【摘要】通过IOTACS无人职守换热站远程控制系统的建设, 能极大地提高供热企业的管理水平, 并通过换热站的优化节能控制运行策略, 为供热企业节省大量的煤耗、电耗, 创造巨大的经济效益。

      【关键词】节能 无人职守换热站  热网监控  管网平衡  云计算    节电40%    节煤10%

      【安装单位】   烟台东昌供热有限责任公司   

      【安装时间】    2012年    

      【换热站数量】   50

前言

      随着国民经济的不断进步和人民生活水平日益提高, 社会对环境的要求越来越高。近年来国家大力提倡城镇集中供热, 改变原来各单位、各片区自己供热、单独建立锅炉房给城市带来的污染, 由城市外围的一个或者多个热电厂提供热源, 市内各片区建立换热站,统一给用户供热。这样就大大减少了燃煤对城市环境的污染, 同时也节省了能源, 所以可以说这是一项即造福当代人民又造福后代子孙的伟大工程。随着科学技术的日新月异, 尤其是计算机、通讯技术的迅速发展, 自动控制水平也得到了快速的发展和广泛的应用, 尤其是在人们对供热质量的要求不断提高和能源紧张的今天, 提高供热质量同时节约能源势在必行。所以, 目前各地供热公司新建换热站大多都是无人值守换热站, 同时对老的换热站的改造也在向无人值守换热站靠拢。

一、项目概况与需求：

      烟台东昌供热公司原有一套PLC 监控系统，因监控系统现已故障，无法继续使用。供热公司欲建立新系统，恢复监控功能并加以改造升级。

      1.1 工艺流程示意图（图一）：

图一

      1.2 工艺设备及其监控需求：

      1.3 公司调度和换热站监控中心要求：

     （1）各换热站的数据通过移动公司GPRS网络平台传输，采用双向稳定的TCP 协议，把数据传输到云计算中心的有固定IP的服务器里。中心软件平台还可对各监测数据进行分析、存储、预警与管理，以及设备运维信息的建档管理。

     （2）在每个换热站设立本站监测中心，监测界面以触摸屏形式表达，画面简单，方便工人操作。

     （3）宏观掌握供热系统运行状况、运行质量。保证供热系统的运行参数。对热网的水力工况和热力工况进行全自动调节, 解决各换热站的耦合影响, 消除热网水平失调, 平衡供热效果。

     （4）以节省总供热量为目标, 在满足热网用户基本采暖要求的前提下尽量减少总供热量, 从而达到提高经济效益的目的。更好地进行供热系统设备的维护及管理。及时检测报告供热系统故障, 作到防微杜渐, 防患未然。

     （5）为热网如何经济高效运行提供分析基础和分析依据。通过记录的热网运行历史数据,在一个采暖期结束后与前期数据进行比较分析, 查出主要能耗来源, 为今后的节能挖潜改造提供条件。

     1.4现场数据采集的控制器要求:

     1. 数据稳定可靠, 并不要求过高的采集频率。

     2. 有一定的分析计算能力, 例如计算瞬时流量、计算供回水压差、温差等。

     3. 有一定数据存储能力, 提供给远程的上位机管理软件。

     4. 工作方式切换功能

     5. 参数设定功能。可接受监控中心的远程参数设定, 也可接受现场触摸屏的参数设定;

     6. 温度、压力、流量信号的采集功能;

     7. 通讯功能。内置通讯连接接口, 作为被叫方, 接受监控中心的访问命令、控制命令;

     8. 连网全系统自动控制功能。根据监控中心下载的局部控制目标参数实现自动控制。采用专家PID 调节算法、滞后调节等算法, 调节换热器的一次管网高温水流量( 通过控制电动调节阀实现) , 从而控制二次网的供/回水温度;

     9. 独立自动控制功能。根据运行人员通过现场触摸屏设定的参数, 独立完成控制任务。

     10.手动控制功能。运行人员通过对现场触摸屏直接设定电动调节阀开度, 直接调整换热站一次管网高温水流量。

二、系统解决方案

     2.1 总体设计思路

     根据客户需求和现场情况监控系统整体分为两大部分：

     2.1.1热力公司远程总监控中心

     现场设备运行数据经现场监控终端及其通讯端口，通过GPRS 发射器和GPRS 网络平台传

     输到云端进入到有固定IP地址的服务器里，把现场供热站的各类数据进行采集进入云计算中心，热力公司的工作人员通过客户计算机访问云计算中心服务器数据，实时了解各监测站点的设备运行情况、相关运行参数。监控中心发送的命令也由此路径执行到受控设备。

