城市熱網供熱控制系統設計探析
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摘要:隨著我國經濟飛速發展，溫飽問題得到顯著改善，其中的“溫”不僅關乎到我國城市冬季熱網供暖問題的改善，更是一個城市未來發展潛力的標志。通過采用PLC可編程控制器與下層檢測模組相結合，優化熱網系統，以二次管網供熱溫度為被控參數，通過調節一次管網流量進行控制。其控制系統結構簡單，控制效果穩定，熱網供熱成本降低。
關鍵詞:熱網控制系統，PLC，Simulink系統仿真
北方冬季持續時間較長，供暖是人民生活中不可或缺的一部分，是營造和諧穩定、舒適幸福社會氛圍的基礎。其熱網供熱不穩定，能源利用效率低等問題對熱網溫度控制系統發起了新的挑戰。同時伴隨房地產業的逐步興起，城市房屋建設規模也隨之擴大，使得對城市熱網供熱的需求也不斷增加，針對我國能源結構的調整，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，改善傳統分布式鍋爐房供熱對環境的污染問題，減輕大氣污染。為使熱網供熱穩定，采用PLC可編程邏輯控制器作為控制器，便于人工科學管理，提升工業穩定性;應用PID算法減小偏差，可根據室內外溫差自動調整熱網溫度變化，提高熱網系統自動化程度。
1城市熱網工藝分析
城市集中供熱系統由熱源、熱網和用戶三部分組成，熱網系統工藝流程圖如圖1所示。劃分為溫控區和供熱區，涉及到供熱站、換熱站、供水站、監控站和熱網用戶等站點。其中供熱站為熱源，集中熱源主要為熱電站和區域性鍋爐房，或采用熱電聯合集中供熱，為一次管網提供熱源以滿足二次管網供暖所需。熱源將載熱介質輸送至一次管網，載熱介質可以為高溫熱蒸汽或高溫熱水，管網網道設置有傳感器組，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，通過供熱閥調節管網內載熱介質流量，載熱介質經過供熱閥后流入換熱器。換熱器位于換熱站內用于載熱介質與二次工藝介質的熱量交換，經加熱后的工藝介質進入二次管網，經高壓泵加壓后送入千家萬戶。供水站對換熱站進行工藝介質的補充與泄流，維持管內壓力恒定與供熱穩定。監控站負責整個熱網系統信息采集和實時監控，實現較好的熱供應溫度控制。該供熱工藝中所用閥門均設有人工操作開關，在斷電或系統故障時可人工調節熱網供熱，避免故障的發生，提升供熱安全性。
2熱網溫度控制系統設計
2．1控制系統分析
針對于城市集中供熱系統，與用戶相關聯的是二次管網，用戶室內溫度均衡、供熱恒定、可隨室外溫度變化而自動調整成為城市熱網能否持續發展面臨的首要解決問題?？梢罁喂芫W供、回水平均溫度來解決，假設在室外溫度恒定且供熱用戶的室內溫度相同，則各個換熱站的二次管網供、回水平均溫度近似相同，這樣就可保證熱網系統在同一水溫調節曲線下進行供暖，二次管網供、回水溫度之間要維持一定量的關系式，滿足水溫調節曲線。熱源為熱電廠發電過程中所使用熱蒸汽經冷凝后的熱水，可實現熱量的二次利用，能源利用效率較高，滿足國家對未來企業綠色發展的要求，但其不足之處就是熱源總供熱量有限。同時，根據熱網工藝分析可知，工藝介質出口溫度與工藝介質入口溫度、工藝介質流量、載熱體入口溫度、載熱體流量有關，但工藝介質入口溫度、工藝介質流量、載熱體入口溫度為可測不可控因素，因此在設計控制系統時，以工藝介質出口溫度為被控量，載熱介質流量為控制量的控制系統，通過控制一次管網流量，在總熱量一定情況下使熱量分配均勻，滿足供熱用戶所需。其工作原理是當室內溫度低于設定值時，或系統供熱量低于供熱需求，應立即調大一次管網電動調節閥的開度，使系統熱流量增加，進而提升一次管網熱量，達到間接促進二次管網溫度升高的目的。
