PCS7—PID調(diào)節(jié)分析與控制

張洪連

摘 要：腈綸廠聚合裝置生產(chǎn)控制系統(tǒng)于2013年8月更新為德國(guó)西門子公司PCS7過程控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用二臺(tái)控制站，其功能：AS-400H控制站按照“熱備份”模式（無擾動(dòng)、出現(xiàn)故障自動(dòng)切換）的冗余原理運(yùn)行。根據(jù)這個(gè)原理，只要沒有故障，兩個(gè)子CPU都是激活的。如果發(fā)生故障，備用的控制器全面接管過程控制。確保了無擾動(dòng)切換、快速可靠的數(shù)據(jù)交換。兩臺(tái)控制器保持：同樣的用戶程序、同樣的數(shù)據(jù)塊、過程映像區(qū)和同樣的內(nèi)部數(shù)據(jù)，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、內(nèi)存位等。這就確保了兩個(gè)控制器始終都是最新更新的，以便當(dāng)一個(gè)控制器發(fā)生故障時(shí)另一個(gè)可以接管控制。此系統(tǒng)控制臺(tái)設(shè)有CRT顯示屏幕可以讀取和調(diào)節(jié)每一個(gè)控制回路的數(shù)據(jù)，輸入PID最佳值，達(dá)到工藝過程中被調(diào)參數(shù)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：熱備份；CPU；數(shù)據(jù)塊；過程映像

1 自動(dòng)調(diào)節(jié)PID模式

一個(gè)完整的自動(dòng)控制回路是由調(diào)節(jié)對(duì)象，測(cè)量裝置，調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)閥這四大部分組成。（如圖1）

圖1中，被調(diào)參數(shù)即指在工藝過程中，為達(dá)到某一目的而需要穩(wěn)定或重新調(diào)優(yōu)的具體的某一調(diào)節(jié)對(duì)象，如氧化劑進(jìn)料量，脫單塔真空度等，在某一干擾作用如管線后路背壓變化，機(jī)泵出口閥門開度變化情況下，可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，偏離原參數(shù)值，使整個(gè)自動(dòng)控制回路平衡被破壞，需通過自動(dòng)控制回路的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用重新建立新的平衡。

圖1中的測(cè)量元件把被測(cè)參數(shù)的測(cè)量值通過變送器轉(zhuǎn)換成特定信號(hào)輸送至調(diào)節(jié)器的比較機(jī)構(gòu)，和原設(shè)定值進(jìn)行比較，得出一個(gè)偏差就是被調(diào)參數(shù)測(cè)量值，減去儀表原設(shè)定值。有正偏差和負(fù)偏差兩種，偏差作為調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)。由于偏差的輸入，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)即偏差大于零時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出增加，當(dāng)偏差小于零時(shí)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)減??；當(dāng)偏差小于零時(shí)，輸出信號(hào)增加。調(diào)節(jié)器的作用方向根據(jù)工藝需要人為設(shè)定，具體設(shè)定方法按實(shí)際生產(chǎn)需要而定。

當(dāng)調(diào)節(jié)器將輸出信號(hào)輸送至調(diào)節(jié)閥后，調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即開始動(dòng)作，將調(diào)節(jié)器輸出過來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓信號(hào)，并使調(diào)節(jié)閥閥位發(fā)生變化。調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作方向有風(fēng)開和風(fēng)關(guān)兩種，具有風(fēng)開特征的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)增加時(shí)，能使調(diào)節(jié)閥的開度增大；當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)減小時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度減??；反之具有風(fēng)關(guān)特征的調(diào)節(jié)閥當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度減小，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)減小時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度增大。調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作是根據(jù)停風(fēng)后的安全角度來設(shè)定的，如進(jìn)釜各物料的調(diào)節(jié)閥就是風(fēng)開閥，而進(jìn)釜WDE“A”的閥和BR-9℃鹽水閥則是風(fēng)關(guān)閥。

調(diào)節(jié)閥定位器作為提高調(diào)節(jié)閥性能的重要手段之一，它利用閉環(huán)控制原理，控制調(diào)節(jié)閥開度等于調(diào)節(jié)閥輸入信號(hào)，不受閥桿磨擦力和不平穩(wěn)力變化的影響。同時(shí)，因氣源壓力大，還能提高閥的壓差，并且具有加快閥的動(dòng)作，改變作用方式，改變流量物性功能。

