PID調(diào)節(jié)在管道企業(yè)運用

陳少祥

摘 要： PID調(diào)節(jié)在輸油生產(chǎn)過程控制中具有至關(guān)重要的作用，同時PID調(diào)節(jié)的編程也是輸油生產(chǎn)過程控制的難點，本文對PID調(diào)節(jié)原理的介紹及PID指令的定義，對輸油干線壓力及流量調(diào)節(jié)和原油混輸配比作了具體的分析，并對PID指令運用的注意事項作了說明，希望本文對系統(tǒng)維護具有參考價值。

關(guān)鍵詞： PID調(diào)節(jié);PID指令;應(yīng)用

PID調(diào)節(jié)在管道企業(yè)應(yīng)用廣泛，在干線壓力的調(diào)節(jié)和原油混輸配比中都運用到了PID調(diào)節(jié)，在使用PLC進行系統(tǒng)控制之前，采用的是具有PID調(diào)節(jié)功能的儀表對過程進行控制調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)控制精度差，而且容易產(chǎn)生偏移，需要經(jīng)常進行調(diào)試，維護困難，后來廣泛采用PLC進行系統(tǒng)控制，PLC系統(tǒng)中內(nèi)置有PID指令，在程序中直接調(diào)用PID指令，通過設(shè)置和編程，就可以完成系統(tǒng)過程控制，過程控制精度高，維護簡單，本文主要就PID調(diào)節(jié)的原理及PID指令應(yīng)用做介紹。

1 PID調(diào)節(jié)的原理

PID（Proportional integral derivative）比例、積分、微分調(diào)節(jié)廣泛用于工業(yè)過程控制，在輸油生產(chǎn)中主要用于干線壓力的調(diào)節(jié)及原油輸送配比的調(diào)節(jié)，PID指令有2種控制模式：獨立增益模式、相關(guān)增益模式，系統(tǒng)一般采用獨立增益模式，計算公式為：

PID 調(diào)節(jié)由三個環(huán)節(jié)組成：比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié);比例環(huán)節(jié)的作用是及時成比例反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號E，偏差一旦產(chǎn)生，控制作用減少偏差，但不能消除固定偏差;積分環(huán)節(jié)的作用是：主要是消除靜差;微分環(huán)節(jié)的作用是：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的的早期的修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作，減少調(diào)節(jié)時間。

2 PID指令定義

定義一個PID指令，必須指定一個PID數(shù)據(jù)類型的結(jié)構(gòu)體給本指令，用于存放組態(tài)信息和運行的狀態(tài)信息，整個結(jié)構(gòu)共計120 bytes，指令既可以直接引用放入一個例程中，也可以PID指令為基礎(chǔ)構(gòu)成一個AOI（Add_On Instruction）指令[1]，用于程序的引用，指令定義后，需要對指令進行組態(tài)和調(diào)試，組態(tài)和調(diào)試界面共有5個選項：指令參數(shù)調(diào)試、指令組態(tài)、指令的報警組態(tài)、指令的定標、指令的標簽。

（1）指令的參數(shù)的調(diào)試界面主要有：Setpoint（SP）給定值的設(shè)定;Set Output 軟件手動時，在此輸入百分比值，自動模式時，其為輸出顯示;Output Bias 輸出偏值量的百分比值，該值疊加在偏差計算結(jié)果上，構(gòu)成共同的輸出.SO， 形成前饋控制;Manual Modeles 手動控制方式，有2種方式：Manual 硬件手動控制方式，Software Manual? 軟件手動控制方式，如果兩者同時選擇，則硬件手動控制方式覆蓋軟件手動控制方式;Tuning Constants 調(diào)試參數(shù)，用于調(diào)節(jié)PID的控制功能，有以下三個參數(shù)設(shè)置：Proportional Gain（Kp） 比例增益，Integral Gain（Ki） 積分增益，Derivative Time（Kd） 微分增益。點擊Reset， 可以復(fù)位調(diào)試參數(shù)。

