（机械制造及其自动化专业论文）小区智能供暖节能系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 由于冬天北方天气寒冷，暖气是取暖的主要方式。随着人们生活水平的不断 提高，暖气己由原来的一家一户独自烧煤取暖，变成了区域集中供暖，那么如何 建立一套有效的锅炉采暖节能系统已经越来越受人们的关注。随着控制技术和计 算机以及网络通信技术的迅速发展，已为锅炉采暖节能技术的提高提供了一种可 能性。研究和改进锅炉采暖节能系统，对于提高供暖率、控制质量、改善工人工 作条件以及节约能源都具有重要意义。 本文以北京恒嘉电器设备有限公司下属某区的实际取暖情况为背景，在对工 业计算机控制系统应用现状讨论的基础上，通过对锅炉取暖工艺流程的分析，以 北京金创联科技发展有限公司开发的天工组态软件为平台，构建了一个小区锅炉 智能采暖集散控制系统。系统针对传统的监控系统上位机界面单一、上下位机响 应时间长的缺点，在经过比较之后，上位机选择采用了研华工控机与功能丰富的 创联天工组态软件作为组态监控软件。下位机控制采用了锅炉控制专用模块 p l m 。系统总体规划设计过程中，把系统分为四个模块：安全模块、数据采集模 块、控制模块及帮助模块。根据系统模块设计需求，对上位监控系统进行了用户、 设备及窗口组态，构造相应的实时数据库，通过编写系统驱动程序实现上位机和 下位机之间的通讯，通过a d a m 4 5 2 0 模块设计实现从r s 2 3 2 到r s - 4 8 5 的转换。 并且对锅炉控制方法进行了改进，实现手动自动控制两种模式。该系统通过现 场安装及测试，可以实时采集下位机数据，并且可以根据不同的区域对温度不同 的要求，进行不同的锅炉控制。 该系统具有以下几个特点：节电、节能、运行费用低据统计，采用这种智 能节能供暖系统，小区采暖燃气消耗由原来的4 7 0 吨降为2 5 0 吨左右，节省了约 2 2 0 t 费用也相应降低4 0 - 5 0 ，由原来的9 0 万元降为5 0 万元左右，节省了约 4 0 万；分区供暖，随意控温：控制系统界面直观，工人劳动强度低；具有比较 好的扩充性，可维护性好，当需要增加取暖区域，或者新增功能，不会影响原来 的数据导入，这样就节约了能源，降低了成本。 本系统在实际现场测试中运行稳定，实现了对锅炉采暖节能的自动监控，运 行可靠和稳定。系统的构建思想和方法对于其它基于组态的自动化控制系统也有 一定的借鉴意义 。 关键词供热系统；节能：天工组态；集散控制；实时监控 a b s t r a c t b e c a u s ei ti sc o l d i n 血ew i n t e ri nt h en o r t ho f o r e i m 略t h eh e a t i n gi st h ei m p o r t a n tw a yt o w a 血a l o n gw i t ht h es t a n d a r do fp e o p l e sl 施a d v l m c 8 , t h eh e a t i n gs y s t e mb 锄b e c o m e d i 蚰m 山c dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) o f d i s t r i c tf i o mt h eh e a t i n gs y 咖血o f s i n g l ef a m i l y s op e o p l e m yl n o r ca n dm 帆a t t e n t i o nh o wt o e s t a b l i s has e to fb o i l e r sh e z m n ga n df , n e 昭, y - s a v i n g c o n t r o ls y s t e na st h ec o n t r o l 、c o m p u t e ra n di n t e r n e tt e c h n o l o g yd e v e l o p sr a p i d l y , i tp r o v i d e s g r e a tp o s m b i l i t yt oi m p r o v et h et e c h n o l o g yo f b o i l e rh e a r f i n ga n de n e r g y - s a v i n gc o n a o ls y s t e m t h er e s e a r c ha n da m e f i o r a t i o no fb o i l e fh e a n i n ga n de n e r g y - s a v i n gc o n l z o ls y s t e mh a st h e 缸l p o 血n tm e a n i n gi oi m l ”o v i n ge f f i c i e n c y 、c o n t r o l l i n gq u a l i t y 、r e f o r m i n gc o n d i t i o na n ds a v i n g a i 哪 ma r t i c l es e tah e a t i n ga n de n