无人值守技术在供热系统中的应用设计

摘  要：文章以实际工程为起点，着眼于现有工业互联网及自动控制技术，对供热站进行智能化改进，致力于无人值守供热站的实现。无人值守系统以网络串联各集散式分系统，确保顶层管理的统一调配和设备分散布局的灵活性，大大提升了供热系统的管理效率，降低了实施失当带来的安全风险和资源浪费。同时，设备监控网络化可实现在第一时间获取供热系统状态和故障信息，这在很大程度上提高了供热系统的稳定性以及供热服务的质量。

关键词：无人值守;供热站;自动控制;利用率

中图分类号：TP273    文献标识码：A 文章编号：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

隨着我国经济的持续高速发展，能源战略事关国家现代化建设全局。我国是能源相对贫瘠的国家，而能源短缺和利用效率低下，愈发成为制约我国经济发展的瓶颈。国务院办公厅于2014年印发的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》中，明确提出2020年我国能源发展的总体目标是能源创新发展、安全发展和科学发展[1，2]。为贯彻落实《节约能源法》的精神，并进一步深化供热技术改革，应用以实时数据库系统为核心的智能化无人值守供热系统来代替传统人工监测手段，全面、实时、有效地监控管理换热站运行状态，实现从管理到现场操作信息无缝整合的无人值守换热站智能控制。

以我国北方地区集中供热方式为代表，其供热方式侧重于热源的集中，从一个点向外辐射的供热方式减少了资源的分散性浪费，降低了大气污染，符合我国绿色环保发展要求。换热站作为热源和取暖用户的重要枢纽，将热源生产的热能在换热站进行热量转换后输送到取暖单位[3]。传统的换热站依靠人工监测换热站温度、流量和液位等控制信息，进行数据指标确认和操作决策，这种粗放式人工监测必然会造成监测实时性差、误操作频度高以及人力资源的浪费，而人工误操作极易在一瞬间造成危险事故的发生，造成财产的重大损失。另外，随着我国人力成本及原材料价格的不断攀升，进行创新技术的开发势在必行。

1  无人值守供热系统简介

1.1  工程概述

九台山庄锅炉房于1996年在北京昌平区九台路投产运行，九台庄园供暖面积约为6.1万平方米，有3台燃气热水锅炉为采暖系统供热，采用直接供暖的方式，燃气热水锅炉的安装容量可达到9.8 MW。其中1台燃气热水锅炉为4.2 MW，设计供回水温度达115/70 ℃;另外2台2.8 MW燃气热水锅炉，设计供回水温度为95/70 ℃。本次改造针对九台庄园采暖系统进行“自吸平衡供热系统”升级，将自吸设备智能楼宇机组（以下简称自吸设备）加装于建筑物的热力入口处，借助自吸设备的自吸功能，将楼内回水部分引至供水管中，相当于为每栋建筑物设计独立的混水站，可解决小区整体供热不平衡的现状，实现每家每户的精准调温。自吸平衡供热系统示意图如图1所示。此外，本工程在应用GPRS互联网通信技术的基础上结合小区燃气锅炉房控制方法来实现供热系统的无人值守。燃气锅炉房配备监控中心控制系统，完成整个项目88台自吸设备的参数采集、下发温度、远程启停、集中显示，并配置“掌上热力”和“暖心宝”，实现智能化、个性化调节。本文结合现有工程应用条件，在实际工程中对供热系统的无人值守自动化控制进行研究。

目前，据我国供热企业运营管理经验可知，对热力锅炉房无人值守系统的改造从根本上解决了人员协同操作实施困难，人力冗余和管理成本高等问题。虽然，无人值守无法实现机器替代全部人工的极端设想，但是在热企运营的诸多方面都展现出其固有的优越性。

