编者按：

随着物联网、云计算、移动互联网、大数据、人工智能等新技术的飞速发展，以及I T与O T技术的进一步融合，工业制造、城市交通、电力能源、农业等各大行业领域的智慧化发展已成为必然趋势。推进各领域向智慧化发展是一项复杂而庞大的系统工程，既需要单一技术与装备的突破应用，还需要系统化的集成创新。智慧系统解决方案是推广普及智能化技术的关键手段，是促进各行业智能化水平提升的核心。

为深化智慧产业发展，进一步提升智慧产业各领域系统解决方案应用水平，现由中国自动化学会、智能制造推进合作创新联盟、工业控制系统信息安全产业联盟、边缘计算产业联盟、中国仪器仪表行业协会主办，《自动化博览》杂志社&控制网（www.kongzhi.net）承办的2019智慧系统解决方案征集活动已正式启动，面向全行业公开征集智慧系统解决方案。本刊特开设智慧系统解决方案专栏，刊发其中优秀的解决方案以飨读者。

1　概述

城市供热系统是利用集中热源，通过供热管网等设施向热能用户供应生产或生活用热能的供热网络。从目前我国的供暖体系来看，热水和蒸汽供暖是一种被广泛接受的供暖方式，使用这种方式的原因主要是：可以使室内各处的温度相对比较平均，室内的温度也比较舒适，而且投资成本相对较少，整个系统运行时需要的管理、维修等费用也较低，还有着较好的环保功能，安全性能也比较好。但是从实际情况来看，城市供热系统还存在以下缺陷和不足：

（1）水力工况失调：目前运行的室外供热管网多为枝状管网，近热远冷，具体表现为近端热用户或者换热站的实际流量远大于设计流量，而远端流量却小于设计流量，近端过热，远端过冷。

（2）供热质量差、冷热不均匀：热用户大多采用单管供热系统，且无有效的调控设备，造成热力工况失调严重，各用户冷热不均。一些用户的室温达不到设计标准要求，而另一部分用于则室温过高。这就导致虽然热源足够，部分热用户仍不能按其需求获得足够的热能。

（3）运行方式不合理、能源浪费：目前的城市供热系统均不能根据室外温度的变化而适时有效地调节供热流量和供水温度，并且都以“大流量、小温差”方式运行，系统漏损大，耗电量高。

“中科智暖”城市热网智控系统对热网的温度、压力、流量、开关量等信号进行采集测量、控制、远传，实时监控一次网、二次网温度、压力、流量，循环泵、补水泵运行状态及水箱液位，末端热用户室内温度，供热区域室外温湿度、光照、风力风向等各个参数信息，进而对供热全过程进行有效的监测和控制，实现整个供热系统的高效运行和先进管理。在供热期间可按室外温度调节二次网供回水温度（可手动、自动切换），达到按需供热，实现气候补偿节能控制；也可以进行分时分区节能控制，在保证室内舒适度的前提下，实现热网平衡和节约能源的目的。

2　系统解决方案

2.1　系统架构（如图1所示）

“中科智暖”城市热网智控系统包括感知层、网络层和应用层，符合标准的物联网应用体系架构。

感知层：主要由智能电表、智能水表、小型气象站（包括温湿度传感器、光照传感器、风速风向传感器）、PLC控制器和数据采集器组成，用于采集热源厂和换热站实时运行参数（包括温度、压力和流量）、换热站电/水能耗数据和用户室内外环境数据（温度、湿度、光照度和风速风向）。

网络层：包括各种用以构建分布式网络的设施，通过网络层将采集的热源厂、换热站和用户的实时数据传输至调度管理中心，也可以将调度中心发出的控制指令下达至现场控制器。

应用层：作为城市热网智控系统的最顶层，应用层主要利用感知信息为用户提供智能化的特定服务，包括热源数据可视化、室内外环境感知、换热站实时控制、热网平衡、全网控制等服务。

（1）热源数据采集

热源数据是指热电厂等单位对供热管网的能源介质输出参数，包含供热主网的温度、压力、流量以及供热补水管道的流量。根据现场不同情况，可采用两种数据采集传输方式，一种是采用PLC进行数据采集，通过DTU进行数据传输，另一种是通过数据采集器进行数据采集并传输。两种方式均采用4G无线网络进行数据传输。

图1  系统架构图

针对现场使用的各种传感器，若现场数据信号为模拟量信号，少量信号为RS-485通讯传输，则采用PLC进行数据的采集。通过模拟量输入模块，对各种模拟量进行采集、存储，通过PLC专用通讯模块，对现场RS-485接口仪表进行数据采集并解析。所有数据采集后，通过PLC通讯端子与DTU连接，以4G无线网络传输的方式将数据传送至中心服务器。