2 PCS7控制系統(tǒng)

2.1 PCS7控制系統(tǒng)的應(yīng)用

控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家為西門子股份公司，系統(tǒng)產(chǎn)地為德國(guó)。西門子公司PCS7過程控制系統(tǒng)是集DCS、SIS、PLC以及遠(yuǎn)程IO為一體的新型全集成控制系統(tǒng)。具有分散控制、集中管理、控制裝置和現(xiàn)場(chǎng)儀表全數(shù)字化、安裝方便成本低和維護(hù)管理智能化等特點(diǎn)。采用SIEMENS 全集成過程控制系統(tǒng)PCS7、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、SIEMENS遠(yuǎn)程IO等組成先進(jìn)的全集成、全數(shù)字化系統(tǒng)。

2.1.1 PCS7系統(tǒng)主要特點(diǎn)：

（1） 統(tǒng)一集成故障安全；（2）一體化的工程（PCS 7&COMOS）；（3）集成的資產(chǎn)和設(shè)備管理；（4）高度靈活的控制系統(tǒng)（同一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到大型工程控制；（5）高性能的操作與組態(tài)，與多種工程工具，優(yōu)化工具，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，第三方系統(tǒng)的完美集成；（6）整個(gè)控制系統(tǒng)各個(gè)層面的全冗余解決方案；（7）正在的離散架構(gòu)，完美集成現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備（Profibus DP/PA， Profinet， FF， HART etc.）；（8）提供完整的現(xiàn)場(chǎng)總線冗余解決方案（Profibus PA & FF）；（9）集成高級(jí)控制功能；（10）一站式采購(gòu)，所有組件均由西門子開發(fā)生產(chǎn)。

2.1.2 PCS7系統(tǒng)控制器的優(yōu)點(diǎn)

（1）PCS7系統(tǒng)控制器強(qiáng)有力的處理能力（一對(duì)冗余控制器可以處理多達(dá)4000個(gè)IO點(diǎn)）；（2）冗余和非冗余可選；（3）9種不同的可選掃描周期（可以自由定義，快至10ms）；（4）良好的性能價(jià)格比；（5）組態(tài)靈活而又豐富的控制功能塊。

2.2 PCS7集散控制系統(tǒng)的操作

同步-無擾動(dòng)切換要求兩個(gè)控制器是同步的。AS-400H系列控制器是“事件同步”的工作方式。這意味著任何時(shí)候事件產(chǎn)生了不同的內(nèi)部狀態(tài)，兩個(gè)控制器即進(jìn)行同步，以下這些事件會(huì)引起執(zhí)行同步過程：直接I/O訪問；過程映像區(qū)更新；中斷、警報(bào)；使用通訊功能時(shí)的數(shù)據(jù)改變，操作系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行同步，用戶程序不必考慮同步。

自檢：AS-400H系列控制器會(huì)執(zhí)行大量的自檢，包括：中央控制器之間的鏈接；CPU模塊；處理機(jī)/ASIC。

探測(cè)到的每個(gè)問題都會(huì)啟動(dòng)報(bào)告機(jī)制。在啟動(dòng)例程中的自檢：重啟時(shí)，每個(gè)子單元執(zhí)行整個(gè)電池自檢。在周期模式中的自檢：全面的自檢分布在幾個(gè)周期。每個(gè)周期執(zhí)行自檢的一小部分，這樣就只在目前的控制器執(zhí)行周期中增加一個(gè)小的負(fù)載。

本方案采用冗余控制站的特點(diǎn)：（1）冗余自動(dòng)化控制站（AS400H）用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集及處理、自動(dòng)閉環(huán)回路控制、電氣設(shè)備開關(guān)控制等系統(tǒng)控制功能。所有控制模塊均封裝在一個(gè)牢固而緊湊的塑料殼體內(nèi)，攜有后備電池盒和存儲(chǔ)器插槽以集成的MPI和PROFIBUS-DP接口。（2）AS400H更采用了最新的冗余技術(shù)，兩個(gè)CPU中之間通過高速光纖同步專線相連，其容錯(cuò)結(jié)構(gòu)對(duì)用戶來說是透明的，它可象標(biāo)準(zhǔn)PCS7系統(tǒng)那樣進(jìn)行處理、編程和設(shè)計(jì)。（3）發(fā)生故障時(shí)，備用控制器在中斷點(diǎn)接管處理，因而不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)。（4）全面自測(cè)試功能。（5）自動(dòng)事件同步功能。即對(duì)于執(zhí)行過程中產(chǎn)生的狀態(tài)不一致，操作系統(tǒng)仍能確保CPU同步運(yùn)行。（6）LED的狀態(tài)和故障顯示。（7）通過直接插入CPU的光纖同步模塊進(jìn)行雙CPU的同步連接，不會(huì)損失機(jī)架插槽，并有極高的通信速度。同步模塊也可實(shí)現(xiàn)熱插拔。

