基于CC2530的無人值守?fù)Q熱站智能控制系統(tǒng)

郭耀華

（唐山學(xué)院 信息工程系，唐山 063008）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，換熱站自動(dòng)控制技術(shù)也在不斷發(fā)生改變和進(jìn)步。無人值守?fù)Q熱站改變了傳統(tǒng)的人工操作熱力系統(tǒng)管理模式，節(jié)能效果好、自動(dòng)化程度高，因此無人值守?fù)Q熱站在實(shí)際中得到了越來越多的應(yīng)用[1]。

近些年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)為載體的實(shí)時(shí)平臺(tái)逐漸進(jìn)入應(yīng)用階段，本設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術(shù)，以換熱站的控制參數(shù)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于CC2530芯片無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的換熱站智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了換熱站無人值守功能。系統(tǒng)能與GPRS通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，將控制參數(shù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，這樣既實(shí)現(xiàn)了換熱站自動(dòng)控制，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了與遠(yuǎn)程監(jiān)控中的數(shù)據(jù)交互。

1 系統(tǒng)概述

整個(gè)系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。每個(gè)換熱站組成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中換熱站的一次側(cè)流量、一次側(cè)溫度、二次側(cè)溫度、二次側(cè)壓力、補(bǔ)水箱水位、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵運(yùn)行狀態(tài)等節(jié)點(diǎn)采用ZigBee技術(shù)組成星形結(jié)構(gòu)，采用CC2530芯片對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行檢測，同時(shí)在CC2530芯片中建立換熱站數(shù)學(xué)模型，采用Smith模糊自適應(yīng)智能算法對(duì)測量值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果控制換熱站熱能的變化，這樣就有效地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)換熱站熱能監(jiān)測和控制。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of overall system

GPRS通信網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)換熱站無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，GPRS系統(tǒng)接收換熱站網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的被控參數(shù)信息，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程終端，最終實(shí)現(xiàn)底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用信息管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)熱力站現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，信息管理系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)，對(duì)換熱站現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與匯總，方便管理層實(shí)時(shí)掌握全局運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)的熱平衡，從而節(jié)約能源[2]。

2 換熱站Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)哪：齈ID控制器設(shè)計(jì)

無人值守的換熱站智能控制主要是根據(jù)采集到的外界溫度、管道壓力、管道溫度，計(jì)算出相應(yīng)的二次管網(wǎng)回水溫度設(shè)定值，根據(jù)實(shí)際回水溫度值計(jì)算偏差，采用智能控制器完成對(duì)一次管網(wǎng)供水流量的控制，從而實(shí)現(xiàn)二次管網(wǎng)溫度控制的目的。

由于供熱系統(tǒng)過程是一個(gè)復(fù)雜的控制過程，控制參數(shù)易變、不穩(wěn)定。因此，傳統(tǒng)的PID控制顯然不能達(dá)到控制要求[3]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種帶Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)哪：赃m應(yīng)PID控制器，引入Smith預(yù)估補(bǔ)償器，克服系統(tǒng)的大滯后問題，同時(shí)采用模糊控制對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，進(jìn)一步完善PID控制的自適應(yīng)能力。Smith模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Smith模糊自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Controller structure of Smith fuzzy adaptive PID

圖中：G（s）e-τs為被控對(duì)象傳遞函數(shù)；Gc（s）為控制器傳遞函數(shù)；Gm（s）為 Smith 預(yù)估器傳遞函數(shù)，Gm（s）=G（s）（1-e-τs）。引入預(yù)估器補(bǔ)償后，閉環(huán)傳遞函數(shù)為

分析閉環(huán)傳遞函數(shù)可知，引入Smith預(yù)估補(bǔ)償器后，閉環(huán)特征方程消除了滯后項(xiàng)，從而也就消除了被控對(duì)象純滯后部分對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

e 和 ec 的模糊子集論域?yàn)椋?6，-4，-2，0，2，4，6］，對(duì)應(yīng)的模糊語言集為正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（Z0）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）。Kp，Ki，Kd的模糊子集論域?yàn)椋?，2，4，6］，對(duì)應(yīng)的模糊語言集零（Z）、?。⊿）、中（M）、大（B）。 根據(jù)實(shí)際操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)可以得到相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，參照這些控制規(guī)則以及模糊輸入和輸出選用的三角形隸屬度函數(shù)，得到如表1所示的PID模糊控制參數(shù)調(diào)整規(guī)則表。

表 1 Kp，Ki，Kd 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table of Kp，Ki，Kd