1.2  无人值守供热系统现状

近年来，随着微电子技术的井喷式发展，以集散控制系统（Distributed Control Systems， DCS）为核心的工业自动化控制技术被广泛应用于各种场合，图2为典型的DCS系统结构图。无人值守供热系统就是在集散控制系统的基础上发展而来的，DCS是一种过程控制系统，其对生产过程进行集中性管理及分散性控制，使得管理更高效、控制更灵活，其本质特征体现在4C技术（Computer-微机技术、Control-控制技术、Communication-通信技术和CRT-图像显示技术）的高度融合。DCS系统一般由工业管理系统、分散控制装置和工业控制网络三个模块组成，属于综合型设备控制装置。随着现代规模化工业系统应用的不断演进，对过程控制系统效率和安全性的要求提升，使得过程控制系统对仪表的界面友好度、控制的实时性和精度逐渐提升，从而推进了具备并行集中控制的DCS自动控制系统的发展[4，5]。

DCS及伺服控制技术在无人值守供热系统中有得天独厚的优势。首先，操作员只需在DCS上位机上点击鼠标或轻触触摸屏即可实现对整个供热系统的监控，可以以图片、图形或文字的形式在显示屏上直接获取锅炉房和换热站的工作状态;其次，DCS完善的功能模块和伺服系统内置的先进控制算法可确保二次网出水温度恒定、温度跟踪迅速、波动及超调小，保证热网控制系统安全高效地工作;最后，提高能源利用率，实现低耗节能环保目标。因此，当前各地供热公司在对老旧供热系统改造的同时，均在尝试无人值守供热系统的研究[6，7]。

2  无人值守供热系统设计

2.1  系统总体设计

此无人值守供热系统涵盖三个区域，分别为工程师及操作员所在的办公区、外场环境以及供暖设备所在的供暖现场，这种人机分离的方式不仅可以提升操作人员的工作环境舒适度，而且可以避免由于误操作而给现场操作员带来危险，具体的系统结构如图3所示。

在办公区域，工程师可以通过内部OA系统对供热计划和工作流程进行把控，对操作员提出的实施申请进行审批。操作员在远离供暖现场的工控机上读取诸如温度、压力和流量之类的综合信息报文，并依照供暖计划或突发事件有针对性地修改供暖设备运行参数。

在供暖现场，其分为三个功能板块，分别为现场信息监控显示屏、远程服务模块和伺服控制系统。换热站需要检测的数据可分为四大类：温度、液位、流量和压力，这些数据分别由温度变送器、液位变送器、流量计和压力变送器测得并汇总到现场信息监控显示屏，以图形界面的方式输出综合数据信息，使设备维护人员可于第一时间掌握设备运行状态。伺服控制系统是通过对各节点的实际温度进行采集，将各节点温度及回送水进入锅炉房前的温度与工程师设置的期望水温进行比较，将其比较的温度偏差作为控制量而进行自动化调整，并输出控制命令给各节点伺服系统水泵，从而调整回水和补水的流量，实现对温度的调节目的[8]，其控制策略模型如图4所示。

在外场环境，远程服务模块承担授权外网工作站与供暖现场之间数据传输与授信的设备调试命令，是内网工控的延伸和外网与现场的信息桥梁，是保证全天候供热无人值守系统状态监测正常运行的关键。远程服务模块的远程数据采集可向普通用户提供定时采集的温度数据信息，也可向管理员用户提供循环采集的实时变送器数据信息，所提供的信息既可以是实时数据，也可以是追溯过去的数据信息。远程控制是无人值守供暖系统的重要补充，包括对阀门开度的控制，对供水温度值、循环泵及补水泵流量值的设定等[9-11]。

2.2  伺服系统设计

供热站管网通常被称为一次网，从锅炉房的锅炉中流出的热水通过一次网管道循环并进入分水器，经分水器分水后的热水流向下一级管网。二次网中的冷水通过集水器流入板式换热器与一次网的热水进行热交换，待水温升高后，经二次网分水器到达用户室内实现供暖。从二次网交换出来的冷水，再次经过一次网回水来到供热站的锅炉中，通过再次加热实现供暖的往复循环。一次网中水循环的动力由一次网的循环泵提供，同样，二次网回水管网中也采取循环泵提供动力，以保证循环供暖的稳定。

换热站以二次网的供热曲线为基础建立动态模型，二次网供热曲线如图5所示。此曲线能够保证一次网和二次网的协调一致[12]。

因取暖主体建筑对供暖温度产生滞后影响，采用循环供水的供暖调节模型如式（1）所示：

（1）

其中，tp為供水及回水的平均温度，tg为二次网供水温度，th为二次网回水温度，tn为室内温度，tw为室外温度，B为散热器系数，ζ为散热器的有效系数，WS为散热器的循环流量，带上标记号的符号分别为其温度的目标值。

