基于PLC的換熱站Fuzzy-adaptive-PID控制策略簡(jiǎn)析

謝芳友，劉凱凱，石棟良，孫璟

（上海五零盛同信息科技有限公司）

1 引言

換熱站主要由一次管網(wǎng)、換熱器、二次管網(wǎng)三部分組成。為了實(shí)現(xiàn)換熱站二次網(wǎng)供水溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是采用智能控制器進(jìn)行直接溫度調(diào)節(jié)方式或溫度補(bǔ)償方式，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，但由于供熱管網(wǎng)的面積大，管網(wǎng)分布不均勻，供熱系統(tǒng)有較大的熱慣性，溫度變化滯后性等，此溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能保證換熱站供熱效果的均衡一致，出現(xiàn)忽冷忽熱現(xiàn)象，影響用戶的使用，浪費(fèi)大量熱能。

2 工作原理

換熱站一次網(wǎng)中的蒸汽由熱電廠或者鍋爐生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)一次網(wǎng)蒸汽管道進(jìn)入換熱器，在換熱器內(nèi)一次網(wǎng)與二次網(wǎng)進(jìn)行熱量交換；由補(bǔ)水箱通過(guò)補(bǔ)水泵向二次熱力網(wǎng)中供回水管道中補(bǔ)給冷水，并通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)補(bǔ)水，熱能被有效利用之后再經(jīng)過(guò)二次回水管網(wǎng)回到換熱器；進(jìn)入換熱器的蒸汽和冷水充分進(jìn)行熱交換，將冷水變?yōu)闈M足供暖需要的熱水，保證各個(gè)用戶的供熱效果。換熱站工藝流程如圖1所示。

圖1 換熱站工藝流程圖

在熱量輸送過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)外界溫度和一次網(wǎng)、二次網(wǎng)的溫度、壓力、流量、水箱水位等參數(shù)，針對(duì)不同的外界溫度調(diào)節(jié)一次網(wǎng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速、補(bǔ)水泵的啟停、泄壓閥的關(guān)合等控制二次供水溫度和壓力，使其穩(wěn)定在設(shè)定值附近，保證用戶用熱舒適度的要求。

現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)也可以通過(guò)無(wú)線通訊模塊將換熱參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)等信息上傳到控制中心，供工作人員對(duì)換熱過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并接受控制中心下發(fā)的參數(shù)及控制指令等，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)換熱參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 整體設(shè)計(jì)框架

圖2 控制與管理系統(tǒng)總體框圖

換熱站控制與管理系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

系統(tǒng)采用工控領(lǐng)域性能穩(wěn)定的可編程邏輯控制器（PLC）作為現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)的核心，對(duì)換熱過(guò)程中的溫度、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行采集，并根據(jù)相應(yīng)的算法控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等設(shè)備，調(diào)節(jié)二次網(wǎng)的供回水溫度和壓力，滿足用戶用熱需求。

現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)的換熱數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī)，保存在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，并接受上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件下發(fā)的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4 控制策略

4.1 常用控制策略

圖3 兩級(jí)控制器串聯(lián)構(gòu)成的換熱站溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

換熱站的基本控制策略就是要保證二次水出口有一個(gè)恒定的預(yù)設(shè)定溫度，控制元件是換熱器一次水出口的控制閥，該閥門(mén)控制換熱器的一次供水流量。將預(yù)設(shè)定溫度作為給定值，測(cè)量溫度值作為反饋值，閥門(mén)的開(kāi)度作為輸出值，保證二次供水溫度的恒定。預(yù)設(shè)定溫度根據(jù)室外溫度計(jì)算得出，每個(gè)換熱站均安裝了室外溫度傳感器，通過(guò)公式計(jì)算出當(dāng)前的預(yù)設(shè)定溫度，這個(gè)設(shè)定點(diǎn)是隨著室外溫度的變化而改變的。

常規(guī)的PID控制器是按偏差的比例、微分、積分進(jìn)行控制，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制器。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是，PID控制器對(duì)非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)和模型不清楚的系統(tǒng)不能進(jìn)行有效的控制，使其應(yīng)用范圍受到限制。在換熱站控制中，二次水流量和設(shè)定值的變化使控制對(duì)象特性發(fā)生變化，當(dāng)控制對(duì)象的特性變化到一定程度后，原來(lái)整定好的控制參數(shù)就不再適用，這時(shí)，傳統(tǒng)的PID 控制必須對(duì)參數(shù)重新整定，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱站溫度精確、穩(wěn)定的控制。

