Одно из основных направлений развития инжиниринговой компании ВИРА связано с разработкой (совместно с институтом автоматики и процессов управления ДВО РАН), внедрением и сопровождением информационно-аналитических систем (ИАС) мониторинга и анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики (ОТЭ) Дальневосточного региона России. В этой связи уместно отметить следующие законченные и эксплуатируемые в настоящее время ИАС. В 2000 году была завершена разработка ИАС "СОНА" [1], используемой до настоящего времени при сервисном 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 5. Система "АИСТ" внедрена в 2005 году и эксплуатируется в котельных "Курс" и "Интернат" г. Арсеньев.

Следующий шаг в развитии данного направления связан с разработкой платформы (универсальной заготовки) для создания систем анализа режимов функционирования объектов теплоэнергетики (ОТЭ). 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", в значительной степени отвечающей этому требованию.

Информационной базой системы "СКУТЕР" являются результаты измерений параметров ОТЭ, получаемые в процессе мониторинга с использованием SCADA-системы (в основном для источников теплоты) либо считываемых из архивов тепловычислителей (в основном для объектов-потребителей теплоты).

Система включает в себя набор независимых программных модулей, ориентированных на решение требуемых прикладных задач и обладающих определенной функциональной направленностью. Основными модулями системы являются следующие: "Сбор данных", "Графики", "Таблицы", "Отчеты", "Температурные графики", "Тепловой режим", "Рекомендации", "Дефекты", "Диаграммы", "Зависимости", "Конфигуратор" и "Классификатор". Отдельные модули системы связаны между собой по структуре данных (которые вводятся, собираются и используются разными модулями), хранящихся в единой Базе Данных.

Отдельные модули системы могут использоваться автономно (со своей локальной копией базы данных), например, модуль сбора при ручном сборе данных, с последующей синхронизацией собранных данных в общую базу. Другим примером использования нескольких баз данных является распределенный сбор данных с приборов учета в региональных центрах и их передача (синхронизация) в общий центр данных по скоростным линиям. Ниже приводится краткое описание основных модулей системы "СКУТЕР".

Сбор данных

Модуль предназначен для считывания архивной информации из приборов учета (теплосчетчиков), первичной обработки и сохранения результатов в базу данных ретроспективной информации. В список устройств, поддерживаемых модулем, входят теплосчетчики SKU (Катра), SKM (Катра), SKS (Катра), Multical (Kamstrup) и ВКТ-7 (Теплоком). Другие виды счетчиков могут быть добавлены путем написания соответствующего драйвера. Модуль поддерживает различные режимы работы: непосредственный опрос, ручной опрос и автоматический сбор по расписанию с помощью модема, распределенный сбор данных через GSM/GPRS модемы с помощью технологий M2M. Первый режим предназначен для сбора с приборов с использованием ноутбука с непосредственным подключением, а остальные - для сбора с использованием модема. Автоматический режим используется для массового опроса группы приборов в составе информационно-аналитического центра. Преимущество последнего способа сбора данных заключается в использовании инновационного аппаратно-программного обеспечения позволяющего перейти от коммутируемого доступа к теплосчетчику в определенное время (по расписанию) к асинxронно-управляемому сбору данных с большого количества теплосчетчиков без необходимости увеличения коммутационного оборудования на сервере сбора. Помимо этого данный способ является более совершенным и гибким при решении проблем организации сети сбора данных и, что немаловажно, позволяет существенно снизить затраты на связь. Модуль реализован в виде многопоточной программы, что позволяет использовать для сбора информации несколько модемов одновременно. Количество модемов используемых для опроса ограничено лишь аппаратными возможностями сервера сбора данных.

Модуль сбора данных (режим ручного сбора)

После выбора типа и параметров соединения, модели теплосчетчика и типа данных (текущие, часовые, суточные, месячные) программа осуществляет соединение с прибором, и при помощи соответствующего драйвера начинается процесс считывания данных. В зависимости от типа прибора, линии связи, параметров соединения и размера закачиваемого архива время получения данных может быть различным и составлять от нескольких секунд при считывании текущих показаний (мониторинг) до целого часа при считывании всего среднечасового архива. В первую очередь определяется номер (как правило, заводской) прибора, который вместе с типом теплосчетчика, является уникальной характеристикой (ключом) в базе данных. Далее считываются и отображаются в окне текущие параметры теплоносителя (тепловая энергия, расход массовый и объемный, температура и давление) в подающем и обратном трубопроводе. Эти значения соответствуют текущим показания теплосчетчика на момент считывания данных и в зависимости от типа прибора учета могут быть накопленными или среднечасовыми. Контроль сбора данных можно осуществлять по индикатору выполнения (progress bar), который показывает завершенность процесса в процентном выражении. Над индикатором выполнения выводится дата, до которой архив уже считан. По завершении процедуры считывания с теплосчетчика, полученная информация заносится в базу данных.

