基于PLC控制與PID調(diào)節(jié)的換熱站二次恒溫系統(tǒng)

摘 要：隨著人們對(duì)供暖質(zhì)量、按需供暖要求的不斷提高，換熱站二次供水的恒溫控制成為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。本文通過遠(yuǎn)程操控二次供水溫度的設(shè)定值，利用PID控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)的控制閥，確保二次供水的實(shí)際溫度符合預(yù)期。

關(guān)鍵詞：智能PID調(diào)節(jié)；PLC控制；二次恒溫

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2013） 14-0000-01

我國北方城鎮(zhèn)居民于冬季大多使用水暖供熱，換熱站的重要性可見一斑。隨著人們對(duì)供暖質(zhì)量、按需供暖要求的不斷提高，換熱站二次供水的恒溫控制成為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

本文利用觸控面板和PLC的連接實(shí)現(xiàn)換熱站二次供水溫度的遠(yuǎn)程操控。在根據(jù)室外溫度修正二次供水溫度設(shè)定值后，利用PID控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)的控制閥，最終令二次供水的實(shí)際溫度符合預(yù)期。

一、控制系統(tǒng)與操作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和原理

（一）系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與基本構(gòu)成

本文的恒壓供暖系統(tǒng)由水泵電機(jī)和ACS550變頻自動(dòng)控制裝置構(gòu)成。該變頻自動(dòng)控制裝置由變頻器（內(nèi)含PID調(diào)節(jié)器）、可編程控制器（PLC）、可編程時(shí)控開關(guān)、遠(yuǎn)傳壓力傳感器與相關(guān)電氣控制部件構(gòu)成（見圖1），具備變頻調(diào)速功能和全自動(dòng)閉環(huán)控制功能，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)三臺(tái)380V、50Hz水泵電機(jī)的自動(dòng)控制[2]。

（二）PLC+TP操作平臺(tái)的工作原理及控制方式

可編程邏輯控制器（PLC）內(nèi)部可編程的存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)等操作指令，并借由數(shù)字化、模擬化的輸入和輸出，控制生產(chǎn)過程[3]。

觸控面板（TP）和可編程邏輯控制器（PLC）通過DP口進(jìn)行物理連接，以PROFIBUS總線方式進(jìn)行通訊，觸摸屏本身也帶有串口，不僅可以通過編程器進(jìn)行串口編程，也可通過該端口對(duì)PLC進(jìn)行訪問和實(shí)現(xiàn)控制。

PLC+TP操作臺(tái)上設(shè)有自動(dòng)—手動(dòng)、急停按鈕、PLC故障復(fù)位按鈕。

PLC+TP操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制下的最優(yōu)操作，利用該操作平臺(tái)可對(duì)整個(gè)城鎮(zhèn)的供暖系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與遠(yuǎn)程操作。通過觸控面板或現(xiàn)場(chǎng)控制柜面板，可起停循環(huán)泵、補(bǔ)水泵和冷凝水泵，并直觀修改二次供水溫度曲線以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)供暖。同時(shí)TP界面能生動(dòng)顯示循環(huán)泵與補(bǔ)水泵的工作狀況，當(dāng)泵運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，觸控面板實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信號(hào)，督促管理人員第一時(shí)間安排相應(yīng)泵的故障檢修。

二、二次供水溫度的控制

管理人員可應(yīng)用PLC+TP操作臺(tái)在觸控面板上直接遠(yuǎn)程修改二次供水溫度調(diào)節(jié)曲線，以此確保在不同的室外溫度下相應(yīng)二次供水依舊恒溫。二次供水溫度控制原理如圖2所示。

（一）二次供水溫度設(shè)定值的計(jì)算

利用穩(wěn)態(tài)條件下系統(tǒng)的供熱量、散熱器的散熱量及用戶的耗熱量相等的原則，可以得到穩(wěn)態(tài)條件下的二次供水溫度：

（二）溫度智能PID調(diào)節(jié)器

由于儲(chǔ)能元件的存在，工業(yè)系統(tǒng)對(duì)外加作用的響應(yīng)有一定的慣性；另外，由于管道和長(zhǎng)線等原因，能量和信息在傳遞過程中會(huì)引入一些時(shí)間上的滯后，令系統(tǒng)的響應(yīng)變差。因此，單獨(dú)按偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)的無法保證調(diào)節(jié)質(zhì)量。為優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果，通常在系統(tǒng)引入偏差的積分調(diào)節(jié)以提高精度，引入偏差的微分調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)慣性的影響[4]。以上構(gòu)建了基于偏差的PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

PID模擬調(diào)節(jié)器的理想算式為： （3）

式中偏差值 ， 為給定值， 為被控變量， 為比例系數(shù)， 為積分時(shí)間常數(shù)， 為微分時(shí)間常數(shù)。

PID調(diào)節(jié)屬于采樣調(diào)節(jié)，因此應(yīng)對(duì)式（3）進(jìn)行差分處理，將該描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程變換為描述離散系統(tǒng)的差分方程[4]。設(shè)采樣周期為 ，則第 次采樣的時(shí)刻 ，則式（3）可轉(zhuǎn)換為如下差分控制方程：

采用增量形式的控制方程時(shí)，控制量可由 算得。本論文采用AL809智能PID調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器的輸出為開關(guān)動(dòng)作，用于直接控制調(diào)節(jié)閥電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。檢測(cè)室外溫度所得信號(hào)和設(shè)定值信號(hào)在AL809調(diào)節(jié)器中通過PID整定，輸出指令操控一次供水出口的控制閥，從而調(diào)節(jié)二次水的溫度[4]。

三、結(jié)語

本文的控制方式支持運(yùn)行人員利用TP遠(yuǎn)程修正不同時(shí)段的二次供水溫度設(shè)定值。利用室外溫度傳感器檢測(cè)實(shí)際室外溫度，代入式（2）算得相應(yīng)二次供水溫度設(shè)定值。結(jié)合二次供回水溫差，利用溫度智能PID控制器，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)的控制閥，最終令二次供水實(shí)際溫度與設(shè)定值相符。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜俊明.換熱站的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化博覽，2005.

[2]龍成忠.恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2009.

[3]李飛.PLC在化工過程控制中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2010.

[4]馬愛龍.具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的換熱站自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]BneettS.DevelopmentofthePIDcontrollers.IEEEControlSystemsmagazine，1993，13（2）：58-65.