集中供热系统智能监控技术研究

石锐　隋修武　虞跃霖　张晓萌

摘 要 针对集中供热系统中热网的耦合性、非线性、滞后性等控制难点，结合节能环保的理念，针对换热站设计了基于模糊理论的智能供热控制系统。依托组态王和现场 PLC 联合开发高级控制策略，实现远程监控中心对小区换热站的温度、压力、流量、阀门开度等参数的现场采集和实时调节， 提升了供热系统的控制精度与供暖效果。实际运行该设计增强了热网控制系统的智能化程度，体现出了良好的节能性。

关键词 集中供热 温度补偿 Fuzzy-PID 远程监控

中图分类号：TP277 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.04.011

Research on Intelligent Monitoring Technology of Central Heating System

SHI Rui[1][2]， SUI Xiuwu[1][2]， YU Yuelin[1][2]， ZHANG Xiaomeng[1][2]

（[1] School of Mechanical Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387；

[2] Tianjin Key Laboratory of Modern Mechanical and Electrical Equipment Technology， Tianjin 300387）

Abstract According to the central heating system heating network coupling， nonlinear and hysteresis control difficulties， combined with the concept of energy saving， the heat transfer station design of intelligent heating control system based on fuzzy theory. Based on the on-site Kingview and PLC joint development of advanced control strategy， implementation of the remote monitoring center of district heat station temperature， pressure， flow， valve opening and other parameters of the site acquisition and real-time adjustment， improve the control precision and the heating effect of the heating system. The actual operation of the design enhances the intelligent degree of the control system of the heat supply network.

Key words central heating； temperature compensation； Fuzzy-PID； remote monitoring

0 引言

由于我國供暖监控系统发展缓慢，无法跟供热规模进行良好匹配，结果导致了绝大多数集中供热系统自动化程度较差，调节具有极其严重的滞后性，无法实现按需供暖，能源大量浪费。随着集中供热方式的普及，如何合理地调度和控制集中供热系统，使供热系统的供热均匀、耗能少、自动化程度高，已成为供热行业亟待解决的问题，同时也是国内外专家一直在研究的热门课题。[1]

1 热网系统运行原理

目前城市供暖一般采用集中供暖的方式，小区热力站由一次、二次网供热回路组成， 两回路之间通过中间换热器实现热量交换，为便于调控一、二次网的热力水力情况，换热器采用间接连接模式。一次热源由热电厂经管道送到换热站，通过换热器的换热，将一次网热源的热量交换到二次网热水，最后经分水器分至热用户。二次网中在换热器之前需加循环泵以控制恒定压差。供暖中由于水分的蒸发等客观原因，导致二次管网供水压力不够，所以在二次网回路中增加补水泵进行适量补水，以起到对二次网稳压的作用。热网热力水力工况的波动导致温度和压力变化成为远程监控难点。[2]

2 智能监控系统方案设计

2.1 DCS电控柜硬件设计

DCS电控柜对现场控制原理如图1所示，在一次、二次管网中安装有PT100温度传感器、流量计、压力变送器、过滤器、SIEMENS电磁调节阀、循环泵和补水泵变频器设计控制系统和监视系统。该装置包括固定在现场控制柜中的可编程逻辑控制器PLC、工业用数据采集器、变压器、不间断电源UPS、无线数据远传模块DTU和触摸屏，其中可编程逻辑控制器PLC经RS485总线分别与无线数据远传模块DTU、工业用数据采集器连接，触摸屏通过RS232串口与可编程逻辑控制器PLC连接，工业用数据采集器与工业现场传感器连接，无线数据远传模块DTU数据远传至远程监控中心，变压器、不间断电源UPS分别与可编程逻辑控制器PLC、工业用数据采集器、无线数据远传模块DTU及触摸屏连接。循环泵、补水泵均采用变频器控制。通过控制电磁调节阀门开度调节二次供水温度，通过控制变频器调节二次回水的压力和压差不变。

2.2 通讯协议及程序设计

热网智能监控系统由现场可编程控制器、监控中心和通信网络组成。其中通讯网络采用4G通讯模块DTU，拨号成功后，DTU获得一个由移动随机分配的内部IP地址，通过数据中心的IP地址与端口号，向数据中心发送TCP通信请求，建立并保持通信连接。当DTU接收到供热现场控制器的串行数据后，将数据打包在TCP/UDP里并发送给远程监控中心。当DTU接收到远程监控中心发来的串行数据包时，可通过RS485串口将取出的数据发送给现场可编程控制器。如图2所示，PLC进行如下数据处理操作：

3 智能供热系统控制技术

3.1 模糊PID控制技术

针对动态集中供热系统热网的时变性、耦合性和滞后性的特点，通过建立Fuzzy-PID 控制器实现二次网供水恒温输出。Fuzzy-PID 控制器可对热网二次供水温度做在线实时调整。Fuzzy-PID 控制器的输入是二次供水实际温度与人工设定温度的偏差 e 和偏差变化率 ec，借助于实际经验的语言编程的模糊规则，输出PID控制的参数Kp、Ki、Kd，对控制电磁阀门开度的 PID 参数进行实时调整和修正，从而实现二次供水温度的精确控制。

3.2 温度补偿调节

随着室外温度的变化，当供热量大于需求热量时将导致能源的浪费。对于这一现场难题，通过联合远程监控中心和现场可编程控制器开发温度补偿控制策略，结合温度补偿的反馈结果来评估整个网络热负荷，热电厂通过反馈热负荷估计，依据换热站实际供热面积的变化和实际的实时供水流量建立数学模型，达到最佳采暖状态。

4 组态监控系统

远程监控系统基于 Kingview 组态软件，对多个二级热力站进行实时监控，在主界面设计多个换热站的集中显示界面，在子界面设计各个换热站的热网回路，监测热网回路中一次供水温度、二次供水温度、阀门开度、循环泵压力、补水泵压力等指标。各换热站的子界面监控系统虽内容相似但相互独立，子界面监控系统集成到主界面监控系统中。根据结构化设计思想，该系统设计成一个清晰的层次结构，组成的相对独立的单位，尽量避免彼此之间共享信息。

5 结语

按照上述方案的设计与实施，实现远程中心对供熱站现场热力水利工况的智能监控与调节，使热网在良好的情况下稳定运行，最终达到节能的目的。

基金项目：天津市大学生创新创业训练计划项目（编号：201610058098）

参考文献

[1] 刘文琦，杨建华，林艳.集中供热网智能控制方法研究[J].大连理工大学学报，2004.44（3）：563-567.

[2] Zieogonekbik， Andrzej ； Gladysz， Pawel. Optimal coefficient of the share of cogeneration in district heating systems[J].Energy， 2012（4）：220-227.