摘? 要：文章以實(shí)際工程為起點(diǎn)，著眼于現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及自動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)供熱站進(jìn)行智能化改進(jìn)，致力于無人值守供熱站的實(shí)現(xiàn)。無人值守系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)各集散式分系統(tǒng)，確保頂層管理的統(tǒng)一調(diào)配和設(shè)備分散布局的靈活性，大大提升了供熱系統(tǒng)的管理效率，降低了實(shí)施失當(dāng)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)和資源浪費(fèi)。同時(shí)，設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化可實(shí)現(xiàn)在第一時(shí)間獲取供熱系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息，這在很大程度上提高了供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及供熱服務(wù)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無人值守;供熱站;自動(dòng)控制;利用率

中圖分類號(hào)：TP273? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，能源戰(zhàn)略事關(guān)國家現(xiàn)代化建設(shè)全局。我國是能源相對(duì)貧瘠的國家，而能源短缺和利用效率低下，愈發(fā)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。國務(wù)院辦公廳于2014年印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》中，明確提出2020年我國能源發(fā)展的總體目標(biāo)是能源創(chuàng)新發(fā)展、安全發(fā)展和科學(xué)發(fā)展[1，2]。為貫徹落實(shí)《節(jié)約能源法》的精神，并進(jìn)一步深化供熱技術(shù)改革，應(yīng)用以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核心的智能化無人值守供熱系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工監(jiān)測手段，全面、實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)控管理換熱站運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)從管理到現(xiàn)場操作信息無縫整合的無人值守?fù)Q熱站智能控制。

以我國北方地區(qū)集中供熱方式為代表，其供熱方式側(cè)重于熱源的集中，從一個(gè)點(diǎn)向外輻射的供熱方式減少了資源的分散性浪費(fèi)，降低了大氣污染，符合我國綠色環(huán)保發(fā)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(chǎn)的熱能在換熱站進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)換后輸送到取暖單位[3]。傳統(tǒng)的換熱站依靠人工監(jiān)測換熱站溫度、流量和液位等控制信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)指標(biāo)確認(rèn)和操作決策，這種粗放式人工監(jiān)測必然會(huì)造成監(jiān)測實(shí)時(shí)性差、誤操作頻度高以及人力資源的浪費(fèi)，而人工誤操作極易在一瞬間造成危險(xiǎn)事故的發(fā)生，造成財(cái)產(chǎn)的重大損失。另外，隨著我國人力成本及原材料價(jià)格的不斷攀升，進(jìn)行創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)勢在必行。

1? 無人值守供熱系統(tǒng)簡介

1.1? 工程概述

九臺(tái)山莊鍋爐房于1996年在北京昌平區(qū)九臺(tái)路投產(chǎn)運(yùn)行，九臺(tái)莊園供暖面積約為6.1萬平方米，有3臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t為采暖系統(tǒng)供熱，采用直接供暖的方式，燃?xì)鉄崴仩t的安裝容量可達(dá)到9.8 MW。其中1臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t為4.2 MW，設(shè)計(jì)供回水溫度達(dá)115/70 ℃;另外2臺(tái)2.8 MW燃?xì)鉄崴仩t，設(shè)計(jì)供回水溫度為95/70 ℃。本次改造針對(duì)九臺(tái)莊園采暖系統(tǒng)進(jìn)行“自吸平衡供熱系統(tǒng)”升級(jí)，將自吸設(shè)備智能樓宇機(jī)組（以下簡稱自吸設(shè)備）加裝于建筑物的熱力入口處，借助自吸設(shè)備的自吸功能，將樓內(nèi)回水部分引至供水管中，相當(dāng)于為每棟建筑物設(shè)計(jì)獨(dú)立的混水站，可解決小區(qū)整體供熱不平衡的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)每家每戶的精準(zhǔn)調(diào)溫。自吸平衡供熱系統(tǒng)示意圖如圖1所示。此外，本工程在應(yīng)用GPRS互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合小區(qū)燃?xì)忮仩t房控制方法來實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的無人值守。燃?xì)忮仩t房配備監(jiān)控中心控制系統(tǒng)，完成整個(gè)項(xiàng)目88臺(tái)自吸設(shè)備的參數(shù)采集、下發(fā)溫度、遠(yuǎn)程啟停、集中顯示，并配置“掌上熱力”和“暖心寶”，實(shí)現(xiàn)智能化、個(gè)性化調(diào)節(jié)。本文結(jié)合現(xiàn)有工程應(yīng)用條件，在實(shí)際工程中對(duì)供熱系統(tǒng)的無人值守自動(dòng)化控制進(jìn)行研究。

