CN102252366A - 一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统及方法属于城市集中供热智能控制领域，该系统包括信息监测单元、无线传输单元、主控制器和水泵控制单元；信息监测单元主要监测二次网供、回水温度、压力、流量；无线传输单元采用ZigBee协议实现主控制器和信息监测单元之间数据交互；水泵控制单元根据主控制器的控制指令，调节电机运行状态，实现换热站系统热工、水工平衡及能量优化控制；主控制器借助信息监测单元的检测数据，分析当前换热站工作状态，采用能量优化控制方法，发出系统控制指令，协调系统各功能单元稳定运行。本发明提高了换热站的热能转换效率，降低了能量消耗；获取信息的准确性、可靠性、实时性提高。

Description

一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统及方法

技术领域

本发明涉及城市集中供热智能控制技术领域，尤其涉及一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统及方法。

背景技术

城市集中供热系统是由若干个供热子系统组成，每一个供热子系统都由热网、换热站、热用户三部分组成，共享一个热源，为不同供热区域提供热量输送、控制与分配。热网分为一次网、二次网，位于热源和换热站、换热站和热用户之间，构成热量传输的分布网络。换热站是热量交换与分配的核心管理单元，由换热器、循环泵、控制柜、调节阀、补水泵等设备组成，担负着调节整个供热系统热工、水工平衡的重任。热用户是供热系统的终端，其对热量的需求是换热站调节二次网热量转换、控制水工平衡、分配热量传送的终极目标。因而，换热站热量转换的效率、水量控制的能力直接影响到供热系统的供热效果、系统能量消耗和对环境污染的程度。综上，提供一种能够解决换热站热工、水工平衡问题，实现换热站能量优化控制的控制系统及控制方法势在必行。

发明内容

为了解决现有城市集中供热系统存在的低效率、低品质、高能耗、监测手段落后、控制效果不理想等问题，本发明提供一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统及方法，其以能耗指标为约束条件，构建换热站智能化控制系统数学模型；集成多传感器信息技术、数据融合技术、智能自适应控制技术，实现换热站热网优化控制与节能运行。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统，包括信息监测单元、无线传输单元、主控制器和水泵控制单元；所述信息监测单元通过无线传输单元与主控制器连接，信息监测单元用于监测二次网供、回水的温度、压力和流量，所述无线传输单元采用ZigBee协议，实现主控制器和信息监测单元之间数据、命令的双向通信；所述主控制器根据信息监测单元传来的检测数据，分析当前换热站的工作状态，以能耗指标为约束，采用能量优化控制方法，发出系统控制指令，协调系统各功能单元稳定运行；所述水泵控制单元与主控制器连接，其根据主控制器的控制指令，调节电机的运行状态，实现换热站系统热工、水工平衡及能量优化控制。

上述信息监测单元包括压力传感器、流量传感器、温度传感器、内含无线发送和接收器的微处理器以及信号处理电路；所述压力传感器、流量传感器、温度传感器分别用于检测二次网供、出水的压力、流量和温度；所述信号处理电路分别与压力传感器、流量传感器、温度传感器相连，用于完成对上述各种传感器信号的调理，以实现与微处理器的连接；所述微处理器与信号处理电路相连，用于控制与管理信息监测单元，以无线、多跳方式与无线传输单元相连。

上述无线传输单元包括内含无线发送和接收器的微处理器、USB接口电路和电源转换电路；所述微处理器分别与USB接口电路、电源转换电路相连，用于控制与管理信息监测单元，通过USB接口电路与主控制器的连接，由电源转换电路提供工作电压。

上述水泵控制单元包括接口电路、电机控制模块和变频调速模块；所述接口电路用于提供标准485总线接口，实现水泵控制单元与主控制器的连接；所述电机控制模块与接口电路连接，其用于水泵控制单元的控制与管理，接收来自主控制器发送的控制指令，将其转换成标准的4-20mA电流信号，并送入变频调速模块；所述变频调速模块与电机控制模块连接，其用于完成对系统补水泵、循环泵转速的控制，实现换热站水工、热工平衡控制。

