供热管网自动控制系统方案
供热节能主要包括热源厂节能、供热管网系统节能和用热系统节能三大部分，要做到合理供暖，杜绝浪费，首先要解决这三大部分的热能供需匹配问题。也就是说：保持能耗的动态跟踪，控制热能供需平衡，从而实现节省燃煤（或燃气），节省热能、电能，节省与此相关的人力、物力、场地和运输费用。因此，按需供暖、减少或杜绝热能浪费，是最有效的节能手段，这是首要问题。其次，在保证热源厂供热总量的前题下，解决如何提高热效，实现节能的问题。
本方案从供热管网系统和用热系统的能耗的动态跟踪与节能自动控制着手，本着投资少，见效快，收益大的原则，结合各换热站设施和供热用途等实际情况，充分利用换热站原有的温度、压力传感设备和控制设备，改装水泵电机变频器的控制线路，加装TPK-8000智能控制单元，通过自动控制软件设定的节能程序，根据用热需求量的变化，控制供热管道阀门开度、控制水泵转速，变人工主观控制为节能自动控制，变全热全程供暖为分时分温按需供暖，并逐步实现全管网的智能化控制。节能自动控制系统方案按以下几个部分加以说明：
l 大滞后控制对象自动化系统要点分析
l 分时、分温、分区供暖的自动控制模式
l 供暖节能自动控制系统的构成
l 节能效益分析
l 系统拟选设备简介

1 大滞后控制对象自动化系统要点分析

XX华发的热力管网调控，多以回水温度作为调节的参照变量，但是，供热管网系统是大滞后控制对象，变量因素多，响应时间长，不适合用PID方式调节，极难达到理想的控制效果。针对这种控制对象，行之有效的手段是采用先进过程控制方式，例如：预测控制。预测控制的优点：
l 模型简单，容易获得
l 算法简单，容易实现
l 参数少，容易整定
l 鲁棒性好，使用安全稳定
l 与PID算法相比，设定值改变时，预测控制，响应曲线大大改进，振荡小、上升时间短、调整时间小。
对于大滞后对象，预测控制算法可根据时段合理优化温度设定，快速、平稳地达到设定的温度。在原有基础上，把参数进一步简化，用“统一预测控制算法”的系列程序，结合供热自动化系统设备，实现节能控制的目的。

2 分时、分温、分区供暖自动控制模式

系统安装了相关自控设备以后，就可以根据建筑物不同的供热用途，采取不同的节能运行模式，实现供热支路流量科学合理分配，“分时、分温、分区供暖自动控制。
 

3 供暖节能自动控制系统的构成

3.1 供热自动控制系统总体架构

供热自动控制系统主要由系统监控中心、现场控制单元、数据通讯系统、仪表和传感器及电动调节阀、电气设备部分组成，各部分协调工作，实现整个供热系统的自动化控制或智能控制。
系统原则上可按6层结构，通过城域网连接到系统监控中心。各层内容包括：
（1） 机电设施层：锅炉和换热站的水泵、供热管网、电机、动力控制柜等；
（2） 就地仪表层：就地仪表、执行机构、变频调速装置、调节阀门等；
（3） 现场控制层：指现场TPK-8000智能控制设备；
（4） 通信网络层：GPRS通信网络；
（5） 中央监控层：为集中供热系统计算机监控系统的核心，通过中央监控层对全网的运行实施统一的监控。接收各站点的故障报警，达到安全、节能、环保型供热的要求，并保证供热质量；
（6） 信息管理层：通过信息管理层，完成全网调度指挥、事故报警处理，实现科学管理，提高企业效益。信息管理层实际上是一个计算机信息网络系统。