e r g y - s a v i n gc o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e m i z e dd i s t r i c t , d i s c u s s e dt h ep r e s c n ts i t u a t i o no fi d u 鲥a yc o m p u t e r , a n a l y z e dt h et e c h n i ca n df l o wo fb o t l c i - 8 h e a t i n g , u s e dc 面g 删o n f h ，m - - t 皿n g o n g ，b a s i n go nt h ef a c t u a lc i 龙吼t h es y s t e m c o n t r a l m s e sd i s i d v a n t a g et h a tt h eu p p e rm a c h i n eo ft r a d i t i o n a ls y s t e m sn 碘n d i n g 血ci st o o l o n g , t h ew i n d o wi st o os i n g k ，1 ku p p e rm a c h i n ea d o p t e di n d u s l x yc o m p u t e ro fy s n h u aa n d n j i g 删o ns o 胁- - t i a n g o n g t h en 劬盯m a c h i n ea d o p t e dt h e “p e f tb o i l e rm o d u l e - p l m d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ed e s i g n , s y s t e m 扭d e t a c h e df o u rp 越协：s a f em o d u l e 、d a m - c o l l e c t i n g m o d u l e 、c o n t r o l l i n gm o d u l ea n dh e l p i n gm o d u l e b a s e do i lt h ed e s i g nd e m a n do f s y s m m sm o d u l e 。 d oi t sf o l l o w s ：c o n l i g u r a 血gu b 、e q u i p m e n t sa n dw i n d o w s ，f o r m a t t i n gd a t a b a s e ，c o m p i l i n g p r o g r a m m i n go f t h eu p p ra n dn e t h e rm a c h i n e t h ed e s i g no f a d a m 4 5 2 0 r e a l i z et h ec o n v e r s i o n o fr s - 2 3 2t or s - 4 8 5 b e s i d e s i m p r o v i n gt h ec o n t z o l l i n gm e t h o do f b o i l e r , 刚i z ct w oc o n t r o l l i n g m o d u l e ：a u t o m a t i ca n dm a n u a lt h es y s t e mh a sb e e ns e ta n d 吼i tc a nc o i i 鳅d a t ai nr e a l - t i m e ， a n dd ot h ed i v e r s eb o i l 目 sc o m x o l l i n ga st h ed i v e r s ea r a n dd i v e r s e 血e t h es y s t e mh a s cs p e c i a l t i e sa sf o l l o w s ：s a v * e l e c t r i c i t y , 鲫瓤哪l o wa 中口b 目s t a r , t h e _ m o t t n to fe n e r g yc o n s u m e df a l l sf r o m4 7 0 tt o2 5 0 t 皿c 位d e c l i n e s4 0 5 0 , f r o ma b o u t 9 0 0t h o u s a n dy u a nt oa b o u t5 0 0t h o u s a n dy u a n ；p r o v i d eh e a t i n gb y 出曲d c lc o n n o l 蛔叩咖o 曲a l l y ；枷t i 训cc o n t r o lw i n d o w ，l o wl a b o u ri n t e n s i o n ；b e t t e r 唧a n s i a n d b e t t e r m a i n t e m m i t 懿n 惜e n e r g y a n d r e d u c e sc o