CN106595364B - 一种低谷电固体蓄热设备智能控制方法 - Google Patents

一种低谷电固体蓄热设备智能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低谷电固体蓄热设备智能控制方法，主要步骤包括：（1）设定低谷电固体蓄热设备的控制目标；（2）检测低谷电固体蓄热设备管网的实际输出值，求得实际输出值与控制目标之间的差值；（3）根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速；所述风机是低谷电固体蓄热设备中利用蓄热池所积蓄的热量加热设备出水的装置。本发明根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速，继而达到控制低谷电固体蓄热设备出水温度或输出热能功率的目的，实现了对积蓄热量输出的精确控制，避免了粗犷式释能所造成的能量浪费，提高了积蓄热量的利用率。

Description

一种低谷电固体蓄热设备智能控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，尤其是用于低谷电固体蓄热设备的控制方法。
背景技术
低谷电固体蓄热设备是一种先进、高效的清洁节能热工产品，其原理是：将夜间低谷电的廉价电能通过热交换方式存储于固体蓄热体中，在白天高峰电时再通过风机和循环系统将积蓄的热量释放出来用于供暖或供冷使用。低谷电固体蓄热设备不仅降低了用电费用，而且具有环保、节能、安全、高效、无人值守等优点。
然而，现有的低谷电固体蓄热设备无法对输出热量进行精确地控制，导致积蓄的热量利用率低。
发明内容
本发明提供了一种低谷电固体蓄热设备智能控制方法，其所要解决的技术问题是：(1)对低谷电固体蓄热设备的输出热量进行精确控制；(2)提高积蓄热量的利用率。
本发明的技术方案如下：
一种低谷电固体蓄热设备智能控制方法，步骤包括：
(1)设定低谷电固体蓄热设备的控制目标；
(2)检测低谷电固体蓄热设备管网的实际输出值，求得实际输出值与控制目标之间的差值；
(3)根据实际输出值与控制目标之间的差值动态调节风机的转速；所述风机是低谷电固体蓄热设备中利用蓄热池所积蓄的热量加热设备出水的装置。
作为本发明的进一步改进：所述控制目标为目标温度或者目标功率，所述目标温度是指低谷电固体蓄热设备的出水温度，所述目标功率是指低谷电固体蓄热设备的输出热能功率；
所述实际输出值是指与目标温度相对应的实际出水温度或与目标功率相对应的实际输出热能功率。
作为本发明的进一步改进：所述控制目标可以是直接设定，也可以是通过补偿模块设定；
当控制目标为目标温度时，所述补偿模块设定目标温度的公式为：
上式中，t为目标温度，td为设计供水温度，ti为设计室内温度，te为环境温度，即建筑物室外的实时温度，to为室外日平均温度，K1为目标温度修正系数；所述目标温度低于设计供水温度；
当控制目标为目标功率时，所述补偿模块设定目标功率的公式为：
上式中，P为目标功率，Sd为供热面积，K2为目标功率修正系数。
作为本发明的进一步改进：还设置有转速限制模块，该转速限制模块中记录了蓄热池的温度与风机运转的极限转速之间的映射关系；
根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速时，当计算出的风机给定转速高于转速限制模块中的极限转速时，使用极限转速替代给定转速作为控制输出。
作为本发明的进一步改进：还设置有转速限制模块，该转速限制模块中记录了蓄热池的温度与风机运转的极限转速之间的映射关系；
根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速时，当计算出的风机给定转速高于转速限制模块中的极限转速时，使用极限转速替代给定转速作为控制输出；
所述控制目标可以是直接设定，也可以是通过补偿模块设定；补偿模块自动定时对控制目标重新设定；
当控制目标为目标温度时，所述补偿模块设定目标温度的公式为：
上式中，t为目标温度，td为设计供水温度，ti为设计室内温度，te为环境温度，即建筑物室外的实时温度，to为室外日平均温度，K1为目标温度修正系数；tn为当前蓄热池的温度，tmax为蓄热池所存储的热量达到满载量时的温度；Nmax为转速限制模块根据当前蓄热池的温度tn所计算出的风机极限转速，Ne为风机额定转速，且当转速限制模块求得的Nmax大于Ne时，指定Nmax等于Ne；所述目标温度低于设计供水温度；
