【摘要】通過(guò)IOTACS無人職守換熱站遠程控制系統的建設, 能(néng)極大地提高供熱企業的管理水平, 并通過(guò)換熱站的優化節能(néng)控制運行策略, 爲供熱企業節省大量的煤耗、電耗, 創造巨大的經(jīng)濟效益。

      【關鍵詞】節能(néng) 無人職守換熱站  熱網監控  管網平衡  雲計算    節電40%    節煤10%

      【安裝單位】   煙台東昌供熱有限責任公司   

      【安裝時間】    2012年    

      【換熱站數量】   50

前言

      随著(zhe)國(guó)民經(jīng)濟的不斷進(jìn)步和人民生活水平日益提高, 社會對(duì)環境的要求越來越高。近年來國(guó)家大力提倡城鎮集中供熱, 改變原來各單位、各片區自己供熱、單獨建立鍋爐房給城市帶來的污染, 由城市外圍的一個或者多個熱電廠提供熱源, 市内各片區建立換熱站,統一給用戶供熱。這(zhè)樣(yàng)就大大減少了燃煤對(duì)城市環境的污染, 同時也節省了能(néng)源, 所以可以說這(zhè)是一項即造福當代人民又造福後(hòu)代子孫的偉大工程。随著(zhe)科學(xué)技術的日新月異, 尤其是計算機、通訊技術的迅速發(fā)展, 自動控制水平也得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用, 尤其是在人們對(duì)供熱質量的要求不斷提高和能(néng)源緊張的今天, 提高供熱質量同時節約能(néng)源勢在必行。所以, 目前各地供熱公司新建換熱站大多都(dōu)是無人值守換熱站, 同時對(duì)老的換熱站的改造也在向(xiàng)無人值守換熱站靠攏。

一、項目概況與需求：

      煙台東昌供熱公司原有一套PLC 監控系統，因監控系統現已故障，無法繼續使用。供熱公司欲建立新系統，恢複監控功能(néng)并加以改造升級。

      1.1 工藝流程示意圖（圖一）：

圖一

      1.2 工藝設備及其監控需求：

      1.3 公司調度和換熱站監控中心要求：

     （1）各換熱站的數據通過(guò)移動公司GPRS網絡平台傳輸，采用雙向(xiàng)穩定的TCP 協議，把數據傳輸到雲計算中心的有固定IP的服務器裡(lǐ)。中心軟件平台還(hái)可對(duì)各監測數據進(jìn)行分析、存儲、預警與管理，以及設備運維信息的建檔管理。

     （2）在每個換熱站設立本站監測中心，監測界面(miàn)以觸摸屏形式表達，畫面(miàn)簡單，方便工人操作。

     （3）宏觀掌握供熱系統運行狀況、運行質量。保證供熱系統的運行參數。對(duì)熱網的水力工況和熱力工況進(jìn)行全自動調節, 解決各換熱站的耦合影響, 消除熱網水平失調, 平衡供熱效果。

     （4）以節省總供熱量爲目标, 在滿足熱網用戶基本采暖要求的前提下盡量減少總供熱量, 從而達到提高經(jīng)濟效益的目的。更好(hǎo)地進(jìn)行供熱系統設備的維護及管理。及時檢測報告供熱系統故障, 作到防微杜漸, 防患未然。

     （5）爲熱網如何經(jīng)濟高效運行提供分析基礎和分析依據。通過(guò)記錄的熱網運行曆史數據,在一個采暖期結束後(hòu)與前期數據進(jìn)行比較分析, 查出主要能(néng)耗來源, 爲今後(hòu)的節能(néng)挖潛改造提供條件。

     1.4現場數據采集的控制器要求:

     1. 數據穩定可靠, 并不要求過(guò)高的采集頻率。

     2. 有一定的分析計算能(néng)力, 例如計算瞬時流量、計算供回水壓差、溫差等。

     3. 有一定數據存儲能(néng)力, 提供給遠程的上位機管理軟件。

     4. 工作方式切換功能(néng)

