李 磊 李光明 趙立強(qiáng)

(陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021)

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施加大建設(shè)，其中城市供熱系統(tǒng)中新熱力管網(wǎng)的建設(shè)與老熱力管網(wǎng)的改造，使供熱系統(tǒng)越來(lái)越龐大、分散、難以管理等[1]。換熱站控制器不同，控制器內(nèi)部通信協(xié)議也不同，造成了數(shù)據(jù)接口也不同，在對(duì)換熱站控制器通信時(shí)，需要頻繁的修改代碼。因此，將現(xiàn)場(chǎng)換熱站的數(shù)據(jù)源統(tǒng)一到同一個(gè)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間信息交互功能。

在工業(yè)4.0的影響下，OPC UA[2]就是符合CPS(Cyber-Physical Systems)[3]設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集框架，使客戶端數(shù)據(jù)獲取接口和服務(wù)器數(shù)據(jù)服務(wù)接口都采用OPC DA技術(shù)[5]，OPC DA的總體框架是C/S結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的集成[5]。

采用集中監(jiān)測(cè)與控制換熱站的方式，運(yùn)用GENESIS64面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)換熱站、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警控制、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)保存以及數(shù)據(jù)分析等，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供熱系統(tǒng)熱實(shí)時(shí)控制，并提高了工作效率。

1 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)換熱站供熱系統(tǒng)的控制特點(diǎn)和熱力公司的需求，設(shè)計(jì)基于換熱站的監(jiān)控與管理系統(tǒng)的需求功能，對(duì)設(shè)計(jì)的監(jiān)控與管理系統(tǒng)采用“分散控制，集中管理”的原則。對(duì)城市各個(gè)換熱站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)PLC控制器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，通過(guò)OPC DA硬件驅(qū)動(dòng)程序采集PLC控制器的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)送至主控中心的OPC UA服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)換熱站遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)信息存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)主控中心虛擬換熱站現(xiàn)場(chǎng)的控制環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市換熱站現(xiàn)場(chǎng)的集中監(jiān)控與管理。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

在現(xiàn)代城市供熱方式下，換熱站的監(jiān)控與智能化管理系統(tǒng)中，要對(duì)換熱站壓力、溫度、流量進(jìn)行監(jiān)控。在換熱站現(xiàn)場(chǎng)的溫度傳感器、液位傳感器以及流量、熱量傳感器有著很重要的地位。這些傳感器能夠及時(shí)檢測(cè)換熱站管網(wǎng)的壓力、溫度、液位以及流量、熱量的變化，經(jīng)過(guò)變送傳送給PLC控制器系統(tǒng)，可根據(jù)控制的邏輯關(guān)系，達(dá)到控制換熱站供熱的效果。其換熱站硬件框圖如圖2所示。

3 OPC UA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 OPC UA集成技術(shù)

通過(guò)OPC UA服務(wù)器的OPC DA硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)LC的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，使各個(gè)換熱站的信息通過(guò)以太網(wǎng)傳輸方式進(jìn)行傳輸，按照OPC UA接口規(guī)范，將采集的信息遷移到Web Service技術(shù)的框架下，發(fā)送至主控中心的OPC UA服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的換熱站監(jiān)控與管理系統(tǒng)。

根據(jù)OPC UA服務(wù)器的特點(diǎn)，需要將OPC UA采集的信息，傳輸?shù)娇蛻舳耍瑸槠涮峁┓?wù)與信息，可以將OPC UA分成七個(gè)主要模塊，OPC UA的不同模塊，可以完成不同的任務(wù)，這幾個(gè)模塊的功能，是相對(duì)獨(dú)立、相互協(xié)作的關(guān)系，它們共同組成了一個(gè)統(tǒng)一的整體。OPC UA地址空間結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.2 OPC UA數(shù)據(jù)采集

客戶端數(shù)據(jù)獲取接口和服務(wù)器數(shù)據(jù)服務(wù)接口都采用OPC DA技術(shù)，OPC DA的總體框架是C/S結(jié)構(gòu)的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中，直接讀取硬件數(shù)據(jù)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)接口直接讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、模擬量統(tǒng)計(jì)值數(shù)據(jù)和各種日志數(shù)據(jù)，Web Service釆用了面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到Web服務(wù)器上，利用Web Service接口上傳輸數(shù)據(jù)。

