CN114791122A - 一种基于dcs控制的用户型智慧供热系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统及控制方法。该系统相较于传统的集中供热系统，在每户的供热总管路增设供热用户终端，该终端执行机构为电动调节阀，终端通过4G网络将用户设置以及调阀实时开度上传至公网。将供热首站及厂外换热站各自的设备信号接入就地的DCS控制柜，控制柜将信号上传至公网。热网调度中心通过将上位机接入公网的方式，接收来自供热用户终端以及DCS控制柜的信号，经过DCS控制软件的数据分析处理，将控制信号再通过公网传输至供热首站及厂外换热站的DCS控制柜。本发明将供暖系统的信息通过公网传输，使用DCS系统控制相关设备，实现热网的集中管理与调度。

Description

一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统及控制方法

技术领域

本发明属于火力发电厂的自动控制技术领域，涉及一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统及控制方法。

背景技术

随着工业化城市化进程的推进，在能源需求逐步增加的同时产生的环境污染问题日益严峻，特别是在需要冬季长期供暖的北方地区，保证居民基本生活需求的同时需实现节能减排防雾治霾。作为污染大且热效率低的部分非集中供热方式已被逐步淘汰，由热电厂作为生产经营单位的集中供热系统在城市范围内获得了越来越广的应用。

主流的集中供热系统控制方案普遍采取综合调节的方式，即通过对供热首站或厂外换热站中循环泵及阀门等设备的控制，调节供热管网一次侧及二次侧的温度、压力、流量等参数，操作方式通常为运行人员就地控制或PLC自动控制。上述方案主要关注点为站内参数的调节，同时，在供热网络规模较大换热站多且分散时难以做到综合管理。对热网末端用户侧而言，供热量的需求与供给存在偏差，造成需求低谷时供给高，需求高峰时供给低的现象，不仅影响用户体验，也造成一定程度上的资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统及控制方法，以解决现有技术中供热网络难以综合管理的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统，包括供热用户终端、供热首站DCS系统和厂外换热站DCS系统；供热用户终端、供热首站DCS系统和厂外换热站DCS系统共同连接至热网调度中心；

所述供热用户终端包括连接的终端处理器和电动调节阀，终端处理器连接有用户移动设备，热网调度中心从终端处理器采集电动调节阀开度，以及预设各个时段的电动调节阀开度；

所述供热首站DCS系统包括第一交换机，第一交换机通过第一DCS控制柜连接有供热首站设备；热网调度中心通过第一交换机和第一DCS控制柜采集供热首站设备的开关量和模拟量；热网调度中心通过第一交换机和第一DCS控制柜控制供热首站设备的开关量和模拟量；

所述厂外换热站DCS系统包括第二交换机，第二交换机通过第二DCS控制柜连接有换热站设备；热网调度中心通过第二交换机和第二DCS控制柜采集厂外换热站设备的模拟量和开关量；热网调度中心通过第二交换机和第二DCS控制柜控制厂外换热站设备输出热量；

所述热网调度中心通过汇总的每一个供热用户终端的电动调节阀开度、预设各个时段的电动调节阀开度，结合供热系统的热管网参数以及气温，计算获得供热系统的总热量需求；所述热网调度中心根据总热量需求控制供热首站设备的开关量和模拟量，所述热网调度中心根据总热量需求控制厂外换热站设备的开关量和模拟量；

热网调度中心和终端处理器、热网调度中心和第一交换机、热网调度中心和第二交换机均通过公网交互信息。

本发明的进一步改进在于：

优选的，终端处理器通过蓝牙模块和用户移动设备连接。

优选的，终端处理器通过运营商物联网卡和热网调度中心连接。

优选的，每一个所述供热用户终端的运营商物联网卡具有唯一的IP。

优选的，所述第一交换机通过第一VPN防火墙网关接入公网。

优选的，所述第二交换机通过第二VPN防火墙网关接入公网。

优选的，若干个供热用户终端共属于同一个供暖区，每一个供暖区设置有一个厂外换热站DCS系统。

一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，采集每一个供热用户终端的电动调节阀开度、预设各个时段的电动调节阀开度；