（2）指令的組態(tài)界面主要是選擇PID的控制模式、控制方向選擇、微分對象的選擇、回路更新時間、輸出限幅最大值（防止輸出正向積分飽和）、輸出限幅最小值（防止輸出負向積分飽和）、死區(qū)值（確定過零死區(qū)的范圍）、選擇有無微分平滑作用、選擇有無偏置量計算、選擇死區(qū)過零或不過零、選擇是否PV跟蹤、選擇回路級聯(lián)（可選擇主回路或從回路）。

（3）指令的定標界面主要有過程變量（PV）、控制變量（CV）、手動控制跟蹤量（Tieback）的定標;PID initialized 如果在控制器運行時修改定標值，此項不選擇可使得重新初始化內(nèi)部再定標。

（4）指令的報警組態(tài)界面主要組態(tài)過程變量報警上限值、過程變量的報警下限值、過程變量死區(qū)報警值、正偏移報警值、負偏移報警值、偏移死區(qū)報警值。

（5）指令標簽界面為指令指定一個定義的PID結(jié)構(gòu)標簽。

3 PID指令的應(yīng)用

管道企業(yè)中PID指令的應(yīng)用主要有原油配比輸送的調(diào)節(jié)，出站調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)。出站調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)主要調(diào)節(jié)泵入口匯管壓力、出站壓力、出站流量，使泵入口匯管壓力、出站壓力、出站流量維持在設(shè)定水平上。

3.1出站調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)

分別定義3個PID指令，分別是入口匯管壓力PID指令PID01、出站壓力PID調(diào)節(jié)指令PID02、出站流量調(diào)節(jié)PID指令PID03，指令定義完成之后，就可以在程序中使用，一般指令的調(diào)試界面的參數(shù)的設(shè)置在上位機上完成，由于入口匯管壓力調(diào)節(jié)是壓力低時，通過調(diào)節(jié)出站調(diào)節(jié)閥，使入口匯管壓力維持在高于設(shè)定的壓力值之上，所以在PID01指令組態(tài)頁面設(shè)置選擇控制方向為PV-SP;出站壓力的調(diào)節(jié)是在出站壓力高于設(shè)定值，通過調(diào)節(jié)閥，使出站壓力維持在低于設(shè)定的壓力之下，所以在PID02指令的組態(tài)頁面設(shè)置選擇控制方向為SP-PV;出站流量的調(diào)節(jié)是在出站流量高于設(shè)定值時，通過調(diào)節(jié)閥，使出站流量維持在低于設(shè)定的流量之下，所以在PID03指令的組態(tài)頁面設(shè)置選擇控制方向為SP-PV。

三個PID指令控制輸出共同作用于出站調(diào)節(jié)閥的輸出，使調(diào)節(jié)的三個量維持在正常的水平，3個控制參數(shù)正常，選擇3個PID指令輸出最大的值作為調(diào)節(jié)閥的輸出;2個控制參數(shù)正常，選擇正常2個參數(shù)PID指令輸出較小的值作為出站調(diào)節(jié)閥的輸出;1個控制參數(shù)正常選擇正常參數(shù)PID指令的輸出值作為調(diào)節(jié)閥的輸出;3個控制參數(shù)異常，調(diào)節(jié)閥處于軟件手動狀態(tài)。3個PID指令整定時，出站調(diào)節(jié)閥的輸出為整定參數(shù)PID指令的輸出。

3.2 流量配比調(diào)節(jié)

流量配比調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)2種不同的油品的流量，達到2種油品混合輸送的輸送方式，實現(xiàn)原油經(jīng)濟輸送，分別定義2個油品的PID指令，指令的定義設(shè)置與出站調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)的PID指令的配置基本相同，每個PID指令分別控制一個流量調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的閥位在某個中間位置，使流量始終維持在設(shè)定的流量上，出站調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)是使調(diào)節(jié)參數(shù)不低于或不高于設(shè)定的值，正常情況下調(diào)節(jié)閥閥位全開。

