齊曉軍，田海

（1.包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學院自動化系，內(nèi)蒙古包頭014010；2.內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古包頭014010）

串級模糊控制器在換熱站監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)計

齊曉軍1，田海2

（1.包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學院自動化系，內(nèi)蒙古包頭014010；2.內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古包頭014010）

在某換熱站的改造中，設(shè)計了由有線和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的控制網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含基于Pro?fibus現(xiàn)場總線的本地監(jiān)控站、GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)及遠程監(jiān)控中心站。同時，針對當前控制策略在換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的獲取和跟蹤方法的不足，設(shè)計了一種基于PLC實現(xiàn)的由模糊控制器和模糊參數(shù)自整定PID控制器串聯(lián)組成的智能型控制器。該智能型控制網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計使系統(tǒng)的可靠性、實時性、自動化控制和管理水平等得到了全面的提升。

換熱站；控制網(wǎng)絡(luò)；二次管網(wǎng)供水溫度；智能型控制器；監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

我國冬季北方地區(qū)采暖的供熱方式早期主要是采用分散的、獨立的燃煤鍋爐供熱方式，該方式能源浪費嚴重，燃煤污染和噪音污染對城市居民造成嚴重影響，自動化控制和管理水平普遍不高，總體效率低下。因此，在有條件的地區(qū)，傳統(tǒng)的燃煤鍋爐房供暖方式逐漸被城市集中供熱系統(tǒng)取代［1］。目前，如何合理調(diào)節(jié)城市集中供熱系統(tǒng)的各項運行參數(shù)，利用先進通訊手段對系統(tǒng)的重要熱能參數(shù)進行實時監(jiān)控和調(diào)度，提升自動化控制品質(zhì)和管理水平，提高供熱管網(wǎng)的供熱效率，最大限度地節(jié)約能源，給用戶提供優(yōu)質(zhì)的熱能服務(wù)成為集中供熱領(lǐng)域越來越關(guān)注的焦點問題［2］。

某小區(qū)居民供熱原來采用獨立的燃煤鍋爐系統(tǒng)，隨著城市集中供熱系統(tǒng)的整體發(fā)展計劃的推進，原來的燃煤鍋爐房需要改建成為集中供熱系統(tǒng)中的一個下級換熱站［3-4］。在該換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，搭建了基于Profibus現(xiàn)場總線的本地監(jiān)控站，就地完成換熱站系統(tǒng)所有熱能參數(shù)的監(jiān)視、歸檔和分析以及各種熱能工藝環(huán)節(jié)的自動控制。為便于集中供熱系統(tǒng)中對換熱站的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，合理對熱能資源進行優(yōu)化調(diào)度和提升自動化管理水平，在遠程集中供熱中心設(shè)立遠程監(jiān)控中心站，鑒于本地監(jiān)控站距遠程監(jiān)控中心站較遠，采用有線通訊方式在城市內(nèi)部難以施工且成本過高，在保證數(shù)據(jù)可靠性和實時性的前提下，兩站之間采用GPRS無線通訊技術(shù)。在換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的獲取和跟蹤的控制策略上，構(gòu)造了由模糊控制器和模糊參數(shù)自整定PID控制器串聯(lián)組成的串級模糊控制器來實現(xiàn)。該串級模糊控制器使系統(tǒng)獲取換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的實時性和準確度大為提高，使系統(tǒng)對二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值跟蹤的動態(tài)品質(zhì)更加優(yōu)良，完善和提高了系統(tǒng)的控制性能，具有較高的工程應(yīng)用價值［5-6］。

