韓煜

（太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030000）

智能建筑正逐步成為傳統(tǒng)建筑的升級形式，因具有功能豐富、服務水平高等特點而深受工程人員以及用戶的高度青睞。供熱系統(tǒng)是智能建筑發(fā)展進程中的重要方向，在能源緊缺的背景下，探尋提高供熱能力和減少能源消耗的優(yōu)質(zhì)供熱系統(tǒng)設計方案具有顯著的現(xiàn)實意義。

1 智能建筑供熱節(jié)能控制系統(tǒng)概述

在現(xiàn)階段的智能建筑供熱系統(tǒng)發(fā)展進程中，分散控制系統(tǒng)（DCS）頗具代表性，此系統(tǒng)的運行水平直接影響到建筑的供熱狀況和節(jié)能狀況。

1.1 供熱系統(tǒng)中的分散控制系統(tǒng)

DCS供熱系統(tǒng)是前沿的控制系統(tǒng)，集多項主流技術于一體，加之高精度、高穩(wěn)定性硬件設施的配套，建成具有自動化的計算機控制裝置。從DCS的組成來看，以操作師站和操作員站兩部分尤為關鍵。

1.2 分散控制系統(tǒng)（DCS）的性能優(yōu)勢

DCS的性能突出，運行穩(wěn)定性較好，各計算機的獨立性較強，不易由于某部分存在異常而導致一系列的連鎖故障；系統(tǒng)的操作具有便捷性；安全性能突出；能夠提供可靠的供熱功能，以滿足建筑用戶對供熱提出的要求；系統(tǒng)具有智能化特色，可充分利用數(shù)據(jù)信息，推動供熱工作的有效開展。

2 供熱系統(tǒng)供熱連接形式

2.1 直接供熱系統(tǒng)

未配套混合裝置，供熱管道提供通道作用，使熱水直接流向熱用戶，而后經(jīng)由回水管返至供熱公司。直接供熱系統(tǒng)的構(gòu)造簡單，建設成本較低，但功能有限、適用場景具有局限性，例如需要確保設計供水溫度低于系統(tǒng)最高熱媒溫度，否則不具備使用的條件，此外供回水管的自用壓差限制作用較強，也會影響到系統(tǒng)的正常使用。

2.2 混水供熱

以一次網(wǎng)和二次網(wǎng)為核心，共同組成混合供熱系統(tǒng)。二次網(wǎng)向一次網(wǎng)輸送適量的水，以保證水壓可始終維持穩(wěn)定。從混水方式來看，包含旁通管混水、二次網(wǎng)回水混水等。

2.3 間接連接供熱

配置方式與混水供熱方式具有趨同性，也含有一次網(wǎng)和二次網(wǎng)，此類系統(tǒng)的內(nèi)部連接方式簡單，采取的是一、二級供水網(wǎng)相連，一、二級回水網(wǎng)相連的方法。供水管的熱水進入熱力站換熱器，促進熱能傳遞，回水返回至供熱系統(tǒng)回水管。在間接連接供熱系統(tǒng)的運行中，循環(huán)水泵屬于重要裝置，在其作用下能夠促進循環(huán)流動，但也正是由于系統(tǒng)配置豐富，導致其建設成本和后續(xù)的檢維修成本相對較高。

3 智能建筑供熱系統(tǒng)節(jié)能控制策略

集中供熱系統(tǒng)的控制方式以質(zhì)調(diào)、量調(diào)、綜合調(diào)節(jié)為主。相比之下，質(zhì)調(diào)更具便捷性，即供熱量以調(diào)節(jié)供水水溫的途徑而實現(xiàn)，此方法在國內(nèi)熱力站中取得廣泛的應用。但在供熱需求和節(jié)能需求逐步提高的背景下，質(zhì)調(diào)的不適性開始顯現(xiàn)，此時需在原基礎上探尋更具可行性的策略，例如基于負荷預報的質(zhì)調(diào)量調(diào)供熱節(jié)能控制方式，以此來保證供熱可靠性和節(jié)能環(huán)保有效性。所提方式的原理框圖，如圖1所示。結(jié)合圖中內(nèi)容展開分析，以負荷為基準，確定二級網(wǎng)的溫差和流量（被控量），再于該基礎上建立起質(zhì)調(diào)和量調(diào)回路，所構(gòu)建的回路具有獨立運行的特點，可保證供熱的穩(wěn)定性，同時也能夠提高供熱過程中的節(jié)能水平。

