CN113513783A - 一种换热站在线监控系统及换热站控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热站在线监控系统及换热站控制方法，该系统包括云端、网络、控制中心和多个换热站；该控制方法采用换热站在线监控系统实现，包括：结合室外温度和二次网的管道散热量，通过控制中心设置二次网的供回水温度；执行遗传方法，优化各供热控制器PID控制过程，以二次网供水温度的实际值与设定值之间的误差作为调节参数，调节一次网流量；当二次网供水温度的实际值达到二次网供水温度设定值，执行遗传方法，优化各供热控制器PID控制过程，以二次网回水温度的实际值与设定值之间的误差作为调节参数，调节二次网流量。本发明能够将一个片区的多个换热站进行集中监控、数据处理和资源共享，提高生产效率。

Description

一种换热站在线监控系统及换热站控制方法

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种换热站在线监控系统及换热站控制方法。

背景技术

随着国民经济的不断进步和人民生活水平的日益提高，社会对环境的要求越来越高。近年来，我国北方城镇大力提倡集中供热，改变原来各单位、各片区自己供热，减少单独建立锅炉房给城市带来的污染，由城市外围的一个或多个热电厂提供热源，市内各片区建立换热站，统一给热用户供热。这样就大大减少了燃煤对城市的污染，同时也节省了能源。

通过供热控制器对供热系统的一次网和二次网温度、压力、流量等模拟量和开关量等进行测量，并对调节阀、循环泵、补水泵等进行控制，可实现对供热过程的有效监控。但一方面，目前的换热站都是单独控制，不能将一个片区的多个换热站进行集中监控、资源共享，导致生产效率低、资源无法统一调配，而且控制方法上，都是由供热控制器采用简单的PID控制方法对温度、流量、压力等控制量进行控制，导致控制精度低、响应慢、稳定性差等问题。另一方面，目前换热站的控制中心都只能进行基本的监控功能，在线监控系统都采用客户端/服务器端架构，导致该系统只能应用于小范围的局域网中，热用户群固定，维护成本高。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种能够实现资源共享、统一调配，提高生产效率的换热站在线监控系统及换热站控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种换热站在线监控系统，包括：云端、网络、控制中心和多个换热站；

所述云端包括云资源，用于实现大数据处理，利用云计算方法实现对换热站的控制；

所述控制中心与所述云端通过所述网络实现通信，用于输入用户指令；

所述控制中心用于根据用户指令，采集供热系统中各换热站的供热运行数据进行汇总，实时监控各所述换热站工作状态，调用所述云端的云资源进行计算，接收所述云端的计算结果，生成相应的控制指令，并对应发送至各所述换热站；

多个所述换热站通过供热系统的一次网连接供热厂，每个所述换热站通过供热系统的二次网连接至热用户，各所述换热站的供热控制器监测供热运行数据并发送至所述控制中心，接收并响应所述控制中心发送的控制指令；其中，供热运行数据至少包括一次网和二次网的供回水温度、压力、流量及开关量数据。

可选地，所述控制中心与多个所述换热站之间通过4G网络通信。

可选地，所述控制中心实时监控各所述换热站工作状态时，还根据用户指令，定期生成生产分析报告；所述生产分析报告至少包括各所述换热站生产计划、生产调度和生产任务。

可选地，所述控制中心实时监控各所述换热站工作状态时，还根据用户指令，定期生成设备管理报告；所述设备管理报告至少包括各所述换热站内设备的设备编号、设备名称、设备说明、所属站点、设备型号、安装时间、采购时间和维护时间。

可选地，所述控制中心实时监控各所述换热站工作状态时，还根据用户指令设置报警阈值，并实时比对汇总的各项供热运行数据与相应的报警阈值；当有所述换热站上传的一项或多项供热运行数据中，存在超出相应的报警阈值的数据值，则生成相应的报警信号，并发送至对应所述换热站。

可选地，所述控制中心实时监控各所述换热站工作状态时，还根据用户指令设定滑动时间窗口，基于滑动时间窗口截取一项或多项历史数据，通过SVM热负荷预测模型或MLP热负荷预测模型分析历史数据，并生成趋势预测报告，所述趋势预测报告至少包括各所述换热站连接的一次网和二次网的供回水温度数据预测趋势。

