【摘要】：本文主要闡述供熱公司熱網與熱源（高溫水鍋爐）聯(lián)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能全面的預測供熱負荷，并將預測到的負荷通過通訊網絡傳送到鍋爐控制中心與調度監(jiān)控中心，鍋爐控制中心根據所預測的負荷及氣象數據自動的調節(jié)鍋爐的燃燒表與鍋爐投入的臺數，從而實現全網自動化節(jié)能運行控制。本文以本人對當地濱海新區(qū)永利供熱公司的實地考察、學習為依據，以該廠的6臺80T高溫熱水鍋爐為例進行詳細介紹。

【關鍵字】：負荷預測 鍋爐聯(lián)動 控制系統(tǒng) 控制器 通訊網絡 一級監(jiān)控中心 二級監(jiān)控中心 多層次網絡 無人值守熱力站 GPRS通訊 Profibus 工業(yè)以太網 千兆以太網 SCADA監(jiān)控

一、概述：

隨著我國加入世界貿易組織，國外先進的技術和設備如雨后春筍在我國各行各業(yè)中得到大力應用，整體工業(yè)和制造水平都朝著自動化控制、節(jié)能降耗、提高產量方向發(fā)展，我國整個工業(yè)進入了自動化控制時代。

我國是一個冬季采暖大國，供熱所需的能耗（電力、煤炭）巨大，如何能在居民所能接受的室溫范圍內，減少供熱公司運行成本、節(jié)省耗能是各供熱公司努力的方向。目前每個供熱公司根據自己的實際硬件配置都有不同的對策，而對于有大型熱源又有直接熱用戶的供熱企業(yè)來說，熱網全負荷預測與鍋爐聯(lián)動控制系統(tǒng)將是最為先進、科學、節(jié)能顯著的運行方式。

熱網全負荷預測與鍋爐聯(lián)動控制系統(tǒng)是指通過熱網負荷預測程序預測到整個熱網的總負荷，由控制程序自動的調節(jié)熱源鍋爐的燃燒比、鍋爐投入的臺數以滿足熱網的所需，各級無人值守換熱站將根據所處的區(qū)域特性自動測量室外溫度和用戶溫度進行優(yōu)化供熱，并將運行狀態(tài)和各種測控數據傳輸到遠控中心和鍋爐控制中心，整個系統(tǒng)通過GPRS、互聯(lián)網、工業(yè)以太網、Profibus總線構成，實現了全網自動化集成控制。

二、本系統(tǒng)組成：

本系統(tǒng)屬于一個大型企業(yè)級SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，分別由外網訪問層、供熱公司監(jiān)控層、鍋爐房控制層、無人值守換熱站點等組成，各部分分別實現以下功能：

2.1外網訪問層：由10M光纖專線接入，固定IP，負責接收和發(fā)送數據，本層實現三個功能：

2.1.1傳輸GPRS數據：接受來自各個無人值守換熱站的監(jiān)控數據，并將運行決策和設定數據下載到換熱站。

2.1.2接收氣象數據：接受來自氣象局的實時氣象信息，系統(tǒng)將氣象數據傳輸給負荷預測程序。

2.1.3外網監(jiān)控發(fā)布：將本系統(tǒng)運行站點發(fā)布到全球互聯(lián)網上，只要是供熱公司授權的用戶，可以在全球任何地方查看本系統(tǒng)，并支持手機瀏覽。

2.2供熱公司監(jiān)控層：本層設置在供熱公司辦公大樓，分別由運行保障部、調度運行管理中心、經理監(jiān)控室三部分組成，供熱公司監(jiān)控層為一級監(jiān)控中心。

2.2.1運行保障部：由兩臺計算機組成，在該部門運行技術人員能實時同步的監(jiān)控鍋爐房、無人值守站的運行情況，能查看打印曲線、報表，能閱讀本系統(tǒng)的故障信息，并能提供指導性的維護計劃，幫助維修工程師對本系統(tǒng)進行維護。

