CN104913376B

CN104913376B - 智能楼宇供热控制系统

Info

Publication number: CN104913376B
Application number: CN201510192274.XA
Authority: CN
Inventors: 汪思源; 王文标; 刘维聪; 郑赫; 孟松; 邢倩菲
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Zhengzhou Jibai Information Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2035-04-21
Also published as: CN104913376A

Abstract

本发明实施例提供一种智能楼宇供热控制系统。本发明系统，包括：采集单元、监控单元以及PLC单元；所述采集单元用于采集数据，并将所述数据发送至所述PLC单元，所述采集数据包括温度、流量；所述PLC单元用于将所述采集单元采集的数据转发至所述监控单元，并接收所述监控单元发送的开/关阀指令；所述监控单元用于接收所述采集数据，并根据所述采集数据确定供热阀门的开/关时间，并根据所述阀门的开/关时间向所述PLC单元发送开/关阀指令，所述指令包括所述阀门的开/关，以使阀门根据所述指令进行开启或关闭。本发明实施例实现楼宇的节能供热，提高了供热系统的效率和热舒适性。

Description

智能楼宇供热控制系统

技术领域

本发明实施例涉及供热自动化控制技术领域，尤其涉及一种智能楼宇供热控制系统。

背景技术

冬季供热与北方城镇的生产生活密切相关，也是节能减排不可忽视的关键因素之一。近年来普遍实行冬季24小时持续供热，来满足热用户的采暖需求。

但是现有的供热方式对待混置在同一供热区域内的各种不同用热特性的建筑，统一实行这种连续供热，就会导致具有分时段用热特性的建筑在非用热时段浪费大量热能，同时供热过程中的大流量和小温差(10度左右)，也会导致热力失衡形成近热远冷。现有楼宇供热模式不仅浪费大量热能，还会降低用户的热舒适性。

发明内容

本发明实施例提供了一种智能楼宇供热控制系统，解决了现有技术中楼宇供热效率低的技术问题。

本发明供热控制系统，包括：

采集单元、监控单元以及PLC单元；

所述采集单元用于采集数据，并将所述数据发送至所述PLC单元，所述采集数据包括温度、流量；

所述PLC单元用于将所述采集单元采集的数据转发至所述监控单元，并接收所述监控单元发送的开/关阀指令，根据所述指令控制阀门的开启或关闭；

所述监控单元用于接收所述采集数据，并根据所述采集数据确定供热阀门的开/关时间，并根据所述阀门的开/关时间向所述PLC单元发送开/关阀指令，所述指令包括所述阀门的开/关时间，以使阀门根据所述指令进行开启或关闭。

进一步地，所述监控单元，具体用于：

根据每个时刻的供水流量和供回水温差，采用公式

Q＝4.186*GSLL*(GSWD-HSWD) (1)

计算出单位时间的热量，其中，所述Q单位是兆焦，所述GSLL为供水流量，所述GSWD为供水温度，所述HSWD为回水温度；

采用公式

将所述热量进行累加，得到供热时段对应的开阀时间内的总热量，并根据所述总热量计算所述供热时段的平均功率，其中，所述为至前一分钟为止的总热量，所述为至当前时间为止的总热量；

根据室内设定温度与室外温度的差值，采用公式

Wsv＝(Ws-Wx)*(tcy-tcx)/(tcs-tcx)+Wx (3)

Tc＝Tn-Tw+Kn (4)

计算预设功率，其中，所述Tc为室内外温差，所述Tn为室内设定温度，所述Tw为室外实时温度，所述Kn为24小时温度修正系数，所述Wsv为预设功率，所述Ws为功率上限，所述Wx为功率下限，所述Tcy为计算温差(将Tc进行处理后得到的温差)，所述Tcx为温差下限，所述Tcs为温差上限；

比较所述平均功率与预设功率，若所述平均功率大于所述预设功率，则确定当前状态为热量充足，若所述平均功率小于所述预设功率，则确定当前状态为热量不足；

根据热量充足或不足计算阀门开/关控制时间。

进一步地，所述监控单元，具体用于：

判断当前单位时间为热量充足，则根据所述总热量与预设功率获取关阀时间，若所述关阀时间小于最大阈值时间大于最小阈值时间，则所述控制时间为阀门关闭时长，若所述关阀时间小于最小阈值时间，则不进行关阀操作，将当前单位时间的总热量与预设总热量的热量差值累加到下次的时间段中，若所述关阀时间大于最大阈值时间，则最大阈值时间为阀门关闭时长。

判断当前时间段为热量不足，则计算所述时间段之前的时间段内所欠的所有热量，若所欠热量大于欠热限值,则只采用欠热限值作为欠热量，若所述欠热量小于欠热限值，则采用实际欠热量，开启阀门直至不欠热为止。

