【摘要】通過IOTACS無人職守換熱站遠程控制系統(tǒng)的建設, 能極大地提高供熱企業(yè)的管理水平, 并通過換熱站的優(yōu)化節(jié)能控制運行策略, 為供熱企業(yè)節(jié)省大量的煤耗、電耗, 創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。
【關鍵詞】節(jié)能 無人職守換熱站 熱網(wǎng)監(jiān)控 管網(wǎng)平衡 云計算 節(jié)電40% 節(jié)煤10%
【安裝單位】 煙臺東昌供熱有限責任公司
【安裝時間】 2012年
【換熱站數(shù)量】 50
前言
隨著國民經(jīng)濟的不斷進步和人民生活水平日益提高, 社會對環(huán)境的要求越來越高。近年來國家大力提倡城鎮(zhèn)集中供熱, 改變原來各單位、各片區(qū)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, 市內各片區(qū)建立換熱站,統(tǒng)一給用戶供熱。這樣就大大減少了燃煤對城市環(huán)境的污染, 同時也節(jié)省了能源, 所以可以說這是一項即造福當代人民又造福后代子孫的偉大工程。隨著科學技術的日新月異, 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, 尤其是在人們對供熱質量的要求不斷提高和能源緊張的今天, 提高供熱質量同時節(jié)約能源勢在必行。所以, 目前各地供熱公司新建換熱站大多都是無人值守換熱站, 同時對老的換熱站的改造也在向無人值守換熱站靠攏。
一、項目概況與需求：
煙臺東昌供熱公司原有一套PLC 監(jiān)控系統(tǒng)，因監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已故障，無法繼續(xù)使用。供熱公司欲建立新系統(tǒng)，恢復監(jiān)控功能并加以改造升級。
1.1 工藝流程示意圖（圖一）：
圖一
1.2 工藝設備及其監(jiān)控需求：
1.3 公司調度和換熱站監(jiān)控中心要求：
（1）各換熱站的數(shù)據(jù)通過移動公司GPRS網(wǎng)絡平臺傳輸，采用雙向穩(wěn)定的TCP 協(xié)議，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆朴嬎阒行牡挠泄潭↖P的服務器里。中心軟件平臺還可對各監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、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(jiān)測中心，監(jiān)測界面以觸摸屏形式表達，畫面簡單，方便工人操作。
（3）宏觀掌握供熱系統(tǒng)運行狀況、運行質量。保證供熱系統(tǒng)的運行參數(shù)。對熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進行全自動調節(jié), 解決各換熱站的耦合影響, 消除熱網(wǎng)水平失調, 平衡供熱效果。
（4）以節(jié)省總供熱量為目標, 在滿足熱網(wǎng)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。更好地進行供熱系統(tǒng)設備的維護及管理。及時檢測報告供熱系統(tǒng)故障, 作到防微杜漸, 防患未然。
（5）為熱網(wǎng)如何經(jīng)濟高效運行提供分析基礎和分析依據(jù)。通過記錄的熱網(wǎng)運行歷史數(shù)據(jù),在一個采暖期結束后與前期數(shù)據(jù)進行比較分析, 查出主要能耗來源, 為今后的節(jié)能挖潛改造提供條件。
1.4現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的控制器要求:
1. 數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠, 并不要求過高的采集頻率。
2. 有一定的分析計算能力, 例如計算瞬時流量、計算供回水壓差、溫差等。
3. 有一定數(shù)據(jù)存儲能力, 提供給遠程的上位機管理軟件。
4. 工作方式切換功能
5. 參數(shù)設定功能�？山邮鼙O(jiān)控中心的遠程參數(shù)設定, 也可接受現(xiàn)場觸摸屏的參數(shù)設定;
6. 溫度、壓力、流量信號的采集功能;
7. 通訊功能。內置通訊連接接口, 作為被叫方, 接受監(jiān)控中心的訪問命令、控制命令;
8. 連網(wǎng)全系統(tǒng)自動控制功能。根據(jù)監(jiān)控中心下載的局部控制目標參數(shù)實現(xiàn)自動控制。采用專家PID 調節(jié)算法、滯后調節(jié)等算法, 調節(jié)換熱器的一次管網(wǎng)高溫水流量( 通過控制電動調節(jié)閥實現(xiàn)) , 從而控制二次網(wǎng)的供/回水溫度;