上述基于水工、热工平衡的换热站控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、根据换热站供热面积及管网设计要求，以二次网供、回水的压力为参数，采用单闭环控制原理，建立换热站水工平衡控制系统模型；

步骤二、以换热系统能耗指标为约束，对二次网供、回水的温度和流量采用双环闭环控制，建立换热站热工平衡控制系统模型；

步骤三、通过信息监测单元获得当前二次网供、回水的压力值，主控制器根据步骤一的换热站水工平衡控制系统模型计算补水流量，输出与之对应的有效电信号，由485总线接口送入水泵控制单元的电机控制模块，电机控制模块将接收到的信号转换成标准的4-20mA电流信号，再送入变频调速模块；变频调速模块调整补水泵的工作状态，实现二次网恒压水路循环；

步骤四、通过信息监测单元获得当前二次网供、回水的温度和流量，主控制器根据步骤二的换热站热工平衡控制系统模型计算出循环水流量，将其转换成与之对应的有效电信号，由485总线接口送入水泵控制单元的电机控制模块，电机控制模块将接收到的信号转换成标准的4-20mA电流信号，再送入变频调速模块；变频调速模块调整循环水泵的工作状态，实现二次网热工平衡的调节，进而实现基于水工、热工平衡的换热站控制方法。

本发明的有益效果是：该系统利用监测数据，建立换热器、循环泵、控制柜、调节阀、补水泵等换热站各组成单元之间的热工关系、水工关系，运用能量优化控制系统的控制方法，削弱热网热能、流量、压力、温度等运行参数之间的强耦合、惯性滞后、非线性和不确定性的特征，提高换热站热能转换效率，降低能量消耗。与现有的系统相比，在获取信息的准确性、可靠性、实时性，系统的能源消耗、优化控制等方面，都有很大的改进。

附图说明

图1是本发明的基于水工、热工平衡的换热站控制系统的结构框图。

图2是本发明的信息监测单元结构框图。

图3是本发明的无线传输单元结构框图。

图4是本发明的水泵控制单元结构框图。

图5是本发明的基于水工、热工平衡的换热站控制方法流程图。

图6是本发明压力环的动态结构图。

图7是本发明流量环的动态结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于水工、热工平衡的换热站控制系统由主控制器、信息监测单元、无线传输单元和水泵控制单元组成。

主控制器为基于水工、热工平衡的换热站控制系统的核心，选用工业控制计算机，CPU为Centrino 2.4GHz，2G内存，200G硬盘，2个485通讯接口，2个USB接口，运行windowsXP操作系统，内嵌Vc编程语言编写的一种基于水工、热工平衡的换热站控制方法；以485接口方式与水泵控制单元相连，发送控制指令，控制电机运行状态；以USB接口方式与无线传输单元连接，实现与信息监测单元数据、命令的双向通信。

信息监测单元主要监测二次网供、回水温度、压力、流量；无线传输单元采用ZigBee协议，实现主控制器和信息监测单元之间数据交互；水泵控制单元接收主控制器的控制指令，调节电机运行状态，实现换热站系统热工、水工平衡及能量优化控制。

如图2所示，信息监测单元为基于水工、热工平衡的换热站控制系统的感知器，由压力传感器、流量传感器、温度传感器、微处理器(内含无线发送和接收器)和信号处理电路组成。压力传感器、流量传感器、温度传感器用于检测二次网供、出水压力、流量和温度。信号处理电路主要完成各种传感器信号的调理，以实现与微处理器的连接。微处理器主要负责信息监测单元的控制与管理，选用Freescale MC23211，其内部集成射频收发器，外围配有复位电路，F型PCB天线，与信号处理电路相连，采用ZigBee协议，以无线、多跳方式与无线传输单元相连。

