遠程換熱站綜合自動化監控系統的設計

（內蒙古科技大學 信息工程學院，包頭 014010）

市集中供熱系統中，換熱站是連接用戶和熱源廠的關鍵紐帶，其供熱品質對供熱質量起到非常重要的作用，同時，熱用戶在供熱的穩定性與質量方面提出了更多的要求。為了讓整個供熱系統最終能夠在最佳的工況下工作以便取得更好的效益，監控各個換熱站的工作狀態便成為了整個控制系統的關鍵任務，而且要通過這些信息來對換熱站實施適當的調節。實施本地控制的換熱站是一個復雜的系統，而且影響因素較多，致使精確的控制幾乎成為了不可能，還有氣象條件相當復雜的變化，同樣使其不可能被準確地預測[1]。因此設計了遠程和本地監控系統并主要制定了由模糊控制器和遺傳算法PID控制器組成的串級控制器來解決此問題。

1 換熱站控制系統的總體設計

熱電廠的高溫過熱蒸汽經過汽-水換熱器形成高溫熱水送到上級換熱站，各下級換熱站將一次管網的高溫高壓熱水再經平板式水-水換熱器轉換為供暖熱水，然后通過二次供熱管網的循環系統將熱能輸送給熱用戶[3]。補水系統會補充二次管網中的失水，保持系統平均壓力的恒定。二次管網中的循環水通過換熱站的二次管網供、回水壓力差的驅動循環流動。換熱站控制系統的工作原理如圖1所示。

圖1 換熱站控制系統工作原理Fig.1 Working principle diagram of the control system of the heat exchanger station

針對集中供熱系統的特點和計算機應用技術，選用模糊控制器和遺傳算法PID控制器相結合構造成一串級控制器，第一級控制器是模糊控制器，由溫度采集模塊DDMF5-8ADK熱電偶采集室外溫度和一段時間內室外溫度的變化作為前級模糊控制器的輸入，輸出是下級換熱站二次管網供水溫度的設定值。此設定值作為第二級控制器的輸入，通過構造模糊控制器來獲取二次網的預設值，該方法較溫度調節法和溫度補償曲線法，干擾和參數變化對控制效果的影響將會被極大地減弱，具有更佳的動態特性[6]；第二級控制器是遺傳算法PID控制器，用來控制變頻器使得二次供水溫度穩定在預設值，遺傳算法PID控制器用遺傳算法理論對PID的3個參數Kp、Ki和Kd進行優化，通過控制一次網一次閥的開度來調節水流量[9]，動態地跟蹤二次供水溫度的變化，實現對二次供水溫度的控制。據此目的設計的串級控制器原理如圖2所示。

圖2 串級控制器原理Fig.2 Principle diagram of the cascade controller

2 換熱站監控系統的設計

此換熱站的二次管網供水溫度串級模糊控制器、循環系統和補水系統的PID工藝環節控制功能的實現是以控制網絡為載體的[2]。系統控制網絡核心選用了基于西門子PLC的Profibus現場總線體系。根據生產過程中的設計要求，集中供熱的換熱站控制系統采用本地和遠程2種監控模式，本地監控主站由西門子S7-300PLC，以及PC機上的WinCC6.0組態軟件和CP5611通信板卡組成，主要完成對本地的監控和生產管理等工作；本地監控從站由西門子S7-1200 PLC，變頻器G150、溫度采集DDMF5-8ADK 8路K分度熱電偶和遠程I/O站ET200組成，作為基礎控制層，主要用于完成對現場的數據采集工作與生產過程中的控制等；遠程監控中心主站由PC機上安裝的WinCC6.0組態軟件和SINAUT MICRO SC（OPC路由軟件）組成，遠程終端站由S7-1200以及安裝的GPRS無線通訊模塊CP1242-7組成，CP1242-7通過 PPI電纜型號為6ES7214-1AE30-0XB0與S7-1200PLC進行數據的發送與接收[4]。將二次供回水溫度和室外溫度輸入到溫度采集模塊DDFM5-8ADK中，室外溫度作為前級控制器的輸入，其輸出的二次供水溫度的設定值和二次供回水溫度作為后級控制器的輸入，輸出則通過遺傳算法PID控制器來追此值。同樣供回水溫差作為循環泵系統的輸入，通過調節變頻器頻率來實現恒溫差控制。將循環泵入口壓力和出口壓力求平均值作為補水系統的輸入[8]，輸出值則通過PID控制器來追此輸入值。其網絡結構如圖3所示。