OPC UA與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線非常相似，因此也有人形象地稱OPC UA為“軟件總線”。OPC UA Server統(tǒng)一了現(xiàn)場(chǎng)的各種類型設(shè)備采集信號(hào)的數(shù)據(jù)格式，這樣就相當(dāng)于在不同的硬件設(shè)備之間創(chuàng)建了一個(gè)通用的通信平臺(tái)，不同廠家的硬件設(shè)備都可以通過(guò)OPC UA這個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)互相之間的通信。OPC UA通信流程如圖5所示。

3.3 OPC UA與GENESIS64的通信

本系統(tǒng)監(jiān)控部分是基于GENESIS64平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，它為用戶提供了眾多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過(guò)OPC UA可以通過(guò)Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信，它克服了基于DCOM的限制，實(shí)現(xiàn)了在任何操作系統(tǒng)下進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。OPC UA服務(wù)器與GENESIS64的通信如圖6所示。

4 換熱站集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

換熱站集中監(jiān)控與管理系統(tǒng)通過(guò)GENESIS64軟件編寫(xiě)，在計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面(Human Machine Interface，HMI)顯示換熱站現(xiàn)場(chǎng)控制環(huán)境及工藝流程。該系統(tǒng)包括用戶登錄、換熱站工藝流程、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警控制、報(bào)表生成。換熱站的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1)用戶管理模塊。主要保護(hù)換熱站監(jiān)控與管理系統(tǒng)，是從系統(tǒng)安全角度考慮，設(shè)計(jì)用戶登錄模塊，在通過(guò)用戶的驗(yàn)證之后，才能對(duì)換熱站監(jiān)控與管理系統(tǒng)進(jìn)行操作，從而保障供熱監(jiān)控與管理系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及主控中心管理的科學(xué)性。

2)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊。實(shí)時(shí)顯示采集到的各個(gè)換熱站的數(shù)據(jù)，如換熱站的壓力、流量、溫度、閥門(mén)開(kāi)度、水泵的起、停的狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)，并且能在換熱站的工藝流程圖上顯示，使管理人員形象、直觀了解換熱站的工作原理與運(yùn)行狀況。

3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。對(duì)換熱站的實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于管理人員對(duì)換熱站的歷史數(shù)據(jù)查詢，可以通過(guò)時(shí)間段的查詢，生成相應(yīng)的曲線，便于觀察數(shù)據(jù)的變化，并且與打印機(jī)相連，打印相應(yīng)的查詢記錄。

4)參數(shù)設(shè)定模塊。實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱站的調(diào)節(jié)以及報(bào)警的設(shè)置，通過(guò)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)換熱站的恒溫、恒壓與恒流的控制，最大程度上消除換熱站的熱力失調(diào)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)顯示參數(shù)的高低限的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱站溫度、壓力報(bào)警的設(shè)置，彌補(bǔ)對(duì)換熱站的報(bào)警的控制。

5)報(bào)表打印模塊。是根據(jù)換熱站的運(yùn)行記錄及各個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)上位機(jī)的編程界面，實(shí)現(xiàn)報(bào)表的生成以及自動(dòng)打印報(bào)表，報(bào)表包括換熱站的日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表以及程序的日志等。

6)報(bào)警語(yǔ)音與控制模塊。熱網(wǎng)異常自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警功能，當(dāng)換熱站運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常或換熱站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障，語(yǔ)音報(bào)警模塊會(huì)對(duì)相關(guān)的報(bào)警信息進(jìn)行詳細(xì)的語(yǔ)音報(bào)警，提示警情及對(duì)語(yǔ)音報(bào)警進(jìn)行控制，并將相關(guān)報(bào)警信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，便于警情分析。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究城市供熱系統(tǒng)的監(jiān)控與智能化管理，系統(tǒng)集成了上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)多種控制器，OPC UA數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)以及通信方式，對(duì)換熱站設(shè)備型號(hào)不同與控制設(shè)備通信接口體系標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)源統(tǒng)一到相同的平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間信息交互功能。經(jīng)過(guò)在呂梁某地區(qū)的熱電力公司進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)換熱站的無(wú)人值守和遠(yuǎn)程操控查詢等功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，界面友好，擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。