城市集中供熱系統(tǒng)自適應(yīng)控制策略研究及設(shè)計

西安熱電有限責(zé)任公司 惠加強

目前，我國北部絕大多數(shù)城市已經(jīng)采用集中供熱方式供暖，城市集中供熱可以提高能源利用效率、節(jié)省能源、并降低環(huán)境污染①，但現(xiàn)階段我國供熱智能系統(tǒng)發(fā)展較為緩慢，影響了城市供熱的效率、可靠性、熱能利用率，且管理、維護成本高。熱網(wǎng)智能管控系統(tǒng)在集中供熱中具有一定的優(yōu)勢，它可以在最大程度上提升供熱效率、可靠性、熱能利用率，并能有效控制管理、運行及維護成本，在最大程度上提升了熱網(wǎng)的供熱質(zhì)量以及運行科學(xué)性②。

本文針對目前我國集中供熱現(xiàn)狀，分析了目前的熱網(wǎng)運行方式，并以美國Freescale公司的16位單片機MC9S12DP256為核心，基于數(shù)字PID控制算法對集中供熱自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略進行了研究及設(shè)計。

1 城市集中供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

目前，城市供熱系統(tǒng)一般采用集中供熱方式，熱源生產(chǎn)一般是城市附近的熱電廠或者大型熱力生產(chǎn)鍋爐，燃料一般采用煤或者天然氣。供熱用戶熱力站一般由一次供熱網(wǎng)、二次供熱網(wǎng)組成，一次網(wǎng)與二次網(wǎng)之間采用換熱器（換熱站）來實施熱交換。為調(diào)控方便，換熱站多采用間接連接模式。熱電廠或者大型集中熱源生產(chǎn)鍋爐生產(chǎn)的熱源經(jīng)管網(wǎng)將熱能送至換熱站，經(jīng)換熱站將熱能送至二次熱網(wǎng)，最后經(jīng)分水器將熱能送至受熱用戶①。在二次熱網(wǎng)中，為解決二次管網(wǎng)水壓不穩(wěn)問題，一般在二次熱網(wǎng)中增加補水泵，解決水壓不穩(wěn)定問題。

2 集中供熱系統(tǒng)智能控制工作原理

智能控制技術(shù)是自動控制技術(shù)與人工智能結(jié)合的新技術(shù)，在解決復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制問題中具有突出優(yōu)勢。智能控制系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，其中硬件系統(tǒng)包括控制器、傳感器，執(zhí)行器等部分，其硬件核心部分是控制器。控制器的性能直接影響整個控制系統(tǒng)的控制精度、可靠性、響應(yīng)速度等重要參數(shù)。在集中供熱智能控制系統(tǒng)中，溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器安裝在各個供熱節(jié)點，實時采集溫度、壓力、流量等參數(shù)，并經(jīng)通信線路（有線或者無線傳輸）將各個節(jié)點參數(shù)送給控制系統(tǒng)中央控制器，中央控制器分別實時采集各個供熱節(jié)點的壓力、流量、溫度等參數(shù)，并根據(jù)預(yù)置的控制算法進行計算，最后控制器發(fā)生控制指令，由執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行。

3 供熱自適應(yīng)控制策略

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計針對城市集中供熱一次熱網(wǎng)控制系統(tǒng)系。溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器分布在各個主要節(jié)點，實時采集各節(jié)點的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，管網(wǎng)中各節(jié)點閥門全部采用電動閥門。數(shù)據(jù)采主要為各換熱站二次網(wǎng)前端主要參數(shù)（壓力、流量、溫度），并抽樣采集終端熱用戶參數(shù)，如室溫、水溫、壓力、流量、室外氣溫等，數(shù)據(jù)傳輸近距離采用CAN總線，將采集到的各節(jié)點數(shù)據(jù)實時送給控制系統(tǒng)電控單元，電控單元實時采集各節(jié)點數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)置的控制算法計算后發(fā)出控制指令，由執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行（主要為各電動閥門），并將熱網(wǎng)熱力需求實時傳輸至熱力生產(chǎn)控制系統(tǒng)（熱電機組或熱力生產(chǎn)鍋爐控制系統(tǒng)）。

電控單元是整個控制系統(tǒng)的重要組成部分，處理器是其核心部件。因此，處理器的選擇至關(guān)重要，其選型需要綜合考慮片內(nèi)資源、適用性、可靠性以及價格等多種因素。處理器選擇的恰當(dāng)與否將會直接影響到整個控制系統(tǒng)的性能和實現(xiàn)難易度等方面。本設(shè)計選擇美國Freescale公司生產(chǎn)的16位高性能MC9S12DP256單片機。MC9S12DP256單片機內(nèi)集成雙8通道10位A/D轉(zhuǎn)換模塊、8個PWM通道、5個CAN總線模塊，總線速度最高可以達到25MHz，5V電壓供電，LQFP封裝、112引腳。MC9S12DP256單片機，內(nèi)部資源較為豐富，可以很大程度簡化硬件電路，且可靠性高，非常適用于城市集中供熱控制使用。本設(shè)計中，沒有利用到的管腳將被引至電路板上，方便后續(xù)再次開發(fā)。