当控制目标为目标功率时，所述补偿模块设定目标功率的公式为：
上式中，P为目标功率，Sd为供热面积，K2为目标功率修正系数。
作为本发明的进一步改进：根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速时采用PID调节控制方式。
作为本发明的进一步改进：所述PID调节控制方式的差分方程为：
上述方程中，u(n)为当前调节输出值，即风机的给定转速由u(n)决定；e(n)代表实际输出值与控制目标之间的差值；u0代表调节输出初值，即预先设定的、当前控制目标所对应的调节输出值；T代表采样周期；TI代表积分时间；TD代表微分时间；Kp代表比例系数。
相对于现有技术，本发明具有如下积极效果：(1)本发明根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速，继而达到控制低谷电固体蓄热设备出水温度或输出热能功率的目的，实现了对积蓄热量输出的精确控制，避免了粗犷式释能所造成的能量浪费，提高了积蓄热量的利用率；(2)本发明选择通过控制风机转速间接地对输出热量进行控制，风机自身可控性好，降低了控制难度，同时，本发明采用闭环控制方式，避免了通过风机间接控制输出热量所导致的控制不精确的问题；(3)本发明采用PID控制模式，控制精度高，动态响应性好；(4)本发明设有补偿模块，能够根据实际应用情况对控制目标进行矫正，拓宽了设备的适用性，智能化程度高；(5)本发明还对风机的最高转速进行了限制，具有安全性高的优点；(6)在对补偿模块的进一步改进方案中，结合转速限制模块的数据，根据蓄热池的温度和风机运转的极限转速对控制目标进行了非线性矫正，从而保证了蓄热池的续航以及风机的使用寿命。
附图说明
图1为PID调节的流程示意图。
图2为根据限制曲线对风机转速进行矫正的流程示意图。
图3为转速限制模块中蓄热池的温度与风机运转极限频率之间的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
低谷电固体蓄热设备，主要包括：电加热单元、固体蓄热池、绝热保温层、热交换器组、耐高温空气循环离心风机组、电控柜、控制系统、传感系统、钢制设备组架及外壳。各部件功能介绍如下：
(1)电加热单元使用低谷电对固体蓄热池进行加热；
(2)固体蓄热池主体材料为能耐受高达800℃以上的固体氧化镁，具备体积小、热容量大、蓄热能力强、性能稳定、热量释放稳定等优点，可连续运行20年免维护，在反复加热过程中不产生粉化；
(3)绝热保温层采用纳米航空级绝热材料，能有效隔绝炉体与外界的热传递，保证设备壳体温度较环境温度之差在25℃以内；。
(4)热交换机组用于生产热水，由板式换热器、循环水泵稳压水泵、稳压泵、阀门、管路、仪表等组成；
(5)耐高温空气循环离心风机组主要由高温风机和循环系统组成，高温风机(下称风机)主要负责利用蓄热池的热量通过循环系统和交换机组加热设备出水；
(6)电控柜和控制系统主要负责本设备的逻辑控制，可实现系统参数监测、设备控制、远程通讯、报警与保护、图像显示、气候温度补偿控制、建筑供热负荷记忆自调节控制、管道防冻控制、节假日节能控制、以太网数据共享等多种控制功能，配置东方电子自主研发的云服务终端，实现云服务远程监测，结合现代移动通信技术，配置移动客户端软件，实现移动智能设备的实时、实地监测；
(7)传感系统主要包括一些测温设备，将炉体温度、出风温度、回风温度等采用热电偶的方式发送到控制系统。
所述控制系统采用嵌入式实时多任务vxWroks操作系统。东方电子结合在电力系统多年以来的积累，自主研发了专用控制器，其程序是固化在控制器中，修改时只需要修改相应的配置参数文件。本系统采用c++编程，控制方便，兼容性好，体积小巧，模块配置灵活，相同容量情况下，体积为PLC模块的1/5，并且增加了PLC某些需要复杂编程来实现的功能。
本实施方案所公开的低谷电固体蓄热设备智能控制方法，运行于所述控制系统中，步骤包括：
(1)设置12个时间段，并设定低谷电固体蓄热设备各个时间段对应的控制目标；
所述控制目标为目标温度或者目标功率，所述目标温度是指低谷电固体蓄热设备的出水温度，所述目标功率是指低谷电固体蓄热设备的输出热能功率；
设置完参数后保存到eeprom，供程序调用；
