編者按：

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數據、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)展是一項復雜而龐大的系統工程，既需要單一技術(shù)與裝備的突破應用，還需要系統化的集成創(chuàng )新。智慧系統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)域系統解決方案應用水平，現由中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )、智能制造推進(jìn)合作創(chuàng )新聯(lián)盟、工業(yè)控制系統信息安全產(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(huì )主辦，《自動(dòng)化博覽》雜志社&控制網(wǎng)（fcfhome.com）承辦的2019智慧系統解決方案征集活動(dòng)已正式啟動(dòng)，面向全行業(yè)公開(kāi)征集智慧系統解決方案。本刊特開(kāi)設智慧系統解決方案專(zhuān)欄，刊發(fā)其中優(yōu)秀的解決方案以饗讀者。

1　概述

城市供熱系統是利用集中熱源，通過(guò)供熱管網(wǎng)等設施向熱能用戶(hù)供應生產(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(lái)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：可以使室內各處的溫度相對比較平均，室內的溫度也比較舒適，而且投資成本相對較少，整個(gè)系統運行時(shí)需要的管理、維修等費用也較低，還有著(zhù)較好的環(huán)保功能，安全性能也比較好。但是從實(shí)際情況來(lái)看，城市供熱系統還存在以下缺陷和不足：

（1）水力工況失調：目前運行的室外供熱管網(wǎng)多為枝狀管網(wǎng)，近熱遠冷，具體表現為近端熱用戶(hù)或者換熱站的實(shí)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(guò)熱，遠端過(guò)冷。

（2）供熱質(zhì)量差、冷熱不均勻：熱用戶(hù)大多采用單管供熱系統，且無(wú)有效的調控設備，造成熱力工況失調嚴重，各用戶(hù)冷熱不均。一些用戶(hù)的室溫達不到設計標準要求，而另一部分用于則室溫過(guò)高。這就導致雖然熱源足夠，部分熱用戶(hù)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均不能根據室外溫度的變化而適時(shí)有效地調節供熱流量和供水溫度，并且都以“大流量、小溫差”方式運行，系統漏損大，耗電量高。

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統對熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開(kāi)關(guān)量等信號進(jìn)行采集測量、控制、遠傳，實(shí)時(shí)監控一次網(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(hù)室內溫度，供熱區域室外溫濕度、光照、風(fēng)力風(fēng)向等各個(gè)參數信息，進(jìn)而對供熱全過(guò)程進(jìn)行有效的監測和控制，實(shí)現整個(gè)供熱系統的高效運行和先進(jìn)管理。在供熱期間可按室外溫度調節二次網(wǎng)供回水溫度（可手動(dòng)、自動(dòng)切換），達到按需供熱，實(shí)現氣候補償節能控制；也可以進(jìn)行分時(shí)分區節能控制，在保證室內舒適度的前提下，實(shí)現熱網(wǎng)平衡和節約能源的目的。

2　系統解決方案

2.1　系統架構（如圖1所示）

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統包括感知層、網(wǎng)絡(luò )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(fēng)速風(fēng)向傳感器）、PLC控制器和數據采集器組成，用于采集熱源廠(chǎng)和換熱站實(shí)時(shí)運行參數（包括溫度、壓力和流量）、換熱站電/水能耗數據和用戶(hù)室內外環(huán)境數據（溫度、濕度、光照度和風(fēng)速風(fēng)向）。

網(wǎng)絡(luò )層：包括各種用以構建分布式網(wǎng)絡(luò )的設施，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )層將采集的熱源廠(chǎng)、換熱站和用戶(hù)的實(shí)時(shí)數據傳輸至調度管理中心，也可以將調度中心發(fā)出的控制指令下達至現場(chǎng)控制器。

應用層：作為城市熱網(wǎng)智控系統的最頂層，應用層主要利用感知信息為用戶(hù)提供智能化的特定服務(wù)，包括熱源數據可視化、室內外環(huán)境感知、換熱站實(shí)時(shí)控制、熱網(wǎng)平衡、全網(wǎng)控制等服務(wù)。

