城市供热监控与智能化管理系统的设计与实现

1、李光明（1963），男，河南汝州人，教授，主要从事工业过程及嵌入式技术和智能控制及数字图像处理方面的研究。赵立强（1988），男，河南信阳人，研究生，主要从事工业过程及嵌入式技术和智能控制及数字图像处理方面的研究。高远谋（1988），男，河南南阳人，研究生，主要从事工业过程及嵌入式技术和智能控制及数字图像处理方面的研究。城市供热监控与智能化管理系统的设计与实现李光明1，赵立强1，高远谋1(1.陕西科技大学 电气与信息工程学院，西安710021)摘要：针对城市供热监控与智能化管理的需求，供热管网越来越庞大、分散、难以管理的问题，提出智慧热网运营管理平台。利用物联网技术和自动控制技术实现从热源、换

2、热站、管网到热用户的整个供热系统的实时监控和设备运行状况进行动态监测，实现了整个供热系统自动化控制、实时调度和智能化信息管理，能够实时掌控每个供热用户的用热情况。根据OPC统一标准的接口体系和LabVIEW的图形化设计思想，可以实现多通道数据实时采集和供热监控与智能化管理，并且通过历史数据与实时数据的多维度比较，优化热源的调度，指导热源和换热站的运行调节，保障供热过程的安全高效运行。实践表明，该系统具有操作简单、运行稳定、抗干扰能力强及扩展性好等优点，具有良好的应用前景。关键词：OPC技术；LabVIEW；智能化管理；换热站；监控系统0 引言随着近年来我国经济发展速度的加快，城市供热管网及换热

3、站越来越庞大、分散、难以管理。热源、换热站、管网作为城市极为重要的基础设施和经济与社会发展的源泉，加强对热源调度和信息化管理建设具有相当重要意义1-2。伴随着智慧城市概念的提出3-5，城市的供热监控系统也向着自动化、智能化方向发展，提出智慧热网运营管理平台，利用物联网技术和自动控制技术对热源、换热站、管网到热用户的整个供热系统运行过程的主要参数、管网信息、设备运状况进行动态监测以及通过历史数据与实时数据的多维度比较，优化热源的调度，指导热源和换热站的运行调节6-10，保障供热过程的安全高效运行，实现智能化信息管理。本文提出智慧热网运营管理平台，采用OPC技术实现多通道的数据实时采集的方式，利用

4、LabVIEW软件的图形化设计思想实现上位机数据监制与分析11-14，来实现城市供热系统的监控与智能化管理的方式15-16。1 系统总体设计智慧热网全息化管理平台针对热网的运行特点，从提高能源利用率的角度出发，并结合热力公司实际需求而开发的热网调度管理系统，集调度与运营管理于一体，功能包括人机界面、数据库管理、远程数据采集、远程控制、报警分析、趋势管理、报表应用，以及居民和非居民供热计量和计费等，利用先进的通讯网络，对整个供热链路，包括热源厂、换热站、管网、公共建筑和分户计量进行跟踪监控，不仅可以让调度人员全面掌握整个供热系统的状态，还能快速、准确地反映现场故障报警信息，方便巡检和维护人员及时

5、检修，这样不仅节省大量的人力、物力，而且极大的提高了热网的现代化管理水平，达到了节能降耗的目的。系统的总体结构框图如图1-1所示：系统的总体结构框图如图1-1所示2远程通讯方案设计2.1 PLC与OPC通信的实现以OPC为客服端，下位机的控制系统以PLC为控制器，实现OPC与PLC控制器之间的通信是采用Internet通信协议。在OPC客服端的每个通道可以通过Internet来设置每个换热站的通道名称以及IP地址，可以通过OPC多通道多设备来实现并行数据实时采集和数据的快速交换，可以把城市的各个供热的换热站信息集中采集起来，实现统一管理。数据并行的实时采集和数据的快速交换如图所示2-1所示。数

6、据实时采集和数据的快速交换如图2-1所示（1）设置OPC服务器先把OPC客服端启动，新建一个新通道并命名，在该通道下连接设备驱动选择“Modbus TCP/IP Ethernet”，通讯接口选择PLC映射的端口。完成OPC客服端的通道设置（2）配置设备ID在该通道下连接设备驱动下连接设备类型和ID，设备ID为PLC在网络中IP号，按照实际情况进行配置。其他步骤为配置系统的扫描频率、连接时间和请求相应的时间。（3）配置PLC的I/O点配置要采集和控制的PLC的I/O点标签，通过标签所对应得地址，去采集相应地址的数据。还可以通过标签设置数据类型和客户访问类型以及采样频率。2.2OPC与LabVIE

7、W通信的实现LabVIEW上位监控软件程序与OPC的通信是C/S模式，监控软件程序作为客户端接口，通过创建I/O服务器连接到OPC tags，然后绑定标签信息，将创建的变量绑定在OPC标签上，就形成了具有标签名称的共享变量，通过共享变量的方式来实现LabVIEW与OPC服务器的数据通信，实现上位机与服务器的数据通讯，如图2-2所示。实现网络间的数据的通信如图2-2所示通过共享变量，可以改变数据的类型、范围、以及读写等功能，使数据交换的功能得到很大的拓展，这不仅对于本地数据间的通信，而且在网络系统中共享数据，也可以在上位机软件实现数据的共享。在变量与网络中对应的变量进行连接，可以对其属性进行了设