进一步地，所述关阀时间采用公式

Tr＝Q_j*1000000/(Wsv*GNMJ*60)-Tk (5)

计算，其中，所述Tr为关阀时间(单位是分钟)，所述Tk为开阀时间，所述Q_j为实时初始输入热量计算值，所述Wsv为预设功率，所述GNMJ为供暖面积。因此，总体系定义为带有边界约束的变周期控制方式。

进一步地，所述监控单元，还用于：

根据所述采集数据与所述预设值确定传感器故障或通讯故障，采用替代值处理故障。

进一步地，还包括：

用于显示和操作的MCGS触摸屏、用于接收室外温度的GPRS单元，所述双向通信为监控单元向服务器发送采集数据、服务器向所述监控单元发送室外温度。

进一步地，所述监控单元为MCGS触摸屏、所述采集单元为传感器。

本实施例的楼宇供热系统，通过采集单元采集数据，PLC单元向监控单元转发所述采集数据，监控单元根据所述采集数据确定供热阀门的开/关时间，并向PLC单元发送指令，PLC单元根据所述指令控制阀门的开/关，实现了供热负荷与室内外特征温差成线性关系的合理性，兼顾了间歇供热中温度上升和下降的滞后性，从而使得室内温度满足热需求，并且在节能的过程中保证了管网不被冻塞。

本发明实施例的有益效果为：

1、可以按照需求热量进行定量供热，节约能源。

2、智能的调节方式可以避免开关阀的频繁开关，延长使用寿命。

3、智能控制可以使开关阀开够充分长的时间，使热媒介按设计要求遍历全域，不出现供热死角。

4、当智能楼宇控制器与换热站控制系统进行配合时，能更充分的发挥此控制方式的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明楼宇供热控制系统结构示意图；

图2A为本发明热功率充足情况下控制流程图；

图2B为本发明热功率不足情况下控制流程图；

图3为本发明总体控制流程图；

图4为本发明分时段控制流程图；

图5为本发明室外温度突变保护流程图；

图6为本发明温度传感器故障保护流程图；

图7为本发明流量传感器故障保护流程图；

图8为本发明通讯故障保护流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明楼宇供热控制系统结构示意图，如图1所示，本实施例的系统可以包括：

采集单元101、监控单元102以及PLC单元103；

进一步地，还包括：

用于显示和操作的MCGS触摸屏105、用于接收室外温度的GPRS单元106，所述双向通信为监控单元向服务器发送采集数据、服务器向所述监控单元发送室外温度。

具体来说，传感器采集温度、流量后，将该温度和流量发送至PLC单元，PLC单元将该些数据转发至监控单元，监控单元根据接收到的温度和流量确定阀门的开/关时间，并根据该阀门的开/关时间向PLC单元发送指令，最后PLC单元根据该指令控制阀门的开启或关闭。

进一步地，所述监控单元，具体用于：

对收到的数据进行处理并加以分析后,转化为指令和信息发送出去。

以下为主要控制思路：

根据每个时刻的供水流量和供回水温差，采用公式

Q＝4.186*GSLL*(GSWD-HSWD) (1)

采用公式

将所述热量进行累加，得到供热时段对应的开阀时间内的总热量，并根据所述总热量计算所述供热时段的平均功率，其中，所述为至前一分钟为止的总热热量，所述为至当前时间为止的总热量；

根据室内设定温度与室外温度的差值，采用公式

Wsv＝(Ws-Wx)*(tcy-tcx)/(tcs-tcx)+Wx (3)

Tc＝Tn-Tw+Kn (4)

根据热量充足或不足计算阀门开/关控制时间。

进一步地，所述监控单元，具体用于：

具体来说，监控单元根据热量充足或不足计算阀门开/关控制时间，如图2A和图2B所示，首先，根据每个时刻的供水流量和供水温度、回水温度代入公式(1)中计算单位时间的热量，采用公式(2)将各单位时间的热量累加，从而得到供热时段对应的开阀时间内的总热量，通过该总热量求得供热时段的平均功率。然后，将室内设定温度与室外温度代入公式(3)，计算得到预设功率。最后，将该平均功率与预设功率进行比较，若平均功率大于预设功率，则说明该时间段内楼宇供热的热量充足，当热量充足时，采取关阀，该关阀时间采用公式

Tr＝Q_j*1000000/(Wsv*GNMJ*60)-Tk (5)

