMI 画面的用户都记录下来, 何时、何人、何种操作都会详细的记录并且可查,这从制度上保证了访问系统用户的可追溯性。
在WiSCADA 软件中配置微信和Email 报警功能,将整个系统所有需要报警的变量按照严重等级区别配置报警级别,将严重的报警微信推送到指定负责人,将中等程度的报警推送给维护人员即可。将低等程度的报警信息只做报警提示即可。
3、电子地图展示
在 WiSCADA 软件中,配置地图显示功能,将管辖范围内所有换热站位置使用经纬度在内嵌的百度地图上标注出来,并且将关键数据悬浮现在在地图上,用户需要查看时可以点击地图上的换热站图标快速进入对应的换热站画面。
4、历史/实时曲线
在控制中心的 WiSCADA 软件上设计显示所有换热站温度、压力、供汽、流量等参数的实时/历史趋势曲线,便于用户直观地纵向分析一定时间内换热站运行参数的变化情况。WiSCADA 软件支持将不同换热站的温度或压力曲线动态的添加到一张曲线图框内显示,用户可使用这个功能横向对比分析不同换热站之间的运行参数情况。
5、自动调节蒸汽供需曲线
为检测用户设备原来使用的蒸汽流量,设计在 WiSCADA 软件内显示用户蒸汽需求曲线,记录用户使用蒸汽流量的趋势变化。控制中心管理人员经过分析蒸汽需求曲线后,利用蒸汽控制系统和 WiSCADA 监控系统设计供求平衡系统,实现自动调节蒸汽供应流量以满足用户需求,从曲线上观察,蒸汽供应曲线应紧密追踪在蒸汽需求曲线上下, 通过自动调节功能,使这两条曲线高度吻合,达到精准供汽,高效节能的目的。
6、历史/实时报表
在WiSCADA 中配置报表显示界面,将换热站需要汇集成报表的数据都集中整理在报表中,使其根据需要按日、周、月、季度、年时间节点备份成CSV 格式文件存储在私有云中。用户可登陆私有云中的报表服务器查看所有报表。
7、敏捷服务
将所有换热站的运行数据采集到控制中心集中显示,所有故障报警集 中提示和播报,一旦某个换热站发生故障情况,系统可自动定位并播 报到相关维护人员,维护人员处理完故障情况后将处理过程汇总整理 成文档汇报到控制中心管理人员处,由管理人员录入故障处理数据库, 作为故障应急处理措施数据池,经过一定时间和故障情况的积累,再 次发生该故障时,系统可自动地将故障信息和故障处理信息一并发送 给相关人员,达到快速处理,敏捷服务的效果。
8、远程启停
基于所有换热站控制系统网络化的基础,将换热站控制系统使用安全的远程网络连接到控制中心,由控制中心运行人员统一监控。控制中心有权限的人员可对某一换热站内循环泵、阀门等设备执行远程的启停操作而不需要亲临现场。
9、手机查看
在 WiSCADA 软件中,启用内网穿透功能,将已经做好的 HMI 画面通过安全的网络发布到互联网,用户通过安卓手机、平板电脑等智能移动终端设备通过 4G/ WiFi 就可以轻松的访问到 HMI 画面,用户可配置APP 单独显示不同于 PC 的画面。用户使用手机或 IPAD 等手持移动终端在现场巡检时可实时查看系统运行情况。巡检人员还可以使用手机终端经过允许后查看并记录所有换热站各种仪表的当前数值,这种方式节省了巡检人员大量的无用工作内容,腾出更多的时间和精力用于其他工作。
四、 硬件设计
1、 PLC/DCS 系统
由用户自选,推荐罗克韦尔 Controllogix 系列
2、 数采仪表
由用户自选
3、 工业私有云