2.2.2調度運行管理中心：由6臺計算機和一臺大屏幕電視墻組成，調度運行管理中心是本SCADA監(jiān)控系統(tǒng)最核心層，擁有最高的操作權限：一號計算機負責web數據發(fā)布，二號計算機為監(jiān)控層服務器主機，三號計算機為大屏幕控制服務器主機，四號計算機為鍋爐監(jiān)控直連監(jiān)控主機，五號計算機為無人值守換熱站監(jiān)控主機，六號計算機為綜合監(jiān)控主機，能分別監(jiān)控和實現1-5號計算機的功能，也屬于熱備機。大屏幕電視墻由三號計算機實時控制，可以滾動切換各監(jiān)控畫面，包括（三維仿真圖像、曲線、棒圖、數據分析表、運行報表、負荷預測數據、無人值守站遠傳數據、鍋爐運行數據）。

2.2.3經理監(jiān)控室：本站由一臺計算機組成，在本站可以看到與監(jiān)控中心相同的界面和數據，但不支持控制，在本站可以查看包括（三維仿真圖像、曲線、棒圖、數據分析表、運行報表、負荷預測數據、無人值守站遠傳數據、鍋爐數據），并能打印。

2.3鍋爐房控制層：本層設置在供熱公司熱源動力處（鍋爐房），分別由鍋爐房主管監(jiān)控室、鍋爐監(jiān)控總服務器、一至六號鍋爐監(jiān)控客戶端、全網負荷預測主機等組成。鍋爐房監(jiān)控中心為本系統(tǒng)二級監(jiān)控中心。

2.3.1鍋爐房主管監(jiān)控室：由兩臺計算機組成，設置在鍋爐房經理室和司爐主管辦公室，本工作站只能閱讀無人值守換熱站數據，無控制權限，但是具有一號至六號鍋爐監(jiān)控的所有權限，在本站，鍋爐房主管可以直接設定運行數據、參與鍋爐運行參數調整、鍋爐啟動控制、負荷調整等功能，在本站進行調整后，數據將在10ms內同步到鍋爐房監(jiān)控主平臺，100ms內同步更新到一級監(jiān)控中心（供熱公司監(jiān)控層）監(jiān)控層。

2.3.2鍋爐監(jiān)控總服務器：負責與六臺S7300控制器進行通訊，上位機監(jiān)控軟件采用wincc6.0，本站是直接與鍋爐控制器S7300唯一連接的站點，所有發(fā)送給鍋爐的控制指令都要匯聚到本站由wincc發(fā)送給各鍋爐控制器，本站是鍋爐控制最為核心的主機。

2.3.3鍋爐監(jiān)控客戶端：客戶端由六臺計算機組成，分別實現每臺鍋爐對應一個計算機操作站點，操作查看方便、安全，所有監(jiān)控畫面、數據都來自鍋爐監(jiān)控總服務器，這六臺客戶端在服務器關閉的情況下是不能工作，只是無盤工作站，這樣的設計減少了系統(tǒng)維護量，并提高了系統(tǒng)的安全等級。

2.3.4全網負荷預測主機：本主機接受各換熱站數據、接受來自氣象臺的氣象數據、并測量各點的室外溫度、檢測計算鍋爐總發(fā)熱量，預測未來5-24小時本熱網所需的最大熱量。

2.4熱網全負荷預測與鍋爐聯(lián)動控制系統(tǒng)圖。

系統(tǒng)流程圖

三、多級別多層次網絡通訊系統(tǒng)

供熱全網負荷預測與鍋爐聯(lián)動控制系統(tǒng)是一個大型且實時性要求極高的控制系統(tǒng)，通訊網絡也較為復雜，本系統(tǒng)由無人值守站點（第一層無線網絡）、現場控制層（第二層Profibus-DP網絡）、鍋爐房監(jiān)控層（第三層工業(yè)以太網）、供熱公司監(jiān)控層（第四層千兆以太網）共分四層網絡組成。