目前，據(jù)我國供熱企業(yè)運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)可知，對(duì)熱力鍋爐房無人值守系統(tǒng)的改造從根本上解決了人員協(xié)同操作實(shí)施困難，人力冗余和管理成本高等問題。雖然，無人值守?zé)o法實(shí)現(xiàn)機(jī)器替代全部人工的極端設(shè)想，但是在熱企運(yùn)營的諸多方面都展現(xiàn)出其固有的優(yōu)越性。

1.2? 無人值守供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，隨著微電子技術(shù)的井噴式發(fā)展，以集散控制系統(tǒng)（Distributed Control Systems， DCS）為核心的工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種場合，圖2為典型的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。無人值守供熱系統(tǒng)就是在集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，DCS是一種過程控制系統(tǒng)，其對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)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(zhì)特征體現(xiàn)在4C技術(shù)（Computer-微機(jī)技術(shù)、Control-控制技術(shù)、Communication-通信技術(shù)和CRT-圖像顯示技術(shù)）的高度融合。DCS系統(tǒng)一般由工業(yè)管理系統(tǒng)、分散控制裝置和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)三個(gè)模塊組成，屬于綜合型設(shè)備控制裝置。隨著現(xiàn)代規(guī)?；I(yè)系統(tǒng)應(yīng)用的不斷演進(jìn)，對(duì)過程控制系統(tǒng)效率和安全性的要求提升，使得過程控制系統(tǒng)對(duì)儀表的界面友好度、控制的實(shí)時(shí)性和精度逐漸提升，從而推進(jìn)了具備并行集中控制的DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展[4，5]。

DCS及伺服控制技術(shù)在無人值守供熱系統(tǒng)中有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。首先，操作員只需在DCS上位機(jī)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)或輕觸觸摸屏即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供熱系統(tǒng)的監(jiān)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(tài);其次，DCS完善的功能模塊和伺服系統(tǒng)內(nèi)置的先進(jìn)控制算法可確保二次網(wǎng)出水溫度恒定、溫度跟蹤迅速、波動(dòng)及超調(diào)小，保證熱網(wǎng)控制系統(tǒng)安全高效地工作;最后，提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)低耗節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。因此，當(dāng)前各地供熱公司在對(duì)老舊供熱系統(tǒng)改造的同時(shí)，均在嘗試無人值守供熱系統(tǒng)的研究[6，7]。

2? 無人值守供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

此無人值守供熱系統(tǒng)涵蓋三個(gè)區(qū)域，分別為工程師及操作員所在的辦公區(qū)、外場環(huán)境以及供暖設(shè)備所在的供暖現(xiàn)場，這種人機(jī)分離的方式不僅可以提升操作人員的工作環(huán)境舒適度，而且可以避免由于誤操作而給現(xiàn)場操作員帶來危險(xiǎn)，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在辦公區(qū)域，工程師可以通過內(nèi)部OA系統(tǒng)對(duì)供熱計(jì)劃和工作流程進(jìn)行把控，對(duì)操作員提出的實(shí)施申請(qǐng)進(jìn)行審批。操作員在遠(yuǎn)離供暖現(xiàn)場的工控機(jī)上讀取諸如溫度、壓力和流量之類的綜合信息報(bào)文，并依照供暖計(jì)劃或突發(fā)事件有針對(duì)性地修改供暖設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。

在供暖現(xiàn)場，其分為三個(gè)功能板塊，分別為現(xiàn)場信息監(jiān)控顯示屏、遠(yuǎn)程服務(wù)模塊和伺服控制系統(tǒng)。換熱站需要檢測的數(shù)據(jù)可分為四大類：溫度、液位、流量和壓力，這些數(shù)據(jù)分別由溫度變送器、液位變送器、流量計(jì)和壓力變送器測得并匯總到現(xiàn)場信息監(jiān)控顯示屏，以圖形界面的方式輸出綜合數(shù)據(jù)信息，使設(shè)備維護(hù)人員可于第一時(shí)間掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。伺服控制系統(tǒng)是通過對(duì)各節(jié)點(diǎn)的實(shí)際溫度進(jìn)行采集，將各節(jié)點(diǎn)溫度及回送水進(jìn)入鍋爐房前的溫度與工程師設(shè)置的期望水溫進(jìn)行比較，將其比較的溫度偏差作為控制量而進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整，并輸出控制命令給各節(jié)點(diǎn)伺服系統(tǒng)水泵，從而調(diào)整回水和補(bǔ)水的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)目的[8]，其控制策略模型如圖4所示。