圖1 質(zhì)調(diào)量調(diào)供熱節(jié)能控制機制

3.1 節(jié)能控制平臺的選擇

熱力站節(jié)能控制裝置和供熱節(jié)能監(jiān)控中心屬于核心組成，在設計中，需要匹配適宜的技術開發(fā)平臺，給設計工作的高效開展打好基礎。在本次分析中，控制部分基于PLC技術平臺進行設計，通信部分采用GPRS技術平臺，此外還引入觸摸屏技術平臺，目的在于提高系統(tǒng)的人機交互水平。通過多項平臺的聯(lián)合應用，有效開展系統(tǒng)開發(fā)工作，其中底層PLC控制的互操作性突出，也便于日常維護工作的順利進行，控制系統(tǒng)的控制機制穩(wěn)定可靠、控制精度有所保障，GPRS通信的穩(wěn)定性較佳、有利于通信的高效實現(xiàn)。

在監(jiān)控中心的設計中，根據(jù)不同的設計需求采用特定的平臺：MATLAB，用于開發(fā)負荷預報軟件，此平臺的計算功能突出，得益于此特性，即便是復雜度較高的負荷預報算法也依然能夠有效實現(xiàn)；力控組態(tài)軟件，可視化功能突出，可用于開發(fā)軟件的界面，為日常操作的實現(xiàn)提供途徑；0PC第三方軟件，其關鍵功能在于實現(xiàn)對負荷預報軟件和力控組態(tài)軟件的通信。

3.2 供熱節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.2.1 設計路線

設計思路，如圖2所示。

圖2 供熱節(jié)能監(jiān)控方案設計路線圖

結(jié)合圖2分析：通過PLC、GPRS、觸摸屏的聯(lián)合應用，開發(fā)熱力站監(jiān)控裝置；此外，確定一套節(jié)能控制算法，起到預報供熱負荷的作用，再進一步采取質(zhì)調(diào)量調(diào)節(jié)能控制措施；供熱節(jié)能監(jiān)控中心軟件也屬于重點設計對象，基于組態(tài)軟件而開展設計工作，結(jié)合監(jiān)控中心，首先完成軟硬件的安裝作業(yè)，再安排調(diào)試，分析是否存在異常，確認無誤后集成；按流程完成各項基礎設計工作后，全方位檢驗各項功能和技術指標，判斷是否達到要求。

3.2.2 供熱節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設計

以運行自動化、管理高效化、性能可靠為基本目標，開展供熱節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設計工作。設計實行模塊化理念，目的在于提升系統(tǒng)的靈活性，以便后續(xù)可根據(jù)需求做系統(tǒng)增容、擴展及維護操作。以層次化的方式設計供熱節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，即控制層、管理層和監(jiān)控層，在各層之間建立起密切的關聯(lián)，用GPRS實現(xiàn)控制層與管理層的通信，用Internet和以太網(wǎng)實現(xiàn)管理層和監(jiān)控層的通信，各層共同配合，促進供熱節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)整體的有效運行。

1）控制層。現(xiàn)場控制器采用的是PLC，將儀表采集到的信號傳遞給執(zhí)行器，進而根據(jù)信號做出相應的動作；通信基于GPRS而實現(xiàn)，與上位機管理層建立起無線通信；秉承人機交互的理念，設計互動性較好的觸摸屏，以便工作人員借助屏幕完成信息查詢、處理等相關操作。

