基于内模PID控制方法实现热力系统远程监控系统的设计

引 言

集中供暖已经是目前热力系统的必然趋势，但由于技术问题，影响了集中供热优越性的充分发挥。主要反映在：系统运行工况失调难以消除，造成用户冷热不均；供热参数未能在最佳工况下运行，供热量与需热量不匹配；运行数据不全，难以实现量化管理。

搞好城市集中供热，必须要全面提高供热技术水平。一是要提高热力系统的自动化控制水平，另一点就是要提高热力行业的管理水平。供热工程中的自动控制对于保证热力系统的优质供热、安全运行、经济节能、环境保护具有十分重要的作用。

目前，热力系统中的温度、压力等工艺参数由于多种因素，还是控制难题。这里基于普通的PID以及鲁棒性很强的内模PID设计方法实现这些工艺参数的闭环控制；同时，在监控系统的整体设计上充分考虑了企业管控一体化的必然趋势，采用了先进的基于B／S架构的研华WebAccess监控软件。该监控方案可以通过Web浏览器访问生产现场的实时数据，实现了系统的远程监控，远程故障诊断，远程指挥调度，远程设备管理等。最终实现对热力系统的良好控制与监测。

1、Advantech WebAccess

研华WebAccess的整体构架是基于网络的，其基本组成部分有：

（1）工程节点。相当于工程师站，主要的编程、下载、整体调试与修改在这里完成，它有最高权限。同时还提供客户端和监控节点间的初始连接。

（2）监控节点。首先一个间接的数据库服务器，WebAccess支持多种通信协议与自动化设备连接并通信。WebAccess监控节点主要提供管理控制和数据采集（SCADA）功能，包括趋势记录实时数据、报表、排程、报警和报警记录及运行记录等。

（3）客户端。实际上是一种人机界面（HMI）的插件，它提供实时的数据显示、动画、趋势、报警和报告等功能。WebAccess客户端使用TCP／IP协议通过因特网或局域网和监控节点连接，而且允许线上管理员更改点值，确认警报和实时控制。

（4）瘦客户端PDA。WebAccess的瘦客户端可以运行在嵌入式平台上，其实是扩大了监控功能。工作人员如果有权限就通过PDA手机及手提电脑都可以随时了解和控制工程现场的状况。

此外WebAccess可以通过网络实现远程建构、修改图形及数据库。同时提供了与AutoCAD相容的矢量绘图方式，节省了存储空间，还可直接导人AutoCAD的DxF文件，提高了绘图速度。

2、热力系统优化控制

2．1 热力系统的工作原理

通过一次网供水管道进入换热器，经过热交换后，再经一次网回水管道流回热源。而二次网的水在热交换后经二次网供水管道进入取暖用户的散热器，用户取得热量后，经二次网回水管道再进入热交换器，如此循环给用户供暖。其中温度、压力是热力系统的主要被控工艺参数，实现其优化控制具有重要意义。如图1所示。

2．2 补水控制

系统内热水的水压为P，将压力变送器安装在二次网回水主管道上，管网上压力的变化经压力变送器送到控制器的输入端。压力的给定值设置为P0，当供热系统的压力低于P0时，变频器的输出频率上升开始补水；达到P0时，反馈信号与给定信号基本相等，变频器输出频率下降停止补水，从而实现了自动补水功能。如图2所示。

2．3 温度控制

温度是工业对象中最主要的被控参数之一，而供暖过程中又存在许多干扰，如环境温度变化、输热管散热等，传统的PID控制器很难对温度进行良好的控制。内模PID控制器与传统PID控制器相比包含了整个过程的模型信息，同时可以利用解析的方法进行控制器的设计，而且内模PID控制器又具有很强的鲁棒性、跟踪调节性、抗干扰性。所以对控制热力系统有很大优势。如图3所示，系统反馈信号是二次侧供、回水温差F和外界扰动Fw，温差给定值为R。当F+F叫大于F0时，循环泵加，使循环水流量增加；当F+Fw=Fn时变频器没动作；当F+Fw小于F0时，循环泵减速使循环水流量减少（循环水的流量与用户所得热量成正向关系）。

3、热力监控系统的设计

3．1 热力监控系统网络架构

本系统的网络结构分为三层，包括管理层、现场控制层、现场设备层。

首先现场设备层包括仪表、传感器、执行器等，它们通过总线或串口与PLC进行通信完成数据交换。是控制系统的最底一层。

现场控制层包括PLC、工控机、网络摄像机等，它们之间是通过局域网进行相互通信的，完成监控、编程、下载、打印等功能。是控制系统的中间一层。

管理层主要包括监控主机，它们是通过Internet对各个换热站进行全面的监控。并以此作为决策的一个重要依据。同时在这层还可以连接很多客户端、瘦客户端PDA，如果有权限，可以随时随地对系统进行监控，解决了地域与时间的限制，方便了管理。具体如图4所示。

3．2 监控系统软件设计

3．2．1 下位机PLC控制程序的设计

Step7是西门子PLC的编程软件，该系统选择梯形图的编程方式进行程序的编写，应用内模PID控制算法。

3．2．2 上位机“研华webAccess”设计

设计步骤如下：

（1）建立热力监控系统的工程项目，并为工程节点和监控节点设置合适的IP地址，选择TCP／1P方式与西门子PLC通信；

（2）设计热力系统的登陆画面、主画面、PID控制站画面、报警群组画面、实时趋势画面、历史趋势画面、报表等；

（3）完成各个工作画面所需要的监控点的链接；

（4）利用脚本语言完成画面的切换与动画的实现；

（5）保存设计文件，通过网络下载到监控节点，然后就可以进入监控状态。再通过调试、修改程序，直到完善整个工程。

4、热力监控系统的实现

当整个系统的配置完成后，启动工程核心程序和监控，进入热力监控系统的登陆界面，如图5所示。

进入登陆画面后，输入管理员名称和密码进入热力系统主画面，主画面的菜单包含了系统的所有的功能，可以切换到其他任何监控画面，非常人性化。如图6所示。

5、结 语

这里基于内模PID控制方法设计了热力系统中二次网的温度、压力的基础级回路的控制器。实现了热力系统重要工艺参数的闭环控制；同时基于“研华webAccess”软件把各个节点及自控设备连接起来构成一个完整的、网络化的监控体系，实现了热力系统的远程监控。其基于网络的优势使其在未来工业监控领域有较高的推广价值和广阔的发展前景。

这里把先进的内模PID控制算法应用于热力系统，同时设计了基于网络的实时监控系统，首次尝试网络摄像机的使用。

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