基于GCS系統的城市熱網遠程監控方案

　　1引言

　　城市熱網是將大量熱力用戶通過熱力管網連接起來，采用集中熱源提供熱量的一種供熱系統。我國北方地區冬季寒冷，供暖期較長，人口相對密集的地區供熱需求量大，城市熱網的應用非常廣泛。

　　城市熱網監控系統的作用是提高供熱系統的運行管理水平，為供熱系統的運行管理提供一個良好的支持環境[1]。gcs控制系統是一種新型的、集成了多種控制功能、可視化、網絡和信息技術的自動化系統平臺。以gcs控制系統平臺為基礎，綜合運用4c(computer，control，communication，crt)技術構建出先進的城市熱網遠程監控系統，可使城市熱網具有自動、高效、安全的運行特征，對于節約能源、減少污染、降低運營成本、提高人民生活水平等方面具有重要的意義。本文將針對熱網遠程監控系統的構建問題展開討論。

　　2城市熱網遠程監控的技術難點

　　2.1復雜的通信網絡

　　在一個城市的熱網系統中，換熱站的數量可多至上百個，地理分布非常分散;熱網也需要不斷進行改擴建、擴容。這對熱網監控系統的通信架構的靈活性和可擴展性提出了很高的要求。站控系統需對監控中心提供豐富的通信方式，重要換熱站還需同時具備有線、無線的冗余通信方案。站控系統內部也需提供各類常用通信接口，以方便地連接觸摸屏、專用控制器和變頻器等智能儀表。

　　2.2復雜的現場環境

　　由氣候條件和工藝特點決定，換熱站站控系統的模塊經常安放在沒有環境控制的現場。因此站控系統必須具備較寬的環境適應能力：

　　工作環境溫度范圍：(-35~ +70)℃;

　　工作環境濕度范圍：相對濕度5%～95%;

　　機柜(箱)ip防護等級：ip54;

　　系統部件ip防護等級：ip20。

　　換熱站中普遍使用的大功率變頻設備容易對站控系統產生較強的傳導性干擾，雷擊等干擾源容易通過通信線纜或供電線纜對站控系統造成干擾，換熱站常用的無線通信設備也會產生空間電磁輻射騷擾，這就要求站控系統具備良好的emc性能。

　　2.3無人值守的站控系統

　　當換熱站與監控中心之間的通信中斷時，站控系統可以獨立地完成就地控制，并在本地保存工藝過程數據，當通信恢復后將緩存數據續傳至監控中心。換熱站站控系統的控制規模不大，但是信號類型豐富、控制類型復雜，既要保證回路控制的平穩運行，又要保證順序控制和連鎖保護的快速可靠。

　　換熱站控系統在供電中斷狀態下，站控系統的模塊不應丟失程序，供電恢復后，站控系統會自動、快速進入正常工作狀態，不需要人為干預。通過滿足上述需求，使換熱站真正實現無人值守。

　　3基于gcs的熱網遠程監控方案

　　3.1gcs系統概述

　　由中控研發的gcs系統是一種具備通用性的工業自動化控制平臺，在應用領域上分為g3和g5兩個系列，兩系列之間可無縫連接。gcs控制平臺結構如圖1所示。

　　圖1 gcs控制平臺結構

　　(1)g3是分布式rtu控制系統，產品主要特點：

　　一體化設計、型號豐富，便捷地實現就地控制;

　　系統組網靈活，支持各種拓撲結構;

　　支持多種通訊協議，可方便地鏈接第三方設備;

　　防爆，防腐，工作溫度范圍(-40~ 80)℃。

　　(2)g5是大型混合控制系統，產品主要特點：

　　復雜模擬量控制和快速邏輯控制并重;

　　通信和i/o接口emc性能達到工業三級a等;

　　提供多種協議接口、支持多種操作平臺;

　　支持全系統冗余配置，高可靠性。

　　g3與g5模塊都有大容量flash存儲器，用于數據的掉電保持和斷線緩存，使換熱站站控系統真正實現無人值守。

　　3.2熱網遠程監控方案

　　熱網遠程監控系統的整體拓撲見圖2。

　　圖2 基于gcs平臺的熱網遠程監控方案拓撲結構

　　管理層所瀏覽到的畫面及各類圖表均由監控中心上位機監控軟件采用web發布，管理層可通過企業內部局域網或internet瀏覽各個監控畫面、生產數據，打印報表和實時分析，及時有效地掌控現場情況，實現換熱站無人值守。