8、定，因此用户可以很方便地通过共享变量建立其与网络变量的一一对应的关系，从而实现网络间的数据的通信。3.监控系统软件设计3.1软件结构设计与实现热网管理系统的功能是通过通讯系统采集现场控制系统的数据，并对数据进行相关的分析和处理或者向下对现场控制系统下达各种指令，来实现对换热站的实时监控。设计的上位机的流程图如图3-1所示。本系统采集的现场数据通过上位监控计算机的HMI界面显示到计算机显示器或主控中心大屏上，并对采集的数据进行报警判断，作相应的报警，根据报警信息来确认报警的位置和对其报警的控制，同时把采集到的所有实时数据和产生的报警信息存储到监控服务器的数据库系统生成历史数据库，通过访问数据库服

9、务器可以方便地实现历史数据的查询、显示趋势图以及报表打印等功能。HMI界面流程图如图3-1所示3.2智能热网运营管理设计热网管理系统设计的用户界面是主控中心工作人员与监控计算机人机交互的窗口，该系统具备远程控制、供热报警、历史数据与实时数据的多维度比较等功能，实现了集中控制和管理功能，便于供热企业了解用户的实际采暖状态，解决了热网运行存在的水力失调的现象，实现了热网全面的水力平衡运行。还可以根据室外温度的变化，自动调节供水温度，实现个换热站无人值守，从而最大程度的节约大大提高了供热效果，节约能耗，并且提高供热的服务质量。热网管理系统基于SOA的企业应用体系架构，可集成任意采集装置、传感装置、网

10、络应用数据等，可监测换热站的供水压力、回水压力、供水温度、回水温度、室外环境温度、供热量、燃气量、耗电量、补水量、水箱液位、电动调节阀开度反馈，以及循环泵、补水泵的运行状态、故障状态参数。并可以检测和存储公共建筑热力入口和用户热计量等数据，实现远程无人自动抄表。同时可以远程控制换热站的热水循环泵和补水泵的启停及频率设定，以及一次管网和公共建筑热力入口电动阀的开度调节，实现对供热系统的温度、浏览、压力等参数进行控制，提高智慧热网热平衡，实现节能控制。热网管理系统在运行的过程中有很多的参数需要进行采集和处理，需要准确地对换热站供热的参数数据进行实时地采集，采集数据可以建立档案数据库，对采集的现场数

11、据进行统计分析使用；包括数据累计、平均值、最大值、最小值等多种计算，可按表格、趋势显示各个换热站和公共建筑的热力入口，以及供热分户热计量数据。4系统测试结果系统测试主要包括两方面的内容；通讯功能和智慧热网全息化管理平台的设计，本系统使用OPC与现场的各个PLC控制器相连接，通过以太网驱动设备Modus TCP/IP与相应的IP地址，如图4-1所示。实现OPC实时采集各个地区的换热站的PLC，实现OPC的远程数据采集，通过设置完成，可以再快速数据交换客服端显示实时采集的数据。OPC与PLC相连接如图4-1所示在OPC采集的数据与LabVIEW进行数据交互，通过I/O服务器的共享变量对OPC服务器

12、的数据的标签采集，通过OPC标签实现数据的实时交互，如图4-2所示。通过与数据库SQL Server的连接，实现对数据库的操作，可以对采集的数据的进行存储和数据的分析和对历史曲线的分析。分析数据的报警与预测报警OPC的数据与LabVIEW交互如图4-2所示5 总结本文研究城市供热系统的监控与智能化管理，系统集成了上位机和现场PLC主控制器，通过OPC技术实现远程数据实时通信。设计城市供热监控系统采用“分散控制，集中管理”的原则。采用OPC多通道多设备来实现并行远程数据实时采集和数据的快速交换，可以把城市的各个供热的换热站信息集中采集起来，远程监控各个现场换热站设备的运行情况、同时还能实现对设备

13、的故障预警和故障诊断功能。经过在山西某市的热电力公司进行测试，该系统可以实现换热站的无人值守和远程操控查询等功能，该系统运行稳定，界面友好及具有很大的灵活性，便于后续功能的扩展等优点，提高了系统性能，具有良好的应用前景。参考文献张宇飞城市集中供热研究现状及发展趋势J黑龙江科学，2014，5(7)：58-59李月姣SCADA实时监控系统在集中供热系统中应用J区域供热，2015(3)：60-63KrushnaMahapatra，Leif GustavssonAn adopter-centric approach to analyze the diffusion patterns of innova

14、tive residential heating systemsJEnergy Policy，2008，36(2)：577-590何奇文OPC技术在LabVIEW8.0 DSC模块中的运用J计算机工程，2006，27(22)：4389-4390王耕田，王晰琦城市集中供热智能协调控制系统J测控技术，2000，19(10)：24-26关学忠，管庆安，邢贺南，刘宗辉基于LabVIEW的换热器恒温恒压监控系统J自动化技术与应用，2013，32(5)：31-35曹沛庆热网智能管控系统在集中供热中的应用J热电技术，2015(3)：3-6王振市，高德欣基于OPC的热源与换热站一体化监测系统设计J自动化技术与

15、应用，2015，34(1)：52-55闫静，袁佳毅，郭卉，顾国彪基于LabVIEW和OPC技术的蒸发冷却内冷电机数据监测系统J仪表技术与传感器，2012(11)：37-39朱记全，沈昱明基于LabVIEW DSC温控器的Modbus通信实现J工业控制计算机，2012，25(11)：39-40熊伟丽，贾岩，许文强，徐保国基于OPC技术的LabVIEW与S7-300PLC的污水处理监控系统J计算机与应用化学, 2011，28(9)：1131-1133刘跃，袁文琦，李栋，贺凯，杜辉基于OPC和LabVIEW的压风机组远程监控系统设计J煤炭工程，2015(2)：25-27韩松林基于VPN网络技术的无人值守换热站监控系统J计算机光盘软件与应用，2011(15)：194-195邢雪宁，罗永刚，李田泽基于单片机和LabVIEW的远