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編者按：

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術的飛速發(fā)展，以及I T與O T技術的進一步融合，工業(yè)制造、城市交通、電力能源、農(nóng)業(yè)等各大行業(yè)領域的智慧化發(fā)展已成為必然趨勢。推進各領域向智慧化發(fā)展是一項復雜而龐大的系統(tǒng)工程，既需要單一技術與裝備的突破應用，還需要系統(tǒng)化的集成創(chuàng)新。智慧系統(tǒng)解決方案是推廣普及智能化技術的關鍵手段，是促進各行業(yè)智能化水平提升的核心。

為深化智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進一步提升智慧產(chǎn)業(yè)各領域系統(tǒng)解決方案應用水平，現(xiàn)由中國自動化學會、智能制造推進合作創(chuàng)新聯(lián)盟、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會主辦，《自動化博覽》雜志社&控制網(wǎng)（www.dlhxzk.com.cn）承辦的2019智慧系統(tǒng)解決方案征集活動已正式啟動，面向全行業(yè)公開征集智慧系統(tǒng)解決方案。本刊特開設智慧系統(tǒng)解決方案專欄，刊發(fā)其中優(yōu)秀的解決方案以饗讀者。

1　概述

城市供熱系統(tǒng)是利用集中熱源，通過供熱管網(wǎng)等設施向熱能用戶供應生產(chǎn)或生活用熱能的供熱網(wǎng)絡。從目前我國的供暖體系來看，熱水和蒸汽供暖是一種被廣泛接受的供暖方式，使用這種方式的原因主要是：可以使室內(nèi)各處的溫度相對比較平均，室內(nèi)的溫度也比較舒適，而且投資成本相對較少，整個系統(tǒng)運行時需要的管理、維修等費用也較低，還有著較好的環(huán)保功能，安全性能也比較好。但是從實際情況來看，城市供熱系統(tǒng)還存在以下缺陷和不足：

（1）水力工況失調(diào)：目前運行的室外供熱管網(wǎng)多為枝狀管網(wǎng)，近熱遠冷，具體表現(xiàn)為近端熱用戶或者換熱站的實際流量遠大于設計流量，而遠端流量卻小于設計流量，近端過熱，遠端過冷。

（2）供熱質(zhì)量差、冷熱不均勻：熱用戶大多采用單管供熱系統(tǒng)，且無有效的調(diào)控設備，造成熱力工況失調(diào)嚴重，各用戶冷熱不均。一些用戶的室溫達不到設計標準要求，而另一部分用于則室溫過高。這就導致雖然熱源足夠，部分熱用戶仍不能按其需求獲得足夠的熱能。

（3）運行方式不合理、能源浪費：目前的城市供熱系統(tǒng)均不能根據(jù)室外溫度的變化而適時有效地調(diào)節(jié)供熱流量和供水溫度，并且都以“大流量、小溫差”方式運行，系統(tǒng)漏損大，耗電量高。

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統(tǒng)對熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開關量等信號進行采集測量、控制、遠傳，實時監(jiān)控一次網(wǎng)、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量，循環(huán)泵、補水泵運行狀態(tài)及水箱液位，末端熱用戶室內(nèi)溫度，供熱區(qū)域室外溫濕度、光照、風力風向等各個參數(shù)信息，進而對供熱全過程進行有效的監(jiān)測和控制，實現(xiàn)整個供熱系統(tǒng)的高效運行和先進管理。在供熱期間可按室外溫度調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供回水溫度（可手動、自動切換），達到按需供熱，實現(xiàn)氣候補償節(jié)能控制；也可以進行分時分區(qū)節(jié)能控制，在保證室內(nèi)舒適度的前提下，實現(xiàn)熱網(wǎng)平衡和節(jié)約能源的目的。

2　系統(tǒng)解決方案

2.1　系統(tǒng)架構（如圖1所示）

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層，符合標準的物聯(lián)網(wǎng)應用體系架構。

感知層：主要由智能電表、智能水表、小型氣象站（包括溫濕度傳感器、光照傳感器、風速風向傳感器）、PLC控制器和數(shù)據(jù)采集器組成，用于采集熱源廠和換熱站實時運行參數(shù)（包括溫度、壓力和流量）、換熱站電/水能耗數(shù)據(jù)和用戶室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光照度和風速風向）。

網(wǎng)絡層：包括各種用以構建分布式網(wǎng)絡的設施，通過網(wǎng)絡層將采集的熱源廠、換熱站和用戶的實時數(shù)據(jù)傳輸至調(diào)度管理中心，也可以將調(diào)度中心發(fā)出的控制指令下達至現(xiàn)場控制器。

