CN103453580A - 换热站综合智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热站综合智能控制方法，包括二次供、回水温度专家控制单元和换热站多变量耦合模糊控制单元。在换热站运行过程中，根据现有的气象数据和热力实时数据库，得到不同时间段与室外温度相对应的二次供、回水平均温度值和二次供、回水温度设定值。针对二次侧供、回水温度，二次水流量，一次水流量间的多变量耦合关系，设计了多变量耦合模糊智能控制单元。该控制系统的专家自学习算法、专家控制算法和模糊控制算法均在在优化控系统层完成，并通过监控系统或可直接将数据传送给PLC层实现。该方法实现换热站供热效果质、量调节的变流量调节，满足用户的需求，同时实现节能减排的目的。

Description

换热站综合智能控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度、压力、流量的换热站综合智能控制方法，用于换热站的综合控制，使得换热站控制过程中既节能又满足用户需求。 

背景技术

换热站的控制是整个集中供热系统中的重要环节。在换热站供热过程中，一次侧水流量和二次侧水流量的控制又显得尤为重要。由于一次侧水流量直接关系到二次侧的供水温度，二次侧水流量直接关系到二次侧的回水温度，而二次供回水的平均温度反映了热用户的室内温度。满足热用户的室内温度，实现按需供热，均匀供热，一直以来是换热站控制的研究重心。 

在国外，尤其是北欧国家，主要采用变流量控制方式，根据最末端供回水压差控制泵的转速，使该压差能维持于要求的数值。各热用户可自动调节流量，满足各自的用热要求，保证了供热系统的可靠、节能运行，提高了运行效率和降低了运行成本。 

目前，在国内供热系统中，仍采用换热站单独控制和固定各换热站流量两种控制方式。在大部分供热系统中，采取根据室外温度，调节一次侧电动调节阀，改变二次供水温度，这样热用户只能被动用热，不能自主调温。同时，频繁改变电动调节阀的开度，会造成热网失衡。 

发明内容

针对现有技术存在的问题，为了解决频繁改变电动调节阀的开度引起的热网失衡问题，本发明提出了一种换热站智能综合控制方法，该方法包括二次供、回水温度设定专家自适应控制和换热站多变量耦合模糊控制，通过该方法实现换热站的综合控制，有效地解决了时间滞后的问题，以按需供热为目的，减少因调节一次电动调节阀引起的热网失衡，实现换热站的变流量调节。 

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现： 

一种换热站综合智能控制方法，具体内容如下： 

1）在换热站运行过程中，根据现有的气象数据和热力实时数据库，建立专家数据库，得到不同时间段与室外温度相对应的二次供、回水平均温度值和二次供、回水温度设定值； 

2）为保证专家知识的更新收敛速度和稳定性，采用自学习算法以适应室外温度、二次供水温度、二次回水温度的变化，根据测得的二次供、回水温度进行自学习，逐步完善专家数据库； 

3）针对二次供、回水温度，二次水流量，一次水流量间的多变量耦合关系，建立模糊智能控制单元，在不频繁调节一次侧水流量和实现二次侧变流量调节的原则下，通过模糊控制算法进行换热站一次侧电动调节阀和二次侧循环水泵的调节，实现换热站的质、量调节相结合，满足室内用户的需求。 

4）针对换热站二次侧必须保证一定的供回水压差的问题，对二次供、回水压差进行串级控制，同时采用变频调速系统控制循环水泵的转速，实现二次侧水流量的控制。 

实现所述换热站综合智能控制方法的控制结构，换热站综合智能控制结构包括PLC层、监控层和优化控制层；所述的PLC层接收现场的数据信息，并将接收的数据信息进行滤波处理，滤波处理后的数据信息传输给监控层和优化控制层； 

所述的监控层用于实现数据的显示、报警和报表记录，并与PLC层和优化控制层相互通讯； 

所述的优化控制层包括多变量耦合模糊控制单元、二次供、回水专家控制单元以自学习单元；优化控制层完成多变量耦合模糊控制、专家规则自学习功能、重要参数调整和录入、专家数据备份等重要功能；优化控制层利用检测的数据信息，利用自学习算法周期性修正专家数据库，将修正的数据信息传递给二次供、回水专家控制单元；经专家控制单元得出这一时间段内与其室外温度对应的二次供、回水温度的设定值，并将二次供、回水温度设定值传递给多变量耦合模糊控制单元；多变量耦合模糊控制单元通过模糊算法控制运算得到的数据信息经过信息更新后将专家知识备份，可直接传递给PLC层，或下载到上位机监控，最终传递给PLC层； 

