遠(yuǎn)程換熱站綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010）

市集中供熱系統(tǒng)中，換熱站是連接用戶和熱源廠的關(guān)鍵紐帶，其供熱品質(zhì)對(duì)供熱質(zhì)量起到非常重要的作用，同時(shí)，熱用戶在供熱的穩(wěn)定性與質(zhì)量方面提出了更多的要求。為了讓整個(gè)供熱系統(tǒng)最終能夠在最佳的工況下工作以便取得更好的效益，監(jiān)控各個(gè)換熱站的工作狀態(tài)便成為了整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)，而且要通過(guò)這些信息來(lái)對(duì)換熱站實(shí)施適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。實(shí)施本地控制的換熱站是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，而且影響因素較多，致使精確的控制幾乎成為了不可能，還有氣象條件相當(dāng)復(fù)雜的變化，同樣使其不可能被準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)[1]。因此設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程和本地監(jiān)控系統(tǒng)并主要制定了由模糊控制器和遺傳算法PID控制器組成的串級(jí)控制器來(lái)解決此問(wèn)題。

1 換熱站控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

熱電廠的高溫過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)汽-水換熱器形成高溫?zé)崴偷缴霞?jí)換熱站，各下級(jí)換熱站將一次管網(wǎng)的高溫高壓熱水再經(jīng)平板式水-水換熱器轉(zhuǎn)換為供暖熱水，然后通過(guò)二次供熱管網(wǎng)的循環(huán)系統(tǒng)將熱能輸送給熱用戶[3]。補(bǔ)水系統(tǒng)會(huì)補(bǔ)充二次管網(wǎng)中的失水，保持系統(tǒng)平均壓力的恒定。二次管網(wǎng)中的循環(huán)水通過(guò)換熱站的二次管網(wǎng)供、回水壓力差的驅(qū)動(dòng)循環(huán)流動(dòng)。換熱站控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 換熱站控制系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle diagram of the control system of the heat exchanger station

針對(duì)集中供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，選用模糊控制器和遺傳算法PID控制器相結(jié)合構(gòu)造成一串級(jí)控制器，第一級(jí)控制器是模糊控制器，由溫度采集模塊DDMF5-8ADK熱電偶采集室外溫度和一段時(shí)間內(nèi)室外溫度的變化作為前級(jí)模糊控制器的輸入，輸出是下級(jí)換熱站二次管網(wǎng)供水溫度的設(shè)定值。此設(shè)定值作為第二級(jí)控制器的輸入，通過(guò)構(gòu)造模糊控制器來(lái)獲取二次網(wǎng)的預(yù)設(shè)值，該方法較溫度調(diào)節(jié)法和溫度補(bǔ)償曲線法，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響將會(huì)被極大地減弱，具有更佳的動(dòng)態(tài)特性[6]；第二級(jí)控制器是遺傳算法PID控制器，用來(lái)控制變頻器使得二次供水溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，遺傳算法PID控制器用遺傳算法理論對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)控制一次網(wǎng)一次閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)水流量[9]，動(dòng)態(tài)地跟蹤二次供水溫度的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次供水溫度的控制。據(jù)此目的設(shè)計(jì)的串級(jí)控制器原理如圖2所示。

