冬季採暖是中國北方居民的生活需求之一，歷史可追溯至上世紀50年代，中國在友國援助下為城市居民安裝集中供暖系統。隨著人民對供暖公共服務需求、品質的提升，越來越多的供暖企業意識到了自身管理及產業現有技術的局限性，紛紛開啟了工業轉型、智慧化改造的浪潮。本文將結合機器對機器(M2M)通訊技術在工業供暖領域的應用，探究供暖產業無線智慧化改造的解決方案。
冬季採暖是中國北方居民的生活需求之一，歷史可追溯至上世紀50年代，中國在友國援助下為城市居民安裝集中供暖系統。隨著人民對供暖公共服務需求、品質的提升，越來越多的供暖企業意識到了自身管理及產業現有技術的局限性，紛紛開啟了工業轉型、智慧化改造的浪潮。本文將結合機器對機器(M2M)通訊技術在工業供暖領域的應用，探究供暖產業無線智慧化改造的解決方案。
供暖產業市場潛力大 智慧化改造成企業成長新驅力
目前，中國供暖分界線位於北緯33度附近的秦嶺和淮河一帶，包括北方十四省市自治區，取暖總面積超過206億平方公尺。其中，城鎮建築取暖面積141億平方公尺，農村建築取暖面積65億平方公尺。2+26城市城鄉建築取暖面積約50億平方公尺。
根據公開資料整理，2017年中國城鎮集中供熱管網總里程已超過31.2萬公里，其中供熱一級網長度約9.6萬公里，供熱二級網長度約21.6萬公里。集中供熱管網主要分布在城市，城市集中供熱管網總里程約23.3萬公里，占城鎮集中供熱管網總里程的74.6%，縣城集中供熱管網總里程約7.9萬公里，占城鎮集中供熱管網總里程的25.4%。從供暖時間上看，因地域不同有所差異，華北地區一般為4個月，東北、西北地方一般為5~7個月。
如此巨大的熱管網結構以及供熱市場資料，勢必會影響企業管理的能效。而隨著物聯網技術的成熟以及NB-IoT基於蜂巢式窄頻物聯網技術在工業領域的滲透，泛連接的概念被廣泛用於企業智慧化改造的進程當中。企業對換熱站的監控、熱管網的溫度採集，以及對住戶室內實際溫度的搜集分析，已成為供暖企業提升服務能效的關鍵。
工業無線技術積極推進換熱站智慧化改造
為了提高換熱站工作的高效性和準確性，通過對企業痛點特別是換熱站的具體需求分析，結合工業無線技術的應用，可以為換熱站增加如下功能：
1. PC遠端監控現場設備。
2. 通過手機瀏覽器隨時查看設備狀態。
3. 現場設備無須額外布置網線，資料通過寬頻蜂巢網路傳輸。
4. 全自動化控制，無人值守。
5. 維護升級容易、簡單。
整套系統採用HMI觸控式螢幕用於現場工作流程顯示、參數報警和資料儲存等功能，通過標準Modbus匯流排與智慧閘道、I/O模組、電參數採集模組相連。I/O模組負責類比量和數位量的輸入輸出，電參數模組負責採集系統的用電情況。最終路由器通過4G網路連接到伺服器，實現用戶通過手機或者電腦監控現場的即時情況(圖1)。
圖1 換熱站系統結構圖
為了保證換熱站參數監控的可靠性，在滿足GBJ/232-90、92《電氣裝置安裝工程施工及驗收規範》、《分散控制系統工程設計規定》等一系列中國國家規範及產業標準的同時，在控制上採用遠端本地相結合的方式，保證了系統的冗餘。
在管理上，只須通過主站即時報警就可以針對性的對子站進行緊急處理和及時維護，無須24小時人工看守，這樣節省了大量的維護成本、人工和時間，保證系統穩定可靠運行。
目前，中國供熱企業二次網蔓延分布距離換熱站遠近不等，為了換熱站轄區範圍內各熱用戶取得理想的供暖效果，對二次網供水壓力有一定要求，然而長期的高溫高壓又會對供熱管網壽命造成影響，而在一些偏遠、人員較少、無法利用有線網路加裝監控設備、無有效電源提供的環境下，管網的供回水壓力差監測是一個待解決的難題。
