【文章內(nèi)容簡介】 定值(經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)曲線或固定供水溫度)。這樣可生成一條更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行曲線。管理人員可以在現(xiàn)場通過液晶鍵盤或通過上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程對此曲線進(jìn)行修改。如下圖33所示： 圖33 分時(shí)段調(diào)節(jié)曲線 本論文的控制方式為:根據(jù)室外溫度傳感器檢測到的實(shí)際室外溫度值，通過使用下面介紹的關(guān)系模型，計(jì)算出相應(yīng)的二次供水溫度的設(shè)定值，根據(jù)一次供水溫度情況，采用溫度智能PID控制器，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制一次管網(wǎng)的控制閥，以使實(shí)際的二次供水溫度與其設(shè)定值相符[18]。其控制原理如圖如下面的圖34所示： 圖34 二次供回水溫度自控系統(tǒng)檢測到的室外溫度，通過下列計(jì)算模型得到二次供水的溫度設(shè)定值。 (31) (32) (33) (34) (35) (36): 供水溫度: 回水溫度 : 室內(nèi)溫度： 室外溫度： 循環(huán)水量但實(shí)際運(yùn)行中，由于實(shí)際的循環(huán)流量不一定是設(shè)計(jì)值，而且由于散熱器系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中層加余量造成容量偏大，以及實(shí)際熱指標(biāo)與理論熱指標(biāo)不一致，因此必須對理論運(yùn)行調(diào)節(jié)公式加以修正。修正后的公式: (37) (38) (39) (310) (311)m 是日照、風(fēng)速、風(fēng)向的修正系統(tǒng)，取m=1；n 反映了熱負(fù)荷設(shè)計(jì)上的偏差，相同類型的建筑物n值相同；與為室外實(shí)測氣溫的平均值及其修正值[18]。由于公式比較復(fù)雜,運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分段擬合，不利于自控系統(tǒng)的計(jì)算，因此將上述公式結(jié)合實(shí)際供熱確定二次供水溫度的控制模型，即: (312)式中， :二次網(wǎng)供水溫度: 室外氣溫A，b: 分段擬合參數(shù)基于供熱管理的需要，實(shí)際中采用的算法對室外溫度上下限加以限制，比如，當(dāng)室外氣溫低于?10℃ 時(shí)，按?10℃控制；當(dāng)室外氣溫高于4℃時(shí)，按4℃控制。 溫度控制PID在工業(yè)系統(tǒng)中，大多有儲能元件存在，這就造成整體系統(tǒng)對外加作用的響應(yīng)有一定的慣性，另外，在能量和信息的傳遞過程中，由于管道和長線等原因引入了一些時(shí)間上的滯后，這也會使系統(tǒng)的響應(yīng)變差。因此，單獨(dú)按偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)很難獲得理想的效果。為了改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，通常在系統(tǒng)引入偏差的積分調(diào)節(jié)以提高精度，引入偏差的微分調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)慣性的影響[22]。這就形成了按偏差的PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)[19]。圖 35 為單參數(shù)PID 控制回路，PID 模擬調(diào)節(jié)器（連續(xù)調(diào)節(jié)器）的理想算式為： (313)式中，偏差值是： ——給定值； ——被控量； ——比例系數(shù)；——積分時(shí)間常數(shù)； ——微分時(shí)間常數(shù)；圖35 單參數(shù)PID控制回路控制器以分時(shí)方式對多個(gè)回路進(jìn)行巡回檢測和巡回控制。因此，要相隔一定時(shí)間才對某一回路進(jìn)行一次檢測和控制，所以它屬采樣調(diào)節(jié)。為描述PID 采樣調(diào)節(jié)規(guī)律，應(yīng)對PID 模擬調(diào)節(jié)器的控制算式(313)進(jìn)行差分處理，把這個(gè)描述連續(xù)系統(tǒng)的微分方程變換為描述離散系統(tǒng)的差分方程。差分處理如下：設(shè)采樣周期為 T，則第k 次采樣的時(shí)刻tk=kT 。若用T 表示dt，用tk表示t，用△e(t)表示de(t)，用累加和Σ表示積分∫。為了敘述方便，采用如下簡記符號： (314) (315) (316) (317) (318)按偏差的比例、積分、微分控制（簡稱PID），上式就是PID 采樣調(diào)節(jié)的差分方程式，也就是所謂控制方程。