См. более детальную информацию по системе сбора и экспресс-анализа данных с приборов учета.

Графики

Пользователю предоставляется широкий набор возможностей (в том числе и оригинальных) графического отображения значений измеряемых и вычисляемых на их основе параметров. Среди них выделим следующие: до шести осей ординат (по три с каждой стороны), интерактивное масштабирование по каждой оси в отдельности с помощью мыши ("приближение-удаление", сжатие-растяжение, сдвиг), усреднение по времени (среднечасовые, среднесуточные, среднемесячные и т.д.), групповое усреднение (по часам суток, по дням недели), показ-скрытие отдельных графиков с помощью мыши. Промежутки времени по оси абсцисс для удобства могут быть размечены цветными полосами (дни недели, недели, месяцы, годы). Области значений тех или иных графиков (динамический, критический и др. диапазоны) размечаются цветными горизонтальными полосами. Графики можно распечатать на принтере и сохранить в графический файл. Вид графиков (цвет, ось, которой он принадлежит, единицы измерения и др.) настраивается на уровне БД.

Отметим, что для систематизации хранимых в базе данных результатов измерений используется система трёхуровневой группировки: данные группируются в группы, группы - в наборы, а наборы - в конфигурации. Например, в конфигурации "Котельная Курс" имеются такие наборы, как "Котёл №1", "Котёл №2", "Теплосеть" и т.д. Далее в наборах по котлам имеются группы графиков такие, как "Выработка тепла", "Параметры воды" или "Параметры пара" и т.д. А уже в группах находятся собственно соответствующие измеряемые параметры (теплота, расходы, температуры и т.д.).

Изменение температуры в теплосети во времени

Теплопотребление и температура наружного воздуха при усреднении по часам суток

Таблицы

Таблицы достаточно просты, но эффективны для анализа числовых рядов данных. Группы параметров, отображаемых в таблицах, в общем случае могут не совпадать с группами параметров графиков. В таблицу можно одновременно поместить гораздо больше параметров, чем одновременно отображаются на графиках. Как уже было сказано выше, группы для таблиц (равно как и для графиков) настраиваются.

В таблицах предусмотрено усреднение по времени, как и на графиках. Таблицы можно распечатать на принтере и сохранить в текстовый файл специального формата, который можно открыть в любой электронной таблице (например, Microsoft Office Excel).

В заголовке таблицы отображаются: тип параметра (Q - тепловая энергия, М - массовый расход, Т - температура и т.д.) и единицы измерения по теплосчетчику. В двух нижних строках таблицы приводятся итоговые значения параметров за выбранный интервал времени.

Среднемесячные параметры теплоносителя за отопительный сезон 2008-2009 гг.

Отчеты

Модуль формирования отчётов обладает определенной универсальностью: формы отчётов хранятся в БД, механизм представления данных в этих формах позволяет выполнять их математическую обработку. Так можно, например, создавать отчёты в виде сводных данных за отчётный период, в виде ряда усреднённых данных (посуточные, почасовые отчёты) и т.д. Отчёты формируются за такие отчётные периоды, как сутки и месяц либо с начала суток и с начала месяца (по текущий час или дату).

Месячный отчёт в виде ряда усреднённых данных (по суткам)

Температурный график

Модуль предназначен для построения фактического температурного графика источника теплоты по результатам измерения температуры в подающем и обратном трубопроводах теплосети. Модуль позволяет производить сравнительный анализ утвержденного температурного графика и рассчитанного на основе измеренных данных за выбранный временной период с целью оценки эффективности качественного регулирования теплоснабжения.

Сравнение утвержденного (130-70 со срезками 95-60) и фактического температурных графиков

Тепловой режим

Модуль предназначен для объективного анализа эффективности теплоснабжения посредством сравнения нормативных (расчетных) значений параметров теплоносителя с фактическими данными, полученными в результате измерений. Сравнивая фактические и расчетные (по договорным нагрузкам) параметры, выявляют основные причины некачественного теплоснабжения за счет нарушения теплового режима на объекте. Оценку эффективности теплового режима осуществляют по следующим показателям:

• потребление тепловой энергии;
• температура теплоносителя в подающем трубопроводе теплового узла абонента;
• разность значений температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах;
• температура теплоносителя в обратном трубопроводе теплового узла абонента.

Исходными данными для расчета нормативных показателей являются климатические данные региона, расчетные (договорные) тепловые нагрузки на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение и утвержденный на данный сезон температурный график. Пересчет нормативных показателей ведется в зависимости от фактической температуры наружного воздуха.