2 系統(tǒng)工藝及控制策略

該換熱站控制系統(tǒng)工藝圖如圖1所示。

集中供熱系統(tǒng)一般是指集中式熱源廠或熱電廠將生產(chǎn)的高溫蒸汽在換熱站的汽-水換熱器中形成高溫熱水，然后再將高溫熱水送入下級分散換熱站水-水熱交換器的一次管網(wǎng)，再通過水-水熱交換器二次管網(wǎng)的循環(huán)泵系統(tǒng)將熱水送至熱能用戶。二次管網(wǎng)系統(tǒng)的水量流失，由二次管網(wǎng)補水系統(tǒng)的補水泵在循環(huán)泵入口處進行補水。

以往換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的獲取方法主要采取溫度調(diào)節(jié)法和溫度補償曲線法。溫度調(diào)節(jié)法是指在穩(wěn)定條件下，首先將換熱站二次管網(wǎng)的熱能用戶等效為散熱器，并根據(jù)供熱系統(tǒng)的供熱量、散熱系統(tǒng)的散熱量以及熱能用戶的耗熱量三者之間函數(shù)關(guān)系，從而獲得換熱站二次管網(wǎng)供水溫度與室外、室內(nèi)溫度的函數(shù)關(guān)系。然后在該函數(shù)關(guān)系中假定室內(nèi)溫度不變（一般為18℃左右，用戶適宜的溫度）及二次管網(wǎng)供水溫度近似為設(shè)定值，再根據(jù)熱網(wǎng)所處地區(qū)規(guī)律性的氣象變化條件以及實際的供熱參數(shù)，對函數(shù)關(guān)系進一步的修正和擬合，最終確定出適合具體工況條件下的二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值和室外溫度的關(guān)系曲線。該方法的缺點是，雖然有較嚴密的理論基礎(chǔ)，但是在對曲線擬合和修正的過程中往往會產(chǎn)生較大誤差；其次，不能將極度變化的氣象條件等不確定性因素對溫度設(shè)定值的擾動影響考慮進去，控制效果不好。溫度補償曲線法是直接根據(jù)本地的氣象條件和供熱對象的特性參數(shù)，預(yù)先由設(shè)計人員設(shè)定和修正出換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值和室外溫度的函數(shù)關(guān)系曲線?？刂茣r根據(jù)實際測量的室外溫度，對應(yīng)固定的關(guān)系曲線找到二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值。該方法的不足是，只表示單一的二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值和室外溫度的一般經(jīng)驗對應(yīng)關(guān)系，沒有反映出室外溫度變化對溫度設(shè)定值的影響，控制效果也不理想。以上兩種獲取方法的共同缺點是沒有充分考慮到換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值本質(zhì)上是一個不確定的、隨機的模糊變量，用常規(guī)的數(shù)學模型或函數(shù)關(guān)系很難精確表達。

以往換熱站在二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的動態(tài)跟蹤方法，采取傳統(tǒng)的PID控制器。將二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值與實際測量的溫度反饋值進行比較，PID控制器的輸出量用來調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)供水閥開度，通過調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)的流量（改變系統(tǒng)的供熱量）來跟蹤二次管網(wǎng)供水溫度的設(shè)定值。該方法的主要缺點是沒有考慮到被控對象的時變性和隨機性較強，很難建立精確的數(shù)學模型，常規(guī)的控制算法動態(tài)跟蹤控制效果不佳。

本設(shè)計對集中供熱系統(tǒng)中的下級換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的獲取方法和動態(tài)跟蹤方法進行了改進。鑒于模糊控制對不確定的、非線性的模糊變量控制方面的優(yōu)良特性，構(gòu)造了由模糊控制器和模糊參數(shù)自整定PID控制器串聯(lián)組成的串級模糊控制器。前級模糊控制器的兩個輸入值分別為室外溫度和室外溫度在一定時間內(nèi)的變化值，其輸出為換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值。由前級模糊控制器獲得的換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值和實際采集的二次管網(wǎng)供水溫度實際值，兩者之差e和差值的變化率ec作為后級模糊參數(shù)自整定PID控制器的兩個輸入，其輸出值為換熱站一次管網(wǎng)供水閥開度的調(diào)節(jié)量，通過調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)的流量，改變上級系統(tǒng)的供熱量來動態(tài)跟蹤二次管網(wǎng)供水溫度的設(shè)定值。