如图3所示，无线传输单元为基于水工、热工平衡的换热站控制系统的信息传递媒介，由微处理器(内含无线发送和接收器)、USB接口电路和电源转换电路组成。采用ZigBee协议，以无线方式与信息监测单元进行数据、命令的双向通信，以USB接口方式与主控制器相连，传递现场二次网供、回水温度、压力、流量等信息。微处理器主要负责无线传输单元的控制与管理，选用FreescaleMC23211，8位微处理器，其内部集成射频收发器，外围配有复位电路、F型PCB天线，与USB接口电路连接，由电源转换电路提供3.3V工作电压。USB接口电路主要完成无线传输单元的USB接口扩展，选用CH375USB，可实现与主控制器的连接。电源转换电路由电池、稳压电路、滤波电路和电源优化管理电路组成，采用7.2V，1200mAH锂电池供电，RC典型电路滤波，LM78L05和LP2950两次稳压，TPS76350电源管理，实现5.0V和3.3V输出，工作电流120mA，作为供电电源提供给微处理器和USB接口电路。

如图4所示，水泵控制单元为基于水工、热工平衡的换热站控制系统的执行器，由电机控制模块、变频调速模块和接口电路组成。采用485总线方式、MODBUS通信协议与主控制器相连，依据主控制器发出的优化控制指令，实现电机控制。

电机控制模块主要负责水泵控制单元的控制与管理，接受来自主控制器发送的控制指令，将其转换成标准的4-20mA电流信号，送入变频调速模块。变频调速模块主要完成对系统补水泵、循环泵转速的控制，实现换热站水工、热工平衡控制。接口电路主要提供标准485总线接口，实现水泵控制单元与主控制器的连接。

如图5所示，本发明的一种基于水工、热工平衡的换热站控制方法包括如下步骤：

步骤一、建立换热站水工平衡控制系统模型。

根据换热站供热面积及管网设计要求，以二次网供、回水压力为参数，采用单闭环控制原理，即压力环，建立换热站水工平衡控制系统模型。

压力环作为换热站控制系统中的分支环节，其主要作用是实现二次网管网水压恒定，出现漏水欠压时可及时的补水，要求是具有稳定、可靠的控制能力，以及强的抗干扰能力。从工程实际操作上讲，压力控制同时应具有响应快的特性。因而，采用PI算法的单闭环控制实现对压力环的建模。

根据换热站补水系统现场运行特性，压力环的动态结构图如图6所示。其中：U_ip为设定管网压力等效电压信号；e_p为补水管网压力偏差；R₁为补水泵回路等效电阻；T_p为补水泵等效时间常数；K_p1为补水泵回路放大增益；T_l1为负载转矩；J₁为补水电机转动惯量；ξ₁为补水回路阻力系数；K_f1补水电动势系数；U_op为补水泵输出有效控制信号。则开环传递函数为：

$G_{\mathrm{op}}=\frac{K_{\mathrm{pl}}{K}_{f1}/R_1}{(T_{l1}s+1)(J_{1}s+{\mathrm{\ξ}}_1)}$

该单闭环压力控制模型基于PI算法，可校正为I型二阶系统，调节量是水泵的运行速度，输入量是管网设定压力的等效电压信号。若增大系统开环增益可以加大固有频率，提高系统的相应速度，但同时会减小阻尼比，使得系统的阻尼程度减小，则采取折中方案，二阶最优控制系统传递函数为：

$G_{\mathrm{op}}=\frac{4.98\×(0.0139s+1)}{0.0139s}$

步骤二、建立换热站热工平衡控制系统模型。

以换热站供热系统能耗指标为约束，对二次网供、回水温度和流量采用双环闭环控制，即从内到外依次为流量环和温度环，建立换热站热工平衡控制系统模型。

流量环作为换热站控制系统双环闭环控制中的内层环节，其主要作用是实现二次网管网水流量的调节，根据实际所需热量的要求，及时调整热水单位时间的供给量，与压力环类似，同样要求是具有稳定、可靠的控制能力，强的抗干扰能力以及快速响应快的特性。因而，采用压力环节控制模型作双闭环控制系统的内层模型。则流量环的动态结构图如图7所示。其中：U_ip为优化管网流量等效电压信号；e_p为循环管网流量偏差；R₂为循环泵回路等效电阻；T_q为循环泵等效时间常数；K_p2为循环泵回路放大增益；T_l2为循环泵负载转矩；J₂为循环泵转动惯量；ξ₂为循环水回路阻力系数；K_f2循环泵电动势系数；U_oq为循环水泵输出有效控制信号。其开环传递函数为：