2）管理層。監(jiān)控中心主控機負責監(jiān)測各項供熱數(shù)據(jù)，在獲得相應的數(shù)據(jù)后發(fā)送控制指令，進而調(diào)動某些儀器做出相應的動作，具體涉及到負荷預報、參數(shù)設定、異常狀況報警等。

3）監(jiān)控層。建立三層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即Client/Server/Database，在服務器的配套下，將監(jiān)控中心主控機的數(shù)據(jù)傳輸給客戶端，進而結(jié)合實際狀況采取相應的遠程控制措施，突破控制動作受空間限制的局限性。

4 供熱節(jié)能控制裝置的設計

4.1 供熱節(jié)能控制裝置所需具備的功能

圍繞如下功能需求開展設計工作。

1）供熱工況的監(jiān)測。監(jiān)測對象包含一、二級網(wǎng)的供回水溫度和供回水壓力，室外溫度等。

2）供熱負荷的控制。首先獲得源自于監(jiān)控中心的控制參數(shù)，再以此為參考，針對二級網(wǎng)供熱負荷采取針對性的控制措施，保證供熱負荷的合理性。

3）數(shù)據(jù)通訊。采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)需被完整發(fā)送給監(jiān)控中心，再由其做出相應的判斷，結(jié)合對供熱系統(tǒng)實際運行狀況的判斷結(jié)果下發(fā)指令，以此來建立起熱力站與監(jiān)控中心的聯(lián)系關系，即雙方能夠?qū)崿F(xiàn)高效的遠程通訊。

4）故障報警及處理。加強對供熱系統(tǒng)運行狀況的監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)壓力、流量、溫度等存在異常，則隨即發(fā)出報警，以便在短時間內(nèi)做妥善的處理。

5）補水泵的控制。適時啟用補水泵，在此裝置的輔助下適量補充二級網(wǎng)的水量，在此期間加強對二級網(wǎng)設定壓力的檢測，若該值達到要求則停止補水泵的運行。

4.2 供熱節(jié)能控制裝置的硬件設計

4.2.1 PLC硬件設計

PLC是典型的工業(yè)控制器，因具有穩(wěn)定可靠、故障率低等多項特點而在工業(yè)、建筑等領域取得廣泛的應用。在本次PLC硬件設計中，從節(jié)能控制裝置功能規(guī)劃的角度出發(fā)，確定熱力站需采集的變量，再據(jù)此合理選擇PLC。綜合考慮到：一級網(wǎng)、二級網(wǎng)各自的供水溫度、供水壓力等模擬量輸入；一級網(wǎng)的閥門開度等模擬量輸出；自動控制與手動切換的開關量輸入；二級網(wǎng)補水泵啟停的開關量輸出。

4.2.2 GPRS硬件設計

GPRS可提供端到端的IP連接，在各類頻率高、距離遠的數(shù)據(jù)傳輸中均具有可行性。各熱力站的間距較大，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕刹扇PRS無線通信的方式。其中，用RS-485總線實現(xiàn)GPRSRTU與PLC的通信。

4.2.3 觸摸屏硬件設計

人機界面為員工的日常操作提供了優(yōu)質(zhì)的平臺，可實現(xiàn)參數(shù)監(jiān)視、控制參數(shù)修改等功能?？紤]到直觀性和可操作性的要求，人機界面的設計充分關注到人的視覺感官，以文字、指示燈、動畫等方式進行信息的呈現(xiàn)，便于工作人員更加高效地開展工作。

在人機界面的設計中，先在PC機完成，而后下載至人機界面，進而連接至PLC的C0M0口。在前述連接關系下，依托Modbus協(xié)議實現(xiàn)人機界面與PLC的通信功能。

觸摸屏與PC機通信借助RS232通信線纜而實現(xiàn)，并自制通信線纜，以保證觸摸屏與PLC主模塊間能夠進行有效的通信，具體思路如圖3所示。艾默生PLC主模塊提供兩處通信接口，即C0M0、C0M01，前者與觸摸屏通信，后者與GPRSRTU通信。

