無人值守技術在供熱系統中的應用設計

2021-02-28 17:09:44蘭媛媛

現代信息科技 2021年16期

摘? 要：文章以實際工程為起點，著眼于現有工業互聯網及自動控制技術，對供熱站進行智能化改進，致力于無人值守供熱站的實現。無人值守系統以網絡串聯各集散式分系統，確保頂層管理的統一調配和設備分散布局的靈活性，大大提升了供熱系統的管理效率，降低了實施失當帶來的安全風險和資源浪費。同時，設備監控網絡化可實現在第一時間獲取供熱系統狀態和故障信息，這在很大程度上提高了供熱系統的穩定性以及供熱服務的質量。

關鍵詞：無人值守;供熱站;自動控制;利用率

中圖分類號：TP273? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）16-0116-06

Application Design of Unattended Technology in Heating System

LAN Yuanyuan

（Beijing Thermal Engineering Design Co.， Ltd.， Beijing? 100027， China）

Abstract： Taking the actual project as the starting point， focusing on the existing industrial internet and automatic control technology， this paper makes intelligent improvement on the heating station， and is committed to the realization of unattended heating station. The unattended system connect in series each distributed subsystem by network to ensure the unified allocation of top-level management and the flexibility of decentralized equipment layout， greatly improve the management efficiency of the heating system and reduce the safety risk and resource waste caused by improper implementation. Meanwhile， the equipment monitoring networking can realize that the status and fault information of the heating system are obtained at the first time， which greatly improves the stability of the heating system and the quality of heating service.

Keywords： unattended; heating station; automatic control; utilization

0? 引? 言

隨著我國經濟的持續高速發展，能源戰略事關國家現代化建設全局。我國是能源相對貧瘠的國家，而能源短缺和利用效率低下，愈發成為制約我國經濟發展的瓶頸。國務院辦公廳于2014年印發的《能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）》中，明確提出2020年我國能源發展的總體目標是能源創新發展、安全發展和科學發展[1，2]。為貫徹落實《節約能源法》的精神，并進一步深化供熱技術改革，應用以實時數據庫系統為核心的智能化無人值守供熱系統來代替傳統人工監測手段，全面、實時、有效地監控管理換熱站運行狀態，實現從管理到現場操作信息無縫整合的無人值守換熱站智能控制。

以我國北方地區集中供熱方式為代表，其供熱方式側重于熱源的集中，從一個點向外輻射的供熱方式減少了資源的分散性浪費，降低了大氣污染，符合我國綠色環保發展要求。換熱站作為熱源和取暖用戶的重要樞紐，將熱源生產的熱能在換熱站進行熱量轉換后輸送到取暖單位[3]。傳統的換熱站依靠人工監測換熱站溫度、流量和液位等控制信息，進行數據指標確認和操作決策，這種粗放式人工監測必然會造成監測實時性差、誤操作頻度高以及人力資源的浪費，而人工誤操作極易在一瞬間造成危險事故的發生，造成財產的重大損失。另外，隨著我國人力成本及原材料價格的不斷攀升，進行創新技術的開發勢在必行。

1? 無人值守供熱系統簡介

1.1? 工程概述

九臺山莊鍋爐房于1996年在北京昌平區九臺路投產運行，九臺莊園供暖面積約為6.1萬平方米，有3臺燃氣熱水鍋爐為采暖系統供熱，采用直接供暖的方式，燃氣熱水鍋爐的安裝容量可達到9.8 MW。其中1臺燃氣熱水鍋爐為4.2 MW，設計供回水溫度達115/70 ℃;另外2臺2.8 MW燃氣熱水鍋爐，設計供回水溫度為95/70 ℃。本次改造針對九臺莊園采暖系統進行“自吸平衡供熱系統”升級，將自吸設備智能樓宇機組（以下簡稱自吸設備）加裝于建筑物的熱力入口處，借助自吸設備的自吸功能，將樓內回水部分引至供水管中，相當于為每棟建筑物設計獨立的混水站，可解決小區整體供熱不平衡的現狀，實現每家每戶的精準調溫。自吸平衡供熱系統示意圖如圖1所示。此外，本工程在應用GPRS互聯網通信技術的基礎上結合小區燃氣鍋爐房控制方法來實現供熱系統的無人值守。燃氣鍋爐房配備監控中心控制系統，完成整個項目88臺自吸設備的參數采集、下發溫度、遠程啟停、集中顯示，并配置“掌上熱力”和“暖心寶”，實現智能化、個性化調節。本文結合現有工程應用條件，在實際工程中對供熱系統的無人值守自動化控制進行研究。

