基于回水温度法的二次网智能调节平衡系统研究

刘春蕾 王培齐 高 天 王 晨 郭丽姣

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

当前在城镇供热二次网系统中,对管网的智能调节与平衡控制是整个系统设计的核心部分，控制的好坏将对整个供热系统的电耗和热耗性能产生很大的影响.目前集中供热面临的问题仍然是在末端缺乏有效调节手段的情况下，不同用户的水力失调导致的室内温度冷热不均，同时为维持室内温度较低用户的供热质量，采用提高热源输出热量，造成过量供暖的整体过热损失的问题.因此必须将管网流量控制在一个合理的范围内,这样既能满足热用户需求,还能使整个供热系统更加节能降耗.

为提高水力平衡控制质量,已经出现了多种水力平衡的调节方法，目前常见的调节方法有比例调节法、补偿调节法以及回水温度法等.比例调节法和补偿调节法需要调节人员进行相关供热理论计算才能进行调节；回水温度法比较简单，只需要把回水温度作为调节目标，但传统的回水温度法也存在调节时间费时费力、回水温度不能完全代表室温等缺点，本文则提出了一种能够很好弥补传统回水温度法的智能调平方案.

1 二次网智能调节平衡系统控制方案及策略

1.1 控制系统结构

在供热管网二次系统中，不同热用户与热源中心的距离不同，导致不同热用户管网的剩余压头不同.不同的剩余压头使得流入各热用户的流量与设计值不符，因而产生水力失调；由于供水温度是相同的，所以管道内的回水温度即可较准确的反映出管网的热力失调情况.因此选取管网压力和回水温度作控制参数设计串级控制系统.串级控制系统共设两支回路：选取回水管道温度为主回路变量、供回水管路压力差为副回路变量，控制原理图如图1所示.

图1 自动控制原理图

本系统不同以往需要人力根据经验反复调整的策略，而是提出一种基于单元控制的水力平衡控制策略，通过采用先进的物联网技术和新型控制理论对供热管网系统的理论分析，以管网压力和回水温度作为控制参数设计串级控制系统，在稳定好各支路压力后，通过测量的回水温度与云中心下发的回水温度平衡数值对比，对安装在建筑单元口的电动控制阀进行调节，改变管道内的流量，当再次测得所有单元建筑的回水温度基本相同时，则实现了二次网系统水力平衡和热力平衡.

1.2 控制策略研究

传统PID算法因其在工业中良好的控制效果，早已被广泛应用于供热控制线性系统调节中，其控制规律关系式如下所示：

式中Kp——表示比例增益；

Ti——表示比例增益；

Td——表示比例增益.

而供热二次网系统具有非线性和大滞后的特点，传统PID算法在系统静态和动态水力失调作用影响下并不能及时调整到对应的控制参数；模糊控制算法作为一种可以将调控经验转化为控制策略的高级控制算法近年来被广泛应用在非线性控制，故本文将传统PID与模糊控制相结合，控制系统在水力失调作用下产生误差e和误差变化率ec，然后通过模糊控制规则实现实时调节PID参数，最终的PID输出参数为PID基本参数与模糊控制下参数调节值的结合，大大改善供热二次网系统中水力失调现象的影响.其关系如下式所示：

通过建立此模糊PID串级控制系统，主回路能够解决二次网系统热用户端室温不稳定、管道环路动态品质差和稳态精度低、运行调节滞后、能耗高等问题；同时副回路迅速克服水流进入供回水管道产生的压力干扰，能改善控制通道的动态特性、提高系统的快速反应能力，使系统对非线性情况的负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力，以实现整个供热二次网系统的准确控制，控制系统框图如图2所示.

图2 模糊PID串级控制系统框图

2 二次网智能调节平衡系统设计及实现

2.1 PLC控制器整体架构及硬件配置

PLC控制器是整个二次网智能调节平衡系统的核心，要收集系统中所有压力、温度变送器所传输的信号，与云中心进行通信，通过智能算法对指定的电动调节阀进行控制，调节开度影响管路流量，最终使回水温度达到稳定值.由于二次网智能调节平衡系统整体架构精简，控制设备相对分明，因此本系统选用德国SIEMENS公司的S7-200 SMART型.压力、温度变送器通过屏蔽电缆与PLC控制器相接传输信号，而PLC控制器支持点对点接口(PPI)协议，可将信号采用RS485通讯方式到无线通讯模块，从而保证了整个过程信号的传输与程序的保护.PLC控制器整体架构图如图3所示.

图3 PLC控制器整体架构图

根据二次网智能调节平衡系统实际监控点数,并保证PLC端子数目要有占总点数10%-20%的余量,选用的S7-200 SMART型PLC的CPU模块为SR30,开关量输入/输出为18点/12点,输入/输出形式为DC24V输入/AC220V继电器输出.由于本系统中需要多路模拟量输入与输出点数,所以需要模拟量模块进行扩展,以3个单元的建筑楼栋为例，扩展选择输入组合的8模入/4模入的模拟量模块EM AE08与EM AE04各一块,及4模出的模拟量模块EM AQ04一块；其输入/输出点地址分配如表1所示.

表1 输入/输出点地址分配表

2.2 二次网智能调节平衡系统软件设计

在供热管网二次系统中，由于供水温度是相同的，所以管道内的回水温度即可较准确的反映出管网的热力失调情况.二次网智能调节平衡系统，采用先进的物联网技术和新型控制理论设计出先快速稳定各建筑单元末端支路管道压力，后精准控制回水管道温度，通过自动调节阀门的开度大小来控制流入单体建筑的流量大小，而使得不同管路分配出合适本单元建筑的热水流量，从而实现整体的水力平衡.本系统不同以往需要人力根据经验反复调整的策略，而是提出一种基于单元控制的水力平衡控制策略，该策略通过对供热管网系统的理论分析，以管网压力和回水温度作为控制参数设计串级控制系统，建立控制系统数学模型，在稳定好各支路压力后，通过测量的回水温度与云中心下发的回水温度平衡数值对比，对安装在建筑单元口的电动控制阀进行调节，改变管道内的流量，当再次测得所有单元建筑的回水温度基本相同时，则实现了二次网系统水力平衡和热力平衡；软件设计流程如图4所示.

图4 二次网智能调节平衡系统设计流程图

3 结束语

随着我国在供热事业上的发展，二次网系统中对水力平衡技术有了更高一步的要求.二次网智能调节平衡系统的应用将是促进供暖二次网节能降耗的另一个新的突破点.本篇文章所介绍的二次网智能调节平衡系统，通过系统智能硬件的搭建，最终各个单元均在新型控制算法下进行单元水力平衡调整，使各个单元间进行有效的水力平衡调整，最终使单元各户室温恒定.很好的弥补了传统热网调控回水温度法的局限性，不仅节省人力，还能取得更好的控制效果.

借助串级控制系统实现稳压调温的控制策略，使得回水温度的变化更加精准反映出热用户的室内温度，调整后使热网稳定,节省传统加大热源运行方案带来的电能与热能的浪费,解决热用户“近热远冷”的现象问题,对节约我国每年因供暖而消耗的大量战略资源——燃料资源、电力资源具有深远的积极意义.本篇设计的二次网智能调节平衡系统针对热网的节能改造具有一定的指导意义.