换热站自控系统设计

１一、绪论1.1、背景我国城市集中供热发展很快，1997年全国集中供热面积为80747万㎡，比1996年增加了9.96%。到了1998年，全国有286个城，已占华北、东北、西北、山东、河南等采暖地区实有房屋面积的1/4以上。当今社会已有集中供暖设施，供热面积达8.6亿㎡，供热管网为3.5万公里随着我国加入WTO以来，我国人民基本实现了小康水平，随着人民生活水平的进一步的提高，对城市供热的水平也越来越高。为了保证集中供热的正常运行，提高系统的效率，降低能耗及热能损失，同时为了提高系统稳定性，保证用户室内舒适性，达到最大节能效果，必须配备一系列的检测计量及调节控制系统。同时，温度控制是建筑节能工作的重要组成部分，尤其在集中采暖地区，为此我国从基础抓起在城市建立了各种供热站以实现城市人们的保暖问题。随着经济的发展，全国范围内的环保、节能的呼声越来越高，利用先进的科学技术，合理分配热量，让现有的热能充分发挥作用，为更多的用户提供更好的供热服务是供热企业的首要任务。将微机监控和自动化控制引入供热系统中，对供热系统的调节实现由手动到自动的转变，这才能满足新形势下的供热需求。在供热行业大力推广计算机控制技术必将是今后的发展方向。1.2、换热站的概述热力站按供热形式分直供站和间供站，前者是电厂直接供用户，温度高，控制难，浪费热能。是最初电厂余热福利供热的产物。后来开始收费，才有热力公司。随着商品经济发展，热商品化，热力公司开始提高供热质量，才有直供站，这属于集中供热。还有锅炉供热，省掉电厂环节，但是效率低，污染大已近淘汰。集中供热是发展方向，间供站为主。间供站原理：电厂为一次线，小区为二次线，热源（电厂）热网（一二次线管网）热用户（居民楼和单位）连接处为热力站。设备有：板式换热器，循环泵，一二次线除污器，补水泵，水箱，计量表，２控制阀门等。就是换热的地方把有热电场产生的高温蒸汽传输到各个居民小区里将蒸汽的热量传送到小区管网中个人理解就像一个变压器一样把高温蒸汽转换成七八十度的水再供暖。1.3、换热站自动控制系统功能1、实现二次热网的控制，保证热网的水力平衡、热力平衡，是整个热网安全、节能、高效、平稳的运行，使热能均匀分布，保证供暖效果。2、数据采集：按照指定或系统默认巡检方式，对各个监测点进行数据采集。3、显示：监测显示一次供水温度，一次回水温度，二次供水温度，二次回水温度，室外温度，一次供水压力，变频器状态（起/停，泵速，故障报警）4、报警及故障处理：系统发生故障时，报警信号显示、标示。5、数据通讯：发送数据、接收数据及接收控制指令、纠错、检错，实现换热站与供热站之间的远程数据通讯。6、可进行手动/自动的无扰切换。二、换热站的控制方案和工作原理2.1、换热站的工作原理(1)、二次供水温度自动控制系统换热站的基本控制策略就是要保证二次水出口有一个恒定的与设定温度，控制元件是唤起一次水出口的控制阀，该阀门控制换热器的一次供水流量。将预设定温度作为给定值，测量温度作为反馈值，阀门的开度作为输出值，保证二次供水温度的恒定。预设定温度根据室外温度和供热站给定的值计算得出，每个换热站均安装了室外温度传感器，通过公示计算出当前的预设定温度，这个设定点事随着室外温的变化和供热站给定值而改变的（1-1）。图2为换热站温度控制系统３统框图。(2)、变频定压控制系统为了保持热网运行的稳定性，热网补水系统还应保持一定的水压，即保持系统恒压点的压力恒定，我们采取补水泵变频调速定压。补水泵变频控制系统框图，如图3。变频定压工作原理如图4所示，在系统的供、回水干管之间连接一根旁通图3变频调速定压调节框图调节器变频器补水泵压力传感器图2换热站供热系统框图温度调节一次给水控制阀换热器温度信号反馈４管，利用补水泵使旁通管J点（恒压点）压力保持符合静水压线要求的压力。在循环水泵运行时，当定点J点的压力低于控制值时，变频器输出频率增大，水泵转速加快，补水量增大，J点压力升高；当J点的压力高于控制值时，变频器输出频率减小，水泵转速变慢，补水量减少，J点压力下降。当压力太高时，泄水压力调节阀打开，泄放系统中部分水。图4变频定压工作原理2.2、换热站控制方案(1)、采用电动调节阀控制进入平板热交换器的一次水量，从而控制二次供水温度，使得二次供水温度维持在给定值上。