基于CC2530的无人值守换热站智能控制系统

郭耀华

（唐山学院 信息工程系，唐山 063008）

随着科学技术的不断进步，换热站自动控制技术也在不断发生改变和进步。无人值守换热站改变了传统的人工操作热力系统管理模式，节能效果好、自动化程度高，因此无人值守换热站在实际中得到了越来越多的应用[1]。

近些年物联网技术飞速发展，以物联网为载体的实时平台逐渐进入应用阶段，本设计采用物联网和无线通信技术，以换热站的控制参数为研究对象，设计了基于CC2530芯片无线传感器网络的换热站智能控制系统，实现了换热站无人值守功能。系统能与GPRS通信网络对接，将控制参数传输至远程监控中心，这样既实现了换热站自动控制，同时也实现了与远程监控中的数据交互。

1 系统概述

整个系统由无线传感器网络、GPRS通信网络和远程监控中心3部分组成，系统结构图如图1所示。每个换热站组成一个无线传感器网络，网络中换热站的一次侧流量、一次侧温度、二次侧温度、二次侧压力、补水箱水位、循环泵、补水泵运行状态等节点采用ZigBee技术组成星形结构，采用CC2530芯片对各个传感器进行检测，同时在CC2530芯片中建立换热站数学模型，采用Smith模糊自适应智能算法对测量值进行计算，计算结果控制换热站热能的变化，这样就有效地实现了整个换热站热能监测和控制。

图1 系统整体结构图Fig.1 Structure of overall system

GPRS通信网络主要实现各个换热站无线传感器网络与远程监控中心之间的数据传输，GPRS系统接收换热站网络发送的被控参数信息，通过通信网络将数据上传至远程终端，最终实现底层无线传感器网络与远程监控中心之间的数据传输。

远程监控中心采用信息管理系统，负责对各个热力站现场数据进行管理，信息管理系统使用B/S架构，对换热站现场采集的数据进行存储、分析与汇总，方便管理层实时掌握全局运行数据，实现供热管网的热平衡，从而节约能源[2]。

2 换热站Smith预估补偿的模糊PID控制器设计

无人值守的换热站智能控制主要是根据采集到的外界温度、管道压力、管道温度，计算出相应的二次管网回水温度设定值，根据实际回水温度值计算偏差，采用智能控制器完成对一次管网供水流量的控制，从而实现二次管网温度控制的目的。

由于供热系统过程是一个复杂的控制过程，控制参数易变、不稳定。因此，传统的PID控制显然不能达到控制要求[3]。本系统设计了一种带Smith预估补偿的模糊自适应PID控制器，引入Smith预估补偿器，克服系统的大滞后问题，同时采用模糊控制对PID参数进行在线调节，进一步完善PID控制的自适应能力。Smith模糊自适应PID控制器结构如图2所示。

图2 Smith模糊自适应PID控制器结构图Fig.2 Controller structure of Smith fuzzy adaptive PID

图中：G（s）e-τs为被控对象传递函数；Gc（s）为控制器传递函数；Gm（s）为 Smith 预估器传递函数，Gm（s）=G（s）（1-e-τs）。引入预估器补偿后，闭环传递函数为

分析闭环传递函数可知，引入Smith预估补偿器后，闭环特征方程消除了滞后项，从而也就消除了被控对象纯滞后部分对控制系统的影响。

e 和 ec 的模糊子集论域为［-6，-4，-2，0，2，4，6］，对应的模糊语言集为正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（Z0）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB）。Kp，Ki，Kd的模糊子集论域为［0，2，4，6］，对应的模糊语言集零（Z）、小（S）、中（M）、大（B）。 根据实际操作人员的控制经验加以总结可以得到相应的模糊控制规则，参照这些控制规则以及模糊输入和输出选用的三角形隶属度函数，得到如表1所示的PID模糊控制参数调整规则表。

表 1 Kp，Ki，Kd 模糊控制规则表Tab.1 Fuzzy control rule table of Kp，Ki，Kd

以唐山市某一换热站为例，建立整个换热站系统的仿真模型，被控对象的传递函数为G（s）=exp（-60 s）/（60 s+1）， 分别采用 Smith 模糊自适应 PID控制器和传统PID控制器进行仿真，仿真曲线如图3所示。其中1、2曲线分别是采用传统PID和Smith模糊自适应PID控制器的仿真结果。根据仿真结果可以得出，采用Smith模糊自适应PID比采用传统PID控制器系统的超调量减小、调节时间缩短、响应速度加快，系统的稳定性得到了提高。

图3 Smith模糊自适应PID控制器和传统PID控制器仿真波形图Fig.3 Simulation waveform of Smith fuzzy adaptive PID controller and traditional PID controller