针对现场所有仪表均采用RS-485接口的情况，则采用数据采集器进行数据的采集、存储和传输。本系统使用自主研发的智能数据网关，可以同时接入水表、电表、燃气表等，我们称之为智能数据网关。根据使用需求，终端计量表具可以是电表、气表、燃气表等，电表包括如三相四线电子式有功电能表、单相远程费控智能电表、智能电网多功能电表等。智能数据网关用于实现RS-485总线协议与以太网协议之间的转化，实现对各终端计量表具采集的水、电、蒸汽等数据进行转换、处理并通过加密等封装手段，通过以太网传或4G无线网络传送至中心服务器。

（2）换热站数据采集

换热站数据采集系统包含系统中各管路内温度、压力、流量的监测以及电动阀状态、循环泵运行状态和补水泵运行状态的实时监测，并对站内总用电能耗及各电机分项能耗、给水能耗进行实时监测。考虑到智能电表及智能水表采用的是RS-485通讯方式，且通讯协议不同，所有针对此部分的数据采集宜采用数据采集器，而针对其他温度、流量、压力、设备运行等数据，涉及到数字量信号和模拟量的信号，宜采用PLC进行数据的采集。

（3）室内外环境气象数据采集

本系统采用室内温度传感器与数据采集器结合的方式，实现室内温度的无线数据采集，温度传感器暗装在用户户内，与数据采集器通过通讯线连接，采集器将通过4G无线网络将数据传输至数据中心。室外的温湿度、光照度、风力以及风向，对供热效果的影响也很大，通过在区域内装设小型气象站，对区域内的室外相关参数进行数据测量及采集，最终通过DTU传输至数据中心服务器。

“中科智暖”城市热网智控系统对热网的温度、压力、流量、开关量等信号进行采集测量、控制、远传，实时监控一次网、二次网温度、压力、流量，循环泵、补水泵运行状态及水箱液位，末端热用户室内温度，供热区域室外温湿度、光照、风力风向等各个参数信息，进而对供热全过程进行有效的监测和控制，实现整个供热系统的高效运行和先进管理。在供热期间可按室外温度调节二次网供回水温度（可手动、自动切换），达到按需供热，实现气候补偿节能控制；也可以进行分时分区节能控制，在保证室内舒适度的前提下，实现热网平衡和节约能源的目的。

2.2　关键技术

“中科智暖”城市热网智控系统的关键技术包括：

（1）多源数据采集技术：基于物联网和互联网技术，使用PLC和数据采集器实时采集热网运行数据、室内外环境数据和电、水能耗数据，通过DTU或4G网络上传至服务器，为后续热网平衡控制以及能源管理和优化提供数据基础。

（2）数据挖掘技术：采用BP神经网络建立热网短期热负荷预测模型，以近3天内24小时的负荷温度值、1天内不同时刻温度、是否是工作日、每个时刻的天气情况作为输入，预测每日某一时刻温度负荷，进而得到热网的热需求量。

（3）自动控制技术：根据预测的热需求量智能化调节一次网供水温度，消除一次网的水力工况失调，采用带室外气候补偿的二次网供回水温度分时段修正算法，实现各热力站二次网供回水平均温度一致，以达到热网平衡。

对于集中供热系统来说，消除热网热平衡失调，满足热用户实际用热需求，实现各换热站均匀供热为热网的总调节目标。很多热力公司建立了换热站自控系统，换热站自控系统不能解决整个热网的热平衡问题，仍然会出现局部热用户过热或温度不达标现象，没有将热力公司的供热能力最大化运行，即热网没有经济运行。本解决方案具有以下优势：

（1）采用质-量综合调节方式：热源处进行中央质调节、各热力站处进行局部量调节，采用质-量综合热网调节方式，从根本是规避了系统的容量、惯性和时延特性，也保证了各站负荷的均衡和全网的平衡。

（2）节约了热网的运行能耗：通过热网负荷预测和质量综合调节控制，实现了热网的按需供热和热网平衡，不但节约了供热量，而且同时节约了输送热量所消耗的电能。

（3）系统界面操作性更强：基于B/S架构开发，界面友好、操作便捷，同时解决了基于组态软件的上位机系统界面死板不能缩放的问题、无法通过系统主页面点击进入各换热站系统的问题、无法自动生成各种图表进行数据深度分析的问题。

2.3　软件平台实现的功能

（1）热源数据可视化：基于物联网技术通过PLC或数据采集器对热源一次网的温度、压力和流量进行实时采集，采样周期可根据需要设置为1小时、15分钟、1分钟，最低可达到秒级。高采样频率意味着本系统能耗获取热源的实时运行参数，供热单位管理人员通过系统即可完成热源运行状况的实时查看。

