热网监控系统

热网监控系统技术方案

1、概述

随着国民经济的不断进步和人民生活水平日益提高，社会对环境的要求越来越高。近年来国家大力提倡城镇集中供热，改变原来各单位、各片区自己供热、单独建立锅炉房给城市带来的污染，由城市外围的一个或者多个热电厂提供热源，市内各片区建立换热站，统一给用户供热。因此建立一套完善的热网生产调度系统，对热网进行监测和有效的调节，以降低能源消耗和提高供热质量成为供热管理的迫切需要。热网监控系统为供热管理人员提供集中供热系统的运行状况，帮助工作人员选择合适的运行方式，进行优化生产和运行。监控系统提供的数据实时、准确，使热网的调控有了可靠的依据。系统的投入不仅明显改善了供热效果，还节约了大量的能源，既能保证热量充足时减少热能的消耗，又能保证热量不足时热量的均摊，对保证供热质量、节约能源起到了积极作用。

为了实现热源控制一体化，热网智能化，终端用户信息化；解决了系统整体过量供热，管网存在水力失调，室温存在冷热不均及锅炉冷凝水的问题，达到整个系统的节能目的；提高了供热品质及舒适度，延长了设备的使用寿命。为此我们集中公司中的科研力量开发了具有自主品牌的——“‘耐威科’城市供热管网集中控制管理平台”（以下简称：耐威科管理平台），该平台是集现代计算机技术、自动控制技术和通讯技术为一体的。整个耐威科管理平台分为用户计量与控制系统、‘耐威科’无人值守换热站控制系统（以下简称：控制系统）和集中控制监控管理中心（以下简称管理中心）三个部分。

2、热网监控系统的组成及特点

整个热网监控系统分为三个部分：集中控制监控管理中心、‘耐威科’无人值守换热控制系统和室内无线通讯计量与控制系统。

2.1集中控制监控管理中心

2.1.1集中控制监控管理中心组成

集中控制监控管理中心由上位机、服务器、上位管理软件、交换机、GPRS 解析终端等设备组成。它可以宏观掌握整个供热系统运行状况、运行质量。保证供热系统的运行参数。对热网的水力工况和热力工况进行全自动调节，解决各换热站的耦合影响，消除热网水平失调，平衡供热效果。同时他可以监控整个供热区域内的所有用户的用热情况，并根据实际情况对用户的用热情况进行调节。

2.1.2集中控制监控管理中心特点

◇超大系统容量。可以同时容纳上万个I/O 点，10万个以上监测数据采集点；◇超长时间数据存储。由于管理中心采用了专用的数据库存储系统。数据存储时间可达50 年上。存储数据可达T级。

◇全面系统冗余处理。包括数据库冗余，系统冗余，通讯冗余等。

◇全面的热网系统管理。根据热网系统的特点，可以把系统分为许多小的管理单位；

◇灵活定制各级管理员及管理权限；

◇数据自动报警显示。包括声光提示等；

◇大分辨率显示器和投影仪支持；

◇同时支持B/S，C/S 结构网络访问；

◇固定客户端，移动客户端同时支持；

◇支持历时数据导入，导出，支持历时数据后补添加；

◇直观，灵活定制的趋势图，曲线，报表等；

◇方便，迅速，灵活的历时数据定制查询，打印，报表生成等；

2.1.3集中控制监控管理中心优势

●安全可靠稳定。

在系统建设过程中，将系统的安全、可靠、稳定性作为设计的首选原则。终端应具备较强的抗干扰能力。终端应实现故障自诊断功能和自恢复功能，当出现故障的时候能自动重启而不需要人为的切断电源。严格全面的权限管理；详细的操作日志功能。只有安全可靠的系统才能达到令人满意的结果。在方案设计时，首先应考虑选用稳定可靠的产品和技术，使其具有必要的冗余容错能力，为用户提供高可用服务。要求系统在硬件配置、操作系统、以及系统管理等环节采取严格的安全措施，保证系统不受侵害。

●先进性原则

系统采用先进成熟的具有当今国内先进水平的监测控制技术、控制器及应用软件，并具有完整的技术文档资料。而且系统具有可扩展行。

●实用性原则

系统需要本着能够解决热网运行中存在的实际问题，进行整体规划，无论是网络体系、通信系统、硬件平台及软件功能，必须能够满足整个热网管理的需求。力求完善化、科学化；用户界面设计友好，易于理解、易于掌握、便于操作。

