摘 要
我国经济继续保持快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境破坏的代价。经济建设、资源及环境之间的矛盾日益尖锐，并开始制约经济的发展。展望“十二五”发展蓝图中，国家极力推进调整经济结构，转变经济发展方式，大力倡导实行节能减排技术。
辽宁省鞍山市昼夜温差极大，冬季供暖周期长。基地社区多，现有锅炉房供热分散，而且各锅炉房之间没有实现管网互联，因此供热效率不高，热源的合理利用就显得尤为重要。在简要介绍DCS. PLC. SCADA等系统后，针对基地供热各个锅炉房检测变量较多、观测点也比较分散等实际状况，通过对比，为减轻各个站控系统的控制负担，设计建立集中监视、分散控制的SCADA系统。
根据SCADA系统建立的原则，通过四种设计方案的比较，建立三层模式的SCADA系统，设置一个总调度控制中心，四个区域控制中心，九个站控系统。计算并分析在建立SCADA系统后的节能降耗数据。得出结论，设计辽宁省鞍山市SCADA供热控制系统，是非常必要的。
关键词:节能减排； 管网互联 ；SCADA系统
第一章 绪论
1.1课题背景及目的
SCADA(Supervisor Control And Data Acquisition)系统，即数据采集及数据监视系统，是一种以计算机技术、通讯技术、控制技术和传感技术(简称3S十C技术)为基础的生产过程控制与调度自动化系统。其功能是在工业生产过程中，实时采集现场数据，对现场工艺流程进行本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面、动态和实时地监视，并为生产、调度和管理决策提供重要的历史和实时数据。
我国陆上天然气资源主要集中在塔里木、柴达木、四川和鄂尔多斯四大盆地，而消耗则主要集中在华北、长三角及东南沿海。随着西气东输西一线、西二线、陕京一线、陕京二线、中国一中亚天然气管道、川气东输、在建西三线等管道工程的稳步推进，有力地缓解了天然气资源分布不均，资本阔别花费市场的瓶颈。我国正在大踏步迈进天然气时期。中国石油(CNPC)第五届天然气年会资料显示，预计2015年国内天然气市场需求将达2148亿立方米，2030年需求量将跨越3500亿立方米，将相当于目前的5倍。此外，受自然气候和天气影响，我国各地对天然气的需求极不平衡，冬夏季最高形成13:1的峰谷差，用气量的高月均日与低月均日供气比为7：1。随着我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但与此同时也付出了巨大的资源和环境破坏的代价，这两者之间的矛盾日趋尖锐。为缓解资源环境之间的矛盾，应对全球气候变化，促进经济发展方式转变，建设资源节约型、环境友好型社会，增强可持续发展能力，家在“十二五”规划中也提出了节能减排的重要举措。
通过设计SCADA系统，我们探讨实现青辽宁省鞍山市供热的节能减排的目标。根据地理区域的划分，对应建设了9座锅炉房对其社区居民及办公场所供暖，按照现有供暖方式，供暖周期为每年10月15日至次年4月15日，当室外环境温度三、四月份急剧上升的时候，各座锅炉房都运行时，其运行成本无疑是很大的，而且能耗损失严重。为此实现区域间锅炉房供暖的集中调配，优化控制技术，实现更低的运行成本以及节能减排的目的。
本论文的目的是根据辽宁省鞍山市的供暖实际状况，从自动控制总体方案设计、硬件选型、数据传输应用、控制软件规划着手，本着可靠、实用、先进、安全、经济的原则，设计一套适合辽宁省鞍山市供暖要求的计算机控制系统一SCADA系统，从而达到节能降耗的目的，实现社会效益和经济效益协调可持续发展和增长。
1.2 SCADA系统国内外应用现状及发展趋势
由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。SCADA系统发展到今天已经经历了四代。
第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD 176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到上世纪70年代。
第二代是上世纪80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。在这一阶段，SCADA系统与自动发电控制((AGC)和经济调度控制(EDC)，电力系统状态估计(State Estimator)，安全分析((Security Analysis)，调度员模拟培训系统(DTS)结合到一起构成了能量管理系统(EMS )。第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而给系统维护、升级以及与其它系统联网构成很大困难。
第三代是基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的SCADA系统。上世纪90年代按照开放的原则，我国SCADA系统发展进入最快的发展阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA系统中。这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期，在上世纪90年代，国家计划三年内投资2700亿元改造城乡电网。例如，上海对城乡电网改造，历时7年，总投资超过110亿元。截止2002年我国对电力投资，城网为1331亿(包括内蒙古在内)，农网为190亿，又下达第二批投资为700亿，总计为3931亿元。可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度。
