【摘要】通過IOTACS無人職守換熱站遠程控制系統的建設, 能極大地提高供熱企業的管理水平, 并通過換熱站的優化節能控制運行策略, 為供熱企業節省大量的煤耗、電耗, 創造巨大的經濟效益。
      【關鍵詞】節能 無人職守換熱站  熱網監控  管網平衡  云計算    節電40%    節煤10%
      【安裝單位】   煙臺東昌供熱有限責任公司   
      【安裝時間】    2012年    
      【換熱站數量】   50

前言

      隨著國民經濟的不斷進步和人民生活水平日益提高, 社會對環境的要求越來越高。近年來國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, 市內各片區建立換熱站,統一給用戶供熱。這樣就大大減少了燃煤對城市環境的污染, 同時也節省了能源, 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、通訊技術的迅速發展, 自動控制水平也得到了快速的發展和廣泛的應用, 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，恢復監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移動公司GPRS網絡平臺傳輸，采用雙向穩定的TCP 協議，把數據傳輸到云計算中心的有固定IP的服務器里。中心軟件平臺還可對各監測數據進行分析、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測中心，監測界面以觸摸屏形式表達，畫面簡單，方便工人操作。
     （3）宏觀掌握供熱系統運行狀況、運行質量。保證供熱系統的運行參數。對熱網的水力工況和熱力工況進行全自動調節, 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）以節省總供熱量為目標, 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, 從而達到提高經濟效益的目的。更好地進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）為熱網如何經濟高效運行提供分析基礎和分析依據。通過記錄的熱網運行歷史數據,在一個采暖期結束后與前期數據進行比較分析, 查出主要能耗來源, 為今后的節能挖潛改造提供條件。
     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. 有一定數據存儲能力, 提供給遠程的上位機管理軟件。
     4. 工作方式切換功能
     5. 參數設定功能。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, 接受監控中心的訪問命令、控制命令;
     8. 連網全系統自動控制功能。根據監控中心下載的局部控制目標參數實現自動控制。采用專家PID 調節算法、滯后調節等算法, 調節換熱器的一次管網高溫水流量( 通過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。根據運行人員通過現場觸摸屏設定的參數, 獨立完成控制任務。
     10.手動控制功能。運行人員通過對現場觸摸屏直接設定電動調節閥開度, 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為兩大部分：
     2.1.1熱力公司遠程總監控中心
     現場設備運行數據經現場監控終端及其通訊端口，通過GPRS 發射器和GPRS 網絡平臺傳
     輸到云端進入到有固定IP地址的服務器里，把現場供熱站的各類數據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
     主要由我公司研發生產的IOTACS控制器組成，負責采集現場數據，并將數據通過相應的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，對其進行完善，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云端系統組成
     （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，完美實現遠程控制。
     3.3系統應用軟件功能設計
     （1）采用B/S結構：系統的設計是基于GPRS 數據傳輸技術和云端技術之上的，軟件開發采用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。
     數據匯集處理和前端控制程序等采用公司自主研發的嵌入式操作系統，前端采用人機界面觸摸屏的的方式，監控調度人員可現場在觸摸屏上完成所有操作。其他非監控類人員使用瀏覽器訪問系統完成所有操作，采用B/S 體系結構。
     （2）實現對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）實現對全部數據的分析、存儲、預警與報表統計、曲線分析輸出功能。
     （4）實現對測點各種機電設備設施情況、維護情況規范化建檔管理。
     （5）實現系統權限管理、安全管理、日志記錄管理功能。
     （6）電子地圖可視化界面顯示
四.IOTACS熱網遠程控制系統組成架構
     IOTACS終端主機具有5個485及232通道以及12個專用擴展通道，核心系統支持線程模式，可同時采集多個通道的數據，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256個模塊進行擴展，并能夠跨模塊聯動，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，抗干擾能力強，檢測精度高，在惡劣環境下輸出穩定可靠！      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 那樣要先撥號以后才能通信。用戶隨時都與網絡保持著聯系, 即使沒有數據傳輸時, 用戶也仍然附著在網上與網絡保持著聯系。
     (2) 快速登錄: GPRS 無線終端一開機, 即已經與GPRS 網絡建立了連接。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送數據包的數量來收取費用。沒有數據流量傳輸時, 用戶即使在線, 也不收費。
     (5) 覆蓋面廣: 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、重發機制,從而確保數據的完整性和正確性。其次, 系統具有自動恢復功能, 在GPRS 網絡狀態不穩定的情況下, 保證系統穩定工作, 而無需人工干預。