（1）熱源數據采集

熱源數據是指熱電廠(chǎng)等單位對供熱管網(wǎng)的能源介質(zhì)輸出參數，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。根據現場(chǎng)不同情況，可采用兩種數據采集傳輸方式，一種是采用PLC進(jìn)行數據采集，通過(guò)DTU進(jìn)行數據傳輸，另一種是通過(guò)數據采集器進(jìn)行數據采集并傳輸。兩種方式均采用4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸。

圖1  系統架構圖

針對現場(chǎng)使用的各種傳感器，若現場(chǎng)數據信號為模擬量信號，少量信號為RS-485通訊傳輸，則采用PLC進(jìn)行數據的采集。通過(guò)模擬量輸入模塊，對各種模擬量進(jìn)行采集、存儲，通過(guò)PLC專(zhuān)用通訊模塊，對現場(chǎng)RS-485接口儀表進(jìn)行數據采集并解析。所有數據采集后，通過(guò)PLC通訊端子與DTU連接，以4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸的方式將數據傳送至中心服務(wù)器。

針對現場(chǎng)所有儀表均采用RS-485接口的情況，則采用數據采集器進(jìn)行數據的采集、存儲和傳輸。本系統使用自主研發(fā)的智能數據網(wǎng)關(guān)，可以同時(shí)接入水表、電表、燃氣表等，我們稱(chēng)之為智能數據網(wǎng)關(guān)。根據使用需求，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(xiàn)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。智能數據網(wǎng)關(guān)用于實(shí)現RS-485總線(xiàn)協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議之間的轉化，實(shí)現對各終端計量表具采集的水、電、蒸汽等數據進(jìn)行轉換、處理并通過(guò)加密等封裝手段，通過(guò)以太網(wǎng)傳或4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送至中心服務(wù)器。

（2）換熱站數據采集

換熱站數據采集系統包含系統中各管路內溫度、壓力、流量的監測以及電動(dòng)閥狀態(tài)、循環(huán)泵運行狀態(tài)和補水泵運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測，并對站內總用電能耗及各電機分項能耗、給水能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監測?？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據采集宜采用數據采集器，而針對其他溫度、流量、壓力、設備運行等數據，涉及到數字量信號和模擬量的信號，宜采用PLC進(jìn)行數據的采集。

（3）室內外環(huán)境氣象數據采集

本系統采用室內溫度傳感器與數據采集器結合的方式，實(shí)現室內溫度的無(wú)線(xiàn)數據采集，溫度傳感器暗裝在用戶(hù)戶(hù)內，與數據采集器通過(guò)通訊線(xiàn)連接，采集器將通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸至數據中心。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(guò)在區域內裝設小型氣象站，對區域內的室外相關(guān)參數進(jìn)行數據測量及采集，最終通過(guò)DTU傳輸至數據中心服務(wù)器。

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統對熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開(kāi)關(guān)量等信號進(jìn)行采集測量、控制、遠傳，實(shí)時(shí)監控一次網(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(hù)室內溫度，供熱區域室外溫濕度、光照、風(fēng)力風(fēng)向等各個(gè)參數信息，進(jìn)而對供熱全過(guò)程進(jìn)行有效的監測和控制，實(shí)現整個(gè)供熱系統的高效運行和先進(jìn)管理。在供熱期間可按室外溫度調節二次網(wǎng)供回水溫度（可手動(dòng)、自動(dòng)切換），達到按需供熱，實(shí)現氣候補償節能控制；也可以進(jìn)行分時(shí)分區節能控制，在保證室內舒適度的前提下，實(shí)現熱網(wǎng)平衡和節約能源的目的。

2.2　關(guān)鍵技術(shù)

