城市熱網(wǎng)供熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

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摘要:隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，溫飽問題得到顯著改善，其中的“溫”不僅關(guān)乎到我國城市冬季熱網(wǎng)供暖問題的改善，更是一個(gè)城市未來發(fā)展?jié)摿Φ臉?biāo)志。通過采用PLC可編程控制器與下層檢測模組相結(jié)合，優(yōu)化熱網(wǎng)系統(tǒng)，以二次管網(wǎng)供熱溫度為被控參數(shù)，通過調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)流量進(jìn)行控制。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制效果穩(wěn)定，熱網(wǎng)供熱成本降低。

關(guān)鍵詞:熱網(wǎng)控制系統(tǒng)，PLC，Simulink系統(tǒng)仿真

北方冬季持續(xù)時(shí)間較長，供暖是人民生活中不可或缺的一部分，是營造和諧穩(wěn)定、舒適幸福社會氛圍的基礎(chǔ)。其熱網(wǎng)供熱不穩(wěn)定，能源利用效率低等問題對熱網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)發(fā)起了新的挑戰(zhàn)。同時(shí)伴隨房地產(chǎn)業(yè)的逐步興起，城市房屋建設(shè)規(guī)模也隨之?dāng)U大，使得對城市熱網(wǎng)供熱的需求也不斷增加，針對我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，對城市供暖能源利用提出新的要求，使得集中供熱方式已成為城市供熱形式的主流。城市供熱需求多，分布集中，采取集中熱源供熱，可有效提升能源利用率，改善傳統(tǒng)分布式鍋爐房供熱對環(huán)境的污染問題，減輕大氣污染。為使熱網(wǎng)供熱穩(wěn)定，采用PLC可編程邏輯控制器作為控制器，便于人工科學(xué)管理，提升工業(yè)穩(wěn)定性;應(yīng)用PID算法減小偏差，可根據(jù)室內(nèi)外溫差自動(dòng)調(diào)整熱網(wǎng)溫度變化，提高熱網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)化程度。

1城市熱網(wǎng)工藝分析

城市集中供熱系統(tǒng)由熱源、熱網(wǎng)和用戶三部分組成，熱網(wǎng)系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。劃分為溫控區(qū)和供熱區(qū)，涉及到供熱站、換熱站、供水站、監(jiān)控站和熱網(wǎng)用戶等站點(diǎn)。其中供熱站為熱源，集中熱源主要為熱電站和區(qū)域性鍋爐房，或采用熱電聯(lián)合集中供熱，為一次管網(wǎng)提供熱源以滿足二次管網(wǎng)供暖所需。熱源將載熱介質(zhì)輸送至一次管網(wǎng)，載熱介質(zhì)可以為高溫?zé)嵴羝蚋邷責(zé)崴?，管網(wǎng)網(wǎng)道設(shè)置有傳感器組，包括壓力變送器、流量傳感器和溫度檢測器等測量檢測元件，通過供熱閥調(diào)節(jié)管網(wǎng)內(nèi)載熱介質(zhì)流量，載熱介質(zhì)經(jīng)過供熱閥后流入換熱器。換熱器位于換熱站內(nèi)用于載熱介質(zhì)與二次工藝介質(zhì)的熱量交換，經(jīng)加熱后的工藝介質(zhì)進(jìn)入二次管網(wǎng)，經(jīng)高壓泵加壓后送入千家萬戶。供水站對換熱站進(jìn)行工藝介質(zhì)的補(bǔ)充與泄流，維持管內(nèi)壓力恒定與供熱穩(wěn)定。監(jiān)控站負(fù)責(zé)整個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)信息采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)較好的熱供應(yīng)溫度控制。該供熱工藝中所用閥門均設(shè)有人工操作開關(guān)，在斷電或系統(tǒng)故障時(shí)可人工調(diào)節(jié)熱網(wǎng)供熱，避免故障的發(fā)生，提升供熱安全性。

2熱網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1控制系統(tǒng)分析

針對于城市集中供熱系統(tǒng)，與用戶相關(guān)聯(lián)的是二次管網(wǎng)，用戶室內(nèi)溫度均衡、供熱恒定、可隨室外溫度變化而自動(dòng)調(diào)整成為城市熱網(wǎng)能否持續(xù)發(fā)展面臨的首要解決問題。可依據(jù)二次管網(wǎng)供、回水平均溫度來解決，假設(shè)在室外溫度恒定且供熱用戶的室內(nèi)溫度相同，則各個(gè)換熱站的二次管網(wǎng)供、回水平均溫度近似相同，這樣就可保證熱網(wǎng)系統(tǒng)在同一水溫調(diào)節(jié)曲線下進(jìn)行供暖，二次管網(wǎng)供、回水溫度之間要維持一定量的關(guān)系式，滿足水溫調(diào)節(jié)曲線。熱源為熱電廠發(fā)電過程中所使用熱蒸汽經(jīng)冷凝后的熱水，可實(shí)現(xiàn)熱量的二次利用，能源利用效率較高，滿足國家對未來企業(yè)綠色發(fā)展的要求，但其不足之處就是熱源總供熱量有限。同時(shí)，根據(jù)熱網(wǎng)工藝分析可知，工藝介質(zhì)出口溫度與工藝介質(zhì)入口溫度、工藝介質(zhì)流量、載熱體入口溫度、載熱體流量有關(guān)，但工藝介質(zhì)入口溫度、工藝介質(zhì)流量、載熱體入口溫度為可測不可控因素，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，以工藝介質(zhì)出口溫度為被控量，載熱介質(zhì)流量為控制量的控制系統(tǒng)，通過控制一次管網(wǎng)流量，在總熱量一定情況下使熱量分配均勻，滿足供熱用戶所需。其工作原理是當(dāng)室內(nèi)溫度低于設(shè)定值時(shí)，或系統(tǒng)供熱量低于供熱需求，應(yīng)立即調(diào)大一次管網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，使系統(tǒng)熱流量增加，進(jìn)而提升一次管網(wǎng)熱量，達(dá)到間接促進(jìn)二次管網(wǎng)溫度升高的目的。