可选地，所述控制中心还包括显示屏，用于显示供热运行数据和控制指令。

本发明还提供了一种换热站控制方法，采用如上述任一项所述的换热站在线监控系统实现，具体包括如下步骤：

S1、结合室外温度以及各换热站连接的二次网的管道散热量，通过控制中心设定二次网的供回水温度；

S2、供热控制器采集各换热站的供热运行数据，并汇总至控制中心；所述控制中心通过网络调用云端的云资源；所述云端执行遗传方法，并行计算，优化各供热控制器PID控制过程，以二次网供水温度的实际值与设定值之间的误差作为调节参数，调节一次网的调节阀来控制一次网流量，生成使调节参数归零的计算结果，并反馈给所述控制中心；所述控制中心根据所述云端的计算结果生成相应的控制指令，并对应发送；各换热站的供热控制器响应对应的控制指令进行调节，使二次网供水温度的实际值保持在设定值不变；

S3、当二次网供水温度的实际值达到二次网供水温度设定值，所述云端执行遗传方法，并行计算，优化各供热控制器PID控制过程，以二次网回水温度的实际值与设定值之间的误差作为调节参数，调节二次网的循环水泵转速来控制二次网流量，生成使调节参数归零的计算结果，并反馈给所述控制中心；所述控制中心根据所述云端的计算结果生成相应的控制指令，并对应发送；各换热站的供热控制器响应对应的控制指令进行调节，使二次网回水温度的实际值保持在设定值不变。

可选地，所述云端执行遗传方法，并行计算，优化各供热控制器PID控制过程时，包括如下步骤：

步骤一、分别确定供热控制器PID控制过程的三个参数的范围和编码长度，并进行编码；

步骤二、随机产生N个个体构成初始的种群，N为大于2的正整数；

步骤三、将当前代的种群中的每个个体解码成对应的参数值，求代价函数值及适应函数值；

步骤四、应用复制、交叉和变异算子对当前代的种群进行操作，产生下一代的种群；

步骤五、判断步骤四产生的下一代的种群是否达到预定的指标，否则返回步骤三。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明涉及一种换热站在线监控系统，包括云端、网络、控制中心和多个换热站，本发明还涉及一种换热站控制方法，该方法通过换热站在线监控系统实现，将换热站采集的数据上传至控制中心，控制中心通过网络利用云端提供的大数据技术和云计算功能，以遗传方法优化供热的PID控制过程，得到最优的PID控制参数，控制中心再将处理结果下传到各换热站进行相关设备的控制；本发明采用物联网技术、大数据技术和云计算技术，通过遗传方法优化的PID控制过程，最终实现换热站控制，不仅可以对数据进行深度处理、计算、统计和预测，大大提高生产运营、设备管理、风险预警能力，且能够将一个片区内的多个换热站进行集中监控，实现资源共享、统一调配，大大提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明实施例中一种换热站在线监控系统结构示意图；

图2是本发明实施例中一种换热站控制方法执行流程示意图。

图中：1：云端；2：网络；3：控制中心；4：云端换热站监控平台；5：换热站。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如前所述，随着工业物联网、大数据技术、云计算、AI技术的广泛应用，目前的换热站监控系统由于自身架构和资源的限制，无法对数据进行深度的处理、计算、统计和预测，不能为管理者提供设备管理、趋势预测、故障预警、决策参考等功能，导致资源无法统一调配，大大增加了运营成本，降低了生产效率。因此，本发明提出通过物联网技术、大数据技术和云计算技术，通过遗传方法优化的PID控制过程，最终实现换热站控制。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的一种换热站在线监控系统，包括：云端1、网络2、控制中心3和多个换热站5；其中：

云端1包括云资源，用于实现大数据处理，利用云计算方法实现对换热站的控制。云端1可采用公有云服务商提供的云端1。

控制中心3与云端1通过网络2实现通信，即网络2的功能为提供控制中心3与云端1的通信。控制中心3用于输入用户指令，以便根据输入的用户指令设定相应的参数，执行对应的操作，建立对云资源的索引等功能。用户指令可包括设定采集时间等。