3.1第一層無線網絡：由100臺宏電GPRS工業(yè)無線數據通訊模塊組成，GPRS通訊串行口與PLC建立起通訊連接，通訊協(xié)議為標準ModbusRTU格式，無人值守換熱站屬于最低級別從站，數據的請求發(fā)送、設定都是由監(jiān)控中心多任務調度程序進行巡檢呼叫完成，在主站不呼叫從站時，不占用通訊資源，這樣可以減少運行時GPRS無線流量費用，GPRS無線信號由移動數據中心處理并轉發(fā)至一級監(jiān)控中心5號計算機（無人值守換熱站專用計算機），由5號計算機負責建立通訊轉發(fā)和命令下達，完成100臺換熱站的統(tǒng)一調度和管理。

3.2第二層Profibus-DP網絡：第二層網絡為熱源及鍋爐控制的核心低層網絡，此網絡的實時性和可靠性是最高的，此網絡采用西門子公司最為先進的Profibus-DP網絡，全套設備全部由西門子提供，鍋爐控制器為6臺S7300-315DPPLC，每臺鍋爐都有一臺獨立的控制器和相應的配電、傳感器、驅動系統(tǒng)，彼此之間相互獨立，這6臺PLC通過Profibus-DP網絡以12M的速度與鍋爐控制總服務器通過CP5611卡連接，鍋爐控制總服務器上運行著512K西門子wincc組態(tài)軟件。

3.3第三層工業(yè)以太網網絡：工業(yè)以太網是指具有10/100M自適應傳輸速率，冗余24VDC供電，最大網絡重構時間為0.3秒，具有通訊故障診斷和斷線診斷功能，能實時斷網重構的高實時型網絡，本段網絡設備采用西門子公司ProfiNET網絡、網絡交換機、專業(yè)網線。第三層網絡主要實現了6臺客戶端操作員站與鍋爐控制總服務器之間的通訊，同步監(jiān)控，鍋爐房管理層監(jiān)控、同步監(jiān)控等使用。

3.4第四層千兆以太網：千兆以太網是整個供熱公司辦公大樓中的主干網絡，分別由二級千兆DLINK交換機、企業(yè)級路由器、硬件防火墻組成，二級網絡交換機（供熱公司辦公樓）與第三層工業(yè)以太網交換機（熱源動力鍋爐房）之間采用光纖連接，第四層網絡數據交換量最大，除監(jiān)控中心內部使用外，本網段負責web發(fā)布，支持手機遠程監(jiān)控，接收移動中心CPRS無人值守換熱站數據。

3.5本系統(tǒng)網絡結構圖：（見最后一頁）

四、全網負荷預測的方法

供熱全網熱負荷預測是指對供熱公司所供熱的面積耗熱量進行科學的統(tǒng)計、歸檔，并以科學經濟的曲線繪制出所供熱轄區(qū)內對總熱量的需求，以預測到熱網總需熱量數據，合理調配熱源動力鍋爐所生產的熱量，鍋爐DCS控制系統(tǒng)能調整鍋爐負荷和臺數，達到整個系統(tǒng)的協(xié)調、節(jié)能、經濟運行。

4.1總熱量統(tǒng)計：各換熱站每天統(tǒng)計本站點24小時內的供熱總量，并在當日零時將本站總熱量通過GPRS信號傳送到供熱公司調度中心，由調度中心5號計算機中的熱量需求統(tǒng)計軟件統(tǒng)一匯總，并繪制出各站點的24小時熱量走向圖，匯制出總體換熱站總熱量走向圖，計算出24小時內所有換熱站的耗熱總量，并同步將計算數據傳輸至二級網絡負荷預測主機。

