一、 工程概況
1、總體技術方案
項目所依據的技術原理: 能量守恒原理
主要技術與性能指標: 要對注水站站進行自動化節能改造，實現無人的自動職守，實現監控中心對注水站的實時的情況進行了解控制和報警。 能夠實現注水井單井分壓注水，消除節流損失，達到節能降耗的目的。
按創新點分條目描述創新內容；
目前常規注水系統在注水站采用注水泵集中升壓，一座注水站一般管轄注水井10到50口，為了滿足系統中壓力最高的注水井注水需要，注水站出站壓力一般高出壓力最高的注水井注入壓力的0.5到1.0MPa，由于系統中注水井壓力相差比較大，壓力低的注水井需要通過調節閥控制注入壓力，存在節流損失。經過測算，1m3水節流11.0MPa損失電能0.34kWh。以采油八廠為例，全廠全年注水量580×104m3，平均節流損失5.85 MPa，全年多耗電1163×104 kWh。研究開發單井增壓裝置，采用低壓供水，單井增壓的方式，滿足不同注水井的注水壓力需要，避免電能浪費。
2. 技術要求：
要有監控中心和現場控制器對注水站管轄的每口注水井的壓力、流量、電機過壓保護（欠壓、過奪、缺相）監控和控制（如：注水站到每個注水井的長度不一樣，終端的壓力和流量就會有所差別，這樣就需要數據換算用控制器控制每口注水井的出水壓力、流量保證終端的壓力和流量保持一致達到節能的效果）。并把數據傳回到監控中心保留。
二、監控內容
建立監控調度中心，實現對所有注水站的運行參數遠程監測、遠程控制及參數設定。
采用CDMA、GPRS、寬帶ADSL通訊網絡實現各個注水站和監控調度中心數據通訊。
各注水站監控內容如下：
注水站液位高低補水和泄水的連鎖保護（根據用戶要求）
各注水井的出水壓力、流量
根據注水井的出水壓力、流量數據（反饋及控制）
三、監控系統簡述
一個完整的注水站監控系統如圖1所示，在物理層面上它主要由四部分組成：監控中心、通訊網絡、現場監控設備、一次儀表；在軟件層面上主要包括三部分：現場控制軟件、通訊軟件、中央監控調度軟件。
注水站監控系統采用分布式計算機系統結構。有兩種不同的思路和方案：一種是采用中央集中式監控方法；另一種是采用中央與本地分工協作的監控方法。前一種方法是中央獨攬大權，注水站機組只有測試儀表和執行機構，它的功能只是參數和指令的上傳下達，注水站現場控制器不做自動調控的決策功能。這種方法對中央監控軟件的功能要求比較高，例如，當中央調度室發生通訊故障的時候，整個熱網的調節就全部失靈了。第二種方法，即中央與本地分工協作監控方法，其出水壓力的自動調節決策功能完全“下放”給本地的注水站機組，中央控制室只負責全網參數的監視以及總壓力、流量的自動調控。這種方法比較靈活，故障率少，容易適應注水站不同建設期的需要。第二種方法概括起來也可以叫做：“中央監測，統一調度，現場控制”。這種方法經過我公司多年的實際工程經驗積累，從現場控制硬件設備和控制軟件到中央監控軟件已經非常成熟，也是我公司極力推薦的系統結構模式。
以下根據監控系統的四部分組成，分別進行介紹。
3.1、中央管理工作站
HOMS5.0熱網運行管理軟件安裝在作為監控中心的服務器上，該服務器將采集現場控制機的數據，監測現場控制機的運行情況并指導操作員進行操作。服務器定期從現場控制機采集數據以保證其數據庫不斷更新。服務器還向現場控制機發送控制和參數設置指令。操作員從控制中心通過該系統能夠方便地得到子站運行的數據并向子站下達指令。
HOMS5.0監控軟件是碩人STEC2000可編程控制器監控系統的中央監控軟件， 除了具備通用組態軟件的功能外，更多的側重于提供專業性的分析、優化決策功能，基本功能如下：