2．2控制方案選擇

根據(jù)熱網(wǎng)控制系統(tǒng)分析，對于熱網(wǎng)控制系統(tǒng)對二次側(cè)溫度控制有兩種控制方案。方案一:在一次管網(wǎng)供回水流量與壓強(qiáng)不變的情況下，根據(jù)室內(nèi)、外溫差與供熱需求的變化，調(diào)整熱源，即調(diào)節(jié)總供熱量;方案二:在總熱量不變的情況下，根據(jù)室內(nèi)、外溫差與供熱需求的變化，調(diào)整一次管網(wǎng)供水流量，二次管網(wǎng)溫度隨著一次管網(wǎng)流量的增大而升高。方案二適用于總熱量不變或總熱量無法干預(yù)條件下使用，當(dāng)熱負(fù)荷較大時(shí)，增加一次管網(wǎng)供水管調(diào)節(jié)閥開度，當(dāng)熱負(fù)荷較小時(shí)，減小一次管網(wǎng)供水管調(diào)節(jié)閥開度，控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。方案二較方案一更節(jié)能，可實(shí)現(xiàn)能源的重復(fù)利用，降低熱網(wǎng)企業(yè)工業(yè)成本。

2．3PLC選型及其分析

城市熱網(wǎng)供熱溫度控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC，CPU224XP，集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，2輸入/1輸出共3個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，具有較強(qiáng)的通訊能力，工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定性高。該控制系統(tǒng)中涉及到三臺高壓泵的開關(guān)，二次管網(wǎng)供回水電磁閥的調(diào)節(jié)，一次管網(wǎng)供水調(diào)節(jié)閥的開度和回水閥的調(diào)節(jié)，供水管道供水閥與泄流閥的調(diào)節(jié)，檢測元件的數(shù)據(jù)傳輸，CPU224XP可滿足其工業(yè)需求，無需外擴(kuò)模塊。其I/O分配表如表1所示。

3Simulink系統(tǒng)仿真

熱網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)可通過Simulink建立仿真模型，用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際生產(chǎn)控制系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，可進(jìn)行PID參數(shù)的整定，更為直觀地觀察控制效果以及參數(shù)改變對溫度曲線變化的影響。根據(jù)熱平衡方程式和傳熱方程分析，在傳熱面積一定時(shí)，工藝介質(zhì)出口溫度可通過控制載熱體流量來實(shí)現(xiàn)。將載熱體流量設(shè)為控制參數(shù)，工藝介質(zhì)出口溫度設(shè)為被控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對熱網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)的模型搭建。假設(shè)載熱體壓力變化不大，熱源總熱量波動(dòng)不大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析可知，載熱體動(dòng)態(tài)特性方程為:G1(s)=8e－1s20s+1，G2(s)=216s+1，對系統(tǒng)施加擾動(dòng)信號，擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)為:Gf(s)=18(9s+1)(18s+1)，系統(tǒng)采用前饋—反饋控制系統(tǒng)，對其施加幅值為1的隨機(jī)擾動(dòng)，給定信號為10，采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行溫度控制，前饋—反饋控制系統(tǒng)的仿真框圖如圖3所示。PID控制器輸出表達(dá)式u(t)=Kpe+Ki∫0tedt+Kddedt，通過對PID參數(shù)調(diào)節(jié)，觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線變化，最終確定整定結(jié)果為Kp為3，Ki為0．5，Kd為15，前饋—反饋控制系統(tǒng)響應(yīng)圖如圖4所示。熱網(wǎng)前饋—反饋溫度控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線為①號波形，在擾動(dòng)作用下不斷調(diào)整，通過PLC運(yùn)行PID算法，減小測量值與給定值的偏差，②號波形為隨機(jī)擾動(dòng)波形，③號波形為系統(tǒng)階躍給定波形。經(jīng)PID整定后波形分析，整定后系統(tǒng)相較于整定前階躍響應(yīng)上升時(shí)間減少，超調(diào)量縮小，調(diào)節(jié)時(shí)間減小，滿足工藝要求。

4結(jié)語

通過應(yīng)用PLC可編程邏輯控制器，實(shí)現(xiàn)城市熱網(wǎng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工業(yè)穩(wěn)定程度高。在總熱量一定的情況下，通過控制一次管網(wǎng)供水流量控制二次管網(wǎng)供、回水溫度差，提高能源利用率，降低工業(yè)成本。同時(shí)增加手動(dòng)與電動(dòng)相結(jié)合的控制方式，便于人工科學(xué)管理，提升熱網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)化程度，提高安全穩(wěn)定性能。將計(jì)算機(jī)科學(xué)與自動(dòng)控制相結(jié)合，應(yīng)用Simulink搭建熱網(wǎng)模型，使其更直觀表達(dá)出控制效果，可跨越時(shí)間與空間進(jìn)行PID參數(shù)的整定，降低人力投入，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

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作者:常世杰 任佳男 田思慶 單位:佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院