基于GPRS 无线通信的供热节能监控系统1

基于GPRS无线通信的供热节能监控系统1

张祖辉，齐维贵，陈烈

哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨（150001）

E-mail: arhui7803@163.com

摘 要：为了改善供热效果，提高系统的热能利用率，本文给出基于GPRS(General Packet Radio Service)的供热控制系统设计方案，实现监测、控制、管理等功能。根据供热对象特点制定供热控制系统的总体方案，分别从硬件和软件两方面详细阐述系统的构成，通过在某热力站进行试运，得到该节能监控系统投入运行后的节能率，验证其节能效果。 关键词：集中供热；供热监控系统；供热节能；GPRS无线通信 中图分类号：TM921.2

1. 引言

近年来，我国一些区域供热系统中已安装自动控制设备，可实现自动控制[1]。但由于我国供热系统管理运行跟不上供热规模的发展，许多供热系统仍处于手工操作阶段，从而影响了集中供热优越性的充分发挥[2]。为了改善供热效果，提高系统的热能利用率，实施供热系统自动控制是必然的发展趋势[3]。但是，目前集中供热中热网自控系统设计中还存在一定的问题，大部分热力站控制系统主要采用DCS控制系统，未实现全分布式结构[4]。随着供热行业的发展，对供热控制系统的控制精度、实时性和可靠性等有了进一步的要求，必然引入全分布数字系统。而热力站又是热源与热用户的连接场所，其作用是将热网输送的热媒加以调节、转换，向热用户分配热量以满足用户需求。开发先进热力站节能监控系统对提高供热系统的管理水平、节约能源和提高供热质量具有重要意义。

基于供热系统自动控制的发展趋势以及开发先进热力站节能监控系统的重要性，本文给出了供热监控系统的硬件总体方案。根据系统设计要求，采用典型三层网络结构：现场控制层、上位监控管理层和远程监控层。然后分别对这三层结构进行功能规划和软硬件设计，以实现供热监控系统监测、控制、管理等功能。

2. 供热监控系统的硬件设计方案

2.1系统设计原则

系统设计遵循“先进性、实用性、可靠性和可扩展性”的基本原则，以提高自动化管理水平和节能增效为目的，采用模块化结构设计，便于系统增容、扩展、运行及维护[5]。

2.2供热监控系统的结构分析

根据系统设计要求，整个供热监控系统采用典型三层结构：现场控制层、上位监控管理层和远程监控层。其中现场控制层与上位监控管理层通过GPRS无线通信方式连接，上位监控管理层和远程监控层通过Ethernet和Internet网络连接而成。各层网络结构与功能规划如下：

(1) PLC作为监控系统的现场智能节点，内置控制程序，可从现场仪表接收采样信号和向执行器发送控制信号，并通过与GPRS RTU向上位监控管理层进行无线通信。

(2) 上位监控管理层是由作为服务器的监控中心主控机和局域网内其他若干台PC组成。 1

本课题得到国家“十一五”科技支撑计划重大项目“建筑节能关键技术研究与示范”（项目编号：

2006BAJ01A04）资助。

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实现监测供热数据和向下发送控制参数设置、供热调度等指令，完成现场工况显示、历史数据保存、报表打印及控制系统的管理等功能。

(3) 远程控制级基于Client/Server/Database三层结构系统，使现场采集的数据通过主控机服务器向远程用户PC机上发布。客户端在对现场的各个参数的进行实时监测的同时，也可在线地修改参数，实现远程控制。

供热监控系统的结构如图1所示。

图1 监控系统硬件结构图

Fig. 1 Monitoring and control system hardware structure

3. 热力站PLC控制器的设计

3.1 PLC与热力站现场设备硬件连接

本系统中热力站现场控制器主要由艾默生EC20系列PLC，液晶触摸屏等构成。PLC的I/O端口与热力站现场温度、压力、流量变送器，电动调节阀，变频器相连。该控制器对热力站运行工况进行实时监控，并对一级网供水阀门、二级网循环水泵变频器、补水箱阀门等进行控制。热力站控制器与现场设备连接如图2所示。

