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城市供暖
摘要
随着信息科学技术的飞速发展,在城镇集中供热领域中,不仅对热力站流量、压力、温度等参数的检测与控制有高精度的要求,而且还根据城市发展的需要,热力站在供热负荷允许的情况下还会增加新的管道和供热用户。
随着供热网的不断扩大,如何科学有效地控制和管理热网,提高热网的经济效益和社会效益,成为供热企业急需解决的重要课题。
采用嵌入式计算机远程监控系统可以有效地解决热网的控制和管理问题。
本文以热力公司集中供热热力站为研究对象,以供热工程基本理论为基础,结合当前的嵌入式计算机应用技术,对集中供热热力站微机监控系统进行了分析和研究,针对集中供热系统的特点,采用了嵌入式计算机远程监控原理及方法,设计了基于嵌入式技术的热力站计算机监控系统。
文中给出了以STM32嵌入式芯片为主体的硬件模块化设计和软件的设计。
供热管网运行控制,具有不确定、非线性、强耦合等特点。
常规的PID控制难以满足供暖热水温度控制要求。
因此,本文采用了模糊PID算法,实现了对热交换系统模型的仿真控制,利用模糊推理对PID参数KP、KI、KD进行在线整定。
用MATLAB软件对控制算法进行了研究与仿真,仿真结果表明该控制器具有较小的超调量和较好的稳定性。
文中着重阐述了嵌入式系统实现热力站数据采集控制器的硬件、软件设计,以及设计中采用的模块化设计方法;讨论了保证系统稳定可靠运行、以及热平衡调整的关键技术;了解了GPRS网络通讯原理,研究了GPRS-DTU如何实现与数据中心之间的通讯。
关键词:
集中供热;嵌入式系统;热力站监控系统
Abstract
Alongwiththerapiddevelopmentofinformationtechnology,inthetownofcentralheatinginthefieldofpowerstation,flowrate,pressureandtemperaturemeasurementandcontrolparameterssuchashighprecisionrequirementsarealsoaccordingtotheneedsofthedevelopmentofthecitiesintheheatingload,heatingallowedalsoincreasesthenewpipelinesandheatingusers.Withtheexpandingofnetwork,heathowtoscientificallyandeffectivelycontrolandmanagementofnetwork,improvethenetworkofeconomicbenefitsandsocialbenefits,becomeheatingenterpriseurgentimportanttopic.Usingtheembeddedcomputerremotemonitoringsystemcaneffectivelysolvetheproblemofthenetworkcontrolandmanagement.
Basedonthermodynamiccompanycentralheatingpowerstationforresearchobject,byheatingengineeringbasictheory,combinedwiththecurrentembeddedcomputerapplicationtechnologyofcentralheatingmicrocomputermonitoringsystemisanalyzedandstudied,accordingtothecharacteristicsofcentralheatingsystems,usingtheembeddedcomputerremotemonitoringprincipleanddesignmethodbasedonembeddedtechnology,computermonitoringsystemofheating.ExamplesaregiventoSTM32embeddedchipasthemainbodyofthehardwareandsoftwaredesignofthemodulardesign.Heatingnetworkoperationcontrol,uncertain、nonlinearandstrongcoupling,etc.ConventionalPIDcontroltomeetheatingwatertemperaturecontrolrequirements.Therefore,thispaperadoptsthefuzzyPIDalgorithmforheatexchanger,thesimulationmodelbyusingfuzzyinferencecontrolofPIDparameters,andonline.MATLABsoftwaretocontrolalgorithmisstudiedandthesimulation,thesimulationresultsshowthatthecontrollerissmallovershootsandbetterstability.Thispapermainlyexpoundstheembeddedsystemofheatingdataacquisitioncontrollerdesignofhardwareandsoftwaredesign,andusingthemethodofmodulardesign,Discusstheguaranteesystemisstableandreliableoperation,andthekeytechnologyofheatadjustment;UnderstandtheGPRSnetworkscommunicationprinciple,StudiedhowtorealizeandDTU-GPRSdatacommunicationsbetweencenter.