(2)、采用自动随动控制系统而不是定值控制系统（需要人工按供暖工艺修改温度控制给定值），控制器根据测量出的室外温度值和供热站提供给定值，自动计算出预设的温度值。(3)、由于供热站和各个换热站之间通讯距离远，而且过程变化缓慢，对实行性要求不高，因此采用MODEM通过公用电话网(PSTN)实现远程通讯，将换热站５的各项参数发送到供热站。接受供热站发来的指令。(4)、分阶段改变流量的质调节。在不同的室外温度阶段，开启不同的循环泵台数。气温在-20℃一下，开启三台循环泵；气温在-20~-10℃时，则开启两台循环泵；气温在-10℃以上，开启一台循环泵。(5)、通过控制变频器来控制补水泵的转速，从而改变系统的补水量，维持供水系统的恒压点（旁通管处压力）压力恒定。(6)、根据控制特性和对工艺的要求，对供水温度的控制算法采用Fuzzy-PID(模糊控制)算法。对于补水泵变频恒压的控制算法采用PID算法。(7)、控制系统硬件总体框架如图5；图5控制系统硬件总体框架６2.3、控制算法换热站微机监控系统的控制对象为供热管网，管网面积大，分布不均匀，随机性较强，很难建立其数学模型。目前常规的控制算法在此不适用。同时在能源供需矛盾日益尖锐，节能工作日趋重要的今天，如何在满足生产和生活要求下提高热网的热效率显得更为要。PID调节器是按偏差的比例、微分、积分进行控制的调节器，它是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。但是，PID调节器对非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统不能进行有效的控制，使其应用范围受到限制。在换热站控制中，二次水流量和设定值的变化使控制对象特性发生变化，当控制对象的特性变化到一定程度后，原来整定好的控制参数就不再适用，这时，传统的PID控制必须对参数重新整定，才能实现对换热站温度精确、稳定的控制。本文针对这一问题，设计了一种模糊参数自适应PID控制器，根据换热器的实际响应，通过模糊规则进行推理和决策，在线整定PID控制器的三个参数，以实现对换热站温度的自适应控制。常规PID控制器是过程控制中应用最为广泛最基本的—种控制器，它具有简单、稳定性好、可靠性高的特点，而且PID调节规律对相当多的工业控制对象，特别是对于线性定常系统的控制是非常有效的，一般都能够得到比较满意的控制效果，其调节过程的品质取决于PID控制器各个参数的整定．即使在现代控制飞速发展的今天，仍有90%以上的控制回路采用PID控制。但是，常规的PID控制器存在一些问题。首先，常规PID控制器不能在线整定参数：并且常规PID控制器对于非线性、时变的系统和模型不清楚的系统就不能很好的控制，其PID参数不是整定困难就是根本无法整定，因此不能得到预期的控制效果。而简单模糊控制器由于不具有积分环节，因而在模糊控制的系统中又很难消除稳态误差，而且在变量分级不够多的情况下，常常在平衡点附近会有小的振荡现象。但模糊控制器对复杂的和模型不清楚的系统都能进行简单而有效的控制，所以如果把两者结合起来，就可以构成兼有两者优点的模糊PID(Fuzz-PID)控制器。本文主要介绍利用模糊控制器来给PID控制器在线自整定PID参数，组成７模糊参数自适应PID控制器的设计方法。Fuzzy-PID控制器结构如图6所示，由两部分组成，常规的PID控制部分和模糊推理的参数校正部分。其实现思想是：在运行中通过不断检测偏差e和偏差变化率ec，将其输入模糊控制器，运用模糊推理，进行模糊运算，对PID三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求，使被控对象具有良好的动静态性能。由上可知，用于在线自整定PID参数的模糊控制器是以e和ec为输入语言变量，以K、K。、，K。为输出语言变量的双输入三输出的模糊控制器。Fuzzy-PID控制器是在PID参数Kp1,Ki1,Kd1预整定的基础上。