     5. 參數設定功能(néng)。可接受監控中心的遠程參數設定, 也可接受現場觸摸屏的參數設定;

     6. 溫度、壓力、流量信号的采集功能(néng);

     7. 通訊功能(néng)。内置通訊連接接口, 作爲被(bèi)叫(jiào)方, 接受監控中心的訪問命令、控制命令;

     8. 連網全系統自動控制功能(néng)。根據監控中心下載的局部控制目标參數實現自動控制。采用專家PID 調節算法、滞後(hòu)調節等算法, 調節換熱器的一次管網高溫水流量( 通過(guò)控制電動調節閥實現) , 從而控制二次網的供/回水溫度;

     9. 獨立自動控制功能(néng)。根據運行人員通過(guò)現場觸摸屏設定的參數, 獨立完成(chéng)控制任務。

     10.手動控制功能(néng)。運行人員通過(guò)對(duì)現場觸摸屏直接設定電動調節閥開(kāi)度, 直接調整換熱站一次管網高溫水流量。

二、系統解決方案

     2.1 總體設計思路

     根據客戶需求和現場情況監控系統整體分爲兩(liǎng)大部分：

     2.1.1熱力公司遠程總監控中心

     現場設備運行數據經(jīng)現場監控終端及其通訊端口，通過(guò)GPRS 發(fā)射器和GPRS 網絡平台傳

     輸到雲端進(jìn)入到有固定IP地址的服務器裡(lǐ)，把現場供熱站的各類數據進(jìn)行采集進(jìn)入雲計算中心，熱力公司的工作人員通過(guò)客戶計算機訪問雲計算中心服務器數據，實時了解各監測站點的設備運行情況、相關運行參數。監控中心發(fā)送的命令也由此路徑執行到受控設備。

     2.1.2現場監控終端系統

     主要由我公司研發(fā)生産的IOTACS控制器組成(chéng)，負責采集現場數據，并將(jiāng)數據通過(guò)相應的DTU通訊端口上傳，同時執行各級中心下達的命令。

三、遠程監控中心架構

     3.1 公司調度監控中心

     監控中心設立在供熱公司，充分利用其現有網絡資源及軟硬件設施，對(duì)其進(jìn)行完善，并

     增設服務器系統設備、工作站系統設備，建立統一的供熱實時監控與管理系統。

     3.2雲端系統組成(chéng)

     （1）基于雲計算核心，用戶無需自建服務器，通過(guò)GPRS通訊方式與雲端相連，完美實現遠程控制。

     3.3系統應用軟件功能(néng)設計

     （1）采用B/S結構：系統的設計是基于GPRS 數據傳輸技術和雲端技術之上的，軟件開(kāi)發(fā)采用B/S 結構方式設計，支持各種(zhǒng)平台的Web訪問模式設計，方便不同職能(néng)部門的工作人員工作。

     數據彙集處理和前端控制程序等采用公司自主研發(fā)的嵌入式操作系統，前端采用人機界面(miàn)觸摸屏的的方式，監控調度人員可現場在觸摸屏上完成(chéng)所有操作。其他非監控類人員使用浏覽器訪問系統完成(chéng)所有操作，采用B/S 體系結構。