有了這個(gè)差分形式的控制方程，數(shù)字計(jì)算機(jī)就可以進(jìn)行控制計(jì)算了，因?yàn)檫@里只存在加減乘除的運(yùn)算，而不再存在微分和積分計(jì)算。因?yàn)? (319) (320)所以， (321)式中，e（k）——第k 次（本次）采樣時(shí)的偏差；e（k1）——第k1 次（上一次）采樣時(shí)的偏差；e（k2）——第k2 次（再上一次）采樣時(shí)的偏差；Kp ——比例系數(shù)；Ki=Kp*T/Ti ——積分系數(shù)；KD=Kp*TD/T ——微分系數(shù)上式就是增量形式的 PID 采樣調(diào)節(jié)的控制方程。采用增量形式的控制方程時(shí)，控制量可按下式計(jì)算： (322)在增量形式的控制算式中，控制作用中的比例、積分、微分部分是相互獨(dú)立的。這種算式比較直觀，易于操作人員理解，便于檢查參數(shù)變化對控制效果的影響。本論文采用溫度智能 PID 調(diào)節(jié)器AL809 智能PID 調(diào)節(jié)器。它采用先進(jìn)的PID 調(diào)節(jié)算法，PID 自整定及分段輸出功率限制功能，具備無超調(diào)及無欠調(diào)的優(yōu)良控制特性。具有功能強(qiáng)大，組態(tài)靈活、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，適合溫度的精確控制。輸出為開關(guān)動作，可直接控制電動調(diào)節(jié)閥電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。溫度檢測到的信號和設(shè)定值信號在AL809 調(diào)節(jié)器中通過PID 整定的輸出值控制一次水出口的控制閥，進(jìn)而調(diào)節(jié)二次水的溫度[20]。 供回水壓差控制根據(jù)二次側(cè)供回水壓差控制循環(huán)泵，維持恒定壓差。變頻、變流量供熱，降低熱網(wǎng)輸送成本。通過對二次側(cè)供回水壓差進(jìn)行控制，可以對溫度進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)。根據(jù)室外溫度傳感器，加上PLC 控制器處理，通過變頻器適時(shí)適量地控制循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)循環(huán)泵的輸出流量, 滿足供暖負(fù)荷要求，從而使電機(jī)在整個(gè)負(fù)荷和變化過程當(dāng)中的能量消耗降到最小程度。再有，應(yīng)用變頻器還能提高系統(tǒng)的功率因數(shù), 減少電機(jī)的無功損耗, 并提高供電效率和供電質(zhì)量。綜上所述, 對原供暖換熱系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能改造能夠帶來巨大的節(jié)能效果、供熱效果和控制效果。由于換熱站循環(huán)泵的額定流量和電機(jī)功率是按照該換熱小區(qū)最大供熱面積配備的，而實(shí)際上大多數(shù)換熱站的供熱面積并非一開始就達(dá)到設(shè)計(jì)能力，而是逐步發(fā)展用戶增加供熱面積；另一方面，也很難選到恰好符合該管網(wǎng)特性流量和揚(yáng)程的水泵，這就應(yīng)調(diào)節(jié)水泵的流量，以滿足不同情況的需要。循環(huán)水流量減少太多時(shí)會使熱用戶產(chǎn)生垂直失調(diào)，因此循環(huán)泵流量變化應(yīng)遵循一定的規(guī)律，這一規(guī)律是由供熱系統(tǒng)的性質(zhì)和供熱質(zhì)量的要求決定的。由于熱用戶室內(nèi)采暖系統(tǒng)采用的都是上供下回式單管供熱系統(tǒng)，從供熱理論可知，單管供熱系統(tǒng)最佳調(diào)節(jié)工況應(yīng)為質(zhì)和量的綜合調(diào)節(jié)。隨著室外溫度的變化，不但要及時(shí)調(diào)整二次供水溫度，而且還應(yīng)相應(yīng)調(diào)整循環(huán)水流量，只有這樣熱用戶室內(nèi)采暖系統(tǒng)才不會產(chǎn)生垂直失調(diào)[21]。 變頻調(diào)速變頻調(diào)速控制是非常節(jié)能環(huán)保的一種換熱站控制方式。根據(jù)熱力系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)可知，用于推動水循環(huán)的電能消耗約占系統(tǒng)總電能消耗的50％。采用變頻調(diào)速的意義在于：供熱系統(tǒng)中大多按供熱面積的大小選擇循環(huán)水泵的大小，而且其中還會考慮擴(kuò)網(wǎng)增容的因素而使循環(huán)水泵的選擇往往偏大，當(dāng)運(yùn)行中部分曾列入規(guī)劃中的面積閑置不用時(shí)，如果循環(huán)水泵仍滿負(fù)荷運(yùn)行，必然出現(xiàn)“大馬拉小車“的工況，此時(shí)水泵的效率低，功率浪費(fèi)大，而且運(yùn)行電耗也高。