集中供熱系統(tǒng)智能監(jiān)控技術研究

石銳　隋修武　虞躍霖　張曉萌

摘 要 針對集中供熱系統(tǒng)中熱網(wǎng)的耦合性、非線性、滯后性等控制難點，結(jié)合節(jié)能環(huán)保的理念，針對換熱站設計了基于模糊理論的智能供熱控制系統(tǒng)。依托組態(tài)王和現(xiàn)場 PLC 聯(lián)合開發(fā)高級控制策略，實現(xiàn)遠程監(jiān)控中心對小區(qū)換熱站的溫度、壓力、流量、閥門開度等參數(shù)的現(xiàn)場采集和實時調(diào)節(jié)， 提升了供熱系統(tǒng)的控制精度與供暖效果。實際運行該設計增強了熱網(wǎng)控制系統(tǒng)的智能化程度，體現(xiàn)出了良好的節(jié)能性。

關鍵詞 集中供熱 溫度補償 Fuzzy-PID 遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.04.011

Research on Intelligent Monitoring Technology of Central Heating System

SHI Rui[1][2]， SUI Xiuwu[1][2]， YU Yuelin[1][2]， ZHANG Xiaomeng[1][2]

（[1] School of Mechanical Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387；

[2] Tianjin Key Laboratory of Modern Mechanical and Electrical Equipment Technology， Tianjin 300387）

Abstract According to the central heating system heating network coupling， nonlinear and hysteresis control difficulties， combined with the concept of energy saving， the heat transfer station design of intelligent heating control system based on fuzzy theory. Based on the on-site Kingview and PLC joint development of advanced control strategy， implementation of the remote monitoring center of district heat station temperature， pressure， flow， valve opening and other parameters of the site acquisition and real-time adjustment， improve the control precision and the heating effect of the heating system. The actual operation of the design enhances the intelligent degree of the control system of the heat supply network.

Key words central heating； temperature compensation； Fuzzy-PID； remote monitoring

0 引言

由于我國供暖監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展緩慢，無法跟供熱規(guī)模進行良好匹配，結(jié)果導致了絕大多數(shù)集中供熱系統(tǒng)自動化程度較差，調(diào)節(jié)具有極其嚴重的滯后性，無法實現(xiàn)按需供暖，能源大量浪費。隨著集中供熱方式的普及，如何合理地調(diào)度和控制集中供熱系統(tǒng)，使供熱系統(tǒng)的供熱均勻、耗能少、自動化程度高，已成為供熱行業(yè)亟待解決的問題，同時也是國內(nèi)外專家一直在研究的熱門課題。[1]

1 熱網(wǎng)系統(tǒng)運行原理

目前城市供暖一般采用集中供暖的方式，小區(qū)熱力站由一次、二次網(wǎng)供熱回路組成， 兩回路之間通過中間換熱器實現(xiàn)熱量交換，為便于調(diào)控一、二次網(wǎng)的熱力水力情況，換熱器采用間接連接模式。一次熱源由熱電廠經(jīng)管道送到換熱站，通過換熱器的換熱，將一次網(wǎng)熱源的熱量交換到二次網(wǎng)熱水，最后經(jīng)分水器分至熱用戶。二次網(wǎng)中在換熱器之前需加循環(huán)泵以控制恒定壓差。供暖中由于水分的蒸發(fā)等客觀原因，導致二次管網(wǎng)供水壓力不夠，所以在二次網(wǎng)回路中增加補水泵進行適量補水，以起到對二次網(wǎng)穩(wěn)壓的作用。熱網(wǎng)熱力水力工況的波動導致溫度和壓力變化成為遠程監(jiān)控難點。[2]

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)方案設計

2.1 DCS電控柜硬件設計

DCS電控柜對現(xiàn)場控制原理如圖1所示，在一次、二次管網(wǎng)中安裝有PT100溫度傳感器、流量計、壓力變送器、過濾器、SIEMENS電磁調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵和補水泵變頻器設計控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)。該裝置包括固定在現(xiàn)場控制柜中的可編程邏輯控制器PLC、工業(yè)用數(shù)據(jù)采集器、變壓器、不間斷電源UPS、無線數(shù)據(jù)遠傳模塊DTU和觸摸屏，其中可編程邏輯控制器PLC經(jīng)RS485總線分別與無線數(shù)據(jù)遠傳模塊DTU、工業(yè)用數(shù)據(jù)采集器連接，觸摸屏通過RS232串口與可編程邏輯控制器PLC連接，工業(yè)用數(shù)據(jù)采集器與工業(yè)現(xiàn)場傳感器連接，無線數(shù)據(jù)遠傳模塊DTU數(shù)據(jù)遠傳至遠程監(jiān)控中心，變壓器、不間斷電源UPS分別與可編程邏輯控制器PLC、工業(yè)用數(shù)據(jù)采集器、無線數(shù)據(jù)遠傳模塊DTU及觸摸屏連接。循環(huán)泵、補水泵均采用變頻器控制。通過控制電磁調(diào)節(jié)閥門開度調(diào)節(jié)二次供水溫度，通過控制變頻器調(diào)節(jié)二次回水的壓力和壓差不變。