3.2 节能自控系统的组成

计算机监控系统将实时、全面地监控各换热站运行情况，根据对热负荷的变化和预测，调节热源，按需供热，以满足全网供热热量均衡和节能的目的。监控系统由三部分组成：
（1）控制（监控）中心
本部分是供热节能系统自动控制系统的核心，通过中央监控层对全网的运行实施统一的监控，掌握和控制全系统设备的运行状态，保证供热管网或个体建筑按设定温度曲线运行。
监控管理机以组态动画的形式实时显示热源（锅炉）及供热管网的工况，并把现场的测量数据和计量数据送入数据库中。系统具有数据统计分析、趋势曲线、历史记录、数据查询、检索、事故追忆、故障报警等功能。
控制中心的设备包括监控主机，显示器，打印机，网络交换机，路由器以及系统控制软件、系统管理数据库，系统组态软件、WEB数据发布软件等等。
 
（2）热源（锅炉）数据采集和监控
采集锅炉的炉膛温度、烟道温度、出水温度、出水压力、出水流量、补水量等参数，以及设备运行状态参数，采集的数据传送到控制中心。在保证锅炉安全运行的同时，可根据管网的热力需求，适当调节燃气量，控制锅炉的热能输出，达到节能的目的。
（3）换热站
在各换热站设置现场自动控制单元，实现运行参数、运行状态参数及故障信号等各类参数的采集：
l 采集现场一次/二次热网运行数据，包括供回水温度、供回水压力、流量、热量；
l 采集变频器转速、状态、故障；
l 采集循环水泵及补水泵工作状态、故障；
l 水箱液位监测；
l 阀门开度监测；
存储，可按多种程序设定控制模式，对站内循环泵、补水泵、电动调节阀等进行调控，确保其运行在设定范围内。值班巡检人员可通过人机界面，对站内设备进行监视、控制及操作。
本方案为水阀输出控制、变频器转速控制设计了接口预留；
GPRS无线网络保持与控制中心主机进行双向数据通讯，把供回水温度、供回水压力、流量、变频器转速、工况状态、故障、水箱液位监测、阀门开度监测等数据传送到监控中心；在联网控制状态下，换热站自控系统也可按监控中心的遥控指令和设定程序运行。
换热站控制设备主要由TPK-8000智能控制器、温度变送器、压力变送器等设备，以及嵌入式软件和人机界面软件构成。
（4）用热建筑群（或单体用热建筑）节能单元
配置自动控制单元，实现运行参数、运行状态参数及故障信号等各类参数的采集：
采集进楼供热管道的供回水温度、供回水压力、流量、热量；
采集建筑内有代表性的室温；
按多种程序设定控制模式，通过电动调节阀对进楼供热流量进行调控，确保其运行在设定范围内。值班巡检人员可通过人机界面，对站内设备进行监视、控制及操作。
GPRS无线数据传输器，把供回水温度、供回水压力、流量、阀门开度等工况数据传送到监控中心；在联网自控控制状态下，监控中心可遥控本用热系统的运行模式。
用热建筑群或单体用热建筑自动控制设备主要由TPK-8000智能控制器、温度变送器、压力变送器、电动调节阀等设备，以及嵌入式软件和人机界面软件构成。
（5）通信网络
主要由GPRS无线网、以太网服务器、路由器和相关软件构成。

3.3 监控中心的主要功能

3.3.1 设备配置

监控中心由监控机主机1台、数据库服务器1台、监控工作站（可选）、打印机等设备组成。详见监控中心设备配置表。

3.3.2 监控管理软件

本方案的上位机管理软件，采用WINDOWS环境下的通用型工控软件和编程技术，运行在基于以太网结构和TCP／IP协议的网络环境，可实现全系统联网控制。
本方案选用法国Pcvue软件，功能强大，运行环境适应广泛，带加密锁，带WEB发布功能，可实现多达50台电脑共享监控数据的功能。监测点可为无限个点。
所有的换热站通过GPRS无线通讯方式与监控中心计算机相连。若某一控制器发生故障，监控系统也可保持正常运行，而不会对整个监控网络产生不利的影响。现场控制器具有通讯功能，并且采用开放的通讯协议，具有GPRS通讯口，支持TCP/IP协议。控制器能将现场的设备运行情况传送到监控中心供分析处理，同时可接收监控中心传送的指令进行控制和调节，如控制参数的调节，并支持现场修改控制器内部数据功能。
① 供热参数实时监测：
 