控制中心3用于根据用户指令，采集供热系统中各换热站5的供热运行数据进行汇总，实时监控各换热站工作状态，根据需要调用云端1的、相应的云资源进行计算，执行对应的AI算法，接收云端1的计算结果，生成相应的控制指令，并对应发送至各换热站5。进一步地，控制中心3包括云端换热站监控平台4，云端换热站监控平台4用于根据用户指令，采集供热系统中各换热站5的供热运行数据进行汇总，实时监控各换热站工作状态。

多个换热站5通过供热系统的一次网连接供热厂，以便获取热能，每个换热站5通过供热系统的二次网连接至热用户，以便向热用户输送热能。

换热站5采用工业物联网技术，通过供热控制器对供热系统一次网和二次网温度、压力、流量等模拟量和开关量进行测量，并对调节阀、循环泵、补水泵等进行控制来保持热用户供热量的稳定。即，使用时，各换热站5的供热控制器监测该换热站5的供热运行数据并发送至控制中心3，控制中心3对大量数据进行计算、处理与分析，生成相应的控制指令，并对应发送至各换热站5，各换热站5的供热控制器接收并响应控制中心3发送的控制指令，执行相应的操作；其中，供热运行数据至少包括该换热站5连接的一次网的供回水温度、压力、流量及开关量数据，和该换热站5连接的二次网的供回水温度、压力、流量及开关量数据。

需要说明的是，本发明提供的换热站在线监控系统所监控的、包含有多个换热站5及一次网、二次网的供热系统可采用现有技术，在此不再赘述。

优选地，控制中心3与多个换热站5之间通过4G网络通信。

优选地，控制中心3实时监控各换热站工作状态时，还根据用户指令，定期生成生产分析报告；其中，生产分析报告至少包括各换热站5生产计划、生产调度和生产任务。此部分的生产，即向热用户供热。通过生成分析报告，能够获知各换热站工作计划(生产计划)和实际完成情况(生产任务)，以及执行中进行的调整内容(生产调度)。

进一步地，控制中心3实时监控各换热站工作状态时，还根据用户指令，定期生成设备管理报告；设备管理报告至少包括各换热站内设备的设备编号、设备名称、设备说明、所属站点、设备型号、安装时间、采购时间和维护时间。设备编号、设备名称可根据需要定义，设备说明即对于设备的补充信息，所属站点用于记录设备所在换热站，设备型号、安装时间、采购时间和维护时间等，可用于初步评估设备的性能。通过设备管理报告，能够获知各个换热站内设备的工作状态及使用年限等信息，以便实现对设备的统一管理和及时维护。

更进一步地，由于一次网(接入换热站5)的流量受到一次网中调节阀的开关量控制，二次网(接至热用户)的流量受到二次网中的循环水泵转速控制，若供热运行数据还包括二次网循环水泵转速、二次网补水箱水位、二次网补水泵转速数据等，则生产分析报告优选还包括各换热站5连接的一次网和二次网的流量数据随时间变化的趋势，以及二次网循环水泵转速、二次网补水箱水位、二次网补水泵转速数据随时间变化的趋势。

优选地，控制中心3实时监控各换热站工作状态时，还根据用户指令设置报警阈值，并实时比对汇总的各项供热运行数据与相应的报警阈值；当有某一个换热站5上传的某一项或多项供热运行数据中，存在超出相应的报警阈值的数据值，则生成相应的报警信号，并发送至对应换热站5。

优选地，控制中心3实时监控各换热站工作状态时，还根据用户指令设定滑动时间窗口，基于滑动时间窗口截取一项或多项历史数据，通过SVM热负荷预测模型或MLP热负荷预测模型分析历史数据并生成趋势预测报告，趋势预测报告至少包括各换热站5连接的一次网和二次网的供回水温度数据预测趋势，例如，保持当前一次网和二次网的压力、流量、开关量数据不变的情况下，下一个滑动时间窗口内一次网和二次网的供回水温度数据。