在外場環(huán)境，遠(yuǎn)程服務(wù)模塊承擔(dān)授權(quán)外網(wǎng)工作站與供暖現(xiàn)場之間數(shù)據(jù)傳輸與授信的設(shè)備調(diào)試命令，是內(nèi)網(wǎng)工控的延伸和外網(wǎng)與現(xiàn)場的信息橋梁，是保證全天候供熱無人值守系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測正常運(yùn)行的關(guān)鍵。遠(yuǎn)程服務(wù)模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集可向普通用戶提供定時(shí)采集的溫度數(shù)據(jù)信息，也可向管理員用戶提供循環(huán)采集的實(shí)時(shí)變送器數(shù)據(jù)信息，所提供的信息既可以是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可以是追溯過去的數(shù)據(jù)信息。遠(yuǎn)程控制是無人值守供暖系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，包括對(duì)閥門開度的控制，對(duì)供水溫度值、循環(huán)泵及補(bǔ)水泵流量值的設(shè)定等[9-11]。

2.2? 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供熱站管網(wǎng)通常被稱為一次網(wǎng)，從鍋爐房的鍋爐中流出的熱水通過一次網(wǎng)管道循環(huán)并進(jìn)入分水器，經(jīng)分水器分水后的熱水流向下一級(jí)管網(wǎng)。二次網(wǎng)中的冷水通過集水器流入板式換熱器與一次網(wǎng)的熱水進(jìn)行熱交換，待水溫升高后，經(jīng)二次網(wǎng)分水器到達(dá)用戶室內(nèi)實(shí)現(xiàn)供暖。從二次網(wǎng)交換出來的冷水，再次經(jīng)過一次網(wǎng)回水來到供熱站的鍋爐中，通過再次加熱實(shí)現(xiàn)供暖的往復(fù)循環(huán)。一次網(wǎng)中水循環(huán)的動(dòng)力由一次網(wǎng)的循環(huán)泵提供，同樣，二次網(wǎng)回水管網(wǎng)中也采取循環(huán)泵提供動(dòng)力，以保證循環(huán)供暖的穩(wěn)定。

換熱站以二次網(wǎng)的供熱曲線為基礎(chǔ)建立動(dòng)態(tài)模型，二次網(wǎng)供熱曲線如圖5所示。此曲線能夠保證一次網(wǎng)和二次網(wǎng)的協(xié)調(diào)一致[12]。

因取暖主體建筑對(duì)供暖溫度產(chǎn)生滯后影響，采用循環(huán)供水的供暖調(diào)節(jié)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(wǎng)供水溫度，th為二次網(wǎng)回水溫度，tn為室內(nèi)溫度，tw為室外溫度，B為散熱器系數(shù)，ζ為散熱器的有效系數(shù)，WS為散熱器的循環(huán)流量，帶上標(biāo)記號(hào)的符號(hào)分別為其溫度的目標(biāo)值。

在實(shí)際的換熱站設(shè)計(jì)建造過程中，工程師大多會(huì)將運(yùn)行過程中可能發(fā)生的各種問題考慮在內(nèi)，如在換熱站建設(shè)完成后需擴(kuò)展的供熱容量問題，所以一般在設(shè)計(jì)之初就預(yù)留了很大的熱容量，但事實(shí)上是大部分換熱站不容易準(zhǔn)確地計(jì)算出供熱系統(tǒng)容量，設(shè)計(jì)應(yīng)做到隨著供熱面積的逐步增加而對(duì)供熱溫度進(jìn)行精確調(diào)整，這就使得應(yīng)用伺服系統(tǒng)控制循環(huán)泵和回水泵對(duì)熱量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控成為無人值守控制的關(guān)鍵。伺服系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