(2)传感系统检测低谷电固体蓄热设备管网的实际输出值，并通过控制器的DCAI板将所采集到的4-20mA的模拟量转换为数字量；
所述实际输出值是指与目标温度相对应的实际出水温度或与目标功率相对应的实际输出热能功率；
然后，求得实际输出值与控制目标之间的差值；
(3)如图1，根据实际输出值与控制目标之间的差值采用PID调节控制方式控制风机的转速；如前所述，风机是低谷电固体蓄热设备中利用蓄热池所积蓄的热量加热设备出水的装置，采用变频控制方式控制；
所述PID调节控制方式的差分方程为：
上述方程中，u(n)为当前调节输出值，即风机的给定转速由输出到变频器的u(n)决定；e(n)代表实际输出值与控制目标之间的差值；u0代表调节输出初值，即预先设定的、当前控制目标所对应的调节输出值；T代表采样周期；TI代表积分时间；TD代表微分时间；Kp代表比例系数。
如图2，控制软件还设置有转速限制模块，该转速限制模块中通过数据表的方式记录了蓄热池的温度与风机运转的极限转速之间的映射关系，通常情况下，蓄热池的温度越高，风机运转的极限转速越低；图3为根据转速限制模块中上述映射关系所绘制的极限频率曲线图，图中纵坐标为蓄热池的温度，横坐标为对应温度下风机运转的极限频率；
根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速时，当计算出的u(n)所决定的风机给定转速高于转速限制模块中的极限转速时，使用极限转速替代给定转速作为控制输出。
进一步地，所述控制目标可以是直接设定，也可以是通过补偿模块设定，实现人性化的温度控制；
当控制目标为目标温度时，所述补偿模块设定目标温度的公式为：
上式中，t为目标温度，ti为设计室内温度，即预先设定的适宜居住的室内温度，td为设计供水温度，即预先根据设计室内温度和供暖经验所设定的供水温度，te为环境温度，即建筑物室外的实时温度，to为室外日平均温度，K1为目标温度修正系数，所述目标温度应当低于设计供水温度，故此设定K1时应当考虑当地环境温度昼夜温差波动情况；
当控制目标为目标功率时，所述补偿模块设定目标功率的公式为：
上式中，P为目标功率，Sd为供热面积，K2为目标功率修正系数，设定K2时同样应当考虑当地环境温度波动情况。
再进一步地，对补偿模块进行改进，所述补偿模块在每个时间段开始时自动对控制目标重新补偿设定：
当控制目标为目标温度时，所述补偿模块设定目标温度的公式为：
上式中，tn为当前蓄热池的温度，tmax为蓄热池所存储的热量达到满载量时的温度；Nmax为转速限制模块根据当前蓄热池的温度tn所计算出的风机极限转速，Ne为风机额定转速，且当转速限制模块求得的Nmax大于Ne时，指定Nmax等于Ne；目标温度低于设计供水温度；
通过tn与tmax的比值以及指数函数的非线性特性，估算出蓄热池所存储的剩余热量，tn越接近tmax，值越大，从而在重新设定控制目标时充分考虑蓄热池的续航情况；并且，利用对数函数的非线性特性，根据风机当前极限转速与额定转速之间的关系获得0至1的调整系数蓄热池温度越高，极限转速越远离额定转速，该系数越小，求得的控制目标越低，最终输出的给定转速越低，从而在控制目标设定环节预先对风机进行了保护，进一步提高了风机的使用寿命；
同理，当控制目标为目标功率时，所述补偿模块设定目标功率的公式为：

Claims (4)

1.一种低谷电固体蓄热设备智能控制方法，其特征在于步骤包括：
(1)设定低谷电固体蓄热设备的控制目标；
(2)检测低谷电固体蓄热设备管网的实际输出值，求得实际输出值与控制目标之间的差值；
(3)根据实际输出值与控制目标之间的差值动态调节风机的转速；所述风机是低谷电固体蓄热设备中利用蓄热池所积蓄的热量加热设备出水的装置；
所述控制目标为目标温度或者目标功率，所述目标温度是指低谷电固体蓄热设备的出水温度，所述目标功率是指低谷电固体蓄热设备的输出热能功率；
所述实际输出值是指与目标温度相对应的实际出水温度或与目标功率相对应的实际输出热能功率；
所述控制目标可以是直接设定，也可以是通过补偿模块设定；
当控制目标为目标温度时，所述补偿模块设定目标温度的公式为：
<mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>o</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
