齐晓军，田海

（1.包头钢铁职业技术学院自动化系，内蒙古包头014010；2.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010）

串级模糊控制器在换热站监控系统中的设计

齐晓军1，田海2

（1.包头钢铁职业技术学院自动化系，内蒙古包头014010；2.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010）

在某换热站的改造中，设计了由有线和无线网络相结合的控制网络监控系统，该系统包含基于Pro⁃fibus现场总线的本地监控站、GPRS无线通讯网络及远程监控中心站。同时，针对当前控制策略在换热站二次管网供水温度设定值的获取和跟踪方法的不足，设计了一种基于PLC实现的由模糊控制器和模糊参数自整定PID控制器串联组成的智能型控制器。该智能型控制网络监控系统的设计使系统的可靠性、实时性、自动化控制和管理水平等得到了全面的提升。

换热站；控制网络；二次管网供水温度；智能型控制器；监控系统

1 引言

我国冬季北方地区采暖的供热方式早期主要是采用分散的、独立的燃煤锅炉供热方式，该方式能源浪费严重，燃煤污染和噪音污染对城市居民造成严重影响，自动化控制和管理水平普遍不高，总体效率低下。因此，在有条件的地区，传统的燃煤锅炉房供暖方式逐渐被城市集中供热系统取代［1］。目前，如何合理调节城市集中供热系统的各项运行参数，利用先进通讯手段对系统的重要热能参数进行实时监控和调度，提升自动化控制品质和管理水平，提高供热管网的供热效率，最大限度地节约能源，给用户提供优质的热能服务成为集中供热领域越来越关注的焦点问题［2］。

某小区居民供热原来采用独立的燃煤锅炉系统，随着城市集中供热系统的整体发展计划的推进，原来的燃煤锅炉房需要改建成为集中供热系统中的一个下级换热站［3-4］。在该换热站监控系统的设计中，搭建了基于Profibus现场总线的本地监控站，就地完成换热站系统所有热能参数的监视、归档和分析以及各种热能工艺环节的自动控制。为便于集中供热系统中对换热站的运行状态进行监控，合理对热能资源进行优化调度和提升自动化管理水平，在远程集中供热中心设立远程监控中心站，鉴于本地监控站距远程监控中心站较远，采用有线通讯方式在城市内部难以施工且成本过高，在保证数据可靠性和实时性的前提下，两站之间采用GPRS无线通讯技术。在换热站二次管网供水温度设定值的获取和跟踪的控制策略上，构造了由模糊控制器和模糊参数自整定PID控制器串联组成的串级模糊控制器来实现。该串级模糊控制器使系统获取换热站二次管网供水温度设定值的实时性和准确度大为提高，使系统对二次管网供水温度设定值跟踪的动态品质更加优良，完善和提高了系统的控制性能，具有较高的工程应用价值［5-6］。

2 系统工艺及控制策略

该换热站控制系统工艺图如图1所示。

集中供热系统一般是指集中式热源厂或热电厂将生产的高温蒸汽在换热站的汽-水换热器中形成高温热水，然后再将高温热水送入下级分散换热站水-水热交换器的一次管网，再通过水-水热交换器二次管网的循环泵系统将热水送至热能用户。二次管网系统的水量流失，由二次管网补水系统的补水泵在循环泵入口处进行补水。

以往换热站二次管网供水温度设定值的获取方法主要采取温度调节法和温度补偿曲线法。温度调节法是指在稳定条件下，首先将换热站二次管网的热能用户等效为散热器，并根据供热系统的供热量、散热系统的散热量以及热能用户的耗热量三者之间函数关系，从而获得换热站二次管网供水温度与室外、室内温度的函数关系。然后在该函数关系中假定室内温度不变（一般为18℃左右，用户适宜的温度）及二次管网供水温度近似为设定值，再根据热网所处地区规律性的气象变化条件以及实际的供热参数，对函数关系进一步的修正和拟合，最终确定出适合具体工况条件下的二次管网供水温度设定值和室外温度的关系曲线。该方法的缺点是，虽然有较严密的理论基础，但是在对曲线拟合和修正的过程中往往会产生较大误差；其次，不能将极度变化的气象条件等不确定性因素对温度设定值的扰动影响考虑进去，控制效果不好。温度补偿曲线法是直接根据本地的气象条件和供热对象的特性参数，预先由设计人员设定和修正出换热站二次管网供水温度设定值和室外温度的函数关系曲线。控制时根据实际测量的室外温度，对应固定的关系曲线找到二次管网供水温度设定值。该方法的不足是，只表示单一的二次管网供水温度设定值和室外温度的一般经验对应关系，没有反映出室外温度变化对温度设定值的影响，控制效果也不理想。以上两种获取方法的共同缺点是没有充分考虑到换热站二次管网供水温度设定值本质上是一个不确定的、随机的模糊变量，用常规的数学模型或函数关系很难精确表达。

