隨著物聯網、雲計算、移動互聯網、大數據、人工智能等新技術的飛速發展，以及I T與O T技術的進一步融合，工業製造、城市交通、電力能源、農業等各大行業領域的智慧化發展已成為必然趨勢。推進各領域向智慧化發展是一項複雜而龐大的系統工程，既需要單一技術與裝備的突破應用，還需要系統化的集成創新。智慧系統解決方案是推廣普及智能化技術的關鍵手段，是促進各行業智能化水平提升的核心。
為深化智慧產業發展，進一步提升智慧產業各領域系統解決方案應用水平，現由中國自動化學會、智能製造推進合作創新聯盟、工業控制系統信息安全產業聯盟、邊緣計算產業聯盟、中國儀器儀表行業協會主辦，《自動化博覽》雜誌社&控制網（www.kongzhi.net）承辦的2019智慧系統解決方案徵集活動已正式啟動，面向全行業公開徵集智慧系統解決方案。本刊特開設智慧系統解決方案專欄，刊發其中優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，通過供熱管網等設施向熱能用戶供應生產或生活用熱能的供熱網絡。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，整個系統運行時需要的管理、維修等費用也較低，還有著較好的環保功能，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多為枝狀管網，近熱遠冷，具體表現為近端熱用戶或者換熱站的實際流量遠大於設計流量，而遠端流量卻小於設計流量，近端過熱，遠端過冷。
（2）供熱質量差、冷熱不均勻：熱用戶大多采用單管供熱系統，且無有效的調控設備，造成熱力工況失調嚴重，各用戶冷熱不均。一些用戶的室溫達不到設計標準要求，而另一部分用於則室溫過高。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均不能根據室外溫度的變化而適時有效地調節供熱流量和供水溫度，並且都以“大流量、小溫差”方式運行，系統漏損大，耗電量高。
“中科智暖”城市熱網智控系統對熱網的溫度、壓力、流量、開關量等信號進行採集測量、控制、遠傳，實時監控一次網、二次網溫度、壓力、流量，循環泵、補水泵運行狀態及水箱液位，末端熱用戶室內溫度，供熱區域室外溫溼度、光照、風力風向等各個參數信息，進而對供熱全過程進行有效的監測和控制，實現整個供熱系統的高效運行和先進管理。在供熱期間可按室外溫度調節二次網供回水溫度（可手動、自動切換），達到按需供熱，實現氣候補償節能控制；也可以進行分時分區節能控制，在保證室內舒適度的前提下，實現熱網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”城市熱網智控系統包括感知層、網絡層和應用層，符合標準的物聯網應用體系架構。
感知層：主要由智能電錶、智能水錶、小型氣象站（包括溫溼度傳感器、光照傳感器、風速風向傳感器）、PLC控制器和數據採集器組成，用於採集熱源廠和換熱站實時運行參數（包括溫度、壓力和流量）、換熱站電/水能耗數據和用戶室內外環境數據（溫度、溼度、光照度和風速風向）。
網絡層：包括各種用以構建分佈式網絡的設施，通過網絡層將採集的熱源廠、換熱站和用戶的實時數據傳輸至調度管理中心，也可以將調度中心發出的控制指令下達至現場控制器。
應用層：作為城市熱網智控系統的最頂層，應用層主要利用感知信息為用戶提供智能化的特定服務，包括熱源數據可視化、室內外環境感知、換熱站實時控制、熱網平衡、全網控制等服務。
（1）熱源數據採集
熱源數據是指熱電廠等單位對供熱管網的能源介質輸出參數，包含供熱主網的溫度、壓力、流量以及供熱補水管道的流量。根據現場不同情況，可採用兩種數據採集傳輸方式，一種是採用PLC進行數據採集，通過DTU進行數據傳輸，另一種是通過數據採集器進行數據採集並傳輸。兩種方式均採用4G無線網絡進行數據傳輸。
圖1 系統架構圖
針對現場使用的各種傳感器，若現場數據信號為模擬量信號，少量信號為RS-485通訊傳輸，則採用PLC進行數據的採集。通過模擬量輸入模塊，對各種模擬量進行採集、存儲，通過PLC專用通訊模塊，對現場RS-485接口儀表進行數據採集並解析。所有數據採集後，通過PLC通訊端子與DTU連接，以4G無線網絡傳輸的方式將數據傳送至中心服務器。
