基于SAIA PCD控制器的二次網(wǎng)供熱控制系統(tǒng)

1 引言

二級(jí)管網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理，不僅會(huì)導(dǎo)致供暖舒適度比較低，而且能耗較高，造成資源的浪費(fèi)。本文所介紹的二次網(wǎng)供熱控制系統(tǒng)，根據(jù)“按需供熱”的原則，按照不同區(qū)域、不同時(shí)間和不同的室外溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱量，使系統(tǒng)的供熱量與熱負(fù)荷相一致，不僅能夠提高供熱舒適性，而且能達(dá)到節(jié)約能源的目的。

2 二控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

供熱系統(tǒng)[1]由熱源、管網(wǎng)、熱力站、熱用戶組成，如圖1所示，一次管網(wǎng)與二次管網(wǎng)是兩個(gè)獨(dú)立的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，一次網(wǎng)的進(jìn)水由熱源提供，在換熱器內(nèi)進(jìn)行能量交換，電動(dòng)三通閥設(shè)在板式換熱器一次側(cè)進(jìn)水管上，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)換熱器的進(jìn)水量，從而調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供水溫度。

圖1 供熱網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)二次供水溫度的自動(dòng)控制，依據(jù)的條件為供水溫度設(shè)定值和二次供水溫度，設(shè)定值的給出由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，或由控制器根據(jù)供水溫度曲線計(jì)算[2]?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)閉環(huán)控制單元，根據(jù)二次網(wǎng)供水溫度和設(shè)定值，用pid控制方法來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥開(kāi)度大小，以保證二次供水溫度達(dá)到要求。

　　瑞士思博控制公司saia pcd可編程序控制器， 廣泛應(yīng)用于工業(yè)和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，配套的編程工具saia pg5，包含專門(mén)的heavac庫(kù)，為用戶開(kāi)發(fā)樓宇控制系統(tǒng)提供了一個(gè)強(qiáng)大而全面的基礎(chǔ)平臺(tái)；用戶在任何時(shí)候可以進(jìn)行更深一層的編程，極大地節(jié)省了時(shí)間。因此決定采用saia pcd系列可編程序控制器作為核心器件。pcd控制器通過(guò)w220溫度模塊讀取傳感器檢測(cè)的室外溫度和二次網(wǎng)出水溫度，同時(shí)通過(guò)tcp/ip通信方式讀取上位機(jī)的各項(xiàng)設(shè)定值，根據(jù)各種參數(shù)和pid控制方法進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并通過(guò)模擬輸出模塊將pid的輸出值作為模擬輸出量輸出，以此調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥的開(kāi)度。除溫度控制之外，pcd控制器還進(jìn)行循環(huán)泵、補(bǔ)水泵的控制，以及室內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)。控制框圖如圖2所示。

圖2 控制原理框圖

　　由于溫度由溫度傳感器測(cè)得，而溫度傳感器與測(cè)量點(diǎn)之間的電纜存在電阻，此附加電阻的存在使測(cè)得的溫度和實(shí)際的溫度之間存在誤差，這個(gè)誤差會(huì)影響控制結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了補(bǔ)償溫度傳感器的誤差，在pcd下位機(jī)軟件部分設(shè)計(jì)一個(gè)輸入補(bǔ)償環(huán)節(jié)offset，控制程序使用的溫度參數(shù)均為修正值xoff=x+offset。offset值的大小由輸入模塊型號(hào)、電纜電阻率和電纜的長(zhǎng)度、截面積而定。

3 供熱方式選擇和供水溫度值的設(shè)定

本系統(tǒng)有三兩種供熱方式可供選擇：溫度補(bǔ)償控制方式、分時(shí)控制方式分時(shí)分溫控制方式。根據(jù)樓層高度和建筑布局以及功能不同，將整個(gè)建筑物分為生活區(qū)和辦公區(qū)，兩個(gè)區(qū)的控制相互獨(dú)立，可以根據(jù)各自的需求選擇不同的供熱方式。

　　3.1 溫度補(bǔ)償控制方式

溫度補(bǔ)償控制方式，即根據(jù)室外溫度的變化來(lái)調(diào)整供水溫度值。當(dāng)室外溫度下降，建筑物的熱損失增加，需要增加更多的熱量以防止室內(nèi)溫度下降，反之則需減少熱量。因此按照室外溫度的變化合理的設(shè)定供暖出水溫度值，可以保持室內(nèi)溫度的恒定。在溫度補(bǔ)償控制方式下，供水溫度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為:

　　 tg=tw+k( tr- tw) (1)

