CN102902235A - 集中供热自动控制及远程网络监控系统 - Google Patents
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Abstract
一种集中供热自动控制及远程网络监控系统，它由换热站自动控制系统、视频监控系统、网络传输系统及监控中心四个部分组成。计算机及网络技术在供热系统中的应用，改变了供热系统传统的人工管理模式，实现了多点位、全天候的监控和控制，不仅可以降低换热站工作人员的数量和劳动强度，降低企业生产成本和管理成本，还极大地提高城市供热系统集中管理的信息化、自动化程度。城市集中供热自动化与信息管理系统，既提高了供热质量，又大幅度节约了能源、降低了供热企业的运行成本。可广泛用于集中供热自动控制及远程网络监控系统。
Description
技术领域：本发明涉及集中供热自动控制及远程网络监控系统，特别是集中供热换热站自动控制及远程网络监控系统。
背景技术：目前我国北方地区由于受西伯利亚高压区的影响，冬季寒冷而漫长，居民的生活取暖以燃煤为主，一些地区的采暖期长达半年之久。以往，分散小锅炉成为我国北方城市供热的主要方式，这些小锅炉数量众多，除尘设备落后陈旧，造成市区内的大气污染十分严重，而且供热效果也不尽如人意。为改变落后的供热方式，提高城市环境质量，在保证供热质量的前提下，各地区已经逐步开始进行连片的集中供热改造。集中供热改变了传统的供热方式，由过去间歇式每天只能间断供热8小时变为连续24小时供热，使居民室内温度不再大起大落。然而由于自动化和信息化水平偏低，许多集中供热企业都存在管理水平上不去、经营成本居高不下、老百姓对供热质量不满意等问题。导致上述问题的原因主要是归结以下四个方面：1、缺少用户室温监测手段；2、换热站的自动化程度低；3、热企的管理者与换热站之间的信息渠道不畅通；4、换热站缺少必要的视频监控手段。解决这些问题已成为急需。
发明的内容：克服现有技术的不足，以自动化和信息化为基础，设计一种改变供热系统传统的人工管理模式，实现多点位、全天候的监控和控制，降低换热站工作人员的数量和劳动强度，降低企业生产成本和管理成本，极大地提高城市供热系统集中管理的信息化、自动化程度的集中供热自动控制及远程网络监控系统。集中供热自动控制及远程网络监控系统由换热站自动控制系统、视频监控系统、网络传输系统及监控中心等四个部分组成。
1、换热站自动控制系统主要由控制主机、供水温度变送器、回水温度变送器、供水压力变送器、回水压力变送器、补水箱液位变送器、循环泵控制器、补水泵控制器、电动调节阀控制器、热量表以及若干个远程无线测温仪等几部分组成。其中，供水温度变送器、回水温度变送器、供水压力变送器、回水压力变送器、补水箱液位变送器和热量表通过RS-485采集总线与主机连接；循环泵控制器、补水泵控制器和电动调节阀控制器通过另一条RS-485控制总线与主机连接；而用户室温测量装置(用户端远程无线测温仪)则通过GPRS网络与主机无线连接，远程无线测温仪的数量和安装位置可根据实际情况设置。此外，主机还提供一条RS-485人机总线与人机界面连接。
2、换热站的视频监控系统主要由硬盘数字录像机、若干摄像头以及监视器组成。摄像机的数量和位置可灵活设置，每个摄像机分别接入硬盘录像机后面的视频输入接口，录像机提供一个视频输出接口通过视频同轴电缆与监视器的视频输入口连接。
3、网络传输系统主要由电信部门提供的电话线宽带(ADSL)或光纤宽带、调制解调器和交换机组成。换热站控制系统主机通过一条网线与交换机连接，硬盘录像机通过一条网线与交换机连接，交换机通过一条网线与调制解调器(MODEM)连接，调制解调器电话线接入互联网。