以往换热站在二次管网供水温度设定值的动态跟踪方法，采取传统的PID控制器。将二次管网供水温度设定值与实际测量的温度反馈值进行比较，PID控制器的输出量用来调节一次管网供水阀开度，通过调节一次管网的流量（改变系统的供热量）来跟踪二次管网供水温度的设定值。该方法的主要缺点是没有考虑到被控对象的时变性和随机性较强，很难建立精确的数学模型，常规的控制算法动态跟踪控制效果不佳。

本设计对集中供热系统中的下级换热站二次管网供水温度设定值的获取方法和动态跟踪方法进行了改进。鉴于模糊控制对不确定的、非线性的模糊变量控制方面的优良特性，构造了由模糊控制器和模糊参数自整定PID控制器串联组成的串级模糊控制器。前级模糊控制器的两个输入值分别为室外温度和室外温度在一定时间内的变化值，其输出为换热站二次管网供水温度设定值。由前级模糊控制器获得的换热站二次管网供水温度设定值和实际采集的二次管网供水温度实际值，两者之差e和差值的变化率ec作为后级模糊参数自整定PID控制器的两个输入，其输出值为换热站一次管网供水阀开度的调节量，通过调节一次管网的流量，改变上级系统的供热量来动态跟踪二次管网供水温度的设定值。

集中供热系统是一个综合复杂的系统工程，涉及和关联的问题较多，本设计控制策略主要对换热站二次管网供水温度设定值的获取方法和闭环动态跟踪方法进行了改进，属于集中供热系统的核心技术问题。换热站内与之相关联的另外两个重要工艺环节是循环系统和补水系统。二次管网循环系统的作用就是能及时地将换热站交换到二次管网的热量通过循环泵传递给热能用户。通过串级模糊控制器的调节作用已经使二次管网的供水温度稳定在设定值温度，若二次管网供、回水温差增大表示热能用户对热量消耗较大，需要循环泵系统多投入功率及时地将更多的热量输送给用户；反之，说明二次管网系统中的热量散失较少，需要循环泵系统减小功率投入以避免不必要的能源浪费。设定一个合理的二次管网系统供、回水温差，既可以保证热能用户得到满意的温度，又可以达到节能降耗的目的［7］。所以二次管网循环系统采用二次管网供、回水恒温差变频PID控制策略；二次管网补水系统采用目前较先进和成熟的恒压变频PID控制策略［8］。

3 系统控制网络结构和配置

该换热站二次管网供水温度串级模糊控制器以及循环、补水PID工艺环节控制功能的实现是以控制网络为载体的。在对目前工控市场各种主流控制网络系统从可靠性、实时性、安全性、开发性、互联互操作性等方面进行综合评价后，最终系统控制网络核心选择了基于西门子PLC的Profibus现场总线体系。整个系统主要包括本地监控系统、GPRS无线通信网络和无线远程监控中心，系统控制网络结构图如图2所示。

1）本地监控系统。本地监控系统由主站和从站组成，主站通过Profibus-DP总线与从站通信。1类主站采用西门子S7-300系列PLC的CPU315-2DP，2类主站的PC机上安装西门子编程软件STEP7V5.4+WinCC组态软件以及CP5611通信板卡。主站完成整个系统的数据实时组态、功能设定、数据归档、打印报表、内容查询、故障判断和报警等功能。本地监控系统从站包括4类。第1类从站是由S7-200CPU226+ EM235+EM227模块组成，为提高控制的实时性，二次管网供水温度设定值串级模糊控制器在S7-200CPU226中直接构造。在S7-200CPU 226PLC上安装GPRS无线通讯模块SINAUT MD 720-3（西门子用于S7-200PLC的专用无线GPRS模块），MD720-3模块通过PPI电缆（订货号：6ES7901-3CB30-0XA099）与S7-200CPU226进行数据的发送和接收。PLC扩展的EM235模拟量I/O模块直接输出串级模糊控制器的一次管网供水阀开度指令；采集循环泵出口压力和入口压力（求平均值作为变频恒压补水PID控制器的反馈值）［9］。S7-200CPU226PLC通过Profibus-DP从站EM227模块接入Profibus现场总线。第2类从站是由带Profibus-DP接口的温度采集模块DDMF5-8ADK组成，采集和预处理二次管网的供水温度、回水温度和室外温度，其中，二次管网的供水温度和室外温度用于串级模糊控制器的计算，二次管网的供水温度和回水温度的差值作为二次管网循环泵变频系统恒温差PID控制器的反馈量。第3类从站由配置Profibus-DP通讯板卡的西门子M440变频器组成，用于二次管网循环泵变频系统和补水泵变频系统电气驱动装置的控制。第4类从站由远程I/O站ET200M+IM153-1组成，主要面对现场连接不带Profibus-DP接口的设备和控制信号。