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

（1）多源數據采集技術(shù)：基于物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用PLC和數據采集器實(shí)時(shí)采集熱網(wǎng)運行數據、室內外環(huán)境數據和電、水能耗數據，通過(guò)DTU或4G網(wǎng)絡(luò )上傳至服務(wù)器，為后續熱網(wǎng)平衡控制以及能源管理和優(yōu)化提供數據基礎。

（2）數據挖掘技術(shù)：采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建立熱網(wǎng)短期熱負荷預測模型，以近3天內24小時(shí)的負荷溫度值、1天內不同時(shí)刻溫度、是否是工作日、每個(gè)時(shí)刻的天氣情況作為輸入，預測每日某一時(shí)刻溫度負荷，進(jìn)而得到熱網(wǎng)的熱需求量。

（3）自動(dòng)控制技術(shù)：根據預測的熱需求量智能化調節一次網(wǎng)供水溫度，消除一次網(wǎng)的水力工況失調，采用帶室外氣候補償的二次網(wǎng)供回水溫度分時(shí)段修正算法，實(shí)現各熱力站二次網(wǎng)供回水平均溫度一致，以達到熱網(wǎng)平衡。

對于集中供熱系統來(lái)說(shuō)，消除熱網(wǎng)熱平衡失調，滿(mǎn)足熱用戶(hù)實(shí)際用熱需求，實(shí)現各換熱站均勻供熱為熱網(wǎng)的總調節目標。很多熱力公司建立了換熱站自控系統，換熱站自控系統不能解決整個(gè)熱網(wǎng)的熱平衡問(wèn)題，仍然會(huì )出現局部熱用戶(hù)過(guò)熱或溫度不達標現象，沒(méi)有將熱力公司的供熱能力最大化運行，即熱網(wǎng)沒(méi)有經(jīng)濟運行。本解決方案具有以下優(yōu)勢：

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

（2）節約了熱網(wǎng)的運行能耗：通過(guò)熱網(wǎng)負荷預測和質(zhì)量綜合調節控制，實(shí)現了熱網(wǎng)的按需供熱和熱網(wǎng)平衡，不但節約了供熱量，而且同時(shí)節約了輸送熱量所消耗的電能。

（3）系統界面操作性更強：基于B/S架構開(kāi)發(fā)，界面友好、操作便捷，同時(shí)解決了基于組態(tài)軟件的上位機系統界面死板不能縮放的問(wèn)題、無(wú)法通過(guò)系統主頁(yè)面點(diǎn)擊進(jìn)入各換熱站系統的問(wèn)題、無(wú)法自動(dòng)生成各種圖表進(jìn)行數據深度分析的問(wèn)題。

2.3　軟件平臺實(shí)現的功能

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

（2）室內外環(huán)境感知：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)數據采集器對熱用戶(hù)室內溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)小型氣象站實(shí)現對供熱區域室外溫濕度、光照、風(fēng)力風(fēng)向的實(shí)時(shí)采集。采樣頻率可根據實(shí)際需求確定。

（3）換熱站實(shí)時(shí)控制：以一個(gè)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(dòng)調節閥啟停狀態(tài)和開(kāi)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，結合熱用戶(hù)室內外環(huán)境實(shí)現熱網(wǎng)平衡控制。

（4）能耗目標考核：基于系統采集的電、水和熱能耗，結合本站的供熱面積、供熱戶(hù)數、受熱人口數量等信息，自動(dòng)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(jì)效考核，及時(shí)發(fā)現單耗過(guò)高的換熱站，排查原因并解決，降低換熱站運行費用，實(shí)現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：?jiǎn)?dòng)全網(wǎng)控制模式時(shí)，一次性對供熱管網(wǎng)所有閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行統一設定。針對某一個(gè)換熱站啟動(dòng)全網(wǎng)控制模式時(shí)，一次性對該換熱站的所有閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行統一設定。全網(wǎng)控制模式和手動(dòng)控制模式可自由切換。