优选地，控制中心3还包括显示屏，用于显示供热运行数据和控制指令，进一步地，还可用于显示生产分析报告、设备管理报告、报警信号、趋势预测报告。

本发明提供的换热站在线监控系统利用物联网、大数据、云计算技术，能够对换热站供热系统的供热运行数据进行深度处理、计算、统计和预测，大大提高生产运营、设备管理、风险预警能力。

实施例二

本发明实施例提供的一种换热站控制方法，采用如上述任一实施方式所述的换热站在线监控系统实现，该控制方法具体包括如下步骤：

S1、结合室外温度以及各换热站连接的二次网的管道散热量，通过控制中心设定二次网的供回水温度，包括二次网供水温度设定值和二次网回水温度设定值；

S2、供热控制器采集各换热站的供热运行数据，并汇总至控制中心；控制中心通过网络调用云端的云资源；云端执行遗传方法，并行计算，优化各供热控制器PID控制过程，以二次网供水温度的实际值与二次网供水温度设定值之间的误差作为调节参数，调节一次网的调节阀来控制一次网流量，生成使调节参数归零的计算结果，并反馈给控制中心；控制中心根据云端的计算结果生成相应的控制指令，并对应发送；各换热站的供热控制器响应对应的控制指令进行调节，即以二次网供水温度为被控制量，使二次网供水温度的实际值保持在二次网供水温度设定值不变；

S3、当二次网供水温度的实际值达到二次网供水温度设定值，云端执行遗传方法，并行计算，优化各供热控制器PID控制过程，以二次网回水温度的实际值与二次网回水温度设定值之间的误差作为调节参数，调节二次网的循环水泵转速来控制二次网流量，生成使调节参数归零的计算结果，并反馈给控制中心；控制中心根据云端的计算结果生成相应的控制指令，并对应发送；各换热站的供热控制器响应对应的控制指令进行调节，即以二次网回水温度为被控制量，使二次网回水温度的实际值保持在二次网回水温度设定值不变。

如图2所示，当二次网的供回水温度维持在相应的设定值不变，二次网的供回水温度差就能保持在稳定值，即向热用户的供热量达到稳定。传统PID控制方法中，PID的三个参数主要是靠大量的调试和经验选出来的，有时候难以达到理想的控制效果，且耗费时间。本发明将遗传方法与PID控制结合起来，用遗传方法来进行PID控制过程的参数寻优，可取得较好的控制效果。

优选地，步骤S2和步骤S3中，云端执行遗传方法，并行计算，优化各供热控制器PID控制过程时，包括如下步骤：

步骤一、分别确定供热控制器PID控制过程的三个参数的范围和编码长度，并进行编码；

步骤二、随机产生N个个体构成初始的种群P(0)，N为大于2的正整数；

步骤三、将当前代的种群P(t)中的每个个体解码成对应的参数值，求代价函数值J及适应函数值f；

步骤四、应用复制、交叉和变异算子对当前代的种群P(t)进行操作，产生下一代的种群P(t+1)；

步骤五、判断步骤四产生的下一代的种群是否达到预定的指标，否则返回步骤三。

综上所述，本发明提供了一种换热站在线监控系统及换热站控制方法，该系统利用物联网、大数据、云计算可以对数据进行深度处理、计算、统计和预测，提高生产运营、设备管理、风险预警能力；该控制方法采用遗传方法优化的PID控制过程来实现换热站热用户供热量的控制，提高了换热站的控制精度、响应速度和稳定性。本发明能够将一个片区的多个换热站进行集中监控，实现资源共享、统一调配，从而提高生产效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种换热站在线监控系统，其特征在于，包括：云端、网络、控制中心和多个换热站；

所述云端包括云资源，用于实现大数据处理，利用云计算方法实现对换热站的控制；

所述控制中心与所述云端通过所述网络实现通信，用于输入用户指令；

所述控制中心用于根据用户指令，采集供热系统中各换热站的供热运行数据进行汇总，实时监控各所述换热站工作状态，调用所述云端的云资源进行计算，接收所述云端的计算结果，生成相应的控制指令，并对应发送至各所述换热站；

