万学志 周海珠 吴春玲 王照波

中国建筑科学研究院有限公司

0 引言

随着我国经济的快速发展和人民生活水平日益提高，国家和城乡居民对节约能源和供热质量的要求越来越高，需要有更加系统和科学的换热站监控管理系统[1-2]。当前居民生活小区的换热站存在很多问题，这些问题使小区居民的舒适感下降，而且供热公司需要投入大量人力、财力保证设备正常运行[3-4]。因此供热系统智能化改造任务迫在眉睫。

为了保证能源站的安全性及供热质量，提高其工作效能，需要采用多级监控、多级管理的模式[5-6]。利用先进的工业自动化控制技术，对热力系统实施更科学、更规范的管理和监控，提高中央调度室的管控能力，实现供热采集智能化、系统调控自动化、运营监管科学化，从而达到供热稳定、高效节能、绿色环保的最终目的[7-8]。

1 智慧供热及DCS 系统

集中供热系统由热源、供热管网、换热站和热用户四部分组成。供热系统智能化，是在现有供热系统基础上，根据供热系统热源→一次管网→换热站→二次管网→用户的结构特点，全面检测诊断分析，从系统中每个节点挖掘节能潜力，依靠智能手段对系统进行升级，形成一种节能降耗、绿色环保的智慧集中供热系统。

DCS 是一个由过程控制级和过程监控级组成的、以通信网络为纽带的多级复杂的计算机控制系统，其基本思想是分散控制，集中操作，分级管理，协调调度，综合分析，配置灵活以及组态方便。其系统结构框架如图1 所示。

图1 DCS 结构框架

从系统物理结构分析、分布式控制系统包括三大基本部分，分别是分散控制装置，集中操作管理系统以及通信系统。通过上述结构，可以看出分布式控制系统具有较强的分散功能，各个局部系统能够独立工作，各局部系统之间通过高可靠性的现场总线技术和VPN（Virtual Private Network）以太网通信技术进行数据交互。

从系统层级结构分析、分布式控制系统包括三部分，分别是企业管理级，过程控制级和现场控制级。其中，企业管理级包含数据库服务器、企业管理信息系统系统、Web 服务器、企业资源计划管理系统，主要功能是对历史数据进行收集、分析和处理，提高数据的利用率，为企业进行能耗统计和符合预测提供依据。过程控制级包括操作员站、工程师站等组成，主要功能是实时监控系统运行、应对复杂且紧急工况，是整个系统的中间级。现场测控级是实现对现场设备运行及管网监测点的参数进行实时采集，并对设备进行控制，包括供热控制器、执行机构、采集机构等设备。

从管理方面，系统实现从企业数据中心-热源调度中心的二级运维管理调度。从监控方面，系统实现从企业数据中心-热源调度中心-换热站现场的三级数据监控。系统从不同角度满足供热公司实际的供热需求。

2 系统软硬件组成

2.1 现场监控设备

为满足供热智能控制化的要求，现开发了一款智慧供热专用控制器（以下简称供热控制器），它能够采集并控制现场大部分设备的状态参数。供热控制器有16 个数字量输入点，8 个数字量输出点，28 个模拟量输入点，8 个模拟量输出点。

这款供热控制器与市场传统PLC 设备相比，在不增加扩展模块的情况下满足了所有常见换热站的点位要求（图2），提高了控制柜的空间利用率；利用编程软件开发了专用的控制程序，能够对采集信号和控制信号进行模块化的处理，从而减少程序开发人员的工作量。

图2 换热站工艺图及点位

另外，供热控制器还有两个特点能够提高数据的连续性和系统的稳定性。①传统的控制器很少具备数据存储功能，容易出现数据丢失的情况，供热控制器在断电情况下可对已存储的数据保存10 年以上。②供热控制器能够实现断点续传的功能。当由于传输网络故障等因素导致控制器未能将采集的实时数据定时远传给服务器时，控制器将数据存储到存储单元模块中，待传输网络恢复正常后依然可将采集的历史数据上传，存储空间大小可根据最小采集周期保存至少一周时间。

控制器和触摸屏相互配合可以实现现场监测和控制，为现场巡站人员提供直观的服务。供热控制器与上位机组态软件配合能够实现热源级监控和管理，为工程师提供远程服务。

2.2 中间通讯层

从通讯方式上看，通讯层主要分三种类型：

1）企业管理级通过主干网与过程控制级进行网络通信，采用光纤或VPN 路由器与远程服务器实现发射和接收信号功能。VPN 技术是通过Internet 公共网络在局域网之间或单点之间安全地传递数据的技术。通过VPN 技术将数据传输至具有固定IP 地址的远程服务器。这样远程服务器可以安全地获取供热控制器上传的数据信息。

2）监控计算机和控制器通过以太网连接，完成了过程控制级和现场控制级之间的通信，其中主干网和过程控制网都基于以太网通信标准协议。

3）现场监控网络采用现场总线（RS485）。供热控制器将4～20 mA 或者Modbus RS485 协议的信号通过编写的程序转换成标准的Modbus TCP 协议的信号，用于局域网或者Internet 网络传输。