（6）實(shí)時(shí)預警：對供熱管網(wǎng)出現異常的站點(diǎn)進(jìn)行預警，產(chǎn)生預警信息，并通過(guò)短信和郵件的方式發(fā)送給管理者，方便管理人員及時(shí)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(guān)展示各換熱站的供回水溫度差異。

（8）能耗數據分析：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)數據采集器對多種能耗（如水、電、熱等）計量裝置數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采樣周期可根據需要設置為1天、6小時(shí)、1小時(shí)、15分鐘等，最低可達到秒級。以采集的能耗數據為分析對象，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(guò)能耗數據分析，管理人員可以發(fā)現能耗較高的換熱站和熱力公司，通過(guò)績(jì)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)助管理層依據這些數據制定新的節能指標或更加科學(xué)合理的考核依據。

（9）報表服務(wù)：平臺提供各類(lèi)能耗報表的查詢(xún)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(lèi)能耗統計值和折合標煤值。支持能耗報表的查詢(xún)和導出，用戶(hù)可以根據能耗類(lèi)型、換熱站名稱(chēng)、時(shí)間等條件進(jìn)行能源統計報表查詢(xún)和導出。導出格式為Excel，同時(shí)支持能耗報表在線(xiàn)打印。

（10）短信服務(wù)：短信服務(wù)用來(lái)編輯和發(fā)送短信，便于用戶(hù)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(shí)系統發(fā)出的預警信息也通過(guò)短信服務(wù)發(fā)送至相應的管理人員。

（11）郵件服務(wù)：郵件服務(wù)用來(lái)編輯和發(fā)送郵件，便于用戶(hù)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)安全穩定。同時(shí)系統發(fā)出的預警信息也通過(guò)郵件服務(wù)發(fā)送至相應的管理人員。

3　項目?jì)r(jià)值

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統已在東港市新源熱力有限公司和東戴河新區恒源熱力有限公司的熱網(wǎng)系統進(jìn)行示范應用。熱網(wǎng)智控系統的建設實(shí)現了熱網(wǎng)運行數據、室內外環(huán)境數據和能耗數據的遠程在線(xiàn)監測，并可以通過(guò)系統對熱網(wǎng)運行參數進(jìn)行調節，結合室內外環(huán)境數據，在保證用戶(hù)舒適度的前提下達到了按需供熱，提供了供熱效率。系統應用效果得到了用戶(hù)的充分肯定。

·宏觀(guān)掌握供熱系統運行狀況、運行質(zhì)量。

·保證供熱系統的運行參數。對熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進(jìn)行全自動(dòng)調節，解決了各換熱站的耦合影響，消除了熱網(wǎng)水力失調，達到了平衡供熱效果。

·以節省總供熱量為目標，在滿(mǎn)足熱網(wǎng)用戶(hù)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。通過(guò)記錄的熱網(wǎng)運行歷史數據，在一個(gè)采暖期結束后與前期數據進(jìn)行比較分析，查出主要能耗來(lái)源，為今后的節能挖潛改造創(chuàng )造條件。

“中科智暖”城市熱網(wǎng)智控系統作為集實(shí)時(shí)監控、數據分析和運行調度為一體的綜合管理控制系統，從能源的存儲、轉換、輸配、使用的全生命周期角度實(shí)現靈活可靠的過(guò)程監控，達到了均勻調節流量、消除冷熱不均的目標，保證了用戶(hù)的用能舒適度和能源的使用效率。為企業(yè)管理部門(mén)提供實(shí)際用能數據，量化管理，掌握各類(lèi)負荷的實(shí)際耗能量，從而將原有的經(jīng)驗式宏觀(guān)管理模式轉變?yōu)榫毷綌底止芾砟Ｊ?。通過(guò)該系統，管理部門(mén)可以做到“掌握情況、摸清規律、系統診斷、合理用能”，大大提升管理水平。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年3月刊