     （2）實現對(duì)換熱站設備運行情況、相關運行參數的實時監控，以及重要管網測點溫度、壓力數據的在線監測。

     （3）實現對(duì)全部數據的分析、存儲、預警與報表統計、曲線分析輸出功能(néng)。

     （4）實現對(duì)測點各種(zhǒng)機電設備設施情況、維護情況規範化建檔管理。

     （5）實現系統權限管理、安全管理、日志記錄管理功能(néng)。

     （6）電子地圖可視化界面(miàn)顯示

四.IOTACS熱網遠程控制系統組成(chéng)架構

     IOTACS終端主機具有5個485及232通道(dào)以及12個專用擴展通道(dào)，核心系統支持線程模式，可同時采集多個通道(dào)的數據，通過(guò)擴展通道(dào)可以擴展大量的采集模塊以及抄表模塊，通過(guò)雲計算中心能(néng)夠對(duì)每個擴展模塊的控制通道(dào)進(jìn)行采集控制，單個終端主機可擴展至多達4096個A/D通道(dào)，1792個IO，1024個RS485接口以及512個12位D/A通道(dào)，具有極強的擴展及控制能(néng)力。（IOTACS熱網遠程控制系統控制中心主機箱，圖二）

圖二

     IOTACS物聯網采集控制模塊集成(chéng)觸摸屏控制，具有模糊控制算法，可以對(duì)輸入輸出接口進(jìn)行組合控制，自身就是一台完整的小型控制終端，可以通過(guò)RS485接口級聯256個模塊進(jìn)行擴展，并能(néng)夠跨模塊聯動，連接Wiscloud DTU後(hòu)可以進(jìn)行獨立運行或完美的雲端控制，可以與組态軟件、PLC等組網。（數據采集點示意圖，圖三）

圖三

     結合高階硬件濾波及軟件濾波算法，抗幹擾能(néng)力強，檢測精度高，在惡劣環境下輸出穩定可靠！
     3路RS485 MODBUS RTU标準通訊接口

     2路RS232标準通訊接口

     16路12位A/D采集接口

     2路4-20mA輸出接口

     7路開(kāi)關量輸出，每一路可支持100mA負載

           

          模拟量采集擴展模塊                DTU無線發(fā)射模塊

IOTACS系統拓撲圖 （圖四）



圖四

五.IOTACS熱網遠程控制系統GPRS通訊架構

     通訊網絡承擔工作站與各個現場控制站之間的數據傳輸, 數據交換, 是整個監控項目的橋梁, 是保證熱網監測系統正常運行的關鍵，本系統采用GPRS無線通訊。

     1. GPRS 無線通信的特點

     (1) 永遠在線: 通信時, 不需要象PSTN 那樣(yàng)要先撥号以後(hòu)才能(néng)通信。用戶随時都(dōu)與網絡保持著(zhe)聯系, 即使沒(méi)有數據傳輸時, 用戶也仍然附著(zhe)在網上與網絡保持著(zhe)聯系。

     (2) 快速登錄: GPRS 無線終端一開(kāi)機, 即已經(jīng)與GPRS 網絡建立了連接。每次登錄Internet

     隻需要一個激活的過(guò)程, 一般僅需要1到3 秒鍾。

     (3) 高速傳輸: 由于GPRS 采用了先進(jìn)的分組交換技術, 數據傳輸的最高理論值可171.2kb/s。

     (4) 按量計費: GPRS 網絡按照用戶接收和發(fā)送數據包的數量來收取費用。沒(méi)有數據流量傳輸時, 用戶即使在線, 也不收費。

     (5) 覆蓋面(miàn)廣: 目前, GPRS 網絡已基本覆蓋了所有GSM網絡, 偏遠地區不再是數據傳輸的盲區。

     (6) 可移動性: 企業對(duì)系統所有設備有自主權, 無需與運營商交涉, 可以自由分配。

     (7) 可靠性強: 系統具有糾錯、重發(fā)機制,從而确保數據的完整性和正确性。其次, 系統具有自動恢複功能(néng), 在GPRS 網絡狀态不穩定的情況下, 保證系統穩定工作, 而無需人工幹預。

     (8) 安全性高: 系統在數據傳輸過(guò)程中加入了加密機制, 數據可以在公網上安全地傳輸。

     (9) 無人職守: 系統具有雙向(xiàng)數據傳輸功能(néng), 從而實現遠程控制, 無人職守。

     (10) 靈活方便: 系統依托相應的軟件, 可以靈活實現點～點、點～多點、中心～多點的對(duì)等數據傳輸。熱網監控系統的通訊網絡結構圖如下（圖五）:

圖五

六、IOTACS熱網遠程控制系統實現功能(néng)

     6.1遠程采集

     遠程數據采集可以定時采集, 也可以循環采集, 即可以采集當前的實時數據, 也可以采集過(guò)去的曆史數據( 要求數據采集設備能(néng)存儲至少一周的曆史數據, 已備通訊設備故障時數據不會丢失) 。

     6.2遠程控制

     遠程控制是無人值守換熱站的重要環節, 包括對(duì)閥門的控制( 手動開(kāi)關閥門) 、控制策略的選擇( 經(jīng)驗調節、定溫調節、手動調節等) 供水溫度值的設定、循環泵的起(qǐ)停、補水泵的起(qǐ)停等。

（遠程監控界面(miàn)現場實際工況，圖六）

圖六

     6.3遠程調試

     理想的通訊方式不但解決了數據的遠程采集和控制, 還(hái)可以實現現場控制器的遠程維護, 修改控制策略, 修改報警參數值, 等等。可以減少去現場的次數, 并且可以迅速的了解現場控制器的工作情況, 大大提高了工作效率。（遠程監控數據顯示及調試控制界面(miàn)圖七）

圖七

     6.3 溫度控制

      要使用戶家裡(lǐ)溫度更加舒适, 必須保證換熱站供出的溫度( 熱量) 合适, 這(zhè)樣(yàng)我們就根據不同情況對(duì)換熱站的二次出水溫度進(jìn)行控制。控制方式大緻分爲, 經(jīng)驗調節、定溫調節、分時段調節三種(zhǒng)。

     （1）經(jīng)驗調節

      即根據以往的供熱經(jīng)驗, 在不同的室外溫度條件下, 保證不同的二次網供水溫度。各個控制器輸入二次供水溫度調節曲線, 系統通過(guò)檢測二次網供水溫度和室外溫度, 自動調節一次網的閥門開(kāi)度從而達到二次網的設定供水溫度值, 實現換熱站的質調節。管理人員可以在現場通過(guò)液晶鍵盤或通過(guò)上位機軟件遠程對(duì)此曲線進(jìn)行修改。曲線如圖八:

圖八

     （2）定溫調節

      用戶可任意設定供水溫度值, 系統將(jiāng)自動調節一次網的流量從而使二次網供水溫度穩定在此設定值。管理人員可以在現場通過(guò)液晶鍵盤或通過(guò)上位機軟件遠程對(duì)此設定值進(jìn)行修改。

     （3）分時段調節

      在不同的時間段設定不同的二次網供水溫度, 本方式支持在不同的時間段修正固定的供水溫度設定值( 經(jīng)驗調節曲線或固定供水溫度) , 這(zhè)樣(yàng)可生成(chéng)一條更經(jīng)濟的運行曲線。管理人員可以在現場通過(guò)液晶鍵盤或通過(guò)上位機軟件遠程對(duì)此曲線進(jìn)行修改。如下圖九所示, 固定供水溫度運行( 紅色) +分時段修正運行時的實際供水溫度( 黑色) 曲線:

圖九

     6.4 壓力控制

      無人值守換熱站中壓力控制主要是二次供水壓力( 或者是二次供回水壓差) 和二次回水壓力的控制。分别通過(guò)調整循環泵變頻頻率和補水泵變頻頻率實現。變頻恒壓供水已經(jīng)用得到很多, 這(zhè)裡(lǐ)就不在說明。需要強調的是幾種(zhǒng)故障和相應的保護措施。

     （1）二次供水壓力過(guò)高, 供熱系統中, 此故障是個比較嚴重的故障, 需要系統停止運行進(jìn)行檢查, 否則有可能(néng)會造成(chéng)用戶家裡(lǐ)暖氣片的損壞。

