馮杰偉，王玉梅，季 濤

（1山東輕工業(yè)學(xué)院 山東濟(jì)南 250353；2濰坊學(xué)院 山東濰坊 261061）

引言

隨著集中供暖事業(yè)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前我國(guó)的集中供暖系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)有了較廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]介紹了利用一種較簡(jiǎn)單的集中供暖管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，為操作人員調(diào)節(jié)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)提供資料及數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[2]介紹了一種集中供暖全網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)集中供暖系統(tǒng)進(jìn)行整體監(jiān)控，分析系統(tǒng)運(yùn)行工況，并根據(jù)運(yùn)行情況及室外氣溫預(yù)測(cè)之后時(shí)刻的供熱量；文獻(xiàn)[3]主要介紹了一種校園集中供暖系統(tǒng)的管網(wǎng)監(jiān)控裝置，裝置的核心控制器件為單片機(jī)，系統(tǒng)加入了分時(shí)控制功能；文獻(xiàn)[4]介紹了一種市區(qū)集中供暖監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)覆蓋范圍較廣，采用ADSL+VLAN+GPRS的組網(wǎng)方式及VB+SQLserver2000的技術(shù)手段，組建了一套比較完善的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)供暖系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、儲(chǔ)存處理分析等。

目前大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，無(wú)法科學(xué)地計(jì)算熱負(fù)荷及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)可靠性差，節(jié)能率較低，缺少有效地控制調(diào)節(jié)理論與方法?；谝陨犀F(xiàn)狀，在充分分析我國(guó)的熱網(wǎng)特點(diǎn)及集中供暖用熱特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文介紹了一種集中供暖智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

本集中供暖智能監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：熱源（鍋爐）的自動(dòng)監(jiān)控、管網(wǎng)的自動(dòng)監(jiān)控、用戶(hù)熱負(fù)荷的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、循環(huán)泵及補(bǔ)水泵的自動(dòng)監(jiān)控。系統(tǒng)的主要組成有：熱源（鍋爐）監(jiān)控裝置、泵房監(jiān)控裝置、管網(wǎng)監(jiān)控裝置及監(jiān)控中心，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心由兩臺(tái)工控機(jī)組成，二者之間通過(guò)雙網(wǎng)卡通信。工控機(jī)抗沖擊、抗振動(dòng)、抗電磁干擾及防塵等特性使其比普通計(jì)算機(jī)更適合應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。監(jiān)控中心主要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源、泵房、管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及控制，通過(guò)計(jì)算模型計(jì)算得到整個(gè)系統(tǒng)的最佳運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)控制各控制裝置，完成系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)節(jié)。

監(jiān)控中心的一臺(tái)PC機(jī)運(yùn)行鍋爐及泵房監(jiān)控軟件，監(jiān)控鍋爐房及泵房?jī)?nèi)現(xiàn)場(chǎng)裝置等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；另一臺(tái)PC機(jī)運(yùn)行智能管網(wǎng)監(jiān)控軟件，監(jiān)控?zé)峋W(wǎng)系統(tǒng)，并采集管網(wǎng)監(jiān)控裝置的供暖數(shù)據(jù)及室內(nèi)外溫度，兩臺(tái)PC機(jī)相互通信，對(duì)鍋爐和泵房及管網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)供熱的監(jiān)控調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)在鍋爐房及泵房監(jiān)控軟件中嵌入熱源及泵房運(yùn)行控制模型，根據(jù)鍋爐、循環(huán)泵及補(bǔ)水泵的運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)用熱需求調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，使鍋爐、循環(huán)泵及補(bǔ)水泵運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)；在智能管網(wǎng)監(jiān)控軟件中嵌入熱負(fù)荷計(jì)算模型及流量計(jì)算模型，根據(jù)管網(wǎng)監(jiān)控裝置監(jiān)測(cè)的供暖數(shù)據(jù)，計(jì)算用戶(hù)的熱負(fù)荷需求，并根據(jù)流量計(jì)算模型擬合成流量調(diào)節(jié)曲線(xiàn)，及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)整管網(wǎng)監(jiān)控裝置[1]。