完善的系統組態：站點、圖形、數據、數據庫、設備、報警、以及趨勢圖等功能的組態
優秀的視窗人機交互界面，用戶使用更加方便
直觀的地圖顯示功能，以地圖的方式根據各注水站的地理位置進行注水站的查找、瀏覽，實時圖形化顯示注水站的工藝流程及運行參數。圖形界面可以支持拖動、放大、縮小等操作，方便瀏覽。
動態顯示各注水站的工藝參數，監測畫面可以顯示該站內所有測點數據，包括模擬輸入/輸出點，數字輸入/輸出點，并標明每個過程點的文字說明、數值、工程單位等基本屬性。
監控中心定時統一發送控制策略給各注水站，并提供一致的室外溫度指導注水站的運行調節。當通訊故障時，各注水站采用站內的壓力、流量進行調節。
接收來自各現場控制機的事件報警，監控中心可以實時接受來自各注水站的報警信息，并提示操作人員進行報警信息處理。同時記錄所有報警信息，形成報警日志，可以方便進行報警信息查找，如下圖所示：
根據要求，輸出生產報表和管理報表；
收集數據信息建立歷史和管理數據庫；
實現現場數據遠程調用、存儲、對過程狀態進行顯示；
利用局域網、電話撥號實現在任何地點時間采集瀏覽現場數據，并根據不同權限對現場進行遠程控制和調整；
實現熱力站數據監測和企業信息管理系統的相互融合。
專業化的分析、統計功能，方便管理者了解系統運行狀況
先進的報警管理功能
擴展的歷史數據及趨勢記錄，收集所有采集的數據信息并建立歷史數據庫，要求顯示所有運行參數如壓力、流量、等的歷史趨勢曲線，并可以選擇同類參數進行比較分析。
標準和自由格式的報表生成，可形成日報表、周報表、月報表等多種報表格式，并給出所有注水站的重點參數匯總報表，支持報表定制功能。
支持多種用戶權限管理，充分保證系統的安全、可靠性，示例如下：
豐富的應用開發環境，根據客戶需要，可實現定制和二次開發。
HOMS5.0主要監控畫面和歷史曲線、報表格式摘錄部分實際工程界面如后附各圖所示，根據注水站工程的實際情況，進行適當的二次開發即可定制出完全切合自身所需的中央監控系統。
HOMS5.0最主要的特點是完全采用B/S結構設計，支持遠程網絡訪問、遠程控制、遠程維護，使得公司管理層、運行維護人員不管處于什么地方，只要能通過電話或Internet訪問服務器，即可將注水站運行狀況了然于胸。
中央管理站服務器的任務應該進行分配。通過計算數據處理的信息總量，在監控中心設置1臺數據自動冗余備份的數據庫服務器兼網絡發布服務器、1臺網絡通訊服務器，其他根據需要設置操作員站。各注水站由通訊服務器調度，包括對注水站控制器的數據進行采集和控制指令的發送，并將采集到的數據傳送到數據庫服務器進行數據存貯，并通過網絡發布服務器將采集到的數據進行實時發布。
服務器技術性能要求如下：
一、通訊服務器（工控機）
處理器： 奔騰至強 2.4G
內存： 最低512M
驅動器CD-ROM： 50X
硬盤： IDE 80GB
功能鍵盤+MOUSE, 3.5″軟驅
顯示器： 17″ 液晶顯示器
以太網卡： 1000M
二、數據庫服務器（IBM、DELL或HP）
處理器： 奔騰至強2.4G
內存： 1 GB
驅動器CD-ROM： 50X
硬盤： SCSI 72GB*3, RAID 5自動備份系統
功能鍵盤+MOUSE, 3.5″軟驅
彩顯卡： 17″液晶
操作系統： Windows 2000 Server
以太網卡： 1000M
3.2、通訊系統