计算，其中，所述Tr为关阀时间(单位是分钟)，所述Tk为开阀时间(这是经验数值，各个不同楼宇有不同的值)，所述Q_j为实时初始输入热量计算值，所述Wsv为预设功率，所述GNMJ为供暖面积，若计算所得的关阀时间小于最大阈值时间小于最小阈值时间，则采用该关阀时间来控制阀门，若该关阀时间小于最小阈值时间，则采取不关阀操作，并把该时间段的热量差值累加到下一时间段的总热量中。若该关阀时间大于最大阈值时间，则采用最大阈值时间作为阀门的关闭时长。取供热期某段时间为例说明，供水流量为6t/h，供水温度为38℃，回水温度为37.5℃，功率上限为20w/㎡，功率下限为2w/㎡，温差上限为30℃，温差下限为14℃，室内设定温度为20℃，室外实时温度为-5℃，24小时温度修正系数为0，取暖面积为3800㎡，开阀时间为60min(分钟)。

根据公式(1)得每小时输入热量为12.558(MJ/h)，则此时每分钟输入热量为0.2093(MJ/m)，假设理想状态流量一直为6t/h，供回水温差一直维持在0.5℃，且已知一个开阀周期Tk为60分钟，则根据公式(2)一个开阀周期共输入热量为12.558MJ，根据公式(4)得到室内外温差为25，在温差限值范围内，在根据公式(3)算出预设功率为14.375w/㎡。最后根据公式(5)得到关阀时间为-56.17，此时关阀时间Tr是负数，说明供热不足。

如果流量在7t/h，供回水温差一直维持在7℃，则根据以上公式可算出Tr＝2.6，此时可以关阀2.6分钟，但是因为此关阀时间小于最小关阀时限，不进行关阀动作，将此次多累计的热量累加到下一个开阀周期的Q_j里面。

如果流量在7t/h，供回水温差一直维持在10℃，则根据以上公式可算出Tr＝29.4，此时可以关阀29.4分钟，其大于最小关阀时限，可以关阀，并关闭阀门30分钟。

图3为本发明总体控制流程图，如图3所示，楼宇供热节能控制器可以根据不同的建筑物的不同的适用功能，采用最适合的供暖参数方案。系统初始化后先读取存储，将事先设定好的参数读取到运行策略中，紧接着控制器开始读取到采集的温度、流量值。在此之后系统会判断此时是自动状态还是手动状态，手动状态则操作人员手动开关阀操作，而自动状态则按照控制需要的参数自动开关电动阀。图4为本发明分时段控制流程图，如图所示，在自动状态下控制器首先会读取系统的时间，这个时间决定了当前是周一到周日的某个日期，然后系统会根据当前的时间判定当前是属于供热时段还是防冻时段，一般情况下周一到周五的供热时段为建筑的使用时段，其余为防冻时段，而周六日可能全天都在进行防冻控制，只保持管网不冻即可，具体应用时可以根据实际情况人机对话设定。

图5为本发明室外温度突变保护流程图，如图所示，对于Bang-Bang控制，开阀的时候建筑物中供热管道开始窜热，但是在关阀的过程中除了上述进行的上下限设置以外，还进行了温差突变的保护策略。楼宇控制器会每个小时计算一次室外温度的变化值。假设室外温度为t_w：

n时刻的温度与n-1时刻的温度的差值

Δt(n)＝t_w(n)-t_w(n-1) (6)

t_a>0 (7)

根据公式6可以看出，当Δt<-ta时，室外温度由于寒潮等天气因素突降，且室外温度的下降已超过限值，如果阀门还处于关闭状态，则立即令阀门打开直到下个周期再进行判断。

若-t_a<Δt<t_a时，温度变化在允许的范围内，则阀门的开启关闭都根据以上的热量控制决定。

若Δt>t_a时，说明室外突然升温，并且超过了限值，此时阀门若为开启状态可以关闭，到下个周期再进行判断。

这里的ta可根据人为经验进行设定，在具体应用案例中设定此周期为室外温度变化在每小时5℃以内。

进一步地，所述监控单元，还用于：

具体来说，对于传感器故障而言，如图6所示，当供水温度变送器或回水温度变送器发生故障时，供水温度或者回水温度数值会发生错误，事先设定好供水温度与回水温度的限值，温度超过设定的限值时证明温度变送器发生故障，系统自动采用预设温度值继续进行自动控制策略，并进行故障显示。对于流量计故障，如图7所示，由于稳定供热后，每个建筑的流量是相对固定的，因此，留有手动设定的流量值，故障后由此值暂时代替实测的流量值，继续进行自动控制策略，并进行故障报警。