2）GPRS无线通信网络。当前工控领域，用于PLC远程无线通信的主要方法有数传电台、GPRS和无线以太网。数传电台方式通信采用专用的超短波数据信道，属于专用数据网络，数据传输安全性高、组网灵活、构建成本较低，但主要缺点是信号容易受到地形和高层建筑物的影响，不宜在城市内部采用，网络信号覆盖范围较小。无线以太网方法的好处是数据通信的网速快、实时性好、准确率高，但致命的缺点是网络信号覆盖范围较小，一般小于1 km。GPRS方式采用全球移动通讯系统的数据通信技术，充分利用公网资源，可为网络信号覆盖范围内的用户提供广泛的数据服务，具有信号覆盖范围广、持久性强、性价比高、技术支持成熟等优点，不足之处是在安全性和实时性要求较高的无线通讯场合不宜采用。由于本远程监控中心站主要对下级分散换热站的工艺参数进行监视、归档和调度工作，对数据通信实时性的要求不高。经综合对比，本系统采用GPRS无线通讯方式。为增强数据经过公网的安全性，远程监控中心站PC机通过集中供热中心内部局域网的防火墙设备再连接到Internet公网。

3）无线远程监控中心。在集中供热中心内部局域网内的PC机上安装WinCC7.0组态软件和SINAUT MICRO SC（OPC路由软件），PC机通过内部局域网的防火墙连接到Internet公网，SINAUT MICRO SC路由软件实现数据在GPRS网络与Internet公网之间的路由功能。西门子WinCC7.0监控组态软件作为OPC客户端，直接可以访问路由集成到Internet公网的系统工艺数据，通过对外部变量进行画面连接组态，在远程监控中心PC机中可以实现对换热站工艺参数的实时监控和调度管理等任务。

4 系统工艺环节功能的实现

鉴于模糊控制在对时变的、不确定的、非线性的模糊变量控制方面的优良品质，在二次管网供水温度设定值的获取方法和动态跟踪方法上引入了模糊控制策略，采用模糊控制器与模糊PID控制器相结合的方法，构造了串级模糊控制器。前级控制器是模糊控制器，由温度采集模块采集室外温度和一段时间内室外温度的变化作为前级模糊控制器的输入，输出是二次管网供水温度的设定值，此设定值作为后级控制器的输入，通过构造模糊控制器来获取二次管网的温度给定值较温度调节法和温度补偿曲线法，干扰和气象参数急剧变化对控制效果的影响将会被大大减弱，具有更好的实时性和动态特性；后级控制器是模糊PID控制器，模糊PID控制器用来控制一次管网供水阀的开度，通过调节一次管网的流量使得二次供水温度稳定在温度设定值上。模糊PID控制器由常规PID和模糊推理参数校正两部分组成，由前级模糊控制器获得的二次供水温度的设定值和由温度采集模块采集的二次供水温度实际值，两者之差e和差值变化率ec作为模糊PID控制器的输入，利用模糊推理对PID的3个参数KP，KI和KD进行实时校正，PID的实时输出量通过调节一次管网供水阀的开度，动态地跟踪二次供水温度的设定值，最终实现通过调节一次管网供水流量使得平板式换热器二次管网的温度稳定在设定值上。换热站二次管网供水温度设定值串级模糊控制器原理框图如图3所示。

4.1 串级模糊控制器构造

串级模糊控制器中的前级模糊控制器构造步骤如下：1）模糊化输入、输出变量。以当地多年的气象资料为基础，设定室外温度e的基本论域范围为［-20，20］，室外温度变化ec的基本论域范围［-12，12］，换热站二次管网供水温度设定值u的基本论域范围为［20，70］，e，ec，u各变量均选取7个模糊子集{NB NM NS ZO PS PM PB}，选取三角形为隶属度函数曲线。2）模糊控制规则的获取。模糊规则是模糊控制器的灵魂，它包含模糊的、丰富的人的经验判断，决定控制性能的优劣，通过长期观测再结合人工操作经验，最终给出的模糊控制规则如表1所示。3）输出变量的清晰化。模糊控制器的输出，需要经过反模糊化的处理后才能输出。去模糊化的方法包括重心法、最大隶属度法、中位数法等。本设计中模糊控制器的清晰化方法采用重心法。