第四代SCADA系统的基础条件已经诞生。该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA系统与其它系统的集成，来综合安全经济运行以及商业化运营的需要。
SCADA系统在电气化铁道远动系统的应用技术上已经取得突破性进展，应用上也有迅猛的发展。由于电气化铁道与电力系统有着不同的特点，在SCADA系统的发展上与电力系统的道路并不完全一样。这些系统性能可靠、功能强大，在保证电气化铁道供电安全，提高供电质量上起到了重要的作用，对SCADA系统在铁道电气化上的应用功不可没口司。
SCADA技术是建立在3C+S(Computer, Communication. Control. Sensor)基础上。即计算机技术、通讯技术、控制技术和传感技术。(1)计算机((Computer)技术。随着计算机测控功能的高速发展，基于PC技术的适应复杂环境的工业计算机也应运而生，越来越多地承担着SCADA系统的人机交互和通信、控制任务。另一方面，嵌入式计算机在众多的自控设备中得到应用。此外，由于PC. IPC ( Industrial personal computer)的功能越来越强大，极其丰富的软件资源以及开放性，都为构建强大SCADA系统奠定了坚实基础。
(2)通讯((Communication)技术。通讯技术与设备的选择是构成SCADA系统最丰富多彩的部分，SCADA系统设计是否合理，通讯技术的选择十分重要。
（3）控制((Control)技术。控制设备，在每一个SCADA系统中都会有若干台，对SCADA系统的可靠性和价格影响最大。近十多年来S CADA系统建设形成了不少模式。如PC十PLC模式，PC+单片机模式，全部进口的PC+RTU模式等。
（4）传感(Sensor)技术。在SCADA系统的生产现场层，安装着许多传感器与执行机构，完成SCADA系统的生产现场数据采集与调控命令的执行。
SCADA系统主要包括三部分组成:第一个是分布式的数据采集系统，也就是我们所说的下位机;第二个是过程监控与管理系统，即上位机:第三个是数据通信网络，包括上位机网络系统、下位机网络以及连接上位机、下位机系统连接的通信网络。
下位机都有自己独立的软件系统和由用户开发的应用软件，实时感知设备各种参数的状态，并将状态信号转化成数字信号和模拟信号，并传递到上位机系统中。典型的下位机有RTU. PLC, PAC和智能仪表。
上位机系统通常包括S CADA服务器、工程师站、操作员站、Web服务器等，这些设备通常采用以太网联网。不同的控制目标，但基本都要求上位机系统具备数据采集和状态显示、远程监控、报警和报警处理、事故记忆和趋势分析、与其他应用系统的结合等功能。
通讯网络在SCADA系统中具有举足轻重的作用。一个大型的SCADA系统护多种层次的网络，如设备层总线，现场总线;控制中心有以太网;通信方式通常有有线网络、无线网络、微波、卫星等。
SCADA系统与DCS, PLC的不同主要表现在:
（1） PLC与DCS是产品的名称，也代表某种技术，而SCADA更侧重功能和技术，在市场上找不到一种公认的SCADA产品。SCADA系统的构建更加强调集成，根据过程监控要求从市场上采购各种自动化产品而构成满足客户要求的系统。正因为如此，SCADA的构建十分灵活，可选择的产品和解决方案也很多。在SCADA系统中，常选用PLC作为下位机设备，因此，可以把PLC看作是SCADA系统的一部分。
(2)因为PLC与DCS可以是产品，它们有成熟和完善的体系结构，系统的可靠性等性能更有保障，而SCADA系统是用户集成的，因此，其整体性能与用户的集成水平紧密相关，通常要低于PLC或DCS。
(3)应用场合不同。由于历史的原因，造成了不同的控制设备各自称霸一个行业市场。然而，随着技术的不断发展，各种类型的控制系统相互吸收融合其他系统的特长，DCS与PLC在功能上不断增强，具体地说，DCS系统的逻辑控制功能在不断增强，而PLC连续控制的功能在不断增强，两者都广泛吸收了现场总线技术，因此它们的界限也在不断地模糊。不同的行业在建立SCADA系统后，都取得良好社会和经济效益:
(1)极大地提高了生产和运行管理的安全性能和可靠程度。
(2)生产配方管理的自动化可大大提高产品的质量和生产的效率。
(3)极大地减少了生产人员面临恶劣工作环境的可能性，保证了工作过程中第一位人员的安全。
(4)可大大地减少不必要的人工浪费。
(5)通过生产过程的集中控制和管理，极大地提高企业作为一个整体效率的竞争能力。
(6)系统通过对设备生产趋势的保留和处理，可提高预测突发事件的能力，在紧急情况下的快速反应和处理能力，可极大地减少生命和财产的损失，从而带来潜在的社会效益和经济效益。
1.2.1 SCADA系统国外发展现状
国外的SCADA系统发展比我们快，也比较成熟，具有较高的自动化水平。著名的SCADA系统软件开发公司有Wonderware, Siemens, Intellution等。
