探究智能建筑供热系统节能控制

韩煜

（太原市热力集团有限责任公司，山西 太原 030000）

智能建筑正逐步成为传统建筑的升级形式，因具有功能丰富、服务水平高等特点而深受工程人员以及用户的高度青睐。供热系统是智能建筑发展进程中的重要方向，在能源紧缺的背景下，探寻提高供热能力和减少能源消耗的优质供热系统设计方案具有显著的现实意义。

1 智能建筑供热节能控制系统概述

在现阶段的智能建筑供热系统发展进程中，分散控制系统（DCS）颇具代表性，此系统的运行水平直接影响到建筑的供热状况和节能状况。

1.1 供热系统中的分散控制系统

DCS供热系统是前沿的控制系统，集多项主流技术于一体，加之高精度、高稳定性硬件设施的配套，建成具有自动化的计算机控制装置。从DCS的组成来看，以操作师站和操作员站两部分尤为关键。

1.2 分散控制系统（DCS）的性能优势

DCS的性能突出，运行稳定性较好，各计算机的独立性较强，不易由于某部分存在异常而导致一系列的连锁故障；系统的操作具有便捷性；安全性能突出；能够提供可靠的供热功能，以满足建筑用户对供热提出的要求；系统具有智能化特色，可充分利用数据信息，推动供热工作的有效开展。

2 供热系统供热连接形式

2.1 直接供热系统

未配套混合装置，供热管道提供通道作用，使热水直接流向热用户，而后经由回水管返至供热公司。直接供热系统的构造简单，建设成本较低，但功能有限、适用场景具有局限性，例如需要确保设计供水温度低于系统最高热媒温度，否则不具备使用的条件，此外供回水管的自用压差限制作用较强，也会影响到系统的正常使用。

2.2 混水供热

以一次网和二次网为核心，共同组成混合供热系统。二次网向一次网输送适量的水，以保证水压可始终维持稳定。从混水方式来看，包含旁通管混水、二次网回水混水等。

2.3 间接连接供热

配置方式与混水供热方式具有趋同性，也含有一次网和二次网，此类系统的内部连接方式简单，采取的是一、二级供水网相连，一、二级回水网相连的方法。供水管的热水进入热力站换热器，促进热能传递，回水返回至供热系统回水管。在间接连接供热系统的运行中，循环水泵属于重要装置，在其作用下能够促进循环流动，但也正是由于系统配置丰富，导致其建设成本和后续的检维修成本相对较高。

3 智能建筑供热系统节能控制策略

集中供热系统的控制方式以质调、量调、综合调节为主。相比之下，质调更具便捷性，即供热量以调节供水水温的途径而实现，此方法在国内热力站中取得广泛的应用。但在供热需求和节能需求逐步提高的背景下，质调的不适性开始显现，此时需在原基础上探寻更具可行性的策略，例如基于负荷预报的质调量调供热节能控制方式，以此来保证供热可靠性和节能环保有效性。所提方式的原理框图，如图1所示。结合图中内容展开分析，以负荷为基准，确定二级网的温差和流量（被控量），再于该基础上建立起质调和量调回路，所构建的回路具有独立运行的特点，可保证供热的稳定性，同时也能够提高供热过程中的节能水平。

图1 质调量调供热节能控制机制

3.1 节能控制平台的选择

热力站节能控制装置和供热节能监控中心属于核心组成，在设计中，需要匹配适宜的技术开发平台，给设计工作的高效开展打好基础。在本次分析中，控制部分基于PLC技术平台进行设计，通信部分采用GPRS技术平台，此外还引入触摸屏技术平台，目的在于提高系统的人机交互水平。通过多项平台的联合应用，有效开展系统开发工作，其中底层PLC控制的互操作性突出，也便于日常维护工作的顺利进行，控制系统的控制机制稳定可靠、控制精度有所保障，GPRS通信的稳定性较佳、有利于通信的高效实现。

在监控中心的设计中，根据不同的设计需求采用特定的平台：MATLAB，用于开发负荷预报软件，此平台的计算功能突出，得益于此特性，即便是复杂度较高的负荷预报算法也依然能够有效实现；力控组态软件，可视化功能突出，可用于开发软件的界面，为日常操作的实现提供途径；0PC第三方软件，其关键功能在于实现对负荷预报软件和力控组态软件的通信。