后级模糊PID控制器的构造步骤与前级模糊控制器的方法相似，在此不再作具体的论述。

4.2 串级模糊控制器的PLC实现

为提高控制的实时性和可靠性，在串级模糊控制器的具体实现方法上，直接利用Profibus-DP控制网络上的PLC（S7-200CPU226）来实现控制器的功能。为了解决PLC计算能力偏弱的问题，减轻PLC用于串级模糊控制算法的编程量，加强系统控制的实时性，先借助于Matlab软件直接获取前、后级模糊控制查询表（模糊控制的输出结果），事先将该表存于S7-200CPU226 PLC的变量寄存器V中［10］。控制中PLC根据各自模糊控制器的实时输入值，直接查表获得两级模糊控制器的输出值。以后级模糊PID控制器为例，S7-200CPU226将实时的二次管网温度设定值（前级模糊控制器查表结果）与实际温度测量值的差值e和差值变化ec，输入到后级模糊PID控制器，S7-200CPU226再通过查表子程序在模糊控制查询表中获得KP，KI，KD3个实时动态调节所需参数，通过PID（PID控制器采用S7-200CPU226内的软件PID模块）控制去调节阀门的开度。查询表通过Matlab软件的实现过程如下：首先在Fuzzy Logic Toolbox中的FIS编辑器界面下选择模糊逻辑推理类型为Mamdani，选择聚类输出类型Aggregation为Sum、模糊与策略类型And为Min模糊算子、蕴涵类型Implication项为Plod，反模糊化类型Defuzzification设置为重心法Centroid；然后在隶属度函数编辑器界面下确定每个模糊变量的论域和隶属度函数；最后在Rule Editor界面中输入相应的模糊控制规则。到此在曲面观测器中可以得到模糊推理结果为一个输出曲面，该输出曲面虽然是模糊控制输出结果，由于是图形不能被PLC直接读取，必须通过Evalfis函数转换工具将其转换为模糊控制查询表。

4.3 二次管网循环、补水系统的PLC实现

1）为增强系统的可靠性和实时性，二次管网供、回水恒温差变频PID控制器采用从站S7-200CPU226 PLC内的软件PID模块实现，二次管网供、回水目标给定温差可以在PID模块内直接设定，二次管网供、回水反馈温差由温度采集模块DDMF5-8ADK采集二次管网的供水温度、回水温度在S7-200CPU226 PLC内做差求得，PID控制器输出作为循环变频泵的变频运行调节信号，并通过S7-200CPU226 PLC完成3台循环泵的逻辑控制，为防止长时间不启动的泵发生锈死现象，平衡3台循环泵的使用概率，逻辑控制采用先启先停的大循环控制策略和定时换泵的方法。

2）二次管网补水系统采用的恒压变频PID控制器通过S7-200CPU226 PLC内的PID模块实现，补水泵有2台，一备一用。补水泵与二次管网的接入点（补水点）选择在循环泵的入口处。由于循环泵启动后泵的吸力作用，在整个二次管网系统中循环泵组出口处压力最高、入口处压力最低，所以在3台循环泵入口处补水可以降低补水泵的实际投入功率，节能效果明显。正常工作时，由于3循环泵处在台数投切和转速变频动态调节过程中，造成3台循环泵出口和入口的压力也在变化中，压力反馈信号采集一点的信号不能代表二次管网系统的平均压力，所以采用由PLC扩展的EM235模拟量I/O模块分别采集循环泵组系统出口压力和入口压力，在PLC内求平均值（近似为二次管网系统平均反馈压力）作为变频恒压补水PID控制器的反馈值，压力目标给定值（二次管网系统平均给定压力）在PID模块内通过软件直接设定，PID模块的输出作为补水泵的变频运行给定信号。

4.4 仿真实验及实际运行效果

通过仿真实验验证串级模糊控制器控制的有效性。以后级模糊参数自整定PID控制器为例，借助于Matlab仿真软件中的Fuzzy Logic Toolbox与Simulink软件对传统PID控制器和模糊参数自整定PID控制器进行对比仿真实验。在建立被控对象相同数学模型的基础上，传统PID控制器的KP，KI，KD参数及模糊参数自整定PID控制器的KP，KI，KD的初始值采用经典的稳定边界法进行整定。在阶跃信号的作用下，得出传统PID控制器的仿真波形如图4a所示，模糊参数自整定PID控制器仿真波形如图4b所示。

