基于模糊控制分布式變頻恒溫供暖系統(tǒng)

孫 石，張俊康，郭改英，賈振國

（長春工程學院能源動力工程學院，長春130012）

0 引言

隨著自動控制技術的發(fā)展，以前的供熱難題現在從技術上來說，基本都可以得到解決。例如：供暖管網老化、不能根據需要按需供暖、冷熱不均、水力失調現象隨處可見，給人們的日常生活帶來很大的不便。熱力公司普遍采用調節(jié)閥節(jié)流的方式來提高供暖質量，但這種調節(jié)方式存在很大的弊端：第一節(jié)流造成了能量白白的浪費；第二這種調節(jié)方式容易造成供熱半徑減小，而且極易出現冷熱不均的現象。

針對上述問題，設計了分布式變頻恒溫供暖系統(tǒng)。本系統(tǒng)調網較傳統(tǒng)方式調網具有質的區(qū)別，傳統(tǒng)方式是通過熱用戶末端的閥門進行流量調節(jié)，這就要求主循環(huán)泵的揚程要足夠大，否則無法把壓頭送到管網末端，因為此時循環(huán)泵不僅僅要克服泵站阻力，還要克服最不利局部阻力和沿程阻力，這樣就要求主循環(huán)泵的功率必須很大。而分布式變頻供暖系統(tǒng)是逐級階梯遞送，由原來的推著水走變成現在的抽著走，主循環(huán)泵只需克服泵站和沿程管道阻力，至于用戶與管道之間的壓頭由變頻水泵抽著走，實現按需供熱［1］。

1 變頻恒溫供暖的模糊控制原理

模糊控制分布式變頻恒溫供熱系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)結構圖如圖1所示，先設定以下變量：T0為目標溫度，具體值可以根據各地區(qū)供暖要求和管網實際情況確定，T1為室內溫度，可以通過安裝在室內的溫度傳感器采集得到，e為二次管網供回水實際溫差與目標溫溫差的差值，即e＝t0－t1

（1）當e＜0時，說明此時室內溫度已經高于預設溫度，說明循環(huán)水泵轉得太快了，就用模糊控制器進行變頻微調，減小變頻器輸出頻率。

（2）當e＞0，說明此時室內溫度已經低于預設溫度，說明循環(huán)水泵轉得太慢了，模糊控制器進行變頻微調，增大變頻器輸出頻率，直到達到預設溫度。

（3）當e＝0，說明此時管網溫差剛好等于預設溫度，模糊控制器停止工作，水泵機組保持當前轉速。

（4）各熱用戶也可以根據自己的需要手動調節(jié)安裝在自家室內的變頻泵，實現自我控制。

2 分布式變頻恒溫供暖系統(tǒng)組成

分布式變頻恒溫供暖系統(tǒng)由可編程控制器PLC、變頻水泵機組、控制柜、變頻器、溫度傳感器等組成。其原理如圖2所示。系統(tǒng)采用1臺變頻器拖動若干臺變頻泵啟動、停止、運行和調速（根據現場設計的供暖情況而定）［2－4］。溫度傳感器采集室內溫度與設定溫度之間的差值，這個信號反饋給模糊控制器、PLC通過PLC控制變頻器輸出頻率進而調節(jié)水泵機組運行參數。

（1）PLC：采用西門子S7—300系列 的CPU315，同時選用EM235模擬量擴展模塊，它可以直接接受模糊控制器模擬量信號。

圖1 變頻恒溫控制原理圖

（2）變頻器：選用西門子變頻器 M440，它具有模擬量輸入控制性能，直接接受PLC控制指令，變頻調節(jié)分布式水泵機組流量。

（3）溫度傳感器：IN502GGPRS室溫采集器?；贕RPS的室溫采集器是面向室內溫度遠程監(jiān)測應用而開發(fā)的遠程溫度測量工具。其主要功能包括遠程無線測量度、超溫遠程報警、實時溫度、歷史溫度查詢、萬年歷顯示、設置鬧鐘等。主要用于供熱、樓宇自控、空調、環(huán)境控制、工業(yè)溫度控制、農業(yè)大棚種植、醫(yī)療、科研、節(jié)能等需要遠程監(jiān)測溫度的應用中。具有時時采集無線傳輸的功能。