圖3 換熱站控制網絡結構Fig.3 Control network structure of the heat exchanger station

3 換熱站監控系統軟件設計

3.1 串級控制器的設計

3.1.1 前級模糊控制器構造步驟如下：

1）模糊化輸入、輸出變量。以當地多年的氣象資料為基礎，設定室外溫度e的范圍為［-20，20］，室外溫度變化ec的范圍為［-12，12］，換熱站二次管網供水溫度設定值u的基本論域范圍為［20，70］，e，ec，u各變量均選取7個模糊子集 ｛NB NM NS ZO PS PM PB｝，選取三角形為隸屬度函數曲線。

2）模糊控制規則的確定。結合人工操作的經驗和總結的規律得出如下的規則庫，如表1所示。

表1 e，ec和u的模糊關系規則表Tab.1 Fuzzy relations of the rule table of e，ec and u

3）輸出變量清晰化。模糊控制器的輸出，需要經過反模糊化的處理后才能輸出。去模糊化的方法包括重心法、最大隸屬度法、中位數法等。本設計中模糊控制器的清晰化方法采用重心法。

3.1.2 后級遺傳算法PID控制器優化算法

1）參數的二進制編碼

要先確定KP、KI、KD3個參數的范圍，然后采用二進制編碼并確定編碼長度n。將每個參數進行二進制編碼得出子串，再將得到的子串們連成一個完整的染色體。選擇二進制編碼長度為20。

2）隨機產生初始種群

隨機產生種群的方法適用于對系統問題的解無任何先驗知識的情況。對本文的控制對象無任何先驗知識，因此選用此方法產生初始種群，初始化樣本種群數位是20。

3）適應度函數

適應度函數是個體對環境適應能力大小的表現，由于針對的問題不同，適應度函數定義的方式也會不同。就函數優化的問題，常常選目標函數作為適應度函數。參數優化設計中關鍵要選準性能指標，由于這個指標必須能同時反應系統的動態性能和穩態特性，因此選擇系統的最大超調量和穩態誤差的和的倒數作為適應度函數，即：

4）選擇

進行選擇操作是要從當前群體中選出生命力強的染色體，使它有很大機會保留供繁殖后代使用。判斷染色體優良與否的準則就是各自的適應度值，此值越大，則被選中的機會也會隨之增大。本文是根據系統的超調量和誤差的大小來確定系統的適應度值，按照得到的個體適應度值的大小對其進行排序選擇。

5）交叉

本文選擇的是二進制交叉中的單點交叉，就是說系統會隨機產生一交叉點位置，2個父本個體在交叉點位置左邊的部分進行基因碼互換，形成2個子個體。類似的完成其他個體的交叉操作。交叉操作的頻率是由交叉率的選擇決定的，頻率越高，可更加迅速地收斂到最優希望的最優解區域，因此要選較大的交叉率，但也不可太高，因為可能導致過早收斂，一般取0.4～0.9，本文選擇0.9。

6）變異

對于二進制編碼的個體而言，變異即個體上某一位以一定的變異率發生翻轉，即0變成1，1變成0。變異率的選擇一般受種群的大小和染色體長度等因素影響，通常變異率取很小的值，本文選擇變異概率為0.01。

3.1.3 遺傳算法PID參數優化的實現

1）初始群體的產生。在按經驗法整定的PID控制器3個參數值附近，用均交設計法產生一定規模的初始群體。

2）計算個體適應度值。按照定義的適應度函數來對群體中的每個個體進行適應度計算。

3）進行遺傳操作。進行選擇、交叉和變異操作，產生新的種群。

4）新種群適應度的計算。如果滿足終止條件，那么表示已找到最佳參數，接著進行選擇、交叉以及變異操作。否則回到步驟3），再次進行新的遺傳操作過程，直到滿足終止條件為止。