以唐山市某一換熱站為例，建立整個(gè)換熱站系統(tǒng)的仿真模型，被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為G（s）=exp（-60 s）/（60 s+1）， 分別采用 Smith 模糊自適應(yīng) PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行仿真，仿真曲線如圖3所示。其中1、2曲線分別是采用傳統(tǒng)PID和Smith模糊自適應(yīng)PID控制器的仿真結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，采用Smith模糊自適應(yīng)PID比采用傳統(tǒng)PID控制器系統(tǒng)的超調(diào)量減小、調(diào)節(jié)時(shí)間縮短、響應(yīng)速度加快，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高。

圖3 Smith模糊自適應(yīng)PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器仿真波形圖Fig.3 Simulation waveform of Smith fuzzy adaptive PID controller and traditional PID controller

3 換熱站智能控制硬件、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和GPRS通信模塊組成，系統(tǒng)硬件圖如圖4所示。每個(gè)獨(dú)立的換熱站有多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)室外溫度、管網(wǎng)回水溫度、管網(wǎng)壓力、流量、液位、調(diào)節(jié)閥等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，多個(gè)CC2530終端節(jié)點(diǎn)按照無線通信協(xié)議相連組成了星形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System hardware structure

室外溫度和二次側(cè)回水溫度監(jiān)測選用溫度傳感器DS18B20，它是常用的測溫傳感器，其體積小、造價(jià)低，擁有較強(qiáng)抗干擾能力，采用單總線傳輸，工作溫度范圍為-55～125℃，在-10～85℃范圍內(nèi)精度為0.5℃。流量計(jì)選用LWGY系列渦輪流量計(jì)，該款渦輪流量計(jì)本身配備了現(xiàn)場顯示儀表，同時(shí)采用兩線制信號(hào)傳輸線，將流量信號(hào)以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的形式輸出。壓力傳感器選用帶數(shù)字顯示的壓力變送器，采用歐洲進(jìn)口的赫斯曼接頭，讓信號(hào)一直穩(wěn)定，壓力傳感器和流量計(jì)的輸出信號(hào)相同，均為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。GPRS通信輸模塊選用華為公司的GTM900B，它是一種兩頻段GSM/GPRS無線模塊，提供了豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT交互命令，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)和傳輸[5]。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件由3部分組成：終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與智能算法模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理模塊。

終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與智能算法模塊負(fù)責(zé)換熱站終端數(shù)據(jù)的采集和智能控制。節(jié)點(diǎn)在工作前，需要進(jìn)行初始化操作，在初始化過程中，終端節(jié)點(diǎn)打開電源，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和在傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過握手方式驗(yàn)證指令和數(shù)據(jù)幀，傳感器節(jié)點(diǎn)成功接受一個(gè)數(shù)據(jù)幀并返回確認(rèn)幀后，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)嘗試加入網(wǎng)絡(luò)[4]。節(jié)點(diǎn)重復(fù)發(fā)送命令分別從溫度傳感器、壓力傳感器及流量計(jì)獲取數(shù)據(jù)，通過無線傳輸功能將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，同時(shí)處理器根據(jù)當(dāng)前室外溫度值，確定相應(yīng)換熱站二次回水溫度設(shè)定值，根據(jù)現(xiàn)場采集到的二次回水溫度值，計(jì)算出偏差e和偏差變化率ec，e和ec經(jīng)量化后根據(jù)模糊控制規(guī)則采用查表形式進(jìn)行計(jì)算，在線調(diào)節(jié)數(shù)字PID Kp、Ki和Kd的值，最后按照數(shù)字PID計(jì)算出相應(yīng)的控制量，對(duì)一次側(cè)供水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、信息的接收、匯總、處理，及控制命令的發(fā)送和執(zhí)行。整個(gè)系統(tǒng)初始化后，GTM900B接受AT指令，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行連接，當(dāng)收到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心傳來的采集指令后，協(xié)調(diào)器模塊完成與傳感器網(wǎng)絡(luò)中采集終端之間的通信[5]。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也定時(shí)控制終端節(jié)點(diǎn)采集各監(jiān)測點(diǎn)的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，則立即與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信，將監(jiān)測點(diǎn)的異常數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，從而減少遠(yuǎn)程監(jiān)控端的值守時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件流程圖Fig.5 Software flow chart of network coordinator

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用Java語言編寫，監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有用戶管理功能、數(shù)據(jù)采集功能、查詢和報(bào)表輸出功能、異常報(bào)警功能、系統(tǒng)自檢和參數(shù)設(shè)定功能。以唐山市某換熱站多個(gè)分站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)現(xiàn)場測試，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)傳感器工作正常、實(shí)時(shí)控制效果好，誤差滿足設(shè)計(jì)要求，監(jiān)控軟件管理方便，整個(gè)系統(tǒng)能滿足無人值守控制要求和換熱要求。