В дополнение к графическому отображению параметров теплового режима реализована возможность визуализации сравнительных характеристик фактических и нормативных значений параметров. Предусмотрено три основных режима сравнительного анализа:

1. Сравнение абсолютных значений параметров.
2. Определение относительного (в процентах) рассогласования между нормативным и фактическим значениями параметра.
3. Определение коэффициента превышения (занижения) фактического значения параметра над нормативным.

Сравнение фактического теплопотребления с расчетным по договорной тепловой нагрузке

Дефекты

Модуль предназначен для выявления дефектов и нарушений режимов функционирования ОТЭ. Дефекты задаются пользователем с помощью символьного языка в виде формул, аргументами которых являются измеряемые параметры объекта.

Дефекты объектов диагностирования подразделяются на поведенческие и физические. Поведенческие дефекты связываются с возникновением нештатных и критических ситуаций, приводящих к нарушению требований нормативной базы, предъявляемых к эксплуатационным режимам ОТЭ. Примерами поведенческих дефектов являются выход измеряемой величины за пределы динамического диапазона измерений датчика; несанкционированный водозабор; недопустимое отклонение температуры теплоносителя от нормативного значения и т.д. Примерами физических дефектов являются утечки в трубопроводах, метрологический отказ (погрешность прибора превышает указанную в его паспорте величину), катастрофические дефекты измерительного оборудования, ассоциируемые с кодами ошибок, выявляемых встроенными средствами контроля.

Обнаружение дефектов

Рекомендации

Модуль предназначен для оперативного анализа результатов измерений за прошедший (непродолжительный) период времени. Модуль позволяет рассчитать и визуализировать основные показатели функционирования объекта, выявить отклонения от нормативных режимов, а так же предоставляет рекомендации по их устранению. Модуль особенно полезен при сборе данных непосредственно на объекте.

Анализ среднестатистических показателей теплоснабжения

Диаграммы

Модуль Графической Интерпретации Данных Ретроспективного Анализа (ГИДРА) предназначен для интегральной оценки эффективности режимов теплопотребления совокупности объектов - потребителей тепла. Функциональные возможности модуля упорядочены по следующим группам показателей:

• энергетическая эффективность;
• экономическая эффективность;
• поведенческие дефекты.

В части анализа экономической эффективности пользователю предоставляется возможность сопоставить нормативное (расчетное) теплопотребление с измеренным, оценить экономический эффект приборного учета (в Гкал. и %) для каждого объекта из группы, для всех объектов по месяцам, для всех объектов за весь анализируемый интервал времени; определить экономические потери, связанные с перетопами; получить пространственную картину экономической эффективности, позволяющей интегрально оценить (в абсолютных и относительных единицах) вклад каждого объекта в общий экономический эффект и т.д.

В части анализа энергетической эффективности пользователь может определить численные значения различных коэффициентов эффективности теплопотребления, выявить все перетопы, сопоставить нормативные и фактические характеристики теплопотребления.

В результате определения и анализа поведенческих дефектов пользователю предоставляются возможности оценки баланса потоков, выявления несанкционированного водозабора, выявление дефицита температуры теплоносителя, завышения температуры обратной воды, определения адекватности теплового и гидравлического режимов.

Визуальная интерпретация данных широко варьируется в зависимости от запрашиваемых сведений, и может изменяться по запросу пользователя (столбиковые диаграммы, карта распределения, круговая диаграмма).

Анализ эффективности теплопотребления

Оценка экономической эффективности внедрения приборного учета тепла

Оценка вклада отдельного объекта в общую экономию по группе объектов

Анализ адекватности теплового и гидравлического режимов

Контроль баланса потоков

Зависимости

Модуль предназначен для выявления тенденций изменения измеряемых параметров с учетом их взаимосвязи. Линии тренда позволяют графически отображать тенденции данных и прогнозировать их дальнейшие изменения. Результаты анализа впоследствии могут быть использованы для составления прогнозов, оценки качества технологического процесса и решения задач диагностики измерительного оборудования.

Программный модуль поддерживает два режима работы:

• простая регрессия;
• множественная регрессия.

Простая регрессия предполагает построение элементарной зависимости одного параметра от другого, причем это могут быть как измеряемые, так и рассчитываемые по формулам, задаваемым пользователем, величины. При работе в этом режиме на графике отображается набор данных, характеризующий распределение значений выбранных параметров, линия тренда и значение критерия достоверности аппроксимации.

Множественная регрессия позволяет найти фактическую зависимость одного параметра от нескольких других.