多个所述换热站通过供热系统的一次网连接供热厂，每个所述换热站通过供热系统的二次网连接至热用户，各所述换热站的供热控制器监测供热运行数据并发送至所述控制中心，接收并响应所述控制中心发送的控制指令；其中，供热运行数据至少包括一次网和二次网的供回水温度、压力、流量及开关量数据。

2.根据权利要求1所述的换热站在线监控系统，其特征在于：

所述控制中心与多个所述换热站之间通过4G网络通信。

3.根据权利要求1所述的换热站在线监控系统，其特征在于：

所述控制中心实时监控各所述换热站工作状态时，还根据用户指令，定期生成生产分析报告；所述生产分析报告至少包括各所述换热站生产计划、生产调度和生产任务。

4.根据权利要求3所述的换热站在线监控系统，其特征在于：

所述控制中心实时监控各所述换热站工作状态时，还根据用户指令，定期生成设备管理报告；所述设备管理报告至少包括各所述换热站内设备的设备编号、设备名称、设备说明、所属站点、设备型号、安装时间、采购时间和维护时间。

5.根据权利要求1所述的换热站在线监控系统，其特征在于：

所述控制中心实时监控各所述换热站工作状态时，还根据用户指令设置报警阈值，并实时比对汇总的各项供热运行数据与相应的报警阈值；当有所述换热站上传的一项或多项供热运行数据中，存在超出相应的报警阈值的数据值，则生成相应的报警信号，并发送至对应所述换热站。

6.根据权利要求1所述的换热站在线监控系统，其特征在于：

所述控制中心实时监控各所述换热站工作状态时，还根据用户指令设定滑动时间窗口，基于滑动时间窗口截取一项或多项历史数据，通过SVM热负荷预测模型或MLP热负荷预测模型分析历史数据，并生成趋势预测报告，所述趋势预测报告至少包括各所述换热站连接的一次网和二次网的供回水温度数据预测趋势。

7.根据权利要求1所述的换热站在线监控系统，其特征在于：

所述控制中心还包括显示屏，用于显示供热运行数据和控制指令。

8.一种换热站控制方法，其特征在于：采用如权利要求1-7任一项所述的换热站在线监控系统实现，具体包括如下步骤：

S1、结合室外温度以及各换热站连接的二次网的管道散热量，通过控制中心设定二次网的供回水温度；

S2、供热控制器采集各换热站的供热运行数据，并汇总至控制中心；所述控制中心通过网络调用云端的云资源；所述云端执行遗传方法，并行计算，优化各供热控制器PID控制过程，以二次网供水温度的实际值与设定值之间的误差作为调节参数，调节一次网的调节阀来控制一次网流量，生成使调节参数归零的计算结果，并反馈给所述控制中心；所述控制中心根据所述云端的计算结果生成相应的控制指令，并对应发送；各换热站的供热控制器响应对应的控制指令进行调节，使二次网供水温度的实际值保持在设定值不变；

S3、当二次网供水温度的实际值达到二次网供水温度设定值，所述云端执行遗传方法，并行计算，优化各供热控制器PID控制过程，以二次网回水温度的实际值与设定值之间的误差作为调节参数，调节二次网的循环水泵转速来控制二次网流量，生成使调节参数归零的计算结果，并反馈给所述控制中心；所述控制中心根据所述云端的计算结果生成相应的控制指令，并对应发送；各换热站的供热控制器响应对应的控制指令进行调节，使二次网回水温度的实际值保持在设定值不变。

9.根据权利要求8所述的换热站控制方法，其特征在于：

所述云端执行遗传方法，并行计算，优化各供热控制器PID控制过程时，包括如下步骤：

步骤一、分别确定供热控制器PID控制过程的三个参数的范围和编码长度，并进行编码；

步骤二、随机产生N个个体构成初始的种群，N为大于2的正整数；

步骤三、将当前代的种群中的每个个体解码成对应的参数值，求代价函数值及适应函数值；

步骤四、应用复制、交叉和变异算子对当前代的种群进行操作，产生下一代的种群；

步骤五、判断步骤四产生的下一代的种群是否达到预定的指标，否则返回步骤三。

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