應用層：作為城市熱網(wǎng)智控系統(tǒng)的最頂層，應用層主要利用感知信息為用戶提供智能化的特定服務，包括熱源數(shù)據(jù)可視化、室內(nèi)外環(huán)境感知、換熱站實時控制、熱網(wǎng)平衡、全網(wǎng)控制等服務。

（1）熱源數(shù)據(jù)采集

熱源數(shù)據(jù)是指熱電廠等單位對供熱管網(wǎng)的能源介質(zhì)輸出參數(shù)，包含供熱主網(wǎng)的溫度、壓力、流量以及供熱補水管道的流量。根據(jù)現(xiàn)場不同情況，可采用兩種數(shù)據(jù)采集傳輸方式，一種是采用PLC進行數(shù)據(jù)采集，通過DTU進行數(shù)據(jù)傳輸，另一種是通過數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集并傳輸。兩種方式均采用4G無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1  系統(tǒng)架構圖

針對現(xiàn)場使用的各種傳感器，若現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號為模擬量信號，少量信號為RS-485通訊傳輸，則采用PLC進行數(shù)據(jù)的采集。通過模擬量輸入模塊，對各種模擬量進行采集、存儲，通過PLC專用通訊模塊，對現(xiàn)場RS-485接口儀表進行數(shù)據(jù)采集并解析。所有數(shù)據(jù)采集后，通過PLC通訊端子與DTU連接，以4G無線網(wǎng)絡傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳送至中心服務器。

針對現(xiàn)場所有儀表均采用RS-485接口的情況，則采用數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸。本系統(tǒng)使用自主研發(fā)的智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關，可以同時接入水表、電表、燃氣表等，我們稱之為智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關。根據(jù)使用需求，終端計量表具可以是電表、氣表、燃氣表等，電表包括如三相四線電子式有功電能表、單相遠程費控智能電表、智能電網(wǎng)多功能電表等。智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關用于實現(xiàn)RS-485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議之間的轉化，實現(xiàn)對各終端計量表具采集的水、電、蒸汽等數(shù)據(jù)進行轉換、處理并通過加密等封裝手段，通過以太網(wǎng)傳或4G無線網(wǎng)絡傳送至中心服務器。

（2）換熱站數(shù)據(jù)采集

換熱站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含系統(tǒng)中各管路內(nèi)溫度、壓力、流量的監(jiān)測以及電動閥狀態(tài)、循環(huán)泵運行狀態(tài)和補水泵運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，并對站內(nèi)總用電能耗及各電機分項能耗、給水能耗進行實時監(jiān)測?？紤]到智能電表及智能水表采用的是RS-485通訊方式，且通訊協(xié)議不同，所有針對此部分的數(shù)據(jù)采集宜采用數(shù)據(jù)采集器，而針對其他溫度、流量、壓力、設備運行等數(shù)據(jù)，涉及到數(shù)字量信號和模擬量的信號，宜采用PLC進行數(shù)據(jù)的采集。

（3）室內(nèi)外環(huán)境氣象數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)采用室內(nèi)溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集器結合的方式，實現(xiàn)室內(nèi)溫度的無線數(shù)據(jù)采集，溫度傳感器暗裝在用戶戶內(nèi)，與數(shù)據(jù)采集器通過通訊線連接，采集器將通過4G無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。室外的溫濕度、光照度、風力以及風向，對供熱效果的影響也很大，通過在區(qū)域內(nèi)裝設小型氣象站，對區(qū)域內(nèi)的室外相關參數(shù)進行數(shù)據(jù)測量及采集，最終通過DTU傳輸至數(shù)據(jù)中心服務器。

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統(tǒng)對熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開關量等信號進行采集測量、控制、遠傳，實時監(jiān)控一次網(wǎng)、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量，循環(huán)泵、補水泵運行狀態(tài)及水箱液位，末端熱用戶室內(nèi)溫度，供熱區(qū)域室外溫濕度、光照、風力風向等各個參數(shù)信息，進而對供熱全過程進行有效的監(jiān)測和控制，實現(xiàn)整個供熱系統(tǒng)的高效運行和先進管理。在供熱期間可按室外溫度調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供回水溫度（可手動、自動切換），達到按需供熱，實現(xiàn)氣候補償節(jié)能控制；也可以進行分時分區(qū)節(jié)能控制，在保證室內(nèi)舒適度的前提下，實現(xiàn)熱網(wǎng)平衡和節(jié)約能源的目的。