步骤2，采集供热首站设备的开关量和模拟量；

步骤3，采集每一个厂外换热站设备的开关量和模拟量；

步骤4，汇总每一个供热用户终端的电动调节阀开度，以及预设的各个时段电动调节阀开度，结合供热系统的热管网参数以及气温，计算获得热网系统的总热量需求；进一步的折算出供热首站设备热量需求，以及每一个厂外换热站的热量需求；依据供热首站设备热量需求控制供热首站设备的开关量和模拟量；依据每一个厂外换热站的热量需求控制厂外换热站设备的开关量和模拟量。

优选的，步骤4中，控制供热首站设备的开关量和模拟量为调节换热机组一次侧调阀开度以及二次侧循环泵转速。

优选的，步骤4中，控制厂外换热站设备的开关量和模拟量为调节换热机组一次侧调阀开度以及二次侧循环泵转速。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统。该系统相较于传统的集中供热系统，在每户的供热总管路增设供热用户终端，该终端执行机构为电动调节阀，终端通过4G网络将用户设置以及调阀实时开度上传至公网。将供热首站及厂外换热站各自的设备信号接入就地的DCS控制柜，控制柜将信号上传至公网。热网调度中心通过将上位机接入公网的方式，接收来自供热用户终端以及DCS控制柜的信号，经过DCS控制软件的数据分析处理，将控制信号再通过公网传输至供热首站及厂外换热站的DCS控制柜。本发明将供暖系统的信息通过公网传输，使用DCS系统控制相关设备，实现热网的集中管理与调度。本发明在用户侧设供热用户终端，支持用户按需调节入户暖水流量，同时将用户相关信息发送至热网调度中心的DCS上位机。在保证本户供暖效果的同时为精确调控提供数据支持，达到节约能源和合理计费的目的。

本发明还公开了一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统的控制方法，该控制方法结合供热量的主要影响因素，提出一种供热量计算方法。相较于传统换热机组的控制策略，能够提供更为精准的设备运行参数。不仅关注站内参数的调节，同时保证用户的供暖需求。

附图说明

图1为本发明系统结构总图。

图2为本发明控制过程示意图。

其中，1-第一供热用户终端；2-第二供热用户终端；3-第三供热用户终端；4-第四供热用户终端；5-第五供热用户终端；6-第六供热用户终端；7-第七供热用户终端；8-第八供热用户终端；9-第九供热用户终端；10-第一厂外换热站设备；11-第二厂外换热站设备；12-第N厂外换热站设备；13-供热首站设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统及其控制方法，相较于传统的集中供热系统，在每户的供热总管路增设供热用户终端，该终端的执行机构为电动调节阀，终端通过4G网络将用户设置以及调阀实时开度上传至公网。将供热首站及厂外换热站各自的设备信号接入就地的DCS控制柜，控制柜将信号上传至公网。热网调度中心通过将上位机接入公网的方式，接收来自供热用户终端以及DCS控制柜的信号，经过热网调度中心中的DCS控制软件的数据分析处理，将控制信号再通过公网传输至供热首站及厂外换热站的DCS控制柜。

参见图1，本发明公开的基于DCS控制的用户型智慧供热系统包括供热用户终端、供热首站DCS系统、厂外换热站DCS系统和热网调度中心。

供热用户终端的物理位置为每户供热总管路处，供热用户终端包括蓝牙模块、终端处理器、运营商物联网卡和电动调节阀，终端处理器连接有蓝牙模块，蓝牙模块和每一个用户连接，终端处理器通过蓝牙模块与用户移动设备进行数据交互。终端处理器和电动调节阀连接，根据设定的指令控制电动阀门，电动阀门用于替代传统的供暖阀；终端处理器和运营商物联网卡连接，终端处理器通过运营商物联网卡和热网调度中心连接。设置供热用户终端的目的为按用户需求精细调控室内温度，同时能够为热网调度中心提供需要的信息。终端处理器通过蓝牙与用户移动设备进行数据交互，用户通过用户移动设备可设置当前以及不同时间段的阀门开度，同时将各设置值传递至终端处理器，终端处理器通过电动调节阀调节入户暖水流量以及室内温度。供热用户终端内置运营商物联网卡，通过4G网络将用户信息、当前阀门开度、预设的不同时段阀门开度等信息上传至热网调度中心。用户终端及物联网卡具有唯一IP，数据接收与处理侧可通过识别IP保证数据安全并确定用户物理位置。

