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基于Lon总线的热力站智能节点分析.pdf

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consumer substation intelligent node.With the requirement of satisfaction,equality and energysaving,the software and hardware of two nodes are designed.Node 1 completes the sampling of the analogs of the temperature,flow andpressure,realizes the advanced arithmetic,and outputs analog control signals ofsecondany thermo·network circular pumb and adjust--vavles of first and secondanythermo-network.Node 2 realizes the functions of the equipments states monitor,digital signals control,alarm and display.The hardware circuit is designed withneuron control module as the core,assisted by the corresponding interface circuit.The software includes the main program,control arithmetic subprogram,displaysubprogram and sample and filter subprogram,programming by Neuron Clanguage and adoping modularized .The hardware and software of twonodes has been debugged in the lab.Key words consumer substation;system modeling;LonWorks technology;intelligent node.III.第1章绪论1.1课题的来源及研究的目的和意义本课题来自黑龙江省科技厅下达的省科技攻关项目基于LonWorks技术和预测控制的供热FCS研究。该项目是基于计量供热系统节能应用和供热过程控制的特点提出的,旨在将先进的控制理论和现场总线技术应用于供热过程,进而达到节约能源、减少污染、提高供热效率的目的。而热力站的供热过程运行控制是计量供热系统的关键及根本所在。1.2集中供热热力站概述所谓集中供热是指由集中的热源所产生的蒸汽、热水作为热媒,通过管网供给一个城镇或较大区域生产、采暖和生活所需的热能的方式。集中供热是现代化城市的基础设施之一,也是城市公共事业的一项重要设施【“。1.2.1集中供热技术发展概况集中供热是在19世纪末期,伴随着经济的发展和科学技术进步,在集中供暖的基础上发展起来的。20世纪初,特别是在二战以后,西方一些发达国家的城镇集中供热事业得到了迅速的发展,其主要原因就是集中供热不仅能为城市提供稳定、可靠的高质量的热源,而与传统的分散式供热相比,能够节约能源并减少污染,有利于城市美化,具有明显的经济效益和社会效益。原苏联和东欧国家的集中供热事业,长期以来一直实行以积极发展热电厂供热为主的政策。原苏联的集中供热规模居世界之首。北欧的瑞典、丹麦、芬兰等国地处寒冷地带,二战以后,集中供热事业发展迅速,城市的集中供热普及率都很高。我国的集中供热事业,从1986年国务院下发关于加强城市集中供热管理工作的报告以后,得到了迅猛的发展。据文献介绍,到1998年年底,我国已有21个省市286个城市建设了城市集中供热设施,供热面积达8.6540亿平方米,“三北”地区的集中供热普及率达到26%。2000年我国集哈尔滨工业大学工程硕士学位论文中供热总面积为11.08亿平方米,2001年已达到14.63亿平方米【2叫]。1.2.2集中供热热力站运行现状集中供热按热源分为单热源、多热源;按热质分为水、蒸汽和汽水合用;按连接方式分为直接型和间接型;按调节方式分为质调、量调和质量调节【5】。