齊曉軍，田海

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

串級(jí)模糊控制器在換熱站監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

齊曉軍1，田海2

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

在某換熱站的改造中，設(shè)計(jì)了由有線和無(wú)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(chǎng)總線的本地監(jiān)控站、GPRS無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心站。同時(shí)，針對(duì)當(dāng)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(jì)了一種基于PLC實(shí)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(jì)使系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、自動(dòng)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(guó)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(dú)立的燃煤鍋爐供熱方式，該方式能源浪費(fèi)嚴(yán)重，燃煤污染和噪音污染對(duì)城市居民造成嚴(yán)重影響，自動(dòng)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(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，利用先進(jìn)通訊手段對(duì)系統(tǒng)的重要熱能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度，提升自動(dòng)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(lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題［2］。

某小區(qū)居民供熱原來(lái)采用獨(dú)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(jì)劃的推進(jìn)，原來(lái)的燃煤鍋爐房需要改建成為集中供熱系統(tǒng)中的一個(gè)下級(jí)換熱站［3-4］。在該換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，搭建了基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)控制。為便于集中供熱系統(tǒng)中對(duì)換熱站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，合理對(duì)熱能資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度和提升自動(dòng)化管理水平，在遠(yuǎn)程集中供熱中心設(shè)立遠(yuǎn)程監(jiān)控中心站，鑒于本地監(jiān)控站距遠(yuǎn)程監(jiān)控中心站較遠(yuǎn)，采用有線通訊方式在城市內(nèi)部難以施工且成本過(guò)高，在保證數(shù)據(jù)可靠性和實(shí)時(shí)性的前提下，兩站之間采用GPRS無(wú)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(jí)模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該串級(jí)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(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度大為提高，使系統(tǒng)對(duì)二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值跟蹤的動(dòng)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(jià)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?zé)崴?，然后再將高溫?zé)崴腿胂录?jí)分散換熱站水-水熱交換器的一次管網(wǎng)，再通過(guò)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(bǔ)水系統(tǒng)的補(bǔ)水泵在循環(huán)泵入口處進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)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(shí)際的供熱參數(shù)，對(duì)函數(shù)關(guān)系進(jìn)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(diǎn)是，雖然有較嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，但是在對(duì)曲線擬合和修正的過(guò)程中往往會(huì)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(duì)溫度設(shè)定值的擾動(dòng)影響考慮進(jìn)去，控制效果不好。溫度補(bǔ)償曲線法是直接根據(jù)本地的氣象條件和供熱對(duì)象的特性參數(shù)，預(yù)先由設(shè)計(jì)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(shí)根據(jù)實(shí)際測(cè)量的室外溫度，對(duì)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(yàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，沒(méi)有反映出室外溫度變化對(duì)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(diǎn)是沒(méi)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(gè)不確定的、隨機(jī)的模糊變量，用常規(guī)的數(shù)學(xué)模型或函數(shù)關(guān)系很難精確表達(dá)。

以往換熱站在二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的動(dòng)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(shí)際測(cè)量的溫度反饋值進(jìn)行比較，PID控制器的輸出量用來(lái)調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)供水閥開(kāi)度，通過(guò)調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)的流量（改變系統(tǒng)的供熱量）來(lái)跟蹤二次管網(wǎng)供水溫度的設(shè)定值。該方法的主要缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮到被控對(duì)象的時(shí)變性和隨機(jī)性較強(qiáng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī)的控制算法動(dòng)態(tài)跟蹤控制效果不佳。