供热首站DCS系统包括第一DCS控制柜、第一交换机和第一VPN防火墙；第一交换机和第一DCS控制柜连接，第一DCS控制柜和供热首站设备连接，具体的，第一DCS控制柜通过硬接线的方式，将供热首站设备的信号接入第一DCS控制柜，实现对供热首站设备的信号采集以及开关量模拟量控制。供热首站DCS系统中，第一DCS控制柜中的处理器DPU、第一交换机和第一VPN防火墙网关之间建立连接；第一交换机和第一VPN防火墙连接，第一VPN防火墙通过网关WAN口接入运营商公网，建立供热首站DCS系统与热网调度中心的双向数据传输通道。供热首站DCS系统无人值守，只需定期巡检。

厂外换热站DCS系统数量与热网中换热站数量相同，每个换热站就近设置一个厂外换热站DCS系统。每一个厂外换热站DCS系统包括第二DCS控制柜、第二交换机和第二VPN防火墙；每一个厂外换热站设备信号通过硬接线的方式接入对应的第二DCS控制柜中；DCS系统中，第二DCS控制柜中的处理器DPU、第二交换机、第二VPN防火墙网关之间建立连接，网关WAN口接入运营商公网，建立多个厂外换热站DCS系统与热网调度中心的双向数据传输通道。厂外换热站DCS系统无人值守，只需定期巡检。

热网调度中心包括交换机、VPN防火墙、工程师站、操作员站和打印机；交换机作为热网调度中心的中心部件，同时和VPN防火墙、工程师站、操作员站和打印机连接，进而交换机能够同时和VPN防火墙、工程师站、操作员站、打印机交换信息，通过识别IP的方式建立内部域。热网调度中心通过VPN防火墙接入公网，与供热用户终端、供热首站DCS系统、厂外换热站DCS系统建立数据交互通道。热网调度中心作为供热系统的数据处理中心，热网调度中心汇总每户电动调节阀开度信息，结合管网设计参数以及气象局发布的气温预告，计算出当前以及未来特定时刻的总热量需求。以需求为依据，通过DCS调节调门开度、循环泵转速、换热机组投运数量等设备状态，达到精准供热的目的。

进一步的，参考图2，热网调度中心采集来自不同供暖区以及供热首站的设备信息，结合公网的气象局气温信息，形成控制指令回传至供暖区中的就地设备及供热首站的就地设备。

每一个供暖区内有若干个供热用户终端，为方便理解，本发明的实施例中，一个供暖区内设置有三个供热用户终端。参见图2，供暖区1中设置有第一供热用户终端1、第二供热用户终端2和第三供热用户终端3，供暖区2中设置有第四供热用户终端4、第五供热用户终端5和第六供热用户终端6，供暖区n中设置有第七供热用户终端7，第八供热用户终端8和第九供热用户终端9。热网的一级调节在供热首站DCS系统中，每一个供暖区作为二级调节。热网系统中所有的气源都由供热首站设备提供，后经分支传输至各个供暖区，每个供暖区都设置单独的就地设备，即厂外换热站。设置供暖区能够根据区域内每一个用户终端的需求，提供相应的热量。供暖区1供热用户终端1、2、3等将每户的设备信息经汇总后发送至热网调度中心，供暖区1中的第一厂外换热站设备10将设备运行信号发送至热网调度中心，供暖区2至n的信息采集过程与供暖区1相同，分别将各自的厂外换热站设备云心信号发送至热网调度中心，经汇总，热网调度中心根据管网设计参数、供热面积、能量需求、气象局气温信息等数据计算得出不同时刻的总供热量，在接收供热首站就地设备13运行信号的同时发送控制指令。以每个供暖区为单元，分别计算各个供暖区在不同时刻的能量需求，将控制指令分别发送至第一厂外换热站设备、第二厂外换热站设备11和12第N厂外换热站设备等供暖区就地设备。

以下结合图1与图2说明本发明在热电厂集中供热控制领域的一个具体实施方案。

热网中的供热用户终端通过蓝牙采集用户移动设备的设置信息，将电动调阀不同时刻的设置开度、调阀当前开度、用户供热面积等基本信息通过运营商物联网卡传输至公网。供热首站及厂外换热站通过DCS系统采集设备运行数据，经交换机与VPN防火墙后通过运营商公网终端发送至公网。