对于通讯故障而言，如图8所示，楼宇供热节能控制器和校园气象台通过GPRS与上层服务器进行数据交互，校园气象台的数据经过DTU(Data Transfer Unite)，利用GPRS远程传输到服务器当中，服务器中配有组态网进行数据采集、交互、存储，在组态网中每5分钟通过GPRS向楼宇控制器传输室外气象数据。由于控制器的设定热负荷是根据室外气象温度所决定的，而控制器的采集数据也需要传输到服务器进行数据存储及分析，室外数据传输错误将影响到楼宇控制器依据室外温度的控制操作。室外气象也是楼宇控制的一个重要参考依据，为了保证控制的安全性，必须制定相应的通讯故障的应对策略。因此，在服务器向楼宇控制器传输气象数据的同时也会将服务的系统时间的分作为一个变量传输到楼宇控制中，而楼宇控制器每分钟来判断这个变量是否变化，当此变量不变化时证明传输出现中断，计数器开始计数，当计数器达到限值，则通讯报警并将阀门处于开启状态。如果通讯恢复，判断时间的分钟数产生了变化，计数器就会清零，故障报警消除。通讯故障限值根据人为经验设定，由于GPRS信号强度各个楼宇控制点可能不同，要根据工程实际情况进行设置。

本实施例的楼宇供热系统，通过采集单元采集数据，PLC单元向监控单元转发所述采集数据，监控单元根据所述采集数据确定供热阀门的开/关时间，并向PLC单元发送指令，PLC单元根据所述指令控制阀门的开/关，实现了供热负荷与室内外特征温差成线性关系的合理性，兼顾了间歇供热中温度上升和下降的滞后性，从而使得室内温度的波动更小，并且在节能的过程中保证了管网不被冻塞。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种智能楼宇供热控制系统，其特征在于，包括：

采集单元、监控单元以及PLC单元；

所述监控单元用于接收所述采集数据，并根据所述采集数据确定供热阀门的开/关时间，并根据所述阀门的开/关时间向所述PLC单元发送开/关阀指令，所述指令包括所述阀门的开/关时间，以使阀门根据所述指令进行开启或关闭，所述监控单元，具体用于：

根据每个时刻的供水流量和供回水温差，采用公式

Q＝4.186*GSLL*(GSWD-HSWD) (1)

采用公式

Q_总＝Q_前+4.186*GSLL*(GSWD-HSWD)/60 (2)

将所述热量进行累加，得到供热时段对应的开阀时间内的总热量，并根据所述总热量计算所述供热时段的平均功率，其中，所述Q_前为至前一分钟为止的总热热量，所述Q_总为至当前时间为止的总热量；

根据室内设定温度与室外温度的差值，采用公式

Wsv＝(Ws-Wx)*(Tcy-Tcx)/(Tcs-Tcx)+Wx (3)

Tc＝Tn-Tw+Kn (4)

计算预设功率，其中，所述Tc为室内外温差，所述Tn为室内设定温度，所述Tw为室外实时温度，所述Kn为24小时温度修正系数，所述Wsv为预设功率，所述Ws为功率上限，所述Wx为功率下限，所述Tcy为将Tc进行处理后得到的计算温差，所述Tcx为温差下限，所述Tcs为温差上限；

根据热量充足或不足计算阀门开/关控制时间。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监控单元，具体用于：

判断当前单位时间为热量充足，则根据所述总热量与预设功率获取关阀时间，若所述关阀时间小于最大阈值时间大于最小阈值时间，则所述控制时间为阀门关闭时长，若所述关阀时间小于最小阈值时间，则不进行关阀操作，将当前单位时间的总热量与预设总热量的热量差值累加到下次的供热时段中，若所述关阀时间大于最大阈值时间，则最大阈值时间为阀门关闭时长；

判断当前时间段为热量不足，则计算所述时间段之前的时间段内所欠的所有热量，若所欠热量大于欠热限值，则只采用欠热限值作为欠热量，若所述欠热量小于欠热限值，则采用实际欠热量，开启阀门直至不欠热为止。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述关阀时间采用公式

Tr＝Q_j*1000000/(Wsv*GNMJ*60)-Tk (5)

计算，其中，所述Tr为关阀时间，其单位是分钟，所述Tk为开阀时间，所述Q_j为实时初始输入热量计算值，所述Wsv为预设功率，所述GNMJ为供暖面积，因此，总体系定义为带有边界约束的变周期控制方式。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监控单元，还用于：

根据所述采集数据与预设值确定传感器故障或通讯故障，采用替代值处理故障。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

用于监控单元与服务器双向通信的GPRS单元，所述双向通信为监控单元向服务器发送采集数据、服务器向所述监控单元发送室外温度。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监控单元为MCGS触摸屏、所述采集单元为传感器。