本設(shè)計(jì)對(duì)集中供熱系統(tǒng)中的下級(jí)換熱站二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值的獲取方法和動(dòng)態(tài)跟蹤方法進(jìn)行了改進(jìn)。鑒于模糊控制對(duì)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(jí)模糊控制器。前級(jí)模糊控制器的兩個(gè)輸入值分別為室外溫度和室外溫度在一定時(shí)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(jí)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(shí)際采集的二次管網(wǎng)供水溫度實(shí)際值，兩者之差e和差值的變化率ec作為后級(jí)模糊參數(shù)自整定PID控制器的兩個(gè)輸入，其輸出值為換熱站一次管網(wǎng)供水閥開(kāi)度的調(diào)節(jié)量，通過(guò)調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)的流量，改變上級(jí)系統(tǒng)的供熱量來(lái)動(dòng)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(gè)綜合復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及和關(guān)聯(lián)的問(wèn)題較多，本設(shè)計(jì)控制策略主要對(duì)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(dòng)態(tài)跟蹤方法進(jìn)行了改進(jìn)，屬于集中供熱系統(tǒng)的核心技術(shù)問(wèn)題。換熱站內(nèi)與之相關(guān)聯(lián)的另外兩個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)是循環(huán)系統(tǒng)和補(bǔ)水系統(tǒng)。二次管網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)的作用就是能及時(shí)地將換熱站交換到二次管網(wǎng)的熱量通過(guò)循環(huán)泵傳遞給熱能用戶。通過(guò)串級(jí)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(duì)熱量消耗較大，需要循環(huán)泵系統(tǒng)多投入功率及時(shí)地將更多的熱量輸送給用戶；反之，說(shuō)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(fèi)。設(shè)定一個(gè)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(dá)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(bǔ)水系統(tǒng)采用目前較先進(jìn)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(jí)模糊控制器以及循環(huán)、補(bǔ)水PID工藝環(huán)節(jié)控制功能的實(shí)現(xiàn)是以控制網(wǎng)絡(luò)為載體的。在對(duì)目前工控市場(chǎng)各種主流控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性、開(kāi)發(fā)性、互聯(lián)互操作性等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后，最終系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)核心選擇了基于西門(mén)子PLC的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線體系。整個(gè)系統(tǒng)主要包括本地監(jiān)控系統(tǒng)、GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線遠(yuǎn)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(guò)Profibus-DP總線與從站通信。1類主站采用西門(mén)子S7-300系列PLC的CPU315-2DP，2類主站的PC機(jī)上安裝西門(mén)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(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)組態(tài)、功能設(shè)定、數(shù)據(jù)歸檔、打印報(bào)表、內(nèi)容查詢、故障判斷和報(bào)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(shí)時(shí)性，二次管網(wǎng)供水溫度設(shè)定值串級(jí)模糊控制器在S7-200CPU226中直接構(gòu)造。在S7-200CPU 226PLC上安裝GPRS無(wú)線通訊模塊SINAUT MD 720-3（西門(mén)子用于S7-200PLC的專用無(wú)線GPRS模塊），MD720-3模塊通過(guò)PPI電纜（訂貨號(hào)：6ES7901-3CB30-0XA099）與S7-200CPU226進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。PLC擴(kuò)展的EM235模擬量I/O模塊直接輸出串級(jí)模糊控制器的一次管網(wǎng)供水閥開(kāi)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(bǔ)水PID控制器的反饋值）［9］。S7-200CPU226PLC通過(guò)Profibus-DP從站EM227模塊接入Profibus現(xiàn)場(chǎng)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(jí)模糊控制器的計(jì)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(mén)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(bǔ)水泵變頻系統(tǒng)電氣驅(qū)動(dòng)裝置的控制。第4類從站由遠(yuǎn)程I/O站ET200M+IM153-1組成，主要面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)連接不帶Profibus-DP接口的設(shè)備和控制信號(hào)。

