基于回水溫度法的二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)研究

劉春蕾 王培齊 高 天 王 晨 郭麗姣

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

當(dāng)前在城鎮(zhèn)供熱二次網(wǎng)系統(tǒng)中,對(duì)管網(wǎng)的智能調(diào)節(jié)與平衡控制是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，控制的好壞將對(duì)整個(gè)供熱系統(tǒng)的電耗和熱耗性能產(chǎn)生很大的影響.目前集中供熱面臨的問題仍然是在末端缺乏有效調(diào)節(jié)手段的情況下，不同用戶的水力失調(diào)導(dǎo)致的室內(nèi)溫度冷熱不均，同時(shí)為維持室內(nèi)溫度較低用戶的供熱質(zhì)量，采用提高熱源輸出熱量，造成過量供暖的整體過熱損失的問題.因此必須將管網(wǎng)流量控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi),這樣既能滿足熱用戶需求,還能使整個(gè)供熱系統(tǒng)更加節(jié)能降耗.

為提高水力平衡控制質(zhì)量,已經(jīng)出現(xiàn)了多種水力平衡的調(diào)節(jié)方法，目前常見的調(diào)節(jié)方法有比例調(diào)節(jié)法、補(bǔ)償調(diào)節(jié)法以及回水溫度法等.比例調(diào)節(jié)法和補(bǔ)償調(diào)節(jié)法需要調(diào)節(jié)人員進(jìn)行相關(guān)供熱理論計(jì)算才能進(jìn)行調(diào)節(jié)；回水溫度法比較簡單，只需要把回水溫度作為調(diào)節(jié)目標(biāo)，但傳統(tǒng)的回水溫度法也存在調(diào)節(jié)時(shí)間費(fèi)時(shí)費(fèi)力、回水溫度不能完全代表室溫等缺點(diǎn)，本文則提出了一種能夠很好彌補(bǔ)傳統(tǒng)回水溫度法的智能調(diào)平方案.

1 二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)控制方案及策略

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在供熱管網(wǎng)二次系統(tǒng)中，不同熱用戶與熱源中心的距離不同，導(dǎo)致不同熱用戶管網(wǎng)的剩余壓頭不同.不同的剩余壓頭使得流入各熱用戶的流量與設(shè)計(jì)值不符，因而產(chǎn)生水力失調(diào)；由于供水溫度是相同的，所以管道內(nèi)的回水溫度即可較準(zhǔn)確的反映出管網(wǎng)的熱力失調(diào)情況.因此選取管網(wǎng)壓力和回水溫度作控制參數(shù)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng).串級(jí)控制系統(tǒng)共設(shè)兩支回路：選取回水管道溫度為主回路變量、供回水管路壓力差為副回路變量，控制原理圖如圖1所示.

圖1 自動(dòng)控制原理圖

本系統(tǒng)不同以往需要人力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整的策略，而是提出一種基于單元控制的水力平衡控制策略，通過采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新型控制理論對(duì)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的理論分析，以管網(wǎng)壓力和回水溫度作為控制參數(shù)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，在穩(wěn)定好各支路壓力后，通過測(cè)量的回水溫度與云中心下發(fā)的回水溫度平衡數(shù)值對(duì)比，對(duì)安裝在建筑單元口的電動(dòng)控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變管道內(nèi)的流量，當(dāng)再次測(cè)得所有單元建筑的回水溫度基本相同時(shí)，則實(shí)現(xiàn)了二次網(wǎng)系統(tǒng)水力平衡和熱力平衡.

1.2 控制策略研究

傳統(tǒng)PID算法因其在工業(yè)中良好的控制效果，早已被廣泛應(yīng)用于供熱控制線性系統(tǒng)調(diào)節(jié)中，其控制規(guī)律關(guān)系式如下所示：

式中Kp——表示比例增益；

Ti——表示比例增益；

Td——表示比例增益.

而供熱二次網(wǎng)系統(tǒng)具有非線性和大滯后的特點(diǎn)，傳統(tǒng)PID算法在系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)水力失調(diào)作用影響下并不能及時(shí)調(diào)整到對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)；模糊控制算法作為一種可以將調(diào)控經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為控制策略的高級(jí)控制算法近年來被廣泛應(yīng)用在非線性控制，故本文將傳統(tǒng)PID與模糊控制相結(jié)合，控制系統(tǒng)在水力失調(diào)作用下產(chǎn)生誤差e和誤差變化率ec，然后通過模糊控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，最終的PID輸出參數(shù)為PID基本參數(shù)與模糊控制下參數(shù)調(diào)節(jié)值的結(jié)合，大大改善供熱二次網(wǎng)系統(tǒng)中水力失調(diào)現(xiàn)象的影響.其關(guān)系如下式所示：

