專利名稱：一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及城市集中供熱智能控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
城市集中供熱系統(tǒng)是由若干個供熱子系統(tǒng)組成，每一個供熱子系統(tǒng)都由熱網(wǎng)、換熱站、熱用戶三部分組成，共享一個熱源，為不同供熱區(qū)域提供熱量輸送、控制與分配。熱網(wǎng)分為一次網(wǎng)、二次網(wǎng)，位于熱源和換熱站、換熱站和熱用戶之間，構(gòu)成熱量傳輸?shù)姆植季W(wǎng)絡(luò)。 換熱站是熱量交換與分配的核心管理單元，由換熱器、循環(huán)泵、控制柜、調(diào)節(jié)閥、補水泵等設(shè)備組成，擔(dān)負著調(diào)節(jié)整個供熱系統(tǒng)熱工、水工平衡的重任。熱用戶是供熱系統(tǒng)的終端，其對熱量的需求是換熱站調(diào)節(jié)二次網(wǎng)熱量轉(zhuǎn)換、控制水工平衡、分配熱量傳送的終極目標。因而，換熱站熱量轉(zhuǎn)換的效率、水量控制的能力直接影響到供熱系統(tǒng)的供熱效果、系統(tǒng)能量消耗和對環(huán)境污染的程度。綜上，提供一種能夠解決換熱站熱工、水工平衡問題，實現(xiàn)換熱站能量優(yōu)化控制的控制系統(tǒng)及控制方法勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有城市集中供熱系統(tǒng)存在的低效率、低品質(zhì)、高能耗、監(jiān)測手段落后、 控制效果不理想等問題，本發(fā)明提供一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)及方法，其以能耗指標為約束條件，構(gòu)建換熱站智能化控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；集成多傳感器信息技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、智能自適應(yīng)控制技術(shù)，實現(xiàn)換熱站熱網(wǎng)優(yōu)化控制與節(jié)能運行。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)，包括信息監(jiān)測單元、無線傳輸單元、 主控制器和水泵控制單元；所述信息監(jiān)測單元通過無線傳輸單元與主控制器連接，信息監(jiān)測單元用于監(jiān)測二次網(wǎng)供、回水的溫度、壓力和流量，所述無線傳輸單元采用ZigBee協(xié)議， 實現(xiàn)主控制器和信息監(jiān)測單元之間數(shù)據(jù)、命令的雙向通信；所述主控制器根據(jù)信息監(jiān)測單元傳來的檢測數(shù)據(jù)，分析當前換熱站的工作狀態(tài)，以能耗指標為約束，采用能量優(yōu)化控制方法，發(fā)出系統(tǒng)控制指令，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各功能單元穩(wěn)定運行；所述水泵控制單元與主控制器連接，其根據(jù)主控制器的控制指令，調(diào)節(jié)電機的運行狀態(tài)，實現(xiàn)換熱站系統(tǒng)熱工、水工平衡及能量優(yōu)化控制。上述信息監(jiān)測單元包括壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、內(nèi)含無線發(fā)送和接收器的微處理器以及信號處理電路；所述壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器分別用于檢測二次網(wǎng)供、出水的壓力、流量和溫度；所述信號處理電路分別與壓力傳感器、流量傳感器、 溫度傳感器相連，用于完成對上述各種傳感器信號的調(diào)理，以實現(xiàn)與微處理器的連接；所述微處理器與信號處理電路相連，用于控制與管理信息監(jiān)測單元，以無線、多跳方式與無線傳輸單元相連。上述無線傳輸單元包括內(nèi)含無線發(fā)送和接收器的微處理器、USB接口電路和電源轉(zhuǎn)換電路；所述微處理器分別與USB接口電路、電源轉(zhuǎn)換電路相連，用于控制與管理信息監(jiān)測單元，通過USB接口電路與主控制器的連接，由電源轉(zhuǎn)換電路提供工作電壓。上述水泵控制單元包括接口電路、電機控制模塊和變頻調(diào)速模塊；所述接口電路用于提供標準485總線接口，實現(xiàn)水泵控制單元與主控制器的連接；所述電機控制模塊與接口電路連接，其用于水泵控制單元的控制與管理，接收來自主控制器發(fā)送的控制指令，將其轉(zhuǎn)換成標準的4-20mA電流信號，并送入變頻調(diào)速模塊；所述變頻調(diào)速模塊與電機控制模塊連接，其用于完成對系統(tǒng)補水泵、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的控制，實現(xiàn)換熱站水工、熱工平衡控制。