2）GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前工控領(lǐng)域，用于PLC遠(yuǎn)程無(wú)線通信的主要方法有數(shù)傳電臺(tái)、GPRS和無(wú)線以太網(wǎng)。數(shù)傳電臺(tái)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(diǎn)是信號(hào)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(hào)覆蓋范圍較小。無(wú)線以太網(wǎng)方法的好處是數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)速快、實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確率高，但致命的缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍較小，一般小于1 km。GPRS方式采用全球移動(dòng)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(hào)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(hào)覆蓋范圍廣、持久性強(qiáng)、性價(jià)比高、技術(shù)支持成熟等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是在安全性和實(shí)時(shí)性要求較高的無(wú)線通訊場(chǎng)合不宜采用。由于本遠(yuǎn)程監(jiān)控中心站主要對(duì)下級(jí)分散換熱站的工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、歸檔和調(diào)度工作，對(duì)數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性的要求不高。經(jīng)綜合對(duì)比，本系統(tǒng)采用GPRS無(wú)線通訊方式。為增強(qiáng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)公網(wǎng)的安全性，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心站PC機(jī)通過(guò)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(wú)線遠(yuǎn)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(jī)上安裝WinCC7.0組態(tài)軟件和SINAUT MICRO SC（OPC路由軟件），PC機(jī)通過(guò)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(shí)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(mén)子WinCC7.0監(jiān)控組態(tài)軟件作為OPC客戶端，直接可以訪問(wèn)路由集成到Internet公網(wǎng)的系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)外部變量進(jìn)行畫(huà)面連接組態(tài)，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心PC機(jī)中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱站工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)

鑒于模糊控制在對(duì)時(shí)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(dòng)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(jí)模糊控制器。前級(jí)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(shí)間內(nèi)室外溫度的變化作為前級(jí)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(jí)控制器的輸入，通過(guò)構(gòu)造模糊控制器來(lái)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(bǔ)償曲線法，干擾和氣象參數(shù)急劇變化對(duì)控制效果的影響將會(huì)被大大減弱，具有更好的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)特性；后級(jí)控制器是模糊PID控制器，模糊PID控制器用來(lái)控制一次管網(wǎng)供水閥的開(kāi)度，通過(guò)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(jí)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(shí)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(duì)PID的3個(gè)參數(shù)KP，KI和KD進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，PID的實(shí)時(shí)輸出量通過(guò)調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)供水閥的開(kāi)度，動(dòng)態(tài)地跟蹤二次供水溫度的設(shè)定值，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)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(jí)模糊控制器原理框圖如圖3所示。

4.1 串級(jí)模糊控制器構(gòu)造

串級(jí)模糊控制器中的前級(jí)模糊控制器構(gòu)造步驟如下：1）模糊化輸入、輸出變量。以當(dāng)?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(gè)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(yàn)判斷，決定控制性能的優(yōu)劣，通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)再結(jié)合人工操作經(jīng)驗(yàn)，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(guò)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(jì)中模糊控制器的清晰化方法采用重心法。

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

4.2 串級(jí)模糊控制器的PLC實(shí)現(xiàn)

為提高控制的實(shí)時(shí)性和可靠性，在串級(jí)模糊控制器的具體實(shí)現(xiàn)方法上，直接利用Profibus-DP控制網(wǎng)絡(luò)上的PLC（S7-200CPU226）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器的功能。為了解決PLC計(jì)算能力偏弱的問(wèn)題，減輕PLC用于串級(jí)模糊控制算法的編程量，加強(qiáng)系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性，先借助于Matlab軟件直接獲取前、后級(jí)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］。控制中PLC根據(jù)各自模糊控制器的實(shí)時(shí)輸入值，直接查表獲得兩級(jí)模糊控制器的輸出值。以后級(jí)模糊PID控制器為例，S7-200CPU226將實(shí)時(shí)的二次管網(wǎng)溫度設(shè)定值（前級(jí)模糊控制器查表結(jié)果）與實(shí)際溫度測(cè)量值的差值e和差值變化ec，輸入到后級(jí)模糊PID控制器，S7-200CPU226再通過(guò)查表子程序在模糊控制查詢表中獲得KP，KI，KD3個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)所需參數(shù)，通過(guò)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(mén)的開(kāi)度。查詢表通過(guò)Matlab軟件的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(yùn)涵類型Implication項(xiàng)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(gè)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(cè)器中可以得到模糊推理結(jié)果為一個(gè)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(guò)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(bǔ)水系統(tǒng)的PLC實(shí)現(xiàn)