通過建立此模糊PID串級(jí)控制系統(tǒng)，主回路能夠解決二次網(wǎng)系統(tǒng)熱用戶端室溫不穩(wěn)定、管道環(huán)路動(dòng)態(tài)品質(zhì)差和穩(wěn)態(tài)精度低、運(yùn)行調(diào)節(jié)滯后、能耗高等問題；同時(shí)副回路迅速克服水流進(jìn)入供回水管道產(chǎn)生的壓力干擾，能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性、提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力，使系統(tǒng)對(duì)非線性情況的負(fù)荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)供熱二次網(wǎng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 模糊PID串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

2 二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 PLC控制器整體架構(gòu)及硬件配置

PLC控制器是整個(gè)二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)的核心，要收集系統(tǒng)中所有壓力、溫度變送器所傳輸?shù)男盘?hào)，與云中心進(jìn)行通信，通過智能算法對(duì)指定的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)開度影響管路流量，最終使回水溫度達(dá)到穩(wěn)定值.由于二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)整體架構(gòu)精簡，控制設(shè)備相對(duì)分明，因此本系統(tǒng)選用德國SIEMENS公司的S7-200 SMART型.壓力、溫度變送器通過屏蔽電纜與PLC控制器相接傳輸信號(hào)，而PLC控制器支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口(PPI)協(xié)議，可將信號(hào)采用RS485通訊方式到無線通訊模塊，從而保證了整個(gè)過程信號(hào)的傳輸與程序的保護(hù).PLC控制器整體架構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 PLC控制器整體架構(gòu)圖

根據(jù)二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)控點(diǎn)數(shù),并保證PLC端子數(shù)目要有占總點(diǎn)數(shù)10%-20%的余量,選用的S7-200 SMART型PLC的CPU模塊為SR30,開關(guān)量輸入/輸出為18點(diǎn)/12點(diǎn),輸入/輸出形式為DC24V輸入/AC220V繼電器輸出.由于本系統(tǒng)中需要多路模擬量輸入與輸出點(diǎn)數(shù),所以需要模擬量模塊進(jìn)行擴(kuò)展,以3個(gè)單元的建筑樓棟為例，擴(kuò)展選擇輸入組合的8模入/4模入的模擬量模塊EM AE08與EM AE04各一塊,及4模出的模擬量模塊EM AQ04一塊；其輸入/輸出點(diǎn)地址分配如表1所示.

表1 輸入/輸出點(diǎn)地址分配表

2.2 二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在供熱管網(wǎng)二次系統(tǒng)中，由于供水溫度是相同的，所以管道內(nèi)的回水溫度即可較準(zhǔn)確的反映出管網(wǎng)的熱力失調(diào)情況.二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)，采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新型控制理論設(shè)計(jì)出先快速穩(wěn)定各建筑單元末端支路管道壓力，后精準(zhǔn)控制回水管道溫度，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開度大小來控制流入單體建筑的流量大小，而使得不同管路分配出合適本單元建筑的熱水流量，從而實(shí)現(xiàn)整體的水力平衡.本系統(tǒng)不同以往需要人力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整的策略，而是提出一種基于單元控制的水力平衡控制策略，該策略通過對(duì)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的理論分析，以管網(wǎng)壓力和回水溫度作為控制參數(shù)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在穩(wěn)定好各支路壓力后，通過測(cè)量的回水溫度與云中心下發(fā)的回水溫度平衡數(shù)值對(duì)比，對(duì)安裝在建筑單元口的電動(dòng)控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變管道內(nèi)的流量，當(dāng)再次測(cè)得所有單元建筑的回水溫度基本相同時(shí)，則實(shí)現(xiàn)了二次網(wǎng)系統(tǒng)水力平衡和熱力平衡；軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示.

圖4 二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3 結(jié)束語

隨著我國在供熱事業(yè)上的發(fā)展，二次網(wǎng)系統(tǒng)中對(duì)水力平衡技術(shù)有了更高一步的要求.二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)的應(yīng)用將是促進(jìn)供暖二次網(wǎng)節(jié)能降耗的另一個(gè)新的突破點(diǎn).本篇文章所介紹的二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)，通過系統(tǒng)智能硬件的搭建，最終各個(gè)單元均在新型控制算法下進(jìn)行單元水力平衡調(diào)整，使各個(gè)單元間進(jìn)行有效的水力平衡調(diào)整，最終使單元各戶室溫恒定.很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)熱網(wǎng)調(diào)控回水溫度法的局限性，不僅節(jié)省人力，還能取得更好的控制效果.

借助串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓調(diào)溫的控制策略，使得回水溫度的變化更加精準(zhǔn)反映出熱用戶的室內(nèi)溫度，調(diào)整后使熱網(wǎng)穩(wěn)定,節(jié)省傳統(tǒng)加大熱源運(yùn)行方案帶來的電能與熱能的浪費(fèi),解決熱用戶“近熱遠(yuǎn)冷”的現(xiàn)象問題,對(duì)節(jié)約我國每年因供暖而消耗的大量戰(zhàn)略資源——燃料資源、電力資源具有深遠(yuǎn)的積極意義.本篇設(shè)計(jì)的二次網(wǎng)智能調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)針對(duì)熱網(wǎng)的節(jié)能改造具有一定的指導(dǎo)意義.