4、监控中心主要由电视屏幕墙，数据服务器、数据操作终端、流媒体服务器、录像服务器、电视墙服务器、以太网交换机及光纤接收机等网络设备组成。其中换热站自动控制和视频监控均属于换热站监控系统范畴，二者可以各自独立工作。网络传输系统做为监控中心和换热站沟通的信息通道，把各个子系统连接成一个有机的整体，供热站的运行数据和视频图像通过网络上传至监控中心，而监控中心又可以把控制命令和数据下发至各换热站，各子系统以网络为纽带，按照系统设计的目标协同工作。
换热站自动控制系统主要由控制主机、供水温度变送器、回水温度变送器、供水压力变送器、回水压力变送器、补水箱液位变送器、循环泵控制器、补水泵控制器、电动调节阀控制器、热量表以及若干个用户室温检测仪表等几部分组成。控制主机通过RS-485采集总线，接收供热系统的供水压力、回水压力、供水温度、回水温度、补水箱液位以及热表数据等信息；控制主机通过GPRS网络，读取设在用户室内的远程无线测温仪检测的用户室内温度。室外温度传感器通过专用的数据线与主机连接，主机可实时读取室外温度。根据供水压力或回水压力，控制主机通过补水泵控制器调整补水泵的转速，使供水压力或补水压力维持在设定值。根据室外温度，系统适时调整供水压力的设定值，循环泵控制器调整循环泵的转数，维持供水压力于设定值。
系统通过电动阀控制器调节电动阀的开启程度，进而实现调节一次网流量来调整系统的给热量，通过对一次网流量的调节，系统主机可以实时的调整二次网的供水温度，从而精确调节用户的室温。
电动调节阀作为调节系统给热量的重要机构，属于一个多参量、大滞后的复杂控制系统，由于系统采用PID增量式算法，同时采取了死区控制、积分分离、输出限幅等多项措施，因此，本系统电动阀的自动调节较好的适应了换热站可能出现的各种情况，能够实时跟踪二次供水温度给定值(T2o)的变化，实现一次网流量(给热量)的精确控制。
换热站自动控制的关键在于如何确定电动阀的调节目标即二次供水温度的给定值(T2o)。以往电动调节阀的调节均由人工完成，操作人员根据当天的天气预报大致将电动调节阀调至某一经验值，保证二次供水温度不低于给定值即可，二次供水温度给定值由下面的公式确定：
T2o＝A+B*To；
式中的参数A和B是与当地气候有关的常数，To为室外大气温度。
因为公式并没有涉及用户室温，这种调节方法是粗放的，存在很大的随意性，并且反应严重滞后，很难实现对用户室温进行实时准确地跟踪。本系统中由于引入了用户室温的GPRS远程测量，故在计算二次供水温度的给定值时引入了用户端温度补偿，这样上面公式演变为
T2o＝A+B*To+Comp；
式中Comp是用户室温的函数，取决于用户室温与设定值的误差和用户室温在单位时间的变化量。
Comp＝Kp*E(t)+Ki*∑E(t)+Kd*(E(t)-E(t-1))；
式中Kp为比例常数，Ki为积分常数，Kd为微分常数，E(t)为用户室温与目标值的误差。从公式可以看出，用户室温与目标值相差越大，补偿值就越大，同时用户室温的变化率越大，其对补偿值的衰减也就越大。而当变化率为零时，补偿值仅取决于比例和积分项。这样二次网供水温度给定值不仅跟用户的室温误差有关，还与用户室温的变化趋势有关，因此系统具有较高控制精度和反应速度。
供热站的视频监控系统主要由网络硬盘录像机、若干红外夜视摄像头以及监视器组成。在换热站的泵房等重要地点设置若干红外夜视摄像机，即使在夜间光线极其微弱的情况下，管理者也可以对监控现场的情况了如指掌。网络硬盘录像机内置大容量的监控硬盘，正常情况下可以滚动存储近一个月的视频图像记录，通过监视器，管理人员不仅可以随时观看现场的视频图像，还可以任意调取不同时段及地点的视频记录。视频监控的实施不仅可以有效抑制工作人员的不规范操作，更可以震慑盗窃分子，减少偷盗的行为的发生。