最终PLC层根据优化控制层的指令，输出数据信息分别给电动调节阀、变频循环水泵和变频补水泵。 

与现有技术相比，本发明的优点是：采用专家控制得到二次供、回水温度的设定值，有效的解决了时间滞后这一问题；设计换热站多变量耦合的模糊控制器，解决换热站多变量耦合问题，使得换热站质、量调节相结合；以按需供热为目的，减少因调节一次电动调节阀引起的热网失衡，实现换热站的变流量调节；采用变频调速应用于循环水泵的调节，达到节能减排的目的；适用性、可移植性强，该换热站综合智能控制方法可应用于不同换 热站。 

附图说明

图1是换热站综合智能控制结构图。 

图2是换热站综合智能控制数据传输图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体技术方案作进一步详细描述。 

本发明涉及一种换热站综合智能控制方法，包括二次供、回水温度专家控制单元和换热站多变量耦合模糊控制单元。在换热站运行过程中，根据现有的气象数据和热力实时数据库，得到不同时间段与室外温度相对应的二次供、回水平均温度值和二次供、回水温度设定值。针对二次侧供、回水温度，二次水流量，一次水流量间的多变量耦合关系，设计了多变量耦合模糊智能控制单元。 

该控制系统的专家自学习算法、专家控制算法和模糊控制算法均在在优化控制层完成，并通过监控系统或可直接将数据传送给PLC层实现，根据不同时间段内室外温度不同，专家控制算法提供与其相对应的二次侧供水温度和二次回水温度设定值。根据设定值，通过模糊控制算法进行换热站一次侧电动调节阀和二次侧循环水泵的调节，实现换热站供热效果质、量调节的变流量调节，满足用户的需求，同时实现节能减排的目的。 

一种换热站综合智能控制方法，具体实施例内容如下： 

1）把供暖期间一天分解成六个时间段，根据现有的气象业务数据和热力实时数据库，建立专家数据库，得到不同时间段与室外温度相对应的二次供回水平均温度值和二次供、回水温度设定值； 

2）为保证专家知识的更新收敛速度和稳定性，采用自学习算法以适应室外温度、二次供水温度、二次回水温度的变化； 

3）针对二次侧供、回水温度，二次水流量，一次水流量间的多变量耦合关系，建立模糊智能控制单元，在不频繁调节一次侧水流量和实现二次侧变流量调节的理念下，实现二次供水温度和二次回水温度的调节； 

4）针对换热站二次侧必须保证一定的供回水压差的问题，对二次供回水压差进行串级控制，同时采用变频调速系统控制循环水泵的转速，实现二次侧水流量的控制，达到节能减排的目的。 

1、理论依据： 

通过对换热站工艺的了解，一次供回水温度、二次供回水温度、一次供回水压力、二次供回水压力、一次侧水流量、二次侧水流量、室外温度、补水流量等均是换热站控制的重要因素。 

按需供热是换热站调节的重要指标，在供暖期间，应始终保持室内温度达到18℃。由于二次供回水的平均温度可以间接反映用户的室内温度，因此对二次供水温度和二次回水温度的调节是换热站按需供热调节的关键。 

换热站控制的执行机构分别为一次侧电动调节阀，二次侧循环水泵和二次侧补水泵。当执行机构发生动作时，换热站的一些重要变量也会发生相应改变，具体分析如下： 

1）改变一次侧电动调节阀 

改变一次侧电动调节阀的开度，改变一次侧水流量，从而改变通过换热器的水流量。在不改变二次侧水流量的情况下，可以使得二次侧供水温度值发生变化，当二次供水温度变化的同时，二次回水温度也会发生变化。改变一次侧电动调节阀的开度可以改变二次供水温度，对二次网实现质调节。但频繁调节电动调节阀的开度，会造成失衡，不宜采用。 

2）改变二次侧循环水泵的转速 

当一次调节阀开度不变的情况下，改变循环水泵转速，改变二次侧水流量，从而改变二次回水温度，实现流量的量调节。当二次水流量发生变化的同时，二次供水温度也会发生变化。在循环水泵的控制问题上，必须考虑到循环水泵必须满足二次供回水最不利点压差值。 