$G_{\mathrm{oq}}=\frac{K_{p2}{K}_{f2}/R_2}{(T_{q}s+1)(J_{2}s+{\mathrm{\ξ}}_2)}$

该双闭环流量控制模型也基于PI算法，调节量是水泵的运行速度，输入量是管网优化流量的等效电压信号，则二阶最优控制系统传递函数为：

$G_{\mathrm{oq}}=\frac{7.38(0.0032s+1)}{0.0032s}$

温度环是换热站控制系统双环闭环控制中的外层环节，其主要作用是实现二次网热量传送的控制与调节。遵循系统能量消耗最小为原则，结合实际运行时二次网供、回水流量和温度，输出拟合实际用量对应的流量值，作为循环回路优化管网流量，提供给内层流量环作为目标值，指导内层流量环的调节。由于系统本身存在非线性、耦合性和参数时变性，本环节采用自整定模糊PID控制，以提高系统自适应能力和抗干扰能力。

温度环采用两输入和三输出的模糊PID控制。二输入分别是温度环的温度偏差e和温度偏差变化率e_c，三输出分别为PID控制器的三个输入量比例参数K_p，积分参数K_i，微分参数K_d。设定e和e_c服从正态分布，取值范围分别为[-30，30]和[-60，60]，输出量K_p，K_i，K_d也服从正态分布，基本论域分别为[-3，3]、[-5，5]、[-3，3]，均分为7个模糊子集，子集元素为[负大，负中，负小，零，正小，正中，正大]，即[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]。建立PID参数模糊控制表，比例参数调整模糊表{e，e_c}_p，积分参数调整模糊表{e，e_c}_i，微分参数调理制模糊表{e，e_c}_d，分别如下表所示。

步骤三、调节换热站水工平衡。

通过信息监测单元获得当前二次网供水压力值p_g、回水压力值p_h，计算两者的差值即压力差Δp。

Δp＝p_g-p_h

由换热站水工平衡控制系统模型二阶最优控制系统传递函数G_op，计算出补水流量Q_p。主控制器根据补水流量的大小，输出与之对应的有效电信号，由485总线接口送入水泵控制单元的电机控制模块，电机控制模块将接收到的信号转换成标准的4-20mA电流信号，再送入变频调速模块。变频调速模块调整补水泵的工作状态，实现二次网恒压水路循环。

步骤四、调节换热站热工平衡。

由信息监测单元获得当前二次网供水温度值T_g、回水温度值T_h，供水流量值Q_g、回水流量值Q_h，计算二次网温度差ΔT和流量差ΔQ。

ΔT＝T_g-T_h

ΔQ＝Q_g-Q_h

由ΔQ引起的热负荷变化量w，则为：

$w=\frac{\mathrm{\ΔQ}\×\mathrm{\ΔT}}{3600\×c}$

其中：c为水的比热。

在当前供水流量值Q_g的前提下，计算热负荷变化量对应的损失补偿温度ΔT_w。

${\mathrm{\ΔT}}_w=\frac{0.86w}{Q_g}$

计算温度偏差e和温度偏差变化率e_c

e＝ΔT+ΔT_w

$e_c=\frac{e_i-e_{i-1}}{e_{i-1}}$

其中：

e_i为当前采样计算出的温度偏差；

e_i-1为上一次采样计算出的温度差。

在运行过程中，基于换热站热工平衡控制系统模型，控制系统根据各模糊子集的隶属度和模糊规则，将所得的修正参数K_p，K_i，K_d带入以下计算，完成PID参数的在线自校正。

$\left\{\begin{array}{c}{K}_p=K_p+{\{e,e_c\}}_p\\ K_i=K_i+{\{e,e_c\}}_i\\ K_d=K_d+{\{e,e_c\}}_d\end{array}\right.$

主控制器存入当前的计算结果，并计算出循环水流量，将其转换成与之对应的有效电信号，由485总线接口送入水泵控制单元的电机控制模块，电机控制模块将接收到的信号转换成标准的4-20mA电流信号，再送入变频调速模块。变频调速模块调整循环水泵的工作状态，实现二次网热工平衡的调节。