供热站网络传输系统主要由电信部门提供的电话线宽带或光纤宽带、调制解调器和交换机组成。通过宽带网络，控制系统主机和网络硬盘录像机可以把运行数据和视频图像实时传送至监控中心，监控中心的服务器把接收到的数据和图像整理归类并保存记录。在监控中心，管理人员可以在权限范围内实时查看各点的运行数据和视频图像，并可调取任意时段的数据记录或视频记录，同时，管理人员还可以向各站点下发控制命令，统一协调各个供热站的运行。
监控中心，监控中心均采用通用的设备和技术。
本发明的优点：1、用户室温远程无线测量，本方案远程无线测温仪采用GPRS网络通讯技术和先进的电源管理技术，可实现不限距离的用户温度测量，提高了系统的实用性。2、网络化的数据采集和控制技术，所有的现场仪表和控制设备均通过特定的RS-485总线与主机连接，具有很好的扩展性。系统布线简单、工作稳定，在网络瘫痪时，循环泵补水泵和电动阀可各自独立的按默认状态工作，以维持供热系统的不间断运行。3、用户室温补偿的控制技术，由于在计算二次网供水温度的给定值时引入了用户端温度补偿，使系统的控制更加有针对性，可以获得很高控制精度和很好的实时性，不仅用户室温稳定、热企的能耗也大幅减少。4、自动控制和网络视频监控的结合使热企对换热站的运行情况了如指掌，有利于企业实现安全生产、减员增效，换热站的无人值守成为可能。
附图说明：
图1为集中供热换热站自动控制及远程网络监控系统结构图；
图2为换热站自动控制系统示意图；
图3为换热站视频监控系统示意图；
图4为监控中心系统示意图。
具体实施例
集中供热自动控制及远程网络监控系统由换热站自动控制系统、初频监控系统、网络传输系统及监控中心等四个部分组成。
1、换热站自动控制系统主要由控制主机、供水温度变送器、回水温度变送器、供水压力变送器、回水压力变送器、补水箱液位变送器、循环泵控制器、补水泵控制器、电动调节阀控制器、热量表以及若干个远程无线测温仪等几部分组成。其中，供水温度变送器、回水温度变送器、供水压力变送器、回水压力变送器、补水箱液位变送器和热量表通过RS-485采集总线与主机连接；循环泵控制器、补水泵控制器和电动调节阀控制器通过另一条RS-485控制总线与主机连接；而用户室温测量装置(用户端远程无线测温仪)则通过GPRS网络与主机无线连接，远程无线测温仪的数量和安装位置可根据实际情况设置。此外，主机还提供一条RS-485人机总线与人机界面连接。
2、换热站的视频监控系统主要由硬盘数字录像机、若干摄像头以及监视器组成。摄像机的数量和位置可灵活设置，每个摄像机分别接入硬盘录像机后面的视频输入接口，录像机提供一个视频输出接口通过视频同轴电缆与监视器的视频输入口连接。
3、网络传输系统主要由电信部门提供的电话线宽带(ADSL)或光纤宽带、调制解调器和交换机组成。换热站控制系统主机通过一条网线与交换机连接，硬盘录像机通过一条网线与交换机连接，交换机通过一条网线与调制解调器(MODEM)连接，调制解调器电话线接入互联网。
4、监控中心主要由电视屏幕墙，数据服务器、数据操作终端、流媒体服务器、录像服务器、电视墙服务器、以太网交换机及光纤接收机等网络设备组成。
其中换热站自动控制和视频监控均属于换热站监控系统范畴，二者可以各自独立工作。网络传输系统做为监控中心和换热站沟通的信息通道，把各个子系统连接成一个有机的整体，供热站的运行数据和视频图像通过网络上传至监控中心，而监控中心又可以把控制命令和数据下发至各换热站，各子系统以网络为纽带，按照系统设计的目标协同工作。