图4a和图4b对比仿真实验结果表明，模糊参数自整定PID控制器比较传统PID控制器，系统的超调量显著减少，动态调节速度加快，明显优于传统PID控制器。

换热站二次管网温度串级模糊控制器及相关联的循环泵恒温差变频PID控制器和补水泵恒压变频PID控制器的投入使用，使系统的运行效果较改造前有了较大的改善。

用户室温是评价系统运行效果的首要指标。当地采暖期是从当年的10月15日到来年的4月15日（按182天计算），本系统要求用户室温控制指标在18～22℃。由于采用二次管网温度串级模糊控制器，实测的用户室温在一个采暖期的达标天数从改造前的平均126 d提高到178 d。

系统改造前、后，3台×75 kW循环泵和2台×7.5 kW补水泵的功率配置不变。改造前循环泵和补水泵均采用人工判断投切、工频开环运行，电能浪费严重。改造后循环和补水系统由于采用变频PID控制策略，据统计每个采暖期较改造前平均节电98 500 kW·h，节电率15.6%，节能降耗效果明显。统计数据表明，采暖区居民对采暖综合满意度由改造前的平均63.7%上升到改造后的92.6%。

5 结论

本次改造项目对换热站二次管网供水温度给定值的获取方法和动态跟踪方法进行了改进和提高。同时，设计了无线和有线相结合的控制网络系统［11］，本地监控站实现对换热站系统所有热能参数的监控以及各种热能工艺环节的自动控制，在远程监控中心站可以对换热站的运行状态进行监视和调度管理，满足远程集中供热中心管控一体的任务需要［12］。系统投入运行1 a以来，稳定可靠。本设计在集中供热系统、采暖锅炉系统及集中空调系统等领域具有广泛的工程应用前景。

［1］周守军，张冠敏，薛爱军.集中供热换热站在线监控系统［J］.山东大学学报，2008，38（4）：93-96.

［2］臧洪泉，李晓恭.分阶段改变流量的质调节水温调节曲线的绘制［J］.煤气与热力，2008，6（28）：18-20.

［3］梁涛，马爱龙，孙鹤旭，等.具有GPRS远程通讯的换热站自动控制系统研究设计［J］.电气传动，2008，38（7）：69-72.

［4］王海燕，杨平，王志萍.基于GRRS技术的电能质量在线监测系统［J］.低压电器，2010（19）：30-33.

［5］崔维涛.换热站监控系统开发与智能控制的研究［D］.大连：大连理工大学，2007.

［6］万力.基于无线通讯技术的路灯监控系统设计［J］.低压电器，2010（11）：22-25.

［7］田海，何继宝，吴振奎，等.PLC控制的变频调速系统在锅炉循环、补水系统的应用［J］.包头钢铁学院报，2003，22（2）：167-171.

［8］田海，崔桂梅，王晓红，等.西门子PLC控制网络的配置策略与应用［J］.电气传动，2010，40（1）：76-80.

［9］蔡行健，黄文玉，李娟.深入浅出西门子S7-200PLC［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［10］石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.北京：清华大学出版，2008.

［11］吉涛，荆学东.PLC网络的无线通讯方式研究［J］.计算机测量与控制，2009，17（7）：1407-1409.

［12］刘锴，周海.深入浅出西门子S7-300PLC［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

Design of the Cascade Fuzzy Controller in a Heat Exchange Station Monitoring System

QI Xiao⁃jun1，TIAN Hai2
（1.Department of Automation，Baotou Iron and Steel Vocational Technical College，Baotou 014010，Nei Monggol，China；2.Information Engineering College，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Nei Monggol，China）

During the renovation of a heat exchange station，a control network monitoring system which is combined with the wired and wireless networks was designed.The system included a local monitoring station based on Profibus，a GPRS wireless communication network and a remote monitoring center station.At the same time，in view of deficiencies of the current control strategies for the water supply temperature acquisition and tracking of the secondary pipe network of heat exchange station，an intelligent controller based on PLC realization was designed，which is formed by series connection of fuzzy controller and fuzzy self⁃tuning PID controller.Because of the design of the intelligent control network monitoring system，the reliability，the real⁃time performance，and the management level of the automatic control has been promoted comprehensively.

heat exchange station；control network；supply water temperature of the secondary pipe network；intelligent controller；monitoring system

TP273

A

2014-02-23

修改稿日期：2014-07-18

内蒙古自然科学基金（2013MS0921）

齐晓军（1970-），女，硕士，讲师，Emai：13171281137@163.com