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1 案例背景

熱源站是城市供熱節(jié)點(diǎn)的熱源場(chǎng)所。它的作用是根據(jù)熱網(wǎng)工況和不同的條件，調(diào)節(jié)熱源，向熱用戶系統(tǒng)分配熱量以滿足用戶采暖需求，并根據(jù)需要，進(jìn)行集中計(jì)量、檢測(cè)供熱熱媒的參數(shù)和數(shù)量。

控制、調(diào)節(jié)設(shè)備的完善程度是熱源站技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志。由于熱負(fù)荷具有隨生產(chǎn)工藝過(guò)程、季節(jié)和時(shí)間變化的特點(diǎn)，只有采用自動(dòng)調(diào)節(jié)才能使供熱介質(zhì)的數(shù)量和參數(shù)適應(yīng)用戶采暖需要，避免浪費(fèi)。

青島某熱源站包括一套部署在監(jiān)控室管網(wǎng)控制系統(tǒng)以及兩個(gè)鍋爐自身的控制系統(tǒng)。管網(wǎng)控制系統(tǒng)由一套小型PLC及電氣柜HMI組成，該電氣柜HMI與小型PLC負(fù)責(zé)熱源站整體工藝狀態(tài)顯示，并按照管網(wǎng)供水、回水側(cè)溫度、壓力等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)管網(wǎng)補(bǔ)水泵、循環(huán)水泵。此外，兩個(gè)鍋爐本身的PLC控制器以及HMI負(fù)責(zé)本鍋爐自身的控制調(diào)節(jié)。

熱源站的工程師表示：“目前監(jiān)控室的小型PLC無(wú)法接入兩個(gè)鍋爐的控制器，導(dǎo)致監(jiān)控室HMI無(wú)法實(shí)現(xiàn)監(jiān)視鍋爐數(shù)據(jù)，無(wú)法從監(jiān)控室HMI控制鍋爐，運(yùn)行時(shí)工程師需要到三個(gè)地方分別監(jiān)視、操作三個(gè)HMI，極不方便。”

此外，作為熱源站運(yùn)營(yíng)方，燃?xì)夤鞠Ｍ軌虿杉竭\(yùn)行數(shù)據(jù)，包括管網(wǎng)數(shù)據(jù)以及鍋爐狀態(tài)數(shù)據(jù)，而管網(wǎng)控制系統(tǒng)的PLC無(wú)法接入兩個(gè)鍋爐的控制器以及熱源站的電表和熱表，如果要采集整個(gè)熱源站數(shù)據(jù)則需要部署多個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，耗費(fèi)較大。

2 案例實(shí)施

如何能夠解決城市熱源站的痛點(diǎn)，東土科技打造全新以工業(yè)服務(wù)器為核心的控制系統(tǒng)方案，進(jìn)行智慧升級(jí)。該控制系統(tǒng)主要解決這些問(wèn)題：

（1）提供一套統(tǒng)一操作員站環(huán)境，該操作員站不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱管網(wǎng)參數(shù)、設(shè)備的監(jiān)視控制，還能對(duì)兩個(gè)鍋爐進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和節(jié)能控制；

（2）提供歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可支持一個(gè)供暖季的運(yùn)行數(shù)據(jù)保存到本地；

（3）提供統(tǒng)一對(duì)外數(shù)據(jù)接口，將鍋爐數(shù)據(jù)及熱源站管網(wǎng)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)以及管網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)外發(fā)給燃?xì)夤镜倪吘墤?yīng)用以及數(shù)據(jù)上云；

為了解決這些問(wèn)題，其重點(diǎn)是要統(tǒng)一接入現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，包括熱源站管網(wǎng)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、鍋爐數(shù)據(jù)以及熱源站電表、熱表數(shù)據(jù)。并基于整體的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；

（4）進(jìn)行統(tǒng)一的節(jié)能策略運(yùn)算；

（5）提供統(tǒng)一的監(jiān)視環(huán)境；

（6）提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及對(duì)外數(shù)據(jù)接口。

圖1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

該控制系統(tǒng)外部接口包括：

（1）通過(guò)Modbus接入兩個(gè)鍋爐控制器、電表、熱表；

（2）通過(guò)MQTT將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)外發(fā)客戶云平臺(tái)；

（3）通過(guò)遠(yuǎn)程I/O的方式連接現(xiàn)場(chǎng)傳感器及水泵、變頻器、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，取代原監(jiān)控室管網(wǎng)控制系統(tǒng)的小型PLC；

（4）外接一套顯示屏及鼠標(biāo)鍵盤提供了操作員站人機(jī)交互環(huán)境。

工業(yè)服務(wù)器預(yù)裝具備高實(shí)時(shí)虛擬化特性的Intewell-H工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣操作系統(tǒng)，提供了若干個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)可用于執(zhí)行虛擬PLC控制任務(wù)以及一個(gè)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)可用于執(zhí)行SCADA任務(wù)和邊緣計(jì)算任務(wù)。