通訊是整個注水站控制系統聯絡的樞紐，各個注水站、管道監控節點和泵站通過通訊系統形成一個統一的整體。為了實現運行數據的集中監測、控制、調度，必須建立連接所有監控點的通訊網絡。
隨著網絡技術的飛速發展，各種虛擬寬帶技術已經越來越成熟，從最初的ISDN到ADSL、VPN（虛擬專用網）、VPDN（虛擬撥號專用網），可供用戶選擇的空間越來越大。碩人的STEC2000控制系統正是看到寬帶技術的迅速發展對傳統的控制通訊方式（RS485，光纖）帶來的沖擊，基于最新的寬帶技術開發的一款控制設備，STEC2000可以不需要任何附屬硬件設備即可直接支持PTSN（公用電話網）、VPDN、ADSL、工業以太網（TCP/IP）。根據當地各種電信運營商提供的服務和價格，業主應根據實用性、經濟性原則做出比較分析，下面我們提供四種主要的通訊方案以供參考：
3.2.1 電話撥號
即每個注水站申請一條專用的普通電話線即可，監控中心根據需要適當申請2-5條電話線。該種方式實施最為簡單，投資最低，運行費用低，而且通訊線路非常可靠，幾乎不會出現線路故障，但實時性較差，10幾個熱力站站通常30分鐘左右可以保證輪巡一遍，同時注水站有故障報警時必須立刻傳到監控中心，監控中心也可以發送控制指令直接控制某個注水站的運行參數，現場控制器又可以每隔1-5分鐘保存一個歷史數據，并在通訊時一次傳到監控中心。
3.2.2 ADSL寬帶通訊
ADSL是這兩年電信運營商推廣力度最大的一種通訊解決方案，主要面向個人或企業用戶實現在家里高速上網的要求，其通訊速度可以達到512K或1M，完全可以達到實時在線的系統要求，其障礙關鍵在于運行費用，各地收費價格差異很大。對于企業用戶而言，一條ADSL不限時包月費用在200-2000元不等。對于眾多的注水站來說，每個注水站申請一條ADSL，監控中心必須申請一條固定IP地址的ADSL（2000元/月）。由于采用Internet通訊技術，數據通訊的安全性需要考慮，附加的好處時，任何能上網的地方原則上都可以訪問監控中心，對遠程訪問、遠程維護非常有利。
3.2.3 GPRS移動通訊
隨著手機的日益普及，移動通訊網絡已經覆蓋幾乎所有地區，而且GPRS作為第2.5代的通訊技術，其數據通訊能力較強，通訊帶寬可以達到與普通電話撥號調制解調器相當的速度，即30Kbps左右，完全能夠滿足一般的數據通訊速度要求。采用GPRS通訊，通常有兩種實施方案。
方案一：移動虛擬網
監控中心：采用一個與計算機連接的GPRS調制解調器，實現監控中心與Internet網絡的連接。
各注水站：采用一個GPRS通訊模塊，通過移動通訊網絡建立Internet網絡的連接。
方案二：Internet接入
監控中心：申請申請一路2M寬帶專線Intenrnet接入，并要求提供固定IP地址，用戶可以提供對外網絡發布功能。
各注水站：采用一個GPRS通訊模塊，注水站內控制器通過一個GPRS模塊實現與Internet的連接。
3.2.4 電話虛擬網絡
該種通訊方式仍然是采用普通電話撥號網絡，但要求保證一直在線，對于一些大型企業來說比較適合，即企業內部撥號是免費的，雖然注水站非常分散，但要看電信運營商是否愿意提供這種服務，將所有注水站的電話號碼綁定在一個虛擬內部網絡內，只需要撥后4位或5位電話號碼即可，并采用固定包月的收費模式，這樣監控中心通過申請與注水站數量相同的電話線路，撥通每個注水站的電話并永遠不掛斷，從而保證通訊的實時性。該種方案的具體實施較為復雜，主要是和電信商談判的問題，在有些公司和電信商關系較好的地方，也有不少采用這種方式的。該種方式主要適合于大型廠礦企業內部供熱系統，如油田、煤礦企業等。