采用變頻器控制循環(huán)水泵，則可節(jié)省這部分電能。采用變頻器控制循環(huán)水泵的運(yùn)行可隨時(shí)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)地勢和樓層等的變化帶來的資用壓頭的變化；當(dāng)系統(tǒng)采用量調(diào)節(jié)時(shí)，采用變頻調(diào)速可使循環(huán)水量隨著室外溫度等因素的變化而不斷變化，可避免按著設(shè)計(jì)熱負(fù)荷進(jìn)行供熱而造成的不必要的浪費(fèi)；變頻器的軟啟動功能及平滑調(diào)速的特點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，延長供熱設(shè)備和各部件的使用壽命[22]。變頻調(diào)速具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 節(jié)約能源通過對水泵閥門控制，風(fēng)機(jī)風(fēng)門的調(diào)節(jié)和采用變頻調(diào)速控制的運(yùn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)負(fù)荷越遠(yuǎn)，節(jié)電率越高。2. 減少啟動時(shí)對電網(wǎng)的沖擊由于循環(huán)泵或補(bǔ)水泵在供熱系統(tǒng)中承擔(dān)著補(bǔ)充失水和對系統(tǒng)進(jìn)行定壓的任務(wù)，具有啟動頻繁的特點(diǎn),對電網(wǎng)形成巨大的沖擊，容易造成管路止回閥的損失，而且還容易造成保護(hù)裝置的誤動作，影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。變頻調(diào)速控制，水泵的電機(jī)從零速以無級變速向使用轉(zhuǎn)速過渡，運(yùn)行較平穩(wěn)，對電網(wǎng)不會造成沖擊，延長了電機(jī)的使用壽命。3. 降低噪聲電動機(jī)的運(yùn)行噪聲與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，噪聲越大。使用變頻調(diào)速裝置，由于轉(zhuǎn)速的降低，噪聲明顯降低。改善了工作環(huán)境。4. 運(yùn)行方便、準(zhǔn)確，減少了員工的勞動強(qiáng)度工作時(shí)只需操作人員按電鈕即可。如果與微機(jī)連鎖可實(shí)現(xiàn)自動控制，準(zhǔn)確度更高。5. 減少設(shè)備的維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用由于機(jī)械的磨損和沖擊大量減少，因此，設(shè)備的使用壽命相對延長，維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用相對減少。 變頻調(diào)速的原理一，變頻調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，異步電動機(jī)定子磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，其同步轉(zhuǎn)速由電動機(jī)的磁極個(gè)數(shù)和電源頻率所決定[23]。 (323)式中——同步頻率； ——電源頻率； ——極對數(shù)；異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可由下式得出： (324) 式中 ——電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 ——異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率由此可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，n基本上正比于，所以改變供電電源頻率，即可調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法，可以獲得很大的調(diào)速范圍，很好的調(diào)速平滑性和相對穩(wěn)定性。無疑，采用變頻器對電源直接進(jìn)行變頻便可調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于變頻器能夠?qū)㈦娫搭l率調(diào)至較低，因此，異步電動機(jī)可在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，并隨電源頻率的升高逐漸運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速，即可以在額定電流下啟動電動機(jī)，這就減小了電動機(jī)啟動時(shí)大電流對電動機(jī)定子繞組電動力的作用[24]。二，變頻器一拖三原理，本論文采用 PLC 控制運(yùn)行泵和備用泵的運(yùn)行邏輯與采用變頻器控制泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)這一目的。