可扩充性原则

应用软件的设计应逻辑结构清晰、易读。在功能的划分和设计时，尽可能相对独立、减少相关性，以易于扩充、维护和修改。采集控制器应充分考虑其独立性和扩展性，使设备配置和系统扩展有更大的自由度和灵活性。为热用户的日益增长，预留较大的扩展空间。系统不但要能满足现阶段的业务要求，而且要能满足将来业务的增长和新技术发展的要求，要在原有设备继续发挥作用的基础上，保证用户能方便地增加或调整设备，改善系统功能和性能，支持将来系统不断更新和便于升级，从而保护原有投资。主机系统应具有良好的可扩展能力，满足不同规模计算环境的要求，并且能提供多种升级途径，给业务的不断发展创造条件。缩放性是企业网结构要求中最重要的一个方面。企业业务的快速变化，用户不可预测的需求都要求系统结构能适应这种情况。这就意味着我们在最初设计中，投资重点要放在一个可缩放的结构上以及支持它的相关的软硬件。

●兼容性原则

底层系统、数据库、采集控制器、通讯方法、网络协议都采用国际标准或统一标准，使得系统的兼容性大大提高，只要遵循统一标准，任何厂家的设备都可以接入该系统。

●经济性原则

在满足系统需求的基础上，力争用最少的资金，获得最大的经济效益和社会效益。经济性原则不仅体现在设计过程中，而且要为系统今后的维护降低成本打下基础。

●权限设置

监控系统对运行人员、维护人员、管理人员赋予不同的权限，不同的人员具有不同的操作权限，从而避免了操作不当所造成的系统故障。而这些权限的设置均由集中控制监控管理中心来完成。

●功能强大的站点管理，添加，删除，修改，浏览等

管理中心可以任意进行站点的添加，删除，修改等。添加删除等站点管理设计参数全面，功能强大。可以任意删除站点，可以任意添加站点。可以对现有站点进行任意修改，修改任意站点参数对系统不会造成影响。可知直观浏览现有站点的各个参数，包括：站点IP 地址；站点名称；站点地理位置；自控周期，室外计算/下发周期；当前控制策略模式；当前报警开关，电流回传功能开关，DTU在线与否等；当前站点归属，支路号，管井，供热面积等；

清晰，直观，超大字体的实时数据显示；

管理中心为了便于用户长时间监测实时数据的需要。设计实时数据显示时，采用隔行错色的视觉显示方式，便于用户长时间监视而不会引起视觉疲劳。同时为了更便于人员查看。采用了超大计算机字体，并加强了字体处理效果；实时数据显示内容如下：

一次温度、压力、流量；二次温度、压力，流量；瞬时流量；瞬时热量；累计流量；累计热量；当前室外温度，调节阀阀门开度；当前数据接收时间；

地图数据直观显示

直接引入管网地理信息平面图。直观表明各个换热站的地理位置，管径，距离中心供热点的距离。并且实时显示该站点的温度，压力，流量等数据。供用户比较沿线管损，温度变化趋势，压力变化趋势等。热交换站各种数据模拟画面显示实际模拟换热站的工作流程。显示各个关键部位的实时数据。

2.1.4集中控制监控管理中心通讯

通讯网络承担集中控制监控管理中心与各个换热站以及用户计量与控制系统的数据传输，数据交换，是整个监控项目的桥梁，是保证热网监测系统正常运行的关键。监控系统采用的通讯方式有多种形式。应依据项目的实际情况决定采取何种通讯方式。从通讯方式可以分为：市话网、宽带网、专用网和GPRS 网。

