基于模糊控制分布式变频恒温供暖系统

孙 石，张俊康，郭改英，贾振国

（长春工程学院能源动力工程学院，长春130012）

0 引言

随着自动控制技术的发展，以前的供热难题现在从技术上来说，基本都可以得到解决。例如：供暖管网老化、不能根据需要按需供暖、冷热不均、水力失调现象随处可见，给人们的日常生活带来很大的不便。热力公司普遍采用调节阀节流的方式来提高供暖质量，但这种调节方式存在很大的弊端：第一节流造成了能量白白的浪费；第二这种调节方式容易造成供热半径减小，而且极易出现冷热不均的现象。

针对上述问题，设计了分布式变频恒温供暖系统。本系统调网较传统方式调网具有质的区别，传统方式是通过热用户末端的阀门进行流量调节，这就要求主循环泵的扬程要足够大，否则无法把压头送到管网末端，因为此时循环泵不仅仅要克服泵站阻力，还要克服最不利局部阻力和沿程阻力，这样就要求主循环泵的功率必须很大。而分布式变频供暖系统是逐级阶梯递送，由原来的推着水走变成现在的抽着走，主循环泵只需克服泵站和沿程管道阻力，至于用户与管道之间的压头由变频水泵抽着走，实现按需供热［1］。

1 变频恒温供暖的模糊控制原理

模糊控制分布式变频恒温供热系统的工作原理系统结构图如图1所示，先设定以下变量：T0为目标温度，具体值可以根据各地区供暖要求和管网实际情况确定，T1为室内温度，可以通过安装在室内的温度传感器采集得到，e为二次管网供回水实际温差与目标温温差的差值，即e＝t0－t1

（1）当e＜0时，说明此时室内温度已经高于预设温度，说明循环水泵转得太快了，就用模糊控制器进行变频微调，减小变频器输出频率。

（2）当e＞0，说明此时室内温度已经低于预设温度，说明循环水泵转得太慢了，模糊控制器进行变频微调，增大变频器输出频率，直到达到预设温度。

（3）当e＝0，说明此时管网温差刚好等于预设温度，模糊控制器停止工作，水泵机组保持当前转速。

（4）各热用户也可以根据自己的需要手动调节安装在自家室内的变频泵，实现自我控制。

2 分布式变频恒温供暖系统组成

分布式变频恒温供暖系统由可编程控制器PLC、变频水泵机组、控制柜、变频器、温度传感器等组成。其原理如图2所示。系统采用1台变频器拖动若干台变频泵启动、停止、运行和调速（根据现场设计的供暖情况而定）［2－4］。温度传感器采集室内温度与设定温度之间的差值，这个信号反馈给模糊控制器、PLC通过PLC控制变频器输出频率进而调节水泵机组运行参数。

（1）PLC：采用西门子S7—300系列 的CPU315，同时选用EM235模拟量扩展模块，它可以直接接受模糊控制器模拟量信号。

图1 变频恒温控制原理图

（2）变频器：选用西门子变频器 M440，它具有模拟量输入控制性能，直接接受PLC控制指令，变频调节分布式水泵机组流量。

（3）温度传感器：IN502GGPRS室温采集器。基于GRPS的室温采集器是面向室内温度远程监测应用而开发的远程温度测量工具。其主要功能包括远程无线测量度、超温远程报警、实时温度、历史温度查询、万年历显示、设置闹钟等。主要用于供热、楼宇自控、空调、环境控制、工业温度控制、农业大棚种植、医疗、科研、节能等需要远程监测温度的应用中。具有时时采集无线传输的功能。

图2 分布式变频恒温供暖原理图

3 模糊控制器的设计

3.1 模糊控制器输入、输出量的选择

要实现模糊控制器恒温控制供暖［4］，首先要确定模糊控制器的输入、输出量。本系统以预设温度与传感器采集的室内温度之差E作为控制器输入量，变频器的输出频率Uf作为输出控制变量，确定输入、输出的论域为｛－3，－2，－1，0，1，2，3，｝。在其论域内定义输入、输出变量的模糊子集。输入变量E 为：｛NB（负大），NS（负小），Z0（零），PS（正小），PB（正大）｝。输出变量UfNB（负大），NS（负小），Z0（零），PS（正小），PB（正大）｝。

3.2 模糊化和规则库的建立

首先选择输入、输出变量的隶属函数。输入变量隶属函数选用三角形隶属函数，如图3。输出变量选用三角形和梯形隶属函数，如图4。要实现模糊控制最核心的一步就是建立模糊规则，见表1。

图3 输入变量E隶属函数

图4 输出变量Uf隶属函数

表1 模糊控制规则表

3.3 模糊推理和去模糊化

根据表1中的模糊控制规则，求取模糊控制规则表，采用最大隶属度法求取，见表2。

表2 输出控制表

根据模糊控制规则表1可以推出一个模糊蕴含关系Ri（i＝1，2，3，4，5），这些模糊蕴含关系的并构成总的模糊蕴含关系，即：R＝R1∪R2∪R3∪R4∪R5

图5 实验数据直线图

4 PLC软件设计

该系统根据模糊控制器原理，PLC采用梯形图编程，根据模糊控制器输入偏差，采取闭环控制，程序由恒温控制子程序、故障报警子程序、模糊控制表调取程序组成。恒温控制子程序用来采集温度传感器数据，编写控制算法，建立模糊控制器规则［5］。故障报警子程序用来对水泵过载、变频器损坏、PLC故障进行诊断。模糊控制规则表用来调取程序数据，使PLC接受程序数据用来控制变频器频率，其中恒温控制子程序流程图如图6所示。

图6 恒温控制流程图

5 结语

本系统设计简单，利用模糊控制器，不依赖具体数学模型。通过PLC控制变频器输出频率，进而控制变频泵，同时又能实现手动调节。本设计既利用了PLC超强的抗干扰能力，又运用了人工智能控制的特点，不仅节能，而且自动化程度高，又能满足不同热用户的供暖需求。希望在以后分布式变频供暖系统的工程应用中，在已有管道系统改造设计当中能提供一定的参考。

［1］石兆玉.实施分布式循环供热系统时应注意的几个问题［J］.区域供热，2013（2）：1－5.

［2］乔维德.应用PLC模糊控制实现变频调速恒压供水［J］.工矿自动化，2007（3）：118－120.

［3］王建中，王裕，鲁仁全.水泵变频调速节能的模糊控制［J］.杭州电子科技大学学报，2007（6）：79－81.

［4］肖峥，林涛.基于模糊控制的皮带机变频调速系统设计及实现［J］.电气传动，2008（9）：65－67.

［5］黄卫华.模糊控制系统及应用［M］.北京：电子工业出版社，2012.