PCS7—PID調節分析與控制

張洪連

摘 要：腈綸廠聚合裝置生產控制系統于2013年8月更新為德國西門子公司PCS7過程控制系統。該控制系統采用二臺控制站，其功能：AS-400H控制站按照“熱備份”模式（無擾動、出現故障自動切換）的冗余原理運行。根據這個原理，只要沒有故障，兩個子CPU都是激活的。如果發生故障，備用的控制器全面接管過程控制。確保了無擾動切換、快速可靠的數據交換。兩臺控制器保持：同樣的用戶程序、同樣的數據塊、過程映像區和同樣的內部數據，如定時器、計數器、內存位等。這就確保了兩個控制器始終都是最新更新的，以便當一個控制器發生故障時另一個可以接管控制。此系統控制臺設有CRT顯示屏幕可以讀取和調節每一個控制回路的數據，輸入PID最佳值，達到工藝過程中被調參數的穩定性。

關鍵詞：熱備份；CPU；數據塊；過程映像

1 自動調節PID模式

一個完整的自動控制回路是由調節對象，測量裝置，調節器及調節閥這四大部分組成。（如圖1）

圖1中，被調參數即指在工藝過程中，為達到某一目的而需要穩定或重新調優的具體的某一調節對象，如氧化劑進料量，脫單塔真空度等，在某一干擾作用如管線后路背壓變化，機泵出口閥門開度變化情況下，可能會出現波動，偏離原參數值，使整個自動控制回路平衡被破壞，需通過自動控制回路的自動調節作用重新建立新的平衡。

圖1中的測量元件把被測參數的測量值通過變送器轉換成特定信號輸送至調節器的比較機構，和原設定值進行比較，得出一個偏差就是被調參數測量值，減去儀表原設定值。有正偏差和負偏差兩種，偏差作為調節器的輸入信號。由于偏差的輸入，調節器的輸出信號即偏差大于零時，調節器輸出增加，當偏差小于零時調節器輸出信號減小；當偏差小于零時，輸出信號增加。調節器的作用方向根據工藝需要人為設定，具體設定方法按實際生產需要而定。

當調節器將輸出信號輸送至調節閥后，調節閥的執行機構即開始動作，將調節器輸出過來的電信號轉換成風壓信號，并使調節閥閥位發生變化。調節閥的動作方向有風開和風關兩種，具有風開特征的調節閥，當調節器的輸出信號增加時，能使調節閥的開度增大；當調節器的輸出信號減小時，調節閥開度減小；反之具有風關特征的調節閥當調節器輸出信號時，調節閥開度減小，當調節器輸出信號減小時，調節閥開度增大。調節閥的動作是根據停風后的安全角度來設定的，如進釜各物料的調節閥就是風開閥，而進釜WDE“A”的閥和BR-9℃鹽水閥則是風關閥。

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

2 PCS7控制系統

2.1 PCS7控制系統的應用

控制系統生產廠家為西門子股份公司，系統產地為德國。西門子公司PCS7過程控制系統是集DCS、SIS、PLC以及遠程IO為一體的新型全集成控制系統。具有分散控制、集中管理、控制裝置和現場儀表全數字化、安裝方便成本低和維護管理智能化等特點。采用SIEMENS 全集成過程控制系統PCS7、PROFIBUS現場總線、SIEMENS遠程IO等組成先進的全集成、全數字化系統。

2.1.1 PCS7系統主要特點：

（1） 統一集成故障安全；（2）一體化的工程（PCS 7&COMOS）；（3）集成的資產和設備管理；（4）高度靈活的控制系統（同一系統實現從實驗室到大型工程控制；（5）高性能的操作與組態，與多種工程工具，優化工具，現場設備，第三方系統的完美集成；（6）整個控制系統各個層面的全冗余解決方案；（7）正在的離散架構，完美集成現場智能設備（Profibus DP/PA， Profinet， FF， HART etc.）；（8）提供完整的現場總線冗余解決方案（Profibus PA & FF）；（9）集成高級控制功能；（10）一站式采購，所有組件均由西門子開發生產。

2.1.2 PCS7系統控制器的優點

（1）PCS7系統控制器強有力的處理能力（一對冗余控制器可以處理多達4000個IO點）；（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）良好的性能價格比；（5）組態靈活而又豐富的控制功能塊。

