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

（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)對供熱質(zhì)量起到非常重要的作用，同時，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)控各個換熱站的工作狀態(tài)便成為了整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)，而且要通過這些信息來對換熱站實施適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。實施本地控制的換熱站是一個復(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[1]。因此設(shè)計了遠(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控制器組成的串級控制器來解決此問題。

1 換熱站控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

熱電廠的高溫過熱蒸汽經(jīng)過汽-水換熱器形成高溫?zé)崴偷缴霞墦Q熱站，各下級換熱站將一次管網(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]。補水系統(tǒng)會補充二次管網(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)水通過換熱站的二次管網(wǎng)供、回水壓力差的驅(qū)動循環(huán)流動。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

針對集中供熱系統(tǒng)的特點和計算機(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)造成一串級控制器，第一級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間內(nèi)室外溫度的變化作為前級模糊控制器的輸入，輸出是下級換熱站二次管網(wǎng)供水溫度的設(shè)定值。此設(shè)定值作為第二級控制器的輸入，通過構(gòu)造模糊控制器來獲取二次網(wǎng)的預(yù)設(shè)值，該方法較溫度調(diào)節(jié)法和溫度補償曲線法，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響將會被極大地減弱，具有更佳的動態(tài)特性[6]；第二級控制器是遺傳算法PID控制器，用來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PID的3個參數(shù)Kp、Ki和Kd進(jìn)行優(yōu)化，通過控制一次網(wǎng)一次閥的開度來調(diào)節(jié)水流量[9]，動態(tài)地跟蹤二次供水溫度的變化，實現(xiàn)對二次供水溫度的控制。據(jù)此目的設(shè)計的串級控制器原理如圖2所示。

圖2 串級控制器原理Fig.2 Principle diagram of the cascade controller

2 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

此換熱站的二次管網(wǎng)供水溫度串級模糊控制器、循環(huán)系統(tǒng)和補水系統(tǒng)的PID工藝環(huán)節(jié)控制功能的實現(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子PLC的Profibus現(xiàn)場總線體系。根據(jù)生產(chǎn)過程中的設(shè)計要求，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，主要用于完成對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作與生產(chǎn)過程中的控制等；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無線通訊模塊CP1242-7組成，CP1242-7通過 PPI電纜型號為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控制器的輸入，輸出則通過遺傳算法PID控制器來追此值。同樣供回水溫差作為循環(huán)泵系統(tǒng)的輸入，通過調(diào)節(jié)變頻器頻率來實現(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水系統(tǒng)的輸入[8]，輸出值則通過PID控制器來追此輸入值。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

3.1 串級控制器的設(shè)計

3.1.1 前級模糊控制器構(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)驗和總結(jié)的規(guī)律得出如下的規(guī)則庫，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)計中模糊控制器的清晰化方法采用重心法。

3.1.2 后級遺傳算法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個參數(shù)的范圍，然后采用二進(jìn)制編碼并確定編碼長度n。將每個參數(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完整的染色體。選擇二進(jìn)制編碼長度為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系統(tǒng)問題的解無任何先驗知識的情況。對本文的控制對象無任何先驗知識，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)是個體對環(huán)境適應(yīng)能力大小的表現(xiàn)，由于針對的問題不同，適應(yīng)度函數(shù)定義的方式也會不同。就函數(shù)優(yōu)化的問題，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)計中關(guān)鍵要選準(zhǔn)性能指標(biāo)，由于這個指標(biāo)必須能同時反應(yīng)系統(tǒng)的動態(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)會也會隨之增大。本文是根據(jù)系統(tǒng)的超調(diào)量和誤差的大小來確定系統(tǒng)的適應(yīng)度值，按照得到的個體適應(yīng)度值的大小對其進(jìn)行排序選擇。

5）交叉

本文選擇的是二進(jìn)制交叉中的單點交叉，就是說系統(tǒng)會隨機(jī)產(chǎn)生一交叉點位置，2個父本個體在交叉點位置左邊的部分進(jìn)行基因碼互換，形成2個子個體。類似的完成其他個體的交叉操作。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，因為可能導(dǎo)致過早收斂，一般取0.4～0.9，本文選擇0.9。