换热站自动控制系统主要由控制主机、供水温度变送器、回水温度变送器、供水压力变送器、回水压力变送器、补水箱液位变送器、循环泵控制器、补水泵控制器、电动调节阀控制器、热量表以及若干个用户室温检测仪表等几部分组成。控制主机通过RS-485采集总线，接收供热系统的供水压力、回水压力、供水温度、回水温度、补水箱液位以及热表数据等信息；控制主机通过GPRS网络，读取设在用户室内的远程无线测温仪检测的用户室内温度。室外温度传感器通过专用的数据线与主机连接，主机可实时读取室外温度。
根据供水压力或回水压力，控制主机通过补水泵控制器调整补水泵的转速，使供水压力或补水压力维持在设定值。
根据室外温度，系统适时调整供水压力的设定值，循环泵控制器调整循环泵的转数，维持供水压力于设定值。
系统通过电动阀控制器调节电动阀的开启程度，进而实现调节一次网流量来调整系统的给热量，通过对一次网流量的调节，系统主机可以实时的调整二次网的供水温度，从而精确调节用户的室温。
电动调节阀作为调节系统给热量的重要机构，属于一个多参量、大滞后的复杂控制系统，由于系统采用PID增量式算法，同时采取了死区控制、积分分离、输出限幅等多项措施，因此，本系统电动阀的自动调节系统较好的适应了换热站可能出现的各种情况，能够实时跟踪二次供水温度给定值(T2o)的变化，实现一次网流量(给热量)的精确控制。
换热站自动控制的关键在于如何确定电动阀的调节目标即二次供水温度的给定值(T2o)。以往电动调节阀的调节均由人工完成，操作人员根据当天的天气预报大致将电动调节阀调至某一经验值，保证二次供水温度不低于给定值即可，二次供水温度给定值由下面的公式确定：
T2o＝A+B*To；
式中的参数A和B是与当地气候有关的常数，To为室外大气温度。
因为公式并没有涉及用户室温，这种调节方法是粗放的，存在很大的随意性，并且反应严重滞后，很难实现对用户室温进行实时准确地跟踪。
本系统中由于引入了用户室温的GPRS远程测量，故在计算二次供水温度的给定值时引入了用户端温度补偿，这样上面公式演变为
T2o＝A+B*To+Comp；
式中Comp是用户室温的函数，取决于用户室温与设定值的误差和用户室温在单位时间的变化量。
Comp＝Kp*E(t)+Ki*∑E(t)+Kd*(E(t)-E(t-1))；
式中Kp为比例常数，Ki为积分常数，Kd为微分常数，E(t)为用户室温与目标值的误差。
从公式可以看出，用户室温与目标值相差越大，补偿值就越大，同时用户室温的变化率越大，其对补偿值的衰减也就越大。而当变化率为零时，补偿值仅取决于比例和积分项。这样二次网供水温度给定值不仅跟用户的室温误差有关，还与用户室温的变化趋势有关，因此系统具有较高控制精度和反应速度。
供热站的视频监控系统主要由网络硬盘录像机、若干红外夜视摄像头以及监视器组成。在换热站的泵房等重要地点设置若干红外夜视摄像机，即使在夜间光线极其微弱的情况下，管理者也可以对监控现场的情况了如指掌。网络硬盘录像机内置大容量的监控硬盘，正常情况下可以滚动存储近一个月的视频图像记录，通过监视器，管理人员不仅可以随时观看现场的视频图像，还可以任意调取不同时段及地点的视频记录。视频监控的实施不仅可以有效抑制工作人员的不规范操作，更可以震慑盗窃分子，减少偷盗的行为的发生。
供热站网络传输系统主要由电信部门提供的电话线宽带或光纤宽带、调制解调器和交换机组成。通过宽带网络，控制系统主机和网络硬盘录像机可以把运行数据和视频图像实时传送至监控中心，监控中心的服务器把接收到的数据和图像整理归类并保存记录。在监控中心，管理人员可以在权限范围内实时查看各点的运行数据和视频图像，并可调取任意时段的数据记录或视频记录，同时，管理人员还可以向各站点下发控制命令，统一协调各个供热站的运行。
