基于DCS 的換熱站智慧供熱監(jiān)控系統(tǒng)的研究

萬(wàn)學(xué)志 周海珠 吳春玲 王照波

中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平日益提高，國(guó)家和城鄉(xiāng)居民對(duì)節(jié)約能源和供熱質(zhì)量的要求越來(lái)越高，需要有更加系統(tǒng)和科學(xué)的換熱站監(jiān)控管理系統(tǒng)[1-2]。當(dāng)前居民生活小區(qū)的換熱站存在很多問(wèn)題，這些問(wèn)題使小區(qū)居民的舒適感下降，而且供熱公司需要投入大量人力、財(cái)力保證設(shè)備正常運(yùn)行[3-4]。因此供熱系統(tǒng)智能化改造任務(wù)迫在眉睫。

為了保證能源站的安全性及供熱質(zhì)量，提高其工作效能，需要采用多級(jí)監(jiān)控、多級(jí)管理的模式[5-6]。利用先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)，對(duì)熱力系統(tǒng)實(shí)施更科學(xué)、更規(guī)范的管理和監(jiān)控，提高中央調(diào)度室的管控能力，實(shí)現(xiàn)供熱采集智能化、系統(tǒng)調(diào)控自動(dòng)化、運(yùn)營(yíng)監(jiān)管科學(xué)化，從而達(dá)到供熱穩(wěn)定、高效節(jié)能、綠色環(huán)保的最終目的[7-8]。

1 智慧供熱及DCS 系統(tǒng)

集中供熱系統(tǒng)由熱源、供熱管網(wǎng)、換熱站和熱用戶四部分組成。供熱系統(tǒng)智能化，是在現(xiàn)有供熱系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)供熱系統(tǒng)熱源→一次管網(wǎng)→換熱站→二次管網(wǎng)→用戶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，全面檢測(cè)診斷分析，從系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)挖掘節(jié)能潛力，依靠智能手段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，形成一種節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的智慧集中供熱系統(tǒng)。

DCS 是一個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的、以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其基本思想是分散控制，集中操作，分級(jí)管理，協(xié)調(diào)調(diào)度，綜合分析，配置靈活以及組態(tài)方便。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 DCS 結(jié)構(gòu)框架

從系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)分析、分布式控制系統(tǒng)包括三大基本部分，分別是分散控制裝置，集中操作管理系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，可以看出分布式控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的分散功能，各個(gè)局部系統(tǒng)能夠獨(dú)立工作，各局部系統(tǒng)之間通過(guò)高可靠性的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和VPN（Virtual Private Network）以太網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

從系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)分析、分布式控制系統(tǒng)包括三部分，分別是企業(yè)管理級(jí)，過(guò)程控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。其中，企業(yè)管理級(jí)包含數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、企業(yè)管理信息系統(tǒng)系統(tǒng)、Web 服務(wù)器、企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)，主要功能是對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和處理，提高數(shù)據(jù)的利用率，為企業(yè)進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)和符合預(yù)測(cè)提供依據(jù)。過(guò)程控制級(jí)包括操作員站、工程師站等組成，主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行、應(yīng)對(duì)復(fù)雜且緊急工況，是整個(gè)系統(tǒng)的中間級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控級(jí)是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行及管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，包括供熱控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、采集機(jī)構(gòu)等設(shè)備。

從管理方面，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從企業(yè)數(shù)據(jù)中心-熱源調(diào)度中心的二級(jí)運(yùn)維管理調(diào)度。從監(jiān)控方面，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從企業(yè)數(shù)據(jù)中心-熱源調(diào)度中心-換熱站現(xiàn)場(chǎng)的三級(jí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。系統(tǒng)從不同角度滿足供熱公司實(shí)際的供熱需求。

2 系統(tǒng)軟硬件組成

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備

為滿足供熱智能控制化的要求，現(xiàn)開(kāi)發(fā)了一款智慧供熱專(zhuān)用控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)供熱控制器），它能夠采集并控制現(xiàn)場(chǎng)大部分設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。供熱控制器有16 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，8 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，28 個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，8 個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。

這款供熱控制器與市場(chǎng)傳統(tǒng)PLC 設(shè)備相比，在不增加擴(kuò)展模塊的情況下滿足了所有常見(jiàn)換熱站的點(diǎn)位要求（圖2），提高了控制柜的空間利用率；利用編程軟件開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的控制程序，能夠?qū)Σ杉盘?hào)和控制信號(hào)進(jìn)行模塊化的處理，從而減少程序開(kāi)發(fā)人員的工作量。