从热源向外供热有两种基本方式第一种为热媒经过热网直接进入热用户;第二种为热媒由热源经过一级热网进入热力站,在热力站的换热设备内与二级热网的热媒进行热交换,二级热媒经二级热网进入各个热用户。热力站控制的任务是改变供水温度,使之适应室外温度的变化,并保证室温在允许的范围内。既用一级热网来的热水加热热用户供暖系统的循环水,并将其供给热用户间接连接或将一级热网的热水直接分配给热用户直接连接。其温度调节系统以二级网供水温度作为被控量,以改变换热器一次侧水的流量为调节手段。间接连接的供热系统具有运行可靠、调节方便的特点,因此,在我国已被广泛应用【6】。国内大部分热力站均采用这种质调节的调节方式【“81,其系统惯性较大,纯滞后很明显。1.3计量供热系统热力站控制现状近年来,我国的城市空气污染日趋严重,环境治理刻不容缓,而集中供热作为一种既能节约能源,又能够减少环境污染的生产方式,日益受到重视。另外,根据国家有关政策,今后2~3年在建项目要推广计量供热系统,因此,这给传统的热力站自动控制提出了新的挑战。1.3.1计量供热系统的提出据资料介绍,我国建筑能耗占全社会能好的30~40%,其中65%为暖通空调能耗,以此推算,暖通空调能耗占全社会能耗的22.8%。根据气候条件,我国三北地区采暖能耗占全社会能耗的27.2%,黑龙江省约为三分之一。另一方面,供热行业不但能耗大,而且效率低,单位面积采暖能耗是发达国家的3~4倍,因此节能的潜力很大。近年来在集中供热得到迅猛发展的同时,城镇供热体制改革已在不断深入。2003年7月,建设部、财政部等8部门发出通知,要求改革现行按面积收费的办法,实行按用热量分户计量收费。这是供热走上商品化、货币化咕尔滨工业大学工程硕士学位论文中供热总而积为11.08亿平方米,2001年已达到14.63亿平方米‘2。J。1.2.2集中供热热力站运行现状集中供热按热源分为单热源、多热源;按热质分为水、蒸汽和汽水台用;按连接方式分为直接型和问接型;按调节方式分为质调、量调和质量调节口I。从热源向外供热有两种基本方式第一种为热媒经过热网直接进入热用户;第二种为热媒由热源经过一级热网进入热力站,在热力站的换热设备内与二级热网的热媒进行热交换,二级热媒经二级热网进入各个热用户。热力站控制的任务是改变供水温度,使之适应室外温度的变化,并保证室温在允许的范围内。既用一级热网来的热水加热热用户供暖系统的循环水,并将其供给热用户间接连接或将一级热网的热水直接分配给热用户直接连接。其温度调节系统以二级网供水温度作为被控量,以改变换热器一次侧水的流量为调节手段。问接连接的供热系统具有运行可靠、调节方便的特点,因此,在我国已被广泛应用[61。国内大部分热力站均采用这种质调节的调节方式【“,其系统惯性较大,纯滞后很明显。1.3计量供热系统热力站控制现状近年来,我国的城市空气污染日趋严重,环境治理刻不容缓,而集中供热作为一种既能节约能源,又能够减少环境污染的生产方式,日益受到重视。另外,根据国家有关政策,今后2~3年在建项El要推广计量供热系统,因此,这给传统的热力站自动控制提出了新的挑战。1.3.1计量供热系统的提出据资料介绍,我国建筑能耗占全社会能好的30~40%,其中65%为暖通空调能耗,以此推算,暖通空调能耗占全社会能耗的22.8%。根据气候条件,我国三北地区采暖能耗占全社会能耗的27.2%,黑龙江省约为三分之一。另一方面,供热行业小但能耗大,而且效率低,单位面积采暖能耗是发达国家的3~4倍,因此节能的潜力很大。近年来在集中供热得到迅猛发展的同时,城镇供热体制改革己在不断深入。2003年7月,建设部、财政部等8部门发出通知,要求改革现行按面积收费的办法,实行按用热量分户计量收费。这是供热走上商品化、货币化积收费的办法,实行按用热量分户计量收费。这是供热走上商品化、货币化哈尔滨工业大学工程硕士学位论文中供热总面积为11.08亿平方米,2001年已达到14.63亿平方米【2叫]。1.2.2集中供热热力站运行现状集中供热按热源分为单热源、多热源;按热质分为水、蒸汽和汽水合用;按连接方式分为直接型和间接型;按调节方式分为质调、量调和质量调节【5】。从热源向外供热有两种基本方式第一种为热媒经过热网直接进入热用户;第二种为热媒由热源经过一级热网进入热力站,在热力站的换热设备内与二级热网的热媒进行热交换,二级热媒经二级热网进入各个热用户。热力站控制的任务是改变供水温度,使之适应室外温度的变化,并保证室温在允许的范围内。