3.2.5 技術經濟比較
綜合技術性能比較一覽表
電信商支持度 一般 高 高 不支持
3.3、注水站自動控制
3.3.1、控制器簡介
STEC2000嵌入式控制器主要由兩部分組成：主控制器、彩色液晶顯示操作終端。其中主控制器在調試完畢投入運行后，禁止運行人員進行任何操作，出現故障時必須由我公司技術人員或經過我公司培訓的系統維護人員進行故障排除。注水站的運行人員對STEC2000控制器的所有操作只能通過液晶顯示操作終端進行。其主要功能是對熱網各運行參數（壓力、流量等）進行實時監控及采集，并根據氣象環境和負荷的變化按預先設定的控制策略對網中的泵和調節閥進行自動調節，來實現注水站的完全自動控制，同時通過VPDN、PSTN、ADSL等多種通訊方式與監控中心進行通訊。
STEC2000控制器以嵌入式技術為基礎，采用Motorola 32位高速CPU和嵌入式實時LINUX操作系統，集現場采集、顯示操作、控制、通訊為一體，可廣泛應用于市政（熱力、自來水、煤氣等）、樓宇自動化（空調、安防等）等領域。STEC2000控制器采用模塊化體系結構，根據控制規模選配相應的I/O模塊，可以組建幾個點到上百個點的現場控制設備，主要技術性能如下：
32位CPU，主頻66M，嵌入式實時LINUX操作系統
8M FLASH 內存，16M 外存DOC，512K EEPROM
一個10M以太網接口（RJ45），支持DDN、ADSL連接
一個嵌入式MODEM接口，可接電話線
一個RS232/485接口，可接GPRS通訊模塊
支持彩色液晶和鍵盤的復合接口
8路16位分辨率差分模擬量輸入模塊
4路16位分辨率模擬量輸出模塊
12路數字量輸入模塊，含3路16位計數器輸入
8路繼電器輸出模塊
I/O模塊隔離電壓2500V
STEC2000控制器基本控制功能如下：
采集功能
STEC2000控制器采集溫度、壓力、熱量等一次儀表參數并進行壞數過濾。本控制器支持按用戶定義的方式將采集的電流電壓數據變換為相應物理量。數據掃描周期可以在0.05-2秒之間進行設定。
存儲功能
物理量數據每隔一段時間如1分鐘（存儲時間間隔可組態設定）保存一次，掉電后不會丟失。具有不小于8M的存儲空間，可以保存長達一個采暖季的運行參數。
顯示功能
STEC2000控制器支持一個5寸的彩色液晶屏。用戶可以其對顯示畫面和參數進行自由組態，并根據運行需要完成參數的設定。
通訊功能
STEC2000控制器內置Socket Server, 標準串口（9針）、RJ45以太網接口、RJ11電話接口等硬件設施。控制器支持TCP/IP、ModBus、PPP等協議，Soket連接，232/484通訊，以太網通訊，電話撥號通訊及無線通訊連接（GSM、GPRS等）。
自檢功能
STEC2000控制器上電后，自動檢查主板、外圍設備和I/O設備是否正常，如有異常給出報警。
控制功能
STEC2000控制器支持PID控制、邏輯控制、模糊控制等多種控制方式，可通過簡單的組態進行選擇。控制器還支持用戶以腳本語言方式進行二次開發。
控制掃描周期小于200ms（可定義掃描周期）。
故障報警
發生報警事件時，STEC2000控制器會通過相應的通訊方式向上位機報警直至收到上位機的確認信息，報警內容包括：故障發生時間、故障內容、故障參數值（或狀態）等信息。同時會在液晶的報警信息欄顯示此故障信息，當多個報警存在時，報警信息會滾動顯示。
人機交互