a、市话网通讯方式的特点：

①供热管网存在一定的滞后性，无须实时在线。所以，通讯方式采用拨号方式

也不失一种好方法。

②有线通信时，要先拨号以后才能通信，速度比较慢。运行费用较低。

③维护均由电信部门负责。

④系统具有双向数据传输功能，从而实现远程控制，无人职守。

⑤覆盖面广，信号稳定。

b、宽带网通讯的特点：

①用于已完供热管网，无须土方开挖。

②申请ADSL方式通讯，只须按月交纳一定的费用，即可实现网上通讯，无自维护量。

③永远在线：用户随时都与网络保持着联系，即使没有数据传输时，用户也仍然附着在网上与网络保持着联系。

④每次登录Internet只需要一个激活的过程，一般仅需要1到3秒钟。

⑤高速传输：由于ADSL采用了先进的分组交换技术，数据传输快。系统在数据传输过程中可申请加密机制，数据可以在公网上安全地传输。

⑥系统具有双向数据传输功能，从而实现远程控制，无人职守。

⑦系统依托相应的软件，可以灵活实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输。

c、专用线路的特点：

①敷设专用通讯光缆，特别适用于新建供热管网，可与供热管道一同敷设，减少土方开挖量，可以大大降低运行费用，但维护量大，维修费用多。

②用户随时都与网络保持着联系，即使没有数据传输时，用户也仍然附着在网上与网络保持着联系。

③系统具有双向数据传输功能，从而实现远程控制，无人职守。

d、GPRS无线通信的特点

①永远在线：通信时，不需要象PSTN那样要先拨号以后才能通信。用户随时都与网络保持着联系，即使没有数据传输时，用户也仍然附着在网上与网络保持着联系。

②快速登录：GPRS无线终端一开机，即已经与GPRS网络建立了连接。每次登录Internet只需要一个激活的过程，一般仅需要1到3秒钟。

③高速传输：由于GPRS采用了先进的分组交换技术，数据传输的最高理论值可达171.2kb/s。

④按量计费：GPRS网络按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用。没有数据流量传输时，用户即使在线，也不收费。

⑤覆盖面广：目前，GPRS网络已基本覆盖了所有GSM网络，偏远地区不再是数据传输的盲区。

⑥可移动性：企业对系统所有设备有自主权，无需与运营商交涉，可以自由分配。

⑦可靠性强：系统具有纠错、重发机制，从而确保数据的完整性和正确性。其次，系统具有自动恢复功能，在GPRS网络状态不稳定的情况下，保证系统稳定工作，而无需人工干预。

⑧安全性高：系统在数据传输过程中加入了加密机制，数据可以在公网上安全地传输。

⑨无人职守：系统具有双向数据传输功能，从而实现远程控制，无人职守。

⑩灵活方便：系统依托相应的软件，可以灵活实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输。

2.2‘耐威科’无人值守换热站控制系统

PLC控制器、触摸屏、传感器、执行机构及通讯模块组成热网监控系统的远程终端站即—‘耐威科’无人值守换热站控制系统，PLC通过与其相连的仪表和执行机构完成对热网换热子站和其它现场设备的数据采集和控制功能。PLC控制器同时与机组电气控制柜及工艺配合实现热力站的全自动控制，安全启停机组，达到无人值守。

2.2.1控制原理

通过调节二次网供回水温度，实现热网平衡，换热站控制系统可以根据二次网供水温度、回水温度、供回水平均温度三种控制方式，控制电动调节阀门，保证温度恒定和热网平衡。尤以根据供回水平均温度的设定值调节阀门的方式最科学，最合理。

2.2.2控制目的

①宏观掌握供热系统运行状况、运行质量。

②保证供热系统的运行参数。对热网的水力工况和热力工况进行全自动调节，解决各换热站的耦合影响，消除热网水平失调，平衡供热效果。

③以节省总供热量为目标，在满足热网用户基本采暖要求的前提下尽量减少总供热量，从而达到提高经济效益的目的。

④更好地进行供热系统设备的维护及管理。及时检测报告供热系统故障，作到防微杜渐，防患未然。

⑤为热网如何经济高效运行提供分析基础和分析依据。通过记录的热网运行历史数据，在一个采暖期结束后与前期数据进行比较分析，查出主要能耗来源，为今后的节能挖潜改造提供条件。

2.2.3系统特点

a、监测界面直观、简洁，可方便操作、性能稳定，功能可按需二次开发，数据

传输率高；

b、下位机操作采用触摸屏方式，技术先进、操作简单、数据显示简洁明了

c、监控系统对运行人员、维护人员、管理人员赋予不同的权限，不同的人员具有不同的操作权限，从而避免了操作不当所造成的系统故障；

d、监控中心软件具备报警管理功能，每条报警信息应该包含报警站点、报警发生时间、报警参数及当前值等详细信息；

e、操作人员可通过上位机控制底层设备，无须去现场操作，可靠性高，节省人力物力。

2.2.4系统功能

a、参数测量显示功能

主要完成热网现场过程的模拟量（如温度、压力、流量、热量等）、状态量（如泵的状态、水位高低状态等）及脉冲量的测量、并完成相应的物理量的上下限比较、PID运算、逻辑运算等。