目前，據我國供熱企業運營管理經驗可知，對熱力鍋爐房無人值守系統的改造從根本上解決了人員協同操作實施困難，人力冗余和管理成本高等問題。雖然，無人值守無法實現機器替代全部人工的極端設想，但是在熱企運營的諸多方面都展現出其固有的優越性。

1.2? 無人值守供熱系統現狀

近年來，隨著微電子技術的井噴式發展，以集散控制系統（Distributed Control Systems， DCS）為核心的工業自動化控制技術被廣泛應用于各種場合，圖2為典型的DCS系統結構圖。無人值守供熱系統就是在集散控制系統的基礎上發展而來的，DCS是一種過程控制系統，其對生產過程進行集中性管理及分散性控制，使得管理更高效、控制更靈活，其本質特征體現在4C技術（Computer-微機技術、Control-控制技術、Communication-通信技術和CRT-圖像顯示技術）的高度融合。DCS系統一般由工業管理系統、分散控制裝置和工業控制網絡三個模塊組成，屬于綜合型設備控制裝置。隨著現代規模化工業系統應用的不斷演進，對過程控制系統效率和安全性的要求提升，使得過程控制系統對儀表的界面友好度、控制的實時性和精度逐漸提升，從而推進了具備并行集中控制的DCS自動控制系統的發展[4，5]。

DCS及伺服控制技術在無人值守供熱系統中有得天獨厚的優勢。首先，操作員只需在DCS上位機上點擊鼠標或輕觸觸摸屏即可實現對整個供熱系統的監控，可以以圖片、圖形或文字的形式在顯示屏上直接獲取鍋爐房和換熱站的工作狀態;其次，DCS完善的功能模塊和伺服系統內置的先進控制算法可確保二次網出水溫度恒定、溫度跟蹤迅速、波動及超調小，保證熱網控制系統安全高效地工作;最后，提高能源利用率，實現低耗節能環保目標。因此，當前各地供熱公司在對老舊供熱系統改造的同時，均在嘗試無人值守供熱系統的研究[6，7]。

2? 無人值守供熱系統設計

2.1? 系統總體設計

此無人值守供熱系統涵蓋三個區域，分別為工程師及操作員所在的辦公區、外場環境以及供暖設備所在的供暖現場，這種人機分離的方式不僅可以提升操作人員的工作環境舒適度，而且可以避免由于誤操作而給現場操作員帶來危險，具體的系統結構如圖3所示。

在辦公區域，工程師可以通過內部OA系統對供熱計劃和工作流程進行把控，對操作員提出的實施申請進行審批。操作員在遠離供暖現場的工控機上讀取諸如溫度、壓力和流量之類的綜合信息報文，并依照供暖計劃或突發事件有針對性地修改供暖設備運行參數。

在供暖現場，其分為三個功能板塊，分別為現場信息監控顯示屏、遠程服務模塊和伺服控制系統。換熱站需要檢測的數據可分為四大類：溫度、液位、流量和壓力，這些數據分別由溫度變送器、液位變送器、流量計和壓力變送器測得并匯總到現場信息監控顯示屏，以圖形界面的方式輸出綜合數據信息，使設備維護人員可于第一時間掌握設備運行狀態。伺服控制系統是通過對各節點的實際溫度進行采集，將各節點溫度及回送水進入鍋爐房前的溫度與工程師設置的期望水溫進行比較，將其比較的溫度偏差作為控制量而進行自動化調整，并輸出控制命令給各節點伺服系統水泵，從而調整回水和補水的流量，實現對溫度的調節目的[8]，其控制策略模型如圖4所示。

在外場環境，遠程服務模塊承擔授權外網工作站與供暖現場之間數據傳輸與授信的設備調試命令，是內網工控的延伸和外網與現場的信息橋梁，是保證全天候供熱無人值守系統狀態監測正常運行的關鍵。遠程服務模塊的遠程數據采集可向普通用戶提供定時采集的溫度數據信息，也可向管理員用戶提供循環采集的實時變送器數據信息，所提供的信息既可以是實時數據，也可以是追溯過去的數據信息。遠程控制是無人值守供暖系統的重要補充，包括對閥門開度的控制，對供水溫度值、循環泵及補水泵流量值的設定等[9-11]。

2.2? 伺服系統設計

供熱站管網通常被稱為一次網，從鍋爐房的鍋爐中流出的熱水通過一次網管道循環并進入分水器，經分水器分水后的熱水流向下一級管網。二次網中的冷水通過集水器流入板式換熱器與一次網的熱水進行熱交換，待水溫升高后，經二次網分水器到達用戶室內實現供暖。從二次網交換出來的冷水，再次經過一次網回水來到供熱站的鍋爐中，通過再次加熱實現供暖的往復循環。一次網中水循環的動力由一次網的循環泵提供，同樣，二次網回水管網中也采取循環泵提供動力，以保證循環供暖的穩定。