3.2 供热节能监控系统设计

3.2.1 设计路线

设计思路，如图2所示。

图2 供热节能监控方案设计路线图

结合图2分析：通过PLC、GPRS、触摸屏的联合应用，开发热力站监控装置；此外，确定一套节能控制算法，起到预报供热负荷的作用，再进一步采取质调量调节能控制措施；供热节能监控中心软件也属于重点设计对象，基于组态软件而开展设计工作，结合监控中心，首先完成软硬件的安装作业，再安排调试，分析是否存在异常，确认无误后集成；按流程完成各项基础设计工作后，全方位检验各项功能和技术指标，判断是否达到要求。

3.2.2 供热节能监控系统的设计

以运行自动化、管理高效化、性能可靠为基本目标，开展供热节能监控系统的设计工作。设计实行模块化理念，目的在于提升系统的灵活性，以便后续可根据需求做系统增容、扩展及维护操作。以层次化的方式设计供热节能监控系统，即控制层、管理层和监控层，在各层之间建立起密切的关联，用GPRS实现控制层与管理层的通信，用Internet和以太网实现管理层和监控层的通信，各层共同配合，促进供热节能监控系统整体的有效运行。

1）控制层。现场控制器采用的是PLC，将仪表采集到的信号传递给执行器，进而根据信号做出相应的动作；通信基于GPRS而实现，与上位机管理层建立起无线通信；秉承人机交互的理念，设计互动性较好的触摸屏，以便工作人员借助屏幕完成信息查询、处理等相关操作。

2）管理层。监控中心主控机负责监测各项供热数据，在获得相应的数据后发送控制指令，进而调动某些仪器做出相应的动作，具体涉及到负荷预报、参数设定、异常状况报警等。

3）监控层。建立三层结构系统，即Client/Server/Database，在服务器的配套下，将监控中心主控机的数据传输给客户端，进而结合实际状况采取相应的远程控制措施，突破控制动作受空间限制的局限性。

4 供热节能控制装置的设计

4.1 供热节能控制装置所需具备的功能

围绕如下功能需求开展设计工作。

1）供热工况的监测。监测对象包含一、二级网的供回水温度和供回水压力，室外温度等。

2）供热负荷的控制。首先获得源自于监控中心的控制参数，再以此为参考，针对二级网供热负荷采取针对性的控制措施，保证供热负荷的合理性。

3）数据通讯。采集到的现场数据需被完整发送给监控中心，再由其做出相应的判断，结合对供热系统实际运行状况的判断结果下发指令，以此来建立起热力站与监控中心的联系关系，即双方能够实现高效的远程通讯。

4）故障报警及处理。加强对供热系统运行状况的监测，若发现压力、流量、温度等存在异常，则随即发出报警，以便在短时间内做妥善的处理。

5）补水泵的控制。适时启用补水泵，在此装置的辅助下适量补充二级网的水量，在此期间加强对二级网设定压力的检测，若该值达到要求则停止补水泵的运行。

4.2 供热节能控制装置的硬件设计

4.2.1 PLC硬件设计

PLC是典型的工业控制器，因具有稳定可靠、故障率低等多项特点而在工业、建筑等领域取得广泛的应用。在本次PLC硬件设计中，从节能控制装置功能规划的角度出发，确定热力站需采集的变量，再据此合理选择PLC。综合考虑到：一级网、二级网各自的供水温度、供水压力等模拟量输入；一级网的阀门开度等模拟量输出；自动控制与手动切换的开关量输入；二级网补水泵启停的开关量输出。

4.2.2 GPRS硬件设计

GPRS可提供端到端的IP连接，在各类频率高、距离远的数据传输中均具有可行性。各热力站的间距较大，为保证数据传输的有效性，可采取GPRS无线通信的方式。其中，用RS-485总线实现GPRSRTU与PLC的通信。

4.2.3 触摸屏硬件设计

人机界面为员工的日常操作提供了优质的平台，可实现参数监视、控制参数修改等功能。考虑到直观性和可操作性的要求，人机界面的设计充分关注到人的视觉感官，以文字、指示灯、动画等方式进行信息的呈现，便于工作人员更加高效地开展工作。

在人机界面的设计中，先在PC机完成，而后下载至人机界面，进而连接至PLC的C0M0口。在前述连接关系下，依托Modbus协议实现人机界面与PLC的通信功能。

触摸屏与PC机通信借助RS232通信线缆而实现，并自制通信线缆，以保证触摸屏与PLC主模块间能够进行有效的通信，具体思路如图3所示。艾默生PLC主模块提供两处通信接口，即C0M0、C0M01，前者与触摸屏通信，后者与GPRSRTU通信。