圖2 串級(jí)控制器原理Fig.2 Principle diagram of the cascade controller

2 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

此換熱站的二次管網(wǎng)供水溫度串級(jí)模糊控制器、循環(huán)系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)的PID工藝環(huán)節(jié)控制功能的實(shí)現(xiàn)是以控制網(wǎng)絡(luò)為載體的[2]。系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)核心選用了基于西門(mén)子PLC的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線體系。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)計(jì)要求，集中供熱的換熱站控制系統(tǒng)采用本地和遠(yuǎn)程2種監(jiān)控模式，本地監(jiān)控主站由西門(mén)子S7-300PLC，以及PC機(jī)上的WinCC6.0組態(tài)軟件和CP5611通信板卡組成，主要完成對(duì)本地的監(jiān)控和生產(chǎn)管理等工作；本地監(jiān)控從站由西門(mén)子S7-1200 PLC，變頻器G150、溫度采集DDMF5-8ADK 8路K分度熱電偶和遠(yuǎn)程I/O站ET200組成，作為基礎(chǔ)控制層，主要用于完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集工作與生產(chǎn)過(guò)程中的控制等；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主站由PC機(jī)上安裝的WinCC6.0組態(tài)軟件和SINAUT MICRO SC（OPC路由軟件）組成，遠(yuǎn)程終端站由S7-1200以及安裝的GPRS無(wú)線通訊模塊CP1242-7組成，CP1242-7通過(guò) PPI電纜型號(hào)為6ES7214-1AE30-0XB0與S7-1200PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收[4]。將二次供回水溫度和室外溫度輸入到溫度采集模塊DDFM5-8ADK中，室外溫度作為前級(jí)控制器的輸入，其輸出的二次供水溫度的設(shè)定值和二次供回水溫度作為后級(jí)控制器的輸入，輸出則通過(guò)遺傳算法PID控制器來(lái)追此值。同樣供回水溫差作為循環(huán)泵系統(tǒng)的輸入，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫差控制。將循環(huán)泵入口壓力和出口壓力求平均值作為補(bǔ)水系統(tǒng)的輸入[8]，輸出值則通過(guò)PID控制器來(lái)追此輸入值。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 換熱站控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Control network structure of the heat exchanger station

3 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 串級(jí)控制器的設(shè)計(jì)

3.1.1 前級(jí)模糊控制器構(gòu)造步驟如下：

1）模糊化輸入、輸出變量。以當(dāng)?shù)囟嗄甑臍庀筚Y料為基礎(chǔ)，設(shè)定室外溫度e的范圍為［-20，20］，室外溫度變化ec的范圍為［-12，12］，換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值u的基本論域范圍為［20，70］，e，ec，u各變量均選取7個(gè)模糊子集 ｛NB NM NS ZO PS PM PB｝，選取三角形為隸屬度函數(shù)曲線。

2）模糊控制規(guī)則的確定。結(jié)合人工操作的經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)的規(guī)律得出如下的規(guī)則庫(kù)，如表1所示。

表1 e，ec和u的模糊關(guān)系規(guī)則表Tab.1 Fuzzy relations of the rule table of e，ec and u

3）輸出變量清晰化。模糊控制器的輸出，需要經(jīng)過(guò)反模糊化的處理后才能輸出。去模糊化的方法包括重心法、最大隸屬度法、中位數(shù)法等。本設(shè)計(jì)中模糊控制器的清晰化方法采用重心法。

3.1.2 后級(jí)遺傳算法PID控制器優(yōu)化算法

1）參數(shù)的二進(jìn)制編碼

要先確定KP、KI、KD3個(gè)參數(shù)的范圍，然后采用二進(jìn)制編碼并確定編碼長(zhǎng)度n。將每個(gè)參數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制編碼得出子串，再將得到的子串們連成一個(gè)完整的染色體。選擇二進(jìn)制編碼長(zhǎng)度為20。

2）隨機(jī)產(chǎn)生初始種群

隨機(jī)產(chǎn)生種群的方法適用于對(duì)系統(tǒng)問(wèn)題的解無(wú)任何先驗(yàn)知識(shí)的情況。對(duì)本文的控制對(duì)象無(wú)任何先驗(yàn)知識(shí)，因此選用此方法產(chǎn)生初始種群，初始化樣本種群數(shù)位是20。

3）適應(yīng)度函數(shù)

適應(yīng)度函數(shù)是個(gè)體對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力大小的表現(xiàn)，由于針對(duì)的問(wèn)題不同，適應(yīng)度函數(shù)定義的方式也會(huì)不同。就函數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題，常常選目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)。參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中關(guān)鍵要選準(zhǔn)性能指標(biāo)，由于這個(gè)指標(biāo)必須能同時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)特性，因此選擇系統(tǒng)的最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差的和的倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，即：