集中供熱系統(tǒng)是一個綜合復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及和關(guān)聯(lián)的問題較多，本設(shè)計控制策略主要對換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的獲取方法和閉環(huán)動態(tài)跟蹤方法進行了改進，屬于集中供熱系統(tǒng)的核心技術(shù)問題。換熱站內(nèi)與之相關(guān)聯(lián)的另外兩個重要工藝環(huán)節(jié)是循環(huán)系統(tǒng)和補水系統(tǒng)。二次管網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)的作用就是能及時地將換熱站交換到二次管網(wǎng)的熱量通過循環(huán)泵傳遞給熱能用戶。通過串級模糊控制器的調(diào)節(jié)作用已經(jīng)使二次管網(wǎng)的供水溫度穩(wěn)定在設(shè)定值溫度，若二次管網(wǎng)供、回水溫差增大表示熱能用戶對熱量消耗較大，需要循環(huán)泵系統(tǒng)多投入功率及時地將更多的熱量輸送給用戶；反之，說明二次管網(wǎng)系統(tǒng)中的熱量散失較少，需要循環(huán)泵系統(tǒng)減小功率投入以避免不必要的能源浪費。設(shè)定一個合理的二次管網(wǎng)系統(tǒng)供、回水溫差，既可以保證熱能用戶得到滿意的溫度，又可以達到節(jié)能降耗的目的［7］。所以二次管網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)采用二次管網(wǎng)供、回水恒溫差變頻PID控制策略；二次管網(wǎng)補水系統(tǒng)采用目前較先進和成熟的恒壓變頻PID控制策略［8］。

3 系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和配置

該換熱站二次管網(wǎng)供水溫度串級模糊控制器以及循環(huán)、補水PID工藝環(huán)節(jié)控制功能的實現(xiàn)是以控制網(wǎng)絡(luò)為載體的。在對目前工控市場各種主流控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從可靠性、實時性、安全性、開發(fā)性、互聯(lián)互操作性等方面進行綜合評價后，最終系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)核心選擇了基于西門子PLC的Profibus現(xiàn)場總線體系。整個系統(tǒng)主要包括本地監(jiān)控系統(tǒng)、GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)和無線遠程監(jiān)控中心，系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1）本地監(jiān)控系統(tǒng)。本地監(jiān)控系統(tǒng)由主站和從站組成，主站通過Profibus-DP總線與從站通信。1類主站采用西門子S7-300系列PLC的CPU315-2DP，2類主站的PC機上安裝西門子編程軟件STEP7V5.4+WinCC組態(tài)軟件以及CP5611通信板卡。主站完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時組態(tài)、功能設(shè)定、數(shù)據(jù)歸檔、打印報表、內(nèi)容查詢、故障判斷和報警等功能。本地監(jiān)控系統(tǒng)從站包括4類。第1類從站是由S7-200CPU226+ EM235+EM227模塊組成，為提高控制的實時性，二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值串級模糊控制器在S7-200CPU226中直接構(gòu)造。在S7-200CPU 226PLC上安裝GPRS無線通訊模塊SINAUT MD 720-3（西門子用于S7-200PLC的專用無線GPRS模塊），MD720-3模塊通過PPI電纜（訂貨號：6ES7901-3CB30-0XA099）與S7-200CPU226進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。PLC擴展的EM235模擬量I/O模塊直接輸出串級模糊控制器的一次管網(wǎng)供水閥開度指令；采集循環(huán)泵出口壓力和入口壓力（求平均值作為變頻恒壓補水PID控制器的反饋值）［9］。S7-200CPU226PLC通過Profibus-DP從站EM227模塊接入Profibus現(xiàn)場總線。第2類從站是由帶Profibus-DP接口的溫度采集模塊DDMF5-8ADK組成，采集和預(yù)處理二次管網(wǎng)的供水溫度、回水溫度和室外溫度，其中，二次管網(wǎng)的供水溫度和室外溫度用于串級模糊控制器的計算，二次管網(wǎng)的供水溫度和回水溫度的差值作為二次管網(wǎng)循環(huán)泵變頻系統(tǒng)恒溫差PID控制器的反饋量。第3類從站由配置Profibus-DP通訊板卡的西門子M440變頻器組成，用于二次管網(wǎng)循環(huán)泵變頻系統(tǒng)和補水泵變頻系統(tǒng)電氣驅(qū)動裝置的控制。第4類從站由遠程I/O站ET200M+IM153-1組成，主要面對現(xiàn)場連接不帶Profibus-DP接口的設(shè)備和控制信號。