Keywords Centralheating;Embeddedsystem;Powerstationmonitoringsystem
目录
摘要…………………………………………………………………………………………….I
Abstract………………………………………………………………………………………...II
第一章绪论………………………………………………………………………………….1
1.1国内外研究现状……………………………………………………………………...1
1.2课题研究的必要性…………………………………………………………………...1
第2章城市集中供热系统组成……………………………………………………………...3
2.1城市集中供热系统简介…………………………………………………………….3
2.2热力站的工作情况………………………………………………………………….4
第3章热力站控制系统设计………………………………………………………………..6
3.1热力站运行控制方案和工作原理………………………………………………….6
3.1.1热力站工作原理……………………………………………………………..6
3.1.2热力站控制方案……………………………………………………………..9
3.2热力站通讯方式……………………………………………………………………..9
第四章热力站监控系统硬件实现…………………………………………………………11
4.1CPU控制单元………………………………………………………………………12
4.2STM32F103介绍……………………………………………………………………12
4.3串口电路设计……………………………………………………………………….13
4.4AD信号采集单元……………………………………………………………………14
4.4.1数据采集单元介绍………………………………………………………….14
4.4.2模拟信号转换电路………………………………………………………….15
4.4.3人机交互单元……………………………………………………………….15
4.5GPRS-DTU单元……………………………………………………………………16
第5章总体应用程序设计………………………………………………………………….19
5.1数据采集程序………………………………………………………………………19
5.1显示程序……………………………………………………………………………20
第6章总结………………………………………………………………………………….21
参考文献………………………………………………………………………………….22
附录1uCOS-II显示程序代码………………………………………………………………23
附录2ADC程序代码………………………………………………………………………..25
第一章绪论
1.1国内外研究背景和现状
集中供热系统1877年起源于美国,俄罗斯和北欧等国如丹麦、芬兰、瑞典、德国受地理环境的影响集中供热发展较早,技术比较成熟,目前是世界上集中供热最发达的国家。
他们的供热规模及供热质量较好,同时所有的供热系统均采用计算机自动监控,自动化程度较高,在集中供热控制的实现中有很多经验值得借鉴。
国外集中供热系统广泛采用的方案是一次网采用量调节、二次网采用质调节[1,2]。
一次网:
根据热负荷的大小确定热源投入运行的时序,在供暖的初期和末期,热负荷比较低,只启动电厂主热源供热,随着气候变冷、热负荷增加,再启动调峰热源.主热源利用温度控制器调节循环水泵的转速,控制供水温度恒定;二次网:
通过调节一次网供水管的控制阀改变一次侧的流量,保证二次网供水温度为设定值。
我国的供热技术发展比较缓慢,目前,我国668个城市中有315个城市建设了热电联产形式的集中供热设施,完全采用了计算机控制系统对电能和热能供应设备及辅助设备运行进行监控、管理,提高了热效率,节能显著,有效地控制了污染问题;但大多数热力站设备的运行还有相当大的一部分还处于人工调节状态,运行的经济性能低下,能源量浪费。