过程控制级能够通过C/S 模式访问数据库，同时，由于B/S 系统具有分布性，扩展性和易维护性的特点，供热公司及其他监控人员还可以采用B/S 模式分权限访问数据库，保证相关工作人员了解系统状态时不必受时间地点的限制。

2.3 系统软件结构

系统软件结构主要包括现场组态系统，远程系统平台和数据处理系统，主要是由现场组态监控设备和多种功能的服务器设备构成。远程系统平台软件的功能结构如图3 所示。

图3 供热管理平台软件的功能结构

1）现场组态系统的作用是采集系统运行数据并进行实时控制，该系统主要用于巡站查看和调节使用，使其可以及时调整系统运行状态或者处理设备报警和故障。

2）远程系统平台具有智慧监测、智慧能耗、节能控制、预警报警、设备管理的功能，采用供热管理平台+多级权限的顶层设计，实现智慧管理与节能控制的有机统一，供热监控系统的界面如图4 所示。另外，工作人员还可以通过移动端手机APP 随时随地了解监测系统运行情况。

图4 供热监控系统软件界面

3）数据处理系统的主要作用是分析处理采集到的数据，报表输出数据和査询相关历史数据。其中的数据存储中心是现场组态系统与远程平台系统的桥梁，同时也实现了各模块的数据共享。数据中不仅保存了组态系统相关设置信息，还可以保存从现场设备获取的实时数据信息，并及时将实时数据转化为历史数据，保证运行系统正常运行。利用大数据方法分析不同时间、不同状态下的系统运行规律，使整个系统能够达到自学习的状态。

3 分布式控制系统的功能

智慧供热需要利用先进的技术手段保证系统稳定可靠运行，并使用户末端温度维持在最佳状态。它具有智能化控制，无人值守和管网平衡与供热质量反馈的功能。

3.1 智能化控制

供热系统控制是否合理直接影响能源的消耗和供热的质量。供热智能化控制是针对热源及换热站系统进行定制化开发，通过对影响供热质量的各种因素进行逻辑判断和分析，使供热水平达到最佳状态。供热效果改造前后对比如图5 所示。

系统通过分析历史数据并考虑室外气候参数和供热用户类型等因素对供热区域进行供热负荷预测，确定水泵频率和电动调节阀的开度，通过泵阀联锁控制实现温度前馈控制。同时，从热传递的延时性和供热系统热惰性的角度综合分析，确定准确的控制节点，实现精细化调控，减少因粗放调节带来的不必要热损耗。

图5 供热智能化改造前后用户末端温度对比图

系统中的供热控制器采集一次侧管网供水压力、温度数据，与环境温度、一次侧供回水目标温度、压力结合，分析多种数据建立数学模型。针对二次网供水温度建立恒温模型、动态温度模型等，针对二次网供水压力建立定压模型、压差模型等，采用PID 算法分别控制一次侧电动调节阀的开度和二次侧循环泵频率，来分别调节控制二次侧供水温度和二次侧供水压力或供回水压差，通过建立多种数学模型实现系统的精细化控制。补水系统通过调节补水泵频率控制二次网回水压力值，达到恒压补水的目的。

3.2 无人值守换热站

换热站智能监控系统能够在无人值守的情况下实现以下功能：

1）将系统切换到自动运行状态，通过人工智能控制维持系统正常运行，无需人工手动调节设备参数，实时采集设备状态参数，并且对换热站运行情况进行视频监控，提高了供热公司的工作效率，保证了工作质量。

2）当系统出现故障或者异常状态时，能够实时报警并进行联动控制，减小故障范围、降低损失，提高了系统的稳定性。

3）接受更高级别控制中心的远程控制，既能保证系统安全稳定运行，又可减少人力成本，进而减少日常运维投资成本。

3.3 管网平衡与供热质量反馈

供热系统管网平衡主要包括一次网、二次网平衡，其中一次网平衡主要依靠无人值守换热站的实时参数监测与二级泵远程集中调控实现系统整体一次网平衡。二次网依据智能热力入口，集温度，压力，流量及电动调节阀于一体，实现各个热力入口平衡监测与调节。末端用户供热质量反馈利用NB-IoT 技术，实现电池供电、无线传输。

系统通过测量热力侧入口温度，监测水力平衡状态，数据处理系统统计运行能耗数据，并通过数据曲线、数据报表等方式，辅助管理者进行节能调度，实现管网水力平衡。

该系统能够对换热站热量进行实时监控，及时采集和传输室内温度和外界温度，调整供热温度，减少了资源的浪费，提高了供热控制的精确性，有利于促进低碳环保理念的实现。

另外，该分布式控制系统还可增加安防系统，门禁系统等多种能够保证换热站安全稳定运行的子系统。

4 结论

分布式控制系统应用于能源站级别的监控系统，提高了小区换热站自动化控制、智能化管理和信息化数据分析水平。本系统核心是智慧供热能耗管理平台和智慧供热专用控制器，综合运用现场总线和VPN 通信技术，实现了对换热站所有监控测点进行动态、实时、准确地显示。该分布式控制系统提高了换热站的实时和优化控制水平，大幅降低供热企业的能源消耗，提升热企管理效率和管理水平。

该系统在能源站运行调试，结果表明系统运行稳定、安全可靠、操作简单，实现经济、合理、舒适供热，达到了预期的目的。