上式中，t为目标温度，td为设计供水温度，ti为设计室内温度，te为环境温度，即建筑物室外的实时温度，to为室外日平均温度，K1为目标温度修正系数；所述目标温度低于设计供水温度；
当控制目标为目标功率时，所述补偿模块设定目标功率的公式为：
<mrow> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>o</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
上式中，P为目标功率，Sd为供热面积，K2为目标功率修正系数。
2.如权利要求1所述的低谷电固体蓄热设备智能控制方法，其特征在于：还设置有转速限制模块，该转速限制模块中记录了蓄热池的温度与风机运转的极限转速之间的映射关系；
根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速时，当计算出的风机给定转速高于转速限制模块中的极限转速时，使用极限转速替代给定转速作为控制输出。
3.如权利要求1所述的低谷电固体蓄热设备智能控制方法，其特征在于：还设置有转速限制模块，该转速限制模块中记录了蓄热池的温度与风机运转的极限转速之间的映射关系；
根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速时，当计算出的风机给定转速高于转速限制模块中的极限转速时，使用极限转速替代给定转速作为控制输出；
所述控制目标可以是直接设定，也可以是通过补偿模块设定；补偿模块自动定时对控制目标重新设定；
当控制目标为目标温度时，所述补偿模块设定目标温度的公式为：
<mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>o</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>t</mi> <mi>n</mi> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>ln</mi> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mi>max</mi> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mi>e</mi> </msub> </mfrac> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
上式中，t为目标温度，td为设计供水温度，ti为设计室内温度，te为环境温度，即建筑物室外的实时温度，to为室外日平均温度，K1为目标温度修正系数；tn为当前蓄热池的温度，tmax为蓄热池所存储的热量达到满载量时的温度；Nmax为转速限制模块根据当前蓄热池的温度tn所计算出的风机极限转速，Ne为风机额定转速，且当转速限制模块求得的Nmax大于Ne时，指定Nmax等于Ne；所述目标温度低于设计供水温度；
当控制目标为目标功率时，所述补偿模块设定目标功率的公式为：
<mrow> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>o</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>t</mi> <mi>n</mi> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>ln</mi> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mi>max</mi> </msub> <msub> <mi>N</mi> <mi>e</mi> </msub> </mfrac> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
上式中，P为目标功率，Sd为供热面积，K2为目标功率修正系数。
4.如权利要求1至3任一所述的低谷电固体蓄热设备智能控制方法，其特征在于：根据实际输出值与控制目标之间的差值控制风机的转速时采用PID调节控制方式。
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