3.1.4 實驗結果與分析

為了檢測遺傳算法優化PID參數的控制效果，選用單回路PID控制器進行測試，實驗得到的目標函數為

利用傳統經驗參數控制方法與遺傳算法參數優化方法進行對比實驗，取種群大小為60，交叉率Pc為 0.9，變異率 Pm為 0.01，最大迭代數 1000，常規工程整定法得出的PID調節器的參數值Kp=25.1，Ki=3.2 min，Kd=0.58 min。分別得到的溫度響應曲線如圖4和圖5所示。

圖4 經驗法仿真結果Fig.4 Simulation results of the experience method

圖5 經過遺傳算法優化后的仿真結果Fig.5 Simulation results after optimizing by the genetic algorithm

比較圖4和圖5，后者的調節時間t=0.5004 s＜0.8 s，超調量 σ%=26.94%＜30%，由此可知，和傳統的PID控制系統相比基于遺傳算法優化的PID控制系統具有更小的振蕩幅度和更短的振蕩時間，因此利用遺傳算法對PID參數進行優化是一種很有效的優化方法。

3.2 本地監控站Profibus-DP通信的設計

1）與G150的通信。設定G150本身的參數：P0976為 4，P1000為 6，即 P0700為 6，然后 G150由Profibus電纜經過通信模塊連接到DP網上，選擇4PKW，2PZD的數據區，通信報文為PPO1，在OB1中調用SFC14和SFC15，完成對G150數據的讀寫。

2）與S7-1200 CPU1214C的通信。需將CM1242通信模塊的GSD文件安裝于STEP7中，S7-1200中將需進行通信的數據整理后存放于S7-1200的存儲區與S7-300組態CM1242從站時的硬件地址相對應就行。

3）與DDMF5溫度采集模塊的通信。將此溫度模塊的GSD文件安裝于STEP7中，DDMF5會按照字的方式來從Profibus網絡中讀取從PIW0～PIW14代表的8個模擬量輸入通道的數據。

4）與ET200的通信。作為遠程的I/O站，ET200組態時選擇其接口IM153-1并且設定5為站地址，通信速率則選定為1.5 Mb/s，組態的站地址必須保證與IM153-1上面的撥碼開關的站地址是一樣的[8]。然后組態ET200M上的I/O模塊只使用其DI/DO模塊中的SM323DI16來收集系統的開關量信號。

3.3 監控站GPRS通信的設計

在遠程監控中心主站的PC機上安裝WinCC6.0組態軟件SINAUT MICRO SC，PC機通過OPC連接到網絡[7]。在終端站S7-1200上安裝GPRS無線通信模塊SINAUT CP1242-7，并插人SIM卡，然后在S7-1200上安裝GPRS無線通信進行初始化所需要的庫程序，此庫文件可以在SINAUT MICRO SC的CD中找到，庫文件有4個程序塊：WDCINIT，WDC-RECEIVE，WDC-SEND 及 WDC-CONTROL。GPRS無線傳輸的過程：首先使用S7-1200專用的GPRS無線數據通信模塊CP1242-7將從站采集到的現場參數發送到GPRS網絡，接著再發送到INNET上，然后通過端口映射將這些數據發送到SINAUT MICRO SC軟件上，在OPC模式下，SINAUT MICRO SC會將數據傳于WinCC軟件，并給遠程監控終端發送確認信息，在終端，有WDC-RECEIVE子模塊用來接收和確認信息，而且有WDCSEND子模塊來發送確認信息，最后作為OPC的客戶端，WinCC會訪問OPC路由軟件來實現與S7-1200系列PLC之間的數據交換。

4 結語

串級控制算法中的第一級使用模糊控制算法來排除一定的干擾并且減弱參數變化對控制效果帶來的影響，第二級使用遺傳算法，用遺傳算法來對PID控制器的Kp、Ki及Kd3個參數進行優化，運用Matlab軟件仿真之后表明：PID調節器參數經過遺傳算法優化后具有更小的超調量和更快的響應速度，使系統的熱量傳遞效率更高，系統更加可靠；用Profibus-DP總線來實施數據交換，可以提高通信的速率；GPRS無線通信的運用實現了對供熱狀態的動態跟蹤監視及對換熱站現場的運行參數的實時在線監控[5]。系統運行兩年多，一直穩定可靠的運行。串級控制器的設計思路同樣可用于工業鍋爐、中央空調制冷系統等控制系統領域，且在同類系統的設計中有一定的參考價值。

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