監(jiān)控軟件能夠接收管理人員的控制命令，控制各監(jiān)控裝置，另外還能接收現(xiàn)場(chǎng)控制裝置反饋的信息，通過(guò)實(shí)時(shí)顯示界面動(dòng)態(tài)仿真的描述供暖系統(tǒng)各輔機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

3 鍋爐監(jiān)控裝置

鍋爐監(jiān)控裝置包括鍋爐檢測(cè)控制柜和鍋爐動(dòng)力柜，檢測(cè)控制柜與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表相連，采集現(xiàn)場(chǎng)的壓力、流量、溫度信號(hào)，根據(jù)智能控制算法對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；動(dòng)力柜與鍋爐的動(dòng)力系統(tǒng)即鼓引風(fēng)機(jī)和爐排電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻節(jié)電運(yùn)行。

控制柜及動(dòng)力柜的具體組成有CPU控制單元、顯示單元、開(kāi)關(guān)量控制單元、模擬量處理單元、變頻節(jié)電單元和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表等。本系統(tǒng)鍋爐、泵房及管網(wǎng)的控制單元均采用西門(mén)子S7-200系列的PLC，顯示單元采用的是觸摸屏，觸摸屏與PLC之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的西門(mén)子PC/PPI串口通信協(xié)議進(jìn)行通信。PLC對(duì)壓力、流量、溫度信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，作為程序控制參數(shù)控制鍋爐的鼓、引風(fēng)機(jī)及爐排電機(jī)、除渣除塵電機(jī)的啟停及風(fēng)機(jī)風(fēng)量等。觸摸屏實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以通過(guò)觸摸屏對(duì)上述設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表包括溫度變送器、流量變送器等，可以將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力及電動(dòng)執(zhí)行器信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送給PLC。

圖2 鍋爐監(jiān)控裝置原理框圖

鍋爐動(dòng)力裝置的主控設(shè)備是鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和爐排電機(jī)的變頻節(jié)電設(shè)備。鍋爐檢測(cè)控制柜可將鍋爐的運(yùn)行參數(shù)上傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，通過(guò)嵌入的計(jì)算模型進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、流量等參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、風(fēng)機(jī)、爐排、除渣除塵機(jī)及上煤系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)儀表、電氣設(shè)備配合可實(shí)現(xiàn)多變量閉環(huán)調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖控制，如鼓、引風(fēng)機(jī)變頻控制、給煤機(jī)變頻控制及上煤聯(lián)鎖控制?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員可通過(guò)手動(dòng)方式調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。鍋爐監(jiān)控裝置具有故障報(bào)警及超限報(bào)警功能，在風(fēng)機(jī)、水泵、上煤系統(tǒng)發(fā)生故障及液位、流量、溫度、壓力等參數(shù)超限時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

4 泵房監(jiān)控裝置

泵房監(jiān)控裝置主要包括循環(huán)泵檢測(cè)控制柜和補(bǔ)水泵檢測(cè)控制柜及動(dòng)力配電柜。檢測(cè)控制系統(tǒng)完成管網(wǎng)各個(gè)溫度、濕度、壓力、運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)等測(cè)量點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電機(jī)、變頻器等執(zhí)行器件的運(yùn)行狀態(tài)；配電柜完成循環(huán)泵系統(tǒng)和補(bǔ)水泵系統(tǒng)的控制功能，具有手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行模式，也有工頻和變頻運(yùn)行模式；系統(tǒng)采用量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行熱負(fù)荷調(diào)節(jié)，循環(huán)泵為管網(wǎng)內(nèi)熱水流動(dòng)提供動(dòng)力，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)流量的調(diào)節(jié)，循環(huán)泵控制部分主要實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速及運(yùn)行方式的調(diào)節(jié)控制；補(bǔ)水泵控制部分采取變頻定壓補(bǔ)水方式補(bǔ)充失水量進(jìn)行補(bǔ)充，并對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的補(bǔ)水壓力進(jìn)行設(shè)定[2]。