圖2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

工業(yè)服務(wù)器的虛擬PLC完全替代監(jiān)控室的原小型PLC，通過(guò)遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，完成管網(wǎng)設(shè)備的控制、傳感器數(shù)據(jù)采集功能。同時(shí)，虛擬PLC接入兩個(gè)鍋爐控制器、熱源站的電表以及熱表，在虛擬PLC內(nèi)運(yùn)行熱源站的氣候節(jié)能以及時(shí)間節(jié)能算法，并下發(fā)給鍋爐控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的節(jié)能調(diào)節(jié)。

東土科技提供完全自主研發(fā)的、符合IEC61131-3規(guī)范的工業(yè)控制編程平臺(tái)MaVIEW，以支持工程人員對(duì)進(jìn)行虛擬PLC控制編程。MaVIEW支持常見的IEC61131-3編程語(yǔ)言，支持圖形化拖拽式編程，支持對(duì)工業(yè)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化配置。

Intewell-H的非實(shí)時(shí)系統(tǒng)預(yù)裝KySCADA應(yīng)用，通過(guò)KySCADA的數(shù)據(jù)庫(kù)整合整個(gè)熱源站控制系統(tǒng)包括管網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)、鍋爐數(shù)據(jù)以及電表熱表數(shù)據(jù)，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)接口。

Intewell-H提供了開放的編程生態(tài)。非實(shí)時(shí)系統(tǒng)支持常見的Windows/Linux，提供支持C/C++的針對(duì)操作系統(tǒng)的開發(fā)軟件以支持用戶深度開發(fā)應(yīng)用，KySCADA數(shù)據(jù)庫(kù)提供了數(shù)據(jù)讀寫的API，支持客戶基于應(yīng)用需要開發(fā)數(shù)據(jù)清理、預(yù)測(cè)性維護(hù)等邊緣計(jì)算應(yīng)用。

工業(yè)服務(wù)器提供了豐富的接口和協(xié)議。集成常見的Modbus RTU、Modbus TCP、CANopen、EtherCAT、MQTT等協(xié)議，輕松對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)各種專用設(shè)備。非實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供了KyGate協(xié)議網(wǎng)關(guān)軟件，將KySCADA數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)通過(guò)KyGate實(shí)現(xiàn)與客戶云平臺(tái)對(duì)接。

3 效益分析

（1）節(jié)能。從前每個(gè)鍋爐自己的節(jié)能策略單獨(dú)設(shè)置，且鍋爐的節(jié)能策略無(wú)法與管網(wǎng)的水泵等設(shè)備實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)控制。我們將鍋爐控制器數(shù)據(jù)與管網(wǎng)設(shè)備參數(shù)統(tǒng)一接入到一個(gè)虛擬PLC，建立統(tǒng)一的節(jié)能策略，可以根據(jù)環(huán)境溫度以及所處時(shí)間段，自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐燃燒溫度以及水泵頻率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)節(jié)能。

（2）解放人力。提供了統(tǒng)一的人機(jī)監(jiān)控界面，工程師無(wú)需跑三地操作三個(gè)HMI。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)視。由工業(yè)服務(wù)器統(tǒng)一采集了鍋爐房整體工藝的參數(shù)狀態(tài)以及鍋爐控制器的參數(shù)狀態(tài)，提供了統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)接口，實(shí)現(xiàn)按需將采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一上云，運(yùn)營(yíng)方可遠(yuǎn)程對(duì)熱源站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視以及運(yùn)營(yíng)計(jì)量。

4 案例總結(jié)

該項(xiàng)目結(jié)合了燃?xì)夤镜墓?jié)能理念，建立了一種以工業(yè)服務(wù)器為核心的控制系統(tǒng)，是行業(yè)內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、人機(jī)交互、邊緣計(jì)算、物聯(lián)上云于一體的落地案例。

采用一臺(tái)工業(yè)服務(wù)器替代了傳統(tǒng)熱源站方案的PLC控制器、SCADA服務(wù)器、操作員站工控機(jī)、工程師站工控機(jī)、邊緣計(jì)算工控機(jī)、邊緣網(wǎng)關(guān)多臺(tái)設(shè)備，可以給熱源站控制系統(tǒng)搭建帶來(lái)更低的設(shè)備采購(gòu)成本、更少監(jiān)控系統(tǒng)占地面積、更短的工程施工周期。這一全新的控制系統(tǒng)方案將引領(lǐng)行業(yè)內(nèi)眾多供熱企業(yè)向智能化升級(jí)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年3月刊