北方冬季持续时间较长，供暖是人民生活中不可或缺的一部分，是营造和谐稳定、舒适幸福社会氛围的基础。其热网供热不稳定，能源利用效率低等问题对热网温度控制系统发起了新的挑战。同时伴随房地产业的逐步兴起，城市房屋建设规模也随之扩大，使得对城市热网供热的需求也不断增加，针对我国能源结构的调整，对城市供暖能源利用提出新的要求，使得集中供热方式已成为城市供热形式的主流。城市供热需求多，分布集中，采取集中热源供热，可有效提升能源利用率，改善传统分布式锅炉房供热对环境的污染问题，减轻大气污染。为使热网供热稳定，采用PLC可编程逻辑控制器作为控制器，便于人工科学管理，提升工业稳定性;应用PID算法减小偏差，可根据室内外温差自动调整热网温度变化，提高热网系统自动化程度。
1城市热网工艺分析
城市集中供热系统由热源、热网和用户三部分组成，热网系统工艺流程图如图1所示。划分为温控区和供热区，涉及到供热站、换热站、供水站、监控站和热网用户等站点。其中供热站为热源，集中热源主要为热电站和区域性锅炉房，或采用热电联合集中供热，为一次管网提供热源以满足二次管网供暖所需。热源将载热介质输送至一次管网，载热介质可以为高温热蒸汽或高温热水，管网网道设置有传感器组，包括压力变送器、流量传感器和温度检测器等测量检测元件，通过供热阀调节管网内载热介质流量，载热介质经过供热阀后流入换热器。换热器位于换热站内用于载热介质与二次工艺介质的热量交换，经加热后的工艺介质进入二次管网，经高压泵加压后送入千家万户。供水站对换热站进行工艺介质的补充与泄流，维持管内压力恒定与供热稳定。监控站负责整个热网系统信息采集和实时监控，实现较好的热供应温度控制。该供热工艺中所用阀门均设有人工操作开关，在断电或系统故障时可人工调节热网供热，避免故障的发生，提升供热安全性。
2热网温度控制系统设计
2.1控制系统分析
针对于城市集中供热系统，与用户相关联的是二次管网，用户室内温度均衡、供热恒定、可随室外温度变化而自动调整成为城市热网能否持续发展面临的首要解决问题。可依据二次管网供、回水平均温度来解决，假设在室外温度恒定且供热用户的室内温度相同，则各个换热站的二次管网供、回水平均温度近似相同，这样就可保证热网系统在同一水温调节曲线下进行供暖，二次管网供、回水温度之间要维持一定量的关系式，满足水温调节曲线。热源为热电厂发电过程中所使用热蒸汽经冷凝后的热水，可实现热量的二次利用，能源利用效率较高，满足国家对未来企业绿色发展的要求，但其不足之处就是热源总供热量有限。同时，根据热网工艺分析可知，工艺介质出口温度与工艺介质入口温度、工艺介质流量、载热体入口温度、载热体流量有关，但工艺介质入口温度、工艺介质流量、载热体入口温度为可测不可控因素，因此在设计控制系统时，以工艺介质出口温度为被控量，载热介质流量为控制量的控制系统，通过控制一次管网流量，在总热量一定情况下使热量分配均匀，满足供热用户所需。其工作原理是当室内温度低于设定值时，或系统供热量低于供热需求，应立即调大一次管网电动调节阀的开度，使系统热流量增加，进而提升一次管网热量，达到间接促进二次管网温度升高的目的。
2.2控制方案选择
根据热网控制系统分析，对于热网控制系统对二次侧温度控制有两种控制方案。方案一:在一次管网供回水流量与压强不变的情况下，根据室内、外温差与供热需求的变化，调整热源，即调节总供热量;方案二:在总热量不变的情况下，根据室内、外温差与供热需求的变化，调整一次管网供水流量，二次管网温度随着一次管网流量的增大而升高。方案二适用于总热量不变或总热量无法干预条件下使用，当热负荷较大时，增加一次管网供水管调节阀开度，当热负荷较小时，减小一次管网供水管调节阀开度，控制系统方框图如图2所示。方案二较方案一更节能，可实现能源的重复利用，降低热网企业工业成本。
2.3PLC选型及其分析
城市热网供热温度控制系统采用西门子S7-200系列PLC，CPU224XP，集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，具有较强的通讯能力，工业环境下稳定性高。该控制系统中涉及到三台高压泵的开关，二次管网供回水电磁阀的调节，一次管网供水调节阀的开度和回水阀的调节，供水管道供水阀与泄流阀的调节，检测元件的数据传输，CPU224XP可满足其工业需求，无需外扩模块。其I/O分配表如表1所示。
3Simulink系统仿真
热网温度控制系统可通过Simulink建立仿真模型，用数学模型代替实际生产控制系统，对控制系统进行研究，可进行PID参数的整定，更为直观地观察控制效果以及参数改变对温度曲线变化的影响。根据热平衡方程式和传热方程分析，在传热面积一定时，工艺介质出口温度可通过控制载热体流量来实现。将载热体流量设为控制参数，工艺介质出口温度设为被控参数，实现对热网温度控制系统的模型搭建。假设载热体压力变化不大，热源总热量波动不大，根据实验分析可知，载热体动态特性方程为:G1(s)=8e-1s20s+1，G2(s)=216s+1，对系统施加扰动信号，扰动通道传递函数为:Gf(s)=18(9s+1)(18s+1)，系统采用前馈—反馈控制系统，对其施加幅值为1的随机扰动，给定信号为10，采用PID调节器进行温度控制，前馈—反馈控制系统的仿真框图如图3所示。PID控制器输出表达式u(t)=Kpe+Ki∫0tedt+Kddedt，通过对PID参数调节，观察系统阶跃响应曲线变化，最终确定整定结果为Kp为3，Ki为0.5，Kd为15，前馈—反馈控制系统响应图如图4所示。热网前馈—反馈温度控制系统阶跃响应曲线为①号波形，在扰动作用下不断调整，通过PLC运行PID算法，减小测量值与给定值的偏差，②号波形为随机扰动波形，③号波形为系统阶跃给定波形。经PID整定后波形分析，整定后系统相较于整定前阶跃响应上升时间减少，超调量缩小，调节时间减小，满足工艺要求。
4结语
通过应用PLC可编程逻辑控制器，实现城市热网温度控制系统设计，工业稳定程度高。在总热量一定的情况下，通过控制一次管网供水流量控制二次管网供、回水温度差，提高能源利用率，降低工业成本。同时增加手动与电动相结合的控制方式，便于人工科学管理，提升热网系统自动化程度，提高安全稳定性能。将计算机科学与自动控制相结合，应用Simulink搭建热网模型，使其更直观表达出控制效果，可跨越时间与空间进行PID参数的整定，降低人力投入，具有一定的经济效益与社会效益。
参考文献:
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《城市热网供热控制系统设计》来源：《山西建筑》，作者:常世杰 任佳男 田思庆