供熱控制系統(tǒng)控制的參數(shù)主要為流量、壓力、溫度。在一次網(wǎng)中，其根本是對供熱管網(wǎng)節(jié)點閥門開度的控制，閥門采用電動閥門，其控制的本質(zhì)即為對電機電流大小和方向的控制。本設(shè)計中，電機采用12V直流電機。其總體設(shè)計如圖1所示，主要包括壓力、流量、溫度信號處理電路以及電源轉(zhuǎn)換電路、CAN總線通信電路、故障診斷顯示電路等。其控制模式為：各個換熱站主要節(jié)點溫度、壓力、流量信號經(jīng)處理后送給MC9S12DP256單片機，數(shù)據(jù)傳輸采用CAN通信總線。MC9S12DP256單片機在收到各個節(jié)點數(shù)據(jù)后，按照預(yù)置的控制策略分析、計算后，得到電機電流值大小和方向，在經(jīng)驅(qū)動電路后作用于各節(jié)點閥門電機，控制閥門中電機的轉(zhuǎn)動方向和輸出力矩的大，同時對各節(jié)點閥門電機電流進行實時采樣，并傳送至單片機，從而構(gòu)成閉環(huán)控制。本設(shè)計，在控制調(diào)解各節(jié)點閥門開度大小的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了電動閥門電機保護和故障診斷與提示電路。如果檢測到系統(tǒng)存在故障，將立即斷開電機離合器，閥門改用純手動調(diào)節(jié)，并發(fā)出故障信號，從而保證了整個供熱系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖1 電控系統(tǒng)總體設(shè)計

3.2 控制算法

由于各個節(jié)點采用的是電動門調(diào)節(jié)，供熱系統(tǒng)的控制即為對各個節(jié)點閥門電機電流的大小和方向的控制。系統(tǒng)的控制算法直接決定著整個系統(tǒng)的性能，直接影響供熱系統(tǒng)的供熱效率及供熱安全性。本設(shè)計采用PID控制算法，PID控制目前被廣泛用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)。PID控制具有穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度快以及調(diào)試方法簡單，易于實現(xiàn)等多方面優(yōu)勢，非常適合用于城市集中供自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

PID控制的表達式可表示為：

式中：r(t)代供熱管網(wǎng)中各節(jié)點閥門電機的目標(biāo)電流值，y(t)表示控制輸出值，u(t)表示電控單元中PID控制器的輸出信號，Ti代表積分時間常數(shù)，Td代表微分時間常數(shù)。

由于供熱控制系統(tǒng)的核心器件是MC9S12DP256單片機，而MC9S12DP256單片機為數(shù)字信號器件。因此，需要對PID控制算法進行離散化，對式（2）作如下處理：

數(shù)字PID表達式為：

本設(shè)計中的PID參數(shù)可以用試湊發(fā)初步確定，然后在實驗中依據(jù)試驗數(shù)據(jù)修正。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)中，電子控制單元需要同時分析、計算多個節(jié)點的壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)，且供熱系統(tǒng)要求具有較高的穩(wěn)定性和安全性。因此，本設(shè)計采用中斷方式以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，將整體軟件分為主程序和中斷服務(wù)子程序。為方便實現(xiàn)，并考慮設(shè)計成本，本軟件設(shè)計部分采用模塊化設(shè)計，包括系統(tǒng)初始化、信號采集、電機動作方向判斷、狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)保護、電流模塊等。主程序設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

5 小結(jié)

本文分析了城市集中供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理，利用PID控制算法建立了數(shù)字閉環(huán)PID控制策略，提高了城市集中供熱控制系統(tǒng)的可靠性和安全性,并提升了系統(tǒng)控制精度和靈敏度。本設(shè)計利用MC9S12DP256單片機的豐富內(nèi)部資源，簡化了城市供熱網(wǎng)節(jié)點控制系統(tǒng)硬件電路，降低了硬件電路間之間的干擾，設(shè)計了一種基于美國飛思卡爾公司MC9S12DP256單片機的城市集中供熱自適應(yīng)控制策略。本文設(shè)計的城市供熱自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以在不改變硬件結(jié)構(gòu)的情況下編寫多種控制算法，方便后續(xù)進一步研究。對于供熱系統(tǒng)控制性能的提升和優(yōu)化將在進一步的研究和試驗中進行。

引文

①常國祥,王成元,孫永剛.基于模糊控制的智能供熱系統(tǒng)[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報,2006(1):56-60.

②王世平.熱網(wǎng)智能管控系統(tǒng)在集中供熱中的運用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(27):262.

③Toshikide Satake,Masahiko Kurishige,Noriyuki moue,et al.Enaluation of EPS Control Strategy Using Driviing simulator EPS[J].SAE paper,2003(82):01-05.

④劉元開.汽車電動助力轉(zhuǎn)向模糊控制器研究[D].成都:電子科技大學(xué),2014:35-37.