     2.1.2现场监控终端系统

     主要由我公司研发生产的IOTACS控制器组成，负责采集现场数据，并将数据通过相应的DTU通讯端口上传，同时执行各级中心下达的命令。

三、远程监控中心架构

     3.1 公司调度监控中心

     监控中心设立在供热公司，充分利用其现有网络资源及软硬件设施，对其进行完善，并

     增设服务器系统设备、工作站系统设备，建立统一的供热实时监控与管理系统。

     3.2云端系统组成

     （1）基于云计算核心，用户无需自建服务器，通过GPRS通讯方式与云端相连，完美实现远程控制。

     3.3系统应用软件功能设计

     （1）采用B/S结构：系统的设计是基于GPRS 数据传输技术和云端技术之上的，软件开发采用B/S 结构方式设计，支持各种平台的Web访问模式设计，方便不同职能部门的工作人员工作。

     数据汇集处理和前端控制程序等采用公司自主研发的嵌入式操作系统，前端采用人机界面触摸屏的的方式，监控调度人员可现场在触摸屏上完成所有操作。其他非监控类人员使用浏览器访问系统完成所有操作，采用B/S 体系结构。

     （2）实现对换热站设备运行情况、相关运行参数的实时监控，以及重要管网测点温度、压力数据的在线监测。

     （3）实现对全部数据的分析、存储、预警与报表统计、曲线分析输出功能。

     （4）实现对测点各种机电设备设施情况、维护情况规范化建档管理。

     （5）实现系统权限管理、安全管理、日志记录管理功能。

     （6）电子地图可视化界面显示

四.IOTACS热网远程控制系统组成架构

     IOTACS终端主机具有5个485及232通道以及12个专用扩展通道，核心系统支持线程模式，可同时采集多个通道的数据，通过扩展通道可以扩展大量的采集模块以及抄表模块，通过云计算中心能够对每个扩展模块的控制通道进行采集控制，单个终端主机可扩展至多达4096个A/D通道，1792个IO，1024个RS485接口以及512个12位D/A通道，具有极强的扩展及控制能力。（IOTACS热网远程控制系统控制中心主机箱，图二）

图二

     IOTACS物联网采集控制模块集成触摸屏控制，具有模糊控制算法，可以对输入输出接口进行组合控制，自身就是一台完整的小型控制终端，可以通过RS485接口级联256个模块进行扩展，并能够跨模块联动，连接Wiscloud DTU后可以进行独立运行或完美的云端控制，可以与组态软件、PLC等组网。（数据采集点示意图，图三）

图三

     结合高阶硬件滤波及软件滤波算法，抗干扰能力强，检测精度高，在恶劣环境下输出稳定可靠！
     3路RS485 MODBUS RTU标准通讯接口

     2路RS232标准通讯接口

     16路12位A/D采集接口

     2路4-20mA输出接口

     7路开关量输出，每一路可支持100mA负载

           

          模拟量采集扩展模块                DTU无线发射模块

IOTACS系统拓扑图 （图四）



图四

五.IOTACS热网远程控制系统GPRS通讯架构

     通讯网络承担工作站与各个现场控制站之间的数据传输, 数据交换, 是整个监控项目的桥梁, 是保证热网监测系统正常运行的关键，本系统采用GPRS无线通讯。

     1. GPRS 无线通信的特点

     (1) 永远在线: 通信时, 不需要象PSTN 那样要先拨号以后才能通信。用户随时都与网络保持着联系, 即使没有数据传输时, 用户也仍然附着在网上与网络保持着联系。

     (2) 快速登录: GPRS 无线终端一开机, 即已经与GPRS 网络建立了连接。每次登录Internet

     只需要一个激活的过程, 一般仅需要1到3 秒钟。

     (3) 高速传输: 由于GPRS 采用了先进的分组交换技术, 数据传输的最高理论值可171.2kb/s。

     (4) 按量计费: GPRS 网络按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用。没有数据流量传输时, 用户即使在线, 也不收费。

     (5) 覆盖面广: 目前, GPRS 网络已基本覆盖了所有GSM网络, 偏远地区不再是数据传输的盲区。

     (6) 可移动性: 企业对系统所有设备有自主权, 无需与运营商交涉, 可以自由分配。

     (7) 可靠性强: 系统具有纠错、重发机制,从而确保数据的完整性和正确性。其次, 系统具有自动恢复功能, 在GPRS 网络状态不稳定的情况下, 保证系统稳定工作, 而无需人工干预。

     (8) 安全性高: 系统在数据传输过程中加入了加密机制, 数据可以在公网上安全地传输。

     (9) 无人职守: 系统具有双向数据传输功能, 从而实现远程控制, 无人职守。

     (10) 灵活方便: 系统依托相应的软件, 可以灵活实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输。热网监控系统的通讯网络结构图如下（图五）:

图五

六、IOTACS热网远程控制系统实现功能

     6.1远程采集

     远程数据采集可以定时采集, 也可以循环采集, 即可以采集当前的实时数据, 也可以采集过去的历史数据( 要求数据采集设备能存储至少一周的历史数据, 已备通讯设备故障时数据不会丢失) 。

     6.2远程控制

     远程控制是无人值守换热站的重要环节, 包括对阀门的控制( 手动开关阀门) 、控制策略的选择( 经验调节、定温调节、手动调节等) 供水温度值的设定、循环泵的起停、补水泵的起停等。

（远程监控界面现场实际工况，图六）

图六

     6.3远程调试

     理想的通讯方式不但解决了数据的远程采集和控制, 还可以实现现场控制器的远程维护, 修改控制策略, 修改报警参数值, 等等。可以减少去现场的次数, 并且可以迅速的了解现场控制器的工作情况, 大大提高了工作效率。（远程监控数据显示及调试控制界面图七）

图七

     6.3 温度控制

      要使用户家里温度更加舒适, 必须保证换热站供出的温度( 热量) 合适, 这样我们就根据不同情况对换热站的二次出水温度进行控制。控制方式大致分为, 经验调节、定温调节、分时段调节三种。

     （1）经验调节

      即根据以往的供热经验, 在不同的室外温度条件下, 保证不同的二次网供水温度。各个控制器输入二次供水温度调节曲线, 系统通过检测二次网供水温度和室外温度, 自动调节一次网的阀门开度从而达到二次网的设定供水温度值, 实现换热站的质调节。管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件远程对此曲线进行修改。曲线如图八:

图八

     （2）定温调节

      用户可任意设定供水温度值, 系统将自动调节一次网的流量从而使二次网供水温度稳定在此设定值。管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件远程对此设定值进行修改。

     （3）分时段调节

      在不同的时间段设定不同的二次网供水温度, 本方式支持在不同的时间段修正固定的供水温度设定值( 经验调节曲线或固定供水温度) , 这样可生成一条更经济的运行曲线。管理人员可以在现场通过液晶键盘或通过上位机软件远程对此曲线进行修改。如下图九所示, 固定供水温度运行( 红色) +分时段修正运行时的实际供水温度( 黑色) 曲线:

图九

     6.4 压力控制

      无人值守换热站中压力控制主要是二次供水压力( 或者是二次供回水压差) 和二次回水压力的控制。分别通过调整循环泵变频频率和补水泵变频频率实现。变频恒压供水已经用得到很多, 这里就不在说明。需要强调的是几种故障和相应的保护措施。

     （1）二次供水压力过高, 供热系统中, 此故障是个比较严重的故障, 需要系统停止运行进行检查, 否则有可能会造成用户家里暖气片的损坏。

     （2） 二次回水压力过高, 系统设置超压泄水电磁阀, 报警发生时自动打开电磁阀泄水。

     （3）二次回水压力过低, 为了保护循环泵,此报警发生时系统应该停止运行并报警。

     （4） 补水箱水位过低, 应该停止补水, 避免补水泵长期无水运行造成损坏。

     （5） 补水箱水位过高, 应该关闭自来水, 避免不必要的浪费。

     （6）有些换热站生水压力不足或防止短时间停水, 应该设置生水箱。另外, 控制器和变频器进行通讯, 设定和读取变频器的参数如: 工作电压、工作频率、工作电流等, 以便了解水泵电机的运行情况。

     6.5 报警管理

     无人值守换热站的监控中心软件具备报警管理功能, 每条报警信息应该包含报警站点、报警发生时间、报警参数及当前值等详细信息。软件对过去的报警可以按站点或按时间进行查询, 并记录报警的处理人和处理时间。

     6.6权限设置

     监控系统对运行人员、维护人员、管理人员赋予不同的权限, 不同的人员具有不同的操作权限, 从而避免了操作不当所造成的系统故障。

七、IOTACS与传统PLC控制系统优势对比

     1、基于云计算平台：无需自建机房和数据中心，可在手机、电脑等终端连接云计算中心，进行高效率的数据运行及运算能力,并可在云端对所有设备进行设定，随时调用、监管、控制。

     2、无需任何编程   采用触摸屏一体化设计，在施工部署时不需要任何的编程，具有完美的模糊控制理念及控制算法，可以将所有输入输出接口进行任意组合控制，并且可以完全脱离云计算中心自动运行，也可以通过云计算中心进行极端复杂的流程控制。