在实际的换热站设计建造过程中，工程师大多会将运行过程中可能发生的各种问题考虑在内，如在换热站建设完成后需扩展的供热容量问题，所以一般在设计之初就预留了很大的热容量，但事实上是大部分换热站不容易准确地计算出供热系统容量，设计应做到随着供热面积的逐步增加而对供热温度进行精确调整，这就使得应用伺服系统控制循环泵和回水泵对热量进行实时调控成为无人值守控制的关键。伺服系统状态方程为：

（2）

其中，ω为泵机转子角速度，np为泵机极对数，I为峰值电流，E为电动势峰值，Tl为电枢漏磁时间常数，p为占空比。

结合式（1）和式（2）可以得到换热站伺服控制系统的控制模型，控制模型如图6所示。

应用Matlab对模型进行仿真，为了验证系统对于温度的跟踪控制效果，在极短的时间内对温度的期望值进行温循，从图7中可以看出实际温度紧紧跟随期望温度进行变化。在温控过程中，泵伺服电机对温度值变化做出快速响应，从图8中可明显看出电机三相电流随温度变化而快速响应。

2.3  工控以太网设计

为满足伺服系统在响应速率、多节点网络化和实时性等方面对高精度及多控制对象的需求，借助温控泵实现快速响应及高精度位置跟踪的控制目标。本文采用实时工业以太网（Real Time Ethernet）技术，其是常规以太网技术的延伸[13]。目前，国际上通用的实时工业以太网协议众多，对此国际电工委员会（International Electrotechnical Commission， IEC）制定了两个标准予以规范，如表1所示。

以太网控制自动化技术（Ether Control Automation Technology， EtherCAT）最早是由德国的Beckhoff公司于2003年提出的，其继承并修改了标准以太网的工作方式，支持多设备互连拓扑结构。其不仅可以搭建于主频超过2 GHz的处理器之上，还可以在16位的低端控制器上组成EtherCAT控制系统。其已纳入IEC 61158的Type12及IEC 61784的CPF12，同是也纳入我国标准的GB/T 31230.1-2014至GB/T 31230.6-2014《工业以太网现场总线 EtherCAT》第一至第六部分[14，15]。

EtherCAT控制系统采用主从式通信结构，控制命令由主站利用以太网的通信技术发出报文，从站接收主站发出的报文并获取自身相关数据进行解析，从站在获取命令之后立即执行并将处理后的信息嵌入转导报文向下传递，直到完成整个控制的过程。报文完成从站的轮询之后，从站对采集的温度、液位和流量等信息进行处理，然后各从站对下行报文进行转发，最后回到主站进行数据处理。值得注意的是，从站对报文的处理一般是应用ASIC（专用集成电路）进行协议转换，这就无法避免传输过程中的延迟（300 ns左右），本文应用英飞凌Cortex-M4内核的XMC4800微控制器开发的EtherCAT系统，其CPU频率达到144 MHz、内置EtherCAT从站控制器（EtherCAT Slave Controller， ESC）且拥有6个独立且符合ISO 11898的CAN节点，各个节点均支持远程数据交互，其可靠性高、开发成本低。根据供热控制的精度和实时性要求，本文开发了一款基于XMC4800的EtherCAT从站控制器，其原理图和PCB设计图如图9、图10所示。

3  结  论

无人值守供热系统以其高效节能、安全环保、自动化程度高的DCS系统实现以网络化控制适应分散的控制对象，以上位机集中获取参数和操作协同来达到中心掌握全局，再配合GPRS无线网络化与外网监控和操作单位对接，实现真正意义上的供暖现场无人值守的目的。系统很好地结合了伺服控制系统对目标跟踪的快速性和准确性，以及系统运行的可靠性、稳定性及可扩展性。控制网络采用可与互联网直接对接的EtherCAT工业总线网络，使整个系统组成了一个紧密、可靠、结构简单的工业自动化控制和管理系统，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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作者简介：兰媛媛（1993—），女，汉族，北京人，自动控制中级工程师，学士学位，研究方向：供热系统的电气和自动化设计。