图3 HITECH与PLC通信接口

4.3 供热节能控制装置的软件设计

4.3.1 PLC软件设计

PLC程序按照图4循环依次运行：1）寄存器初始化；2）运行报警程序，若识别到异常状况，将随即启用该程序，做出响应；3）采样供热期间的参数，实现量程变换；4）通过通信程序的运行，建立起与监控中心的联系，彼此间能够保持稳定通信关系，也可实现对数据的高效传输；5）针对热力站执行机构采取控制措施。

图4 PLC程序运行流程

4.3.2 GPRS软件设计

经过GPRSRTU与PC机互联后，完成GPRSRTU终端设置操作，例如设定参数。具体的运行机制，如下：1）建立数据服务中心DSC。首先完成路由器NAT的设置，向对应PC机映射DSC的5002端口；运行软件DSC-DEM0，与此同时将相应的端口设为5002。按前述流程操作后，完成数据服务中心的建立工作；2）设置GPRSDTU参数。向PC机串口连接GPRSDTU模块，再借助Windows系统超级终端执行模块配置工作，具体覆盖至数据服务中心设置、数据终端单元设置等方面；3）通讯。重启GPRSDTU，连接DSCIP地址，按该方式完成GPRSDTU与DSC的连接操作后，两者即可建立通讯关系；4）GPRSDTU接入下位机，与DSC通讯，GPRSDTU断电后与PLC连接，而后给PLC上电，经过注册后可实现通讯；5）配置Commbridge组件，确保力控组态软件与PLC进行远程通信。

4.3.3 触摸屏软件设计

按照人机交互的理念开展触摸屏软件的设计工作，竭力为用户提供便捷的操作平台，具体思路如下：1）提供自动控制和手动控制两项功能，供操作者根据实际需求予以选择。手动控制对象包含补水泵启停、供水阀门开度和循环水泵泵速；自动控制则侧重于对各项关键参数的设定；2）为直观地呈现出供回水压力、供回水温度、室外温度、供热量、循环泵状态等关键的参数，开展参数检测显示功能的设计工作，确保操作人员可直观地获取到各项关键的参数，以便对供热系统运行状况做出判断，再针对不足之处采取相应的控制措施；3）过程参数显示及报警功能的设定也是触摸屏软件设计中的重点内容，具体涉及到一级网压力、温度超限、二级网流量超限等。

4.4 监控装置GPRS无线网络集成

从各设施的分布关系来看，热力站与管理中心保持较远的距离，由于距离的限制，日常管理工作的便捷性较差。针对该状况，采用无线GPRS进行数据通信，同时采取集成化的硬件设施配置方法，将节能监控装置集成至监控中心，再统一采取管理措施。在GPRS无线网络集成的方式下，建立一套相对完善的供热节能监控中心，其主要职责在于高效调度各供热节能监控装置，保证装置的稳定运行。

5 智能建筑供热节能监控中心软件实现

5.1 软件的功能分析

软件界面的设计主要根据日常工作需求而定，包含热力站地理分布界面、供热参数显示、实时趋势等。在建立供热监控中心软件后，以期提供如下几项功能：1）工况监测：热力站供回水温度、供回水压力等均是重要的监测对象，可予以呈现；2）参数设定：以热力站运行状态和供热目标为参考，完成对阀门开度、变频器频率等关键参数的设定工作，经过参数设定后，优化供热热力站的运行状态；3）供热量负荷预报：首先执行相关数据的采集操作，再建立样本数据，根据数据信息预报供热负荷；4）参数趋势显示：供热热力站在不同时间段的运行状态有所差异，为直观地展现出供热热力站的工作状况，提供参数趋势显示功能，例如显示一、二级网温度、压力，工作人员可查看最新的数据，也可回顾某特定历史阶段内的数据，再沿着时间轴线分析参数的变化趋势，进而对供热热力站的运行特性做出更加准确的判断；5）报警记录：对于供热热力站运行过程中出现的各类参数超出许可范围的情况，均会及时报警，与此同时各项参数将得到完整的记录，供工作人员查询。

5.2 监控中心软件平台的应用

从技术可行性、使用便捷性等方面做出综合分析，运行环境选择的是Windows，再进一步分析适用性较好的编程语言，考虑到C++Builder、VC++、VB、力控6.0软件（北京三维力控公司）等，最终将力控6.0作为设计平台，之所以做出此选择，主要是出于如下几点考虑。