利用模糊规则实时在线整定PID控制器的三个修正参数：△Kp、△Ki、△Kd，把Kp1+△Kp、Ki1+△Ki、Kd1+△kd这三个参数作为控制器的实时参数Kp、Ki、Kd实现对供热温度的优化控制。在本系统中，模糊控制器的设计将是设计的核心，因为它的好坏将直接影响到Kp、Ki、Kd的选取，从而影响到系统的控制精度。图6８三、控制系统硬件和软件设计3.1、硬件系统的组成换热站微机监控系统硬件原理如图8所示。从传感器采集的各个模拟量信号进入模拟多路开关CD4051，经I/V变换、放大后，利用AD0809A／D转换器将模拟信号转换为数字量信号，以供控制、运算处理模块使用。控制、运算处理模块是整个硬件电路的核心部分，选用AT89C51单片机作主处理器，并采用可编程逻辑器件8255A，来完成接口I／o线的扩展及多种逻辑功能的实现。换热站监控系统采用具有低功耗、高性能的8位例COMS微处理器AT89C51作为主机，它内部有4K的程序存储器。该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51“指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高而廉价的方案。AT89C51硬件结构有如下一些主要特点：(1)、有4K字节的闪速存储器和128字节内部数据存储器(RAM)容量。(2)、AT89C51单片机内的I／0口的数量和种类较多且齐全，尤其是它有一个全双工的串行口。该串口是利用两根I／0口线构成，有四种工作方式，可通过编程选定，AT89C51共有32根I／0线．(3)、AT89C51可对64KB的外部数据存储器寻址且不受该系列中各种芯片型号的影响，而对程序存储器是内外总空间为64KB寻址范围。９(4)、AT89C51有5个中断源，分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的。它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达128字节。(5)、AT89C51有2个16为定时／计数器，通过编程可以实现四种工作模式。(6)、设有静态逻辑，可以在低到零频率的条件下工作，支持两种软件可选的省电模式。在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时／计数器、串口和中断系统仍在工作。在调电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所有其它片内控制单元功能，直到下一个硬件复位为止。１０1、存储器扩展电路AT89C51片内有4K字节闪速程序存储器，128个字节数据存储器RAM。由于存储器容量太少，不能满足系统的需要，因此需要配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。本系统采用2764AEPROM作为扩展的程序存储器。用6264静态RAM作为扩展的数据存储器湖。2、模拟量输入电路换热站监控系统中共有8个测点，各测点如表1所示。如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样／保持A／D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大。因此采用多路模拟开关。我们选用CD4501多路模拟开关，它是单端的8通路开关，具有双向转换功能。它采用16条双引脚的双列直插式封装。CD4501是由电平转换、译码器及8个开关电路组成的。电平转换单元可实现COMS到TTL逻辑电平的转换功能。因此，其输入电平范围宽，数字量信号电平幅度可为3-20V，模拟量信号的峰一峰值可达20V。其译码器具有禁止功能，便于对通道状态的控制和通道数的扩展。考虑到AT89C51为8位单片机，采用8位的A／D转换器其接口电路最简单，可直接挂在数据总线上。另外温度、压力等都属缓变参量，中速的逐次逼近型A／D转换器可以满足系统要求。故选用8位ADC0809A／D转换器，这是当前最流行的中速廉价型单通道8位全MOSA／D转换器，市场资源丰富。ADC0809A／D转换器片内带有锁存