同时主要完成如下参数的测量和显示，测量结果将传送到监控中心。

①压力：一次网供水压力、一次网回水压力、二次网供水压力、二次网回水压力（补水点压力）。

②温度：一次网供水温度、一次网回水温度、二次网供水温度、二次网回水温度、室外温度、一次网供回水温差（控制器中的计算值= 一次网供水温度值- 一次网回水温度值）、二次网供回水温差（控制器中的计算值= 二次网供水温度值- 二次网回水温度值）

③流量：一次网供水瞬时流量、一次网供水累计流量、补水瞬时流量、补水累计流量。

④热量：一次网供热量、一次网累计热量

⑤电能：累计电能

⑥液位：水箱液位

⑦阀位反馈：电动调节阀的阀位反馈

⑧频率反馈：循环泵变频器频率反馈、补水泵变频器频率反馈

⑨运行状态：循环泵变频运行状态、循环泵工频运行状态、补水泵变频运行状态、补水泵工频运行状态

⑩故障状态：循环泵变频故障、循环泵工频过载故障、补水泵变频故障、补水泵工频过载故障

b、控制功能

PLC控制器可以完成如下控制功能：

①、二次网供水温度控制（质调节）：

根据室外温度补偿所确定二次网供水温度设定曲线（6点以上），来进行一次网供水电动调节阀的自动或/手动调节，从而满足二次网供水温度的需求。二次网供水温度设定曲线能够根据日计划和周计划有效时向上或向下平移温度设定曲线，以满足用户在不同时段对二次网供水温度的需求。具有一次网最大热量限定功能，防止热源供热量不足时近端用户抢热。室外温度应具有修正功能。可以在本地控制器面板上显示阀的开度、室外温度、室外温度修正值、供水温度设定值、实际供水温度。能在本地和监控中心修改温度设定曲线，修改PID参数值，时间段范围和温度曲线平移值可以方便修改。

②、二次网回水压力控制：

根据设定的二次网回水压力设定值自动/手动调节变频补水泵的转速，将压力值稳定在要求范围内。当补水量很小时，补水泵运行频率低于睡眠设定值并延时适当时间，补水泵进入睡眠状态停止运转，而当二次网回水压力比定压设定值

低0.02Mpa（回水压力低偏差设定值）时,水泵结束睡眠状态重新进行运转。应能观察到回水压力设定值、实际回水压力值、补水泵频率反馈值。能在本地和监控中心修改回水压力设定值，回水压力低偏差设定值、睡眠设定值和延时时间，修改PID参数值。

③、分时控制:

是根据建筑物功能性的使用时间来自动控制整个机组的运行、停止。

可在每天中分几个时段自动启停（可达十个）

可在每周内分几个时段自动启停（如周一至周五工作，周六、日休息、停机）

宿舍楼时段与之相反（此处暂不分析）

④、室外温度补偿：利用室外温度传感器将信号接入PLC控制器,PLC根据室外

温度情况对一次供水的调节阀进行调节从而达到节能的目的。

用热量：Q2= cm Δt=cm （27095+-70）=cm ×12.5 用能：12

Q Q ×100%=50%

用能源编辑：用热量：Q3= cm Δt ?21t t dt 用能：23

Q Q

×100%=107×100%=70%

总体用能源：Q=50%×70%=35%

节能：100%-35%=65%

⑤、报警功能：

一次网供回水压差值低限，一次网供水滤污阀前后压差高限堵塞，一次网

回水温度高限，二次网供水压力高限、高高限，二次网供水温度高限、高高限，二次网回水压力低限、低低限，二次网回水滤污阀前后压差高限堵塞，水箱水位高高限、低限、低低限，循环泵变频器故障，循环泵工频过载报警，补水泵变频器故障，补水泵工频过载报警。

⑥、联锁控制：

当水箱水位高于高限值时自动启动补水泵进行定压补水并做自锁，进行二次

网供回水压差调节，此时延时开启一次网电动调节阀进行二次网供水温度自动调节。当水箱水位低于低低限值时停止补水泵，直到水箱水位高于高限时补水泵重新启动。当二次网供水温度高于高高限值时、一次网回水温度高于高限值时或当所有循环水泵停止或停电时，一次侧电动调节阀自动关闭。当二次网供水压力值高于高高限值时，或当二次网回水压力值低于低低限时，为保护设备，停止整个换热机组的运行，直到故障解除后，再投入运行。