综上所述，换热站是一个多变量耦合、大滞后、非线性的系统。 

鉴于此，本发明提出二次供、回水温度专家控制、换热站多变量耦合模糊智能控制、换热站变频调速控制的设计，解决上述问题是比较合理的。 

2、二次供、回水温度设定自适应专家控制单元控制原理 

专家控制是具有大量专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决需要人类专家才能处理的复杂问题。专家控制的核心是包含的专家经验和知识，因此专家控制是一种基于知识的系统。在现实应用中，初步应用和外界因素复杂时无法获取完整的专家知识，因此要求专家控制具有自学习能力，能够不断进行自学和完善系统，并保证学习收敛速度。 

基于上述原理，首先根据专家经验建立数据库，即把供暖期间一天分解成六个时间段， 根据现有的气象数据和热力实时数据库，建立专家数据库，根据一个时间段内室外温度的均值确定不同的专家规则。滞后时间到以后，根据测得的二次供、回水温度进行自学习，逐步完善专家数据库。 

因此，该专家自学习控制单元能够实现二次供、回水温度的实时控制。在整个的控制过程中没有依赖数学模型，而是根据专家经验得到的数据库进行控制，有效的避免了一次侧水流量、二次侧水流量等对二次供回水温度值的影响，克服了时间滞后这一难点问题，大大提高了控制精度。 

3、换热站多变量耦合模糊控制单元控制原理 

模糊控制是以模糊数学理论，即模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理等作为理论基础，以传感技术、计算机技术和自动控制理论作为技术基础的一种新型自动控制理论和控制方法。模糊控制是一种经过改造后的自动控制方法，而且还是一种智能自动控制方法。它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的、闭环结构的数字控制方法。它的组成核心是具有智能功能的模糊控制器，这也是它与传统自动控制的根本区别之处。 

基于上述原理，首先根据换热站工艺，进行模糊控制器的合理设计。当室外温度发生变化，二次供、回水温度的设定值也会发生变化。是调节电动调节阀控制，是改变循环水泵转速控制，还是综合协调控制，需要设计合理的模糊控制规则，实现换热站的控制。频繁调节一次电动调节阀，改变二次供水温度的方法，会造成热网失衡，因此在模糊规则设计中，二次供水温度在其设定值上下一定范围内，采用调节电动调节阀的质调节控制，同时调节二次循环水泵的转速进行换热站的量调节控制，满足热用户需求。 

由于二次侧供回水压差控制循环泵，需满足最不利点压差。在换热站量调节上，采用变频调速技术应用于二次侧循环水泵的控制。通过简单的PID调节实现循环水泵的调节。 

4、换热站综合智能控制设备组成 

换热站综合智能控制由两大部分组成，即二次供、回水温度专家自学习控制单元和多变量耦合模糊控制单元。 

本发明采用专家控制得到二次供、回水温度的最优设定值，有效地解决了时间滞后这一问题；设计换热站多变量耦合的模糊控制器，解决换热站多变量耦合问题，使得换热站质、量调节相结合；以按需供热为目的，减少因调节一次电动调节阀引起的热网失衡，实现换热站的变流量调节；采用变频调速系统应用于循环水泵的调节，达到节能减排的目的； 适用性、可移植性强，该换热站综合智能控制方法可应用于不同换热站。 

如图2所示，换热站综合智能控制数据传输图主要由三层组成：PLC层、监控层和优化控制层。 

（一）PLC层 

如图2所示，PLC层接收数据的途径有两种，分别为现场通过硬接线方式或网络通讯方式将现场的数据信息传递给PLC层；优化控制层将数据信息直接传给PLC层；优化控制层将数据传递给监控层，并通过监控层间接传给PLC层。 

现场传递给PLC层的详细信息数据包括：I1（一次供水压力）、I2（一次回水压力）、I3（一次侧水流量）、I4（一次供水温度）、I5（一次回水温度）、I6（二次侧水量）、I7（二次供水温度）、I8（二次回水温度）、I9（水箱液位）、I10（二次供水压力）、I11（二次回水压力）、I12（室外温度）、O1（电动调节阀开度）、O2（循环水泵转速）、O3（补水泵转速）。 