s t t h es y s t e m 衄8s t a b l yi nt h e 眦：黜r e a l i z et h ea l n oc o n t r o l o fb o i l a rh e a t i n gs y s t e m t h c i d a n dm e t h o do f t h i ss y s t e mh a ss o m eu f o rr d c r e n c et ot h eo t h e ra u t o m a t i o ns y s t c = n k e y w o r d sh e a t i n gs y s t e m ；s a v i n ge n e r g y ；, t i a n g o n g 血g l 蛐d e w a ；d c s ；瑚l - 血e w a t c h i n ga n dc o n l r o l l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名一弦如硇日期：尘q 。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件。允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：陆酗加导师签名：日期：缉：z r 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景、研究意义以及研究内容 1 1 1 课题背景 在我国北方，天气寒冷，一到1 1 月份各个商业区、办公区、住宅区都会提 供暖气。随着城市建设的迅速发展，供暖面积的不断扩大，如何科学有效地控制 和管理供暖系统，提高供暖的经济效益和社会效益，成为急需解决的重要课题。 在供暖系统中，锅炉房供暖所占比例很大，据对我国北方地区2 9 个大中城市近 3 。5 亿平方米的供暖调查，锅炉供暖占8 4 ，热力供暖占1 2 ，其他供暖占4 【”。 在今后相当长的时间内，集中热力供暖是发展趋量的n 0 2 等有害气体，成为我 国大气煤烟型污染的主要来源之一，尤其是燃煤排放的c 0 2 气体所引起的温室 效应，早己引起国际关注。 锅炉是一个耗能设备，我国的锅炉技术还比较落后，存在设备陈旧、人工控 制、劳动强度大、锅炉热效率低、能耗高的问题。因此在漫长的采暖期，势必会 投入过多的人力、物力及财力。并且在大量燃气燃烧后产生的s 0 2 、c 0 2 等污染 物也会影响人类生存的大气环境。 1 1 2 研究意义 现在我国城市化速度加快，城市数量增加，城市人口增多。我国城市集中供 热发展很快，1 9 9 7 年全国集中供热面积为8 0 7 4 6 7 m s ，比1 9 9 6 年增加了9 ，9 6 。 到1 9 9 8 年，全国有2 8 6 个城市已有集中供熟设施，供热面积达8 6 亿时。供热 管网约为3 5 万公里，已占华北、东北、西北、山东、河南等采暖地区实有房屋 面积的1 4 以上。三北”地区集中供热普及率为2 9 0 8 。随着供热面积的增大， 能源消耗也势必增加【l 】。 建设部给出了一些触目惊心的数字：由于过去供热系统设计不合理，用户室 内无法自主调控。如果热了，只好开窗户调节室温，大约浪费了全部热量的7 2 1 。 这种浪费在公共建筑中体现得更明显：目前，办公楼、教室等公共建筑，在 下班、放学以后，周末、元旦、春节以及寒假室内无人的情况下，照常供热。以 华北地区为例，供热期1 2 5 天，其中节假日就有4 0 天，占采暖期的3 0 。也就 是说，至少这4 0 天的能源白白浪费。 目前中国能源利用效率比国际先进水平落后约1 0 个百分点，国内主要用能 北京工业大学工学硕士学位论文 产品的单位产品能耗比发达国家高出2 5 - - 9 ( p , 4 ，加权平均高出4 0 左右唧。尤 其要指出的是，由于国内经济高速增长带来的需求刺激，中国低技术、低效率、 高消耗的生产能力和民用设旌仍在迅速增长。能源问题成为人类社会发展得重要 问题。在各种能量消耗中，建筑是用能大户，主要包括采暖、空调、降温、热水 供应、炊事、家用电器和照明等能耗。欧美发达国家建筑能耗_ 般占到全国总能 耗的3 0 * , - , 4 0 。在我国，1 9 9 6 年全国能源消费总量为1 3 8 8 亿吨标准煤，而建 筑使用的能耗占全国商品总能耗的3 5 。目前我国的锅炉技术还比较落后，存在 设备陈旧、劳动强度大、锅炉热效率低、能耗高的问题。而生产效率和自动化程 度低，进一步加重了环境污染的程度。 锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、 自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。因此，我们在不断提高锅炉制 造技术、绿化环境的同时，更有效的方法是采用计算机控制，实现自动化控制程 度，减轻劳动力强度等。据不完全统计，采用计算机控制可以节能5 - 1 0 4 1 ，同 时减少环境污染 锅炉的计算机控制使锅炉始终处于最佳工作状态，提高了锅炉的运行效率和 燃烧效果，不仅节约能源，也减少了烟尘和有害气体的排放，具有较好的环保效 果。