基于SAIA PCD控制器的二次網(wǎng)供熱控制系統
1 引言
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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。
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