基于3G-Internet网络的换热站无线远程监控系统

吴明永， 李菊生， 王国伟

(兰州城市学院 培黎石油工程学院, 甘肃 兰州 730070)



基于3G-Internet网络的换热站无线远程监控系统

吴明永， 李菊生， 王国伟

(兰州城市学院 培黎石油工程学院, 甘肃 兰州 730070)

针对热网中各个换热站分散的特点，利用3G-Internet网络技术实现换热站与远程监控中心之间的信号传输，设计了基于3G-Internet网络的换热站远程监控系统。各换热站采用PLC对热网工况参数进行实时监控，并充分利用3G网络的技术优势，将换热站的数据信息上传给远程监控中心，在监控中心实现对整个供热系统的集中监控和热负荷的合理分配。运行结果表明，该系统稳定性好，调节精度高，操作方便，解决了供热系统热工参数难以采集和热量分配不均等问题。

换热站；3G-Internet网络；可编程控制器；监控系统；数据传输

0 引 言

目前集中供热已成为我国北方冬季供热的主要形式，它在提高能源利用率、节约能源、改善环境、降低费用、提高供热质量等方面与传统分散供热方式相比具有不可比拟的优点。集中供热是以热水或蒸汽作为热媒，由热源厂通过热网输送到各换热站，换热站对高温蒸汽或水加以调控、转换，并按照热负荷的需求向用户安全合理地分配热量。因此，换热站作为热源厂与热用户之间的中间环节，其供热品质的好坏对改善热网热力工况，提高供热质量起着重要作用[1]。为了改善集中供热系统热力及水力工况，提升自动化控制和管理水平，提高供热管网的供热效率，实现按需均匀供热，最大限度地节约能源，给用户提供优质的热能服务，利用先进通讯手段和自动控制技术对热换站运行进行实时监测及控制是十分必要的。但是目前换热站大都采用人工监控，一方面浪费人力；另一方面在出现事故隐患时操作人员难以发现，易造成设备事故，同时，难以达到供热系统整体最佳状态，易造成热力失衡，影响供热效果而造成能源的极大浪费[2]。即使某些换热站与远程热监控中心之间采用较为先进的GPRS进行数据传输，但传输速率低，只能实现一些简单测控数据的传输，可靠性较差。无法满足对供热参数实时监测，不能保证对热网的优化供热。

本文采用3G(第三代移动数字通信系统)通信网络技术实现本地控制器与监控中心之间的数据传输，超越地理位置的障碍，实现有线及无线间的互联，对分散在不同地理位置的换热站进行远距离检测和控制各设备的运行，同时，根据从现场监测到的各换热站运行参数，调节热源厂运行工况，达到热力网无人值守的目标，保证冬季整个供暖期的稳定安全运行。

1 系统总体结构设计

根据集中供热工艺特点及测控要求，系统从可靠性、实时性、安全性、开发性、互联互操作性等方面进行综合评价后，最终选择了基于3G无线通信网络体系。整个系统主要由换热站本地监控系统、远程调度监控中心和3G-Internet数据传输网络组成[3]，其拓扑结构如图1所示。

图1 系统总体结构

1.1 换热站本地监控系统

本地监控系统位于每一个换热站内，主要由西门子控制器CPU226、以太网模块CP243-1(组成S7-200 PLC)，北京驿唐科技有限公司的3G路由器MR-900E，威纶通触摸屏MT6100i和测控设备等构成，其中CP243-1与MR-900E通过交叉网线互连到RJ45接口上。各换热站通过S7-200 PLC对过程参数(温度、压力、流量等)实时采集及处理，完成现场实时控制、故障诊断、报警等功能[4]，并利用3G路由器将各换热站的现场运行工况数据通过电信3G网络与Internet公网远传到调度监控中心，并等待监控中心的数据处理和命令下发，实现远程监控及综合调度。

1.2 远程调度监控中心

远程调度监控中心承担着各换热站的监测控制和管理任务，由若干台工控机和打印机等设备组成，其工控机通过虚拟局域网接入Internet，负责系统网络数据链路建立及数据接收、发送、解码等功能，并显示各换热站监控画面、数据查询等。此外，操作人员可以在调度监控中心内向各换热站的终端控制设备下发工作指令，调整热力网的热力工况和水力工况，使热力网处于最优运行。

1.3 3G-Internet数据传输网络

3G-Internet数据传输网络，进行通信协议转换及信息的上送和下发，从而实现远程调度监控中心与本地换热站之间测控数据的传送功能。

由3G网络与Internet构成的信号传输网络组网简便，具有数据传输快、覆盖范围广、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，且远程传送数据时，不受时间、地点、距离的限制，无需重新布线设点，建设难度及经济投入较小，可以解决分散数据集中处理的问题[5]。