 
 
本监控软件通过与数据采集站的通讯接口，将现场数据采集到实时数据库中，实时采集各换热站一次网、二次网的运行数据，包括供回水温度、供回水压力、供水流量和热量、水箱水位、补水流量、介质流向、巡检记录、循环泵启停状态、补水泵启停状态或变频器频率（阀门开度为预留参数）等参数。
② 地理信息功能
以地图方式显示整个管网的地理分布、管路管径（包括变径）、分布、走向及其阀门井室位置、阀门型号、规格等相关信息，并且实现图形化地图显示换热站、热源的工艺流程及运行参数。按地理位置点击换热站图标，可以切换到该站的动态立体管网平面图，显示所有参数，图文并茂，直观方便。
③ 故障诊断及处理
本软件可对各数据采集站及通讯线路的工作状态进行在线查询和分析，当发生故障时，产生报警信息，提示操作人员对发生故障的设备进行恢复和处理。














 
 
 
④ 运行参数、设备参数及图形显示
用图形实时显示各站设备的运行工况。图形包括系统总图、子系统图等，依照系统实际情况，在相应位置显示各点的运行参数、设备参数等详细信息。所有模拟图形具有动态显示效果。
⑤ 显示平面图
实时绘制整个热网一次网温度、压力、流量的平面棒图。便于分析全网水力平衡状态。












 
 
 
 




⑥ 报警功能
当各种运行参数超过设定范围时，以声光形式报警，提示操作人员进行报警处理。各种报警能及时在屏幕中显示，记录在报警数据库中，形成报警日志，并可对报警信息进行排序和检索，方便以后的事故分析。报警信息具有优先权。
 
 
⑦ 多级用户权限管理
系统中系统管理员具有最高权限，可以设定多级的用户权限。用户根据权限行使不同的职能。用户登录超过一定时间，可自行注销该用户登录，避免其他人员使用此权限进行系统操作。用户的一切操作过程在报警记录中以事件的形式显示，便于事故的追忆与分析。
⑧ 安全性
监控系统软件具有防止各类计算机病毒侵害的措施，并按时进行数据库的备份，防止数据丢失。系统限制用户使用系统键，任务切换键，只有系统管理员具有退出权限，保证系统连续稳定运行。

3.3.3 监控管理主机

监控管理机可进行“上位机”与“下位机”的双向通讯功能，把现场的测量数据和计量数据送入实时数据库中，实时显示供热管路和各用热用户的用热状况，同时完成报警、数据统计分析、趋势曲线、历史记录、数据查询、检索、事故追忆等监控功能，并根据数据的变化用动画的方式形象的表示出来。监控管理机可实现以下功能：
① 可对全网的供热情况和用热情况进行实时记录、历史记录、检索查询和统计分析，并可自动生成多种管理和统计报表，自动完成贸易结算，进一步提高了供热管理的工作效率（具体要求见附后的报表说明）。
② 可实时完成网损热量的计算、统计和记录，并根据用热量的状况分摊网损热量，实时热损计算也为及时发现管网泄漏提供了有效的监测手段。
③ 根据各换热站实际供热面积和供热量，实时计算单位热值和单位电耗等重要指标，当设定值超标时，系统发出声光警示，可保证系统高效节能。
