4 結(jié)語

在換熱站中使用ZigBee技術(shù)和CC2530芯片充分發(fā)揮了ZigBee技術(shù)組網(wǎng)靈活、編程方便、無線傳輸、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了換熱站無線控制。同時(shí)針對(duì)換熱站溫度控制中非線性、大慣性、純滯后的特點(diǎn)，采用Smith模糊自適應(yīng)控制器彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PID控制器的不足，并在CC2530微處理器中實(shí)現(xiàn)了智能算法，實(shí)現(xiàn)了換熱站無人值守智能控制要求，取得了較好的控制效果。

[1]馬勇，韓華超，王松亭，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的換熱站自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2014（1）：15-17，20.

[2]趙建敏，李琦.基于GPRS的無人值守?zé)崃φ究刂葡到y(tǒng)計(jì)算機(jī)測量與控制[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2013，21（2）：362-364.

[3]孫明，嵇啟春.Smith模糊自適應(yīng)PID算法在熱力站控制中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20（12）：244-250.

[4]羅涼臣，鄭曉亮，胡業(yè)林.基于Zigbee和GPRS無線傳輸?shù)牡V井電機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2012，33（5）：248-250.

[5]孫利民，梁江濤，魏然.基于GPRS與ZigBee的遠(yuǎn)程分散多點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2012，33（1）：24-27.

中車擬參與美國高鐵城軌招標(biāo)項(xiàng)目

6月24日（美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間），中國中車董事長崔殿國在華盛頓舉辦的第七輪中美戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)對(duì)話企業(yè)家早餐會(huì)上說：“中國中車將繼續(xù)秉承誠信、創(chuàng)新的理念，保質(zhì)保量兌現(xiàn)合同，持續(xù)加大美國市場的開拓力度，努力為中美經(jīng)貿(mào)投資合作做出貢獻(xiàn)”。

這是中國中車成立不到一個(gè)月內(nèi)，董事長崔殿國的首次國際亮相。目前，中國中車產(chǎn)品現(xiàn)已出口全球六大洲近百個(gè)國家和地區(qū)，并逐步從產(chǎn)品出口向技術(shù)輸出、資本輸出和全球化經(jīng)營轉(zhuǎn)變。自2014年成功中標(biāo)波士頓地鐵后，中國中車正在緊盯美國若干高鐵、鐵路和城軌招標(biāo)項(xiàng)目。

中國中車成立后的一周內(nèi)，原中國南車和中國北車國際業(yè)務(wù)部門就完成機(jī)構(gòu)、人員和業(yè)務(wù)的整合。6月17日，中國中車召開2015年度國際業(yè)務(wù)工作會(huì)，明確提出中國中車的海外戰(zhàn)略，“競爭優(yōu)勢要從價(jià)格優(yōu)勢為主向技術(shù)、品牌、質(zhì)量和服務(wù)為核心的綜合競爭優(yōu)勢轉(zhuǎn)變”；宣布中國中車國際業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)的全體成員正式開啟嶄新的征程，以統(tǒng)一的中國中車(CRRC)名字開拓國際市場。國際業(yè)務(wù)部門是中國中車首個(gè)完成整合的市場業(yè)務(wù)部門。6月18日，中國中車總裁奚國華在中央企業(yè)“一帶一路”建設(shè)工作推進(jìn)會(huì)上作了題為《轉(zhuǎn)型升級(jí)，跨國經(jīng)營，全力推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)工作》的發(fā)言，系統(tǒng)闡述了中國中車參與“一帶一路”建設(shè)的目標(biāo)和路徑。

6月23日，國務(wù)院國資委公布了2014年度中央企業(yè)負(fù)責(zé)人經(jīng)營業(yè)績考核A級(jí)企業(yè)名單，原中國南車、原中國北車均在業(yè)績考核中獲評(píng)A級(jí)。根據(jù)《中央企業(yè)負(fù)責(zé)人經(jīng)營業(yè)績考核暫行辦法》（國資委令第30號(hào)），2014年度中央企業(yè)負(fù)責(zé)人經(jīng)營業(yè)績考核結(jié)果，已經(jīng)經(jīng)過國資委主任辦公會(huì)議審議通過，共有41家企業(yè)獲評(píng)A級(jí)。其中原中國南車列第21位、原中國北車列第33位，雙雙獲A級(jí)。這是兩家公司連續(xù)4年雙雙入選國資委經(jīng)營業(yè)績考核A級(jí)企業(yè)。 轉(zhuǎn)自新浪網(wǎng)