換熱站以二次網的供熱曲線為基礎建立動態模型，二次網供熱曲線如圖5所示。此曲線能夠保證一次網和二次網的協調一致[12]。

因取暖主體建筑對供暖溫度產生滯后影響，采用循環供水的供暖調節模型如式（1）所示：

（1）

其中，tp為供水及回水的平均溫度，tg為二次網供水溫度，th為二次網回水溫度，tn為室內溫度，tw為室外溫度，B為散熱器系數，ζ為散熱器的有效系數，WS為散熱器的循環流量，帶上標記號的符號分別為其溫度的目標值。

在實際的換熱站設計建造過程中，工程師大多會將運行過程中可能發生的各種問題考慮在內，如在換熱站建設完成后需擴展的供熱容量問題，所以一般在設計之初就預留了很大的熱容量，但事實上是大部分換熱站不容易準確地計算出供熱系統容量，設計應做到隨著供熱面積的逐步增加而對供熱溫度進行精確調整，這就使得應用伺服系統控制循環泵和回水泵對熱量進行實時調控成為無人值守控制的關鍵。伺服系統狀態方程為：

（2）

其中，ω為泵機轉子角速度，np為泵機極對數，I為峰值電流，E為電動勢峰值，Tl為電樞漏磁時間常數，p為占空比。

結合式（1）和式（2）可以得到換熱站伺服控制系統的控制模型，控制模型如圖6所示。

應用Matlab對模型進行仿真，為了驗證系統對于溫度的跟蹤控制效果，在極短的時間內對溫度的期望值進行溫循，從圖7中可以看出實際溫度緊緊跟隨期望溫度進行變化。在溫控過程中，泵伺服電機對溫度值變化做出快速響應，從圖8中可明顯看出電機三相電流隨溫度變化而快速響應。

2.3? 工控以太網設計

為滿足伺服系統在響應速率、多節點網絡化和實時性等方面對高精度及多控制對象的需求，借助溫控泵實現快速響應及高精度位置跟蹤的控制目標。本文采用實時工業以太網（Real Time Ethernet）技術，其是常規以太網技術的延伸[13]。目前，國際上通用的實時工業以太網協議眾多，對此國際電工委員會（International Electrotechnical Commission， IEC）制定了兩個標準予以規范，如表1所示。

以太網控制自動化技術（Ether Control Automation Technology， EtherCAT）最早是由德國的Beckhoff公司于2003年提出的，其繼承并修改了標準以太網的工作方式，支持多設備互連拓撲結構。其不僅可以搭建于主頻超過2 GHz的處理器之上，還可以在16位的低端控制器上組成EtherCAT控制系統。其已納入IEC 61158的Type12及IEC 61784的CPF12，同是也納入我國標準的GB/T 31230.1-2014至GB/T 31230.6-2014《工業以太網現場總線 EtherCAT》第一至第六部分[14，15]。

EtherCAT控制系統采用主從式通信結構，控制命令由主站利用以太網的通信技術發出報文，從站接收主站發出的報文并獲取自身相關數據進行解析，從站在獲取命令之后立即執行并將處理后的信息嵌入轉導報文向下傳遞，直到完成整個控制的過程。報文完成從站的輪詢之后，從站對采集的溫度、液位和流量等信息進行處理，然后各從站對下行報文進行轉發，最后回到主站進行數據處理。值得注意的是，從站對報文的處理一般是應用ASIC（專用集成電路）進行協議轉換，這就無法避免傳輸過程中的延遲（300 ns左右），本文應用英飛凌Cortex-M4內核的XMC4800微控制器開發的EtherCAT系統，其CPU頻率達到144 MHz、內置EtherCAT從站控制器（EtherCAT Slave Controller， ESC）且擁有6個獨立且符合ISO 11898的CAN節點，各個節點均支持遠程數據交互，其可靠性高、開發成本低。根據供熱控制的精度和實時性要求，本文開發了一款基于XMC4800的EtherCAT從站控制器，其原理圖和PCB設計圖如圖9、圖10所示。

3? 結? 論

無人值守供熱系統以其高效節能、安全環保、自動化程度高的DCS系統實現以網絡化控制適應分散的控制對象，以上位機集中獲取參數和操作協同來達到中心掌握全局，再配合GPRS無線網絡化與外網監控和操作單位對接，實現真正意義上的供暖現場無人值守的目的。系統很好地結合了伺服控制系統對目標跟蹤的快速性和準確性，以及系統運行的可靠性、穩定性及可擴展性。控制網絡采用可與互聯網直接對接的EtherCAT工業總線網絡，使整個系統組成了一個緊密、可靠、結構簡單的工業自動化控制和管理系統，既可有效提高能源利用率，又能降低人力和管理成本。

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