4 PID指令運用的注意事項

4.1 自動控制與手動控制切換的平滑過渡問題

調(diào)節(jié)閥是機械設(shè)備，機械設(shè)備運動不容許突變，否則會造成調(diào)節(jié)的損傷，PID指令要做到的是不能送出突變的控制信號，解決手自動控制切換的方法主要有以下方法。

（1）手動切換到自動：PID指令將對跟蹤值（Tieback變量或設(shè)定輸出）按積分運算，直至逼近按偏差產(chǎn)生的控制變量.SO，從而完成平滑過渡。

（2）自動切換到手動：將中控和站控的閥位設(shè)定值自動跟隨閥位反饋信號，實現(xiàn)了平滑過渡。

4.2 啟動平滑的問題：

當(dāng)控制器從編程模式轉(zhuǎn)為運行模式或上電進入運行模式時，PID指令亦開始運行，運算結(jié)果為控制變量，將送到模擬量輸出模塊，如選擇了輸出保持，則PID指令將輸出保持值作為初始量，以積分過渡或修改值偏置值的方式實現(xiàn)平滑過渡。最穩(wěn)妥的方式是在編程模式及上電初始化程序中將PID指令置于軟件手動模式。

4.3 防止積分飽和

根據(jù)控制對象的數(shù)據(jù)操作范圍，設(shè)置控制變量CV的上限幅及下限幅，當(dāng)CV達到上限幅或下限幅，積分項停止積分累積，避免超信號輸出。也可以編程解決，當(dāng)CV達到上限幅或下限幅，直接確定調(diào)節(jié)閥的閥位輸出。

4.4 數(shù)據(jù)的運算范圍

PV是模擬量輸入，在模擬量模塊中已經(jīng)有了自己的工程定標，在PID中稱為未定標的量，在PID指令中需要重新定標，稱為工程定標，PV和SP的數(shù)據(jù)范圍必須相同。同時控制調(diào)節(jié)閥閥位輸出的模擬量輸出模塊的工程定標也十分關(guān)鍵，調(diào)節(jié)閥的閥位控制信號是4ma全開，20ma全開，如果模擬量輸出模塊的工程定標是4ma對應(yīng)100%，20ma對應(yīng)0%，CV控制信號不需要轉(zhuǎn)換，否則CV控制信號需轉(zhuǎn)換，閥位控制輸出信號=100-CV。

4.5 指令的執(zhí)行時間和回路更新時間

PID是一條運算指令，在級條件成立時，每次掃描都要執(zhí)行，其運算頻率由回路更新時間決定?；芈犯聲r間是根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象確立的時間參數(shù)，它應(yīng)小于或等于指令執(zhí)行的時間間隔，大于或等于模擬量模塊的采樣時間。

指令執(zhí)行要確保回路更新時間，每次回路更新時間確保有新鮮的數(shù)據(jù)，指令執(zhí)行最精確的辦法是：模擬量輸入模塊每采樣一次，指令執(zhí)行一次，令回路更新時間等于模擬量模塊采樣時間，可以用模擬量模塊滾動時間標記來控制執(zhí)行動作[2]。

5 結(jié)束語

PID調(diào)節(jié)是管道企業(yè)輸油生產(chǎn)過程控制的關(guān)鍵過程，對保障輸油干線壓力及流量和原油的精密配輸具有至關(guān)重要的作用，同時PID調(diào)節(jié)編程也SCADA系統(tǒng)控制難點，需要考慮眾多因素，希望通過本文使大家對PID調(diào)節(jié)有所了解，對系統(tǒng)維護具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]錢曉龍.ControlLogix系統(tǒng)組態(tài)與編程-現(xiàn)代控制工程設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013：126

[2]鄧李.ControlLogix系統(tǒng)實用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013：160.