2．2控制方案選擇
根據熱網控制系統分析，對于熱網控制系統對二次側溫度控制有兩種控制方案。方案一:在一次管網供回水流量與壓強不變的情況下，根據室內、外溫差與供熱需求的變化，調整熱源，即調節總供熱量;方案二:在總熱量不變的情況下，根據室內、外溫差與供熱需求的變化，調整一次管網供水流量，二次管網溫度隨著一次管網流量的增大而升高。方案二適用于總熱量不變或總熱量無法干預條件下使用，當熱負荷較大時，增加一次管網供水管調節閥開度，當熱負荷較小時，減小一次管網供水管調節閥開度，控制系統方框圖如圖2所示。方案二較方案一更節能，可實現能源的重復利用，降低熱網企業工業成本。
2．3PLC選型及其分析
城市熱網供熱溫度控制系統采用西門子S7-200系列PLC，CPU224XP，集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，可連接7個擴展模塊，具有較強的通訊能力，工業環境下穩定性高。該控制系統中涉及到三臺高壓泵的開關，二次管網供回水電磁閥的調節，一次管網供水調節閥的開度和回水閥的調節，供水管道供水閥與泄流閥的調節，檢測元件的數據傳輸，CPU224XP可滿足其工業需求，無需外擴模塊。其I/O分配表如表1所示。
3Simulink系統仿真
熱網溫度控制系統可通過Simulink建立仿真模型，用數學模型代替實際生產控制系統，對控制系統進行研究，可進行PID參數的整定，更為直觀地觀察控制效果以及參數改變對溫度曲線變化的影響。根據熱平衡方程式和傳熱方程分析，在傳熱面積一定時，工藝介質出口溫度可通過控制載熱體流量來實現。將載熱體流量設為控制參數，工藝介質出口溫度設為被控參數，實現對熱網溫度控制系統的模型搭建。假設載熱體壓力變化不大，熱源總熱量波動不大，根據實驗分析可知，載熱體動態特性方程為:G1(s)=8e－1s20s+1，G2(s)=216s+1，對系統施加擾動信號，擾動通道傳遞函數為:Gf(s)=18(9s+1)(18s+1)，系統采用前饋—反饋控制系統，對其施加幅值為1的隨機擾動，給定信號為10，采用PID調節器進行溫度控制，前饋—反饋控制系統的仿真框圖如圖3所示。PID控制器輸出表達式u(t)=Kpe+Ki∫0tedt+Kddedt，通過對PID參數調節，觀察系統階躍響應曲線變化，最終確定整定結果為Kp為3，Ki為0．5，Kd為15，前饋—反饋控制系統響應圖如圖4所示。熱網前饋—反饋溫度控制系統階躍響應曲線為①號波形，在擾動作用下不斷調整，通過PLC運行PID算法，減小測量值與給定值的偏差，②號波形為隨機擾動波形，③號波形為系統階躍給定波形。經PID整定后波形分析，整定后系統相較于整定前階躍響應上升時間減少，超調量縮小，調節時間減小，滿足工藝要求。
4結語
通過應用PLC可編程邏輯控制器，實現城市熱網溫度控制系統設計，工業穩定程度高。在總熱量一定的情況下，通過控制一次管網供水流量控制二次管網供、回水溫度差，提高能源利用率，降低工業成本。同時增加手動與電動相結合的控制方式，便于人工科學管理，提升熱網系統自動化程度，提高安全穩定性能。將計算機科學與自動控制相結合，應用Simulink搭建熱網模型，使其更直觀表達出控制效果，可跨越時間與空間進行PID參數的整定，降低人力投入，具有一定的經濟效益與社會效益。
參考文獻:
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作者:常世杰 任佳男 田思慶 單位:佳木斯大學信息電子技術學院