2）GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)。當前工控領(lǐng)域，用于PLC遠程無線通信的主要方法有數(shù)傳電臺、GPRS和無線以太網(wǎng)。數(shù)傳電臺方式通信采用專用的超短波數(shù)據(jù)信道，屬于專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸安全性高、組網(wǎng)靈活、構(gòu)建成本較低，但主要缺點是信號容易受到地形和高層建筑物的影響，不宜在城市內(nèi)部采用，網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍較小。無線以太網(wǎng)方法的好處是數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)速快、實時性好、準確率高，但致命的缺點是網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍較小，一般小于1 km。GPRS方式采用全球移動通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，充分利用公網(wǎng)資源，可為網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍內(nèi)的用戶提供廣泛的數(shù)據(jù)服務(wù)，具有信號覆蓋范圍廣、持久性強、性價比高、技術(shù)支持成熟等優(yōu)點，不足之處是在安全性和實時性要求較高的無線通訊場合不宜采用。由于本遠程監(jiān)控中心站主要對下級分散換熱站的工藝參數(shù)進行監(jiān)視、歸檔和調(diào)度工作，對數(shù)據(jù)通信實時性的要求不高。經(jīng)綜合對比，本系統(tǒng)采用GPRS無線通訊方式。為增強數(shù)據(jù)經(jīng)過公網(wǎng)的安全性，遠程監(jiān)控中心站PC機通過集中供熱中心內(nèi)部局域網(wǎng)的防火墻設(shè)備再連接到Internet公網(wǎng)。

3）無線遠程監(jiān)控中心。在集中供熱中心內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)的PC機上安裝WinCC7.0組態(tài)軟件和SINAUT MICRO SC（OPC路由軟件），PC機通過內(nèi)部局域網(wǎng)的防火墻連接到Internet公網(wǎng)，SINAUT MICRO SC路由軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)在GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet公網(wǎng)之間的路由功能。西門子WinCC7.0監(jiān)控組態(tài)軟件作為OPC客戶端，直接可以訪問路由集成到Internet公網(wǎng)的系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)，通過對外部變量進行畫面連接組態(tài)，在遠程監(jiān)控中心PC機中可以實現(xiàn)對換熱站工藝參數(shù)的實時監(jiān)控和調(diào)度管理等任務(wù)。

4 系統(tǒng)工藝環(huán)節(jié)功能的實現(xiàn)

