基于SAIA PCD控制器的二次网供热控制系统

1  引言

                
        二级管网控制系统设计的不合理，不仅会导致供暖舒适度比较低，而且能耗较高，造成资源的浪费。本文所介绍的二次网供热控制系统，根据“按需供热”的原则，按照不同区域、不同时间和不同的室外温度自动调节供热量，使系统的供热量与热负荷相一致，不仅能够提高供热舒适性，而且能达到节约能源的目的。
           
2  二控制系统总体设计
                
        供热系统[1]由热源、管网、热力站、热用户组成，如图1所示，一次管网与二次管网是两个独立的循环网络，一次网的进水由热源提供，在换热器内进行能量交换，电动三通阀设在板式换热器一次侧进水管上，通过调节电动三通阀开度来调节换热器的进水量，从而调节二次网供水温度。 

                                                                            图1  供热网系统结构图
               
　　本控制系统实现对二次供水温度的自动控制，依据的条件为供水温度设定值和二次供水温度，设定值的给出由操作人员根据经验设定，或由控制器根据供水温度曲线计算[2]。控制系统通过闭环控制单元，根据二次网供水温度和设定值，用pid控制方法来调节电动三通阀开度大小，以保证二次供水温度达到要求。
               
　　瑞士思博控制公司saia pcd可编程序控制器， 广泛应用于工业和楼宇自动化领域，配套的编程工具saia pg5，包含专门的heavac库，为用户开发楼宇控制系统提供了一个强大而全面的基础平台；用户在任何时候可以进行更深一层的编程，极大地节省了时间。因此决定采用saia pcd系列可编程序控制器作为核心器件。pcd控制器通过w220温度模块读取传感器检测的室外温度和二次网出水温度，同时通过tcp/ip通信方式读取上位机的各项设定值，根据各种参数和pid控制方法进行逻辑运算，并通过模拟输出模块将pid的输出值作为模拟输出量输出，以此调节电动三通阀的开度。除温度控制之外，pcd控制器还进行循环泵、补水泵的控制，以及室内温度的监测。控制框图如图2所示。

                                                                     图2  控制原理框图
               
　　由于温度由温度传感器测得，而温度传感器与测量点之间的电缆存在电阻，此附加电阻的存在使测得的温度和实际的温度之间存在误差，这个误差会影响控制结果的准确性。为了补偿温度传感器的误差，在pcd下位机软件部分设计一个输入补偿环节offset，控制程序使用的温度参数均为修正值xoff=x+offset。offset值的大小由输入模块型号、电缆电阻率和电缆的长度、截面积而定。

           
3  供热方式选择和供水温度值的设定
                
    本系统有三两种供热方式可供选择：温度补偿控制方式、分时控制方式分时分温控制方式。根据楼层高度和建筑布局以及功能不同，将整个建筑物分为生活区和办公区，两个区的控制相互独立，可以根据各自的需求选择不同的供热方式。
           
　　3.1 温度补偿控制方式
               
    温度补偿控制方式，即根据室外温度的变化来调整供水温度值。当室外温度下降，建筑物的热损失增加，需要增加更多的热量以防止室内温度下降，反之则需减少热量。因此按照室外温度的变化合理的设定供暖出水温度值，可以保持室内温度的恒定。在温度补偿控制方式下，供水温度计算经验公式为:
              
　　 tg=tw+k( tr- tw)                      (1)
               
　　式中，tg—供水温度理论计算值℃；
           
　　tw—室外温度值℃；k—水温设定曲线系数。使用式的基本条件为tw不小于tr。不同水温设定曲线系数下的供暖曲线如图3所示(tr不变)。图中的点为wwsd
          
　　 point(温暖天气关闭点)，由tr值确定。由于日间室内存储的热量会弥补夜间建筑物内温度的下降，夜间的供暖曲线应低于日间供暖曲线。因此，夜间还要将tg值乘以夜间降温系数kt，其中0

                                                                  图3  供暖曲线
               
　　这些参数及夜间的起止时间都可以从人机界面设定，pcd根据这些参数确定的供水曲线自动计算出供水温度设定值。为确保室内温度维持恒定，必须设定合适的参数，以确定合适的供热曲线，如果供热曲线太低，则出水温度过低会导致不足以供给足够的热量使房间温度下降；如果供暖曲线太高，则出水温度过高而导致房间温度过热。
           
　　3.2 分时控制方式
               
　　一天中的不同时段，对热量的需求是不同的。比如说对于办公区的供暖，工作日白天六点后，需按住宅区标准供暖；下午9点后或非工作日，只需保证供热水管不被冻住，无须大量供热，因此将供水温度调到防冻温度6℃即可，这样可以降低无效供热，达到节约能源的目的。操作人员根据实践经验和具体需求，设定出一星期内每天的分时段以及在分时段内的出水温度设定值，pcd控制器根据时间段自动选择温度设定值。
           
　　3.3 分时分温控制方式
               
　　分时分温控制方式，是结合了温度补偿控制方式和分时控制方式的优点设计出的供热方式：系统设定好若干条不同水温设定曲线系数下的供暖曲线，操作人员根据经验和具体需求，设定出每个时间段所选择的供暖曲线，控制器根据时间段和相应的供暖曲线计算出温度设定值。

           
4  pid控制器的设计
               
　　温度控制系统一般具有大惯性、大延时的特点。在工业控制中，难以建立温度系统的精确数学模型，而应用模拟或数字式pid闭环控制可以克服时间响应滞后，能获得较好的控制精度，达到满意的控制效果。因此，本控制系统采用pid 控制方式。
               
　　pid控制[3]，即按偏差的比例(p)、积分(i)、微分(d)控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的结果pid调节器既能消除静差，改善系统的静态特性，又能加快过渡过程，提高系统的稳定性，改善系统的动态特性，是一种比较完善的调节规律。
               
　　本二次网供热控制系统是根据实际供水温度与供水温度设定值来控制调节阀， 并使实际供水温度达到供水温度设定值的。被调参数是温度，控制量是电动三通阀的开度。当被控量在给定值附近时，理想的pid控制将使系统频繁动作，考虑到电动三通阀并不适用过于频繁的操作，因此在系统中增加一个输出死区环节，死区是一个可调节的参数，当计算得的输出量的变化大于死区范围时，输出量才发生变化，否则输出量不变。即在死区内电动三通阀保持原有状态不变，构成非线性、带死区的控制系统。如图4所示，加了此死区环节后，输出呈阶梯状变化，而非连续变化。

                                                                 图4  温控阀阶梯开度控制
               
　　控制框图如图5所示。

                                                                       图5  pid控制框图
               
　　saia pcd控制器带有图形化的pid功能指令，它是用于pid控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，编程时只需要设置一些参数，使用起来非常简单方便。
           
5  结束语
               
　　本文系统的介绍了saia pcd控制器实现的二次网供热控制系统，本系统使用带输出死区的pid控制算法，通过对电动三通阀的自动调节，实现对二次网供水温度的控制，能够提高供热舒适性，并达到节能效果。