圖2 換熱站工藝圖及點(diǎn)位

另外，供熱控制器還有兩個(gè)特點(diǎn)能夠提高數(shù)據(jù)的連續(xù)性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。①傳統(tǒng)的控制器很少具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，供熱控制器在斷電情況下可對(duì)已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)保存10 年以上。②供熱控制器能夠?qū)崿F(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳的功能。當(dāng)由于傳輸網(wǎng)絡(luò)故障等因素導(dǎo)致控制器未能將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)定時(shí)遠(yuǎn)傳給服務(wù)器時(shí)，控制器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元模塊中，待傳輸網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后依然可將采集的歷史數(shù)據(jù)上傳，存儲(chǔ)空間大小可根據(jù)最小采集周期保存至少一周時(shí)間。

控制器和觸摸屏相互配合可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和控制，為現(xiàn)場(chǎng)巡站人員提供直觀的服務(wù)。供熱控制器與上位機(jī)組態(tài)軟件配合能夠?qū)崿F(xiàn)熱源級(jí)監(jiān)控和管理，為工程師提供遠(yuǎn)程服務(wù)。

2.2 中間通訊層

從通訊方式上看，通訊層主要分三種類(lèi)型：

1）企業(yè)管理級(jí)通過(guò)主干網(wǎng)與過(guò)程控制級(jí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，采用光纖或VPN 路由器與遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收信號(hào)功能。VPN 技術(shù)是通過(guò)Internet 公共網(wǎng)絡(luò)在局域網(wǎng)之間或單點(diǎn)之間安全地傳遞數(shù)據(jù)的技術(shù)。通過(guò)VPN 技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至具有固定IP 地址的遠(yuǎn)程服務(wù)器。這樣遠(yuǎn)程服務(wù)器可以安全地獲取供熱控制器上傳的數(shù)據(jù)信息。

2）監(jiān)控計(jì)算機(jī)和控制器通過(guò)以太網(wǎng)連接，完成了過(guò)程控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)之間的通信，其中主干網(wǎng)和過(guò)程控制網(wǎng)都基于以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場(chǎng)總線（RS485）。供熱控制器將4～20 mA 或者M(jìn)odbus RS485 協(xié)議的信號(hào)通過(guò)編寫(xiě)的程序轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP 協(xié)議的信號(hào)，用于局域網(wǎng)或者Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸。

過(guò)程控制級(jí)能夠通過(guò)C/S 模式訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)，由于B/S 系統(tǒng)具有分布性，擴(kuò)展性和易維護(hù)性的特點(diǎn)，供熱公司及其他監(jiān)控人員還可以采用B/S 模式分權(quán)限訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，保證相關(guān)工作人員了解系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)不必受時(shí)間地點(diǎn)的限制。

2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要包括現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)平臺(tái)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要是由現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)監(jiān)控設(shè)備和多種功能的服務(wù)器設(shè)備構(gòu)成。遠(yuǎn)程系統(tǒng)平臺(tái)軟件的功能結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 供熱管理平臺(tái)軟件的功能結(jié)構(gòu)

1）現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)系統(tǒng)的作用是采集系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，該系統(tǒng)主要用于巡站查看和調(diào)節(jié)使用，使其可以及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或者處理設(shè)備報(bào)警和故障。

2）遠(yuǎn)程系統(tǒng)平臺(tái)具有智慧監(jiān)測(cè)、智慧能耗、節(jié)能控制、預(yù)警報(bào)警、設(shè)備管理的功能，采用供熱管理平臺(tái)+多級(jí)權(quán)限的頂層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智慧管理與節(jié)能控制的有機(jī)統(tǒng)一，供熱監(jiān)控系統(tǒng)的界面如圖4 所示。另外，工作人員還可以通過(guò)移動(dòng)端手機(jī)APP 隨時(shí)隨地了解監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況。

圖4 供熱監(jiān)控系統(tǒng)軟件界面

3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要作用是分析處理采集到的數(shù)據(jù)，報(bào)表輸出數(shù)據(jù)和査詢相關(guān)歷史數(shù)據(jù)。其中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心是現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程平臺(tái)系統(tǒng)的橋梁，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了各模塊的數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)中不僅保存了組態(tài)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)置信息，還可以保存從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并及時(shí)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為歷史數(shù)據(jù)，保證運(yùn)行系統(tǒng)正常運(yùn)行。利用大數(shù)據(jù)方法分析不同時(shí)間、不同狀態(tài)下的系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，使整個(gè)系統(tǒng)能夠達(dá)到自學(xué)習(xí)的狀態(tài)。

3 分布式控制系統(tǒng)的功能

智慧供熱需要利用先進(jìn)的技術(shù)手段保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，并使用戶末端溫度維持在最佳狀態(tài)。它具有智能化控制，無(wú)人值守和管網(wǎng)平衡與供熱質(zhì)量反饋的功能。