     （2） 二次回水壓力過(guò)高, 系統設置超壓洩水電磁閥, 報警發(fā)生時自動打開(kāi)電磁閥洩水。

     （3）二次回水壓力過(guò)低, 爲了保護循環泵,此報警發(fā)生時系統應該停止運行并報警。

     （4） 補水箱水位過(guò)低, 應該停止補水, 避免補水泵長(cháng)期無水運行造成(chéng)損壞。

     （5） 補水箱水位過(guò)高, 應該關閉自來水, 避免不必要的浪費。

     （6）有些換熱站生水壓力不足或防止短時間停水, 應該設置生水箱。另外, 控制器和變頻器進(jìn)行通訊, 設定和讀取變頻器的參數如: 工作電壓、工作頻率、工作電流等, 以便了解水泵電機的運行情況。

     6.5 報警管理

     無人值守換熱站的監控中心軟件具備報警管理功能(néng), 每條報警信息應該包含報警站點、報警發(fā)生時間、報警參數及當前值等詳細信息。軟件對(duì)過(guò)去的報警可以按站點或按時間進(jìn)行查詢, 并記錄報警的處理人和處理時間。

     6.6權限設置

     監控系統對(duì)運行人員、維護人員、管理人員賦予不同的權限, 不同的人員具有不同的操作權限, 從而避免了操作不當所造成(chéng)的系統故障。

七、IOTACS與傳統PLC控制系統優勢對(duì)比

     1、基于雲計算平台：無需自建機房和數據中心，可在手機、電腦等終端連接雲計算中心，進(jìn)行高效率的數據運行及運算能(néng)力,并可在雲端對(duì)所有設備進(jìn)行設定，随時調用、監管、控制。

     2、無需任何編程   采用觸摸屏一體化設計，在施工部署時不需要任何的編程，具有完美的模糊控制理念及控制算法，可以將(jiāng)所有輸入輸出接口進(jìn)行任意組合控制，并且可以完全脫離雲計算中心自動運行，也可以通過(guò)雲計算中心進(jìn)行極端複雜的流程控制。

     3、系統成(chéng)本低：省去PLC系統自拉光纖、自架服務器、購買UPS和蓄電池等額外的财力消耗，同時省下後(hòu)期昂貴的系統維護費用。

     4、控制能(néng)力強大：單機可承載1萬以上的終端連接數量且運行毫無負擔。物聯網控制終端主機具有5個485及232通道(dào)以及12個專用擴展通道(dào)，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)時采用了線程模式，可同時采集多個通道(dào)的數據，通過(guò)擴展通道(dào)可以擴展大量的采集模塊以及抄表模塊，終端主機能(néng)夠將(jiāng)擴展模塊的數據自動打包上傳到雲計算中心，也可以通過(guò)雲計算中心對(duì)每個擴展模塊的控制通道(dào)進(jìn)行控制，單主機通過(guò)擴展可實現多達2048以上通道(dào)的數據采集以及控制。

     5、擴展能(néng)力強大，擴展方便快捷：可達到無縫擴展至10萬以上的終端連接數量，獨自研發(fā)的物聯網終端設備的透傳協議，使後(hòu)期新增擴展模塊時無需重新編程，模塊的通用性強，自帶輸入、輸出、485、Mbus、模拟量采集适應用戶的新增需求。

     6、穩定性強：一體化開(kāi)發(fā)的自有系統，主機高度集成(chéng)化，把觸摸屏的控制、DTU和主機的處理部分、以及采集部分、下位機通信部分集成(chéng)一體，任何節點的損壞都(dōu)不會影響整個系統的運行，運行更加穩定。