　　式中，tg—供水溫度理論計(jì)算值℃；

　　tw—室外溫度值℃；k—水溫設(shè)定曲線系數(shù)。使用式的基本條件為tw不小于tr。不同水溫設(shè)定曲線系數(shù)下的供暖曲線如圖3所示(tr不變)。圖中的點(diǎn)為wwsd

　　 point(溫暖天氣關(guān)閉點(diǎn))，由tr值確定。由于日間室內(nèi)存儲(chǔ)的熱量會(huì)彌補(bǔ)夜間建筑物內(nèi)溫度的下降，夜間的供暖曲線應(yīng)低于日間供暖曲線。因此，夜間還要將tg值乘以夜間降溫系數(shù)kt，其中0

圖3 供暖曲線

　　這些參數(shù)及夜間的起止時(shí)間都可以從人機(jī)界面設(shè)定，pcd根據(jù)這些參數(shù)確定的供水曲線自動(dòng)計(jì)算出供水溫度設(shè)定值。為確保室內(nèi)溫度維持恒定，必須設(shè)定合適的參數(shù)，以確定合適的供熱曲線，如果供熱曲線太低，則出水溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致不足以供給足夠的熱量使房間溫度下降；如果供暖曲線太高，則出水溫度過(guò)高而導(dǎo)致房間溫度過(guò)熱。

　　3.2 分時(shí)控制方式

　　一天中的不同時(shí)段，對(duì)熱量的需求是不同的。比如說(shuō)對(duì)于辦公區(qū)的供暖，工作日白天六點(diǎn)后，需按住宅區(qū)標(biāo)準(zhǔn)供暖；下午9點(diǎn)后或非工作日，只需保證供熱水管不被凍住，無(wú)須大量供熱，因此將供水溫度調(diào)到防凍溫度6℃即可，這樣可以降低無(wú)效供熱，達(dá)到節(jié)約能源的目的。操作人員根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和具體需求，設(shè)定出一星期內(nèi)每天的分時(shí)段以及在分時(shí)段內(nèi)的出水溫度設(shè)定值，pcd控制器根據(jù)時(shí)間段自動(dòng)選擇溫度設(shè)定值。

　　3.3 分時(shí)分溫控制方式

　　分時(shí)分溫控制方式，是結(jié)合了溫度補(bǔ)償控制方式和分時(shí)控制方式的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出的供熱方式：系統(tǒng)設(shè)定好若干條不同水溫設(shè)定曲線系數(shù)下的供暖曲線，操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和具體需求，設(shè)定出每個(gè)時(shí)間段所選擇的供暖曲線，控制器根據(jù)時(shí)間段和相應(yīng)的供暖曲線計(jì)算出溫度設(shè)定值。

4 pid控制器的設(shè)計(jì)

　　溫度控制系統(tǒng)一般具有大慣性、大延時(shí)的特點(diǎn)。在工業(yè)控制中，難以建立溫度系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而應(yīng)用模擬或數(shù)字式pid閉環(huán)控制可以克服時(shí)間響應(yīng)滯后，能獲得較好的控制精度，達(dá)到滿意的控制效果。因此，本控制系統(tǒng)采用pid 控制方式。

　　pid控制[3]，即按偏差的比例(p)、積分(i)、微分(d)控制，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明，運(yùn)用這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到滿意的結(jié)果pid調(diào)節(jié)器既能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，又能加快過(guò)渡過(guò)程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，是一種比較完善的調(diào)節(jié)規(guī)律。

　　本二次網(wǎng)供熱控制系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)際供水溫度與供水溫度設(shè)定值來(lái)控制調(diào)節(jié)閥， 并使實(shí)際供水溫度達(dá)到供水溫度設(shè)定值的。被調(diào)參數(shù)是溫度，控制量是電動(dòng)三通閥的開(kāi)度。當(dāng)被控量在給定值附近時(shí)，理想的pid控制將使系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，考慮到電動(dòng)三通閥并不適用過(guò)于頻繁的操作，因此在系統(tǒng)中增加一個(gè)輸出死區(qū)環(huán)節(jié)，死區(qū)是一個(gè)可調(diào)節(jié)的參數(shù)，當(dāng)計(jì)算得的輸出量的變化大于死區(qū)范圍時(shí)，輸出量才發(fā)生變化，否則輸出量不變。即在死區(qū)內(nèi)電動(dòng)三通閥保持原有狀態(tài)不變，構(gòu)成非線性、帶死區(qū)的控制系統(tǒng)。如圖4所示，加了此死區(qū)環(huán)節(jié)后，輸出呈階梯狀變化，而非連續(xù)變化。

圖4 溫控閥階梯開(kāi)度控制

　　控制框圖如圖5所示。

圖5 pid控制框圖

　　saia pcd控制器帶有圖形化的pid功能指令，它是用于pid控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，編程時(shí)只需要設(shè)置一些參數(shù)，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單方便。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文系統(tǒng)的介紹了saia pcd控制器實(shí)現(xiàn)的二次網(wǎng)供熱控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)使用帶輸出死區(qū)的pid控制算法，通過(guò)對(duì)電動(dòng)三通閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次網(wǎng)供水溫度的控制，能夠提高供熱舒適性，并達(dá)到節(jié)能效果。