北京驿唐科技有限公司的3G路由器MR-900E工作在中国电信CDMA2000网络下，具有高速上网、高速视频、数据传输能力强等优点，且MR-900E内置WEB配置界面，使用方便。此外，还增加了针对高速率无线通信应用的性能优化，可稳定、高效的工作于无人值守环境。MR-900E数据传输的理论上行速率可达1.8 Mbps，下行速率3.1 Mbps。MR-900E可以简单、快速与PLC设备相连，通过3G网络将PLC中的信息数据经TCP/IP通讯协议传输到Internet公网上，远程计算机可以在Internet公网上经驿唐科技有限公司的服务器接收到PLC的相关信息数据，实现PLC的远程监控、在线调试以及程序的上传和下载。

2 组态系统网络

2.1 组态3G路由器MR-900E

首次使用3G路由器MR-900E时，安装3G全频段吸盘天线，将一张开通上网业务的USIM卡(如中国电信天翼)插入3G路由器中，使用交叉网线将MR-900E与远程监控中心上位计算机相连接，然后接通电源，其组态MR-900E步骤如下：

(1) 设定计算机的IP地址为“自动获得IP地址”；

(2) 打开IE浏览器，在浏览器里输入“http://192.168.1.1”，然后回车；

(3) 在打开的界面里输入用户名“root”，初始密码为“1234”，回车进入web配置界面，然后就可以对设备进行配置。

图2 3G路由器MR-900 W组态图

(4) 登陆进入MR-900E组态界面后，启用“无线网口通”功能，配置数据中心IP、数据中心端口、传输协议等(其中数据中心域名：eyun.etungtech.com，端口：8080，传输协议：TCP)，如图2所示，然后保存，重启路由器即可。

2.2 建立远程计算机与换热站PLC之间的虚拟局域网

3G无线路由器通过3G网络连接到Internet，并和公网中的驿唐mServer服务器建立连接，在远程监控中心的计算机上则运行无线网口通软件，使其连接到驿唐mServer服务器上。监控中心的计算机上安装无线网口通软件的时候，会安装一个微软的环回网卡，把该网卡的IP地址设置为和换热站PLC在同一个IP地址的网段上，这样“3G路由器—驿唐mServer服务器—无线网口通”相当于一根无限长的网线，把监控中心计算机和换热站PLC连接起来，使得网络中的远程计算机和PLC处在一个虚拟的局域网内，从而实现PLC的远程监控以及用户程序的上传和下载。其配置过程如下：

(1)申请驿云账号

打开“http://eyun.etungtech.com”页面，申请一个网口通驿云账号，并联系该公司技术支持开通该账号。

(2)安装无线网口通软件

图3 无线网口通软件网络设置图

在驿唐网站下载无线网口通v5.x安装程序，在监控中心的计算机上安装无线网口通软件，安装过程会同时自动安装微软的Loopback网卡和WinPcap软件。

(3)设置微软Loopback网卡的IP地址

运行无线网口通软件，点击设置，输入之前申请的用户名和密码，如图3所示。在“微软Loopback网卡IP”栏中可以设置Loopback网口IP地址。其中IP1：192.168.1.200用于与换热站PLC建立虚拟局域网，该IP地址必须与换热站PLC的IP地址在同一个网段，此处默认前端设备PLC在192.168.1.*网段。IP2：192.168.168.200用于远程访问前端的无线路由器，一般默认。

3 本地换热站控制系统

本地换热站控制系统要在无人值守的状况下使现场的测控设备能够自动安全的运行，完成运行参数测量、采集，现场设备控制及故障报警、诊断，现场运行工况信息实时无线远程传输等任务。主要完成以下控制功能[6]：

(1) 二次供水温度控制

为了保证用户的室温处于相对恒定温度，PLC根据室外平均温度计算出二次网供水温度设定值，当换热器的二次供水温度偏离设定值时，控制调节系统就自动调整一次网供水电动调节阀的开度，实现了二次网的供水温度维持在设定值附近，从而确保二次网的供水温度随当前室外温度变化而变化，以提高供热效率。

(2) 二次供回水压差调节控制

由于二次供回水压差能较好的跟随变频器与水泵的运行状况，PLC通过监测二次供水和二次回水压力差值，通过变频器调节循环泵转速来实现变流量调节，从而对管网提供合适的流量和末端压差，保证供暖质量并实现节能目的。

(3) 二次回水恒压控制

二次回水恒压控制是供热系统正常运行的根本保证。PLC通过压力变送器检测管网水压，压力设定信号和压力反馈信号输入PLC后，经过PLC内部PID控制算法程序来控制变频器的输出频率，从而自动调节水泵电机的转速，从而对系统进行及时的补水，以保证管网压力恒定要求。

