基于CC2530的無人值守換熱站智能控制系統

郭耀華

（唐山學院 信息工程系，唐山 063008）

隨著科學技術的不斷進步，換熱站自動控制技術也在不斷發生改變和進步。無人值守換熱站改變了傳統的人工操作熱力系統管理模式，節能效果好、自動化程度高，因此無人值守換熱站在實際中得到了越來越多的應用[1]。

近些年物聯網技術飛速發展，以物聯網為載體的實時平臺逐漸進入應用階段，本設計采用物聯網和無線通信技術，以換熱站的控制參數為研究對象，設計了基于CC2530芯片無線傳感器網絡的換熱站智能控制系統，實現了換熱站無人值守功能。系統能與GPRS通信網絡對接，將控制參數傳輸至遠程監控中心，這樣既實現了換熱站自動控制，同時也實現了與遠程監控中的數據交互。

1 系統概述

整個系統由無線傳感器網絡、GPRS通信網絡和遠程監控中心3部分組成，系統結構圖如圖1所示。每個換熱站組成一個無線傳感器網絡，網絡中換熱站的一次側流量、一次側溫度、二次側溫度、二次側壓力、補水箱水位、循環泵、補水泵運行狀態等節點采用ZigBee技術組成星形結構，采用CC2530芯片對各個傳感器進行檢測，同時在CC2530芯片中建立換熱站數學模型，采用Smith模糊自適應智能算法對測量值進行計算，計算結果控制換熱站熱能的變化，這樣就有效地實現了整個換熱站熱能監測和控制。

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Structure of overall system

GPRS通信網絡主要實現各個換熱站無線傳感器網絡與遠程監控中心之間的數據傳輸，GPRS系統接收換熱站網絡發送的被控參數信息，通過通信網絡將數據上傳至遠程終端，最終實現底層無線傳感器網絡與遠程監控中心之間的數據傳輸。

遠程監控中心采用信息管理系統，負責對各個熱力站現場數據進行管理，信息管理系統使用B/S架構，對換熱站現場采集的數據進行存儲、分析與匯總，方便管理層實時掌握全局運行數據，實現供熱管網的熱平衡，從而節約能源[2]。

2 換熱站Smith預估補償的模糊PID控制器設計

無人值守的換熱站智能控制主要是根據采集到的外界溫度、管道壓力、管道溫度，計算出相應的二次管網回水溫度設定值，根據實際回水溫度值計算偏差，采用智能控制器完成對一次管網供水流量的控制，從而實現二次管網溫度控制的目的。

由于供熱系統過程是一個復雜的控制過程，控制參數易變、不穩定。因此，傳統的PID控制顯然不能達到控制要求[3]。本系統設計了一種帶Smith預估補償的模糊自適應PID控制器，引入Smith預估補償器，克服系統的大滯后問題，同時采用模糊控制對PID參數進行在線調節，進一步完善PID控制的自適應能力。Smith模糊自適應PID控制器結構如圖2所示。

圖2 Smith模糊自適應PID控制器結構圖Fig.2 Controller structure of Smith fuzzy adaptive PID

圖中：G（s）e-τs為被控對象傳遞函數；Gc（s）為控制器傳遞函數；Gm（s）為 Smith 預估器傳遞函數，Gm（s）=G（s）（1-e-τs）。引入預估器補償后，閉環傳遞函數為

分析閉環傳遞函數可知，引入Smith預估補償器后，閉環特征方程消除了滯后項，從而也就消除了被控對象純滯后部分對控制系統的影響。

e 和 ec 的模糊子集論域為［-6，-4，-2，0，2，4，6］，對應的模糊語言集為正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（Z0）、負小（NS）、負中（NM）、負大（NB）。Kp，Ki，Kd的模糊子集論域為［0，2，4，6］，對應的模糊語言集零（Z）、小（S）、中（M）、大（B）。 根據實際操作人員的控制經驗加以總結可以得到相應的模糊控制規則，參照這些控制規則以及模糊輸入和輸出選用的三角形隸屬度函數，得到如表1所示的PID模糊控制參數調整規則表。

表 1 Kp，Ki，Kd 模糊控制規則表Tab.1 Fuzzy control rule table of Kp，Ki，Kd

以唐山市某一換熱站為例，建立整個換熱站系統的仿真模型，被控對象的傳遞函數為G（s）=exp（-60 s）/（60 s+1）， 分別采用 Smith 模糊自適應 PID控制器和傳統PID控制器進行仿真，仿真曲線如圖3所示。其中1、2曲線分別是采用傳統PID和Smith模糊自適應PID控制器的仿真結果。根據仿真結果可以得出，采用Smith模糊自適應PID比采用傳統PID控制器系統的超調量減小、調節時間縮短、響應速度加快，系統的穩定性得到了提高。

圖3 Smith模糊自適應PID控制器和傳統PID控制器仿真波形圖Fig.3 Simulation waveform of Smith fuzzy adaptive PID controller and traditional PID controller

3 換熱站智能控制硬件、軟件系統設計

3.1 硬件系統設計

整個硬件系統由終端節點、網絡協調器和GPRS通信模塊組成，系統硬件圖如圖4所示。每個獨立的換熱站有多個終端節點，每個終端節點負責對室外溫度、管網回水溫度、管網壓力、流量、液位、調節閥等參數進行實時監測和控制，多個CC2530終端節點按照無線通信協議相連組成了星形無線傳感器網絡。