我国结合自己的实际国情,大部分城市集中供热系统采用仿东欧模式,国内的控制分为热源和热网两部分:
由热源控制总供水温度和总循环流量,保证按需供热;对于热网,各热力站之间的热量分配是通过各热力站自己独立的控制单元实现的,采用的方案通常是基于供、回水温度差,供、回水压差调节法,就是根据实际运行参数,调节各热力站的流量,从而使用户端温度平衡一致。
总体上,国内供热管网控制是通过均衡供热和按需供热两部分来实现的。
1.2课题研究的意义
随着城市建设和经济的飞速发展,我国现行的热力站运行控制多数仍处于手工操作阶段,影响了集中供热优越性的充分发挥,无法对运行工况进行系统的分析判断;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。
研究和建立热网分布式计算机监控系统,实现热网运行过程中的信息采集、信息集成、科学有效地控制和管理热网,为供热企业各级领导、管理和生产部门提供辅助决策和优化手段,己成为许多供热企业的迫切需求。
随着经济的发展,全国范围内环保、节能的要求越来越高,利用先进的科学技术,合理分配热量,让现有的热能充分发挥作用,为更多的用户提供更好的供热服务是供热企业的首要任务。
将自动化控制引入供热系统中,对供热系统的调节实现由手动到自动的转变,能满足新形势下的供热需求。
在供热行业大力推广计算机控制技术必将是今后的发展方向,概括起来,集中供热监控系统可以实现以下四方面的功能[3,4]:
(1)实时检测,了解系统工况。
实现计算机自动检测,可及时测量供热系统的温度、压力、流量等参数,运行人员即可居调度室而知全局。
(2)自动控制,调节流量,消除冷热不均。
计算机监控系统,根据热力站供回水平均温度,经过控制中心计算将控制命令发送至相关热力站,通过电动调节阀实现温度调节,达到流量的均匀分配,进而消除冷热不均现象。
(3)及时诊断故障,确保安全运行。
计算机监控系统可以配置故障诊断专家系统,通过对供热系统运行参数的分析,即可对热源、热力网和热用户中发生的泄漏、堵塞等故障进行及时诊断,并指出故障位置,以便及时检修,保证系统安全运行。
当然对于计算机监控系统本身也可进行故障诊断,发现问题,及时处理。
(4)健全运行档案,实现量化管理。
由于计算机监控系统可以建立各种信息数据库,对运行过程的各种信息数据进行分析,根据需要打印运行日志、水压图、煤耗、水耗、电耗、供热量等运行控制指标。
还可存储、调用供回水温度、室外温度、室内平均温度,压力、流量、故障记录等历史数据,以便查询、研究。
由于计量能力大大提高,因而健全了运行档案,为量化管理实现提供了物质基础。
综上,供热系统的远程计算机自动监控不但可以改善供热效果,而且能大大提高系统的热能利用率。
一般在手动调节的基础上,供热系统可以节能10%~20%左右[5,6]。
第2章城市集中供热系统组成
2.1城市集中供热系统简介
所有供热系统都有热媒制备(热源)、热媒输送(管网)和热媒利用9(散热设备)三个主要部分组成。
根据它们的相互位置关系划分,供热系统可分为局部供热系统和集中供热系统[7,8]。
集中供热系统包括热源部分、换热站部分、热力管网、热用户部分等。
图2.1供热系统总框图
热源通过一次网管道将热水输送到各换热站,在换热站中经热交换器将采暖水加热,循环泵通过二次网供热管道将热水送到各热用户,如图2.1所示。
热水供热系统对建筑物供热时,不仅要保证在设计室外温度下,维持室内温度符合设计值,而且要在其它的冬季室外条件也能得到保证。
不仅要求建筑物整体的平均温度符合设计要求,而且要求房间的室温波动在容许范围内。
要达到以上的要求,不仅需要正确的设计,而且还需要对热水供暖系统运行进行正确的调节[9]。
(1)实现热源按需供热。
一次网传输的总热量根据室外气温的变化、日照、风速等因素,随时对热电厂提供的高温过热蒸汽经换热首站汽-水换热器换热形成高温热水进行调整,改善一次网供热质量,保证按需供热。
(2)实现热力站独立调节。
保证二次网供回水温度,根据热力站总的供热面积、室外气温和二次网供水温度的变化,随时对二次网供水流量进行调节,保证供热质量。
(3)实现管网均匀供热。
通过调节各个热力站内一次网水流量,满足二次网供热负荷的需求,保证均匀供热。