4）選擇

進(jìn)行選擇操作是要從當(dāng)前群體中選出生命力強(qiáng)的染色體，使它有很大機(jī)會(huì)保留供繁殖后代使用。判斷染色體優(yōu)良與否的準(zhǔn)則就是各自的適應(yīng)度值，此值越大，則被選中的機(jī)會(huì)也會(huì)隨之增大。本文是根據(jù)系統(tǒng)的超調(diào)量和誤差的大小來(lái)確定系統(tǒng)的適應(yīng)度值，按照得到的個(gè)體適應(yīng)度值的大小對(duì)其進(jìn)行排序選擇。

5）交叉

本文選擇的是二進(jìn)制交叉中的單點(diǎn)交叉，就是說(shuō)系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一交叉點(diǎn)位置，2個(gè)父本個(gè)體在交叉點(diǎn)位置左邊的部分進(jìn)行基因碼互換，形成2個(gè)子個(gè)體。類(lèi)似的完成其他個(gè)體的交叉操作。交叉操作的頻率是由交叉率的選擇決定的，頻率越高，可更加迅速地收斂到最優(yōu)希望的最優(yōu)解區(qū)域，因此要選較大的交叉率，但也不可太高，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致過(guò)早收斂，一般取0.4～0.9，本文選擇0.9。

6）變異

對(duì)于二進(jìn)制編碼的個(gè)體而言，變異即個(gè)體上某一位以一定的變異率發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即0變成1，1變成0。變異率的選擇一般受種群的大小和染色體長(zhǎng)度等因素影響，通常變異率取很小的值，本文選擇變異概率為0.01。

3.1.3 遺傳算法PID參數(shù)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

1）初始群體的產(chǎn)生。在按經(jīng)驗(yàn)法整定的PID控制器3個(gè)參數(shù)值附近，用均交設(shè)計(jì)法產(chǎn)生一定規(guī)模的初始群體。

2）計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度值。按照定義的適應(yīng)度函數(shù)來(lái)對(duì)群體中的每個(gè)個(gè)體進(jìn)行適應(yīng)度計(jì)算。

3）進(jìn)行遺傳操作。進(jìn)行選擇、交叉和變異操作，產(chǎn)生新的種群。

4）新種群適應(yīng)度的計(jì)算。如果滿足終止條件，那么表示已找到最佳參數(shù)，接著進(jìn)行選擇、交叉以及變異操作。否則回到步驟3），再次進(jìn)行新的遺傳操作過(guò)程，直到滿足終止條件為止。

3.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢測(cè)遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的控制效果，選用單回路PID控制器進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)得到的目標(biāo)函數(shù)為

利用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)控制方法與遺傳算法參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，取種群大小為60，交叉率Pc為 0.9，變異率 Pm為 0.01，最大迭代數(shù) 1000，常規(guī)工程整定法得出的PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)值Kp=25.1，Ki=3.2 min，Kd=0.58 min。分別得到的溫度響應(yīng)曲線如圖4和圖5所示。

圖4 經(jīng)驗(yàn)法仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the experience method

圖5 經(jīng)過(guò)遺傳算法優(yōu)化后的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results after optimizing by the genetic algorithm

比較圖4和圖5，后者的調(diào)節(jié)時(shí)間t=0.5004 s＜0.8 s，超調(diào)量 σ%=26.94%＜30%，由此可知，和傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)相比基于遺傳算法優(yōu)化的PID控制系統(tǒng)具有更小的振蕩幅度和更短的振蕩時(shí)間，因此利用遺傳算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是一種很有效的優(yōu)化方法。

3.2 本地監(jiān)控站Profibus-DP通信的設(shè)計(jì)

1）與G150的通信。設(shè)定G150本身的參數(shù)：P0976為 4，P1000為 6，即 P0700為 6，然后 G150由Profibus電纜經(jīng)過(guò)通信模塊連接到DP網(wǎng)上，選擇4PKW，2PZD的數(shù)據(jù)區(qū)，通信報(bào)文為PPO1，在OB1中調(diào)用SFC14和SFC15，完成對(duì)G150數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