图2 热力站控制器与现场设备连接结构图

Fig. 2 Connection structure of heating station controller and field devices

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3.2 PLC与热力站现场设备硬件连接

热力站PLC控制器基本功能详细规划如下：

(1) 供热工况监测。对换热站一、二级网供回水温度、供回水压力、流量，室外温度进行实时检测、显示。

(2) 数据通讯功能。向调度室监控中心发送检测到的各项数据，并接受监控中心下达的各项指令。实现热力站与监控中心间的远程数据通讯。

(3) 故障报警及处理。对温度、压力、流量超限等各种异常情况进行报警和实时处理。 (4) 供热负荷的控制。根据监控中心下达的负荷预报参数，采用解耦程序对其进行解耦，采用PID算法对二级网流量进行控制，采用预测控制算法对二级网温差进行控制。

(5) 补水泵的控制。根据二级网管网内定点的压力变化补充系统的水量，使热水管网在设计工况下运行。

热力站供热过程PLC质调、量调回路的控制图如图3所示，其中量调回路采用PID算法调节，质调回路采用预测控制算法调节。

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图3 PLC质调、量调回路控制图

Fig. 3 Control structure of quality-adjust and quantity-adjust loops in PLC

3.3 PLC程序设计

热力站现场PLC在启动后，用户程序按下列步骤循环执行：(1) 进行参数初始化程序，分别对系统累加器、定时器等功能块进行初始化；(2) 进行模拟量采集，对要求被控制的参数按照一定的时间间隔进行采集，并对采样值进行滤波；(3) 调用相应的标度化程序对采集的参数进行标度化处理，使从外界采集到的实际工程数据转换成PLC内部可以直接使用的数据；(4) 依次调用二级网温差控制子程序、二级网流量进行控制子程序、补水箱控制程序得到热力站各执行机构的控制值；(5) 调用负荷实测程序，得到负荷值，并对供热量进行累加计算；(6) 启动报警控制程序，对过程参数的越限情况进行报警，并执行相应的故障处理。

4. 监控中心软件设计及远程访问

4.1监控中心软件架构

调度室监控中心软件的整体架构如图4所示。供热监控中心软件是以力控组态软件的实时数据库为核心，实时数据库负责和I/O调度程序的通信，获取控制设备的数据，同时作为一个数据源服务器在本地给其它程序如界面系统VIEW等提供实时和历史数据。监控中心通过I/O驱动程序的CommBridge扩展组件与热力站现场PLC进行GPRS无线通信，通过网络服务程序(NetServer)与远程客户端进行数据通信。

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图4 监控中心软件架构图

Fig. 4 Structural diagram of monitoring center software

4.2监控中心软件功能规划

调度室监控中心软件界面有用户登录界面、热力站供热工艺流程界面、供热参数显示、报警显示界面、报表打印界面、实时趋势、历史趋势界面和参数设定界面等。监控中心软件实现的功能主要：(1) 供热工况监测：对换热站一、二级网供回水温度、供回水压力、流量等重要参数进行显示。现场供热数据以直接显示、趋势图和在线表格三种形式显示在图形界面上；(2) 供热参数设定：包括现场阀门开度、变频器频率、负荷值等现场变量的直接设定和控制回路中控制参数设定；(3) 数据归档：数据库供热数据通过变量记录编辑器进行短期归档，而对一些重要参数(如负荷值)和统计量(如供热量、流量等)进行长期归档；(4) 报警记录：当系统运行过程中参数超限，提供实时报警。此外用户可通过历史报警表观察历史报警记录信息，并能打印报警记录；(5) 报表打印：能实现班报表、日报表、月报表的显示与打印。

4.3基于C/S架构的远程访问

本系统采用C/S结构架设远程访问，使远程客户端能够共享监控中心的数据库。计算机组网的C/S架构具有专用性、交互性强，存取数据安全及网络通讯量大、速度快等优点。力控监控组态软件针对TCP/IP协议网络（不论是局域网或是广域网，Intranet还是Internet）提供了两个网络服务程序NetClient和NetServer，用于完成客户端和服务器端的网络通讯功能，由于两者间的通信是批量数据发送，数据变化传输，因此通讯效率高，适合远程监控。