上述基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟步驟一、根據(jù)換熱站供熱面積及管網(wǎng)設(shè)計要求，以二次網(wǎng)供、回水的壓力為參數(shù)， 采用單閉環(huán)控制原理，建立換熱站水工平衡控制系統(tǒng)模型；步驟二、以換熱系統(tǒng)能耗指標為約束，對二次網(wǎng)供、回水的溫度和流量采用雙環(huán)閉環(huán)控制，建立換熱站熱工平衡控制系統(tǒng)模型；步驟三、通過信息監(jiān)測單元獲得當前二次網(wǎng)供、回水的壓力值，主控制器根據(jù)步驟一的換熱站水工平衡控制系統(tǒng)模型計算補水流量，輸出與之對應(yīng)的有效電信號，由485總線接口送入水泵控制單元的電機控制模塊，電機控制模塊將接收到的信號轉(zhuǎn)換成標準的 4-20mA電流信號，再送入變頻調(diào)速模塊；變頻調(diào)速模塊調(diào)整補水泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)二次網(wǎng)恒壓水路循環(huán)；步驟四、通過信息監(jiān)測單元獲得當前二次網(wǎng)供、回水的溫度和流量，主控制器根據(jù)步驟二的換熱站熱工平衡控制系統(tǒng)模型計算出循環(huán)水流量，將其轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的有效電信號，由485總線接口送入水泵控制單元的電機控制模塊，電機控制模塊將接收到的信號轉(zhuǎn)換成標準的4-20mA電流信號，再送入變頻調(diào)速模塊；變頻調(diào)速模塊調(diào)整循環(huán)水泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)二次網(wǎng)熱工平衡的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)基于水工、熱工平衡的換熱站控制方法。本發(fā)明的有益效果是該系統(tǒng)利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立換熱器、循環(huán)泵、控制柜、調(diào)節(jié)閥、補水泵等換熱站各組成單元之間的熱工關(guān)系、水工關(guān)系，運用能量優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制方法，削弱熱網(wǎng)熱能、流量、壓力、溫度等運行參數(shù)之間的強耦合、慣性滯后、非線性和不確定性的特征，提高換熱站熱能轉(zhuǎn)換效率，降低能量消耗。與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比，在獲取信息的準確性、可靠性、實時性，系統(tǒng)的能源消耗、優(yōu)化控制等方面，都有很大的改進。


圖1是本發(fā)明的基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明的信息監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本發(fā)明的無線傳輸單元結(jié)構(gòu)框圖。圖4是本發(fā)明的水泵控制單元結(jié)構(gòu)框圖。圖5是本發(fā)明的基于水工、熱工平衡的換熱站控制方法流程圖。圖6是本發(fā)明壓力環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖7是本發(fā)明流量環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
如圖1所示，本發(fā)明基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)由主控制器、信息監(jiān)測單元、無線傳輸單元和水泵控制單元組成。主控制器為基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)的核心，選用工業(yè)控制計算機，CPU為Centrino 2. 4GHz，2G內(nèi)存，200G硬盤，2個485通訊接口，2個USB接口，運行 windowsXP操作系統(tǒng)，內(nèi)嵌Vc編程語言編寫的一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制方法； 以485接口方式與水泵控制單元相連，發(fā)送控制指令，控制電機運行狀態(tài)；以USB接口方式與無線傳輸單元連接，實現(xiàn)與信息監(jiān)測單元數(shù)據(jù)、命令的雙向通信。信息監(jiān)測單元主要監(jiān)測二次網(wǎng)供、回水溫度、壓力、流量；無線傳輸單元采用 ZigBee協(xié)議，實現(xiàn)主控制器和信息監(jiān)測單元之間數(shù)據(jù)交互；水泵控制單元接收主控制器的控制指令，調(diào)節(jié)電機運行狀態(tài)，實現(xiàn)換熱站系統(tǒng)熱工、水工平衡及能量優(yōu)化控制。如圖2所示，信息監(jiān)測單元為基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)的感知器，由壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、微處理器(內(nèi)含無線發(fā)送和接收器)和信號處理電路組成。壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器用于檢測二次網(wǎng)供、出水壓力、流量和溫度。 信號處理電路主要完成各種傳感器信號的調(diào)理，以實現(xiàn)與微處理器的連接。