鑒于模糊控制在對時變的、不確定的、非線性的模糊變量控制方面的優(yōu)良品質(zhì)，在二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的獲取方法和動態(tài)跟蹤方法上引入了模糊控制策略，采用模糊控制器與模糊PID控制器相結(jié)合的方法，構(gòu)造了串級模糊控制器。前級控制器是模糊控制器，由溫度采集模塊采集室外溫度和一段時間內(nèi)室外溫度的變化作為前級模糊控制器的輸入，輸出是二次管網(wǎng)供水溫度的設(shè)定值，此設(shè)定值作為后級控制器的輸入，通過構(gòu)造模糊控制器來獲取二次管網(wǎng)的溫度給定值較溫度調(diào)節(jié)法和溫度補償曲線法，干擾和氣象參數(shù)急劇變化對控制效果的影響將會被大大減弱，具有更好的實時性和動態(tài)特性；后級控制器是模糊PID控制器，模糊PID控制器用來控制一次管網(wǎng)供水閥的開度，通過調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)的流量使得二次供水溫度穩(wěn)定在溫度設(shè)定值上。模糊PID控制器由常規(guī)PID和模糊推理參數(shù)校正兩部分組成，由前級模糊控制器獲得的二次供水溫度的設(shè)定值和由溫度采集模塊采集的二次供水溫度實際值，兩者之差e和差值變化率ec作為模糊PID控制器的輸入，利用模糊推理對PID的3個參數(shù)KP，KI和KD進行實時校正，PID的實時輸出量通過調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)供水閥的開度，動態(tài)地跟蹤二次供水溫度的設(shè)定值，最終實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)供水流量使得平板式換熱器二次管網(wǎng)的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值串級模糊控制器原理框圖如圖3所示。

4.1 串級模糊控制器構(gòu)造

串級模糊控制器中的前級模糊控制器構(gòu)造步驟如下：1）模糊化輸入、輸出變量。以當?shù)囟嗄甑臍庀筚Y料為基礎(chǔ)，設(shè)定室外溫度e的基本論域范圍為［-20，20］，室外溫度變化ec的基本論域范圍［-12，12］，換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值u的基本論域范圍為［20，70］，e，ec，u各變量均選取7個模糊子集{NB NM NS ZO PS PM PB}，選取三角形為隸屬度函數(shù)曲線。2）模糊控制規(guī)則的獲取。模糊規(guī)則是模糊控制器的靈魂，它包含模糊的、豐富的人的經(jīng)驗判斷，決定控制性能的優(yōu)劣，通過長期觀測再結(jié)合人工操作經(jīng)驗，最終給出的模糊控制規(guī)則如表1所示。3）輸出變量的清晰化。模糊控制器的輸出，需要經(jīng)過反模糊化的處理后才能輸出。去模糊化的方法包括重心法、最大隸屬度法、中位數(shù)法等。本設(shè)計中模糊控制器的清晰化方法采用重心法。

后級模糊PID控制器的構(gòu)造步驟與前級模糊控制器的方法相似，在此不再作具體的論述。

4.2 串級模糊控制器的PLC實現(xiàn)

為提高控制的實時性和可靠性，在串級模糊控制器的具體實現(xiàn)方法上，直接利用Profibus-DP控制網(wǎng)絡(luò)上的PLC（S7-200CPU226）來實現(xiàn)控制器的功能。為了解決PLC計算能力偏弱的問題，減輕PLC用于串級模糊控制算法的編程量，加強系統(tǒng)控制的實時性，先借助于Matlab軟件直接獲取前、后級模糊控制查詢表（模糊控制的輸出結(jié)果），事先將該表存于S7-200CPU226 PLC的變量寄存器V中［10］?？刂浦蠵LC根據(jù)各自模糊控制器的實時輸入值，直接查表獲得兩級模糊控制器的輸出值。以后級模糊PID控制器為例，S7-200CPU226將實時的二次管網(wǎng)溫度設(shè)定值（前級模糊控制器查表結(jié)果）與實際溫度測量值的差值e和差值變化ec，輸入到后級模糊PID控制器，S7-200CPU226再通過查表子程序在模糊控制查詢表中獲得KP，KI，KD3個實時動態(tài)調(diào)節(jié)所需參數(shù)，通過PID（PID控制器采用S7-200CPU226內(nèi)的軟件PID模塊）控制去調(diào)節(jié)閥門的開度。查詢表通過Matlab軟件的實現(xiàn)過程如下：首先在Fuzzy Logic Toolbox中的FIS編輯器界面下選擇模糊邏輯推理類型為Mamdani，選擇聚類輸出類型Aggregation為Sum、模糊與策略類型And為Min模糊算子、蘊涵類型Implication項為Plod，反模糊化類型Defuzzification設(shè)置為重心法Centroid；然后在隸屬度函數(shù)編輯器界面下確定每個模糊變量的論域和隸屬度函數(shù)；最后在Rule Editor界面中輸入相應(yīng)的模糊控制規(guī)則。到此在曲面觀測器中可以得到模糊推理結(jié)果為一個輸出曲面，該輸出曲面雖然是模糊控制輸出結(jié)果，由于是圖形不能被PLC直接讀取，必須通過Evalfis函數(shù)轉(zhuǎn)換工具將其轉(zhuǎn)換為模糊控制查詢表。