　　換熱站中根據信號點的類型和數量確定rtu模塊的型號和數量，完成本地控制，并將換熱站的溫度、壓力、流量等運行參數通過各類通信方式上送至監控中心，接受監控中心下達的指令。換熱站一般需配置觸摸屏或一體化電腦作為就地操作站。

　　監控中心中每個操作員站安裝一套監控軟件vxscada，它可以通過opc或dde實現與管理層工作站或第三方設備間數據共享，它還提供104規約、modbus和用戶自定義i/o驅動用于異構通信。過程控制網與管理層網絡通過防火墻進行隔離。

　　監控中心和各換熱站之間，根據通信距離、安裝條件、鏈接關系、節點數量、速率要求、成本控制等因素，可靈活選擇不同類型的通信方式，通常分為四大類：

　　利用控制系統的遠程總線行進通信;

　　經由公網的有線或無線通信方式;

　　利用公共電話網絡進行通信;

　　建立無線局域網(wlan)進行通信。

　　若通過公網進行數據，無論采用有線或無線的方式，都可在監控中心配置一個連接靜態ip的路由器。各換熱站相應地配置接入公網的通信設備，如路由器、gprs dtu等。通信采用c/s模式，通信設備作為client，目標地址設為中心站的靜態ip。這樣就形成了通過internet的數據透傳模式，這種模式提供了極好的構架靈活性和可擴展性。

　　在每個無人值守換熱站配置一臺在線式ups，有效確保供電中斷時能夠提供零轉換時間及高質量的電源，保證系統穩定工作。ups具有供電中斷報警機制，當系統停電并切換到ups供電后，由ups產生報警，通過站控系統上傳至監控中心，便于工作人員安排故障檢修。

　　4應用案例

　　某城市熱網項目中，設置首站換熱站(一次換熱站)一處，二級換熱站37處。首站換熱站的信號點較多、較密集，采用g5系統完成對換熱機組和循環系統的控制。二級換熱站的信號點較少，在每個換熱站采用g3系列模塊完成就地控制。由于二級換熱站的負荷調解回路與首站的蒸氣用量調解回路之間有聯動關系，要求各個二級換熱站與首站之間進行直接通信。整個熱網遠程監控系統的配置如圖3所示。

　　圖3 某城市熱網遠程監控系統結構簡圖

　　二級換熱站站控系統采用gprs vpn方式與首站站控系統通信。gprs dtu模塊可以自動撥號與公網建立連接。監控中心vpn server連接固定ip，每一個換熱站的gprs dtu都與這個ip地址建立通信隧道，這樣即使gprs dtu的地址變化，換熱站也不會丟失與首站的通信連接。如果有擴建的需要，也可以很方便的增加遠程連接的數量，只需按照這種方式配置新的gprs模塊即可。

　　所有二級換熱站配置的控制器模塊都提供以太網接口，可以直接連接gprs dtu模塊。gprs dtu以modbus tcp通信協議通過公網進行數據透傳。首站g5系統中配置以太網連接模塊，設置為modbus tcp server工作模式，各個換熱站的gprs dtu模塊設置為modbus tcp client模式，可以通過讀寫modbus tcp server不同地址的方法實現各個站數據的交互和區分，不會發生數據沖突。

　　5結束語

　　基于gcs系統的城市熱網遠程監控系統實現了對換熱站運行參數的集中檢測、控制、上傳和下載，減少了維護人員的工作量，真正實現了換熱站的無人值守。在換熱站，基于混合i/o的rtu模塊充分發揮了配置靈活、開放性好、安全可靠、性能優良、擴展方便、易于調試的優點，使換熱站站控系統的安全性和穩定性有了可靠保障。在監控中心的管理人員可以通過操作站監控畫面或大屏幕清楚地了解各個換熱站的運行數據，使管理更加有針對性，有效的提高了熱力系統的運行管理水平，為熱力系統的運行管理提供一個良好的支持環境，節約了企業成本，提高了企業的經濟效益[1]，熱網遠程監控系統的應用將在集中供熱領域中越來越普遍。