微處理器主要負責(zé)信息監(jiān)測單元的控制與管理，選用Freescale MC23211，其內(nèi)部集成射頻收發(fā)器，外圍配有復(fù)位電路，F(xiàn)型PCB天線，與信號處理電路相連，采用ZigBee協(xié)議，以無線、多跳方式與無線傳輸單元相連。如圖3所示，無線傳輸單元為基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)的信息傳遞媒介，由微處理器(內(nèi)含無線發(fā)送和接收器)、USB接口電路和電源轉(zhuǎn)換電路組成。采用 ZigBee協(xié)議，以無線方式與信息監(jiān)測單元進行數(shù)據(jù)、命令的雙向通信，以USB接口方式與主控制器相連，傳遞現(xiàn)場二次網(wǎng)供、回水溫度、壓力、流量等信息。微處理器主要負責(zé)無線傳輸單元的控制與管理，選用Freescale MC23211，8位微處理器，其內(nèi)部集成射頻收發(fā)器，外圍配有復(fù)位電路、F型PCB天線，與USB接口電路連接，由電源轉(zhuǎn)換電路提供3. 3V工作電壓。 USB接口電路主要完成無線傳輸單元的USB接口擴展，選用CH375USB，可實現(xiàn)與主控制器的連接。電源轉(zhuǎn)換電路由電池、穩(wěn)壓電路、濾波電路和電源優(yōu)化管理電路組成，采用7.2V， 1200mAH鋰電池供電，RC典型電路濾波，LM78L05和Ii^950兩次穩(wěn)壓，TPS76350電源管理， 實現(xiàn)5. OV和3. 3V輸出，工作電流120mA，作為供電電源提供給微處理器和USB接口電路。如圖4所示，水泵控制單元為基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，由電機控制模塊、變頻調(diào)速模塊和接口電路組成。采用485總線方式、MODBUS通信協(xié)議與主控制器相連，依據(jù)主控制器發(fā)出的優(yōu)化控制指令，實現(xiàn)電機控制。電機控制模塊主要負責(zé)水泵控制單元的控制與管理，接受來自主控制器發(fā)送的控制指令，將其轉(zhuǎn)換成標準的4-20mA電流信號，送入變頻調(diào)速模塊。變頻調(diào)速模塊主要完成對系統(tǒng)補水泵、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的控制，實現(xiàn)換熱站水工、熱工平衡控制。接口電路主要提供標準485總線接口，實現(xiàn)水泵控制單元與主控制器的連接。如圖5所示，本發(fā)明的一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制方法包括如下步驟
步驟一、建立換熱站水工平衡控制系統(tǒng)模型。根據(jù)換熱站供熱面積及管網(wǎng)設(shè)計要求，以二次網(wǎng)供、回水壓力為參數(shù)，采用單閉環(huán)控制原理，即壓力環(huán)，建立換熱站水工平衡控制系統(tǒng)模型。壓力環(huán)作為換熱站控制系統(tǒng)中的分支環(huán)節(jié)，其主要作用是實現(xiàn)二次網(wǎng)管網(wǎng)水壓恒定，出現(xiàn)漏水欠壓時可及時的補水，要求是具有穩(wěn)定、可靠的控制能力，以及強的抗干擾能力。從工程實際操作上講，壓力控制同時應(yīng)具有響應(yīng)快的特性。因而，采用PI算法的單閉環(huán)控制實現(xiàn)對壓力環(huán)的建模。根據(jù)換熱站補水系統(tǒng)現(xiàn)場運行特性，壓力環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。其中:、為設(shè)定管網(wǎng)壓力等效電壓信號； 為補水管網(wǎng)壓力偏差氓為補水泵回路等效電阻；Tp為補水泵等效時間常數(shù)；Kpl為補水泵回路放大增益；T11為負載轉(zhuǎn)矩J1為補水電機轉(zhuǎn)動慣量；ξ ！ 為補水回路阻力系數(shù)；Kfl補水電動勢系數(shù)；υ。ρ*補水泵輸出有效控制信號。則開環(huán)傳遞函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括信息監(jiān)測單元、無線傳輸單元、主控制器和水泵控制單元；所述信息監(jiān)測單元通過無線傳輸單元與主控制器連接，信息監(jiān)測單元用于監(jiān)測二次網(wǎng)供、回水的溫度、壓力和流量，所述無線傳輸單元采用ZigBee協(xié)議，實現(xiàn)主控制器和信息監(jiān)測單元之間數(shù)據(jù)、命令的雙向通信；所述主控制器根據(jù)信息監(jiān)測單元傳來的檢測數(shù)據(jù)，分析當前換熱站的工作狀態(tài)，以能耗指標為約束，采用能量優(yōu)化控制方法，發(fā)出系統(tǒng)控制指令，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各功能單元穩(wěn)定運行；所述水泵控制單元與主控制器連接，其根據(jù)主控制器的控制指令，調(diào)節(jié)電機的運行狀態(tài)，實現(xiàn)換熱站系統(tǒng)熱工、水工平衡及能量優(yōu)化控制。