1 引言
二級管網控制系統設計的不合理，不僅會導致供暖舒適度比較低，而且能耗較高，造成資源的浪費。本文所介紹的二次網供熱控制系統，根據“按需供熱”的原則，按照不同區域、不同時間和不同的室外溫度自動調節供熱量，使系統的供熱量與熱負荷相一致，不僅能夠提高供熱舒適性，而且能達到節約能源的目的。
2 二控制系統總體設計
供熱系統[1]由熱源、管網、熱力站、熱用戶組成，如圖1所示，一次管網與二次管網是兩個獨立的循環網絡，一次網的進水由熱源提供，在換熱器內進行能量交換，電動三通閥設在板式換熱器一次側進水管上，通過調節電動三通閥開度來調節換熱器的進水量，從而調節二次網供水溫度。
圖1 供熱網系統結構圖
本控制系統實現對二次供水溫度的自動控制，依據的條件為供水溫度設定值和二次供水溫度，設定值的給出由操作人員根據經驗設定，或由控制器根據供水溫度曲線計算[2]。控制系統通過閉環控制單元，根據二次網供水溫度和設定值，用pid控制方法來調節電動三通閥開度大小，以保證二次供水溫度達到要求。
瑞士思博控制公司saia pcd可編程序控制器， 廣泛應用于工業和樓宇自動化領域，配套的編程工具saia pg5，包含專門的heavac庫，為用戶開發樓宇控制系統提供了一個強大而全面的基礎平臺；用戶在任何時候可以進行更深一層的編程，極大地節省了時間。因此決定采用saia pcd系列可編程序控制器作為核心器件。pcd控制器通過w220溫度模塊讀取傳感器檢測的室外溫度和二次網出水溫度，同時通過tcp/ip通信方式讀取上位機的各項設定值，根據各種參數和pid控制方法進行邏輯運算，并通過模擬輸出模塊將pid的輸出值作為模擬輸出量輸出，以此調節電動三通閥的開度。除溫度控制之外，pcd控制器還進行循環泵、補水泵的控制，以及室內溫度的監測。控制框圖如圖2所示。
圖2 控制原理框圖
由于溫度由溫度傳感器測得，而溫度傳感器與測量點之間的電纜存在電阻，此附加電阻的存在使測得的溫度和實際的溫度之間存在誤差，這個誤差會影響控制結果的準確性。為了補償溫度傳感器的誤差，在pcd下位機軟件部分設計一個輸入補償環節offset，控制程序使用的溫度參數均為修正值xoff=x+offset。offset值的大小由輸入模塊型號、電纜電阻率和電纜的長度、截面積而定。
3 供熱方式選擇和供水溫度值的設定
本系統有三兩種供熱方式可供選擇：溫度補償控制方式、分時控制方式分時分溫控制方式。根據樓層高度和建筑布局以及功能不同，將整個建筑物分為生活區和辦公區，兩個區的控制相互獨立，可以根據各自的需求選擇不同的供熱方式。
3.1 溫度補償控制方式
溫度補償控制方式，即根據室外溫度的變化來調整供水溫度值。當室外溫度下降，建筑物的熱損失增加，需要增加更多的熱量以防止室內溫度下降，反之則需減少熱量。因此按照室外溫度的變化合理的設定供暖出水溫度值，可以保持室內溫度的恒定。在溫度補償控制方式下，供水溫度計算經驗公式為:
tg=tw+k( tr- tw) (1)
式中，tg—供水溫度理論計算值℃；
tw—室外溫度值℃；k—水溫設定曲線系數。使用式的基本條件為tw不小于tr。不同水溫設定曲線系數下的供暖曲線如圖3所示(tr不變)。圖中的點為wwsd
point(溫暖天氣關閉點)，由tr值確定。由于日間室內存儲的熱量會彌補夜間建筑物內溫度的下降，夜間的供暖曲線應低于日間供暖曲線。因此，夜間還要將tg值乘以夜間降溫系數kt，其中0
圖3 供暖曲線
這些參數及夜間的起止時間都可以從人機界面設定，pcd根據這些參數確定的供水曲線自動計算出供水溫度設定值。為確保室內溫度維持恒定，必須設定合適的參數，以確定合適的供熱曲線，如果供熱曲線太低，則出水溫度過低會導致不足以供給足夠的熱量使房間溫度下降；如果供暖曲線太高，則出水溫度過高而導致房間溫度過熱。
3.2 分時控制方式
一天中的不同時段，對熱量的需求是不同的。比如說對于辦公區的供暖，工作日白天六點后，需按住宅區標準供暖；下午9點后或非工作日，只需保證供熱水管不被凍住，無須大量供熱，因此將供水溫度調到防凍溫度6℃即可，這樣可以降低無效供熱，達到節約能源的目的。操作人員根據實踐經驗和具體需求，設定出一星期內每天的分時段以及在分時段內的出水溫度設定值，pcd控制器根據時間段自動選擇溫度設定值。
3.3 分時分溫控制方式
分時分溫控制方式，是結合了溫度補償控制方式和分時控制方式的優點設計出的供熱方式：系統設定好若干條不同水溫設定曲線系數下的供暖曲線，操作人員根據經驗和具體需求，設定出每個時間段所選擇的供暖曲線，控制器根據時間段和相應的供暖曲線計算出溫度設定值。
4 pid控制器的設計
溫度控制系統一般具有大慣性、大延時的特點。在工業控制中，難以建立溫度系統的精確數學模型，而應用模擬或數字式pid閉環控制可以克服時間響應滯后，能獲得較好的控制精度，達到滿意的控制效果。因此，本控制系統采用pid 控制方式。
pid控制[3]，即按偏差的比例(p)、積分(i)、微分(d)控制，是控制系統中應用最為廣泛的一種控制規律。實際運行的經驗和理論的分析都表明，運用這種控制規律對許多工業過程進行控制時，都能得到滿意的結果pid調節器既能消除靜差，改善系統的靜態特性，又能加快過渡過程，提高系統的穩定性，改善系統的動態特性，是一種比較完善的調節規律。
本二次網供熱控制系統是根據實際供水溫度與供水溫度設定值來控制調節閥， 并使實際供水溫度達到供水溫度設定值的。被調參數是溫度，控制量是電動三通閥的開度。當被控量在給定值附近時，理想的pid控制將使系統頻繁動作，考慮到電動三通閥并不適用過于頻繁的操作，因此在系統中增加一個輸出死區環節，死區是一個可調節的參數，當計算得的輸出量的變化大于死區范圍時，輸出量才發生變化，否則輸出量不變。即在死區內電動三通閥保持原有狀態不變，構成非線性、帶死區的控制系統。如圖4所示，加了此死區環節后，輸出呈階梯狀變化，而非連續變化。
圖4 溫控閥階梯開度控制
控制框圖如圖5所示。
圖5 pid控制框圖
saia pcd控制器帶有圖形化的pid功能指令，它是用于pid控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，編程時只需要設置一些參數，使用起來非常簡單方便。
5 結束語
本文系統的介紹了saia pcd控制器實現的二次網供熱控制系統，本系統使用帶輸出死區的pid控制算法，通過對電動三通閥的自動調節，實現對二次網供水溫度的控制，能夠提高供熱舒適性，并達到節能效果。