圖4 系統硬件結構圖Fig.4 System hardware structure

室外溫度和二次側回水溫度監測選用溫度傳感器DS18B20，它是常用的測溫傳感器，其體積小、造價低，擁有較強抗干擾能力，采用單總線傳輸，工作溫度范圍為-55～125℃，在-10～85℃范圍內精度為0.5℃。流量計選用LWGY系列渦輪流量計，該款渦輪流量計本身配備了現場顯示儀表，同時采用兩線制信號傳輸線，將流量信號以4～20 mA標準電流信號的形式輸出。壓力傳感器選用帶數字顯示的壓力變送器，采用歐洲進口的赫斯曼接頭，讓信號一直穩定，壓力傳感器和流量計的輸出信號相同，均為4～20 mA標準電流信號。GPRS通信輸模塊選用華為公司的GTM900B，它是一種兩頻段GSM/GPRS無線模塊，提供了豐富的語音和數據業務等功能，使用標準的AT交互命令，可實現遠程信號的調制、解調和傳輸[5]。

3.2 軟件系統設計

整個軟件由3部分組成：終端節點數據采集與智能算法模塊、網絡協調器數據收發模塊、遠程監控管理模塊。

終端節點數據采集與智能算法模塊負責換熱站終端數據的采集和智能控制。節點在工作前，需要進行初始化操作，在初始化過程中，終端節點打開電源，網絡協調器和在傳感器節點之間通過握手方式驗證指令和數據幀，傳感器節點成功接受一個數據幀并返回確認幀后，各個終端節點嘗試加入網絡[4]。節點重復發送命令分別從溫度傳感器、壓力傳感器及流量計獲取數據，通過無線傳輸功能將數據發送至協調器，同時處理器根據當前室外溫度值，確定相應換熱站二次回水溫度設定值，根據現場采集到的二次回水溫度值，計算出偏差e和偏差變化率ec，e和ec經量化后根據模糊控制規則采用查表形式進行計算，在線調節數字PID Kp、Ki和Kd的值，最后按照數字PID計算出相應的控制量，對一次側供水電動調節閥進行調節。

協調器是整個ZigBee網絡的中心，負責組建網絡、信息的接收、匯總、處理，及控制命令的發送和執行。整個系統初始化后，GTM900B接受AT指令，與遠程監控中心進行連接，當收到遠程監控中心傳來的采集指令后，協調器模塊完成與傳感器網絡中采集終端之間的通信[5]。網絡協調器也定時控制終端節點采集各監測點的狀態，一旦發現異常，則立即與遠程監控中心通信，將監測點的異常數據發送至遠程服務器，從而減少遠程監控端的值守時間。網絡協調器軟件流程圖如圖5所示。

圖5 網絡協調器軟件流程圖Fig.5 Software flow chart of network coordinator

遠程監控系統軟件采用Java語言編寫，監控系統軟件具有用戶管理功能、數據采集功能、查詢和報表輸出功能、異常報警功能、系統自檢和參數設定功能。以唐山市某換熱站多個分站進行實驗，經現場測試，各個監測點傳感器工作正常、實時控制效果好，誤差滿足設計要求，監控軟件管理方便，整個系統能滿足無人值守控制要求和換熱要求。

4 結語

在換熱站中使用ZigBee技術和CC2530芯片充分發揮了ZigBee技術組網靈活、編程方便、無線傳輸、功耗低等優點，實現了換熱站無線控制。同時針對換熱站溫度控制中非線性、大慣性、純滯后的特點，采用Smith模糊自適應控制器彌補了傳統PID控制器的不足，并在CC2530微處理器中實現了智能算法，實現了換熱站無人值守智能控制要求，取得了較好的控制效果。

[1]馬勇，韓華超，王松亭，等.基于物聯網技術的換熱站自動控制系統[J].管道技術與設備，2014（1）：15-17，20.

[2]趙建敏，李琦.基于GPRS的無人值守熱力站控制系統計算機測量與控制[J].計算機測量與控制，2013，21（2）：362-364.

[3]孫明，嵇啟春.Smith模糊自適應PID算法在熱力站控制中的應用[J].計算機技術與發展，2010，20（12）：244-250.

[4]羅涼臣，鄭曉亮，胡業林.基于Zigbee和GPRS無線傳輸的礦井電機溫度監控系統設計[J].煤礦機械，2012，33（5）：248-250.

[5]孫利民，梁江濤，魏然.基于GPRS與ZigBee的遠程分散多點監控系統[J].鄭州大學學報：工學版，2012，33（1）：24-27.

中車擬參與美國高鐵城軌招標項目

6月24日（美國當地時間），中國中車董事長崔殿國在華盛頓舉辦的第七輪中美戰略與經濟對話企業家早餐會上說：“中國中車將繼續秉承誠信、創新的理念，保質保量兌現合同，持續加大美國市場的開拓力度，努力為中美經貿投資合作做出貢獻”。

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6月23日，國務院國資委公布了2014年度中央企業負責人經營業績考核A級企業名單，原中國南車、原中國北車均在業績考核中獲評A級。根據《中央企業負責人經營業績考核暫行辦法》（國資委令第30號），2014年度中央企業負責人經營業績考核結果，已經經過國資委主任辦公會議審議通過，共有41家企業獲評A級。其中原中國南車列第21位、原中國北車列第33位，雙雙獲A級。這是兩家公司連續4年雙雙入選國資委經營業績考核A級企業。 轉自新浪網