4.2 Fuzzy-adaptive-PID控制策略

針對(duì)以上問(wèn)題，采用西門(mén)子的小型PLC控制器（S7-224CN），結(jié)合模糊控制器與模糊自適應(yīng)PID控制器（Fuzzyadaptive-PID）相串聯(lián)的控制策略，構(gòu)造兩級(jí)控制器系統(tǒng)，即第一級(jí)控制器為模糊控制器，第二級(jí)控制器為模糊自適應(yīng)PID控制器。兩級(jí)控制器對(duì)供熱過(guò)程中的溫度參數(shù)進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)室外溫度、時(shí)間節(jié)點(diǎn)、季節(jié)變化、以及現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的狀態(tài)、換熱參數(shù)的變化情況等自動(dòng)調(diào)整 PID 控制器的參數(shù)，再由PID控制器生成一個(gè)閥門(mén)開(kāi)度的控制量，對(duì)一次網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)二次網(wǎng)供水溫度的自動(dòng)控制，以滿足熱用熱舒適度的要求，實(shí)現(xiàn)按需供熱?？刂撇呗砸?jiàn)圖3所示。

4.3 控制過(guò)程

室外溫度E1和一段時(shí)間內(nèi)室外溫度的變化率EC1作為第一級(jí)模糊控制器的輸入，構(gòu)造模糊控制器的控制規(guī)則表，在不同的誤差和誤差變化率時(shí)，根據(jù)參數(shù)的自整定原則，模糊控制器輸出一個(gè)二次網(wǎng)供水溫度調(diào)節(jié)值，此調(diào)節(jié)值作為模糊自適應(yīng)PID控制器的輸入。采用溫度傳感器采集二次網(wǎng)供水溫度，將此溫度值與模糊自適應(yīng)PID控制器輸入的二次供水溫度調(diào)節(jié)值進(jìn)行比較，兩溫度之差為E2、差值變化率為EC2；將E2、EC2作為第二級(jí)模糊控制器的輸入,利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制器的三個(gè)參數(shù)（KP、KI、KD）實(shí)時(shí)在線校正 ,PID控制器的輸出控制一次網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)開(kāi)度，調(diào)節(jié)一次網(wǎng)與二次網(wǎng)之間的熱交換，動(dòng)態(tài)的跟蹤二次網(wǎng)供水溫度的變化，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)二次網(wǎng)供水溫度的自動(dòng)控制。

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的連續(xù)PID控制算法為：

相應(yīng)的增量式數(shù)字 PID控制算法為:

式（1）和（2）中Kp，Ki，Kd分別為比例、積分和微分系數(shù)；u(t)為輸出變量；e(t)為系統(tǒng)誤差。增量式PID控制器只與前3次采樣值相關(guān)，計(jì)算量少且實(shí)時(shí)性好。本系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行在線辨識(shí),然后利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改,以構(gòu)成模糊自適應(yīng)PID控制器。

4.4 實(shí)際運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

工程現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，記錄24h內(nèi)室溫，結(jié)果見(jiàn)圖4所示。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，采用此控制策略，換熱站可以根據(jù)季節(jié)、室外溫度的變化自動(dòng)的控制二次管網(wǎng)供水溫度，在滿足用戶用熱舒適度同時(shí)，有效的節(jié)約了能源，實(shí)現(xiàn)了換熱站無(wú)人值守，溫度自動(dòng)控制。

圖4 實(shí)際運(yùn)行隨機(jī)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

采用Fuzzy-adaptive-PID控制策略，可以大大縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，加快響應(yīng)速度，相比常規(guī)的PID控制具有更明顯的抗干擾能力。模糊自適應(yīng)PID控制器在線參數(shù)自動(dòng)調(diào)整能力強(qiáng)，對(duì)于非線性時(shí)變對(duì)象獲得了良好的動(dòng)態(tài)性能，并具有較好的自適應(yīng)性，為工業(yè)時(shí)滯系統(tǒng)的控制提供了一種有效手段。

隨著全球氣候變暖，國(guó)家重視節(jié)能減排工作，實(shí)施按需供熱、精細(xì)管理將是必然趨勢(shì)，因此，基于PLC的換熱站Fuzzy-adaptive-PID控制策略對(duì)于換熱站的智能規(guī)范管理、提高供熱質(zhì)量及節(jié)約能源具有重要意義