PCS7過程控制系統(tǒng)控制站能完成生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)和順序控制功能。包括（但不限于）：溫度、壓力、流量、液位的檢測(cè)、監(jiān)視、PID調(diào)節(jié)和各種復(fù)雜調(diào)節(jié)，各種閥門的開關(guān)、各種油泵的啟停等邏輯控制和順序控制，各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視及聯(lián)鎖保護(hù)。系統(tǒng)支持SCL。

3 自動(dòng)調(diào)節(jié)PID的分析

一個(gè)處于平衡狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它的被調(diào)參數(shù)是恒定不變的，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾作用以后，被調(diào)參數(shù)就要發(fā)生變化，此時(shí)被調(diào)參數(shù)與給定值相比較就有一個(gè)偏差，根據(jù)這個(gè)偏差的大小，調(diào)節(jié)器就有一個(gè)相應(yīng)的輸出信號(hào)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作即調(diào)節(jié)規(guī)律，對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象施加影響，從而使被調(diào)參數(shù)回復(fù)原來給定值，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，所謂的調(diào)節(jié)規(guī)律就是自動(dòng)控制調(diào)節(jié)中的比例調(diào)節(jié)p，積分調(diào)節(jié)I，微分調(diào)節(jié)D。

3.1 比例調(diào)節(jié)p：閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)

比例調(diào)節(jié)作用雖然及時(shí)，作用強(qiáng)，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，只能用于干擾較小，滯后較小，而時(shí)間常數(shù)又不太小的對(duì)象：壓力30-70%；流量40-80%；液位20-80%；溫度20-60%。

3.2 積分調(diào)節(jié)I：（見圖2）調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比例的調(diào)節(jié)器的輸出不僅取決于偏差的大小，而且更主要的是取決于偏差存在的時(shí)間。只要偏差存在，即使是很小，但只要存在的是夠時(shí)間，調(diào)節(jié)器輸出也是很大的。只有當(dāng)輸入偏差為零時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出停止變化，調(diào)節(jié)閥停止，續(xù)續(xù)動(dòng)作，保持相應(yīng)位置。

3.3 微分調(diào)節(jié)D：調(diào)節(jié)器的輸出的變化與偏差變化速度成正比的調(diào)節(jié)規(guī)律，主要是用來克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后，有調(diào)“超前”快速作用。

4 結(jié)束語

（1）比例調(diào)節(jié)P：它依據(jù)“偏差的大小”來動(dòng)作。它的輸出與輸入偏差大小成比例調(diào)節(jié)及時(shí)，有力，但有余差。用比例度P來表示其作用的強(qiáng)弱。P越小，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，比例作用太強(qiáng)時(shí)，會(huì)引起振蕩。曲線振蕩很頻繁，比例增益往小調(diào)。數(shù)值越大，比例作用越強(qiáng)。

（2）積分調(diào)節(jié)I：它依據(jù)“偏差是否存在”來動(dòng)作。它的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成比例。其實(shí)質(zhì)就是消除余差。但積分作用使最大動(dòng)偏差增大，延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間，用積分時(shí)間I表示其作用強(qiáng)弱，I越小，積分作用越強(qiáng)，積分作用太強(qiáng)時(shí)，也易引起振蕩。

（3）微分調(diào)節(jié)D：它依據(jù)“偏差變化速度”來動(dòng)作。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其實(shí)質(zhì)和效果是阻止被調(diào)參數(shù)的一切變化，有超前調(diào)節(jié)作用。對(duì)滯后大的對(duì)象有很好的效果。使調(diào)節(jié)過程動(dòng)偏差減小，時(shí)間縮短，余差也減?。ǖ荒芟?。用D表示其作用強(qiáng)弱，D大作用強(qiáng)，D太大會(huì)引起振蕩。