1）為增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)，二次管網(wǎng)供、回水目標(biāo)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(yùn)行調(diào)節(jié)信號(hào)，并通過(guò)S7-200CPU226 PLC完成3臺(tái)循環(huán)泵的邏輯控制，為防止長(zhǎng)時(shí)間不啟動(dòng)的泵發(fā)生銹死現(xiàn)象，平衡3臺(tái)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(shí)換泵的方法。

2）二次管網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)采用的恒壓變頻PID控制器通過(guò)S7-200CPU226 PLC內(nèi)的PID模塊實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)水泵有2臺(tái)，一備一用。補(bǔ)水泵與二次管網(wǎng)的接入點(diǎn)（補(bǔ)水點(diǎn)）選擇在循環(huán)泵的入口處。由于循環(huán)泵啟動(dòng)后泵的吸力作用，在整個(gè)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(tái)循環(huán)泵入口處補(bǔ)水可以降低補(bǔ)水泵的實(shí)際投入功率，節(jié)能效果明顯。正常工作時(shí)，由于3循環(huán)泵處在臺(tái)數(shù)投切和轉(zhuǎn)速變頻動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，造成3臺(tái)循環(huán)泵出口和入口的壓力也在變化中，壓力反饋信號(hào)采集一點(diǎn)的信號(hào)不能代表二次管網(wǎng)系統(tǒng)的平均壓力，所以采用由PLC擴(kuò)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(bǔ)水PID控制器的反饋值，壓力目標(biāo)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(guò)軟件直接設(shè)定，PID模塊的輸出作為補(bǔ)水泵的變頻運(yùn)行給定信號(hào)。

4.4 仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行效果

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證串級(jí)模糊控制器控制的有效性。以后級(jí)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(duì)傳統(tǒng)PID控制器和模糊參數(shù)自整定PID控制器進(jìn)行對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。在建立被控對(duì)象相同數(shù)學(xué)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(jìn)行整定。在階躍信號(hào)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(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jí)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(bǔ)水泵恒壓變頻PID控制器的投入使用，使系統(tǒng)的運(yùn)行效果較改造前有了較大的改善。

用戶室溫是評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行效果的首要指標(biāo)。當(dāng)?shù)夭膳谑菑漠?dāng)年的10月15日到來(lái)年的4月15日（按182天計(jì)算），本系統(tǒng)要求用戶室溫控制指標(biāo)在18～22℃。由于采用二次管網(wǎng)溫度串級(jí)模糊控制器，實(shí)測(cè)的用戶室溫在一個(gè)采暖期的達(dá)標(biāo)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(tái)×75 kW循環(huán)泵和2臺(tái)×7.5 kW補(bǔ)水泵的功率配置不變。改造前循環(huán)泵和補(bǔ)水泵均采用人工判斷投切、工頻開(kāi)環(huán)運(yùn)行，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。改造后循環(huán)和補(bǔ)水系統(tǒng)由于采用變頻PID控制策略，據(jù)統(tǒng)計(jì)每個(gè)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(jì)數(shù)據(jù)表明，采暖區(qū)居民對(duì)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(xiàng)目對(duì)換熱站二次管網(wǎng)供水溫度給定值的獲取方法和動(dòng)態(tài)跟蹤方法進(jìn)行了改進(jìn)和提高。同時(shí)，設(shè)計(jì)了無(wú)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)控制，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心站可以對(duì)換熱站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)度管理，滿足遠(yuǎn)程集中供熱中心管控一體的任務(wù)需要［12］。系統(tǒng)投入運(yùn)行1 a以來(lái)，穩(wěn)定可靠。本設(shè)計(jì)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(xué)基金（2013MS0921）

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