控制柜及動(dòng)力柜主要由PLC、顯示單元、循環(huán)泵控制單元和補(bǔ)水泵控制單元構(gòu)成。PLC采集顯示單元的數(shù)據(jù)以及循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及相應(yīng)的控制。顯示單元由觸摸屏和超聲波流量計(jì)數(shù)顯表組成，觸摸屏主要是實(shí)時(shí)顯示循環(huán)泵、補(bǔ)水泵的運(yùn)行參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可通過(guò)觸摸屏對(duì)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，數(shù)顯表顯示流量計(jì)的實(shí)時(shí)流量及累計(jì)流量，并將數(shù)據(jù)按設(shè)定的通信協(xié)議傳輸給CPU控制單元；循環(huán)泵控制單元和補(bǔ)水泵控制單元主要有接觸器、斷路器等大功率控制器件及變頻節(jié)電器組成，本系統(tǒng)采用多循環(huán)泵并聯(lián)，根據(jù)系統(tǒng)需要決定使用臺(tái)數(shù)，控制器件主要實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵的工、變頻運(yùn)行切換及主、備循環(huán)泵的切換，變頻節(jié)電器實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的變頻調(diào)速控制和電機(jī)的平滑啟動(dòng)。

圖3 泵房監(jiān)控裝置組成框圖

5 管網(wǎng)監(jiān)控裝置

管網(wǎng)監(jiān)控裝置安裝在每棟樓的入戶(hù)處，主要由PLC控制箱、溫度變送器、壓力變送器、流量變送器及電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，主要完成對(duì)管網(wǎng)內(nèi)供回水水溫、壓力、流量等參數(shù)的檢測(cè)；熱用戶(hù)熱負(fù)荷的計(jì)算與調(diào)節(jié)及與監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)通信等功能。

控制箱主要由控制單元、顯示單元、模擬量處理單元及無(wú)線(xiàn)通信單元組成。無(wú)線(xiàn)通信單元采用的是GPRS無(wú)線(xiàn)模塊。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表將檢測(cè)到的溫度、壓力、流量等信號(hào)及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的信號(hào)通過(guò)模擬量輸入端口傳送到PLC，由PLC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將溫度、流量信號(hào)通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)通信發(fā)送到監(jiān)控中心，采用Modbus通信協(xié)議與監(jiān)控中心進(jìn)行通信，監(jiān)控中心根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算模型及流量調(diào)節(jié)曲線(xiàn)，計(jì)算得到建筑物所需熱負(fù)荷及供水流量，控制調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)。

圖4 管網(wǎng)監(jiān)控裝置組成框圖

分時(shí)分區(qū)供暖方式是根據(jù)每個(gè)用戶(hù)在不同時(shí)段的用熱需求，設(shè)定供熱時(shí)段及供暖室內(nèi)溫度。本系統(tǒng)在采用分時(shí)分區(qū)供暖的同時(shí)結(jié)合氣候補(bǔ)償技術(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)室外氣溫進(jìn)行熱負(fù)荷計(jì)算，調(diào)節(jié)熱負(fù)荷。以學(xué)校為例，教學(xué)樓與學(xué)生公寓的用熱時(shí)段有著明顯的不同。如果能在建筑物內(nèi)無(wú)人期降低供熱量，使建筑物保持防凍溫度，將會(huì)節(jié)約大量供熱量[3]。系統(tǒng)根據(jù)國(guó)家規(guī)定，設(shè)定教學(xué)樓白天的室內(nèi)溫度為18℃，夜間為6℃，由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱公式Q＝K×F×(tn-tw)×α，室內(nèi)供暖溫度降低后，可節(jié)省大量能源。式中K表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，F(xiàn)表示圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，tn表示室內(nèi)溫度，tw表示室外溫度。本系統(tǒng)建立了動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷計(jì)算模型，并根據(jù)供暖系統(tǒng)的滯后性，設(shè)定了預(yù)熱期與預(yù)冷期，根據(jù)室外實(shí)時(shí)溫度計(jì)算得到房間所需熱負(fù)荷，并利用流量調(diào)節(jié)曲線(xiàn)，得到對(duì)應(yīng)的供水流量。

管網(wǎng)監(jiān)控裝置觸摸屏可以顯示的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)也可以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，觸摸屏與PLC之間的通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)西門(mén)子PC/PPI串口通信協(xié)議。另外現(xiàn)場(chǎng)有手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置可以進(jìn)行手動(dòng)的調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，保證供暖系統(tǒng)的安全性和可靠性。