4.3 二次管網(wǎng)循環(huán)、補水系統(tǒng)的PLC實現(xiàn)

1）為增強系統(tǒng)的可靠性和實時性，二次管網(wǎng)供、回水恒溫差變頻PID控制器采用從站S7-200CPU226 PLC內(nèi)的軟件PID模塊實現(xiàn)，二次管網(wǎng)供、回水目標給定溫差可以在PID模塊內(nèi)直接設(shè)定，二次管網(wǎng)供、回水反饋溫差由溫度采集模塊DDMF5-8ADK采集二次管網(wǎng)的供水溫度、回水溫度在S7-200CPU226 PLC內(nèi)做差求得，PID控制器輸出作為循環(huán)變頻泵的變頻運行調(diào)節(jié)信號，并通過S7-200CPU226 PLC完成3臺循環(huán)泵的邏輯控制，為防止長時間不啟動的泵發(fā)生銹死現(xiàn)象，平衡3臺循環(huán)泵的使用概率，邏輯控制采用先啟先停的大循環(huán)控制策略和定時換泵的方法。

2）二次管網(wǎng)補水系統(tǒng)采用的恒壓變頻PID控制器通過S7-200CPU226 PLC內(nèi)的PID模塊實現(xiàn)，補水泵有2臺，一備一用。補水泵與二次管網(wǎng)的接入點（補水點）選擇在循環(huán)泵的入口處。由于循環(huán)泵啟動后泵的吸力作用，在整個二次管網(wǎng)系統(tǒng)中循環(huán)泵組出口處壓力最高、入口處壓力最低，所以在3臺循環(huán)泵入口處補水可以降低補水泵的實際投入功率，節(jié)能效果明顯。正常工作時，由于3循環(huán)泵處在臺數(shù)投切和轉(zhuǎn)速變頻動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，造成3臺循環(huán)泵出口和入口的壓力也在變化中，壓力反饋信號采集一點的信號不能代表二次管網(wǎng)系統(tǒng)的平均壓力，所以采用由PLC擴展的EM235模擬量I/O模塊分別采集循環(huán)泵組系統(tǒng)出口壓力和入口壓力，在PLC內(nèi)求平均值（近似為二次管網(wǎng)系統(tǒng)平均反饋壓力）作為變頻恒壓補水PID控制器的反饋值，壓力目標給定值（二次管網(wǎng)系統(tǒng)平均給定壓力）在PID模塊內(nèi)通過軟件直接設(shè)定，PID模塊的輸出作為補水泵的變頻運行給定信號。

4.4 仿真實驗及實際運行效果

通過仿真實驗驗證串級模糊控制器控制的有效性。以后級模糊參數(shù)自整定PID控制器為例，借助于Matlab仿真軟件中的Fuzzy Logic Toolbox與Simulink軟件對傳統(tǒng)PID控制器和模糊參數(shù)自整定PID控制器進行對比仿真實驗。在建立被控對象相同數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)PID控制器的KP，KI，KD參數(shù)及模糊參數(shù)自整定PID控制器的KP，KI，KD的初始值采用經(jīng)典的穩(wěn)定邊界法進行整定。在階躍信號的作用下，得出傳統(tǒng)PID控制器的仿真波形如圖4a所示，模糊參數(shù)自整定PID控制器仿真波形如圖4b所示。