圖3 HITECH與PLC通信接口

4.3 供熱節(jié)能控制裝置的軟件設計

4.3.1 PLC軟件設計

PLC程序按照圖4循環(huán)依次運行：1）寄存器初始化；2）運行報警程序，若識別到異常狀況，將隨即啟用該程序，做出響應；3）采樣供熱期間的參數(shù)，實現(xiàn)量程變換；4）通過通信程序的運行，建立起與監(jiān)控中心的聯(lián)系，彼此間能夠保持穩(wěn)定通信關系，也可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效傳輸；5）針對熱力站執(zhí)行機構(gòu)采取控制措施。

圖4 PLC程序運行流程

4.3.2 GPRS軟件設計

經(jīng)過GPRSRTU與PC機互聯(lián)后，完成GPRSRTU終端設置操作，例如設定參數(shù)。具體的運行機制，如下：1）建立數(shù)據(jù)服務中心DSC。首先完成路由器NAT的設置，向?qū)狿C機映射DSC的5002端口；運行軟件DSC-DEM0，與此同時將相應的端口設為5002。按前述流程操作后，完成數(shù)據(jù)服務中心的建立工作；2）設置GPRSDTU參數(shù)。向PC機串口連接GPRSDTU模塊，再借助Windows系統(tǒng)超級終端執(zhí)行模塊配置工作，具體覆蓋至數(shù)據(jù)服務中心設置、數(shù)據(jù)終端單元設置等方面；3）通訊。重啟GPRSDTU，連接DSCIP地址，按該方式完成GPRSDTU與DSC的連接操作后，兩者即可建立通訊關系；4）GPRSDTU接入下位機，與DSC通訊，GPRSDTU斷電后與PLC連接，而后給PLC上電，經(jīng)過注冊后可實現(xiàn)通訊；5）配置Commbridge組件，確保力控組態(tài)軟件與PLC進行遠程通信。

4.3.3 觸摸屏軟件設計

按照人機交互的理念開展觸摸屏軟件的設計工作，竭力為用戶提供便捷的操作平臺，具體思路如下：1）提供自動控制和手動控制兩項功能，供操作者根據(jù)實際需求予以選擇。手動控制對象包含補水泵啟停、供水閥門開度和循環(huán)水泵泵速；自動控制則側(cè)重于對各項關鍵參數(shù)的設定；2）為直觀地呈現(xiàn)出供回水壓力、供回水溫度、室外溫度、供熱量、循環(huán)泵狀態(tài)等關鍵的參數(shù)，開展參數(shù)檢測顯示功能的設計工作，確保操作人員可直觀地獲取到各項關鍵的參數(shù)，以便對供熱系統(tǒng)運行狀況做出判斷，再針對不足之處采取相應的控制措施；3）過程參數(shù)顯示及報警功能的設定也是觸摸屏軟件設計中的重點內(nèi)容，具體涉及到一級網(wǎng)壓力、溫度超限、二級網(wǎng)流量超限等。

4.4 監(jiān)控裝置GPRS無線網(wǎng)絡集成

從各設施的分布關系來看，熱力站與管理中心保持較遠的距離，由于距離的限制，日常管理工作的便捷性較差。針對該狀況，采用無線GPRS進行數(shù)據(jù)通信，同時采取集成化的硬件設施配置方法，將節(jié)能監(jiān)控裝置集成至監(jiān)控中心，再統(tǒng)一采取管理措施。在GPRS無線網(wǎng)絡集成的方式下，建立一套相對完善的供熱節(jié)能監(jiān)控中心，其主要職責在于高效調(diào)度各供熱節(jié)能監(jiān)控裝置，保證裝置的穩(wěn)定運行。

5 智能建筑供熱節(jié)能監(jiān)控中心軟件實現(xiàn)