圖2 分布式變頻恒溫供暖原理圖

3 模糊控制器的設計

3.1 模糊控制器輸入、輸出量的選擇

要實現模糊控制器恒溫控制供暖［4］，首先要確定模糊控制器的輸入、輸出量。本系統(tǒng)以預設溫度與傳感器采集的室內溫度之差E作為控制器輸入量，變頻器的輸出頻率Uf作為輸出控制變量，確定輸入、輸出的論域為｛－3，－2，－1，0，1，2，3，｝。在其論域內定義輸入、輸出變量的模糊子集。輸入變量E 為：｛NB（負大），NS（負?。琙0（零），PS（正?。?，PB（正大）｝。輸出變量UfNB（負大），NS（負?。?，Z0（零），PS（正?。?，PB（正大）｝。

3.2 模糊化和規(guī)則庫的建立

首先選擇輸入、輸出變量的隸屬函數。輸入變量隸屬函數選用三角形隸屬函數，如圖3。輸出變量選用三角形和梯形隸屬函數，如圖4。要實現模糊控制最核心的一步就是建立模糊規(guī)則，見表1。

圖3 輸入變量E隸屬函數

圖4 輸出變量Uf隸屬函數

表1 模糊控制規(guī)則表

3.3 模糊推理和去模糊化

根據表1中的模糊控制規(guī)則，求取模糊控制規(guī)則表，采用最大隸屬度法求取，見表2。

表2 輸出控制表

根據模糊控制規(guī)則表1可以推出一個模糊蘊含關系Ri（i＝1，2，3，4，5），這些模糊蘊含關系的并構成總的模糊蘊含關系，即：R＝R1∪R2∪R3∪R4∪R5

圖5 實驗數據直線圖

4 PLC軟件設計

該系統(tǒng)根據模糊控制器原理，PLC采用梯形圖編程，根據模糊控制器輸入偏差，采取閉環(huán)控制，程序由恒溫控制子程序、故障報警子程序、模糊控制表調取程序組成。恒溫控制子程序用來采集溫度傳感器數據，編寫控制算法，建立模糊控制器規(guī)則［5］。故障報警子程序用來對水泵過載、變頻器損壞、PLC故障進行診斷。模糊控制規(guī)則表用來調取程序數據，使PLC接受程序數據用來控制變頻器頻率，其中恒溫控制子程序流程圖如圖6所示。

圖6 恒溫控制流程圖

5 結語

本系統(tǒng)設計簡單，利用模糊控制器，不依賴具體數學模型。通過PLC控制變頻器輸出頻率，進而控制變頻泵，同時又能實現手動調節(jié)。本設計既利用了PLC超強的抗干擾能力，又運用了人工智能控制的特點，不僅節(jié)能，而且自動化程度高，又能滿足不同熱用戶的供暖需求。希望在以后分布式變頻供暖系統(tǒng)的工程應用中，在已有管道系統(tǒng)改造設計當中能提供一定的參考。

［1］石兆玉.實施分布式循環(huán)供熱系統(tǒng)時應注意的幾個問題［J］.區(qū)域供熱，2013（2）：1－5.

［2］喬維德.應用PLC模糊控制實現變頻調速恒壓供水［J］.工礦自動化，2007（3）：118－120.

［3］王建中，王裕，魯仁全.水泵變頻調速節(jié)能的模糊控制［J］.杭州電子科技大學學報，2007（6）：79－81.

［4］肖崢，林濤.基于模糊控制的皮帶機變頻調速系統(tǒng)設計及實現［J］.電氣傳動，2008（9）：65－67.

［5］黃衛(wèi)華.模糊控制系統(tǒng)及應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.