張一波，董增壽，常春波

(太原科技大學 電子信息工程學院，太原 030024)

我國北方地區(qū)城市供暖消耗能源多為燃煤，根據(jù)統(tǒng)計，供暖消耗用煤每年達到約4億噸標準煤，約占我國社會能源總消耗的20%，減少供熱耗能對國家節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展有重大意義。換熱站作為供熱系統(tǒng)的核心，連接一次網(wǎng)與二次網(wǎng)并進行熱力交換，其控制性能的優(yōu)良與否決定了系統(tǒng)能源利用率以及供熱效率的高低。當前市場上的換熱站控制系統(tǒng)多以PLC或DDC為核心控制單元，但是功能單一且成本較高。

針對上述問題，本文設(shè)計采用了ARM公司以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F407單片機作為主控芯片，利用嵌入式系統(tǒng)的可移植性、可靠性、穩(wěn)定性等優(yōu)點設(shè)計主控制器、接口擴展板及通信模塊，采用組態(tài)軟件設(shè)計人機界面，通過模糊PID控制方式有效提高了系統(tǒng)對換熱站溫度控制的實時性和環(huán)境適應(yīng)性。在滿足用戶端供熱溫度的前提下，提高供熱效率，降低供熱成本及功耗。

1 換熱站控制系統(tǒng)分析

換熱站連接于供熱管道一次網(wǎng)與二次網(wǎng)，用于調(diào)整和保持熱媒參數(shù)，如壓力、溫度和流量等，其運行狀況直接影響整個供熱系統(tǒng)的效率[1]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 換熱站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of heat exchange station system

由圖1可以看出從熱源流出來的熱水通過一次網(wǎng)管道經(jīng)過換熱器將熱能傳遞給二次網(wǎng)中的循環(huán)水，兩者進行熱能交換，溫度下降后經(jīng)一次回水管道回到熱源的鍋爐進行再次加熱。二次管道中的循壞水經(jīng)過換熱器溫度提升后到達熱用戶，之后再進入二次網(wǎng)回水管道再與換熱器中的一次熱水進行熱量交換，如此循環(huán)。

基于STM32的換熱站監(jiān)測和控制系統(tǒng)主要功能如下：

(1)在換熱站供熱過程中，存在大量的一二次管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量等模擬量參數(shù)，需要通過相應(yīng)得傳感器對這些模擬量進行實時采集和處理[2-3]。

(2)換熱站控制器根據(jù)輸熱管網(wǎng)運行狀況，對管網(wǎng)中循環(huán)泵、補水泵、電調(diào)閥、泄壓閥等進行控制，使熱網(wǎng)內(nèi)熱量均勻分配，同時使系統(tǒng)對熱負荷和室外溫度的變化有較強的魯棒性[4]。

(3)采用手動操作或自動控制，以保證系統(tǒng)發(fā)生故障時可以通過手動操作實現(xiàn)控制[5]。

2 基于STM32的硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

該換熱站系統(tǒng)采集十五路輸入量分別是五種溫度量(一二次供水溫度、一二次回水溫度、室外溫度)，四種壓力量(一二次供水壓力、一二次回水壓力)，兩種頻率量(循環(huán)泵+補水泵)，兩種電流量(循環(huán)泵+補水泵)，一種水箱水位量，一種電調(diào)閥開度。

換熱站控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計上分為主控模塊板，模擬輸入輸出，數(shù)字輸入輸出，人機交互模塊，通信模塊。每個模塊板都有對應(yīng)的輸入保護，電源防接反保護和控制信號數(shù)字隔離部分。如圖2.

圖2 硬件設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware design system structure diagram

2.2 主控模塊

采用STM32F407ZET6作為主控芯片，工作電壓為3.3 V，電源采用24 V直流電源經(jīng)B2405S電源模塊輸出兩路5 V電源，一路供電給485通信，另一路經(jīng)TPS70933輸出3.3 V為主芯片供電。通過3路485通信接口分別與工業(yè)屏、分控器以及485變頻器連接通信，同時設(shè)計有網(wǎng)口供系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)進行信息的交換處理。如圖3為主控模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖3 主控模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of main control module