針對現場所有儀表均採用RS-485接口的情況，則採用數據採集器進行數據的採集、存儲和傳輸。本系統使用自主研發的智能數據網關，可以同時接入水錶、電錶、燃氣表等，我們稱之為智能數據網關。根據使用需求，終端計量表具可以是電錶、氣表、燃氣表等，電錶包括如三相四線電子式有功電能表、單相遠程費控智能電錶、智能電網多功能電錶等。智能數據網關用於實現RS-485總線協議與以太網協議之間的轉化，實現對各終端計量表具採集的水、電、蒸汽等數據進行轉換、處理並通過加密等封裝手段，通過以太網傳或4G無線網絡傳送至中心服務器。
（2）換熱站數據採集
換熱站數據採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閥狀態、循環泵運行狀態和補水泵運行狀態的實時監測，並對站內總用電能耗及各電機分項能耗、給水能耗進行實時監測。考慮到智能電錶及智能水錶採用的是RS-485通訊方式，且通訊協議不同，所有針對此部分的數據採集宜採用數據採集器，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，宜採用PLC進行數據的採集。
（3）室內外環境氣象數據採集
本系統採用室內溫度傳感器與數據採集器結合的方式，實現室內溫度的無線數據採集，溫度傳感器暗裝在用戶戶內，與數據採集器通過通訊線連接，採集器將通過4G無線網絡將數據傳輸至數據中心。室外的溫溼度、光照度、風力以及風向，對供熱效果的影響也很大，通過在區域內裝設小型氣象站，對區域內的室外相關參數進行數據測量及採集，最終通過DTU傳輸至數據中心服務器。
“中科智暖”城市熱網智控系統對熱網的溫度、壓力、流量、開關量等信號進行採集測量、控制、遠傳，實時監控一次網、二次網溫度、壓力、流量，循環泵、補水泵運行狀態及水箱液位，末端熱用戶室內溫度，供熱區域室外溫溼度、光照、風力風向等各個參數信息，進而對供熱全過程進行有效的監測和控制，實現整個供熱系統的高效運行和先進管理。在供熱期間可按室外溫度調節二次網供回水溫度（可手動、自動切換），達到按需供熱，實現氣候補償節能控制；也可以進行分時分區節能控制，在保證室內舒適度的前提下，實現熱網平衡和節約能源的目的。
2.2 關鍵技術
“中科智暖”城市熱網智控系統的關鍵技術包括：
（1）多源數據採集技術：基於物聯網和互聯網技術，使用PLC和數據採集器實時採集熱網運行數據、室內外環境數據和電、水能耗數據，通過DTU或4G網絡上傳至服務器，為後續熱網平衡控制以及能源管理和優化提供數據基礎。
（2）數據挖掘技術：採用BP神經網絡建立熱網短期熱負荷預測模型，以近3天內24小時的負荷溫度值、1天內不同時刻溫度、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，進而得到熱網的熱需求量。
（3）自動控制技術：根據預測的熱需求量智能化調節一次網供水溫度，消除一次網的水力工況失調，採用帶室外氣候補償的二次網供回水溫度分時段修正算法，實現各熱力站二次網供回水平均溫度一致，以達到熱網平衡。
對於集中供熱系統來說，消除熱網熱平衡失調，滿足熱用戶實際用熱需求，實現各換熱站均勻供熱為熱網的總調節目標。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熱網的熱平衡問題，仍然會出現局部熱用戶過熱或溫度不達標現象，沒有將熱力公司的供熱能力最大化運行，即熱網沒有經濟運行。本解決方案具有以下優勢：
（1）採用質-量綜合調節方式：熱源處進行中央質調節、各熱力站處進行局部量調節，採用質-量綜合熱網調節方式，從根本是規避了系統的容量、慣性和時延特性，也保證了各站負荷的均衡和全網的平衡。
（2）節約了熱網的運行能耗：通過熱網負荷預測和質量綜合調節控制，實現了熱網的按需供熱和熱網平衡，不但節約了供熱量，而且同時節約了輸送熱量所消耗的電能。
（3）系統界面操作性更強：基於B/S架構開發，界面友好、操作便捷，同時解決了基於組態軟件的上位機系統界面死板不能縮放的問題、無法通過系統主頁面點擊進入各換熱站系統的問題、無法自動生成各種圖表進行數據深度分析的問題。
2.3 軟件平臺實現的功能
（1）熱源數據可視化：基於物聯網技術通過PLC或數據採集器對熱源一次網的溫度、壓力和流量進行實時採集，採樣週期可根據需要設置為1小時、15分鐘、1分鐘，最低可達到秒級。高採樣頻率意味著本系統能耗獲取熱源的實時運行參數，供熱單位管理人員通過系統即可完成熱源運行狀況的實時查看。
（2）室內外環境感知：基於物聯網技術通過數據採集器對熱用戶室內溫度進行實時採集，通過小型氣象站實現對供熱區域室外溫溼度、光照、風力風向的實時採集。採樣頻率可根據實際需求確定。