2.2热力站的工作情况
我国目前的设计规范规定:
一般民用住宅的供暖实际室温t=18。
在实际运行时,考虑到资金、燃料的不足,室温能达到16℃以上时,即认为满足设计要求。
供热的主要目的是创造一个适合人们正常生活、工作和生产的室内温度环境,因此,室温的高低是衡量供热效果和进行热力工况分析计算的最重要参数。
供热系统正常运行时对水压的基本要求:
保证用户有足够的资用压头(指热网提供给该用户室内系统可能消耗的最大压力),保证散热设备不被压坏,保证供热系统充满水不倒空,否则供热系统不能正常运行。
保证恒压点压力恒定的技术措施,称为供热系统定压[10,11]。
在供热系统中,定压控制是热网控制的重要组成部分。
供热系统的定压方式有膨胀水箱定压、补水泵定压、补水泵变频调速定压、气体定压罐定压等多种。
本文重点研究补水泵变频调速定压。
补水泵变频调速定压的基本原理是根据供热系统的压力变化,改变交流电源频率,平滑无极地调整补水泵转速,从而及时调节补水量,实现系统恒压点压力的恒定。
该定压方式的主要设备是变频器,其工作原理是把通常50Hz的交流电先变为直流电,再经过逆变器把直流电变换为另一种频率的交流电。
由于交流电源频率的改变,从而达到补水泵调速的目的。
频率与转速的关系可由(式2.1)表示:
n=60f(1-S)/P(式2.1)
式中:
n——异步电机即水泵转速,r/min;
f——电源频率;
S——异步电机转差率,即电机定子旋转磁场与转子转速之差值比;
P——电机的极对数;
由上式可知,水泵流量与频率也成正比关系,调节频率即调节转速,则可直接调节补水泵的补水量。
由于水泵的功率与转速的三次方成正比,转速下降时,功率下降极大,故变速调节流量在提高机械效率和减少能源消耗方面是最为经济合理的。
与补水泵定压相比较,补水泵变频调速定压节能效果明显。
此时压力给定值固定不变,由压力传感器测出二次网回水压力值,将其压力信号反馈与压力给定值比较。
若不等,由调节器算出变频器的输入电流,变频器根据输入电流值,自动将频率调至其相应值,变频器将频率输出信号传给补水泵,进而改变补水泵流量,调节补水量,使二次网回水压力维持恒定值。
在稳定传热条件下,由室内外温差而造成、通过房屋维护结构的传热量和散热器的散热量达到热平衡状态下,有如下计算公式:
维护结构基本耗热量Qh:
(式2.1)
供暖系统散热器任意工况下的散热量Qs:
(式2.2)
将式(式2.15)与式(式2.16)联立可得到计算室内温度的公式:
(式2.3)
上式反映了在供、回水平均温度tp,室外温度twn一定的情况下,建筑物室内温度tn与系统水流量G(散热器的流量热当量W)的关系。
水流量愈大室温愈高,但随着流量的增加,室温增加比较缓慢;水流量小于设计流量时,平均室温低于设计室温,而且流量愈小,平均室温下降的幅度愈大。
从这里可以明显了解到,供热系统各热用户室温的不均匀性即热力工况的水平失调,主要是由系统的热用户流量分配不均衡即水力工况的水平失调引起的。
第3章热力站控制系统设计
3.1热力站运行控制方案和工作原理
热力站自动控制系统可实现下列功能,如图3.1所示。
(1)运行数据采集:
按照系统默认巡检方式,对各监测点进行数据采集。
(2)实现供热管网的运行控制,保证热网的水力平衡、热力平衡,使整个热网安全、节能、高效、平稳地运行,使热能均匀分布,保证供暖效果。
(3)运行参数显示:
监测显示热力站一次供水温度,一次回水温度,二次供水温度,二次回水温度,室外温度,一次供水压力,一次回水压力,二次供水压力,二次回水压力,一次网流量、二次网流量、变频泵状态(起/停,泵速)。
(4)报警及故障处理:
系统发生故障时,报警信号显示、标示。
(5)数据通讯:
采用GPRS-DTU实现热力站与数据中心之间的远程数据通讯。
图3.1热力站监控系统框图
3.1.1热力站工作原理
(1)二次网供热自动控制系统
热力站的基本控制策略就是要保证二次网供回水平均温度有一个恒定的预设定温度,控制元件是换热器一次水出口的控制阀,该阀门控制换热器的一次供水流量。
将预设定温度作为给定值,测量计算温度值作为反馈值,阀门的开度作为输出值,保证二次供回水平均温度的恒定。