     3、系统成本低：省去PLC系统自拉光纤、自架服务器、购买UPS和蓄电池等额外的财力消耗，同时省下后期昂贵的系统维护费用。

     4、控制能力强大：单机可承载1万以上的终端连接数量且运行毫无负担。物联网控制终端主机具有5个485及232通道以及12个专用扩展通道，嵌入式软件开发时采用了线程模式，可同时采集多个通道的数据，通过扩展通道可以扩展大量的采集模块以及抄表模块，终端主机能够将扩展模块的数据自动打包上传到云计算中心，也可以通过云计算中心对每个扩展模块的控制通道进行控制，单主机通过扩展可实现多达2048以上通道的数据采集以及控制。

     5、扩展能力强大，扩展方便快捷：可达到无缝扩展至10万以上的终端连接数量，独自研发的物联网终端设备的透传协议，使后期新增扩展模块时无需重新编程，模块的通用性强，自带输入、输出、485、Mbus、模拟量采集适应用户的新增需求。

     6、稳定性强：一体化开发的自有系统，主机高度集成化，把触摸屏的控制、DTU和主机的处理部分、以及采集部分、下位机通信部分集成一体，任何节点的损坏都不会影响整个系统的运行，运行更加稳定。

     7、人性化服务：支持地理信息系统，触摸屏终端可随时提供动态数据，了解电厂的电量、电压、电流检测，整个系统可在云端无缝升级。

     8、后期运维方便：系统不需要专门维护，一旦发生故障，根本不需像老式系统那样等待专业人员现场编程调试，只需请电工按照操作要求重新安装备选模块即可，方便快捷，时效性高。

     9、节能量大：国内节能率最高的物联网云计算远程节能控制系统，为多个地区供热公司提供IOTACS系统，达到节电高40%，节煤高12%。 

     10、兼容性强：能兼容并学习市面上几乎所有品牌的热表、压力表等设备的协议，进行远程操作，无需配备指定设备，利于厂家控制设备成本。

八、目前换热站工控老系统现状

     1、大多数是用PLC组合集成的，不支持云计算，普遍采用的是组态系统，只能通过电脑操作控制，且需要自己拉光纤，架设数据中心，系统投资多。现场部署和管理复杂，二次运维成本十分昂贵。

     2、控制能力差，控制通道太少，扩充到24路时，运行困难，当达到200个通道的时候组态系统基本瘫痪，扩展能力差,很难实现管网平衡。

     3、稳定性差，单线串联的变频器、热表的控制中，某一设备的死机造成整个链路无法运行的问题。不人性化，系统参数固定，无法根据需要重新设定。

     4、后期维护复杂，一旦模块损坏，需要专业编程人员现场测试并进行重新编程，时效性差。

     5、不同品牌设备的兼容性差，同一用户的终端品牌及品种数量众多，协议千变万化，采集点与终端数量不断增加，设备死机，不执行指令的情况时有发生。

九、IOTACS 引领新一代工业革命，相比目前国内99%工业控制进口PLC系统，我们拥有更多的优势！

     1、施工部署简单10倍以上

     2、运营成本降低50%以上

     3、施工效率提高10倍以上

     4、从此不再需要专业的PLC程序员

     5、期维护简单，费用几乎为零

     6、相同成本下比PLC的带载能力高达20倍以上

十、结论

     总之, 无人值守换热站很好的实现了对换热站设备的自动控制, 远程监控，提高了供热质量。本案例实际应用单位烟台东昌供热有限公司每年使用本系统可节电高达40%，节煤高达10%，在满足了用户需求的前提下, 节约了大量的人力、物力资源, 减少了不必要的浪费。同时, 管理人员可以更清楚的了解各个换热站的运行数据, 使管理更加有地放矢, 有效的提高了供热管理水平; 提高了热力系统的运行管理水平;为热力系统的运行管理提供一个良好的支持环境; 提高公司效益。不断提高, 一次性投资逐渐减低, 但产生的经济效果很大, 一般仅节电的效益在一年左右的时间即可收回投资。目前, 我国在水泵控制系统中应用变频技术虽然有了很大进步, 但总体水平仍然很低, 其应用量仅占水泵总量的5- 7%, 而先进的工业化国家其应用量已达90%左右。在供热领域, 在补水定压控制系统中已得到了充分的利用, 但在循环水泵的控制方面, 受制于技术、经济、以及经济体制、产权隶属关系等外部因素的影响, 其应用普及的还很慢。但随着配套技术的发展, 人们思想意识的提高, 特别是“热改”后, 变频调速泵控制技术必将在集中供热系统中得到广泛的利用。