为了保证系统的安全，在补水系统中设置了一个旁通泄压电磁阀，在压力过高时通过PLC程序打开电磁阀泄压，当压力低于某一设定值时时自动关闭电磁阀。另外在补水箱上安装了液位计，通过对PLC编程实现水箱的自动补水功能。

4 远程监控中心

图4 监控计算机网络设置图

为了实现换热站S7-200 PLC与监控中心的可靠通信，以完成双向数据交换，在远程监控中心计算机上安装了西门子的SIMATIC STEP7-Micro/WIN编程软件、WinCC6.2组态软件以及WinCC与S7-200 PLC通信的PC Access(OPC)软件[7]。计算机通过Loopback虚拟网卡连接到Internet公网，驿唐的无线网口通软件通过驿唐mServer服务器实现3G网络与Internet公网之间的数据传输功能，网络设置结果如图4所示。

西门子WinCC6.2监控组态软件作为OPC客户端，可以直接访问由驿唐mServer服务器发送到Internet公网的换热站热工参数，通过对外部变量进行画面连接组态，在远程监控中心计算机的监控界面上可以实现对换热站工艺参数实时数据显示、历史曲线的绘制、历史数据保存和查询、参数设置、故障诊断、报警、报表打印、执行机构的操控等任务[8]，从而完成对全系统的统一调度和管理，保证了换热站无人值守的实现。

为了增强监控系统的直观性，监控界面以地图方式直观显示各换热站的位置，使操作员可以了解热网的全局分布，并可通过点击分站的名称进入各换热站的监控界面。各分站监控画面使用图形化操作，能够显示工艺流程图画面及动态运行参数，保证查询方便灵活，如图5所示。此外，还可实现对S7-200 PLC的远程在线调试以及用户程序的上传和下载。

图5 远程换热站监控界面

5 结束语

随着全球信息化技术的发展，我国的3G移动网络技术具有覆盖范围广、速率快、数据传输能力强、建设成本低等优点，势必得到不断推广和应用。本文利用3G网络技术和Internet无缝结合，完成了本地换热站与远程监控中心之间的热网工况数据无线传输，真正实现了对多个换热站的集中监控和热负荷的合理分配。实测结果表明，该系统不仅运行稳定、安全可靠、数据传输快速准确，远程监控效果良好，还降低了运营成本，实现了换热站的无人值守和全热网的优化控制，满足了热用户对热负荷的动态需求。因此，本系统在多种领域的远程监控中具有一定的实用推广价值。

[1] 齐晓军，田海.串级模糊控制器在换热站监控系统中的设计[J].电气传动，2015，45(1)：58-63.

[2] 陈艳武. 无人值守换热站智能控制系统的研究[D].大连：大连海事大学，2013.

[3] 吉涛，荆学东.PLC网络的无线通讯方式研究[J].计算机测量与控制，2009，17(7)：1407-1409.

[4] 胡健.西门子S7-200PLC与工业网络应用技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[5] 陈志武，袁玉静.基于3G网络的城市集中供热换热站远程监控系统[J]. 化工自动化及仪表，2011，38(1)：79-82.

[6] 郭阿梅.集中供热管网监控及节能优化控制策略研究[D].天津：河北工业大学，2013.

[7] 张明光，吴明永，杨素娟．基于GPRS-Intemet的换热站无线远程监控系统[J]．自动化仪表，2009,30(9)：46-48．

[8] 西门子(中国)有限公司自动化驱动集团.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

A Remote Wireless Monitoring System for Heat Exchange Stations Based on the 3G-internet Network

Wu Mingyong, Li Jusheng, Wang Guowei

(Peili College of Petroleum Engineering, Lanzhou City College, Lanzhou Gansu 730070, China)

Considering decentralized heat exchange stations in the heat supply network, we have designed a remote monitoring system for these stations based on the 3G-Internet network by means of signal transmission between the these stations and the remote monitoring center. The heat exchange stations use PLC to monitor operating condition parameters of the heat supply network on a real-time basis, and relying on technological advantages of the 3G network, upload data information about heat exchange stations to the remote monitoring center, where centralized monitoring of the entire heat supply system and reasonable distribution of heat load are realized. The operational results show that this system has good stability, high accuracy of regulation and convenient operation, and solves such problems as difficult acquisition of thermal parameters of the heat supply system and uneven heat distribution.

heat exchange station;3G-Internet network; PLC; monitoring system;data transmission

2013年甘肃省高等学校科研项目(2013A-100)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.030

TP273

A

1000-3886(2016)03-0096-03

吴明永(1972-)，男，甘肃白银人，副教授，硕士，主要从事人工智能、计算机和复杂工艺过程控制等方向的研究。

定稿日期: 2015-08-31