同时，计算机控制系统通过各种传感器检测锅炉温度、压力、流量等参数， 传送至微机和仪表盘，并实现温度和压力等参数的自动控制，工人在计算机控制 室就可以全面了解锅炉房各部分的运行情况，大大改善了工人的工作条件，提高 了自动化程度和管理水平，具有显著的经济效益和社会效益。 1 1 3 课题研究内容 本课题主要是基于北京恒嘉电器设备有限公司下属某地区实际情况需求，而 设计开发适用于当前小区楼宇需要的采暖节能系统。系统通过一些关键技术，如 数字信号采集处理技术、r s - 4 8 5 串行通信技术、系统抗干扰技术等的研究，设 计一个采暖节能控制系统，实时采集锅炉的运行信息，并在监控计算机上显示出 来，实现计算机控制 系统预期实现的基本功能如下： ( 1 ) 安全功能在系统启动的时候，设置专门的系统权限，对于不同的人员 给予不同的系统操作权限，这样可以更好的保护系统不受破坏，安全运行。 ( 2 ) 数据采集系统设计一个强大的数据库，将从下位采集到的锅炉运行状 态信息( 运行状态、运行时间、故障信息等) 、工程报表、历史曲线、实时曲线 及锅炉房里硬件设备和工作人员工作情况等数据存放入数据库，需要时可进行相 应的比较和查询。 第1 章绪论 ( 3 ) 系统控制系统设计两种控制模式，一种是手动操作，操作人员根据采 集到的实时数据，人为的对各个设备、开关阀、流量阕等进行指令调控，下位机 接收到指令进行工作。一种是自动操作。在这种情况下，无需工作人员干预，系 统根据采集的数据自动调用系统控制脚本，完成设备运行协调、报警处理等工作， 实现自动控制。 ( 4 ) 在线帮助系统在最后给用户设计一个帮助模块，为用户在使用系统出 现疑难的时候提供帮助。 1 2 集中供热控制系统 1 2 1 集中供热控制系统概念 随着近年来节能、降耗及环保意识的增强，通讯技术与计算机技术的发展， 以往采用的分散供热的方式已由联网集中供热取代，集中供热己成为我国北方冬 季供热的一种主要形式。并且获得了越来越广泛的应用。实行集中供热是合理利 用能源，提高能源利用率，减少环境污染，促进生产，改善入民生活，加速城市 现代化建设的有效措施和重要途径。 城市集中供热是指以热电厂或区域锅炉房为热源，经供热管道将热媒( 水蒸 汽或热水) 输送给一个或几个区域的工业及民用热用户的热能供应方式。其主要 任务是按照热用户的需要和要求，可靠地经济地把热能从热源输送给各个热用户 和用热设备。 集中供热系统是由热源，供热管网和热用户用热系统三个部分组成的。熟源 是指在区域锅炉房或热电厂内，利用燃料燃烧所产生的热能，加热供热系统热媒 ( 水蒸汽或热水) 的供热设备。供热管网是指将热源产生的热媒输送给各热用户 的管路系统及其输送设备。热用户用热系统是指热用户内的采暖系统，生活用热 水供应系统和生产用热系统及其用热设备 目前我国大多数地区集中供热系统的运行管理和控制技术上不成熟，自动化 水平较低，缺乏合理性。从整体上看使得供热系统控制方法跟不上供热规模的发 展，从而影响了集中供热优越性的发挥。主要问题反映在：缺少全面的参数测量 手段，无法对运行工况进行系统的分析判断；系统工况失调难以消除，造成用户 冷热不均；供热参数未能在最佳工况运行，供热量和需热量不匹配；故障发生时， 不能及时诊断报警，影响可靠运行；数据不全，难以量化管理【5 】。比较典型的问 题就是我国大部分集中供热利用热电厂作为供热热源，并采用问连式供热网连 接，由几十个热力站组成。供热电厂提供的高温过热蒸汽经电厂换热站汽水换 热器形成高温热水由一次管网送至各热力站，高温热水再经热力站水水换热器 北京工业大学工学硕士学位论文 形成供暖热水由二次管网送至用户。这样若各个热力站实行独立调节，则不能从 整体上进行控制，将出现在热源不足的情况下产生各热力站“争食”现象，使热 网末梢热力站无热可供，造成热用户水平失调及垂直失调，各供热小区冷热不均， 供热质量难以保证，无法实现整个热网的优化与协调。同时在热量充足的情况下 可能出现超供浪费现象，也难以达到降低能耗、提高经济效益的目的。为了解决 集中供热的问题，提高供热网的供热质量，就需要对集中供热网系统进行总体控 制，从而使全网的运行状态最优、供热质量最好、成本最低，提高热网的经济和 社会效益，为人们创造良好的工作和生活环境 1 2 2 国内外集中供热控制系统现状 集中供热网的运行调节和控制是一项跨学科的综合技术，是保证热力设备安 全和经济运行的必要技术措施，对提高供热网的整体运行质量意义十分重大。这 一技术的研究与发展直接关系到城市居民居住环境质量，关系到城市建设的发 展，体现着供热、控制领域的科研和应用水平。 1 2 2 1国内外供热网控制的基本原理在集中供热领域，北欧的一些国家发展 较早，技术较为成熟，形成了他们的一套方法；同时随着我国集中供热的发展， 我国的供暖和控制科研人员研究提出了一系列的调节和控制手段，又形成了另一 套方法，比较适合我国的国情，取得了一定的成果。 北欧国家采用的方案主要是基于流量调节【6 l 。即：一方面控制供热系统最不 利环路的供回水压差不小于给定值，当供回水压差小于给定值时，启动供热系统 中有关的增压泵，以维持要求的压差值，使供热系统全网的循环流量达到设计要 求；另一方面，供热量的调节( 满足设计室温的要求) ，则是通过热源的集中调 节和用户热入口( 多为间接连接) 的局部调节以及散热器处恒温调节器( 即温控 阀) 的个别调节进行的。