基于SAIA PCD控制器的二次網(wǎng)供熱控制系統

1 引言

二級管網(wǎng)控制系統設計的不合理，不僅會(huì )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，根據“按需供熱”的原則，按照不同區域、不同時(shí)間和不同的室外溫度自動(dòng)調節供熱量，使系統的供熱量與熱負荷相一致，不僅能夠提高供熱舒適性，而且能達到節約能源的目的。

2 二控制系統總體設計

供熱系統[1]由熱源、管網(wǎng)、熱力站、熱用戶(hù)組成，如圖1所示，一次管網(wǎng)與二次管網(wǎng)是兩個(gè)獨立的循環(huán)網(wǎng)絡(luò )，一次網(wǎng)的進(jìn)水由熱源提供，在換熱器內進(jìn)行能量交換，電動(dòng)三通閥設在板式換熱器一次側進(jìn)水管上，通過(guò)調節電動(dòng)三通閥開(kāi)度來(lái)調節換熱器的進(jìn)水量，從而調節二次網(wǎng)供水溫度。

圖1 供熱網(wǎng)系統結構圖

　　本控制系統實(shí)現對二次供水溫度的自動(dòng)控制，依據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經(jīng)驗設定，或由控制器根據供水溫度曲線(xiàn)計算[2]?？刂葡到y通過(guò)閉環(huán)控制單元，根據二次網(wǎng)供水溫度和設定值，用pid控制方法來(lái)調節電動(dòng)三通閥開(kāi)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(dòng)化領(lǐng)域，配套的編程工具saia pg5，包含專(zhuān)門(mén)的heavac庫，為用戶(hù)開(kāi)發(fā)樓宇控制系統提供了一個(gè)強大而全面的基礎平臺；用戶(hù)在任何時(shí)候可以進(jìn)行更深一層的編程，極大地節省了時(shí)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(guò)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(shí)通過(guò)tcp/ip通信方式讀取上位機的各項設定值，根據各種參數和pid控制方法進(jìn)行邏輯運算，并通過(guò)模擬輸出模塊將pid的輸出值作為模擬輸出量輸出，以此調節電動(dòng)三通閥的開(kāi)度。除溫度控制之外，pcd控制器還進(jìn)行循環(huán)泵、補水泵的控制，以及室內溫度的監測?？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(diǎn)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(shí)際的溫度之間存在誤差，這個(gè)誤差會(huì )影響控制結果的準確性。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(gè)輸入補償環(huán)節offset，控制程序使用的溫度參數均為修正值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(cháng)度、截面積而定。

3 供熱方式選擇和供水溫度值的設定

本系統有三兩種供熱方式可供選擇：溫度補償控制方式、分時(shí)控制方式分時(shí)分溫控制方式。根據樓層高度和建筑布局以及功能不同，將整個(gè)建筑物分為生活區和辦公區，兩個(gè)區的控制相互獨立，可以根據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，即根據室外溫度的變化來(lái)調整供水溫度值。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(xiàn)系數。使用式的基本條件為tw不小于tr。不同水溫設定曲線(xiàn)系數下的供暖曲線(xiàn)如圖3所示(tr不變)。圖中的點(diǎn)為wwsd

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

圖3 供暖曲線(xiàn)

　　這些參數及夜間的起止時(shí)間都可以從人機界面設定，pcd根據這些參數確定的供水曲線(xiàn)自動(dòng)計算出供水溫度設定值。為確保室內溫度維持恒定，必須設定合適的參數，以確定合適的供熱曲線(xiàn)，如果供熱曲線(xiàn)太低，則出水溫度過(guò)低會(huì )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(xiàn)太高，則出水溫度過(guò)高而導致房間溫度過(guò)熱。

　　3.2 分時(shí)控制方式

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

　　3.3 分時(shí)分溫控制方式

　　分時(shí)分溫控制方式，是結合了溫度補償控制方式和分時(shí)控制方式的優(yōu)點(diǎn)設計出的供熱方式：系統設定好若干條不同水溫設定曲線(xiàn)系數下的供暖曲線(xiàn)，操作人員根據經(jīng)驗和具體需求，設定出每個(gè)時(shí)間段所選擇的供暖曲線(xiàn)，控制器根據時(shí)間段和相應的供暖曲線(xiàn)計算出溫度設定值。

4 pid控制器的設計

　　溫度控制系統一般具有大慣性、大延時(shí)的特點(diǎn)。在工業(yè)控制中，難以建立溫度系統的精確數學(xué)模型，而應用模擬或數字式pid閉環(huán)控制可以克服時(shí)間響應滯后，能獲得較好的控制精度，達到滿(mǎn)意的控制效果。因此，本控制系統采用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，是控制系統中應用最為廣泛的一種控制規律。實(shí)際運行的經(jīng)驗和理論的分析都表明，運用這種控制規律對許多工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到滿(mǎn)意的結果pid調節器既能消除靜差，改善系統的靜態(tài)特性，又能加快過(guò)渡過(guò)程，提高系統的穩定性，改善系統的動(dòng)態(tài)特性，是一種比較完善的調節規律。

　　本二次網(wǎng)供熱控制系統是根據實(shí)際供水溫度與供水溫度設定值來(lái)控制調節閥， 并使實(shí)際供水溫度達到供水溫度設定值的。被調參數是溫度，控制量是電動(dòng)三通閥的開(kāi)度。當被控量在給定值附近時(shí)，理想的pid控制將使系統頻繁動(dòng)作，考慮到電動(dòng)三通閥并不適用過(guò)于頻繁的操作，因此在系統中增加一個(gè)輸出死區環(huán)節，死區是一個(gè)可調節的參數，當計算得的輸出量的變化大于死區范圍時(shí)，輸出量才發(fā)生變化，否則輸出量不變。即在死區內電動(dòng)三通閥保持原有狀態(tài)不變，構成非線(xiàn)性、帶死區的控制系統。如圖4所示，加了此死區環(huán)節后，輸出呈階梯狀變化，而非連續變化。

圖4 溫控閥階梯開(kāi)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(shí)只需要設置一些參數，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單方便。

5 結束語(yǔ)

　　本文系統的介紹了saia pcd控制器實(shí)現的二次網(wǎng)供熱控制系統，本系統使用帶輸出死區的pid控制算法，通過(guò)對電動(dòng)三通閥的自動(dòng)調節，實(shí)現對二次網(wǎng)供水溫度的控制，能夠提高供熱舒適性，并達到節能效果。