一臺變頻器拖動三臺循環(huán)泵（兩運(yùn)一備），變頻器采用ABB ACS140。其原理圖如圖36 所示： 圖36 變頻器一拖三原理圖首先第一臺泵變頻啟動，如果負(fù)荷不夠則第一臺泵轉(zhuǎn)速加大（需變頻器），達(dá)到100％時(shí)還不滿足要求，則啟動第二臺泵使之在變頻下運(yùn)行，同時(shí)第一臺泵切換到工頻下運(yùn)行。如果達(dá)到了要求則第二臺泵停止運(yùn)行，第一臺泵變頻運(yùn)行。在運(yùn)行泵出現(xiàn)故障時(shí)切換到第三臺備用泵。如果泵反饋信號不等于輸出信號或者任意泵報(bào)警，產(chǎn)生“維護(hù)報(bào)警”信號。如果所有泵均報(bào)警，產(chǎn)生“無可用泵”信號。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間自動切換各循環(huán)泵。同時(shí)也提供低水壓保護(hù)和連鎖功能。對于循環(huán)泵，該系統(tǒng)有手動和自動兩種變頻功能和一種工頻功能。在變頻模式下，手動時(shí)，可以人為隨意給定頻率，控制循環(huán)泵的輸出流量，調(diào)節(jié)供暖溫度。自動時(shí)，變頻器和PLC 控制器進(jìn)行通訊，PLC 控制器根據(jù)室外溫度傳感器和二次供回水溫度傳感器傳上來的信號進(jìn)行處理，按照供熱要求給變頻器發(fā)出控制指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)循環(huán)泵輸出流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。在變頻器出故障時(shí)，可手動切換到工頻運(yùn)行，保證繼續(xù)供熱不停產(chǎn)。變頻器輸出 U、V、W 相序應(yīng)與工頻旁路電源LLL3 相序一致。否則，在電機(jī)由變頻向工頻切換過程中，會因?yàn)榍袚Q前后的相序不一致而引起電機(jī)轉(zhuǎn)向的突然反向，容易造成跳閘甚至損壞設(shè)備[25]。 循環(huán)泵變頻硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的可編程控制器選用西門子 S7200，此系列單片機(jī)功能強(qiáng)大，既可獨(dú)立運(yùn)行又可連接到網(wǎng)絡(luò)，有很高的性價(jià)比。使用西門子自帶的STEP 7Micro/WIN32 編程軟件可對所有的S7200的功能進(jìn)行編程。 選用的主機(jī)的具體型號為CPU226 型：24 輸入/16 繼電器輸出，共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。同時(shí)還在PLC上加了一個(gè)擴(kuò)展模塊EM235 作為模擬量輸入/輸出單元，它可以進(jìn)行4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，直接控制繼電器。另外配置了以太網(wǎng)通訊模塊，用于與上位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通訊連接。PLC 控制電路由1臺S7200PLC、1臺變頻器ABB ACS140（此類變頻器有其獨(dú)特的節(jié)能降耗、變頻調(diào)速、可編程多操作模式、保護(hù)功能完善等特點(diǎn)）、2臺補(bǔ)水水泵、和模擬量輸入/輸出單元等組成。即補(bǔ)水泵采用一運(yùn)一備。其控制電路如下圖311 所示： 圖37 PLC控制電路圖其中交流接觸器KMKMKM5 分別控制1 泵、2 泵、3 泵的變頻運(yùn)行，而KMKMKM6 則分別控制1 泵、2 泵、3泵的工頻運(yùn)行， KM7 控制變頻器工作。SASASA3 分別為3 臺循環(huán)泵的停止開關(guān)，SASASA6 分別為3 臺循環(huán)泵的手動起停操作開關(guān)。SL 為溫度下限開關(guān)， SH 為溫度上限開關(guān)。FRFRFR3 分別為3 臺循環(huán)泵的過載保護(hù)，F(xiàn)A 為變頻器保護(hù)。 循環(huán)泵變頻軟件設(shè)計(jì)本套 PLC 系統(tǒng)使用STEP7Micro/Win 軟件進(jìn)行編程，采用Win2000 操作平臺，允許使用S7 編程軟件中兩種語言表示式中的一種一梯形圖邏輯(LAD)和語句表(STL)編寫程序，其編程方法有三種：線性編程、分部式編程、結(jié)構(gòu)化編程。用戶指令存放在塊中，這些塊包括：組織塊(OB)，提供操作系統(tǒng)與用戶程序的接口，OB1 執(zhí)行用戶程序的循環(huán)處理，其他塊響應(yīng)特定事件和中斷：功能塊(FB)，有相聯(lián)存儲器區(qū)的邏輯塊，單個(gè)CPU 可以以不同的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)塊多次調(diào)用；功能(FC)，無相聯(lián)存儲器區(qū)的邏輯塊。另外，在每個(gè)CPU 中