4.2接收氣象局氣象信息：熱網調度管理中心5號計算機能實時獲取國家氣象局當前和未來10日的本地氣象數據，由5號計算機將氣象溫度進行存儲，繪制成氣象實時曲線和未來溫度變化曲線報表，并同步傳輸至二級網絡負荷預測主機。

4.3采集當前室外溫度：熱網調度管理中心獲取三個分別安裝在熱源動力鍋爐房處、供熱公司辦公樓2米和40米位置處的三個室外溫度傳感器，并將這三個室外溫度傳感器所測量的值存儲，繪制成歷史曲線和實時曲線，并同步傳輸至二級網絡負荷預測主機。

4.4確認未來5-24小時熱網所需的總熱量：由二級網絡負荷預測計算機計算未來5-24小時內本供熱企業(yè)所需的總熱量，計算軟件在數據庫中提取前一天的熱網總負荷數據、提取所對應的氣象數據、提取平均室外溫度，通過取溫算法確定基本熱量需求，計算程序提取未來24小時氣象數據所對應熱量補償表，提取當前室外溫度所對應的熱量補償表，由預測程序進行優(yōu)化計算，最終確認出未來5-24小時內熱量的總需求量，并將此量下發(fā)到熱源動力鍋爐控制中心和傳送到一級監(jiān)控中心熱網調度中心。

五、無人值守換熱站的運行與管理

無人值守換熱站是指整個換熱站全天24小時自動運行，控制系統(tǒng)能自動調節(jié)熱負荷，調節(jié)供水流量與壓力，自動對系統(tǒng)補水，自動采集熱力站各個點的參數，并將參數通過GPRS通訊網絡傳送到供熱公司中央監(jiān)控調度中心，并能接受來自中央監(jiān)控調度中心的控制指令的站點，全天候運行無人員值班。

5.1無人值守熱力站自控系統(tǒng)組成：無人值守站控制系統(tǒng)由S7200系列小型PLC、GPRS通訊設備、10寸真彩色人機界面、熱量調節(jié)電動閥、超壓安全保護閥、循環(huán)水泵變頻柜、補水泵變頻柜、現場溫度、壓力、流量等傳感器構成一個獨立的自動控制小系統(tǒng)，完成本站點自動調溫，調壓工作。

5.2無人值守熱力站監(jiān)控參數

1）一次網供水溫度、壓力、流量（熱量）；

2）一次網回水溫度、壓力；

3）一次網供水電動調節(jié)閥；

4）二次網供水溫度、壓力；

5）二次網回水溫度、壓力；

6）室外溫度；

7）循環(huán)水泵、補水泵的啟動/停止；

8）循環(huán)泵、補水泵運行狀態(tài)；

9）循環(huán)泵、補水泵的頻率控制與反饋；

10）熱力站漏水檢測報警。

5.3二次網供水溫度控制：二次網供水溫度（供給居民用戶的熱水）控制在本系統(tǒng)中集成了三種溫度調節(jié)方式：第一種為預設定溫度曲線調節(jié)方式；第二種為固定供水溫度調節(jié)方式；第三種為分時間段恒溫控制方式，并帶有獨立手動操作機構。這三種程序在實際使用中，根據不同的熱用戶由監(jiān)控中心遠程進行選手則，也可以在本地進行選擇。

5.3.1溫度曲線調節(jié)方式：由監(jiān)控中心根據負荷預測值和未來1天的氣象數據計算出16段室外溫度與供水溫度對應的曲線，并將計算出的結果遠程設定并下載到部分換熱站，換熱站控制器檢測二次網供水溫度和室外溫度，自動調節(jié)一次網的閥門開度，從而調節(jié)了二次網的供水溫度，以保證二次網溫度在調節(jié)曲線范圍內達到最有效的節(jié)能運行。換熱站控制器自動接收監(jiān)控中心的統(tǒng)一室外溫度，如果控制器在1小時內接收不到最新的下發(fā)室外溫度，將自動切換到本地室外溫度傳感器上進行采集。

