换热站是城市集中供热系统中连接热源与用户的关键节点，传统人工巡检模式存在响应滞后、数据不连续等问题。本文以某城市换热站无人值守改造为背景，给出以 PLC 为控制核心、工业触摸一体机为本地人机界面与边缘数据节点的系统构成，阐述宽温防凝露、通信冗余、断网缓存与权限分级等关键设计，并结合供热季运行数据给出实施建议。

## 关键词

换热站；无人值守；工业触摸一体机；Modbus TCP；边缘数据缓存

## 1 改造背景

该市集中供热覆盖多个居民区与公建热用户，热力公司下辖换热站数量较多，且站点分散在城区不同位置。改造前，各换热站采用人工巡检模式：运行人员每日到站抄录一次网、二次网的温度、压力、流量参数，手工记录后再电话上报调度中心，数据以纸质台账为主。

这种模式的问题在供热季集中暴露。抄表间隔以小时计，管网参数在两次巡检之间处于盲区，二次网供回水温差异常、循环泵振动增大等问题往往要等到用户反映室温不足才被发现；巡检受天气与交通影响，遇到降雪夜间数据更容易缺失，调度中心难以掌握全网的实时工况；同时每站固定投入人力，巡检成本逐年上升。为降低巡检成本、补齐数据短板，热力公司决定对辖区换热站实施无人值守改造，改造思路确定为"现场自动控制、本地可视可操作、远端集中监视"，即站内保留可操作的本地人机界面，运行数据全部接入调度中心。

## 2 系统构成

系统按"现场采集—本地控制—边缘缓存—远端上传"四层组织（见图1：换热站监控系统构成框图）。

现场采集层：一次网与二次网的供回水温度采用 Pt100 热电阻测量，压力与流量信号以 4-20mA 标准信号接入，各类信号统一送入 PLC 控制柜。

本地控制层：PLC 完成循环泵、电动调节阀的联锁保护与调节回路控制。即使在远端通信中断的情况下，站内自动控制逻辑也不受影响，供热过程连续进行。

本地监视层：工业触摸一体机通过 Modbus TCP 与 PLC 通信，承担站内人机界面显示、参数整定、历史数据缓存三项职能，是运行人员在现场的可视化操作入口，也是数据的边缘缓存节点。

远端上传层：数据经光纤链路为主、4G 链路为备的方式上传调度中心，调度中心可远程调阅各站实时数据与历史曲线，并向站内下达运行参数调整指令。

主要设备配置见表1。

表1 设备配置表

| 设备 | 型号规格要点 | 数量 |
| --- | --- | --- |
| 温度传感器 | Pt100 热电阻，一体化变送输出 | 6~8 |
| 压力/流量变送器 | 4-20mA 二线制，量程按管网参数选配 | 4~6 |
| PLC 控制器 | 支持 Modbus TCP，双以太网口，I/O 按点表配置 | 1 |
| 工业触摸一体机（广州微嵌） | 15.6 寸，宽压 DC24V，-10~60℃，ARM RK3568，IP65 前面板 | 1 |
| 工业交换机 | 导轨式，百兆 5 口 | 1~2 |
| 4G 路由器 | 双卡，支持 VPN 专网接入 | 1 |

## 3 关键设计与实施

**宽温与凝露防护。**换热站内靠近一次网侧的管沟与柜体区域湿度大、温度波动明显，普通办公级终端容易出现低温启动失败或凝露导致触摸失灵的情况。站内终端按 -10~60℃ 宽温指标选型，前面板防护等级取 IP65，柜内加装加热模块与温湿度控制开关，低温时先加热后上电，投运以来未再出现冬季触摸漂移问题。

**Modbus TCP 通信冗余。**一体机与 PLC 之间采用 Modbus TCP 通信，一体机双网口分别接入交换机的不同端口，任一链路中断后通信自动切换；轮询周期设定在 500ms~1s，兼顾数据实时性与总线负载。PLC 侧保留独立的联锁保护逻辑，通信层故障不影响站内安全控制。

**断网本地缓存。**上传链路以光纤为主、4G 为备，两条链路均中断时，一体机在本地按设定速率缓存历史数据，链路恢复后按时间戳自动补传，调度中心侧数据曲线保持连续。缓存容量按连续断网 7 天考虑，避免长时间断网造成数据缺口。

**权限分级。**现场操作权限分为观察、运行、维护、管理员四级，二次网供水温度设定值等关键参数的修改需管理员授权并自动留存操作记录，防止误操作造成供热波动。站内控制柜的终端布置见图2：站内控制柜终端布置示意图。

## 4 实施结果

系统完成安装调试后，经过一个完整供热季运行，据项目方反馈的统计区间：单站人工巡检频次由每日 2~3 次降至每周 1~2 次；数据采集间隔由人工抄表的小时级缩短至 5~10 秒级；供热参数异常的发现时长由 2~8 小时缩短至 1~5 分钟；单站折算人力投入下降约 40%~60%。改造前后的主要指标对比见表2。

表2 改造前后对比表

| 指标 | 改造前 | 改造后 |
| --- | --- | --- |
| 巡检频次 | 每日 2~3 次 | 每周 1~2 次 |
| 数据采集间隔 | 小时级（人工抄表） | 5~10 秒级 |
| 故障发现时长 | 2~8 小时 | 1~5 分钟 |
| 单站人力投入 | 约 0.5~1 人 | 约 0.2~0.4 人 |

从运行情况看，调度中心实现了按站调阅历史曲线与集中告警，供热调节由凭经验的粗放方式转向依据数据的方式，供热季用户侧投诉量较上一供热季有明显下降。改造方案也验证了"本地终端保留人机界面"这一设计思路的实用性：检修人员到场时，可直接在站内查看实时参数与历史曲线，不必依赖移动终端回传。

## 5 经验与建议

1. 终端选型应把环境适应性放在参数表靠前的位置，宽温、IP65 前面板与防凝露措施直接决定站内终端的故障率，建议优先于屏幕尺寸、处理器主频等参数考虑。

2. 通信设计按"主备双链路加本地缓存"考虑，供热季网络波动难以避免，断网补传能力是无人值守方案能否被运行人员接受的关键，缓存周期与补传机制要在调试阶段实测验证。

3. 改造要与管理制度同步调整，权限分级、操作记录、远端告警的处置流程应在投运前与运行班组交底并演练，避免出现设备可用而运行流程跟不上的情况。