圖4a和圖4b對比仿真實驗結(jié)果表明，模糊參數(shù)自整定PID控制器比較傳統(tǒng)PID控制器，系統(tǒng)的超調(diào)量顯著減少，動態(tài)調(diào)節(jié)速度加快，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。

換熱站二次管網(wǎng)溫度串級模糊控制器及相關(guān)聯(lián)的循環(huán)泵恒溫差變頻PID控制器和補水泵恒壓變頻PID控制器的投入使用，使系統(tǒng)的運行效果較改造前有了較大的改善。

用戶室溫是評價系統(tǒng)運行效果的首要指標。當?shù)夭膳谑菑漠斈甑?0月15日到來年的4月15日（按182天計算），本系統(tǒng)要求用戶室溫控制指標在18～22℃。由于采用二次管網(wǎng)溫度串級模糊控制器，實測的用戶室溫在一個采暖期的達標天數(shù)從改造前的平均126 d提高到178 d。

系統(tǒng)改造前、后，3臺×75 kW循環(huán)泵和2臺×7.5 kW補水泵的功率配置不變。改造前循環(huán)泵和補水泵均采用人工判斷投切、工頻開環(huán)運行，電能浪費嚴重。改造后循環(huán)和補水系統(tǒng)由于采用變頻PID控制策略，據(jù)統(tǒng)計每個采暖期較改造前平均節(jié)電98 500 kW·h，節(jié)電率15.6%，節(jié)能降耗效果明顯。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，采暖區(qū)居民對采暖綜合滿意度由改造前的平均63.7%上升到改造后的92.6%。

5 結(jié)論

本次改造項目對換熱站二次管網(wǎng)供水溫度給定值的獲取方法和動態(tài)跟蹤方法進行了改進和提高。同時，設(shè)計了無線和有線相結(jié)合的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［11］，本地監(jiān)控站實現(xiàn)對換熱站系統(tǒng)所有熱能參數(shù)的監(jiān)控以及各種熱能工藝環(huán)節(jié)的自動控制，在遠程監(jiān)控中心站可以對換熱站的運行狀態(tài)進行監(jiān)視和調(diào)度管理，滿足遠程集中供熱中心管控一體的任務(wù)需要［12］。系統(tǒng)投入運行1 a以來，穩(wěn)定可靠。本設(shè)計在集中供熱系統(tǒng)、采暖鍋爐系統(tǒng)及集中空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

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Design of the Cascade Fuzzy Controller in a Heat Exchange Station Monitoring System

QI Xiao?jun1，TIAN Hai2
（1.Department of Automation，Baotou Iron and Steel Vocational Technical College，Baotou 014010，Nei Monggol，China；2.Information Engineering College，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Nei Monggol，China）

During the renovation of a heat exchange station，a control network monitoring system which is combined with the wired and wireless networks was designed.The system included a local monitoring station based on Profibus，a GPRS wireless communication network and a remote monitoring center station.At the same time，in view of deficiencies of the current control strategies for the water supply temperature acquisition and tracking of the secondary pipe network of heat exchange station，an intelligent controller based on PLC realization was designed，which is formed by series connection of fuzzy controller and fuzzy self?tuning PID controller.Because of the design of the intelligent control network monitoring system，the reliability，the real?time performance，and the management level of the automatic control has been promoted comprehensively.

heat exchange station；control network；supply water temperature of the secondary pipe network；intelligent controller；monitoring system

TP273

A

2014-02-23

修改稿日期：2014-07-18

內(nèi)蒙古自然科學基金（2013MS0921）

齊曉軍（1970-），女，碩士，講師，Emai：13171281137@163.com