④ 长时间、大容量、标准化的数据记录，可实时查询近3年来的各项历史数据，通过备份可查询十年的数据，为供热系统运行过程的优化和对供热网运行的经济性进行综合成本分析提供大量的原始数据和信息。
④ 事故报警记录和追忆功能
对于所有监测点的温度、压力、差压参数可作周期的记录，并且自动记录各监测点的各种异常状况（停电、停汽、通讯中断、仪表故障、超限报警等），对监测点及通讯线路的工作状态进行在线查询和分析，当发生故障时，产生报警信息（可以语音、动画闪动等方式实现），提示操作人员对发生故障的设备进行恢复和处理。以备工况和事故分析时使用，也为热网的严格管理提供依据。

3.3.4 系统组态功能

监控管理机采用通用工控组态软件为用户进行系统的二次开发和扩展提供了冗余和良好的开发平台，同时在各采集点掉电后，数据仍然保持掉电前的状态。
可完成下列报表的统计、数据保存及报表打印
① 日数据文件
② 日报表
③ 月数据文件
④ 月报表
⑤ 热费统计表
（其中热费统计表输出的项目有：累计供、回水流量、累计热量、单价、用热金额、不回水金额、总金额。完全满足统计用户每月用热应交费用的功能。）
⑥ 热损统计表
⑦ 季报表（同月报表，只是相应的各项为该季度统计值。）
⑧ 年报表（同月报表，只是相应的各项为该年的统计值。）
⑨ 分析表（此表供报表管理人员使用，具体内容由管理人员填写）。

3.3.5 人机界面的特点

² 系统提供用于操作数据和非正常情况有效地通讯的操作界面，操作界面在Windows NT或WINDOWS XP环境中运行。在不同的运行环境中，该界面保持一致的外观。
² 该界面是交互的，全图形化的和基于图标的。
² 为减少操作人员的培训，该界面是基于视窗的形式。为使常用的操作简单易行，标准显示画面和用户定义画面上具有标准的工具条图标和下拉式菜单。
² 系统提供HELP文件来帮助指导操作人员。
² 操作界面以局域网方式与系统服务器连接。
通过操作员界面，操作人员可以实现以下功能：
² 显示控制现场设备、了解报警信息及其优先级、启动报表打印、事件记录及存档、改变口令、在线生成数据库和彩色显示画面、监测通讯通道、系统参数组态。
² 系统的标准显示画面包括：报警摘要显示、事件摘要显示、点细节摸板显示、分组控制和分组趋势摸板显示、通讯状态显示、系统状态显示、操作员绘制画面显示。
系统状态显示包括：
² 未被认知的报警点、已被认知的报警点、通讯故障、打印机离线。
管理显示画面包括：总貌画面显示、分站流程图画面显示、报警摘要显示、事件摘要显示、控制调整画面显示、趋势画面显示、报表画面显示、通讯状态显示等。
² 系统状态显示包括：未被认知的报警点、已被认知的报警点、通讯故障等。

3.4 各换热站的设备功能

换热站的数据传输和自动控制系统,由TPK-8000智能控制器、现场显示操作器、GPRS 通讯设备，以及原有的温度传感器、压力传感器、热能积算仪等设备组成。远程终端站通过现场的传感器和仪表采集换热站的运行数据，经现场TPK-8000智能控制器的程序处理，再由GPRS 通讯设备将各种数据上传至到监控中心。如果换热站升级为联网自动控制，监控中心可对换热站进行远程监视和控制操作。可对循环泵、补水泵、电动调节阀等进行调控，确保其运行在设定范围内。

3.4.1 数据采集

数据采集由供热站的温度变送器、压力器变送器、热能积算仪、TPK-8000智能控制器、数据接口转换器等设备组成。实现对现场一次/二次网运行数据，包括供回水温度、供回水压力、流量、热量；采集变频器转速、状态、故障；循环水泵及补水泵的工作状态、故障；补水压力、水箱液位监测、阀门开度监测数据的采集。