既用一级热网来的热水加热热用户供暖系统的循环水,并将其供给热用户间接连接或将一级热网的热水直接分配给热用户直接连接。其温度调节系统以二级网供水温度作为被控量,以改变换热器一次侧水的流量为调节手段。间接连接的供热系统具有运行可靠、调节方便的特点,因此,在我国已被广泛应用【6】。国内大部分热力站均采用这种质调节的调节方式【“81,其系统惯性较大,纯滞后很明显。1.3计量供热系统热力站控制现状近年来,我国的城市空气污染日趋严重,环境治理刻不容缓,而集中供热作为一种既能节约能源,又能够减少环境污染的生产方式,日益受到重视。另外,根据国家有关政策,今后2~3年在建项目要推广计量供热系统,因此,这给传统的热力站自动控制提出了新的挑战。1.3.1计量供热系统的提出据资料介绍,我国建筑能耗占全社会能好的30~40%,其中65%为暖通空调能耗,以此推算,暖通空调能耗占全社会能耗的22.8%。根据气候条件,我国三北地区采暖能耗占全社会能耗的27.2%,黑龙江省约为三分之一。另一方面,供热行业不但能耗大,而且效率低,单位面积采暖能耗是发达国家的3~4倍,因此节能的潜力很大。近年来在集中供热得到迅猛发展的同时,城镇供热体制改革已在不断深入。2003年7月,建设部、财政部等8部门发出通知,要求改革现行按面积收费的办法,实行按用热量分户计量收费。这是供热走上商品化、货币化哈尔滨工业大学工程硕士学位论文的道路【9’IOl,也是在集中供热节能的基础上,又一实现供热大幅度节能的举措。按用热量分户计量供热系统与现有的传统式供热系统有较大区别,传统供热体制下,热用户不能自主调节自己的用热量,因此热源的总供热量仅和室外温度有关,热源的调节就是根据室外温度进行控制,单个用户无法自行调节,用户是被动地接受热量,由于供热单位要保证用户的最低温度通常是18℃,常常出现了有些用户温度过高,造成能量浪费。计量供热系统,用户可以根据自己的需求来控制室内温度,从而调动用户节能的积极性。分户计量热用户通过调节安装在每个散热器上温控阀的指数来达到控制室温。当用户需要调节室温时开大或关小温控阀,这时通过该用户散热器的热水流量就要发生变化。随着众多用户调节自己的流量后,整个供热网的流量和供热量也将随之变化,而这个流量和供热量的变化是无规律和随机的,系统工况变化较大,供热企业和热源处无法预知和控制的。这也就是说,分散的众多用户成为主动的调节者,而供热企业和热源处则由主动变为被动的适从者,这种变化必然给供热行业带来新的技术课题。1.3.2目前供热系统控制综述关于计量供热系统的控制研究,已经列为我国“十五”科技发展研究规划之一。热力站的作用是将热量从热网转移到用户,将热源发生的热介质温度、压力、流量调整变换到用户设备所要求的状态,保证局部系统安全和经济运行。世界上供热节能控制技术先进的当属北欧的丹麦、芬兰等国。其主要做法是夏季空调、日常生活用热水和冬季供供暖共用一个系统,从而使系统的效率大大提高。而从节能的角度来看,其做法主要立足于安装用户温控装置及能量表,用户可根据自己的需要来调节用热量,按用热量缴费。近年来,国内某些地区也引进了他们的技术,取得了较显著的节能效果。但由于造价较高,目前还未能得到全面的推广应用。而从另一个角度来看。将先进的控制方法引进集中供热系统中,提高供热系统的质量和节能效果,同样具有重要意义【1ll。供热系统采用控制的理由主要有三个一是对热网中各热用户热负荷的控制,实现按需供热;二是保证热网中各热用户之间的水力工况平衡的控制,实现均匀供热三是保证系统的综合能耗最低,实现经济供热””。哈尔滨工业大学工程硕士学位论文文献[131指出了目前城市供热系统所存在的主要问题是①运行的室外管网多为枝状管网,近热远冷,水力工况失调,导致只能用大流量超负荷供热来保证供热标准;②室内多采用单管系统。各热用户不能根据室内温度调节热量,造成热能浪费;③目前城市供热系统大多数不能根据室外温度变化而适时有效地调节供热流量和供水温度。文中提出了以下几个可采取的节能措施①在供热站使用气候补偿器和与之配套的电动阀门及室外温度传感器;②在供热系统中安装差压控制器或流量控制器,使供热系统按所需流量运行,而不再超负荷;③采用变频器来调节水泵转速,以满足实际需求,提高整个系统的效率;④对于新建的供热系统,尽量采用双管系统,以便于控制每一热用户的进水量。文献【14】依照总体能量的观点分析了供暖系统。文章指出,目前在我国城市中服务于大众的供暖系统主要有四种类型①锅炉供暖系统;②热电结合的系统;③热泵系统;④电供暖系统。大约有40万台中小型锅炉正在使用之中。