2.2　關鍵技術

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統(tǒng)的關鍵技術包括：

（1）多源數(shù)據(jù)采集技術：基于物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術，使用PLC和數(shù)據(jù)采集器實時采集熱網(wǎng)運行數(shù)據(jù)、室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)和電、水能耗數(shù)據(jù)，通過DTU或4G網(wǎng)絡上傳至服務器，為后續(xù)熱網(wǎng)平衡控制以及能源管理和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎。

（2）數(shù)據(jù)挖掘技術：采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立熱網(wǎng)短期熱負荷預測模型，以近3天內(nèi)24小時的負荷溫度值、1天內(nèi)不同時刻溫度、是否是工作日、每個時刻的天氣情況作為輸入，預測每日某一時刻溫度負荷，進而得到熱網(wǎng)的熱需求量。

（3）自動控制技術：根據(jù)預測的熱需求量智能化調(diào)節(jié)一次網(wǎng)供水溫度，消除一次網(wǎng)的水力工況失調(diào)，采用帶室外氣候補償?shù)亩尉W(wǎng)供回水溫度分時段修正算法，實現(xiàn)各熱力站二次網(wǎng)供回水平均溫度一致，以達到熱網(wǎng)平衡。

對于集中供熱系統(tǒng)來說，消除熱網(wǎng)熱平衡失調(diào)，滿足熱用戶實際用熱需求，實現(xiàn)各換熱站均勻供熱為熱網(wǎng)的總調(diào)節(jié)目標。很多熱力公司建立了換熱站自控系統(tǒng)，換熱站自控系統(tǒng)不能解決整個熱網(wǎng)的熱平衡問題，仍然會出現(xiàn)局部熱用戶過熱或溫度不達標現(xiàn)象，沒有將熱力公司的供熱能力最大化運行，即熱網(wǎng)沒有經(jīng)濟運行。本解決方案具有以下優(yōu)勢：

（1）采用質(zhì)-量綜合調(diào)節(jié)方式：熱源處進行中央質(zhì)調(diào)節(jié)、各熱力站處進行局部量調(diào)節(jié)，采用質(zhì)-量綜合熱網(wǎng)調(diào)節(jié)方式，從根本是規(guī)避了系統(tǒng)的容量、慣性和時延特性，也保證了各站負荷的均衡和全網(wǎng)的平衡。

（2）節(jié)約了熱網(wǎng)的運行能耗：通過熱網(wǎng)負荷預測和質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)了熱網(wǎng)的按需供熱和熱網(wǎng)平衡，不但節(jié)約了供熱量，而且同時節(jié)約了輸送熱量所消耗的電能。

（3）系統(tǒng)界面操作性更強：基于B/S架構開發(fā)，界面友好、操作便捷，同時解決了基于組態(tài)軟件的上位機系統(tǒng)界面死板不能縮放的問題、無法通過系統(tǒng)主頁面點擊進入各換熱站系統(tǒng)的問題、無法自動生成各種圖表進行數(shù)據(jù)深度分析的問題。

2.3　軟件平臺實現(xiàn)的功能

（1）熱源數(shù)據(jù)可視化：基于物聯(lián)網(wǎng)技術通過PLC或數(shù)據(jù)采集器對熱源一次網(wǎng)的溫度、壓力和流量進行實時采集，采樣周期可根據(jù)需要設置為1小時、15分鐘、1分鐘，最低可達到秒級。高采樣頻率意味著本系統(tǒng)能耗獲取熱源的實時運行參數(shù)，供熱單位管理人員通過系統(tǒng)即可完成熱源運行狀況的實時查看。

（2）室內(nèi)外環(huán)境感知：基于物聯(lián)網(wǎng)技術通過數(shù)據(jù)采集器對熱用戶室內(nèi)溫度進行實時采集，通過小型氣象站實現(xiàn)對供熱區(qū)域室外溫濕度、光照、風力風向的實時采集。采樣頻率可根據(jù)實際需求確定。

（3）換熱站實時控制：以一個換熱站對控制對象，對一次供回水溫度、壓力和流量；二次供回水溫度和壓力；對電動調(diào)節(jié)閥啟停狀態(tài)和開度、循環(huán)泵啟停狀態(tài)和頻率和補水泵啟停狀態(tài)進行控制，結合熱用戶室內(nèi)外環(huán)境實現(xiàn)熱網(wǎng)平衡控制。

（4）能耗目標考核：基于系統(tǒng)采集的電、水和熱能耗，結合本站的供熱面積、供熱戶數(shù)、受熱人口數(shù)量等信息，自動計算各站單位面積能耗值、人均能耗值。熱力公司可對各換熱站的平均能耗進行排名，對各換熱站的供熱效率進行績效考核，及時發(fā)現(xiàn)單耗過高的換熱站，排查原因并解決，降低換熱站運行費用，實現(xiàn)對供熱成本的有效控制，提高換熱站的經(jīng)濟效益。