监控中心，监控中心主要由数据操作终端、数据库服务器、流媒体服务器、录像服务器、电视墙服务器、电视屏幕墙、以太网交换机以及光纤接收机组成。如图所示，数据操作终端、数据库服务器、流媒体服务器、录像服务器、电视墙服务器分别通过网线连接至以太网交换机端口，以太网交换机的一个端口通过网线与光纤接收机连接，电视墙通过视频电缆与电视墙服务器的视频输出端口连接。
以太网光纤接收机主要负责网络信号的光电转换；以太网交换机主要是共享网络的带宽，在各端口间无冲突地传输数据；数据库服务器接收并存储来自网络的换热站运行数据，并提供查询、更新、事务管理、索引、高速缓存、查询优化、安全及多用户存取控制等功能；数据操作终端的功能是显示换热站运行数据、查询数据记录以及录入控制参数等；流媒体服务器的主要对媒体的内容进行采集、缓存、调度和传输播放，录像服务器主要存储视频的记录；电视墙服务器内置解码卡，解码来自流媒体服务器或录像服务器的数字流媒体信号并把模拟的视频信号输出至电视墙。
Claims (5)
1.一种集中供热自动控制及远程网络监控系统，其特征在于：它由换热站自动控制系统、视频监控系统、网络传输系统及监控中心四个部分组成。
2.如权利要求1所述的自动控制及远程网络监控系统，其特征在于：换热站自动控制系统主要由控制主机、供水温度变送器、回水温度变送器、供水压力变送器、回水压力变送器、补水箱液位变送器、循环泵控制器、补水泵控制器、电动调节阀控制器、热量表以及若干个用户端远程无线测温仪等几部分组成。其中，供水温度变送器、回水温度变送器、供水压力变送器、回水压力变送器、补水箱液位变送器和热量表通过RS-485采集总线与主机连接；循环泵控制器、补水泵控制器和电动调节阀控制器通过另一条RS-485控制总线与主机连接；而用户室温测量装置(用户端远程无线测温仪)则通过GPRS网络与主机无线连接，远程无线测温仪的数量和安装位置可根据实际情况设置。此外，主机还提供一条RS-485人机总线与人机界面连接。
3.如权利要求1所述的自动控制及远程网络监控系统，其特征在于：换热站的视频监控系统主要由硬盘数字录像机、若干摄像头以及监视器组成。摄像机的数量和位置可灵活设置，每个摄像机分别接入硬盘录像机后面的视频输入接口，录像机提供一个视频输出接口通过视频同轴电缆与监视器的视频输入口连接。
4.如权利要求1所述的自动控制及远程网络监控系统，其特征在于：网络传输系统主要由电信部门提供的电话线宽带(ADSL)或光纤宽带、调制解调器和交换机组成。换热站控制系统主机通过一条网线与交换机连接，硬盘录像机通过一条网线与交换机连接，交换机通过一条网线与调制解调器(MODEM)连接，调制解调器通过电话线接入互联网。
5.如权利要求1所述的自动控制及远程网络监控系统，其特征在于：监控中心主要由电视屏幕墙，数据服务器、数据操作终端、流媒体服务器、录像服务器、电视墙服务器以及以太网交换机等网络设备等组成。其中换热站自动控制和视频监控均属于换热站监控系统范畴，二者可以各自独立工作。网络传输系统做为监控中心和换热站沟通的信息通道，把各个子系统连接成一个有机的整体，供热站的运行数据和视频图像通过网络上传至监控中心，而监控中心又可以把控制命令和数据下发至各换热站，各子系统以网络为纽带，按照系统设计的目标协同工作。
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