可见，北欧国家所采用的这种方案实际是四个环节的控 制，即室内的恒温控制，热入口的流量控制，热源的燃烧控制，在此基础上实现 供热网的供回水压差控制。此外，俄罗斯受地理环境的影响【7 1 ，发展供热系统较 早，目前也比较完善，是世界上集中供热最发达的国家之一，在集中供热控制的 实现中有很多经验值得借鉴。但是这些国家的集中供热系统需要高质量的调控设 备。而且需在住房建筑方面进行相应的建设，投资较大，我国大部分地区的集中 供热系统不适应这些国家的调节与控制方法。 国内的控制方案是基于温度调节法【”，这种控制方案采用温度调节法来实现 流量的均匀调节，进而消除供热系统冷热不均的问题。对于间接连接系统，通过 一次网流量的调节，使二次网的供水温度在同一外温下达到同一给定值范围内， 从而保证各用户平均室温均匀一致。在这个基础上，于热源处控制总供回水温度 第1 章绪论 和总循环流量，实现供热系统按需供热，使用户室温达到设计要求。总体上，这 一方案是通过均衡供热和按需供热两部分来实现的。相比北欧国家的方案，该方 案对硬件的要求较低，比较适合我国当前的国情。 1 2 2 2 国内外集中供热网控制的实现方法目前已有的控制方案主要是通过 解耦控制方法和智能控制方法实现。 ( 1 ) 解耦控制供热网为闭式水力网络，其中任意一个子站的支路流量变化 或调整阀门时必然会引起全网的压力分布的变化，从而对其他子站的流量产生影 响，进而影响其温度。这种藕合问题的解决，首先应设法衡量系统耦合的程度， 即通过管网各支路之间的增益矩阵来判断用户间的水力耦合程度和耦合性质【9 】， 从而确定被控参数和控制装置的合理配对，指导设计控制系统。供热系统的水力 工况藕合程度和耦合性质可用稳态相对增益矩阵来描述，所谓相对增益，就是在 互相藕和的几个控制回路中，选择某一回路，通过一定的方法确定各种输入和输 出变量配对的耦合程度和耦合性质，然后可以根据输入与输出量之间的相对增益 组成相对增益矩阵，用相对增益矩阵可以方便的确定系统的藕合特性，根据上述 确定的热网系统藕合特性，进一步选择合适的控制方法，如果各回路之间虽有耦 合，但在单回路调节下都能稳定，那么选择单回路调节算法即可。但是由于供热 管网的复杂性，确定各回路的耦合性质之后，大多数回路还不能用简单的控制方 法完成控制，所以还需要对系统进行耦合控制，进而实现有效的控制。因为实际 的工业过程大多数都包含了较多的过程变量，而且各个过程变量间存在着不同程 度的祸合，即任何一个变量的变化常常都可能引起其他变量发生变化，这就使得 解藕控制越来越得到研究人员的重视。 对多变量系统实现解藕控制是目前普遍采用的方法【埘，在闭环自适应解藕控 制中，实现解藕的基本思想可归结为：对于某一通道，可以将其余通道对他的影 响看成是干扰信号，用前馈补偿的方法进行消除。借鉴这个思想，提出了两种多 变量系统的神经网络解耦新方法。一种是利用神经网络实现前馈补偿，使补偿以 后的系统实现解藕，且解藕后的单变量系统具有原对象主通道的特性，在这种方 法的设计中考虑到动态递归神经网络可以减少网络的输入个数，避免输入各变量 阶次的困扰，因此采用了动态递归神经网络。第二种方法是将解藕和神经网络逆 动态控制结合起来，使对象的输出跟随对象输入值的变化，在这种方案中用到了 神经网络逆动态控制原理设定了输入，输出和性能指标函数，得到其中一部分模 型的神经网络实现，同时利用神经网络构成已知输入输出的对象的辨识模型，根 据对象的输入输出数据对这一模型进行辨识，然后将和其一样的神经网络结构赋 予方案中要求的另一类模型，从而得到他们的神经网络实现。针对实际生产过程 很难建立精确的数学模型，并且参数是时变的特性，有许多学者研究了一些对参 数不敏感的解藕控制算法，解决了解祸控制器对参数的敏感问题，实现鲁棒解藕 北京工业大学工学硕士学位论文 控制。模糊控制理论是一种具有较强鲁棒性的控制方法【5 1 。可以应用模糊解藕自 适应控制方法，该方法可使对象模型难以确定的系统实现解藕控制，且鲁棒性较 好，自适应能力较强。 ( 2 ) 智能控制集中供热网由于热工过程大多是强烈耦合的多输入多输出 ( m 蹦o ) 非线性系统，其动态特性随着运行工况的变化而大幅度变化，且各环 节的动态特性差异很大，许多环节还具有惯性、滞后、非线性和不确定性等特性， 难以建立精确的数学模型，使传统控制理论的应用受到限制。因此，可以选择不。 依赖系统模型，同时又能随着工业过程的实际环境的改变进行自主学习推理的智 能控制。智能控制是应用人工智能的理论和技术和运筹学的优化方法，并将其同 控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效人的智能，实现对系统的控制。 模糊技术、神经网络和专家系统几种智能信息处理方法是智能控制领域的重要基 础工具，近年来得到了迅速发展，在解决传统控制难题方面显示出其优越性。针 对集中供热工程中热网分布不均匀、随机性强等特点，为了进一步提高供热效益， 提出了专家控制系统设计方案，并就控制规则集的设计作了可贵的探索。针对供 热网中大时滞现象，提出了一种新的模糊控制器结构。这种模糊控制器通过在线 辨识广义时滞，将时滞辨识的结果模糊化，决策出模糊规则组，填充主模糊规则 表，达到自适应的目的作为应用，给出基于集中供热网温度控制的模糊控制器 的设计，以解决控制对象中由大时滞和时变引起的不易控制和参数调整困难的问 题。 然而，各种智能控制方法由于其自身的不同特点，适用领域都受到限制。