Siemens公司的视窗控制中心WinCC (Windows Control Center)是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术应用系统。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模版高性能的过程祸合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有很高的实用性。除了这些功能外，WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案，可以通过ODBC和SQL等方式归档数据访问，以及通过OLE和ActiveX控件的对象和文档的链接，这使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。捷克科技大学控制工程专业搭建了基于SIMATICPCS7的控制系统平台，该平台通过WinCC实现物理模型计算机仿真并通过WinCC的可视化视窗界面显示实时数据、存储及打印报表[6]。
1.2.2 SCADA系统国内发展现状
国内SCADA系SCADA系统在供热系统的应用仍处于发展时期，由于各领域对SCADA系统的应用功能、目标不尽一致，所以SCADA系统在不同领域发展成果也不尽相同。在电力系统、铁道电气化远动系统发展较快，这几年，在石油天然气长输管道生产运行、环境污染源排放监测系统和集中供热系统都有长足的进步，也取得了一些成就[7]。
在石油系统中，SCADA系统在油气田和长输管道的应用占有绝对优势的地位，基于远程终端单元(RTU)和可编程控制器((PLC)的计算机数据采集与监控(SCADA )系统，实现对场站、原油储罐、长输管道、自备电站等现场的计算机监控[8-9]。通过光纤通信与总调控制中心进行数据交换，为员工统一调度和管理提供决策依据。北京安控对新疆油田某作业区远离居住区和后勤保障困难等实际情况，开发的ECHO SCADA 5000系统就达到了加强油田生产管理、降低工人劳动强度、降低成本、提高劳动生产效率的目的[10]。
在环境污染源排放监测系统中，随着市民环境意识的增强，越来越多的人开始关心所处环境质量的好坏，要求环境保护工作透明化。北京安控公司本着“统一管理，统一标准，技术先进，经济实用”的原则，设计了一种4款污染源在线监测的基于可编程控制器RTU E6801数据采集传输的ECHO SCADA系统，实现了单站、多站、TOC, COD,水质、流量等分析，并给出图表和报告。这也必将推动环保产业的硬件开发和软科学咨询的快速发展[10]。
1.2.3 SCADA系统发展趋势
SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。当今，随着油气田生产系统、电力系统以及铁道电气化系统对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：
（1）SCADA系统与其它系统的广泛集成
SCADA系统大量的实时数据，同时MIS等系统中都需要用到实时数据，所以SCADA系统如何与其它非实时系统的集成成为SCADA研究的重要课题，现在SCADA系统已经成功地实现与企业MIS系统的集成。SCADA系统与电能量计量系统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为S CADA系统的一个发展方向。
（2）综合自动化
以RTU、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高一二次系统的可靠性。变电所的综合自动化已经成为有关方面的研究课题，我国东方电子等公司己经推出相应的产品，但在铁道电气化上还处于研究阶段。
（3）专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用
利用分析应用软件模拟SCADA系统的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管决策软件，由专家系统根据不同的实际情况分析出最优化的运行方式，以达到合理、经济地进行系统调度、提高运输效率的目的。
随着Internet技术的发展，浏览器界面已经成为计算机桌面的基本平台，将浏览器技术运用于SCADA系统，将浏览器界面作为调度自动化系统的人机界面，对扩大实时系统的应用范围，减少维护工作量非常有利。
（4）面向对象技术、Internet技术、及JAVA技术的应用
面向对象(object oriented)方法是一种非常实用的软件开发方法，现在已经成为计算机科学研究的一个重要领域，并逐渐成为软件开发的主要方法。面向对象方法以客观世界中的对象为中心，其分析和设计思想符合人们的思维方式，分析和设计的结果与客观世界的实际比较接近，容易被人们所接受。例如，基于COM/DCOM技术开发的OPCLient/Server就是利用面向对象技术，应用于SCADA系统服务器数据库与分析应用软件的数据接口软件。
1.3 SCADA系统在供热控制系统的应用意义
供热方式的选择和发展与一个国家所处的地理位置、能源资源、经济环境、能源技术水平等情况的差异而有所不同。采用分散型供热系统，不仅供热效率不高，而且能耗巨大，就给能源供给相对紧张的我国增加了沉重的负担。使用先进的供热站监控技术实现供热系统实时参数和状态监测、跟踪外温的变化自动调节温度和流量，改善供热质量和实现高效的节能，自动控制设备运行、故障报警与处理，实行数据量化治理，健全运行档案，从而提升系统设备的运行效率和科学治理水平。
根据SCADA系统建立的原则，本文通过四种设计方案的比较，建立三层模式的SCADA系统，设置一个总调度控制中心，四个区域控制中心，九个站控系统，计算并分析在建立SCADA系统后的节能降耗数据。