9. 獨立自動控制功能。根據(jù)運行人員通過現(xiàn)場觸摸屏設定的參數(shù), 獨立完成控制任務。
10.手動控制功能。運行人員通過對現(xiàn)場觸摸屏直接設定電動調節(jié)閥開度, 直接調整換熱站一次管網(wǎng)高溫水流量。
二、系統(tǒng)解決方案
2.1 總體設計思路
根據(jù)客戶需求和現(xiàn)場情況監(jiān)控系統(tǒng)整體分為兩大部分：
2.1.1熱力公司遠程總監(jiān)控中心
現(xiàn)場設備運行數(shù)據(jù)經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)控終端及其通訊端口，通過GPRS 發(fā)射器和GPRS 網(wǎng)絡平臺傳
輸?shù)皆贫诉M入到有固定IP地址的服務器里，把現(xiàn)場供熱站的各類數(shù)據(jù)進行采集進入云計算中心，熱力公司的工作人員通過客戶計算機訪問云計算中心服務器數(shù)據(jù)，實時了解各監(jiān)測站點的設備運行情況、相關運行參數(shù)。監(jiān)控中心發(fā)送的命令也由此路徑執(zhí)行到受控設備。
2.1.2現(xiàn)場監(jiān)控終端系統(tǒng)
主要由我公司研發(fā)生產(chǎn)的IOTACS控制器組成，負責采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過相應的DTU通訊端口上傳，同時執(zhí)行各級中心下達的命令。
三、遠程監(jiān)控中心架構
3.1 公司調度監(jiān)控中心
監(jiān)控中心設立在供熱公司，充分利用其現(xiàn)有網(wǎng)絡資源及軟硬件設施，對其進行完善，并
增設服務器系統(tǒng)設備、工作站系統(tǒng)設備，建立統(tǒng)一的供熱實時監(jiān)控與管理系統(tǒng)。
3.2云端系統(tǒng)組成
（1）基于云計算核心，用戶無需自建服務器，通過GPRS通訊方式與云端相連，完美實現(xiàn)遠程控制。
3.3系統(tǒng)應用軟件功能設計
（1）采用B/S結構：系統(tǒng)的設計是基于GPRS 數(shù)據(jù)傳輸技術和云端技術之上的，軟件開發(fā)采用B/S 結構方式設計，支持各種平臺的Web訪問模式設計，方便不同職能部門的工作人員工作。
數(shù)據(jù)匯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(tǒng)，前端采用人機界面觸摸屏的的方式，監(jiān)控調度人員可現(xiàn)場在觸摸屏上完成所有操作。其他非監(jiān)控類人員使用瀏覽器訪問系統(tǒng)完成所有操作，采用B/S 體系結構。
（2）實現(xiàn)對換熱站設備運行情況、相關運行參數(shù)的實時監(jiān)控，以及重要管網(wǎng)測點溫度、壓力數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測。
（3）實現(xiàn)對全部數(shù)據(jù)的分析、存儲、預警與報表統(tǒng)計、曲線分析輸出功能。
（4）實現(xiàn)對測點各種機電設備設施情況、維護情況規(guī)范化建檔管理。
（5）實現(xiàn)系統(tǒng)權限管理、安全管理、日志記錄管理功能。
（6）電子地圖可視化界面顯示
四.IOTACS熱網(wǎng)遠程控制系統(tǒng)組成架構
IOTACS終端主機具有5個485及232通道以及12個專用擴展通道，核心系統(tǒng)支持線程模式，可同時采集多個通道的數(shù)據(jù)，通過擴展通道可以擴展大量的采集模塊以及抄表模塊，通過云計算中心能夠對每個擴展模塊的控制通道進行采集控制，單個終端主機可擴展至多達4096個A/D通道，1792個IO，1024個RS485接口以及512個12位D/A通道，具有極強的擴展及控制能力。（IOTACS熱網(wǎng)遠程控制系統(tǒng)控制中心主機箱，圖二）
圖二
IOTACS物聯(lián)網(wǎng)采集控制模塊集成觸摸屏控制，具有模糊控制算法，可以對輸入輸出接口進行組合控制，自身就是一臺完整的小型控制終端，可以通過RS485接口級聯(lián)256個模塊進行擴展，并能夠跨模塊聯(lián)動，連接Wiscloud DTU后可以進行獨立運行或完美的云端控制，可以與組態(tài)軟件、PLC等組網(wǎng)。（數(shù)據(jù)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，抗干擾能力強，檢測精度高，在惡劣環(huán)境下輸出穩(wěn)定可靠！
