基于GCS系统的城市热网远程监控方案

　　1引言

　　城市热网是将大量热力用户通过热力管网连接起来，采用集中热源提供热量的一种供热系统。我国北方地区冬季寒冷，供暖期较长，人口相对密集的地区供热需求量大，城市热网的应用非常广泛。

　　城市热网监控系统的作用是提高供热系统的运行管理水平，为供热系统的运行管理提供一个良好的支持环境[1]。gcs控制系统是一种新型的、集成了多种控制功能、可视化、网络和信息技术的自动化系统平台。以gcs控制系统平台为基础，综合运用4c(computer，control，communication，crt)技术构建出先进的城市热网远程监控系统，可使城市热网具有自动、高效、安全的运行特征，对于节约能源、减少污染、降低运营成本、提高人民生活水平等方面具有重要的意义。本文将针对热网远程监控系统的构建问题展开讨论。

　　2城市热网远程监控的技术难点

　　2.1复杂的通信网络

　　在一个城市的热网系统中，换热站的数量可多至上百个，地理分布非常分散;热网也需要不断进行改扩建、扩容。这对热网监控系统的通信架构的灵活性和可扩展性提出了很高的要求。站控系统需对监控中心提供丰富的通信方式，重要换热站还需同时具备有线、无线的冗余通信方案。站控系统内部也需提供各类常用通信接口，以方便地连接触摸屏、专用控制器和变频器等智能仪表。

　　2.2复杂的现场环境

　　由气候条件和工艺特点决定，换热站站控系统的模块经常安放在没有环境控制的现场。因此站控系统必须具备较宽的环境适应能力：

　　工作环境温度范围：(-35~ +70)℃;

　　工作环境湿度范围：相对湿度5%～95%;

　　机柜(箱)ip防护等级：ip54;

　　系统部件ip防护等级：ip20。

　　换热站中普遍使用的大功率变频设备容易对站控系统产生较强的传导性干扰，雷击等干扰源容易通过通信线缆或供电线缆对站控系统造成干扰，换热站常用的无线通信设备也会产生空间电磁辐射骚扰，这就要求站控系统具备良好的emc性能。

　　2.3无人值守的站控系统

　　当换热站与监控中心之间的通信中断时，站控系统可以独立地完成就地控制，并在本地保存工艺过程数据，当通信恢复后将缓存数据续传至监控中心。换热站站控系统的控制规模不大，但是信号类型丰富、控制类型复杂，既要保证回路控制的平稳运行，又要保证顺序控制和连锁保护的快速可靠。

　　换热站控系统在供电中断状态下，站控系统的模块不应丢失程序，供电恢复后，站控系统会自动、快速进入正常工作状态，不需要人为干预。通过满足上述需求，使换热站真正实现无人值守。

　　3基于gcs的热网远程监控方案

　　3.1gcs系统概述

　　由中控研发的gcs系统是一种具备通用性的工业自动化控制平台，在应用领域上分为g3和g5两个系列，两系列之间可无缝连接。gcs控制平台结构如图1所示。

　　图1 gcs控制平台结构

　　(1)g3是分布式rtu控制系统，产品主要特点：

　　一体化设计、型号丰富，便捷地实现就地控制;

　　系统组网灵活，支持各种拓扑结构;

　　支持多种通讯协议，可方便地链接第三方设备;

　　防爆，防腐，工作温度范围(-40~ 80)℃。

　　(2)g5是大型混合控制系统，产品主要特点：

　　复杂模拟量控制和快速逻辑控制并重;

　　通信和i/o接口emc性能达到工业三级a等;

　　提供多种协议接口、支持多种操作平台;

　　支持全系统冗余配置，高可靠性。

　　g3与g5模块都有大容量flash存储器，用于数据的掉电保持和断线缓存，使换热站站控系统真正实现无人值守。

　　3.2热网远程监控方案

　　热网远程监控系统的整体拓扑见图2。

　　图2 基于gcs平台的热网远程监控方案拓扑结构

　　管理层所浏览到的画面及各类图表均由监控中心上位机监控软件采用web发布，管理层可通过企业内部局域网或internet浏览各个监控画面、生产数据，打印报表和实时分析，及时有效地掌控现场情况，实现换热站无人值守。