2）與S7-1200 CPU1214C的通信。需將CM1242通信模塊的GSD文件安裝于STEP7中，S7-1200中將需進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)整理后存放于S7-1200的存儲(chǔ)區(qū)與S7-300組態(tài)CM1242從站時(shí)的硬件地址相對(duì)應(yīng)就行。

3）與DDMF5溫度采集模塊的通信。將此溫度模塊的GSD文件安裝于STEP7中，DDMF5會(huì)按照字的方式來(lái)從Profibus網(wǎng)絡(luò)中讀取從PIW0～PIW14代表的8個(gè)模擬量輸入通道的數(shù)據(jù)。

4）與ET200的通信。作為遠(yuǎn)程的I/O站，ET200組態(tài)時(shí)選擇其接口IM153-1并且設(shè)定5為站地址，通信速率則選定為1.5 Mb/s，組態(tài)的站地址必須保證與IM153-1上面的撥碼開(kāi)關(guān)的站地址是一樣的[8]。然后組態(tài)ET200M上的I/O模塊只使用其DI/DO模塊中的SM323DI16來(lái)收集系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

3.3 監(jiān)控站GPRS通信的設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主站的PC機(jī)上安裝WinCC6.0組態(tài)軟件SINAUT MICRO SC，PC機(jī)通過(guò)OPC連接到網(wǎng)絡(luò)[7]。在終端站S7-1200上安裝GPRS無(wú)線通信模塊SINAUT CP1242-7，并插人SIM卡，然后在S7-1200上安裝GPRS無(wú)線通信進(jìn)行初始化所需要的庫(kù)程序，此庫(kù)文件可以在SINAUT MICRO SC的CD中找到，庫(kù)文件有4個(gè)程序塊：WDCINIT，WDC-RECEIVE，WDC-SEND 及 WDC-CONTROL。GPRS無(wú)線傳輸?shù)倪^(guò)程：首先使用S7-1200專(zhuān)用的GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊CP1242-7將從站采集到的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，接著再發(fā)送到INNET上，然后通過(guò)端口映射將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到SINAUT MICRO SC軟件上，在OPC模式下，SINAUT MICRO SC會(huì)將數(shù)據(jù)傳于WinCC軟件，并給遠(yuǎn)程監(jiān)控終端發(fā)送確認(rèn)信息，在終端，有WDC-RECEIVE子模塊用來(lái)接收和確認(rèn)信息，而且有WDCSEND子模塊來(lái)發(fā)送確認(rèn)信息，最后作為OPC的客戶端，WinCC會(huì)訪問(wèn)OPC路由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)與S7-1200系列PLC之間的數(shù)據(jù)交換。

4 結(jié)語(yǔ)

串級(jí)控制算法中的第一級(jí)使用模糊控制算法來(lái)排除一定的干擾并且減弱參數(shù)變化對(duì)控制效果帶來(lái)的影響，第二級(jí)使用遺傳算法，用遺傳算法來(lái)對(duì)PID控制器的Kp、Ki及Kd3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用Matlab軟件仿真之后表明：PID調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)過(guò)遺傳算法優(yōu)化后具有更小的超調(diào)量和更快的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)的熱量傳遞效率更高，系統(tǒng)更加可靠；用Profibus-DP總線來(lái)實(shí)施數(shù)據(jù)交換，可以提高通信的速率；GPRS無(wú)線通信的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)供熱狀態(tài)的動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)視及對(duì)換熱站現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控[5]。系統(tǒng)運(yùn)行兩年多，一直穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。串級(jí)控制器的設(shè)計(jì)思路同樣可用于工業(yè)鍋爐、中央空調(diào)制冷系統(tǒng)等控制系統(tǒng)領(lǐng)域，且在同類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有一定的參考價(jià)值。

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