3.4.2 TPK-8000智能控制器

TPK-8000智能控制器的功能是根据设定的程序，对现场采集的一次/二次网运行数据进行处理。包括供回水温度、供回水压力、流量、热量；采集变频器转速、状态、故障；循环水泵及补水泵的工作状态、故障；补水压力、水箱液位、阀门开度监测数据等。把汇总处理的数据通过 GPRS DTU 上传给监控中心。
当设定在自控状态时，TPK-8000智能控制器根据自动控制程序或监控中心的遥控指令，控制水泵电机的启停、水泵电机的转速及阀门开度，使供暖温度保证在设定值内。
当供回水温度、压力、流量、热量、变频器转速等数据出现异常，设备状态出现异常或发生故障时，TPK-8000智能控制器根据预置的程序发出声光报警讯号，同时，通过 GPRS DTU 上传给监控中心，提示值班人员及时处理。

3.4.3 触摸式操作显示屏

一体化触摸屏以组态图方式显示设备工况、显示采集的所有温度、压力、流量以及设备运行状态数据。同时也可以按多种设定的程度模式控制水泵启停、水泵转速、水阀开度，实现分温、分时、分区供热智能化。

3.4.4 GPRS无线数据传输器

GPRS无线数据传输器基于ARM（高级RISC微处理器）平台、嵌入式操作系统，内置工业级GPRS无线模块；提供标准RS232/485数据接口；支持（多）点到多中心应用。
通过中国移动或中国联通无线网络，GPRS无线数据传输器以短信通讯方式，有效地实现换热站设备数据与控制中心的指令的双向透明传输。
GPRS无线数据传输系统易于搭建，不受距离限制。同时，GPRS无线数据传输系统具有通讯中断后重新恢复功能和重要通讯参数保护存储等功能，使得通讯网络系统运行更加可靠。

3.5 供暖节能自动控制系统的设备配置

监控中心的设备配置表

序号	设备名称	设备功能描述	数量
1	工控机	CPU 酷睿2，内存 4G，硬盘320G，17寸液晶显示器	1套
2	数据库服务器 兼作WEB SERVER 网络发布	CPU 酷睿2，内存 4G，硬盘320G，17寸液晶显示器 可在办公网络发布热网数据	1套
3	工作站（可选配）	DELL CPU 酷睿2双核，内存 2G，硬盘320G ，DVD刻录，三星21寸液晶	可选多套
4	路由器	4个端口	1个
5	打印机（可选配）	喷墨打印机或激光打印机	可选
6	组态软件		1套

4 热网监控系统解决的问题和产生的效益

供热管网自动控制系统可以保持能耗的动态跟踪，控制热能供需平衡，从而实现节省热能、电能，节省与此相关的人力、物力费用，有效地解决下列问题：
（1）按需供暖，解决了热网运行失调现象，实现了热网平衡运行，大大提高了供热效果。
（2）起到了节能降耗的作用，换热站根据室外温度的变化，自动调节供水温度，从而最大程度的节约了能耗，并且提高供热的服务质量。
（3）热网监控中心的数据与现场数据保持同步，管理直观高效，节省大量的人力、物力。
（4）通过对补水量的监控可及时发现“偷汽”、“偷水”和跑漏汽水现象，减少这类浪费和热能损失。
（5）通过仿真系统对热网进行水力、热力计算，热网的控制运行分析，使热网达到最优化运行，利用故障诊断、能损分析了解管网保温、阻力损失情况，设备的使用效率，使热网的管损达到最小值，以达到最经济运行，通过历史数据和实时数据的比较，分析管网是否存在泄露，设备是否需要维修，以达到最安全运行。
（6）综合节电在30%以上，节煤效益在10%左右。供热质量大幅提高，因不热造用户投诉率显著下降30%，热费上缴率已达95%。
（7）热网平衡调节简单易行。解决了多年存在的热力站间强耦合造成全网调难、
周期长的难题，实现了各热力站循环水流量之间的解耦运行，把传统的一次网平
调节方法——“牵一发动全身”的调节方法改变成为“各热力站可以独立操作互
干扰” 的调节方法。