热电结合的总容量约为20 000MW,热泵与电供暖还未普及。文中对四种供暖方式的能量消耗及对环境污染情况进行了对比。揭示了影响供热系统的辐射水平的关键因素,提出了一种‘可逆的供暖模式’。这种供暖系统使低温辐射大大降低,从而进一步促进可持续发展策略。文中指出,从四种供热形式来看,热电结合及热泵系统能够有效地减少二氧化碳气体的排放量,因而应提倡大力发展。文献【15】就目前集中供热工程中热网自动控制系统设计中存在的问题进行了讨论。特别是针对热网分布不均匀、随机性强等特点,如何提高供热效益,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。文献[16~26]针对分户计量供热系统的必要性及特点,给出了热力站自动监控系统基本思路与控制模式。介绍了改变一、二级网流量,改变换热面积,调节二级网供水温度,控制二级网供水压力等调节方法。文献【27】提出了一种集中供热控制方法。用户可根据自己的需要调节用热量,按用热量的多少来计算费用。用两个传感器测量热交换器的入、出口的水流温度,另外两个传感器监测房间的温度。用一个局部装置处理信号及数据,并与远处的计算机通信。计算机实时获得所有的温度,与用户设定的数据相比较,并计算出动力消耗。文献【28]介绍了用于集中供热热力站微机监控的专家系统软件,该软件主要由知识库、规则集、推理机几部分组成,但其控制仅在实验室通过了仿一一一堕堡鎏三些查三塑圭兰堡篁i一一 一真。文献[29~37]介绍了供热监控系统的组成,采用分布式控制方式,设计了供热网站监控管理系统,并对系统硬件、软件进行了设计。模拟运行表明,系统能实现实时检测系统供热的工作情况、实时进行数据传输、完成各种数据分析并可进行遥控等,实现了故障自动诊断,确保了运行的可靠性,节能效果良好。文献[38,391建立了等效户外温度方程,方程中的参数可被估计,等效温度被认为是由各种气候因素影响的一个变量,这些因素包括户外温度、风速、光照、时间等,而不确定因素可以被估算,研究中使用了一个供暖公司日常运行的测量数据,文中指出可用等效温度作集中供热系统的控制信号,从而达到节能的目的,该文却没有给出控制方案。目前国内外流行的供热控制是把室外温度作为参考信号,根据室外温度来调节供热量,在控制上基本采用PID算法。文献[40]介绍了用PID与智能乒一乓控制的变结构智能算法,根据偏差和历史数据改变结构。文献[411介绍了模糊PID自整定控制的相关内容以及其在热力站微机控制中的应用,指出模糊PID自整定控制因不需要被控对象精确的数学模型,自适应能力强,参数调控方便,较常规控制策略有更多的优越性,非常适用于热力站的微机控制。文献[42】综述了可编程序控制器在热网自控系统中的几种应用,论述了可编程序控制器的组成和原理,结合实际分析了其具体的工作过程,指出了利用可编程JK实时、多任务的特点对热力站进行调控管理的好处。文献『431将计算机网络应用与热网节能,以减少热网水力失调造成的热能损失,并阐述了采用自动控制系统或装置,严格控制各热力站的流量、压差和温度等参数,合理分配热量的方案,达到节能增效的目的。文献1441通过对某集中供热工程中计算机监控系统的分析和讨论,阐述了计算机监控系统在热网中的应用。系统的控制结构是一个以流量控制作内环、温度控制作外环的串级控制系统,同时以一级网供水温度和二级网补水量作前馈,温度调节器和流量调节器均采用PID算法。从运行情况来看,其控制效果明显,达到了系统设计的目标,改善了供热质量。文献【4547】提出利用计算机显像估计供暖空间内的居住人数。从而辅助供热系统中的PID控制,使滞后减小,提高供热质量。而在传统的供热控制中,当出现人流的突然涌入或撤出这种瞬态变化时,系统通常需要很长一段时间才能恢复到稳定状态,其中主要缺点是调节时滞较大。文献[48】提出根据室外温度的变化调节供水温度的平均值,并用典型用户室内温度平均值调整热系数,保证室内温度稳定,调节系统的设定温度哈尔滨工业大学]程硕士学位论文Ts18K18-To,式中K为供热系数,To为室外温度5分钟平均值,考虑供热过程有时滞,采用PI算法以抗积分饱和,控制周期为10分钟,前1分钟为PI,后9分钟输出保持,并加补水前馈抗干扰。文献【49,50]介绍了几种常见的自动控制系统被控参数选择①压差控制,控制管网供回水压差。②供水温度控制,控制管网供水温度。③回水温度控制,控制管网回水温度。④回水平均温度控制,控制管网供回水平均温度。 