     7、人性化服務：支持地理信息系統，觸摸屏終端可随時提供動态數據，了解電廠的電量、電壓、電流檢測，整個系統可在雲端無縫升級。

     8、後(hòu)期運維方便：系統不需要專門維護，一旦發(fā)生故障，根本不需像老式系統那樣(yàng)等待專業人員現場編程調試，隻需請電工按照操作要求重新安裝備選模塊即可，方便快捷，時效性高。

     9、節能(néng)量大：國(guó)内節能(néng)率最高的物聯網雲計算遠程節能(néng)控制系統，爲多個地區供熱公司提供IOTACS系統，達到節電高40%，節煤高12%。 

     10、兼容性強：能(néng)兼容并學(xué)習市面(miàn)上幾乎所有品牌的熱表、壓力表等設備的協議，進(jìn)行遠程操作，無需配備指定設備，利于廠家控制設備成(chéng)本。

八、目前換熱站工控老系統現狀

     1、大多數是用PLC組合集成(chéng)的，不支持雲計算，普遍采用的是組态系統，隻能(néng)通過(guò)電腦操作控制，且需要自己拉光纖，架設數據中心，系統投資多。現場部署和管理複雜，二次運維成(chéng)本十分昂貴。

     2、控制能(néng)力差，控制通道(dào)太少，擴充到24路時，運行困難，當達到200個通道(dào)的時候組态系統基本癱瘓，擴展能(néng)力差,很難實現管網平衡。

     3、穩定性差，單線串聯的變頻器、熱表的控制中，某一設備的死機造成(chéng)整個鏈路無法運行的問題。不人性化，系統參數固定，無法根據需要重新設定。

     4、後(hòu)期維護複雜，一旦模塊損壞，需要專業編程人員現場測試并進(jìn)行重新編程，時效性差。

     5、不同品牌設備的兼容性差，同一用戶的終端品牌及品種(zhǒng)數量衆多，協議千變萬化，采集點與終端數量不斷增加，設備死機，不執行指令的情況時有發(fā)生。

九、IOTACS 引領新一代工業革命，相比目前國(guó)内99%工業控制進(jìn)口PLC系統，我們擁有更多的優勢！

     1、施工部署簡單10倍以上

     2、運營成(chéng)本降低50%以上

     3、施工效率提高10倍以上

     4、從此不再需要專業的PLC程序員

     5、期維護簡單，費用幾乎爲零

     6、相同成(chéng)本下比PLC的帶載能(néng)力高達20倍以上

十、結論

     總之, 無人值守換熱站很好(hǎo)的實現了對(duì)換熱站設備的自動控制, 遠程監控，提高了供熱質量。本案例實際應用單位煙台東昌供熱有限公司每年使用本系統可節電高達40%，節煤高達10%，在滿足了用戶需求的前提下, 節約了大量的人力、物力資源, 減少了不必要的浪費。同時, 管理人員可以更清楚的了解各個換熱站的運行數據, 使管理更加有地放矢, 有效的提高了供熱管理水平; 提高了熱力系統的運行管理水平;爲熱力系統的運行管理提供一個良好(hǎo)的支持環境; 提高公司效益。不斷提高, 一次性投資逐漸減低, 但産生的經(jīng)濟效果很大, 一般僅節電的效益在一年左右的時間即可收回投資。目前, 我國(guó)在水泵控制系統中應用變頻技術雖然有了很大進(jìn)步, 但總體水平仍然很低, 其應用量僅占水泵總量的5- 7%, 而先進(jìn)的工業化國(guó)家其應用量已達90%左右。在供熱領域, 在補水定壓控制系統中已得到了充分的利用, 但在循環水泵的控制方面(miàn), 受制于技術、經(jīng)濟、以及經(jīng)濟體制、産權隸屬關系等外部因素的影響, 其應用普及的還(hái)很慢。但随著(zhe)配套技術的發(fā)展, 人們思想意識的提高, 特别是“熱改”後(hòu), 變頻調速泵控制技術必將(jiāng)在集中供熱系統中得到廣泛的利用。