溫度曲線調節(jié)方式

5.3.2固定供水溫度：固定供水溫度調節(jié)方式是指在遠控中心為熱力站控制器下發(fā)一個固定的二次供水目標溫度，控制器自動將實際二次供水溫度調節(jié)到所設定的固定溫度值范圍內的一種供熱方式，此種方式供水溫度一直恒定，不根據室外溫度變化而變化。我公司中有十幾個換熱站采用固定供水溫度調節(jié)方式供熱，這些換熱站需采取固定供水溫度控制，是由供熱公司運行層根據客戶特性進行決定的，如寫字樓、大型公共建筑比較適合固定供水溫度運行方法。

5.3.3分時間段恒溫：本方式支持在不同的時間段修正固定供水溫度和曲線，這樣控制系統(tǒng)會生成一個更為節(jié)能的運行曲線，分時段恒溫也可以獨立運行，可以每天設置6個時間段，每個時間段對應一個不同溫度，當時鐘到達時區(qū)時，本時區(qū)相對的供水溫度會成為目標二次供水溫度，有部分換熱站采用分時間段恒溫供熱方式，大部分為學校。

分時段恒溫曲線

5.4循環(huán)水泵控制：循環(huán)水泵能分別在熱力站或遠程監(jiān)控中心進行啟?？刂?，并支持遠程故障復位，設定目標供水壓力。在本系統(tǒng)中，熱力站循環(huán)泵都設置為一用一備，二用一備，三用一備等模式，當在運行中的循環(huán)泵發(fā)生電氣故障、變頻損壞后，備用變頻泵會自動投入運行。循環(huán)泵采用PID閉環(huán)定二次供水壓力。

5.5補水泵控制：補水泵能分別在熱力站遠程監(jiān)控中心進行啟?？刂?，并支持遠程故障復位，設定目標補水壓力。在本系統(tǒng)中，熱力站補水泵為一用一備，當在運行中的補水泵發(fā)生電氣故障、變頻損壞后，備用變頻泵會自動投入運行。補水泵采用PID閉環(huán)定二次回水壓力。

5.6緊急手動控制：各熱力站溫度控制閥、循環(huán)水泵、補水泵都備有電氣手動控制按鈕，在自動失靈時可通過人為操作對設備進行控制。

六、鍋爐聯(lián)動控制系統(tǒng)

鍋爐聯(lián)動控制系統(tǒng)是指鍋爐房二級監(jiān)控中心，DCS控制器根據全網熱負荷所預測的總熱量數據來調節(jié)鍋爐燃燒率和鍋爐自動投入和自動切除的一套控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)也是一個獨立的鍋爐DCS控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)能使鍋爐房減少運行人員，能根據負荷預測進行調整總發(fā)熱量，實現經濟、高效、可靠的運行。

6.1控制系統(tǒng)的組成：該控制系統(tǒng)由6臺鍋爐燃燒DCS控制柜、6套S7300315-2DPCPU、1臺wincc服務器站、6臺客戶端操作員站、6臺375KW引風變頻控制柜、6臺160KW鼓風機變頻控制柜、12臺7.5KW爐排電機變頻控制柜，18臺75KW變頻循環(huán)水泵、100只測溫測壓傳感器組成的大型DCS監(jiān)控系統(tǒng)。

6.2基本監(jiān)控參數

每臺鍋爐S7300PLC測量以下點位

6.3鍋爐負荷調節(jié)：鍋爐的啟動停止控制分別可以在二級監(jiān)控中心鍋爐監(jiān)控總服務器上進行操作，也可以在1-6號操作員終端上進行操作，鍋爐的運行分別由獨立調節(jié)，負荷預測聯(lián)動調節(jié)兩套程序組成。