3路RS485 MODBUS RTU標準通訊接口
2路RS232標準通訊接口
16路12位A/D采集接口
2路4-20mA輸出接口
7路開關量輸出，每一路可支持100mA負載
模擬量采集擴展模塊 DTU無線發(fā)射模塊
IOTACS系統(tǒng)拓撲圖 （圖四）
圖四
五.IOTACS熱網(wǎng)遠程控制系統(tǒng)GPRS通訊架構
通訊網(wǎng)絡承擔工作站與各個現(xiàn)場控制站之間的數(shù)據(jù)傳輸, 數(shù)據(jù)交換, 是整個監(jiān)控項目的橋梁, 是保證熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)正常運行的關鍵，本系統(tǒng)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 那樣要先撥號以后才能通信。用戶隨時都與網(wǎng)絡保持著聯(lián)系, 即使沒有數(shù)據(jù)傳輸時, 用戶也仍然附著在網(wǎng)上與網(wǎng)絡保持著聯(lián)系。
(2) 快速登錄: GPRS 無線終端一開機, 即已經(jīng)與GPRS 網(wǎng)絡建立了連接。每次登錄Internet
只需要一個激活的過程, 一般僅需要1到3 秒鐘。
(3) 高速傳輸: 由于GPRS 采用了先進的分組交換技術, 數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡呃碚撝悼?71.2kb/s。
(4) 按量計費: GPRS 網(wǎng)絡按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用。沒有數(shù)據(jù)流量傳輸時, 用戶即使在線, 也不收費。
(5) 覆蓋面廣: 目前, GPRS 網(wǎng)絡已基本覆蓋了所有GSM網(wǎng)絡, 偏遠地區(qū)不再是數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿^(qū)。
(6) 可移動性: 企業(yè)對系統(tǒng)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(tǒng)具有糾錯、重發(fā)機制,從而確保數(shù)據(jù)的完整性和正確性。其次, 系統(tǒng)具有自動恢復功能, 在GPRS 網(wǎng)絡狀態(tài)不穩(wěn)定的情況下, 保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作, 而無需人工干預。
(8) 安全性高: 系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中加入了加密機制, 數(shù)據(jù)可以在公網(wǎng)上安全地傳輸。
(9) 無人職守: 系統(tǒng)具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能, 從而實現(xiàn)遠程控制, 無人職守。
(10) 靈活方便: 系統(tǒng)依托相應的軟件, 可以靈活實現(xiàn)點～點、點～多點、中心～多點的對等數(shù)據(jù)傳輸。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡結構圖如下（圖五）:
圖五
六、IOTACS熱網(wǎng)遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)功能
6.1遠程采集
遠程數(shù)據(jù)采集可以定時采集, 也可以循環(huán)采集, 即可以采集當前的實時數(shù)據(jù), 也可以采集過去的歷史數(shù)據(jù)( 要求數(shù)據(jù)采集設備能存儲至少一周的歷史數(shù)據(jù), 已備通訊設備故障時數(shù)據(jù)不會丟失) 。
6.2遠程控制
遠程控制是無人值守換熱站的重要環(huán)節(jié), 包括對閥門的控制( 手動開關閥門) 、控制策略的選擇( 經(jīng)驗調節(jié)、定溫調節(jié)、手動調節(jié)等) 供水溫度值的設定、循環(huán)泵的起停、補水泵的起停等。
（遠程監(jiān)控界面現(xiàn)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(shù)據(jù)的遠程采集和控制, 還可以實現(xiàn)現(xiàn)場控制器的遠程維護, 修改控制策略, 修改報警參數(shù)值, 等等�？梢詼p少去現(xiàn)場的次數(shù), 并且可以迅速的了解現(xiàn)場控制器的工作情況, 大大提高了工作效率。（遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示及調試控制界面圖七）