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信息監(jiān)測單元包括壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、內(nèi)含無線發(fā)送和接收器的微處理器以及信號處理電路；所述壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器分別用于檢測二次網(wǎng)供、 出水的壓力、流量和溫度；所述信號處理電路分別與壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器相連，用于完成對上述各種傳感器信號的調(diào)理，以實現(xiàn)與微處理器的連接；所述微處理器與信號處理電路相連，用于控制與管理信息監(jiān)測單元，以無線、多跳方式與無線傳輸單元相連。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳輸單元包括內(nèi)含無線發(fā)送和接收器的微處理器、USB接口電路和電源轉(zhuǎn)換電路；所述微處理器分別與USB接口電路、電源轉(zhuǎn)換電路相連，用于控制與管理信息監(jiān)測單元，通過 USB接口電路與主控制器的連接，由電源轉(zhuǎn)換電路提供工作電壓。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)，其特征在于，所述水泵控制單元包括接口電路、電機控制模塊和變頻調(diào)速模塊；所述接口電路用于提供標準 485總線接口，實現(xiàn)水泵控制單元與主控制器的連接；所述電機控制模塊與接口電路連接， 其用于水泵控制單元的控制與管理，接收來自主控制器發(fā)送的控制指令，將其轉(zhuǎn)換成標準的4-20mA電流信號，并送入變頻調(diào)速模塊；所述變頻調(diào)速模塊與電機控制模塊連接，其用于完成對系統(tǒng)補水泵、循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的控制，實現(xiàn)換熱站水工、熱工平衡控制。
5.基于權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟一、根據(jù)換熱站供熱面積及管網(wǎng)設(shè)計要求，以二次網(wǎng)供、回水的壓力為參數(shù)，采用單閉環(huán)控制原理，建立換熱站水工平衡控制系統(tǒng)模型；步驟二、以換熱系統(tǒng)能耗指標為約束，對二次網(wǎng)供、回水的溫度和流量采用雙環(huán)閉環(huán)控制，建立換熱站熱工平衡控制系統(tǒng)模型；步驟三、通過信息監(jiān)測單元獲得當前二次網(wǎng)供、回水的壓力值，主控制器根據(jù)步驟一的換熱站水工平衡控制系統(tǒng)模型計算補水流量，輸出與之對應(yīng)的有效電信號，由485總線接口送入水泵控制單元的電機控制模塊，電機控制模塊將接收到的信號轉(zhuǎn)換成標準的4-20mA 電流信號，再送入變頻調(diào)速模塊；變頻調(diào)速模塊調(diào)整補水泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)二次網(wǎng)恒壓水路循環(huán)；步驟四、通過信息監(jiān)測單元獲得當前二次網(wǎng)供、回水的溫度和流量，主控制器根據(jù)步驟二的換熱站熱工平衡控制系統(tǒng)模型計算出循環(huán)水流量，將其轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的有效電信號，由485總線接口送入水泵控制單元的電機控制模塊，電機控制模塊將接收到的信號轉(zhuǎn)換成標準的4-20mA電流信號，再送入變頻調(diào)速模塊；變頻調(diào)速模塊調(diào)整循環(huán)水泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)二次網(wǎng)熱工平衡的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)基于水工、熱工平衡的換熱站控制方法。
全文摘要
一種基于水工、熱工平衡的換熱站控制系統(tǒng)及方法屬于城市集中供熱智能控制領(lǐng)域，該系統(tǒng)包括信息監(jiān)測單元、無線傳輸單元、主控制器和水泵控制單元；信息監(jiān)測單元主要監(jiān)測二次網(wǎng)供、回水溫度、壓力、流量；無線傳輸單元采用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)主控制器和信息監(jiān)測單元之間數(shù)據(jù)交互；水泵控制單元根據(jù)主控制器的控制指令，調(diào)節(jié)電機運行狀態(tài)，實現(xiàn)換熱站系統(tǒng)熱工、水工平衡及能量優(yōu)化控制；主控制器借助信息監(jiān)測單元的檢測數(shù)據(jù)，分析當前換熱站工作狀態(tài)，采用能量優(yōu)化控制方法，發(fā)出系統(tǒng)控制指令，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各功能單元穩(wěn)定運行。本發(fā)明提高了換熱站的熱能轉(zhuǎn)換效率，降低了能量消耗；獲取信息的準確性、可靠性、實時性提高。
文檔編號F24D19/10GK102252366SQ20111018592
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者姜長泓, 王盛慧, 金剛, 金星, 陳月巖, 馬慶峰, 齊春林 申請人:長春工業(yè)大學(xué)