基于PLC的换热站Fuzzy-adaptive-PID控制策略简析

谢芳友，刘凯凯，石栋良，孙璟

（上海五零盛同信息科技有限公司）

1 引言

换热站主要由一次管网、换热器、二次管网三部分组成。为了实现换热站二次网供水温度的自动调节，传统的调节系统是采用智能控制器进行直接温度调节方式或温度补偿方式，该系统简单，可操作性强，但由于供热管网的面积大，管网分布不均匀，供热系统有较大的热惯性，温度变化滞后性等，此温度调节系统不能保证换热站供热效果的均衡一致，出现忽冷忽热现象，影响用户的使用，浪费大量热能。

2 工作原理

换热站一次网中的蒸汽由热电厂或者锅炉生产，经过一次网蒸汽管道进入换热器，在换热器内一次网与二次网进行热量交换；由补水箱通过补水泵向二次热力网中供回水管道中补给冷水，并通过循环泵进行循环补水，热能被有效利用之后再经过二次回水管网回到换热器；进入换热器的蒸汽和冷水充分进行热交换，将冷水变为满足供暖需要的热水，保证各个用户的供热效果。换热站工艺流程如图1所示。

图1 换热站工艺流程图

在热量输送过程中现场智能控制系统实时检测外界温度和一次网、二次网的温度、压力、流量、水箱水位等参数，针对不同的外界温度调节一次网的电动调节阀的开度、循环泵转速、补水泵的启停、泄压阀的关合等控制二次供水温度和压力，使其稳定在设定值附近，保证用户用热舒适度的要求。

现场智能控制系统也可以通过无线通讯模块将换热参数及设备状态等信息上传到控制中心，供工作人员对换热过程进行监控，并接受控制中心下发的参数及控制指令等，对现场换热参数进行调节。

3 整体设计框架

图2 控制与管理系统总体框图

换热站控制与管理系统总体框图如图2所示。

系统采用工控领域性能稳定的可编程逻辑控制器（PLC）作为现场智能控制系统的核心，对换热过程中的温度、压力、流量等参数进行采集，并根据相应的算法控制电动调节阀、循环泵、补水泵等设备，调节二次网的供回水温度和压力，满足用户用热需求。

现场智能控制系统既可以单独运行，也可以通过无线通讯系统将现场的换热数据及设备状态发送到上位机，保存在数据服务器中，并接受上位机监控系统软件下发的控制命令，执行相应的操作，实现远程控制。

4 控制策略

4.1 常用控制策略

图3 两级控制器串联构成的换热站温度自动调节系统图

换热站的基本控制策略就是要保证二次水出口有一个恒定的预设定温度，控制元件是换热器一次水出口的控制阀，该阀门控制换热器的一次供水流量。将预设定温度作为给定值，测量温度值作为反馈值，阀门的开度作为输出值，保证二次供水温度的恒定。预设定温度根据室外温度计算得出，每个换热站均安装了室外温度传感器，通过公式计算出当前的预设定温度，这个设定点是随着室外温度的变化而改变的。

常规的PID控制器是按偏差的比例、微分、积分进行控制，它是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种控制器。其优点是结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。但是，PID控制器对非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统不能进行有效的控制，使其应用范围受到限制。在换热站控制中，二次水流量和设定值的变化使控制对象特性发生变化，当控制对象的特性变化到一定程度后，原来整定好的控制参数就不再适用，这时，传统的PID 控制必须对参数重新整定，才能实现对换热站温度精确、稳定的控制。

4.2 Fuzzy-adaptive-PID控制策略

针对以上问题，采用西门子的小型PLC控制器（S7-224CN），结合模糊控制器与模糊自适应PID控制器（Fuzzyadaptive-PID）相串联的控制策略，构造两级控制器系统，即第一级控制器为模糊控制器，第二级控制器为模糊自适应PID控制器。两级控制器对供热过程中的温度参数进行模糊化处理，根据室外温度、时间节点、季节变化、以及现场各设备的状态、换热参数的变化情况等自动调整 PID 控制器的参数，再由PID控制器生成一个阀门开度的控制量，对一次网电动调节阀进行控制，从而实现对二次网供水温度的自动控制，以满足热用热舒适度的要求，实现按需供热。控制策略见图3所示。

4.3 控制过程

室外温度E1和一段时间内室外温度的变化率EC1作为第一级模糊控制器的输入，构造模糊控制器的控制规则表，在不同的误差和误差变化率时，根据参数的自整定原则，模糊控制器输出一个二次网供水温度调节值，此调节值作为模糊自适应PID控制器的输入。采用温度传感器采集二次网供水温度，将此温度值与模糊自适应PID控制器输入的二次供水温度调节值进行比较，两温度之差为E2、差值变化率为EC2；将E2、EC2作为第二级模糊控制器的输入,利用模糊规则进行模糊推理,实现对PID控制器的三个参数（KP、KI、KD）实时在线校正 ,PID控制器的输出控制一次网电动调节阀阀门开度，调节一次网与二次网之间的热交换，动态的跟踪二次网供水温度的变化，最终实现对二次网供水温度的自动控制。

控制系统实现的连续PID控制算法为：

相应的增量式数字 PID控制算法为:

式（1）和（2）中Kp，Ki，Kd分别为比例、积分和微分系数；u(t)为输出变量；e(t)为系统误差。增量式PID控制器只与前3次采样值相关，计算量少且实时性好。本系统对被控对象进行在线辨识,然后利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,以构成模糊自适应PID控制器。

4.4 实际运行测试结果

工程现场随机抽取一个测试点，记录24h内室温，结果见图4所示。

根据实测结果可知，采用此控制策略，换热站可以根据季节、室外温度的变化自动的控制二次管网供水温度，在满足用户用热舒适度同时，有效的节约了能源，实现了换热站无人值守，温度自动控制。

图4 实际运行随机测试结果

5 结语

采用Fuzzy-adaptive-PID控制策略，可以大大缩短调节时间，加快响应速度，相比常规的PID控制具有更明显的抗干扰能力。模糊自适应PID控制器在线参数自动调整能力强，对于非线性时变对象获得了良好的动态性能，并具有较好的自适应性，为工业时滞系统的控制提供了一种有效手段。

随着全球气候变暖，国家重视节能减排工作，实施按需供热、精细管理将是必然趋势，因此，基于PLC的换热站Fuzzy-adaptive-PID控制策略对于换热站的智能规范管理、提高供热质量及节约能源具有重要意义