圖七
6.3 溫度控制
要使用戶家里溫度更加舒適, 必須保證換熱站供出的溫度( 熱量) 合適, 這樣我們就根據(jù)不同情況對換熱站的二次出水溫度進行控制。控制方式大致分為, 經(jīng)驗調節(jié)、定溫調節(jié)、分時段調節(jié)三種。
（1）經(jīng)驗調節(jié)
即根據(jù)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(wǎng)供水溫度。各個控制器輸入二次供水溫度調節(jié)曲線, 系統(tǒng)通過檢測二次網(wǎng)供水溫度和室外溫度, 自動調節(jié)一次網(wǎng)的閥門開度從而達到二次網(wǎng)的設定供水溫度值, 實現(xiàn)換熱站的質調節(jié)。管理人員可以在現(xiàn)場通過液晶鍵盤或通過上位機軟件遠程對此曲線進行修改。曲線如圖八:
圖八
（2）定溫調節(jié)
用戶可任意設定供水溫度值, 系統(tǒng)將自動調節(jié)一次網(wǎng)的流量從而使二次網(wǎng)供水溫度穩(wěn)定在此設定值。管理人員可以在現(xiàn)場通過液晶鍵盤或通過上位機軟件遠程對此設定值進行修改。
（3）分時段調節(jié)
在不同的時間段設定不同的二次網(wǎng)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(jié)曲線或固定供水溫度) , 這樣可生成一條更經(jīng)濟的運行曲線。管理人員可以在現(xiàn)場通過液晶鍵盤或通過上位機軟件遠程對此曲線進行修改。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。分別通過調整循環(huán)泵變頻頻率和補水泵變頻頻率實現(xiàn)。變頻恒壓供水已經(jīng)用得到很多, 這里就不在說明。需要強調的是幾種故障和相應的保護措施。
（1）二次供水壓力過高, 供熱系統(tǒng)中, 此故障是個比較嚴重的故障, 需要系統(tǒng)停止運行進行檢查, 否則有可能會造成用戶家里暖氣片的損壞。
（2） 二次回水壓力過高, 系統(tǒng)設置超壓泄水電磁閥, 報警發(fā)生時自動打開電磁閥泄水。
（3）二次回水壓力過低, 為了保護循環(huán)泵,此報警發(fā)生時系統(tǒng)應該停止運行并報警。
（4） 補水箱水位過低, 應該停止補水, 避免補水泵長期無水運行造成損壞。
（5） 補水箱水位過高, 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, 控制器和變頻器進行通訊, 設定和讀取變頻器的參數(shù)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(jiān)控中心軟件具備報警管理功能, 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(shù)及當前值等詳細信息。軟件對過去的報警可以按站點或按時間進行查詢, 并記錄報警的處理人和處理時間。
6.6權限設置
監(jiān)控系統(tǒng)對運行人員、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的系統(tǒng)故障。
七、IOTACS與傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)優(yōu)勢對比
1、基于云計算平臺：無需自建機房和數(shù)據(jù)中心，可在手機、電腦等終端連接云計算中心，進行高效率的數(shù)據(jù)運行及運算能力,并可在云端對所有設備進行設定，隨時調用、監(jiān)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，可以將所有輸入輸出接口進行任意組合控制，并且可以完全脫離云計算中心自動運行，也可以通過云計算中心進行極端復雜的流程控制。
3、系統(tǒng)成本低：省去PLC系統(tǒng)自拉光纖、自架服務器、購買UPS和蓄電池等額外的財力消耗，同時省下后期昂貴的系統(tǒng)維護費用。
4、控制能力強大：單機可承載1萬以上的終端連接數(shù)量且運行毫無負擔。物聯(lián)網(wǎng)控制終端主機具有5個485及232通道以及12個專用擴展通道，嵌入式軟件開發(fā)時采用了線程模式，可同時采集多個通道的數(shù)據(jù)，通過擴展通道可以擴展大量的采集模塊以及抄表模塊，終端主機能夠將擴展模塊的數(shù)據(jù)自動打包上傳到云計算中心，也可以通過云計算中心對每個擴展模塊的控制通道進行控制，單主機通過擴展可實現(xiàn)多達2048以上通道的數(shù)據(jù)采集以及控制。