無線差壓變送器監測管網壓力實現熱網壓力平衡
隨著物聯網技術的普及，特別是工業無線技術在自動化檢測及資料獲取系統的進一步完善，使得熱源從工廠傳遞至用戶的每一條管網，都可以被即時檢測，上報故障狀態，從而實現管網壓力平衡，極大的延長了管網壽命。
結合對供熱管網的需求分析，針對管網導熱環境的特殊性，基於強大且低功耗的NB-IoT核心硬體、功能完備的軟體系統平台及客製化設計，透過對傳統差壓變送器的改造，增加了如下主要功能(圖2)：
圖2 深度客製的無線差壓變送器
1. 差壓感測器資料通過NB-IoT技術，直接上傳到雲端伺服器。
2. 可遠端設置壓力報警上下限值，壓力超限即時上報資料。
3. 可遠端設置資料上傳間隔。
4. 可遠端修改現場儀表資料。
5. 變送器量程在0~2MPa可選。
6. 測量精度0.1%FS、0.25%FS可選。
7. 工作溫度範圍：-25~75℃。
8. 防護等級IP67。
透過無線差壓變送器對管網的即時監控，企業能大幅提升對管網的監控力度，提前預警，有效避免因地區偏遠、環境因素造成的供熱不均，及其帶來的企業供熱成本增加等問題。也能透過壓力回饋，減少用戶自行建設的管網和供熱設施因品質問題造成的損失，降低供熱成本。
檢測節能措施形成資料閉環 提升企業運作效率
當熱能通過管網傳遞到住宅、商辦大樓時，由於目前運行的室外供熱管網多為枝狀管網，近熱遠冷，而且供熱系統普遍不能根據室外溫度的變化而適時有效的調節供熱流量和供水溫度，因此為保證供熱標準，供熱系統只能大流量超負荷供熱，這帶來的結果是系統漏損大，耗能高。
目前產業內提供節能的措施包括透過在換熱站中安裝氣候補償器、配套的電動閥門，以及室外溫度感測器完善對熱能的傳導、利用率。然而，節能的措施似乎並沒有完成對能量是否有效利用、溫差調控是否及時以及住戶對供暖的滿意程度是否改善等問題。安裝在商辦大樓、住宅等室內空間的溫濕度感測器，是供暖最後的一層資料，也是供暖的結果。企業若能抓取這層資料，加之與差壓控制器或熱力變送器配合，能有效解決上述問題。
相比於一般的溫濕度感測器，這種設備應滿足如下幾個特點：
1. 足夠美觀、小巧，特別是安裝在用戶住宅內。
2. 無須用戶設置組網，可由蜂巢式無線網路(如NB-IoT)技術完成資料傳輸。
3. 溫度、濕度直接上傳至雲伺服器。
4. 可根據供熱時間，遠端設置採集頻率、週期。
5. 保證1個供熱週期(供熱週期通常為：當年秋末到次年春季)，儲備充足電量工作。
通過這類室內溫濕度感測器，供熱企業能第一時間獲得供熱效能的分析資料，如：單使用者加熱到溫度穩定的時長及其平均時長、單使用者室內溫度及平均室內溫度等，配合熱力變送器及調節水閥轉速，達到溫差穩定調控。而這些資料，也能回饋作用於企業自身對設備的維護、升級，讓服務形成量化的資料，形成：「服務→資料→升級資料→服務」的閉環。
高效/節能/自動化 供熱技術三目標
中國對供熱有著巨大的潛在需求，商品化、社會化、市場化亦是今後城市供熱的主要發展趨勢。熱效率高、節能環保的熱電聯產機組是城市供熱技術的主要發展方向，隨即供熱管網運行調節自動化程度將越來越高，室內供熱系統也將實現分室溫控、單戶計量。最終，通過工業無線技術，對換熱站的無線智慧化改造、管網的無線監控改造、終端使用者資料的搜集分析，供熱企業完成了對供熱需求的智慧化，解決運營痛點的同時，伴隨著工業智慧化管理的進一步滲透，相信企業能順利突破運營瓶頸，提升價值。
(本文作者為芯訊通物聯網市場高級產業拓展經理)