预设定温度根据室外温度计算得出,每个热力站均安装了室外温度传感器,通过公式计算出当前的预设定温度,这个设定点是随着室外温度的变化而改变的[13,14]。
热力站温度控制系统框图如图3.2所示。
图3.2热力站温度控制系统框图
(2)二次网回水变频定压控制系统
为了保持热网运行的稳定性,热网补水系统还应保持一定的水压,即保持系统恒压点的压力恒定各热力站中采取补水泵变频调速定压。
补水泵变频控制系统框图如图3.3所示。
图3.3补水泵变频控制系统框图
图3.4变频补水定压工作原理图
变频定压工作原理如图3.4所示,其工作原理是在系统的回水管上选择一点C(恒压点)压力保持符合静水压线要求的压力。
在循环水泵运行时,当定压点C点的压力低于控制值时,变频器输出频率增大,水泵转速加快,补水量增大,定压点压力升高;当定压点压力高于控制值时,变频器输出频率减小,水泵转速变慢,补水量减少,定压点压力下降。
当压力偏高时,泄水压力调节阀打开,泄放系统中部分水。
(3)二次网供水压力自动调节系统
为保证供暖质量,根据室外温度确定二次网供水压力,其控制元件是循环泵,该循环泵控制二次网供水压力。
将预设定二次网供水压力值作为给定值,测量压力值作为反馈值,循环泵的转速作为输出值,保证二次供水压力的恒定。
热力站压力控制系统框图如图3.5所示。
图3.5热力站供水压力控制系统框图
3.1.2热力站控制方案
由于热用户端均没有室温调节装置,为了做到即经济运行又保证供热质量,二次供水流量自控系统对供热工况进行分阶段量调节。
通过对各二次供热系统的温度检测、分析,结合外界干扰因素(天气温度),算出最佳的供水温度,通过对一次管网的控制,使供热系统在满足用户需求量的前提下,保持最佳工况。
同时为了避免出现近热源冷的现象、确保整个供热管网运行的热平衡,必须对一次网回水调节阀门开度进行限制。
二次网根据室外温度温度来设定相应的供水压力,确保热用户供暖需求。
根据热力系统的特点,充分利用房间的热惯性,获取尽可能长的调控周期,以达到水力工况稳定的目的。
允许室内热量在一段时间内存在一定幅度的波动,当室温变超过一定值之后,就应当改变供热参数,而在确定下一时间段的供热参数之前应当对上一时间段内的历史遗留偏差在尽可能短的时间内给以补偿。
采用这样的控制策略就是跳出供热系统的微观变化特点,从宏观上把采用这样的控制策略就是跳出供热系统的微观变化特点,从宏观上把握住供热系统的热平衡。
这就使得供热系统的控制变得简单可行,而且可以保证供热质量,最大限度地保证了供热系统的稳定性,延长了设备的使用寿命。
(1)采用电动调节阀控制进入平板热交换器的一次水量,从而控制二次供水温度。
使得二次供水温度维持在给定值上。
(2)由于监控中心和各个热力站之间通讯距离远,而且过程变化缓慢,对实时性要求不高,因此采用GPRS-DTU实现远程通讯,将热力站的各项参数发送到监控中心。
接受监控中心发来的指令。
(3)通过控制变频器来控制补水泵的转速,从而改变系统的补水量,维持供水系统的恒压点压力恒定;控制变频器来控制循环泵的转速,改变系统的压力差。
(4)根据控制特性和对工艺的要求,对二次网供回水平均温度的控制算法采用FUZZY-PID算法。
对循环泵、补水泵变频恒压的控制算法采用PID算法。
3.2热力站通讯方式
通讯网络是远程控制系统中的重要组成部分,它负责在数据采集控制器与监控中心之间传送信息,以此实现遥测与遥控功能,因此,通讯方式对监控系统运行的稳定、可靠起着至关重要的作用。
根据热力站分布特点,覆盖范围大、分布零散,从新构建通讯网络时间漫长、结构复杂和存在维修困难等问题。
本次设计选择了GPRS通讯方式。
GPRS采用的是UDP或TCP/IP数据包方式通过移动数据专网或Internet传送数据。
它是由现场仪表通过RS232或485接口发送数据到GPRS-DTU,再由GPRS-DTU将数据打UDP或TCP/IP数据包发送移动数据专网或Internet上的固定IP。
具有以下优点:
(1)G
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