如图所示,换热站管控中心采用 WitLinc 工业私有云&虚化的方式实现。即在管控中心机房安装一套 WitLinc 公司的 WL-820B-A 系列高性能工业私有云。私有云平台可视为一个融合了运算、存储、网络等多项资源的统一的资源池,在这个资源池中可以用虚拟化的方式虚拟化出用于采集所有换热站控制系统数据的虚拟机、用于存储数据的数据库服务器、用于查看各种报表信息的报表服务器等。并且为所有虚拟机配置高可用性,资源池会动态地为这些虚拟机分配可用的运算、存储、网络资源以保证虚拟机的正常运行,所有的虚拟机运行文件都会存储在虚拟磁盘内,方便用户随时迁移和备份。超融合的私有云架构有利于私有云平台资源的扩展,通过将新的物理服务器加入云平台的方式可实现私有云性能和资源的线性扩展。
运行人员使用瘦客户端连接远程桌面的方式连接到工业私有云 中的虚拟机桌面,瘦客户端上的的所有操作都会在虚拟机里面执行, 瘦客户端本地不会存储任何数据。一台瘦客户端可以连接多个虚拟机的远程桌面,这在一定程度上可以减少一定量的操作员站,实现经济高效操作和管理。
工程师可以使用自己拥有的特殊权限利用任意瘦客户端访问工业私有云内部,对虚拟化平台、虚拟机、虚拟机上运行的应用程序进行管理和维护,甚至在可以使用自己的笔记本在管理员允许的情况下远程维护工业私有云。
工业私有云平台支持主机,存储,网络的虚拟化,可以通过云平 台的管理轻松创建应用虚拟机,并提供结合工业应用软件的应用模板, 同时可以完成基于主机和存储的可迁移功能,并提供 HA 高可靠性支持,有助于工业系统业务不中断运行。
4、 工业交换机
WL-1424M-L3 三层可网管型工业以太网交换机
4 个 1000Base SFP Combo 光口+24 个 10/100/1000 BaseTX
5、 工业防火墙
WL-630F-S 工业核心防火墙与 WL-620F-S 工业区域防火墙都是WitLinc 公司的推出的新一代工业防火墙,这两款设备都内嵌 IPS(入侵防御系统),对于所有经过该防火墙的网络,它会专门深入网络数据内部,查找它所认识的攻击代码特征,过滤有害数据流,丢弃有害数据包,并进行记载,它同时结合考虑应用程序或网路传输中的异常情况,来辅助识别入侵和攻击。比如,用户或用户程序违反安全条例、数据包在不应该出现的时段出现、作业系统或应用程序弱点的空子正在被利用等等现象。
WitLinc 工业防火墙作为新一代工业防火墙,具备自动识别如ModbusTCP、EIP、S7net、OPC 等工业通讯协议的能力,可通过配置策略实现只允许特定用户通过特定协议访问特定设备。
不同之处在于,WL-630F-S 作为工业核心防火墙,具有更强的数据处理能力、更多的通讯接口、更大的数据吞吐量和并发连接数。
6、 工业 4G 路由器
WL-430T-LT 4G 无线通讯模块可以广泛应用于石油、天然气、煤矿、钢铁、水处理、新能源和其他工业行业。通过该模块可以很方便地将现场的PLC、变频器、DCS 以及现场仪表进项连接。集成的GPS 功能可以将机器的位置信息实时传回到控制中心。
WL-430T-LT 系列产品采用最新的 4G 高速无线移动通信技术,支持运营商动态分配 IP 地址和静态 IP 地址,模块支持 VPN 客户端模式, 支持DDNS 动态域名服务,可是实现随时随地上传/下载 PLC 程序,随时随地查看设备运行状态。在任何地方都可以对现场设备进行配置、编程和调试。只要通过 3G、EDGE、HSDPA、HSUPA 或者 LTE 网络,你有可以随时使用你的常规工业软件就像在现场一样。可以实现 HMI、PLC、传感器之间的数据通信。远程访问消除了地域限制,节省了工程师去现场处理问题的时间,真正实现了设备的”always-on”。