5.1 軟件的功能分析

軟件界面的設計主要根據(jù)日常工作需求而定，包含熱力站地理分布界面、供熱參數(shù)顯示、實時趨勢等。在建立供熱監(jiān)控中心軟件后，以期提供如下幾項功能：1）工況監(jiān)測：熱力站供回水溫度、供回水壓力等均是重要的監(jiān)測對象，可予以呈現(xiàn)；2）參數(shù)設定：以熱力站運行狀態(tài)和供熱目標為參考，完成對閥門開度、變頻器頻率等關鍵參數(shù)的設定工作，經(jīng)過參數(shù)設定后，優(yōu)化供熱熱力站的運行狀態(tài)；3）供熱量負荷預報：首先執(zhí)行相關數(shù)據(jù)的采集操作，再建立樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息預報供熱負荷；4）參數(shù)趨勢顯示：供熱熱力站在不同時間段的運行狀態(tài)有所差異，為直觀地展現(xiàn)出供熱熱力站的工作狀況，提供參數(shù)趨勢顯示功能，例如顯示一、二級網(wǎng)溫度、壓力，工作人員可查看最新的數(shù)據(jù)，也可回顧某特定歷史階段內(nèi)的數(shù)據(jù)，再沿著時間軸線分析參數(shù)的變化趨勢，進而對供熱熱力站的運行特性做出更加準確的判斷；5）報警記錄：對于供熱熱力站運行過程中出現(xiàn)的各類參數(shù)超出許可范圍的情況，均會及時報警，與此同時各項參數(shù)將得到完整的記錄，供工作人員查詢。

5.2 監(jiān)控中心軟件平臺的應用

從技術可行性、使用便捷性等方面做出綜合分析，運行環(huán)境選擇的是Windows，再進一步分析適用性較好的編程語言，考慮到C++Builder、VC++、VB、力控6.0軟件（北京三維力控公司）等，最終將力控6.0作為設計平臺，之所以做出此選擇，主要是出于如下幾點考慮。

1）力控6.0軟件的便捷性和靈活性特征均較為突出，可嵌入格式多樣的圖片，也能夠提供豐富的工程、畫面模板，給組態(tài)開發(fā)工作的開展創(chuàng)設良好的條件，開發(fā)難度降低、工作量減少；2）力控6.0軟件的功能豐富，包含事件處理功能、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)斷線存儲功能、恢復功能等；3）力控6.0軟件的適應性較強，例如支持操作圖元對象的各圖層；4）力控6.0軟件支持腳本對容器對象的直接操作功能，其優(yōu)勢在于可以借助校本來調(diào)用對象的方法及屬性；5）力控6.0軟件的報表操作函數(shù)集頗為豐富，可提供報表設計器；6）力控6.0軟件還具有支持移動網(wǎng)絡、支持網(wǎng)絡冗余等特點，均給監(jiān)控中心軟件平臺的開發(fā)創(chuàng)設了良好的條件。

5.3 監(jiān)控中心軟件架構(gòu)設計

運行I/0程序，以便實時數(shù)據(jù)庫采集供熱現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并為界面系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮出數(shù)據(jù)的應用價值。本次監(jiān)控中心軟件設計所采用的力控實時數(shù)據(jù)庫能夠為數(shù)據(jù)庫之間提供通信條件，同時還可與負荷預報軟件進行數(shù)據(jù)交互。在I/0驅(qū)動程序的配合下，監(jiān)控中心可與熱力站監(jiān)控裝置PLC建立通信關系，同時還能夠依托0PC與負荷預報軟件進行通信。

5.4 監(jiān)控中心軟件組態(tài)設計

5.4.1 I/0設備組態(tài)的設計

終端控制單元是監(jiān)控中心的重要組成部分，此處選用的是型號為EC20的PLC，以1#熱力站為例，圍繞其具體的PLC參數(shù)設置展開探討，闡述基本思路與方法：首先，為設備命名，即EC20_1#，賦予特定的“身份標識”，超時時間設為8s、更新周期設為50ms，通信方式采用CDMA、GPRS等，最大時限60min；在前述基礎上，設置設備定義向?qū)В氲氖荱DP/IP通訊方式，UDP端口號為5002，終端編號為1；按照前述參數(shù)完成設定操作后，點擊完成，從而結(jié)束I/0設備組態(tài)設計工作。