2.3 分控模塊

分控模塊由兩路485接口分別與主控板和下層采集板通信。實現(xiàn)以下功能：(1)獲取下層采集板的數(shù)據(jù)，(2)對下層采集板進行配置，(3)對循環(huán)泵，補水泵，電磁閥等器件進行控制，(4)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至主控器,(5)獲取主控器對分控器的配置。如圖4為分控模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖4 分控模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Sub-control module structure diagram

2.4 模擬輸入輸出模塊

模擬量輸入板采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8688， ADS8688是帶5 V單電源并支持雙極輸入的8路16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用5 V單模擬電源供電時，器件上的各輸入通道均可支持±10.24 V、±5.12 V和±2.56 V的實際雙極輸入范圍以及(0～10.24)V和(0～5.12)V的單極輸入范圍，模擬輸入電路如圖6.

圖5 模擬輸入電路Fig.5 Analog input circuit

換熱站控制器通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號對電調(diào)閥開度、循環(huán)泵運行頻率、補水泵運行頻率進行控制。模擬量輸出板采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC8760，該模塊采用單個電壓輸出模式的DAC8760和一個多路選擇器，后面接有保持電容器和緩沖級來實現(xiàn)八通道輸出。采用采樣保持S&H的概念，通過單一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC生成多路輸出。DAC8760 提供4 mA至20 mA、0至20 mA或0至24 mA的電流輸出，或者(0～5)V、(0～10)V、±5 V或±10 V的電壓輸出[6]，允許超限10%(0～5.5)V、(0～11)V、(±5.5 V或±11 V)，模擬輸出電路如圖6.

圖6 模擬輸出電路Fig.6 Analog output circuit

XTR111是一款精密電壓至電流轉(zhuǎn)換器，適用于標準4 mA至20 mA電流回路，如圖7.該器件用于驅(qū)動外部P-MOSFET，確保高輸出阻抗和寬的電壓范圍(電壓余量僅為電源電壓以下2 V)，同時使MOSFET的熱耗散遠離轉(zhuǎn)換器芯片，從而獲得高目標精度。

圖7 (4～20)mA電流回路Fig.7(4～20)mA current loop

2.5 數(shù)字輸入輸出

換熱機控制器數(shù)字輸入實現(xiàn)16路數(shù)字量輸入，其中包括一二次側(cè)循環(huán)泵、補水泵工頻和變頻運行信號和循環(huán)泵補水泵自動信號以及6個故障狀態(tài)。數(shù)字輸出模塊實現(xiàn)14路數(shù)字量輸出[7]。圖8為數(shù)字輸入/輸出模塊電路。圖左是一路開關(guān)量輸入電路，其中TLP291是光電耦合器，使兩端信號完全隔離。同時將SMAJ24CA并聯(lián)到光耦兩端，防止電壓發(fā)生過大突變。C15與R構(gòu)成低通濾波器，減小干擾。圖右是一路開關(guān)輸出量電路，通過驅(qū)動繼電器實現(xiàn)數(shù)字輸出D15是整流二極管，能夠承受較強的正向電流，保護繼電器。NUD3124的作用是驅(qū)動繼電器。

圖8 數(shù)字輸入/輸出電路Fig.8 Digital input/output circuit

2.6 人機交互模塊

本換熱站控制系統(tǒng)采用的人機交互方式為觸摸屏，本文選用威綸通公司的一款觸摸屏，型號為MT6103iP，該屏為10.1英寸分辨率1 024*600TFT LCD，內(nèi)置儲存內(nèi)存及萬年歷COM2及COM3的RS-485 2W 支持 MPI 187.5K，內(nèi)建電源隔離。通過Easy Builder Pro軟件來進行開發(fā)。如圖9為監(jiān)控主界面和補水泵、循環(huán)泵操作界面。

圖9 監(jiān)控及操作界面Fig.9 Monitoring and operation interface

2.7 通信模塊

在本換熱機控制系統(tǒng)中，采用RS-485和工業(yè)以太網(wǎng)兩種通信方式。采用STM32F103C8T6作為專用通信控制器，與上位機和主控芯片進行數(shù)據(jù)傳輸。圖10為RS-485/以太網(wǎng)的通信電路圖。