3 换热站智能控制硬件、软件系统设计

3.1 硬件系统设计

整个硬件系统由终端节点、网络协调器和GPRS通信模块组成，系统硬件图如图4所示。每个独立的换热站有多个终端节点，每个终端节点负责对室外温度、管网回水温度、管网压力、流量、液位、调节阀等参数进行实时监测和控制，多个CC2530终端节点按照无线通信协议相连组成了星形无线传感器网络。

图4 系统硬件结构图Fig.4 System hardware structure

室外温度和二次侧回水温度监测选用温度传感器DS18B20，它是常用的测温传感器，其体积小、造价低，拥有较强抗干扰能力，采用单总线传输，工作温度范围为-55～125℃，在-10～85℃范围内精度为0.5℃。流量计选用LWGY系列涡轮流量计，该款涡轮流量计本身配备了现场显示仪表，同时采用两线制信号传输线，将流量信号以4～20 mA标准电流信号的形式输出。压力传感器选用带数字显示的压力变送器，采用欧洲进口的赫斯曼接头，让信号一直稳定，压力传感器和流量计的输出信号相同，均为4～20 mA标准电流信号。GPRS通信输模块选用华为公司的GTM900B，它是一种两频段GSM/GPRS无线模块，提供了丰富的语音和数据业务等功能，使用标准的AT交互命令，可实现远程信号的调制、解调和传输[5]。

3.2 软件系统设计

整个软件由3部分组成：终端节点数据采集与智能算法模块、网络协调器数据收发模块、远程监控管理模块。

终端节点数据采集与智能算法模块负责换热站终端数据的采集和智能控制。节点在工作前，需要进行初始化操作，在初始化过程中，终端节点打开电源，网络协调器和在传感器节点之间通过握手方式验证指令和数据帧，传感器节点成功接受一个数据帧并返回确认帧后，各个终端节点尝试加入网络[4]。节点重复发送命令分别从温度传感器、压力传感器及流量计获取数据，通过无线传输功能将数据发送至协调器，同时处理器根据当前室外温度值，确定相应换热站二次回水温度设定值，根据现场采集到的二次回水温度值，计算出偏差e和偏差变化率ec，e和ec经量化后根据模糊控制规则采用查表形式进行计算，在线调节数字PID Kp、Ki和Kd的值，最后按照数字PID计算出相应的控制量，对一次侧供水电动调节阀进行调节。

协调器是整个ZigBee网络的中心，负责组建网络、信息的接收、汇总、处理，及控制命令的发送和执行。整个系统初始化后，GTM900B接受AT指令，与远程监控中心进行连接，当收到远程监控中心传来的采集指令后，协调器模块完成与传感器网络中采集终端之间的通信[5]。网络协调器也定时控制终端节点采集各监测点的状态，一旦发现异常，则立即与远程监控中心通信，将监测点的异常数据发送至远程服务器，从而减少远程监控端的值守时间。网络协调器软件流程图如图5所示。

图5 网络协调器软件流程图Fig.5 Software flow chart of network coordinator

远程监控系统软件采用Java语言编写，监控系统软件具有用户管理功能、数据采集功能、查询和报表输出功能、异常报警功能、系统自检和参数设定功能。以唐山市某换热站多个分站进行实验，经现场测试，各个监测点传感器工作正常、实时控制效果好，误差满足设计要求，监控软件管理方便，整个系统能满足无人值守控制要求和换热要求。

4 结语

在换热站中使用ZigBee技术和CC2530芯片充分发挥了ZigBee技术组网灵活、编程方便、无线传输、功耗低等优点，实现了换热站无线控制。同时针对换热站温度控制中非线性、大惯性、纯滞后的特点，采用Smith模糊自适应控制器弥补了传统PID控制器的不足，并在CC2530微处理器中实现了智能算法，实现了换热站无人值守智能控制要求，取得了较好的控制效果。

[1]马勇，韩华超，王松亭，等.基于物联网技术的换热站自动控制系统[J].管道技术与设备，2014（1）：15-17，20.

[2]赵建敏，李琦.基于GPRS的无人值守热力站控制系统计算机测量与控制[J].计算机测量与控制，2013，21（2）：362-364.

[3]孙明，嵇启春.Smith模糊自适应PID算法在热力站控制中的应用[J].计算机技术与发展，2010，20（12）：244-250.

[4]罗凉臣，郑晓亮，胡业林.基于Zigbee和GPRS无线传输的矿井电机温度监控系统设计[J].煤矿机械，2012，33（5）：248-250.

[5]孙利民，梁江涛，魏然.基于GPRS与ZigBee的远程分散多点监控系统[J].郑州大学学报：工学版，2012，33（1）：24-27.

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