2.2 PCS7集散控制系統的操作

同步-無擾動切換要求兩個控制器是同步的。AS-400H系列控制器是“事件同步”的工作方式。這意味著任何時候事件產生了不同的內部狀態，兩個控制器即進行同步，以下這些事件會引起執行同步過程：直接I/O訪問；過程映像區更新；中斷、警報；使用通訊功能時的數據改變，操作系統自動執行同步，用戶程序不必考慮同步。

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

探測到的每個問題都會啟動報告機制。在啟動例程中的自檢：重啟時，每個子單元執行整個電池自檢。在周期模式中的自檢：全面的自檢分布在幾個周期。每個周期執行自檢的一小部分，這樣就只在目前的控制器執行周期中增加一個小的負載。

本方案采用冗余控制站的特點：（1）冗余自動化控制站（AS400H）用于實現現場設備的運行狀態監測、數據采集及處理、自動閉環回路控制、電氣設備開關控制等系統控制功能。所有控制模塊均封裝在一個牢固而緊湊的塑料殼體內，攜有后備電池盒和存儲器插槽以集成的MPI和PROFIBUS-DP接口。（2）AS400H更采用了最新的冗余技術，兩個CPU中之間通過高速光纖同步專線相連，其容錯結構對用戶來說是透明的，它可象標準PCS7系統那樣進行處理、編程和設計。（3）發生故障時，備用控制器在中斷點接管處理，因而不會丟失任何數據。（4）全面自測試功能。（5）自動事件同步功能。即對于執行過程中產生的狀態不一致，操作系統仍能確保CPU同步運行。（6）LED的狀態和故障顯示。（7）通過直接插入CPU的光纖同步模塊進行雙CPU的同步連接，不會損失機架插槽，并有極高的通信速度。同步模塊也可實現熱插拔。

PCS7過程控制系統控制站能完成生產過程的監測、調節和順序控制功能。包括（但不限于）：溫度、壓力、流量、液位的檢測、監視、PID調節和各種復雜調節，各種閥門的開關、各種油泵的啟停等邏輯控制和順序控制，各種設備運行狀態的監視及聯鎖保護。系統支持SCL。

3 自動調節PID的分析

一個處于平衡狀態的自動調節系統，它的被調參數是恒定不變的，當系統受到干擾作用以后，被調參數就要發生變化，此時被調參數與給定值相比較就有一個偏差，根據這個偏差的大小，調節器就有一個相應的輸出信號使調節閥動作即調節規律，對調節對象施加影響，從而使被調參數回復原來給定值，系統達到新的平衡狀態，所謂的調節規律就是自動控制調節中的比例調節p，積分調節I，微分調節D。

3.1 比例調節p：閥門開度與被調參數的偏差成比例的調節

比例調節作用雖然及時，作用強，但是有余差存在，被調參數不能完全回復到給定值，調節精度不高，只能用于干擾較小，滯后較小，而時間常數又不太小的對象：壓力30-70%；流量40-80%；液位20-80%；溫度20-60%。

3.2 積分調節I：（見圖2）調節器的輸出與偏差對時間的積分成正比例的調節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間。只要偏差存在，即使是很小，但只要存在的是夠時間，調節器輸出也是很大的。只有當輸入偏差為零時，調節器輸出停止變化，調節閥停止，續續動作，保持相應位置。

3.3 微分調節D：調節器的輸出的變化與偏差變化速度成正比的調節規律，主要是用來克服被調參數的容量滯后，有調“超前”快速作用。

4 結束語

（1）比例調節P：它依據“偏差的大小”來動作。它的輸出與輸入偏差大小成比例調節及時，有力，但有余差。用比例度P來表示其作用的強弱。P越小，調節作用越強，比例作用太強時，會引起振蕩。曲線振蕩很頻繁，比例增益往小調。數值越大，比例作用越強。

（2）積分調節I：它依據“偏差是否存在”來動作。它的輸出與偏差對時間的積分成比例。其實質就是消除余差。但積分作用使最大動偏差增大，延長了調節時間，用積分時間I表示其作用強弱，I越小，積分作用越強，積分作用太強時，也易引起振蕩。

（3）微分調節D：它依據“偏差變化速度”來動作。它的輸出與輸入偏差變化的速度成比例，其實質和效果是阻止被調參數的一切變化，有超前調節作用。對滯后大的對象有很好的效果。使調節過程動偏差減小，時間縮短，余差也減小（但不能消除）。用D表示其作用強弱，D大作用強，D太大會引起振蕩。