圖10 RS-485/以太網(wǎng)通信電路Fig.10 RS-485/ Ethernet communication circuit

(1)RS-485(支持Modbus協(xié)議)

RS485/Modbus是現(xiàn)在廣泛使用的一種串行通信協(xié)議，實施簡單方便，價格便宜，在本文用于主控模塊與觸摸屏，模擬輸入輸出，數(shù)字輸入輸出與控制器的通信。Modbus協(xié)議針對RS485定義數(shù)據(jù)傳輸波特率115 200，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗。其中ISO3088為隔離式半雙工RS-485收發(fā)器。

(2)以太網(wǎng)

LAN8720A是低功耗10/100 M以太網(wǎng)芯片，I/O引腳電壓符合IEEE802.3-2005標準，支持通過RMII接口與以太網(wǎng)MAC層通信，內(nèi)置10-BASE-T/100BASE-TX全雙工傳輸模塊，支持10 Mbps和100 Mbps[8].LAN8720A可以通過自協(xié)商的方式與目的主機最佳的連接方式(速度和雙工模式)[8-9]。

3 換熱站軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

主程序包括資源的初始化及主循環(huán)，程序流程圖如圖12.

圖11 主程序流程圖Fig.11 Main program flowchart

圖12 輸入/輸出程序流程圖Fig.12 Input/Output program flow chart

3.2 輸入輸出模塊設(shè)計

數(shù)字量直接通過GPIO引腳讀取和輸入，模擬輸入依靠AD轉(zhuǎn)換芯片ADS8688，模擬輸出依靠DA轉(zhuǎn)換器DAC8760.流程圖如圖13.

3.3 Modbus設(shè)計

RS485和以太網(wǎng)采用Modbus協(xié)議來實現(xiàn)通信[10]，Modbus通信協(xié)議采用RTU，它的消息幀格式主要有地址、功能碼、數(shù)據(jù)、校驗碼構(gòu)成，如表1.

表1 Modbus幀格式

485通信流程圖如圖13.

圖13 485配置流程圖Fig.13 485 configuration flow chart

3.4 PID方案設(shè)計

PID控制器有固定的模型，控制精度高，實現(xiàn)方便的優(yōu)點；模糊控制是一種直接采用現(xiàn)場工作人員的經(jīng)驗以及相關(guān)知識的控制規(guī)則，使用于非線性，大滯后系統(tǒng)的控制方法[11]。因此本文采用模糊PID 控制方案，對PID系數(shù)的變化量ΔP，ΔI，ΔD進行模糊推理，實現(xiàn)相應(yīng)的溫度PID 控制。本文研究的換熱站二次供水溫度為(40～60)℃，初始最大誤差(E)為[-20，20]，誤差變化率(EC)為[-0.4，0.4].根據(jù)換熱站調(diào)節(jié)規(guī)律，取ΔP基本論域為[-10，10]，ΔI基本論域為[-0.5，0.5]，ΔD基本論域為[-20，20].

參考相關(guān)文獻[12]，采用以下模型進行仿真：

(1)

采用模糊控制規(guī)則如表2-表4.

表2 ΔP模糊規(guī)則表

表3 ΔI模糊規(guī)則表

表4 ΔD模糊規(guī)則表

在本文采用MATLAB中自帶的模糊工具箱建立兩輸入(E，EC)三輸出(ΔP，ΔI，ΔD)的三角形隸屬度模糊控制系統(tǒng)，并用Simulink建立相應(yīng)的仿真模型，如圖14所示。

圖14 Simulink仿真模型Fig.14 Simulink simulation model

圖15為仿真結(jié)果圖，由仿真結(jié)果可以看出采用模糊控制PID與傳統(tǒng)PID相比，超調(diào)量較小，系統(tǒng)響應(yīng)時間較短，可以應(yīng)用于換熱站智能溫度控制算法。

圖15 仿真結(jié)果Fig.15 Simulation results

4 結(jié)論

本文設(shè)計的換熱站控制系統(tǒng)可實現(xiàn)小區(qū)供熱管網(wǎng)運行工況的全面監(jiān)測，以二次管網(wǎng)供水設(shè)定溫度為目標，采用模糊PID算法實現(xiàn)換熱站的智能控制，有效提高了小區(qū)的供熱效率，改善供熱品質(zhì)。