6）變異

對于二進(jìn)制編碼的個體而言，變異即個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)化的實現(xiàn)

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

2）計算個體適應(yīng)度值。按照定義的適應(yīng)度函數(shù)來對群體中的每個個體進(jìn)行適應(yīng)度計算。

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)行新的遺傳操作過程，直到滿足終止條件為止。

3.1.4 實驗結(jié)果與分析

為了檢測遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)的控制效果，選用單回路PID控制器進(jìn)行測試，實驗得到的目標(biāo)函數(shù)為

利用傳統(tǒng)經(jīng)驗參數(shù)控制方法與遺傳算法參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行對比實驗，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)驗法仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the experience method

圖5 經(jīng)過遺傳算法優(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間，因此利用遺傳算法對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

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)，通信報文為PPO1，在OB1中調(diào)用SFC14和SFC15，完成對G150數(shù)據(jù)的讀寫。

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的存儲區(qū)與S7-300組態(tài)CM1242從站時的硬件地址相對應(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會按照字的方式來從Profibus網(wǎng)絡(luò)中讀取從PIW0～PIW14代表的8個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來收集系統(tǒng)的開關(guān)量信號。

3.3 監(jiān)控站GPRS通信的設(shè)計

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OPC連接到網(wǎng)絡(luò)[7]。在終端站S7-1200上安裝GPRS無線通信模塊SINAUT CP1242-7，并插人SIM卡，然后在S7-1200上安裝GPRS無線通信進(jìn)行初始化所需要的庫程序，此庫文件可以在SINAUT MICRO SC的CD中找到，庫文件有4個程序塊：WDCINIT，WDC-RECEIVE，WDC-SEND 及 WDC-CONTROL。GPRS無線傳輸?shù)倪^程：首先使用S7-1200專用的GPRS無線數(shù)據(jù)通信模塊CP1242-7將從站采集到的現(xiàn)場參數(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子模塊用來接收和確認(rèn)信息，而且有WDCSEND子模塊來發(fā)送確認(rèn)信息，最后作為OPC的客戶端，WinCC會訪問OPC路由軟件來實現(xiàn)與S7-1200系列PLC之間的數(shù)據(jù)交換。

4 結(jié)語

串級控制算法中的第一級使用模糊控制算法來排除一定的干擾并且減弱參數(shù)變化對控制效果帶來的影響，第二級使用遺傳算法，用遺傳算法來對PID控制器的Kp、Ki及Kd3個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，運用Matlab軟件仿真之后表明：PID調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)過遺傳算法優(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總線來實施數(shù)據(jù)交換，可以提高通信的速率；GPRS無線通信的運用實現(xiàn)了對供熱狀態(tài)的動態(tài)跟蹤監(jiān)視及對換熱站現(xiàn)場的運行參數(shù)的實時在線監(jiān)控[5]。系統(tǒng)運行兩年多，一直穩(wěn)定可靠的運行。串級控制器的設(shè)計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，且在同類系統(tǒng)的設(shè)計中有一定的參考價值。

[1]許思猛.基于PLC的自整定PID溫度控制設(shè)計[D].福建：福建工程學(xué)院，2011．

[2]田海，崔桂梅，王曉紅，等.西門子PLC控制網(wǎng)絡(luò)的配置策略與應(yīng)用[J].電氣傳動，2010，40（1）：76-80.

[3]朱永亮.城市熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2010．

[4]劉篤仁.PIC軟硬件系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]王海燕，楊平，王志萍.基于GPRS技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].低壓電器，2010（19）：30-33.

[6]劉修廷.模糊理論在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].山西：中北大學(xué)，2010．

[7]梁濤，馬愛龍，孫鶴旭，等.具有GPRS遠(yuǎn)程通訊的換熱站自動控制系統(tǒng)研究設(shè)計[J].電氣傳動，2008，38（7）：69-72.

[8]蔡行健，黃文玉，李娟.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[9]臧洪泉，李曉恭.分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)水溫調(diào)節(jié)曲線的繪制[J].煤氣與熱力，2008，28（6）：18-20.