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(shù)的飛速發(fā)展，以及I T與O T技術(shù)的進(jìn)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(lǐng)域的智慧化發(fā)展已成為必然趨勢。推進(jìn)各領(lǐng)域向智慧化發(fā)展是一項復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，既需要單一技術(shù)與裝備的突破應(yīng)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(shù)的關(guān)鍵手段，是促進(jìn)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(jìn)一步提升智慧產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域系統(tǒng)解決方案應(yīng)用水平，現(xiàn)由中國自動化學(xué)會、智能制造推進(jìn)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.sxrrb.com）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(shè)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(shè)施向熱能用戶供應(yīng)生產(chǎn)或生活用熱能的供熱網(wǎng)絡(luò)。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(yuǎn)冷，具體表現(xiàn)為近端熱用戶或者換熱站的實際流量遠(yuǎn)大于設(shè)計流量，而遠(yuǎn)端流量卻小于設(shè)計流量，近端過熱，遠(yuǎn)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(shè)備，造成熱力工況失調(diào)嚴(yán)重，各用戶冷熱不均。一些用戶的室溫達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，而另一部分用于則室溫過高。這就導(dǎo)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(guān)量等信號進(jìn)行采集測量、控制、遠(yuǎn)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(fēng)力風(fēng)向等各個參數(shù)信息，進(jìn)而對供熱全過程進(jìn)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(jìn)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(dá)到按需供熱，實現(xiàn)氣候補償節(jié)能控制；也可以進(jìn)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(gòu)（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(luò)層和應(yīng)用層，符合標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)。

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(fēng)速風(fēng)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(fēng)速風(fēng)向）。

網(wǎng)絡(luò)層：包括各種用以構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施，通過網(wǎng)絡(luò)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(dá)至現(xiàn)場控制器。

應(yīng)用層：作為城市熱網(wǎng)智控系統(tǒng)的最頂層，應(yīng)用層主要利用感知信息為用戶提供智能化的特定服務(wù)，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(wù)。

（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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另一種是通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸。兩種方式均采用4G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1  系統(tǒng)架構(gòu)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(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。通過模擬量輸入模塊，對各種模擬量進(jìn)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(jìn)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(luò)傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳送至中心服務(wù)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(jìn)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(guān)，可以同時接入水表、電表、燃?xì)獗淼?，我們稱之為智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。根據(jù)使用需求，終端計量表具可以是電表、氣表、燃?xì)獗淼?，電表包括如三相四線電子式有功電能表、單相遠(yuǎn)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(guān)用于實現(xiàn)RS-485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)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(luò)傳送至中心服務(wù)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(jìn)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(shè)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(jìn)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(jié)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(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。室外的溫濕度、光照度、風(fēng)力以及風(fēng)向，對供熱效果的影響也很大，通過在區(qū)域內(nèi)裝設(shè)小型氣象站，對區(qū)域內(nèi)的室外相關(guān)參數(shù)進(jìn)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(wù)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(guān)量等信號進(jìn)行采集測量、控制、遠(yuǎn)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(fēng)力風(fēng)向等各個參數(shù)信息，進(jìn)而對供熱全過程進(jìn)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(jìn)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(dá)到按需供熱，實現(xiàn)氣候補償節(jié)能控制；也可以進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）多源數(shù)據(jù)采集技術(shù)：基于物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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(luò)上傳至服務(wù)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(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)：采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立熱網(wǎng)短期熱負(fù)荷預(yù)測模型，以近3天內(nèi)24小時的負(fù)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(yù)測每日某一時刻溫度負(fù)荷，進(jìn)而得到熱網(wǎng)的熱需求量。

（3）自動控制技術(shù)：根據(jù)預(yù)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(dá)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(biāo)。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(dá)標(biāo)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(jì)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(jìn)行中央質(zhì)調(diào)節(jié)、各熱力站處進(jìn)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(fù)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(fù)荷預(yù)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(gòu)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(jìn)入各換熱站系統(tǒng)的問題、無法自動生成各種圖表進(jìn)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(shù)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(jìn)行實時采集，采樣周期可根據(jù)需要設(shè)置為1小時、15分鐘、1分鐘，最低可達(dá)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(shù)通過數(shù)據(jù)采集器對熱用戶室內(nèi)溫度進(jìn)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(fēng)力風(fēng)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(jìn)行控制，結(jié)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(biāo)考核：基于系統(tǒng)采集的電、水和熱能耗，結(jié)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(jìn)行排名，對各換熱站的供熱效率進(jìn)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(jì)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(jìn)行統(tǒng)一設(shè)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(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定。全網(wǎng)控制模式和手動控制模式可自由切換。

（6）實時預(yù)警：對供熱管網(wǎng)出現(xiàn)異常的站點進(jìn)行預(yù)警，產(chǎn)生預(yù)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(jìn)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(shù)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(jìn)行實時采集，采樣周期可根據(jù)需要設(shè)置為1天、6小時、1小時、15分鐘等，最低可達(dá)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(jìn)行同比分析和環(huán)比分析，對不同換熱站的能耗進(jìn)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(shù)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(biāo)或更加科學(xué)合理的考核依據(jù)。

（9）報表服務(wù)：平臺提供各類能耗報表的查詢和導(dǎo)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(biāo)煤值。支持能耗報表的查詢和導(dǎo)出，用戶可以根據(jù)能耗類型、換熱站名稱、時間等條件進(jìn)行能源統(tǒng)計報表查詢和導(dǎo)出。導(dǎo)出格式為Excel，同時支持能耗報表在線打印。

（10）短信服務(wù)：短信服務(wù)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(yù)警信息也通過短信服務(wù)發(fā)送至相應(yīng)的管理人員。

（11）郵件服務(wù)：郵件服務(wù)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(wù)安全穩(wěn)定。同時系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)警信息也通過郵件服務(wù)發(fā)送至相應(yīng)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(jìn)行示范應(yīng)用。熱網(wǎng)智控系統(tǒng)的建設(shè)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(yuǎn)程在線監(jiān)測，并可以通過系統(tǒng)對熱網(wǎng)運行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)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(dá)到了按需供熱，提供了供熱效率。系統(tǒng)應(yīng)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(jìn)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(dá)到了平衡供熱效果。

·以節(jié)省總供熱量為目標(biāo)，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(dá)到了提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

·為熱網(wǎng)如何經(jīng)濟(jì)高效運行提供分析基礎(chǔ)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(jié)束后與前期數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhuǎn)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(dá)到了均勻調(diào)節(jié)流量、消除冷熱不均的目標(biāo)，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(fù)荷的實際耗能量，從而將原有的經(jīng)驗式宏觀管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)式數(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