5、擴展能力強大，擴展方便快捷：可達到無縫擴展至10萬以上的終端連接數(shù)量，獨自研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)終端設備的透傳協(xié)議，使后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、模擬量采集適應用戶的新增需求。
6、穩(wěn)定性強：一體化開發(fā)的自有系統(tǒng)，主機高度集成化，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一體，任何節(jié)點的損壞都不會影響整個系統(tǒng)的運行，運行更加穩(wěn)定。
7、人性化服務：支持地理信息系統(tǒng)，觸摸屏終端可隨時提供動態(tài)數(shù)據(jù)，了解電廠的電量、電壓、電流檢測，整個系統(tǒng)可在云端無縫升級。
8、后期運維方便：系統(tǒng)不需要專門維護，一旦發(fā)生故障，根本不需像老式系統(tǒng)那樣等待專業(yè)人員現(xiàn)場編程調試，只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(jié)能量大：國內節(jié)能率最高的物聯(lián)網(wǎng)云計算遠程節(jié)能控制系統(tǒng)，為多個地區(qū)供熱公司提供IOTACS系統(tǒng)，達到節(jié)電高40%，節(jié)煤高12%。
10、兼容性強：能兼容并學習市面上幾乎所有品牌的熱表、壓力表等設備的協(xié)議，進行遠程操作，無需配備指定設備，利于廠家控制設備成本。
八、目前換熱站工控老系統(tǒng)現(xiàn)狀
1、大多數(shù)是用PLC組合集成的，不支持云計算，普遍采用的是組態(tài)系統(tǒng)，只能通過電腦操作控制，且需要自己拉光纖，架設數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)投資多�，F(xiàn)場部署和管理復雜，二次運維成本十分昂貴。
2、控制能力差，控制通道太少，擴充到24路時，運行困難，當達到200個通道的時候組態(tài)系統(tǒng)基本癱瘓，擴展能力差,很難實現(xiàn)管網(wǎng)平衡。
3、穩(wěn)定性差，單線串聯(lián)的變頻器、熱表的控制中，某一設備的死機造成整個鏈路無法運行的問題。不人性化，系統(tǒng)參數(shù)固定，無法根據(jù)需要重新設定。
4、后期維護復雜，一旦模塊損壞，需要專業(yè)編程人員現(xiàn)場測試并進行重新編程，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數(shù)量眾多，協(xié)議千變萬化，采集點與終端數(shù)量不斷增加，設備死機，不執(zhí)行指令的情況時有發(fā)生。
九、IOTACS 引領新一代工業(yè)革命，相比目前國內99%工業(yè)控制進口PLC系統(tǒng)，我們擁有更多的優(yōu)勢！
1、施工部署簡單10倍以上
2、運營成本降低50%以上
3、施工效率提高10倍以上
4、從此不再需要專業(yè)的PLC程序員
5、期維護簡單，費用幾乎為零
6、相同成本下比PLC的帶載能力高達20倍以上
十、結論
總之, 無人值守換熱站很好的實現(xiàn)了對換熱站設備的自動控制, 遠程監(jiān)控，提高了供熱質量。本案例實際應用單位煙臺東昌供熱有限公司每年使用本系統(tǒng)可節(jié)電高達40%，節(jié)煤高達10%，在滿足了用戶需求的前提下, 節(jié)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(shù)據(jù), 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(tǒng)的運行管理水平;為熱力系統(tǒng)的運行管理提供一個良好的支持環(huán)境; 提高公司效益。不斷提高, 一次性投資逐漸減低, 但產(chǎn)生的經(jīng)濟效果很大, 一般僅節(jié)電的效益在一年左右的時間即可收回投資。目前, 我國在水泵控制系統(tǒng)中應用變頻技術雖然有了很大進步, 但總體水平仍然很低, 其應用量僅占水泵總量的5- 7%, 而先進的工業(yè)化國家其應用量已達90%左右。在供熱領域, 在補水定壓控制系統(tǒng)中已得到了充分的利用, 但在循環(huán)水泵的控制方面, 受制于技術、經(jīng)濟、以及經(jīng)濟體制、產(chǎn)權隸屬關系等外部因素的影響, 其應用普及的還很慢。但隨著配套技術的發(fā)展, 人們思想意識的提高, 特別是“熱改”后, 變頻調速泵控制技術必將在集中供熱系統(tǒng)中得到廣泛的利用。
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