     (8) 安全性高: 系統在數據傳輸過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: 系統具有雙向數據傳輸功能, 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
     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, 也可以采集過去的歷史數據( 要求數據采集設備能存儲至少一周的歷史數據, 已備通訊設備故障時數據不會丟失) 。
     6.2遠程控制
     遠程控制是無人值守換熱站的重要環節, 包括對閥門的控制( 手動開關閥門) 、控制策略的選擇( 經驗調節、定溫調節、手動調節等) 供水溫度值的設定、循環泵的起停、補水泵的起停等。
（遠程監控界面現場實際工況，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, 經驗調節、定溫調節、分時段調節三種。
     （1）經驗調節
      即根據以往的供熱經驗, 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
      用戶可任意設定供水溫度值, 系統將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
      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( 經驗調節曲線或固定供水溫度) , 這樣可生成一條更經濟的運行曲線。管理人員可以在現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。分別通過調整循環泵變頻頻率和補水泵變頻頻率實現。變頻恒壓供水已經用得到很多, 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, 供熱系統中, 此故障是個比較嚴重的故障, 需要系統停止運行進行檢查, 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, 系統設置超壓泄水電磁閥, 報警發生時自動打開電磁閥泄水。
     （3）二次回水壓力過低, 為了保護循環泵,此報警發生時系統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, 每條報警信息應該包含報警站點、報警發生時間、報警參數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
     監控系統對運行人員、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故障。
七、IOTACS與傳統PLC控制系統優勢對比
     1、基于云計算平臺：無需自建機房和數據中心，可在手機、電腦等終端連接云計算中心，進行高效率的數據運行及運算能力,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、系統成本低：省去PLC系統自拉光纖、自架服務器、購買UPS和蓄電池等額外的財力消耗，同時省下后期昂貴的系統維護費用。
     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通道以及12個專用擴展通道，嵌入式軟件開發時采用了線程模式，可同時采集多個通道的數據，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據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多達2048以上通道的數據采集以及控制。
     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量，獨自研發的物聯網終端設備的透傳協議，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、穩定性強：一體化開發的自有系統，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，任何節點的損壞都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，觸摸屏終端可隨時提供動態數據，了解電廠的電量、電壓、電流檢測，整個系統可在云端無縫升級。
     8、后期運維方便：系統不需要專門維護，一旦發生故障，根本不需像老式系統那樣等待專業人員現場編程調試，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、節能量大：國內節能率最高的物聯網云計算遠程節能控制系統，為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現狀
     1、大多數是用PLC組合集成的，不支持云計算，普遍采用的是組態系統，只能通過電腦操作控制，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個通道的時候組態系統基本癱瘓，擴展能力差,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、后期維護復雜，一旦模塊損壞，需要專業編程人員現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量眾多，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生。
九、IOTACS 引領新一代工業革命，相比目前國內99%工業控制進口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了對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臺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;為熱力系統的運行管理提供一個良好的支持環境; 提高公司效益。不斷提高, 一次性投資逐漸減低, 但產生的經濟效果很大, 一般僅節電的效益在一年左右的時間即可收回投資。目前, 我國在水泵控制系統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中已得到了充分的利用, 但在循環水泵的控制方面, 受制于技術、經濟、以及經濟體制、產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中得到廣泛的利用。