3.1 智能化控制

供熱系統(tǒng)控制是否合理直接影響能源的消耗和供熱的質(zhì)量。供熱智能化控制是針對(duì)熱源及換熱站系統(tǒng)進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)影響供熱質(zhì)量的各種因素進(jìn)行邏輯判斷和分析，使供熱水平達(dá)到最佳狀態(tài)。供熱效果改造前后對(duì)比如圖5 所示。

系統(tǒng)通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)并考慮室外氣候參數(shù)和供熱用戶類(lèi)型等因素對(duì)供熱區(qū)域進(jìn)行供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)，確定水泵頻率和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，通過(guò)泵閥聯(lián)鎖控制實(shí)現(xiàn)溫度前饋控制。同時(shí)，從熱傳遞的延時(shí)性和供熱系統(tǒng)熱惰性的角度綜合分析，確定準(zhǔn)確的控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)控，減少因粗放調(diào)節(jié)帶來(lái)的不必要熱損耗。

圖5 供熱智能化改造前后用戶末端溫度對(duì)比圖

系統(tǒng)中的供熱控制器采集一次側(cè)管網(wǎng)供水壓力、溫度數(shù)據(jù)，與環(huán)境溫度、一次側(cè)供回水目標(biāo)溫度、壓力結(jié)合，分析多種數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。針對(duì)二次網(wǎng)供水溫度建立恒溫模型、動(dòng)態(tài)溫度模型等，針對(duì)二次網(wǎng)供水壓力建立定壓模型、壓差模型等，采用PID 算法分別控制一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度和二次側(cè)循環(huán)泵頻率，來(lái)分別調(diào)節(jié)控制二次側(cè)供水溫度和二次側(cè)供水壓力或供回水壓差，通過(guò)建立多種數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精細(xì)化控制。補(bǔ)水系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵頻率控制二次網(wǎng)回水壓力值，達(dá)到恒壓補(bǔ)水的目的。

3.2 無(wú)人值守?fù)Q熱站

換熱站智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠在無(wú)人值守的情況下實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）將系統(tǒng)切換到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)人工智能控制維持系統(tǒng)正常運(yùn)行，無(wú)需人工手動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，并且對(duì)換熱站運(yùn)行情況進(jìn)行視頻監(jiān)控，提高了供熱公司的工作效率，保證了工作質(zhì)量。

2）當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者異常狀態(tài)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)報(bào)警并進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，減小故障范圍、降低損失，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）接受更高級(jí)別控制中心的遠(yuǎn)程控制，既能保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，又可減少人力成本，進(jìn)而減少日常運(yùn)維投資成本。

3.3 管網(wǎng)平衡與供熱質(zhì)量反饋

供熱系統(tǒng)管網(wǎng)平衡主要包括一次網(wǎng)、二次網(wǎng)平衡，其中一次網(wǎng)平衡主要依靠無(wú)人值守?fù)Q熱站的實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)與二級(jí)泵遠(yuǎn)程集中調(diào)控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體一次網(wǎng)平衡。二次網(wǎng)依據(jù)智能熱力入口，集溫度，壓力，流量及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥于一體，實(shí)現(xiàn)各個(gè)熱力入口平衡監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)。末端用戶供熱質(zhì)量反饋利用NB-IoT 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電池供電、無(wú)線傳輸。

系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量熱力側(cè)入口溫度，監(jiān)測(cè)水力平衡狀態(tài)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表等方式，輔助管理者進(jìn)行節(jié)能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡。

該系統(tǒng)能夠?qū)Q熱站熱量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)采集和傳輸室內(nèi)溫度和外界溫度，調(diào)整供熱溫度，減少了資源的浪費(fèi)，提高了供熱控制的精確性，有利于促進(jìn)低碳環(huán)保理念的實(shí)現(xiàn)。

另外，該分布式控制系統(tǒng)還可增加安防系統(tǒng)，門(mén)禁系統(tǒng)等多種能夠保證換熱站安全穩(wěn)定運(yùn)行的子系統(tǒng)。

4 結(jié)論

分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用于能源站級(jí)別的監(jiān)控系統(tǒng)，提高了小區(qū)換熱站自動(dòng)化控制、智能化管理和信息化數(shù)據(jù)分析水平。本系統(tǒng)核心是智慧供熱能耗管理平臺(tái)和智慧供熱專(zhuān)用控制器，綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線和VPN 通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換熱站所有監(jiān)控測(cè)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示。該分布式控制系統(tǒng)提高了換熱站的實(shí)時(shí)和優(yōu)化控制水平，大幅降低供熱企業(yè)的能源消耗，提升熱企管理效率和管理水平。

該系統(tǒng)在能源站運(yùn)行調(diào)試，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、合理、舒適供熱，達(dá)到了預(yù)期的目的。