（2）室内外环境感知：基于物联网技术通过数据采集器对热用户室内温度进行实时采集，通过小型气象站实现对供热区域室外温湿度、光照、风力风向的实时采集。采样频率可根据实际需求确定。

（3）换热站实时控制：以一个换热站对控制对象，对一次供回水温度、压力和流量；二次供回水温度和压力；对电动调节阀启停状态和开度、循环泵启停状态和频率和补水泵启停状态进行控制，结合热用户室内外环境实现热网平衡控制。

（4）能耗目标考核：基于系统采集的电、水和热能耗，结合本站的供热面积、供热户数、受热人口数量等信息，自动计算各站单位面积能耗值、人均能耗值。热力公司可对各换热站的平均能耗进行排名，对各换热站的供热效率进行绩效考核，及时发现单耗过高的换热站，排查原因并解决，降低换热站运行费用，实现对供热成本的有效控制，提高换热站的经济效益。

（5）全网控制：启动全网控制模式时，一次性对供热管网所有阀门的开度进行统一设定。针对某一个换热站启动全网控制模式时，一次性对该换热站的所有阀门开度进行统一设定。全网控制模式和手动控制模式可自由切换。

（6）实时预警：对供热管网出现异常的站点进行预警，产生预警信息，并通过短信和邮件的方式发送给管理者，方便管理人员及时解决供热异常，避免产生重大供热事故。

（7）换热站对比分析：对换热站的一次供回水温度和二次供回水温度进行对比分析，直观展示各换热站的供回水温度差异。

（8）能耗数据分析：基于物联网技术通过数据采集器对多种能耗（如水、电、热等）计量装置数据进行实时采集，采样周期可根据需要设置为1天、6小时、1小时、15分钟等，最低可达到秒级。以采集的能耗数据为分析对象，对某一换热站能耗进行同比分析和环比分析，对不同换热站的能耗进行对比分析。通过能耗数据分析，管理人员可以发现能耗较高的换热站和热力公司，通过绩效考核，督促能耗较高的换热站和热力公司采取技术手段和管理手段提升自身能源利用效率，协助管理层依据这些数据制定新的节能指标或更加科学合理的考核依据。

（9）报表服务：平台提供各类能耗报表的查询和导出功能，包括换热站日能耗报表、月能耗报表和年能耗报表，报表信息包括分类能耗统计值和折合标煤值。支持能耗报表的查询和导出，用户可以根据能耗类型、换热站名称、时间等条件进行能源统计报表查询和导出。导出格式为Excel，同时支持能耗报表在线打印。

（10）短信服务：短信服务用来编辑和发送短信，便于用户与其他联系人联系，短信列表记录短信发送的详情。同时系统发出的预警信息也通过短信服务发送至相应的管理人员。

（11）邮件服务：邮件服务用来编辑和发送邮件，便于用户与其他联系人联系，邮件列表记录邮件发送的详情，邮件服务安全稳定。同时系统发出的预警信息也通过邮件服务发送至相应的管理人员。

3　项目价值

“中科智暖”城市热网智控系统已在东港市新源热力有限公司和东戴河新区恒源热力有限公司的热网系统进行示范应用。热网智控系统的建设实现了热网运行数据、室内外环境数据和能耗数据的远程在线监测，并可以通过系统对热网运行参数进行调节，结合室内外环境数据，在保证用户舒适度的前提下达到了按需供热，提供了供热效率。系统应用效果得到了用户的充分肯定。

·宏观掌握供热系统运行状况、运行质量。

·保证供热系统的运行参数。对热网的水力工况和热力工况进行全自动调节，解决了各换热站的耦合影响，消除了热网水力失调，达到了平衡供热效果。

·以节省总供热量为目标，在满足热网用户基本采暖要求的前提下尽量减少总供热量，从而达到了提高经济效益的目的。

·为热网如何经济高效运行提供分析基础和分析依据。通过记录的热网运行历史数据，在一个采暖期结束后与前期数据进行比较分析，查出主要能耗来源，为今后的节能挖潜改造创造条件。

“中科智暖”城市热网智控系统作为集实时监控、数据分析和运行调度为一体的综合管理控制系统，从能源的存储、转换、输配、使用的全生命周期角度实现灵活可靠的过程监控，达到了均匀调节流量、消除冷热不均的目标，保证了用户的用能舒适度和能源的使用效率。为企业管理部门提供实际用能数据，量化管理，掌握各类负荷的实际耗能量，从而将原有的经验式宏观管理模式转变为精细式数字管理模式。通过该系统，管理部门可以做到“掌握情况、摸清规律、系统诊断、合理用能”，大大提升管理水平。

摘自《自动化博览》2019年3月刊