因 此人们将这几种智能控制方法有机地结合起来，以期综合优点、互补不足，构造 出接近于人类大脑高级智能活动的计算智能的新学科开始形成，并迅速发展，以 计算智能为理论基础的集成智能系统在应用中体现了强大的生命力【1 1 。近年来国 内越来越多的集中供热网综合自动化技术的研究专家们把集成智能系统的思想 引入到热力系统的控制中。其中应用较广泛的一种是将传统常规控制和智能控制 并存的混合智能控制系统，例如将模糊控制器和p i 控制器并联组成双模控制 器，根据系统的不同状态选择不同的控制方法，能够满足控制对象是变参数系统 的控制要求，在各种工况下均能保证所要求的控制精度。模糊控制在中央控制机 中实现，p i 控制在p l c 中实现，这种双模控制器还可以保证在中央控制机不投 入控制的情况下，也能对温度进行基本控制，便于实现冗余功能。在传统混合智 能控制系统中加入专家控制模块，由专家控制模块根据对历史数据和当前数据的 分析，优化流入各控制算法模块数据流的分配和各控制输出量综合的比例因子， 实现自适应控制。这样就构成了自适应混合智能控制。另外一种就是将模糊技术、 神经网络和遗传算法三种主要的智能控制方法互相交叉、有机地结合起来，将三 者协调地使用于一个系统中的问题。三者结合组成一种新型智能控制系统，基于 第1 章绪论 遗传算法的模糊神经网络智能控制【馏。该系统的特点是：采用模糊神经网络结构 实现，它用遗传算法优化具有全局性的隶属函数参数，而用b p 算法调节和优化 具有局部性的网络权值参数，从而使该控制器可大大提高模糊神经推理控制系统 的自学习性和鲁棒性。 集成智能系统结构统一简捷，系统便于维护，符合模块化、组态化的设计思 想，易于实现系统集成，具有良好的通用性和扩展性，并且可以在实现复杂功能 的同时，提高可靠性与实时性。综合智能系统通过综合应用多种智能控制策略， 并与传统控制方法有机结合，应用于热力系统的控制中，可以解决常规控制难以 奏效的一些控制难题，在热工领域中有着广泛的应用前景。 1 2 3 计算机监控在集中供热控制系统中的应用 计算机监控系统有4 0 年历史f 1 3 j 1 9 5 6 年美国首先研究了用于军事上测试项 目的计算机监控系统。由于这种系统的性能优良、使用方便，从他问世以后即获 得迅速的发展。计算机监控系统，是指以监测控制计算机为主体，加上监测装置、 执行机构，与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体，具有数据采集、 监视、控制功能的计算机系统它经历了集中式监控系统、微型计算机监控系统、 分层分散监控系统、开放式s c a d a 系统的发展【1 】。现在随着传感器、计算机、 通信及网络技术等的发展，计算机监控系统已从单台计算机的直接监测控制发展 到多级计算机监测控制系统，以及分布式、网络化、智能化、无线化系统。其中 比较典型的、具有代表性的是监控和数据采集系统，也就是人们常说的分散型监 控s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n 廿 o ia n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统。这种监控系统较好 地利用了微型计算机和通信及网络技术，生产过程的各个设备配备了相应的微型 机测控设备，可独立对设备监控，同时，通过通信网络与中央监控计算机通信。 由于它具有实时性、可靠性、可维护性、过程数据自动采集和处理、人机通信、 自动管理、报警等强大的功能，使得它的运用也越来越广泛。 本系统是利用了计算机和通信技术，在各个设备上都配备了相应的微型桃测 控设备( 传感器、摄像机等) ，进行独立的设备监控，然后通过传输介质将信息 传递到上位计算机上，以达到监控管理以至节能目的的分散型监控s c a d a 系 统。该系统基于温度调节法，根据温度的不同需求来实现流量的均匀调节，进而 消除供熟系统冷热不均的问题，从而保证各用户平均室温均匀一致。在这个基础 上，于热源处控制总供回水温度和总循环流量，实现供热系统按需供热，使用户 室温达到要求 7 - 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 本章小结 基于对当前我国所面临的能源紧缺形势的分析，以及取暖技术、实施方法的 概况，监控技术在国内外的发展状况，阐明了要更好的节约能源，摆脱能源紧缺 的境况，就必须不断提高计算机监控技术，提高集中供热控制能力。本文介绍了 目前国内外供热的现状，主要控制原理、方法、特点及采用集中供热分布式控制 的必要性。根据北京恒嘉电器设备公司下属某小区的实际情况，针对不同区域的 不同温度要求，设计开发符合该小区生产和管理实际情况的基于s c a d a 的采暖 节能系统，以达到自动控制及节能的目的 第2 章系统总体瑷计 2 1 背景概述 第2 章系统总体设计 2 1 1 小区供热基本状况 锅炉房内共装配有2 台4 t 燃气蒸汽锅炉，l 台1 0 r r 燃气蒸汽锅炉。小区共6 2 3 万余平方米的建筑面积，其主要供暖方式是直接供暖：小区分为南北区，南区为 办公区，北区为商业区和居民区。南边两个区采用了共同的供暖回路，北边三个 区采用了两个供暖回路，分别供给商场和居民。 