（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；對電動調節閥啟停狀態和開度、循環泵啟停狀態和頻率和補水泵啟停狀態進行控制，結合熱用戶室內外環境實現熱網平衡控制。
（4）能耗目標考核：基於系統採集的電、水和熱能耗，結合本站的供熱面積、供熱戶數、受熱人口數量等信息，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，及時發現單耗過高的換熱站，排查原因並解決，降低換熱站運行費用，實現對供熱成本的有效控制，提高換熱站的經濟效益。
（5）全網控制：啟動全網控制模式時，一次性對供熱管網所有閥門的開度進行統一設定。針對某一個換熱站啟動全網控制模式時，一次性對該換熱站的所有閥門開度進行統一設定。全網控制模式和手動控制模式可自由切換。
（6）實時預警：對供熱管網出現異常的站點進行預警，產生預警信息，並通過短信和郵件的方式發送給管理者，方便管理人員及時解決供熱異常，避免產生重大供熱事故。
（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）能耗數據分析：基於物聯網技術通過數據採集器對多種能耗（如水、電、熱等）計量裝置數據進行實時採集，採樣週期可根據需要設置為1天、6小時、1小時、15分鐘等，最低可達到秒級。以採集的能耗數據為分析對象，對某一換熱站能耗進行同比分析和環比分析，對不同換熱站的能耗進行對比分析。通過能耗數據分析，管理人員可以發現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採取技術手段和管理手段提升自身能源利用效率，協助管理層依據這些數據制定新的節能指標或更加科學合理的考核依據。
（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計值和摺合標煤值。支持能耗報表的查詢和導出，用戶可以根據能耗類型、換熱站名稱、時間等條件進行能源統計報表查詢和導出。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送短信，便於用戶與其他聯繫人聯繫，短信列表記錄短信發送的詳情。同時系統發出的預警信息也通過短信服務發送至相應的管理人員。
（11）郵件服務：郵件服務用來編輯和發送郵件，便於用戶與其他聯繫人聯繫，郵件列表記錄郵件發送的詳情，郵件服務安全穩定。同時系統發出的預警信息也通過郵件服務發送至相應的管理人員。
3 項目價值
“中科智暖”城市熱網智控系統已在東港市新源熱力有限公司和東戴河新區恆源熱力有限公司的熱網系統進行示範應用。熱網智控系統的建設實現了熱網運行數據、室內外環境數據和能耗數據的遠程在線監測，並可以通過系統對熱網運行參數進行調節，結合室內外環境數據，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。系統應用效果得到了用戶的充分肯定。
·宏觀掌握供熱系統運行狀況、運行質量。
·保證供熱系統的運行參數。對熱網的水力工況和熱力工況進行全自動調節，解決了各換熱站的耦合影響，消除了熱網水力失調，達到了平衡供熱效果。
·以節省總供熱量為目標，在滿足熱網用戶基本採暖要求的前提下儘量減少總供熱量，從而達到了提高經濟效益的目的。
·為熱網如何經濟高效運行提供分析基礎和分析依據。通過記錄的熱網運行歷史數據，在一個採暖期結束後與前期數據進行比較分析，查出主要能耗來源，為今後的節能挖潛改造創造條件。
“中科智暖”城市熱網智控系統作為集實時監控、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、使用的全生命週期角度實現靈活可靠的過程監控，達到了均勻調節流量、消除冷熱不均的目標，保證了用戶的用能舒適度和能源的使用效率。為企業管理部門提供實際用能數據，量化管理，掌握各類負荷的實際耗能量，從而將原有的經驗式宏觀管理模式轉變為精細式數字管理模式。通過該系統，管理部門可以做到“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《自動化博覽》2019年3月刊
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