基于SAIA PCD控制器的二次網(wǎng)供熱控制系統(tǒng)

1 引言

二級管網(wǎng)控制系統(tǒng)設計的不合理，不僅會導致供暖舒適度比較低，而且能耗較高，造成資源的浪費。本文所介紹的二次網(wǎng)供熱控制系統(tǒng)，根據(jù)“按需供熱”的原則，按照不同區(qū)域、不同時間和不同的室外溫度自動調(diào)節(jié)供熱量，使系統(tǒng)的供熱量與熱負荷相一致，不僅能夠提高供熱舒適性，而且能達到節(jié)約能源的目的。

2 二控制系統(tǒng)總體設計

供熱系統(tǒng)[1]由熱源、管網(wǎng)、熱力站、熱用戶組成，如圖1所示，一次管網(wǎng)與二次管網(wǎng)是兩個獨立的循環(huán)網(wǎng)絡，一次網(wǎng)的進水由熱源提供，在換熱器內(nèi)進行能量交換，電動三通閥設在板式換熱器一次側(cè)進水管上，通過調(diào)節(jié)電動三通閥開度來調(diào)節(jié)換熱器的進水量，從而調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供水溫度。

圖1 供熱網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　本控制系統(tǒng)實現(xiàn)對二次供水溫度的自動控制，依據(jù)的條件為供水溫度設定值和二次供水溫度，設定值的給出由操作人員根據(jù)經(jīng)驗設定，或由控制器根據(jù)供水溫度曲線計算[2]?？刂葡到y(tǒng)通過閉環(huán)控制單元，根據(jù)二次網(wǎng)供水溫度和設定值，用pid控制方法來調(diào)節(jié)電動三通閥開度大小，以保證二次供水溫度達到要求。

　　瑞士思博控制公司saia pcd可編程序控制器， 廣泛應用于工業(yè)和樓宇自動化領(lǐng)域，配套的編程工具saia pg5，包含專門的heavac庫，為用戶開發(fā)樓宇控制系統(tǒng)提供了一個強大而全面的基礎平臺；用戶在任何時候可以進行更深一層的編程，極大地節(jié)省了時間。因此決定采用saia pcd系列可編程序控制器作為核心器件。pcd控制器通過w220溫度模塊讀取傳感器檢測的室外溫度和二次網(wǎng)出水溫度，同時通過tcp/ip通信方式讀取上位機的各項設定值，根據(jù)各種參數(shù)和pid控制方法進行邏輯運算，并通過模擬輸出模塊將pid的輸出值作為模擬輸出量輸出，以此調(diào)節(jié)電動三通閥的開度。除溫度控制之外，pcd控制器還進行循環(huán)泵、補水泵的控制，以及室內(nèi)溫度的監(jiān)測?？刂瓶驁D如圖2所示。

圖2 控制原理框圖

　　由于溫度由溫度傳感器測得，而溫度傳感器與測量點之間的電纜存在電阻，此附加電阻的存在使測得的溫度和實際的溫度之間存在誤差，這個誤差會影響控制結(jié)果的準確性。為了補償溫度傳感器的誤差，在pcd下位機軟件部分設計一個輸入補償環(huán)節(jié)offset，控制程序使用的溫度參數(shù)均為修正值xoff=x+offset。offset值的大小由輸入模塊型號、電纜電阻率和電纜的長度、截面積而定。

3 供熱方式選擇和供水溫度值的設定

本系統(tǒng)有三兩種供熱方式可供選擇：溫度補償控制方式、分時控制方式分時分溫控制方式。根據(jù)樓層高度和建筑布局以及功能不同，將整個建筑物分為生活區(qū)和辦公區(qū)，兩個區(qū)的控制相互獨立，可以根據(jù)各自的需求選擇不同的供熱方式。

　　3.1 溫度補償控制方式

溫度補償控制方式，即根據(jù)室外溫度的變化來調(diào)整供水溫度值。當室外溫度下降，建筑物的熱損失增加，需要增加更多的熱量以防止室內(nèi)溫度下降，反之則需減少熱量。因此按照室外溫度的變化合理的設定供暖出水溫度值，可以保持室內(nèi)溫度的恒定。在溫度補償控制方式下，供水溫度計算經(jīng)驗公式為:

　　 tg=tw+k( tr- tw) (1)