4.4监控中心与现场控制器的GPRS无线通信

本系统中热力站与热力站之间、调度室与各热力站之间距离间隔远，采用无线GPRS方式进行数据通信。GPRS(General Packet Radio Service)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接，适用于突发性的、频繁的、少量的数据传输。

本系统采用力控6.0的CommBridge组件通过GPRS网络与I/O设备进行数据通信。由于GPRS网络适合于间断的、突发性的数据传输或频繁的、少量的数据传输，而不适于频繁的、大量数据传输。在实现中心站与多个DTU通信时，由于CommBridge对每个DTU采用了单独的信道管理与数据缓冲区管理，数据收发控制采用并发处理算法，因此通信效率不会因DTU数据量的增加而受到影响。监控中心实时数据库采集数据的流程如图5所示。

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图5 GPRS无线通信方式数据采集流程

Fig. 5 Data collection process with GPRS wireless communication

5. 热力站监控装置现场调试及节能效果分析

热力自动控制系统节能率测试是对实施自动控制前后的能耗进行分析，比较方式为连续运行4个工作日，每日从7:00～19:00，每2小时进行手动和自动切换。其中手动方式按热力站气温-供暖温度参考表进行调节，自动方式按本文的节能策略进行控制。节能率η：

η=

Q1−Q2×100% Q2

式中，Q1为自动控制时的供热量；Q2为手动控制时的供热量。

4个测试日供热量记录及节能率换算分别如表1、表2所示。

表1 不同时段供热量

Tab. 1 Heating load in different time period 供热量 日 期(MJ) 时 段 第1日 第2日 第3日 第4日 7:00-9:00 93866.58 87873.14 68737.86 61827.09 9:00-11:00 83390.67 96171.89 75050.14 52960.71 11:00-13:00 86201.06 81335.13 65511.98 58483.13 13:00-15:00 81303.94 80199.28 74662.17 51367.94 15:00-17:00 95560.56 74979.84 67656.81 60605.69 17:00-19:00 83671.14 86867.26 81271.97 53345.29

表2 节能率表 Tab 2 Energy saving rate 日 期 计 算 手动供热量(MJ) 自动供热量(MJ) 当日节能率 平均节能率

第1日 第2日 第3日 第4日 275628.2 263238.4 230984.3 180915.9 248365.8 244188.1 201906.7 157673.9 9.89% 7.24% 12.59% 12.85%

10.64%

经过4天的测试可知平均节能率为10.64%。应用热力站节能控制装置后节能效果显著。

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6. 结论

基于目前集中供热中热网自控系统设计中还存在的问题，本文给出了一种基于GPRS无线通信的供热节能监控系统，以求提高供热系统的热能利用率。首先，硬件上采用艾默生EC20系列PLC等构成底层热力站现场控制器，通过对PLC进行程序设计和现场设备的硬件连接实现供热过程质调和量调的单回路控制；其次，监控中心软件采用力控组态软件的实时数据库为核心，实时数据库负责和I/O调度程序的通信，获取控制设备的数据等，其中监控中心和现场控制器之间采用可提供端到端的、广域的无线IP连接得GPRS无线通信，取得比较好的通信效果；同时，本系统采用C/S结构架设远程访问，使远程客户端能够共享监控中心的数据库；最后，通过在该监控系统上进行实验，并对手动调节和自动调节两种模式下的能耗进行计算，求得本监控系统的节能率，验证了设计的热力站节能控制装置的节能效果。

参考文献

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Heat Supply Monitoring System Based on GPRS Wireless

Communication

ZHANG Zu-hui, Chen Lie, QI Wei-gui

Department of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin

(150001) Abstract

In order to improve the heating effect and raise the heat energy utilization rate of thermal heating system, this paper gives a GPRS(General Packet Radio Service)-based heating control system design, which realizes the monitoring, control, management and other functions. First of all, in accordance with the actual situation of heating spot the overall program of the heating control system is drawn up, and then system components is expounded in detail from both hardware and software, and finally in order to ensure system stability and reliability the dual redundancy is done.

Keywords: Central heating; heat supply monitoring system; heat supply energy-saving; GPRS wireless communication

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