通过分析得出,热力站在自动控制系统中选择供回水平均温度作为被控参数,可以根据室外温度变化,准确的控制系统的供热,达到用户室内温度要求。文献[51~55]对如何在集中供热监控系统中应用新型的现场总线LonWorks技术进行了研究。介绍了LonWorks技术的系统结构、技术核心和通信协议等关键性技术内容。在此基础上,给出了基于LonWorks技术的集中供热网监控系统的应用方案,介绍了该分布式监控系统的系统结构、各部分功能和实现方法。综上,热力站近年来的发展,主要集中在节能和控制方面,只有实现热力站各个方面的有效控制,才能获得最佳的节能效果。1.4现场总线技术概况本课题要采用LonWorks技术平台研发,LonWorks总线是目前流行的现场总线之一。现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机网络。它的出现标志着工业控制技术领域又一新时代的开始,并将对该领域的发展产生重要影响【56]。1.4.1现场总线技术简介现场总线是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字化、多节点的底层控制网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表中,使它们具有数字计算和数字通信能力,采用可进行简单连接的双绞线等作为总线,把多个测量控制仪表连接成网络系统,并按公开、规范的通信协议在位于现场的多个微机化测量控制设备之间、现场仪表与远程监控计算机之间,实现数据传输与信息交换,形成各种适应实际需要的网络化自动控制系统。简单说哈尔滨工业大学工程硕士学位论文来,它把单个分散的测量控制设备变成了网络节点,用现场总线把众多设备连接成可以相互沟通、协调完成多项任务的网络系统与控制系统。随着计算机功能的不断增强,价格急剧下降,计算机与计算机网络系统得到了迅速发展,也使计算机集成制造系统的实旌具备了良好的物质基础。但要实现处于企业生产过程底层的控制自动化系统,就必须设计出一种能在工业现场环境运行的性能可靠、造价低廉的通信系统,以实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种背景下于20世纪80年代中期产生的,最早由国际电工委员会开始着手制定国际性现场总线标准,并将此标准命名为“FieldbUS”。此后,美国仪表协会ISASP50也加入了该组织,但由于二者的观点难于统一,因此标准进展缓慢,于是一些国家与大公司纷纷开始制订自己的标准。到1994年初形成了几种主要的现场总线,如Profibus--德国国家标准,FIP一法国国家标准,IsP_可交互系统机构标准,ISA一美国仪表协会标准。国际上相继形成了两大现场总线组织一ISP和World FIP。由于受各大公司利益的驱动,长期以来现场总线标准一直未能得到统一。由于各行各业的需求各异,加之主要考虑已有各种总线产品的投资效益和各公司的商业利益,预计在今后一段时期内,仍会保持几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通信的局面。但是发展共同遵从的统一的标准规范,真正形成开放互连系统则是大势所趋。现场总线系统在技术上具有以下几个特点①系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议公开,各不同厂家的设备之间可实现信息交换。②互操作性与通用性互操作性是指实现互连设备间、系统之间的信息传送与沟通;通用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。⑨现场总线的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,并可随时诊断设备的运行状态。④系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了实现DCS集中与分散性相结合的集散控制体系,简化了系统结构,提高了可靠性。⑤对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线,是专门为现场环境而设计的,可支持双绞线、电力线、同轴电缆、光缆、射频、红外线等,抗干扰能力强,能采用两线制实现供电与通信,并满足本征安全防爆要求【57】。
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