c、通讯功能：

通讯的方式主要有市话网、宽带网、专用网和GPRS。几种方式，数据的传输具有高效、实时、准确等优点。可根据不同的现场环境选取合适的通讯手段。

d、显示操作功能

每个无人值守换热站配备7寸或10寸彩色触摸屏，安装在PLC控制柜面板上。用于现场对相关的参数进行配置，同时对该参数进行修改时需要监控中心的授权，从而达到安全的目的。

e、控制调节功能

控制器除能在就地进行自动控制和调节外，还能在监控中心的命令下和允许的范围内，对换热子站和其它现场设备进行控制和调节。

f、控制器根据检测的信号，控制机组运行，水压、温度超限报警，安全启停机组；现场设备应具备手动/自动转换功能。

g、控制器应能以闭环的方式控制调节阀来调节一次水的流量，以保证二次网所需的供水温度，当热网负荷过大或供热不足时，PLC控制器可以控制调节阀的开度，使管网水力平衡，防止争水现象发生。

h、能接受监控中心参数修改更新指令，并保存更改历史记录。

i、控制器应能满足监控中心其他的控制、报警、通讯功能。

j、在现场触摸屏上方便修改压力变送器、温度传感器的量程范围。

2.3用户计量与控制系统

2.3.1用户计量与控制系统的组成

用户计量与控制系统由M-BUS主机（每栋楼1个）、GPRS DTV（每栋楼1个）、超声波热量表（每户1个）、热量积分温控阀（每户1个）、调节控制面板。

2.3.2用户计量与控制系统的特点

①、不改变原有供暖管道系统，保持户主室内格局，破坏性小

②、安装简单，费用低

③、具有锁闭功能

④、具有远程控制功能

⑤、具有自动调节温度功能

⑥、组网方便，检查、使用通过无线网络进行

2.3.3用户计量与控制系统工作原理

每个垂直立管上装有一个热量表的超声波流量计，测量该管道的瞬时流量，并把该瞬时流量通过总线传给该立管热量积分温控阀。每个暖气片前都装有热量积分温控阀，热量积分温控阀负责采集某个房间内的进回水温度，结合流量积分计算出此房间内释放的热量。

2.3.4用户计量与控制系统数据传输

决定热量积分温控阀读数的因素主要是瞬时流量和温差。瞬时流量和温度差传递给热量积分温控阀进行积分运算得出热量值。立管中热水流经本户时消耗掉的热量值显示在热量积分温控阀的显示屏上，同时热量积分温控阀还将热量值和表内其他参数通过GPRS无线网络直接传送到集中控制监控管理中心的基站设备上。集中控制监控管理中心的基站设备将传回的热量值进行汇总，将每户所有的热表数值进行累加最终得出每户在供暖期间所消耗的热量。

2.3.4用户计量与控制系统温控功能

用户设定热量积分温控阀的时段和温度，热量积分温控阀在所属时间段按照设定的温度自动运行，当室内温度达到设定温度时关闭阀门，当低于设定温度2度时自动开启阀门。此功能是节能的有效手段，例如客厅无人时可以设定客厅在晚上10点～早上6点，温度为5度，实现保温即可，最大限度节能。同时在

用户报停或恶意拖欠供热费用时，我们通过供热管理部门的总控设备发出卫星信号直接将热量积分温控阀关闭。阀门锁闭暖气片后热水只能通过立管流向下一户。而对于监控中心也可以通过实际的用热情况对用户内的控制阀进行微调。

3、结论

换热站自控系统建设与当今先进的通信、计算机网络发展技术相适应，符合总体规划和长远发展的需要，充分保证了系统的可伸缩性和可扩展性。整个控制系统的设计思想超前，选用的系统设备和软件，性价比最好，使用户采用合理的投资而得到最佳的效果。系统在未来运行更新或搬迁及改造升级时只需少量资金便可达成。

系统在运行过程中维护简单易行。系统的运转真正做到一通电即可工作，就能运行的程度，维护过程中无需使用过多的专用维护工具。系统运行后的管理和维护费用也少。

以锦州热电总公司为例，590万平方米供热面积的82个热力站完全实现无人值守。热网微机监控系统的测试结果和运行记录表明，该系统达到二次网供回水温度平均值与设定值的静差小于1.5℃,热网失调度小于1%等先进技术指标。

热网微机监控系统的实现，很好地保证了用户室温在设定范围内波动，不仅节省了大量的人力和物力，还提高了自动化程度及控制精度，其综合水平达到了热网监控系统的国际先进水平。