（5）全網(wǎng)控制：啟動全網(wǎng)控制模式時，一次性對供熱管網(wǎng)所有閥門的開度進行統(tǒng)一設定。針對某一個換熱站啟動全網(wǎng)控制模式時，一次性對該換熱站的所有閥門開度進行統(tǒng)一設定。全網(wǎng)控制模式和手動控制模式可自由切換。

（6）實時預警：對供熱管網(wǎng)出現(xiàn)異常的站點進行預警，產(chǎn)生預警信息，并通過短信和郵件的方式發(fā)送給管理者，方便管理人員及時解決供熱異常，避免產(chǎn)生重大供熱事故。

（7）換熱站對比分析：對換熱站的一次供回水溫度和二次供回水溫度進行對比分析，直觀展示各換熱站的供回水溫度差異。

（8）能耗數(shù)據(jù)分析：基于物聯(lián)網(wǎng)技術通過數(shù)據(jù)采集器對多種能耗（如水、電、熱等）計量裝置數(shù)據(jù)進行實時采集，采樣周期可根據(jù)需要設置為1天、6小時、1小時、15分鐘等，最低可達到秒級。以采集的能耗數(shù)據(jù)為分析對象，對某一換熱站能耗進行同比分析和環(huán)比分析，對不同換熱站的能耗進行對比分析。通過能耗數(shù)據(jù)分析，管理人員可以發(fā)現(xiàn)能耗較高的換熱站和熱力公司，通過績效考核，督促能耗較高的換熱站和熱力公司采取技術手段和管理手段提升自身能源利用效率，協(xié)助管理層依據(jù)這些數(shù)據(jù)制定新的節(jié)能指標或更加科學合理的考核依據(jù)。

（9）報表服務：平臺提供各類能耗報表的查詢和導出功能，包括換熱站日能耗報表、月能耗報表和年能耗報表，報表信息包括分類能耗統(tǒng)計值和折合標煤值。支持能耗報表的查詢和導出，用戶可以根據(jù)能耗類型、換熱站名稱、時間等條件進行能源統(tǒng)計報表查詢和導出。導出格式為Excel，同時支持能耗報表在線打印。

（10）短信服務：短信服務用來編輯和發(fā)送短信，便于用戶與其他聯(lián)系人聯(lián)系，短信列表記錄短信發(fā)送的詳情。同時系統(tǒng)發(fā)出的預警信息也通過短信服務發(fā)送至相應的管理人員。

（11）郵件服務：郵件服務用來編輯和發(fā)送郵件，便于用戶與其他聯(lián)系人聯(lián)系，郵件列表記錄郵件發(fā)送的詳情，郵件服務安全穩(wěn)定。同時系統(tǒng)發(fā)出的預警信息也通過郵件服務發(fā)送至相應的管理人員。

3　項目價值

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統(tǒng)已在東港市新源熱力有限公司和東戴河新區(qū)恒源熱力有限公司的熱網(wǎng)系統(tǒng)進行示范應用。熱網(wǎng)智控系統(tǒng)的建設實現(xiàn)了熱網(wǎng)運行數(shù)據(jù)、室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)的遠程在線監(jiān)測，并可以通過系統(tǒng)對熱網(wǎng)運行參數(shù)進行調(diào)節(jié)，結合室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)，在保證用戶舒適度的前提下達到了按需供熱，提供了供熱效率。系統(tǒng)應用效果得到了用戶的充分肯定。

·宏觀掌握供熱系統(tǒng)運行狀況、運行質(zhì)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(diào)節(jié)，解決了各換熱站的耦合影響，消除了熱網(wǎng)水力失調(diào)，達到了平衡供熱效果。

·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，從而達到了提高經(jīng)濟效益的目的。

·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)能挖潛改造創(chuàng)造條件。

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統(tǒng)作為集實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和運行調(diào)度為一體的綜合管理控制系統(tǒng)，從能源的存儲、轉換、輸配、使用的全生命周期角度實現(xiàn)靈活可靠的過程監(jiān)控，達到了均勻調(diào)節(jié)流量、消除冷熱不均的目標，保證了用戶的用能舒適度和能源的使用效率。為企業(yè)管理部門提供實際用能數(shù)據(jù)，量化管理，掌握各類負荷的實際耗能量，從而將原有的經(jīng)驗式宏觀管理模式轉變?yōu)榫毷綌?shù)字管理模式。通過該系統(tǒng)，管理部門可以做到“掌握情況、摸清規(guī)律、系統(tǒng)診斷、合理用能”，大大提升管理水平。

摘自《自動化博覽》2019年3月刊