6 通信網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成：一部分是Profibus-DP總線(xiàn)通信，該部分通信網(wǎng)絡(luò)鏈接實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心近距離對(duì)鍋爐房和泵房的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控；另一部分是GPRS無(wú)線(xiàn)通信，該通信網(wǎng)絡(luò)鏈接實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)分布范圍較廣的管網(wǎng)的監(jiān)控。

本系統(tǒng)DP通信網(wǎng)絡(luò)以標(biāo)準(zhǔn)Profibus電纜為通訊介質(zhì)，采用典型的兩極監(jiān)控方式，工控機(jī)為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)[5]。以上位機(jī)為DP主站，下位機(jī)為DP從站，主從站之間采用OPC接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通過(guò)PLC的DP通信模塊EM277對(duì)從站設(shè)備進(jìn)行配置，配置軟件采用的是西門(mén)子公司提供的軟件PC ACCESS V1.0 SP3。上位機(jī)通過(guò)OPC服務(wù)器接口與組網(wǎng)的Profibus總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，監(jiān)控中心軟件與底層硬件設(shè)備通過(guò)OPC接口通信進(jìn)行通信。

本系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS+INTERNET方式。GPRS覆蓋范圍廣，維護(hù)成本低，并在使用時(shí)做好各種防干擾措施。采用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，DTU作為數(shù)據(jù)傳輸終端，服務(wù)器上的主監(jiān)控中心對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析，提取有用數(shù)據(jù)在監(jiān)控中心顯示和存儲(chǔ)。

7 人機(jī)界面

人機(jī)界面是用戶(hù)和計(jì)算機(jī)交互的橋梁，通過(guò)人機(jī)界面，用戶(hù)需要能夠查看及設(shè)置設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。界面的開(kāi)發(fā)不僅要完成程序的操作和功能，而且要是一個(gè)人性的人機(jī)對(duì)話(huà)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的管理。

7.1 觸摸屏的組態(tài)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置的人機(jī)界面為觸摸屏，采用MCGS6.8嵌入版組態(tài)軟件作為觸摸屏的組態(tài)軟件。鍋爐的觸摸屏組態(tài)界面主要有儀表數(shù)據(jù)、爐膛負(fù)壓調(diào)整、其他參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)曲線(xiàn)、參數(shù)報(bào)警、權(quán)限管理等管理界面。管網(wǎng)遠(yuǎn)程控制裝置的觸摸屏組態(tài)界面主要有監(jiān)控系統(tǒng)主控制界面、參數(shù)設(shè)置、室外溫度曲線(xiàn)、室內(nèi)溫度曲線(xiàn)、報(bào)警信息、實(shí)時(shí)信息等管理界面。

圖5 鍋爐監(jiān)制裝置觸摸屏組態(tài)主界面

7.2 監(jiān)控中心的組態(tài)界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心采用力控組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該組態(tài)軟件具有靈活方便的開(kāi)發(fā)界面，提供了多種工程模板和畫(huà)面模板，功能強(qiáng)大。監(jiān)控中心的主界面[6]主要有供暖總貌、鍋爐、泵房運(yùn)行情況、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線(xiàn)分析、報(bào)表及設(shè)備事件記錄等。

圖6 監(jiān)控中心組態(tài)主界面

8 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)已在濰坊學(xué)院供暖系統(tǒng)中投入運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果顯示，通過(guò)對(duì)鍋爐輔機(jī)及循環(huán)泵的變頻控制，取得了良好的節(jié)電效果；另外通過(guò)改造鍋爐及對(duì)鍋爐燃燒及熱負(fù)荷調(diào)節(jié)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，減少了煤與水的浪費(fèi)。本系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定，減少了供暖系統(tǒng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及工人數(shù)量，便于維護(hù)與擴(kuò)展，在集中供熱領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。◆

[1] 董志國(guó)．集中供熱管網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)[J]．煤氣與熱力，2005；25（10）:19-21.

[2] 薛貴軍．城市集中供熱計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[D]．天津：天津大學(xué)，2007.

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[4] 鄒海燕．博山區(qū)供熱系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

[5] 王翹，馬明軍．基于PLC和GPRS技術(shù)的換熱站無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J]．電站系統(tǒng)工程，2006；22（3）:53-54.

[6] 張華．集中供熱遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．大慶：大慶石油學(xué)院，2009.