6.3.1獨立調節(jié)程序：每臺鍋爐不受任何條件約束，直接在鍋爐監(jiān)控總服務器上進行操作，并設定目標供水溫度和爐膛負壓兩個參數，DCS控制器將自動調節(jié)鍋爐的鼓風量（送風量）、引風量和爐排速度，自動調節(jié)匹配風量與給煤比，達到燃料優(yōu)化燃燒，以確保鍋爐工作在最佳的燃燒工況下進行，該系統(tǒng)能將鍋爐出水溫度維持在設定值范圍±3度內。

6.3.2負荷預測聯(lián)動調節(jié)程序：當選擇此程序時，一至三號鍋爐將自動工作在滿負荷狀態(tài)下，以最佳燃燒比、最佳最大產熱效率運行，不參與調節(jié)，每臺鍋爐24小時不間斷運行。

四號五號為調峰鍋爐（鍋爐處于熱點火狀態(tài)），當全網負荷預測程序計算出熱量總需求后，一至三號鍋爐無法滿足熱網需求時，四號調峰鍋爐會自動啟動運行，并自動設定目標供水溫度，自動調節(jié)風煤比配置，四號鍋爐啟動后能在短時間內彌補總熱量的不足，當系統(tǒng)計算出總熱量需求只啟動四號鍋爐無法滿足時，系統(tǒng)會在四號啟動30分鐘后自動啟動五號調峰鍋爐。

調峰鍋爐的退出工況，當鍋爐總發(fā)熱量超過負荷預測總熱量時，調峰鍋爐會自動降低設定溫度，減少風煤送給量，減少燃燒量，調峰鍋爐總熱量將減少，當調峰鍋爐工作在總負荷的20%時會自動退出運行，系統(tǒng)會自動加大鍋爐房循環(huán)水泵循環(huán)速度，進行節(jié)能運行。

6.4故障互投控制

6.4.1爐排系統(tǒng)互投：當主爐排控制電氣系統(tǒng)或變頻發(fā)生故障后，備用爐排控制系統(tǒng)會自動投入運行，投入時間小于5秒。

6.4.2鍋爐互投：當運行中的鍋爐發(fā)生鼓風機、引風機、傳感器的重要設備故障時，需人工確認后，六號備用鍋爐會自動投入運行。

6.4.3循環(huán)水泵互投和定時輪換工作：每臺鍋爐設有三臺循環(huán)泵，工況為兩用一備，系統(tǒng)每隔24小時，進行一次備用泵輪換，確保三臺泵能全部分時段運行，當運行中的循環(huán)泵發(fā)生故障后，備用水泵能在3s內投入運行。

七、結束語

供熱全網負荷預測與鍋爐聯(lián)動控制系統(tǒng)是一個大型的自動化SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，所涉及的面特別全，建設周期較長，本系統(tǒng)從初步建設到擴展到100個熱力站以上耗時三年，但是隨著本系統(tǒng)的投入運行，運行效果和經濟效益也是特別突出。節(jié)省了100個熱量站運行值班的350人，各區(qū)域熱量站維修人員通過整合，從原有的50人減少到了20人，數據報表記錄統(tǒng)計分析人員30人全部由計算機代替，鍋爐燃燒采用計算機控制，減少工人20多名，本系統(tǒng)的投入運行減少了430人的人員開支和崗位，由于采用負荷預測聯(lián)動控制系統(tǒng)，熱源動力鍋爐房能更加精準有效的根據負荷所需進行隨時調整供熱量和鍋爐投入的臺數，初步統(tǒng)計節(jié)省電力、煤炭20%左右。從以上數據可以看出，供熱全網負荷預測與鍋爐聯(lián)動控制系統(tǒng)的運行經濟性是顯著的，隨著我國城鄉(xiāng)統(tǒng)一化建設的加快，小供熱公司慢慢的被取代，而大型的供熱企業(yè)越來越多，供熱全網負荷預測與鍋爐聯(lián)動控制系統(tǒng)會有更廣闊的應用價值。

接第三頁（本系統(tǒng)網絡結構圖）：

本系統(tǒng)通訊網絡架構