5.4.2 數(shù)據(jù)庫組態(tài)設計

以模擬I/0點和數(shù)字I/0點最為關鍵，因此圍繞兩部分開展數(shù)據(jù)庫組態(tài)設計工作。此處以1#熱力站監(jiān)控界面模擬I/0點為例，展開分析。例如，在一級網(wǎng)供水溫度方面，點說明（DESC）為D101，測量初值為0.000，量程的下限、上限分別為0.000、100.000，在完成各項參數(shù)的設定工作后，點擊確定；在前述基礎上，設置連接項，元件可以考慮數(shù)據(jù)寄存器，采用的是16位有符號格式，偏移地址為101。

5.5 監(jiān)控中心軟件界面的設計

從如下幾方面著手，開展各細分界面的設計工作，進而得到完善的監(jiān)控中心軟件界面。

1）熱力站地理分布界面的設計：作為整個監(jiān)控中心極為關鍵的一部分，其主要負責給出各熱力站地理分布圖，以此來全面反饋出各熱力站的具體狀況。

2）熱力站工藝流程圖界面的設計：圖形中的信息主要包含熱力站現(xiàn)場數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)等，信息的呈現(xiàn)具有動態(tài)化特色和直觀特色，以動畫的形式予以呈現(xiàn)，以便工作人員更加直觀地分析供熱期間的運行工況，也能夠確定各項關鍵的參數(shù)，依據(jù)數(shù)據(jù)更加準確地分析熱力站的運行狀況。

3）供熱參數(shù)監(jiān)控界面的設計：以數(shù)值的方式呈現(xiàn)，用于反饋供熱期間的各項關鍵參數(shù)，是熱力站供熱狀態(tài)的重要呈現(xiàn)途徑。面向用戶提供自動控制和手動控制兩項功能，可根據(jù)實際需求靈活選擇，保證控制的有效性。此外，供熱參數(shù)監(jiān)控界面還能夠給員工控制設備啟停提供途徑，具有較為突出的人機交互特性。

4）熱力站供熱參數(shù)趨勢圖的設計：為了更加直觀地呈現(xiàn)出熱力站溫度、壓力的具體數(shù)據(jù)變化特征，設計供熱參數(shù)趨勢圖，用于反饋各時間段的具體數(shù)據(jù)，以便判斷特定時間段內(nèi)各項參數(shù)的變化特征，一方面評估熱力站的現(xiàn)有工作狀況，另一方面則有利于預估其發(fā)展趨勢，以前瞻性的理念采取控制措施。

5）供熱實時報警界面的設計：著重考慮的是包含壓力、流量、溫度在內(nèi)的各項關鍵供熱參數(shù)，分別為各參數(shù)設定相應的控制區(qū)間，若實測值超出許可范圍則進行報警，由相關人員及時察覺到該異常狀況，隨即采取相應的控制措施，盡快使設備恢復正常工作狀態(tài)。

6 結(jié)語

綜上所述，在社會經(jīng)濟日益發(fā)展的背景下，建筑的綜合品質(zhì)也應同步提高，同時居民對建筑供熱提出更高的要求，因此有效提高建筑的供熱水平尤為關鍵?？v觀建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢，其正逐步朝著智慧建筑的方向邁進，在此背景下的供熱系統(tǒng)設計工作需要以提高供熱水平和節(jié)能水平為立足點而展開，積極響應國家的相關環(huán)保節(jié)能政策，做好硬件設計和軟件配套工作，在軟硬件的共同結(jié)合下，有效提高智慧建筑供熱系統(tǒng)的綜合運行水平，在滿足用戶供熱需求的同時減少能源消耗，為社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展助力。