1）力控6.0软件的便捷性和灵活性特征均较为突出，可嵌入格式多样的图片，也能够提供丰富的工程、画面模板，给组态开发工作的开展创设良好的条件，开发难度降低、工作量减少；2）力控6.0软件的功能丰富，包含事件处理功能、网络数据断线存储功能、恢复功能等；3）力控6.0软件的适应性较强，例如支持操作图元对象的各图层；4）力控6.0软件支持脚本对容器对象的直接操作功能，其优势在于可以借助校本来调用对象的方法及属性；5）力控6.0软件的报表操作函数集颇为丰富，可提供报表设计器；6）力控6.0软件还具有支持移动网络、支持网络冗余等特点，均给监控中心软件平台的开发创设了良好的条件。

5.3 监控中心软件架构设计

运行I/0程序，以便实时数据库采集供热现场数据，并为界面系统提供实时数据和历史数据，充分发挥出数据的应用价值。本次监控中心软件设计所采用的力控实时数据库能够为数据库之间提供通信条件，同时还可与负荷预报软件进行数据交互。在I/0驱动程序的配合下，监控中心可与热力站监控装置PLC建立通信关系，同时还能够依托0PC与负荷预报软件进行通信。

5.4 监控中心软件组态设计

5.4.1 I/0设备组态的设计

终端控制单元是监控中心的重要组成部分，此处选用的是型号为EC20的PLC，以1#热力站为例，围绕其具体的PLC参数设置展开探讨，阐述基本思路与方法：首先，为设备命名，即EC20_1#，赋予特定的“身份标识”，超时时间设为8s、更新周期设为50ms，通信方式采用CDMA、GPRS等，最大时限60min；在前述基础上，设置设备定义向导，引入的是UDP/IP通讯方式，UDP端口号为5002，终端编号为1；按照前述参数完成设定操作后，点击完成，从而结束I/0设备组态设计工作。

5.4.2 数据库组态设计

以模拟I/0点和数字I/0点最为关键，因此围绕两部分开展数据库组态设计工作。此处以1#热力站监控界面模拟I/0点为例，展开分析。例如，在一级网供水温度方面，点说明（DESC）为D101，测量初值为0.000，量程的下限、上限分别为0.000、100.000，在完成各项参数的设定工作后，点击确定；在前述基础上，设置连接项，元件可以考虑数据寄存器，采用的是16位有符号格式，偏移地址为101。

5.5 监控中心软件界面的设计

从如下几方面着手，开展各细分界面的设计工作，进而得到完善的监控中心软件界面。

1）热力站地理分布界面的设计：作为整个监控中心极为关键的一部分，其主要负责给出各热力站地理分布图，以此来全面反馈出各热力站的具体状况。

2）热力站工艺流程图界面的设计：图形中的信息主要包含热力站现场数据、工艺参数等，信息的呈现具有动态化特色和直观特色，以动画的形式予以呈现，以便工作人员更加直观地分析供热期间的运行工况，也能够确定各项关键的参数，依据数据更加准确地分析热力站的运行状况。

3）供热参数监控界面的设计：以数值的方式呈现，用于反馈供热期间的各项关键参数，是热力站供热状态的重要呈现途径。面向用户提供自动控制和手动控制两项功能，可根据实际需求灵活选择，保证控制的有效性。此外，供热参数监控界面还能够给员工控制设备启停提供途径，具有较为突出的人机交互特性。

4）热力站供热参数趋势图的设计：为了更加直观地呈现出热力站温度、压力的具体数据变化特征，设计供热参数趋势图，用于反馈各时间段的具体数据，以便判断特定时间段内各项参数的变化特征，一方面评估热力站的现有工作状况，另一方面则有利于预估其发展趋势，以前瞻性的理念采取控制措施。

5）供热实时报警界面的设计：着重考虑的是包含压力、流量、温度在内的各项关键供热参数，分别为各参数设定相应的控制区间，若实测值超出许可范围则进行报警，由相关人员及时察觉到该异常状况，随即采取相应的控制措施，尽快使设备恢复正常工作状态。

6 结语

综上所述，在社会经济日益发展的背景下，建筑的综合品质也应同步提高，同时居民对建筑供热提出更高的要求，因此有效提高建筑的供热水平尤为关键。纵观建筑行业的发展趋势，其正逐步朝着智慧建筑的方向迈进，在此背景下的供热系统设计工作需要以提高供热水平和节能水平为立足点而展开，积极响应国家的相关环保节能政策，做好硬件设计和软件配套工作，在软硬件的共同结合下，有效提高智慧建筑供热系统的综合运行水平，在满足用户供热需求的同时减少能源消耗，为社会经济的可持续发展助力。