　　换热站中根据信号点的类型和数量确定rtu模块的型号和数量，完成本地控制，并将换热站的温度、压力、流量等运行参数通过各类通信方式上送至监控中心，接受监控中心下达的指令。换热站一般需配置触摸屏或一体化电脑作为就地操作站。

　　监控中心中每个操作员站安装一套监控软件vxscada，它可以通过opc或dde实现与管理层工作站或第三方设备间数据共享，它还提供104规约、modbus和用户自定义i/o驱动用于异构通信。过程控制网与管理层网络通过防火墙进行隔离。

　　监控中心和各换热站之间，根据通信距离、安装条件、链接关系、节点数量、速率要求、成本控制等因素，可灵活选择不同类型的通信方式，通常分为四大类：

　　利用控制系统的远程总线行进通信;

　　经由公网的有线或无线通信方式;

　　利用公共电话网络进行通信;

　　建立无线局域网(wlan)进行通信。

　　若通过公网进行数据，无论采用有线或无线的方式，都可在监控中心配置一个连接静态ip的路由器。各换热站相应地配置接入公网的通信设备，如路由器、gprs dtu等。通信采用c/s模式，通信设备作为client，目标地址设为中心站的静态ip。这样就形成了通过internet的数据透传模式，这种模式提供了极好的构架灵活性和可扩展性。

　　在每个无人值守换热站配置一台在线式ups，有效确保供电中断时能够提供零转换时间及高质量的电源，保证系统稳定工作。ups具有供电中断报警机制，当系统停电并切换到ups供电后，由ups产生报警，通过站控系统上传至监控中心，便于工作人员安排故障检修。

　　4应用案例

　　某城市热网项目中，设置首站换热站(一次换热站)一处，二级换热站37处。首站换热站的信号点较多、较密集，采用g5系统完成对换热机组和循环系统的控制。二级换热站的信号点较少，在每个换热站采用g3系列模块完成就地控制。由于二级换热站的负荷调解回路与首站的蒸气用量调解回路之间有联动关系，要求各个二级换热站与首站之间进行直接通信。整个热网远程监控系统的配置如图3所示。

　　图3 某城市热网远程监控系统结构简图

　　二级换热站站控系统采用gprs vpn方式与首站站控系统通信。gprs dtu模块可以自动拨号与公网建立连接。监控中心vpn server连接固定ip，每一个换热站的gprs dtu都与这个ip地址建立通信隧道，这样即使gprs dtu的地址变化，换热站也不会丢失与首站的通信连接。如果有扩建的需要，也可以很方便的增加远程连接的数量，只需按照这种方式配置新的gprs模块即可。

　　所有二级换热站配置的控制器模块都提供以太网接口，可以直接连接gprs dtu模块。gprs dtu以modbus tcp通信协议通过公网进行数据透传。首站g5系统中配置以太网连接模块，设置为modbus tcp server工作模式，各个换热站的gprs dtu模块设置为modbus tcp client模式，可以通过读写modbus tcp server不同地址的方法实现各个站数据的交互和区分，不会发生数据冲突。

　　5结束语

　　基于gcs系统的城市热网远程监控系统实现了对换热站运行参数的集中检测、控制、上传和下载，减少了维护人员的工作量，真正实现了换热站的无人值守。在换热站，基于混合i/o的rtu模块充分发挥了配置灵活、开放性好、安全可靠、性能优良、扩展方便、易于调试的优点，使换热站站控系统的安全性和稳定性有了可靠保障。在监控中心的管理人员可以通过操作站监控画面或大屏幕清楚地了解各个换热站的运行数据，使管理更加有针对性，有效的提高了热力系统的运行管理水平，为热力系统的运行管理提供一个良好的支持环境，节约了企业成本，提高了企业的经济效益[1]，热网远程监控系统的应用将在集中供热领域中越来越普遍。