2.2 通訊協(xié)議及程序設計

熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場可編程控制器、監(jiān)控中心和通信網(wǎng)絡組成。其中通訊網(wǎng)絡采用4G通訊模塊DTU，撥號成功后，DTU獲得一個由移動隨機分配的內(nèi)部IP地址，通過數(shù)據(jù)中心的IP地址與端口號，向數(shù)據(jù)中心發(fā)送TCP通信請求，建立并保持通信連接。當DTU接收到供熱現(xiàn)場控制器的串行數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)打包在TCP/UDP里并發(fā)送給遠程監(jiān)控中心。當DTU接收到遠程監(jiān)控中心發(fā)來的串行數(shù)據(jù)包時，可通過RS485串口將取出的數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場可編程控制器。如圖2所示，PLC進行如下數(shù)據(jù)處理操作：

3 智能供熱系統(tǒng)控制技術

3.1 模糊PID控制技術

針對動態(tài)集中供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)的時變性、耦合性和滯后性的特點，通過建立Fuzzy-PID 控制器實現(xiàn)二次網(wǎng)供水恒溫輸出。Fuzzy-PID 控制器可對熱網(wǎng)二次供水溫度做在線實時調(diào)整。Fuzzy-PID 控制器的輸入是二次供水實際溫度與人工設定溫度的偏差 e 和偏差變化率 ec，借助于實際經(jīng)驗的語言編程的模糊規(guī)則，輸出PID控制的參數(shù)Kp、Ki、Kd，對控制電磁閥門開度的 PID 參數(shù)進行實時調(diào)整和修正，從而實現(xiàn)二次供水溫度的精確控制。

3.2 溫度補償調(diào)節(jié)

隨著室外溫度的變化，當供熱量大于需求熱量時將導致能源的浪費。對于這一現(xiàn)場難題，通過聯(lián)合遠程監(jiān)控中心和現(xiàn)場可編程控制器開發(fā)溫度補償控制策略，結(jié)合溫度補償?shù)姆答伣Y(jié)果來評估整個網(wǎng)絡熱負荷，熱電廠通過反饋熱負荷估計，依據(jù)換熱站實際供熱面積的變化和實際的實時供水流量建立數(shù)學模型，達到最佳采暖狀態(tài)。

4 組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于 Kingview 組態(tài)軟件，對多個二級熱力站進行實時監(jiān)控，在主界面設計多個換熱站的集中顯示界面，在子界面設計各個換熱站的熱網(wǎng)回路，監(jiān)測熱網(wǎng)回路中一次供水溫度、二次供水溫度、閥門開度、循環(huán)泵壓力、補水泵壓力等指標。各換熱站的子界面監(jiān)控系統(tǒng)雖內(nèi)容相似但相互獨立，子界面監(jiān)控系統(tǒng)集成到主界面監(jiān)控系統(tǒng)中。根據(jù)結(jié)構(gòu)化設計思想，該系統(tǒng)設計成一個清晰的層次結(jié)構(gòu)，組成的相對獨立的單位，盡量避免彼此之間共享信息。

5 結(jié)語

按照上述方案的設計與實施，實現(xiàn)遠程中心對供熱站現(xiàn)場熱力水利工況的智能監(jiān)控與調(diào)節(jié)，使熱網(wǎng)在良好的情況下穩(wěn)定運行，最終達到節(jié)能的目的。

基金項目：天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（編號：201610058098）

參考文獻

[1] 劉文琦，楊建華，林艷.集中供熱網(wǎng)智能控制方法研究[J].大連理工大學學報，2004.44（3）：563-567.

[2] Zieogonekbik， Andrzej ； Gladysz， Pawel. Optimal coefficient of the share of cogeneration in district heating systems[J].Energy， 2012（4）：220-227.