用戶可以通過STEC2000控制器的鍵盤進行人機交互：選擇控制方式，設定參數值，取消報警等。
Web訪問
STEC2000控制器內置Web Server對控制器運行狀態進行網頁發布，用戶可從任何地方通過電話線或以太網等方式登陸瀏瀏覽網頁以了解控制器運行情況。本功能受用戶密碼保護。
遠程配置
STEC2000控制器支持遠程配置更新和程序控制。例如，用戶可以通過電話、以太網等方式與控制器建立連接，然后就如同本地一樣對控制器進行組態。本功能受用戶密碼保護。
靈活配置
1個CPU主控模塊最多可以支持8個擴展模塊。用戶可以根據所要采集數據的類型自由配置I/O模塊。
完善的組態功能
STEC2000控制器提供Windows操作平臺下運行的可視化圖形組態環境以支持數據、控制程序、顯示操作、報警、通訊管理、數據存儲等各種功能的組態。
時鐘功能
STEC2000控制器內置日歷和時鐘，且不會受系統停電影響。
3.3.2 注水井控制功能
注水井內加裝變頻器、水泵、流量計、壓力變送器等一次測量控制設備。注水井實現的基本控制功能如下：
1） 供水壓力經驗調節
在各個控制器輸入供水壓力調節曲線，系統檢測供水壓力，通過變頻器控制水泵自動調節而達到供水壓力設定值，實現注水井的質調節。管理人員可以在現場通過液晶鍵盤或通過上位機軟件對此曲線進行修改。
2） 固定供水壓力
用戶可任意設定供水壓力值，系統將自動調節供水的流量從而使供水壓力穩定在此設定值。管理人員可以在現場通過液晶鍵盤或通過上位機軟件對此設定值進行修改。
3） 手動調節
管理人員可以在現場通過液晶鍵盤或通過上位機軟件手動給定壓力值，從而調節注水井的壓力。
4.3.3 報警與故障保護
A. 注水井壓力過高
當注水井壓力超高時，系統將自動停止運行。關閉變頻器，停止水泵停止注水。同時向上位機報警。
B. 注水井壓力過低
當注水井壓力超低時，系統將自動開啟運行。打開變頻器，開啟水泵注水，同時向上位機報警。
3.4、一次儀表
傳感器用于檢測被測參數，如壓力、流量等信號。變送器與傳感器相配合可以大大提高系統的抗干擾能力，并適于遠距離傳輸。電動執行機構變頻設備的驅動。
在注水井系統測量控制的主要參數為壓力、流量。各種壓力、流量傳感器和變送器承擔著將物理信號變換為電信號再送入計算機的任務。在注水井監控系統的總體投資中，各種儀表閥門的投資占總投資的40~70%。而傳感器和執行器的故障率占系統總故障率的60%以上。因此，可以看出：傳感器、執行器不但是注水井監控系統的重要組成部分，而且也是比較薄弱的一個環節，這不僅與傳感器和執行器在系統的工作條件較差有關，還有一個重要原因就是選型不當。以下為我們選擇系統儀表閥門的總體技術要求：
各類設備應滿足技術規范要求，能24小時連續運轉并保證能夠安全、可靠、高效運行。
所供設備中與監控系統控制有關的就地儀表和控制設備可以受其控制或手動控制。
在一般的運行狀態下，提供的就地儀表和控制設備受監控系統的控制。
當控制系統自動控制功能故障時，可以采用手動控制，因此各執行機構均要求有手動控制功能。
為能使設備安全、經濟地運行，并滿足負荷變化的要求，儀表和控制系統確保是安全的、可靠的、經濟的，并能滿足簡單運行的要求。
所供的設備及運行系統能證明是具有先進水平的，即具有最優的可用性、可靠性、維護保養性能及可擴展性。
提供的就地儀表和控制設備與監控設備及計算機系統相匹配，并采用標準的電流或電壓信號作為輸入輸出接口，如0-20mA，4-20mA，0-10V，0-5V等。
注：可以根據用戶的不同技術要求制定出不同的控制方案。