热网调度中心的工程师站及操作员站通过交换机接收各个设备上传至公网的信息，同时由公网获取气象局发布的气温信息。以单个供热用户终端的不同时刻调阀预设开度为期望热量需求，以用户在管网中的物理位置、供热面积、外部气温为影响因素，计算出该用户的实际热量需求。将全部供热用户终端的实际热量需求累加即为管网总热量需求，折算出对应的总供热流量与温度。将供暖区内供热用户终端的实际热量需求累加即为该供暖区的热量需求，折算出该供暖区对应的供热流量与温度。

总供热流量与温度通过供热首站设备调节，将首站设备控制指令通过公网发送至供热首站DCS系统，调节不同时刻的总供热。供暖区对应的供热流量与温度通过供暖区设备调节，将不同供暖区设备控制指令通过公网分别发送至各个厂外换热站DCS系统，调节不同时刻的供暖区总供热。监视全部供热用户终端上传的预设开度与实际开度偏差，当总偏差过大时，向调度中心运行人员发出提示，同时解除以预设开度总量为依据的自动调节，由运行人员手动控制设备。

本发明还提出了一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统的控制方法，包括如下步骤：

(A)供热用户终端的控制及信息采集：用户使用移动终端通过蓝牙与供热用户终端连接，可设置电动调节阀当前以及一天内不同时间段的开度，调阀按用户设置调节室内暖水流量，实现按需采暖。供热用户终端使用运营商专用的物联网卡，通过4G网络将用户信息以及采集到的实时调门开度上传至公网，在反映用户侧热量需求的同时为供暖的合理计费提供依据。

(B)供热首站DCS系统的控制：供热首站中设备模拟量开关量等信号通过硬接线接入第一DCS控制柜中的对应卡件端子，第一DCS控制柜中DPU连接第一交换机以及第一VPN防火墙网关，将采集到的设备模拟量开关量等信号通过公网传输至热网调度中心。调度中心在运算处理后，根据热量总需求将控制信号通过公网回传至首站，调节换热机组一次侧调阀开度以及二次侧循环泵转速控制总供热量。

(C)厂外换热站DCS系统的控制：热网内各个厂外换热站中设备模拟量开关量等信号通过硬接线接入各自就地第二DCS控制柜中的对应卡件端子，第二DCS控制柜中DPU连接第二交换机以及第二VPN防火墙网关，将采集到的信号通过公网传输至热网调度中心。调度中心在运算处理后，根据每个厂外换热站供热区域内用户热量总需求以及室外温度，将控制信号回传至各个换热站，调节换热机组一次侧调阀开度以及二次侧循环泵转速控制供热量，满足用户实际需求。

(D)热网调度中心信息交互与处理：供热用户终端、供热首站DCS系统、厂外换热站DCS系统将信息采集并上传至公网，由调度中心VPN防火墙接入公网获取。VPN防火墙的LAN口接入调度中心交换机，实现与上位机的数据交互。DCS上位机分别统计每个换热站对应供暖区域的智慧供热用户终端信息，包括区域内用户调阀实时开度汇总信息以及调阀一天内不同时段预设开度汇总信息等。汇总换热站供暖区域内一天的预设开度总量，以每户登记的供热面积为权重，结合热网中管道铺设长度与供热规模等设计参数以及由公网获取的当天气温信息，计算得出换热站不同时刻的热量需求。将换热站热量需求累加，得出一天内不同时刻的总热量需求，折算后通过公网将控制信号发送至首站设备，再将每一个换热站的热量需求折算后分别通过公网将控制信号发送至各个换热站设备。供热用户终端调阀实时开度为供暖计费系统提供依据，当实时开度与预设开度汇总信息偏差较大且非系统故障时，向调度中心运行人员发出提示，同时解除以预设开度总量为依据的自动调节，由运行人员手动控制设备。