（2）

其中，ω為泵機(jī)轉(zhuǎn)子角速度，np為泵機(jī)極對(duì)數(shù)，I為峰值電流，E為電動(dòng)勢峰值，Tl為電樞漏磁時(shí)間常數(shù)，p為占空比。

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

應(yīng)用Matlab對(duì)模型進(jìn)行仿真，為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)于溫度的跟蹤控制效果，在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)溫度的期望值進(jìn)行溫循，從圖7中可以看出實(shí)際溫度緊緊跟隨期望溫度進(jìn)行變化。在溫控過程中，泵伺服電機(jī)對(duì)溫度值變化做出快速響應(yīng)，從圖8中可明顯看出電機(jī)三相電流隨溫度變化而快速響應(yīng)。

2.3? 工控以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

為滿足伺服系統(tǒng)在響應(yīng)速率、多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化和實(shí)時(shí)性等方面對(duì)高精度及多控制對(duì)象的需求，借助溫控泵實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)及高精度位置跟蹤的控制目標(biāo)。本文采用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)（Real Time Ethernet）技術(shù)，其是常規(guī)以太網(wǎng)技術(shù)的延伸[13]。目前，國際上通用的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議眾多，對(duì)此國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission， IEC）制定了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范，如表1所示。

以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)（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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的工作方式，支持多設(shè)備互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(tǒng)。其已納入IEC 61158的Type12及IEC 61784的CPF12，同是也納入我國標(biāo)準(zhǔn)的GB/T 31230.1-2014至GB/T 31230.6-2014《工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線 EtherCAT》第一至第六部分[14，15]。

EtherCAT控制系統(tǒng)采用主從式通信結(jié)構(gòu)，控制命令由主站利用以太網(wǎng)的通信技術(shù)發(fā)出報(bào)文，從站接收主站發(fā)出的報(bào)文并獲取自身相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，從站在獲取命令之后立即執(zhí)行并將處理后的信息嵌入轉(zhuǎn)導(dǎo)報(bào)文向下傳遞，直到完成整個(gè)控制的過程。報(bào)文完成從站的輪詢之后，從站對(duì)采集的溫度、液位和流量等信息進(jìn)行處理，然后各從站對(duì)下行報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最后回到主站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。值得注意的是，從站對(duì)報(bào)文的處理一般是應(yīng)用ASIC（專用集成電路）進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，這就無法避免傳輸過程中的延遲（300 ns左右），本文應(yīng)用英飛凌Cortex-M4內(nèi)核的XMC4800微控制器開發(fā)的EtherCAT系統(tǒng)，其CPU頻率達(dá)到144 MHz、內(nèi)置EtherCAT從站控制器（EtherCAT Slave Controller， ESC）且擁有6個(gè)獨(dú)立且符合ISO 11898的CAN節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)均支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，其可靠性高、開發(fā)成本低。根據(jù)供熱控制的精度和實(shí)時(shí)性要求，本文開發(fā)了一款基于XMC4800的EtherCAT從站控制器，其原理圖和PCB設(shè)計(jì)圖如圖9、圖10所示。

3? 結(jié)? 論

無人值守供熱系統(tǒng)以其高效節(jié)能、安全環(huán)保、自動(dòng)化程度高的DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)化控制適應(yīng)分散的控制對(duì)象，以上位機(jī)集中獲取參數(shù)和操作協(xié)同來達(dá)到中心掌握全局，再配合GPRS無線網(wǎng)絡(luò)化與外網(wǎng)監(jiān)控和操作單位對(duì)接，實(shí)現(xiàn)真正意義上的供暖現(xiàn)場無人值守的目的。系統(tǒng)很好地結(jié)合了伺服控制系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)跟蹤的快速性和準(zhǔn)確性，以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性?？刂凭W(wǎng)絡(luò)采用可與互聯(lián)網(wǎng)直接對(duì)接的EtherCAT工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)，使整個(gè)系統(tǒng)組成了一個(gè)緊密、可靠、結(jié)構(gòu)簡單的工業(yè)自動(dòng)化控制和管理系統(tǒng)，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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作者簡介：蘭媛媛（1993—），女，漢族，北京人，自動(dòng)控制中級(jí)工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：供熱系統(tǒng)的電氣和自動(dòng)化設(shè)計(jì)。