　　式中，tg—供水溫度理論計算值℃；

　　tw—室外溫度值℃；k—水溫設定曲線系數(shù)。使用式的基本條件為tw不小于tr。不同水溫設定曲線系數(shù)下的供暖曲線如圖3所示(tr不變)。圖中的點為wwsd

　　 point(溫暖天氣關(guān)閉點)，由tr值確定。由于日間室內(nèi)存儲的熱量會彌補夜間建筑物內(nèi)溫度的下降，夜間的供暖曲線應低于日間供暖曲線。因此，夜間還要將tg值乘以夜間降溫系數(shù)kt，其中0

圖3 供暖曲線

　　這些參數(shù)及夜間的起止時間都可以從人機界面設定，pcd根據(jù)這些參數(shù)確定的供水曲線自動計算出供水溫度設定值。為確保室內(nèi)溫度維持恒定，必須設定合適的參數(shù)，以確定合適的供熱曲線，如果供熱曲線太低，則出水溫度過低會導致不足以供給足夠的熱量使房間溫度下降；如果供暖曲線太高，則出水溫度過高而導致房間溫度過熱。

　　3.2 分時控制方式

　　一天中的不同時段，對熱量的需求是不同的。比如說對于辦公區(qū)的供暖，工作日白天六點后，需按住宅區(qū)標準供暖；下午9點后或非工作日，只需保證供熱水管不被凍住，無須大量供熱，因此將供水溫度調(diào)到防凍溫度6℃即可，這樣可以降低無效供熱，達到節(jié)約能源的目的。操作人員根據(jù)實踐經(jīng)驗和具體需求，設定出一星期內(nèi)每天的分時段以及在分時段內(nèi)的出水溫度設定值，pcd控制器根據(jù)時間段自動選擇溫度設定值。

　　3.3 分時分溫控制方式

　　分時分溫控制方式，是結(jié)合了溫度補償控制方式和分時控制方式的優(yōu)點設計出的供熱方式：系統(tǒng)設定好若干條不同水溫設定曲線系數(shù)下的供暖曲線，操作人員根據(jù)經(jīng)驗和具體需求，設定出每個時間段所選擇的供暖曲線，控制器根據(jù)時間段和相應的供暖曲線計算出溫度設定值。

4 pid控制器的設計

　　溫度控制系統(tǒng)一般具有大慣性、大延時的特點。在工業(yè)控制中，難以建立溫度系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，而應用模擬或數(shù)字式pid閉環(huán)控制可以克服時間響應滯后，能獲得較好的控制精度，達到滿意的控制效果。因此，本控制系統(tǒng)采用pid 控制方式。

　　pid控制[3]，即按偏差的比例(p)、積分(i)、微分(d)控制，是控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行的經(jīng)驗和理論的分析都表明，運用這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時，都能得到滿意的結(jié)果pid調(diào)節(jié)器既能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，又能加快過渡過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，是一種比較完善的調(diào)節(jié)規(guī)律。

　　本二次網(wǎng)供熱控制系統(tǒng)是根據(jù)實際供水溫度與供水溫度設定值來控制調(diào)節(jié)閥， 并使實際供水溫度達到供水溫度設定值的。被調(diào)參數(shù)是溫度，控制量是電動三通閥的開度。當被控量在給定值附近時，理想的pid控制將使系統(tǒng)頻繁動作，考慮到電動三通閥并不適用過于頻繁的操作，因此在系統(tǒng)中增加一個輸出死區(qū)環(huán)節(jié)，死區(qū)是一個可調(diào)節(jié)的參數(shù)，當計算得的輸出量的變化大于死區(qū)范圍時，輸出量才發(fā)生變化，否則輸出量不變。即在死區(qū)內(nèi)電動三通閥保持原有狀態(tài)不變，構(gòu)成非線性、帶死區(qū)的控制系統(tǒng)。如圖4所示，加了此死區(qū)環(huán)節(jié)后，輸出呈階梯狀變化，而非連續(xù)變化。

圖4 溫控閥階梯開度控制

　　控制框圖如圖5所示。

圖5 pid控制框圖

　　saia pcd控制器帶有圖形化的pid功能指令，它是用于pid控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，編程時只需要設置一些參數(shù)，使用起來非常簡單方便。

5 結(jié)束語

　　本文系統(tǒng)的介紹了saia pcd控制器實現(xiàn)的二次網(wǎng)供熱控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)使用帶輸出死區(qū)的pid控制算法，通過對電動三通閥的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對二次網(wǎng)供水溫度的控制，能夠提高供熱舒適性，并達到節(jié)能效果。