Оценка качественного регулирования теплопотребления Q = f (Tнв)

Конфигуратор

Модуль предназначен для ввода данных по объектам в статическую БД, а именно:

• наименование, адрес, имена и телефоны.
• информация о приборах, установленных на объектах (типы, описания интеграторов, схемы подключения; описание расходомеров - тип, диаметр, динамический диапазон измерений);
• проектные значения измеряемых и вычисляемых параметров.
• температурный график объекта.
• классификация объекта по категориям (ведомственная, административная, географическая принадлежность; источник теплоты; ответственный по обслуживанию; тип сбора данных, тип измерительного оборудования и др.).

Классификатор

Классификатор объектов является средством фильтрации объектов для удобства разных пользователей программы. При этом можно выделить два способа использования классификатора:

1. В базе данных имеется достаточно много различных объектов. В этом случае пользователь программы может воспользоваться классификатором, чтобы отфильтровать группы объектов (или одиночные объекты) по заданным критериям.
2. Имеется несколько пользователей программы и каждый из них следит лишь за своей группой объектов, а другие группы объектов его не интересуют (ответственные за обслуживание объектов). Тогда удобно настроить программу так, чтобы у каждого из этих пользователей автоматически загружалась лишь нужная ему группа объектов.

Структура классификатора представляет собой двухуровневое дерево: первый уровень - классы, подчинённый им второй уровень - подклассы. Каждый подкласс может принадлежать только одному классу. Каждому подклассу в БД сопоставлено множество объектов. Каждый объект может одновременно входить в несколько подклассов. Структуру дерева классификатора (классы и подклассы) наглядно можно увидеть в левой панели диалогового окна классификатора объектов.

Диалоговое окно классификатора объектов

1. Окно вывода дерева классификатора. Дерево двухуровневое: класс и подкласс.
2. Класс: агрегирующее множество, содержит подклассы. Каждый подкласс может принадлежать только одному классу.
3. Подкласс: критерий классификации, содержит объекты. Разные подклассы могут содержать один и тот же объект.
4. Окно найденных объектов (приборов). Выводятся в виде таблицы.
   • Классифицируются объекты, но выводятся приборы. Т.е. если объект содержит несколько приборов, то все они будут выведены в список.
5. Колонка объектов (название).
6. Колонка приборов (тип, название).
7. Колонка типов водоразбора объекта или части объекта, которая контролируется данным прибором (открытая, закрытая).
8. Колонка описания прибора. Обычно указывается, что он измеряет (отопление, ГВС), но допускается и другое описание.
9. Кнопка установки пометок (галочек) всех классов и подклассов.
10. Кнопка снятия пометок со всех классов и подклассов.
11. Флажок вывода всех объектов. Если включен, окно (1) и кнопки (9), (10) и (14) становятся недоступными, в окне (4) выводятся все объекты.
    • Следует заметить, что могут существовать неклассифицированные объекты, т.е. которые не могут быть найдены путём выделения подклассов в дереве классификатора.
    • При снятии флажка включается дерево классификатора, и если в нём были помечены какие-то классы и подклассы, то по ним сразу же осуществляется поиск (без необходимости нажатия на кнопку (14)) объектов и вывод последних в список (4).
12. Кнопка установки пометок (галочек) всех приборов в списке (4).
13. Кнопка снятия пометок со всех приборов в списке (4).
14. Кнопка поиска объектов по выбранным критериям.
15. Условия поиска объектов по подклассам:
    • И: если объект принадлежит всем выбранным (помеченным галочками) подклассам и текущей выборке в списке (4), то он добавляется в список (4);
    • ИЛИ: если объект принадлежит хотя бы одному из выбранных подклассов или текущей выборке в списке (4), то он добавляется в список (4). При этом приборы в списке (4) никогда не дублируются.
16. Кнопка очистки списка (4).
17. Кнопка выбора группы из помеченных галочками приборов из списка (4). Сохраняет выбранный список агрегатов в памяти программы и закрывает диалоговое окно.
18. Кнопка отмены.
19. Кнопка вывода данного раздела справки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бабенко В.Р., Кузнецов Р.С., Орлов С.И., Чипулис В.П. Система мониторинга и анализа режимов функционирования потребителей тепловой энергии // Информатизация и системы управления в промышленности. -2005. -N7. -С. 23-28.
2. Бабенко В.Н., Виноградов А.Н., Малышко А.В., Михальцов А.С., Орлов С.И., Чипулис В.П. Автоматизация процессов мониторинга, регулирования и анализа режимов функционирования источников теплоты // Информатизация и системы управления в промышленности. -2004. -N1. -С. 5-8.
3. Виноградов А.Н., Гербек Ф.Э., Раздобудько В.В., Кузнецов Р.С., Чипулис В.П. Учет и анализ параметров технологических процессов выработки тепловой энергии // Информатизация и системы управления в промышленности. -2006. -N7. -С. 4-9.