在PLC层，现场将模拟量信息数据I1～I12传递给PLC层，系统对检测变量信息数据I1～I12进行滤波处理，根据处理后的I1～I12数据信息、监控层和优化系统层的信息数据和现场工艺实际的需要，完成换热站的基础控制，并输出数据信息O1、O1、O3分别给电动调节阀、变频循环水泵和变频补水泵。 

（二）监控层 

同样属于基础自动化的监控主要用于实现重要数据显示、实时数据显示、报警和报表记录，并通过通讯方式与PLC层和优化控制层进行数据传递。 

数据信息包括D1（I1～I12的数据信息、专家规则库数据和模糊规则后的数据）、D4（采用OPC通讯方式与优化控制层交换的信息数据）。 

（三）优化控制层 

优化控制层包括三大优化控制模块：分别为多变量耦合模糊控制单元模块，二次供、回水专家控制系统模块以及其自学习控制系统模块。该系统层完成多变量耦合模糊控制、专家规则自学习功能、重要参数调整和录入、专家数据备份等重要功能。 

优化控制层数据信息包括：D2（I1～I12的数据信息、采用OPC通讯方式与PLC层交换的信息数据）、D3（专家自学习系统修正的信息数据）、D5（经专家控制算法后给出的二次供、回水温度的设定值）。 

优化控制层利用检测数据信息，并利用自学习单元的自学习算法周期性修正专家知识库，将修正的数据信息传递给二次供、回水专家控制单元。经专家控制得出这一时间段内 与其室外温度对应的二次供、回水温度的设定值D5，并将D5传递给多变量耦合模糊控制单元，多变量耦合模糊控制单元通过模糊算法的控制运算得到的数据信息经过信息更新后将专家知识备份，可直接传递给PLC层的PLC控制系统，也可下载到上位机监控，最终传递给PLC控制系统。 

Claims (3)

1.一种换热站综合智能控制方法，其特征在于，具体内容如下：

1）在换热站运行过程中，根据现有的气象数据和热力实时数据库，建立专家数据库，得到不同时间段与室外温度相对应的二次供、回水平均温度值和二次供、回水温度设定值；

2）为保证专家知识的更新收敛速度和稳定性，采用自学习算法以适应室外温度、二次供水温度、二次回水温度的变化，根据测得的二次供、回水温度进行自学习，逐步完善专家数据库；

3）针对二次供、回水温度，二次水流量，一次水流量间的多变量耦合关系，建立模糊智能控制单元，在不频繁调节一次侧水流量和实现二次侧变流量调节的原则下，通过模糊控制算法进行换热站一次侧电动调节阀和二次侧循环水泵的调节，实现换热站的质、量调节相结合，满足室内用户的需求。

2.根据权利要求1所述的一种换热站综合智能控制方法，其特征在于，针对换热站二次侧必须保证一定的供回水压差的问题，对二次供、回水压差进行串级控制，同时采用变频调速系统控制循环水泵的转速，实现二次侧水流量的控制。

3.实现权利要求1或2所述换热站综合智能控制方法的控制结构，其特征在于，换热站综合智能控制结构包括PLC层、监控层和优化控制层；所述的PLC层接收现场的数据信息，并将接收的数据信息进行滤波处理，滤波处理后的数据信息传输给监控层和优化控制层；

所述的监控层用于实现数据的显示、报警和报表记录，并与PLC层和优化控制层相互通讯；

所述的优化控制层包括多变量耦合模糊控制单元、二次供、回水专家控制单元以自学习单元；优化控制层完成多变量耦合模糊控制、专家规则自学习功能、重要参数调整和录入、专家数据备份等重要功能；优化控制层利用检测的数据信息，利用自学习算法周期性修正专家数据库，将修正的数据信息传递给二次供、回水专家控制单元；经专家控制单元得出这一时间段内与其室外温度对应的二次供、回水温度的设定值，并将二次供、回水温度设定值传递给多变量耦合模糊控制单元；多变量耦合模糊控制单元通过模糊算法控制运算得到的数据信息经过信息更新后将专家知识备份，可直接传递给PLC层，或下载到上位机监控，最终传递给PLC层；

最终PLC层根据优化控制层的指令，输出数据信息分别给电动调节阀、变频循环水泵和变频补水泵。

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