综上所述，本发明利用换热站供热系统热工关系、水工关系，建立基于水工、热工平衡的换热站控制系统模型。以能耗指标为约束条件，构建实时在线的智能化换热站优化控制平台，集成多传感器信息技术、数据融合技术、智能自适应控制技术，解决现有城市集中供热系统存在的低效率、低品质、高能耗、监测手段落后、控制效果不理想等问题。本发明一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统及方法，改进了目前大多数换热站控制系统监测技术手段落后、信息较延迟、鲁棒性差的不足；与现有的系统相比，在转换热能的利用率、稳定性，能耗控制的智能性、鲁棒性，采集信息的多样性，获取信息的准确性、可靠性、实时性等方面，都有很大的改进。

Claims (5)

1.一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统，其特征在于，该系统包括信息监测单元、无线传输单元、主控制器和水泵控制单元；所述信息监测单元通过无线传输单元与主控制器连接，信息监测单元用于监测二次网供、回水的温度、压力和流量，所述无线传输单元采用ZigBee协议，实现主控制器和信息监测单元之间数据、命令的双向通信；所述主控制器根据信息监测单元传来的检测数据，分析当前换热站的工作状态，以能耗指标为约束，采用能量优化控制方法，发出系统控制指令，协调系统各功能单元稳定运行；所述水泵控制单元与主控制器连接，其根据主控制器的控制指令，调节电机的运行状态，实现换热站系统热工、水工平衡及能量优化控制。

2.如权利要求1所述的一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统，其特征在于，所述信息监测单元包括压力传感器、流量传感器、温度传感器、内含无线发送和接收器的微处理器以及信号处理电路；所述压力传感器、流量传感器、温度传感器分别用于检测二次网供、出水的压力、流量和温度；所述信号处理电路分别与压力传感器、流量传感器、温度传感器相连，用于完成对上述各种传感器信号的调理，以实现与微处理器的连接；所述微处理器与信号处理电路相连，用于控制与管理信息监测单元，以无线、多跳方式与无线传输单元相连。

3.如权利要求1所述的一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统，其特征在于，所述无线传输单元包括内含无线发送和接收器的微处理器、USB接口电路和电源转换电路；所述微处理器分别与USB接口电路、电源转换电路相连，用于控制与管理信息监测单元，通过USB接口电路与主控制器的连接，由电源转换电路提供工作电压。

4.如权利要求1所述的一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统，其特征在于，所述水泵控制单元包括接口电路、电机控制模块和变频调速模块；所述接口电路用于提供标准485总线接口，实现水泵控制单元与主控制器的连接；所述电机控制模块与接口电路连接，其用于水泵控制单元的控制与管理，接收来自主控制器发送的控制指令，将其转换成标准的4-20mA电流信号，并送入变频调速模块；所述变频调速模块与电机控制模块连接，其用于完成对系统补水泵、循环泵转速的控制，实现换热站水工、热工平衡控制。

5.基于权利要求1-4中任一项所述的一种基于水工、热工平衡的换热站控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、根据换热站供热面积及管网设计要求，以二次网供、回水的压力为参数，采用单闭环控制原理，建立换热站水工平衡控制系统模型；

步骤二、以换热系统能耗指标为约束，对二次网供、回水的温度和流量采用双环闭环控制，建立换热站热工平衡控制系统模型；

步骤三、通过信息监测单元获得当前二次网供、回水的压力值，主控制器根据步骤一的换热站水工平衡控制系统模型计算补水流量，输出与之对应的有效电信号，由485总线接口送入水泵控制单元的电机控制模块，电机控制模块将接收到的信号转换成标准的4-20mA电流信号，再送入变频调速模块；变频调速模块调整补水泵的工作状态，实现二次网恒压水路循环；

步骤四、通过信息监测单元获得当前二次网供、回水的温度和流量，主控制器根据步骤二的换热站热工平衡控制系统模型计算出循环水流量，将其转换成与之对应的有效电信号，由485总线接口送入水泵控制单元的电机控制模块，电机控制模块将接收到的信号转换成标准的4-20mA电流信号，再送入变频调速模块；变频调速模块调整循环水泵的工作状态，实现二次网热工平衡的调节，进而实现基于水工、热工平衡的换热站控制方法。

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