2 i 2 小区供热设计目标 锅炉的燃烧调整及起停要根据供热负荷的实际情况，进行合理、有效的集控 和联控，使每台锅炉处于最佳运行状态，并达到供需平衡。 锅炉房到住户的供暖系统的热量分配尽量平均。根据二次供热的回水循环水 量以系统设计的功热量所需的流量值来参与整个系统的供热循环。 采用合理的设备，使上位控制和下位采集实现量与质的同步。调控供热区域 内的热量分配。 2 2 系统方案设计 2 2 1 工程对象 ( 1 ) 控制对象2 台4 1 燃气蒸汽锅炉，1 台1 0 t 燃气蒸汽锅炉； ( 2 ) 连接方式r s 2 3 2 i 峪- 4 8 5 总线方式； ( 3 ) 控制系统特点具有面向蒸汽锅炉控制优选程序算法的专家组群控系 统：具有多重故障保护及安全连锁功能的群控系统：具有m s 接口及远程接口的 群控系统。 设计针对三台燃气蒸汽锅炉与控制系统，本项目的主要工艺设备有： 4 1 他燃气锅炉2 台： 1 0 t h 燃气锅炉l 台： 温度数显表4 台； 9 北京工业大学工学硕士学位论文 操作平台1 台： 燃烧器3 台： 补水泵3 台。 2 2 2 系统总体设计思路 该系统主要由3 部分组成： ( 1 ) 上位机监控管理系统上位机监控管理系统由工业控制计算机和组态软 件组成，采用了研华工控机i p c 6 1 0 0 ，a c e r l 7 寸彩色显示器，1 2 8 0 1 0 2 4 高分辨 率，2 5 6 m 内存，6 0 g 硬盘，5 2 倍速光驱，标准键盘及鼠标，3 5 英寸软驱，1 2 8 m 优盘； ( 2 ) 下位机控制系统下位机控制系统由锅炉控制器软件及外围部件组成 的。用杭州家和公司锅炉控制专用模块p l m 作为信息处理和中央控制单元，同 时嵌入h o m e w e l l 公司设计的专用控制软件，具有输入输出光电隔离、停电保护、 自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低： ( 3 ) 外围设备系统由锅炉本体及燃烧器和各种阀门、泵等组成。包括锅炉、 温度数显表、摄像头、压力传感器和温度传感器。 图2 1 系统布置图 f i g 2 - 1 t h ep l a c e m e n to f s y s t e m 整个锅炉控制系统是根据燃气蒸汽锅炉操作规程及控制要求设计的，具有 对燃气蒸汽锅炉进行全自动控制及故障保护等功能。主要控制对象为燃烧器、水 位、烟道温度等。上位机系统采用研华工控机作为数据处理和控制核心，以宏基 1 7 寸彩色液晶屏作为监视平台，同时预留了标准的通讯接口，可与中央机房连 网实现远程监控。下位机控制模块采用杭州家和公司锅炉控制专用模块p l m 作为 信息处理和中央控制单元，同时嵌入h o m e w e l l 公司设计的专用控制软件，具有 第2 章系统总体设计 输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境 恶劣的工业现场中，故障率低。该系统实现了蒸汽锅炉的手自动控制、工况监 控、历史数据记录、实时趋势等一般的图文显示及监控要求，具备了丰富的故障 检测、故障报警、故障处理等功能，最大限度的保证了锅炉的安全可靠运行。 上位机控制系统采用主从式控制方式，总控制室配置由一台微型计算机和实 时监控软件组成的上位机监控管理系统，如图2 2 所示，锅炉房安装多台由单片 机控制的下位机，各下位机之间属于同级关系，它们之间不能通讯，上下位机之 间通过r s 4 8 5 接口进行通讯，通过。点对点”链路连接到中心监测站，采用集 中式访问控制策略，所有通信均由中心监铡站服务器控制，中心监测站服务器负 责建立和维护许多条并行的数据通信线路，承担系统的主要功能，各个本地监测 站只负责数据采集和上传。 上位机的软件系统是整个控制系统的核心单元，它为用户提供了从传送数据 到采集数据、数据处理、数据查询等一套完整的方案和操作工具，基于这种思想， 在本监控系统设计时尽量采用模块化、通用化的设计，以求能灵活地更新升级， 并逐步应用于其它监控管理场合。 在用户化方面，尽量采用各种对话框和菜单及各种提示，以实现良好的人机 界面，提高工作效率，以降低对使用人员的专业知识要求。在安全化方面，控制 系统设计应当有良好的保护措施，以免发生意外故障而造成的数据丢失，而且要 有一定的保护程序以确认数据更改的准确性。 图2 - 2 系统框架图 f i g 2 - 2 t h ef r a m eo f s y s t e m 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 3 系统模块化分层 多锅炉、多机组集散控制系统，严格按照工业控制标准和锅炉安全要求原则 设计。软硬件采用面向对象的模块化设计，安全可靠。系统按现代工业学设计理 论分层次设计，共四层： ( 1 ) 一层一现场传感器及执行器汽包蒸汽压力、锅炉出口蒸汽温度、锅炉给 水温度、汽包水位等仪器仪表采用著名品牌器件，保证单台锅炉各项工况参数实 时精确检测。 ( 2 ) - - 层一现场锅炉控制柜锅炉现场控制柜直接控制各锅炉的运行。对上接 收上位机指令，对下采集数据，系统单元之间相互联系，又都具有相对的独立 性下位机( 控制柜) 可以脱开上位机( 工控机) ，进行独立操作运行，同时也 可在联机状态下通过上位机进行操作监控。 ( 3 ) 三层一中心控制柜完成系统的整体管理及监控，是系统的核心。对外与 工作人员交互信息，对内完成监控及管理任务。按照“指令”和。数据”适时管 理及控制3 台锅炉运行。通过r 8 - 4 8 5 接口可向中央机房提供锅炉运行参数，实 现自控 ( 4 ) 四层一网络层( 预留硬件接口)提供硬件网络接口( r 8 - 2 3 2 ) ，使异地 计算机通过d d e 数据交换格式与相邻上位机进行信息交换。 2 3 系统要求 在当今世界网络技术日益发展，i n t e m e t i 了益流行的情况下，监控系统也正向 体系结构的开放性与系统实现的网络化方向发展，其应具备的特征如下： ( 1 ) 标准化与国际上有关的程序设计、通信、网络管理、界面表示、系统 接口等标准兼容，开放系统互联的任何站点都是平等。 ( 2 ) 实时性保证数据从下位机采集模块及时传输到监控中心 ( 3 ) 扩充性保证原有数据的导入及工作中新增功能。 ( 4 ) 操作性界面简洁，美观，直观易操作，友好，富于人性化。 2 4 性能需求 ( 1 ) 数据精度数据量保留小数点后两位，其他按照系统中数据的具体含义 其精度会有不同。 ( 2 ) 时间特性系统统一利用后台主机系统时钟，由于本系统对时间的一致 性要求不是特别高，所有不用利用网络同步服务时间 第2 章系统总体设计 ( 3 ) 灵活性本系统采用标准协议，采用较为通用的编程工具，模块化编程， 采用国际上较为通用的关系数据库系统，采用开发式体系结构。因此系统具备较 强的灵活性和可扩充性。 ( 4 ) 一般适用性系统要求对对使用者的权限要进行控制，由于用户为本所 拥护，性能方面以满足查询为主。由于管理系统的功能可能发生变化，对应系统 的扩展性是应该予以考虑。 2 5 安全性需求 ( 1 ) 防止非授权用户登录所有用户登录时都进行口令认证，严格限制非授 权用户登录管理。 ( 2 ) 防止非法数据入侵所有目录屏蔽能较好的保证系统的数据安全，性能 稳定。 2 6 数据保存需求 实时数据库数据应制定相应的备份策略，定期进行数据库的备份转储，以保 证数据的安全性。 2 7 系统功能分析 锅炉监控系统是在锅炉房内监控中心的控制台实现对各泵站设备的监测、控 制功能，实现监视锅炉运行状态和运行参数、接收故障报警信息、通过智能终端 设备下达控制信号( 现场手动优先) ，并具有报警功能、操作权限管理功能、报 表统计和打印功能等。在设计过程中，系统可以实现的功能可以概括为以下几个 方面： 1 ) 运行方式自行运行和手动操作相结合，实现对泵站地自动监测和控制。 ( 2 ) 用户界面系统提供友好界面和方便易用的控制、在线帮助。 ( 3 ) 实时监控动态监测作业流程，动态显示流程画面，自动监测设备的开 关、温度、压力、速度等相关参数。 ( 4 ) 报警功能系统有自动报警的功能，并能记录故障时间、原因等信息。 ( 5 ) 打印输出系统能定时或实时打印故障信息、系统运行信息、操作员等 信息。 ( 酚保存数据系统具有自动保存数据和其它应用程序交换数据的功能。 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 2 8 本章小结 本章介绍了小区供热的背景情况，制定了系统实现目标，提出总体方案设计 思路，介绍了该控制系统的各个组成部分及性能要求，包括工程对象、软硬件构 成、模块化分层结构。并且介绍了控制系统的性能、安全性、数据保存及功能要 求，进行了系统的总体设计。 第3 章系统详细设计 3 1 组态软件 第3 章系统详细设计 3 1 1 组态软件概念 一般英文简称有三种分别为h m i m m f s c a d a 堋，对应全称为h u m a na n d m a c h i n ei n t e r f a c e m a na n dm a c h i n ei n t e r l a r d s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，中文翻译为：人机界面监视控制和数据采集软件。目前组态软件 的发展迅猛，已经扩展到企业信息管理系统，管理和控制一体化，远程诊断和维 护以及在互联网上的一系列的数据整合【1 3 】。 工况动画构件 实工况模拟动画 开 运 流程控制设计 时 工况现场控制 发形 报警系统组态 、 数、r - 叫报警指示显示 环 环 报表曲线组态据报表曲线打印 境 境 i o 设备组态 库f o 设备响应 图3 - 1 组态环境与运行环境关系示意图 f i f r 3 1 s k e t c hm a po f t h ec o n f i g t u 面o na n dr u n n i n ge n v i r o n m e n t 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，如图3 1 所示，它们是 在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用 户提供构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该 能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络 功能。对应于原有的h m i ( 人机接口软件，h u m