本发明的工作原理为：

热电厂冬季供暖普遍存在需求峰谷，日间气温较高且用户需求较小而夜间气温较低且用户需求较大，现有集中供热系统主要以运行人员就地操作为主，且换热机组较为分散。

供热用户终端使用户根据自身情况调节室内换热量，在合理利用能源的同时以调阀开度记录为依据结算采暖费。DCS系统以热网调度中心为控制中心，通过接入运营商公网的方式与就地设备以及用户终端进行数据交互，实现远程监测控制与统一调度。

热网供热总量需求由用户实际需求、室外温度、管网设计、供热面积等因素影响。通过用户对供热用户终端电动调节阀阀位的预设可知用户不同时段的实际需求；室外温度可参考气象局发布的气温预告并通过公网获取；管网的设计参数由工程设计方与建筑方提供；供热用户终端将内置的运营商无线网卡IP与户号、供热面积、物理位置等信息绑定并发送至调度中心。以供热面积为权将用户实际需求累加，考虑室外温度以及管网设计的热损耗，通过折算得出不同时刻的供热量。

Claims (10)

1.一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统，其特征在于，包括供热用户终端、供热首站DCS系统和厂外换热站DCS系统；供热用户终端、供热首站DCS系统和厂外换热站DCS系统共同连接至热网调度中心；

所述供热用户终端包括连接的终端处理器和电动调节阀，终端处理器连接有用户移动设备，热网调度中心从终端处理器采集电动调节阀开度，以及预设各个时段的电动调节阀开度；

所述供热首站DCS系统包括第一交换机，第一交换机通过第一DCS控制柜连接有供热首站设备；热网调度中心通过第一交换机和第一DCS控制柜采集供热首站设备的开关量和模拟量；热网调度中心通过第一交换机和第一DCS控制柜控制供热首站设备的开关量和模拟量；

所述厂外换热站DCS系统包括第二交换机，第二交换机通过第二DCS控制柜连接有换热站设备；热网调度中心通过第二交换机和第二DCS控制柜采集厂外换热站设备的模拟量和开关量；热网调度中心通过第二交换机和第二DCS控制柜控制厂外换热站设备输出热量；

所述热网调度中心通过汇总的每一个供热用户终端的电动调节阀开度、预设各个时段的电动调节阀开度，结合供热系统的热管网参数以及气温，计算获得供热系统的总热量需求；所述热网调度中心根据总热量需求控制供热首站设备的开关量和模拟量，所述热网调度中心根据总热量需求控制厂外换热站设备的开关量和模拟量；

热网调度中心和终端处理器、热网调度中心和第一交换机、热网调度中心和第二交换机均通过公网交互信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统，其特征在于，终端处理器通过蓝牙模块和用户移动设备连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统，其特征在于，终端处理器通过运营商物联网卡和热网调度中心连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统，其特征在于，每一个所述供热用户终端的运营商物联网卡具有唯一的IP。

5.根据权利要求1所述的一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统，其特征在于，所述第一交换机通过第一VPN防火墙网关接入公网。

6.根据权利要求1所述的一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统，其特征在于，所述第二交换机通过第二VPN防火墙网关接入公网。

7.根据权利要求1所述的一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统，其特征在于，若干个供热用户终端共属于同一个供暖区，每一个供暖区设置有一个厂外换热站DCS系统。

8.一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集每一个供热用户终端的电动调节阀开度、预设各个时段的电动调节阀开度；

步骤2，采集供热首站设备的开关量和模拟量；

步骤3，采集每一个厂外换热站设备的开关量和模拟量；

步骤4，汇总每一个供热用户终端的电动调节阀开度，以及预设的各个时段电动调节阀开度，结合供热系统的热管网参数以及气温，计算获得热网系统的总热量需求；进一步的折算出供热首站设备热量需求，以及每一个厂外换热站的热量需求；依据供热首站设备热量需求控制供热首站设备的开关量和模拟量；依据每一个厂外换热站的热量需求控制厂外换热站设备的开关量和模拟量。

9.根据权利要求8所述的一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统的控制方法，其特征在于，步骤4中，控制供热首站设备的开关量和模拟量为调节换热机组一次侧调阀开度以及二次侧循环泵转速。

10.根据权利要求8所述的一种基于DCS控制的用户型智慧供热系统的控制方法，其特征在于，步骤4中，控制厂外换热站设备的开关量和模拟量为调节换热机组一次侧调阀开度以及二次侧循环泵转速。

Images