PID調節在管道企業運用

陳少祥

摘 要： PID調節在輸油生產過程控制中具有至關重要的作用，同時PID調節的編程也是輸油生產過程控制的難點，本文對PID調節原理的介紹及PID指令的定義，對輸油干線壓力及流量調節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，希望本文對系統維護具有參考價值。

關鍵詞： PID調節;PID指令;應用

PID調節在管道企業應用廣泛，在干線壓力的調節和原油混輸配比中都運用到了PID調節，在使用PLC進行系統控制之前，采用的是具有PID調節功能的儀表對過程進行控制調節，調節控制精度差，而且容易產生偏移，需要經常進行調試，維護困難，后來廣泛采用PLC進行系統控制，PLC系統中內置有PID指令，在程序中直接調用PID指令，通過設置和編程，就可以完成系統過程控制，過程控制精度高，維護簡單，本文主要就PID調節的原理及PID指令應用做介紹。

1 PID調節的原理

PID（Proportional integral derivative）比例、積分、微分調節廣泛用于工業過程控制，在輸油生產中主要用于干線壓力的調節及原油輸送配比的調節，PID指令有2種控制模式：獨立增益模式、相關增益模式，系統一般采用獨立增益模式，計算公式為：

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

2 PID指令定義

定義一個PID指令，必須指定一個PID數據類型的結構體給本指令，用于存放組態信息和運行的狀態信息，整個結構共計120 bytes，指令既可以直接引用放入一個例程中，也可以PID指令為基礎構成一個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和調試，組態和調試界面共有5個選項：指令參數調試、指令組態、指令的報警組態、指令的定標、指令的標簽。

（1）指令的參數的調試界面主要有：Setpoint（SP）給定值的設定;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果上，構成共同的輸出.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 調試參數，用于調節PID的控制功能，有以下三個參數設置：Proportional Gain（Kp） 比例增益，Integral Gain（Ki） 積分增益，Derivative Time（Kd） 微分增益。點擊Reset， 可以復位調試參數。

（2）指令的組態界面主要是選擇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）、死區值（確定過零死區的范圍）、選擇有無微分平滑作用、選擇有無偏置量計算、選擇死區過零或不過零、選擇是否PV跟蹤、選擇回路級聯（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部再定標。

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

（5）指令標簽界面為指令指定一個定義的PID結構標簽。

3 PID指令的應用

管道企業中PID指令的應用主要有原油配比輸送的調節，出站調節閥的調節。出站調節閥的調節主要調節泵入口匯管壓力、出站壓力、出站流量，使泵入口匯管壓力、出站壓力、出站流量維持在設定水平上。

3.1出站調節閥的調節

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調節指令PID02、出站流量調節PID指令PID03，指令定義完成之后，就可以在程序中使用，一般指令的調試界面的參數的設置在上位機上完成，由于入口匯管壓力調節是壓力低時，通過調節出站調節閥，使入口匯管壓力維持在高于設定的壓力值之上，所以在PID01指令組態頁面設置選擇控制方向為PV-SP;出站壓力的調節是在出站壓力高于設定值，通過調節閥，使出站壓力維持在低于設定的壓力之下，所以在PID02指令的組態頁面設置選擇控制方向為SP-PV;出站流量的調節是在出站流量高于設定值時，通過調節閥，使出站流量維持在低于設定的流量之下，所以在PID03指令的組態頁面設置選擇控制方向為SP-PV。

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

3.2 流量配比調節

流量配比調節是通過調節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，實現原油經濟輸送，分別定義2個油品的PID指令，指令的定義設置與出站調節閥調節的PID指令的配置基本相同，每個PID指令分別控制一個流量調節閥，調節閥的閥位在某個中間位置，使流量始終維持在設定的流量上，出站調節閥的調節是使調節參數不低于或不高于設定的值，正常情況下調節閥閥位全開。

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

調節閥是機械設備，機械設備運動不容許突變，否則會造成調節的損傷，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變量或設定輸出）按積分運算，直至逼近按偏差產生的控制變量.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定值自動跟隨閥位反饋信號，實現了平滑過渡。

4.2 啟動平滑的問題：

當控制器從編程模式轉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平滑過渡。最穩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

根據控制對象的數據操作范圍，設置控制變量CV的上限幅及下限幅，當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CV達到上限幅或下限幅，直接確定調節閥的閥位輸出。

4.4 數據的運算范圍

PV是模擬量輸入，在模擬量模塊中已經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的數據范圍必須相同。同時控制調節閥閥位輸出的模擬量輸出模塊的工程定標也十分關鍵，調節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100%，20ma對應0%，CV控制信號不需要轉換，否則CV控制信號需轉換，閥位控制輸出信號=100-CV。

4.5 指令的執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，每次掃描都要執行，其運算頻率由回路更新時間決定。回路更新時間是根據系統的調節對象確立的時間參數，它應小于或等于指令執行的時間間隔，大于或等于模擬量模塊的采樣時間。

指令執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據，指令執行最精確的辦法是：模擬量輸入模塊每采樣一次，指令執行一次，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行動作[2]。

5 結束語

PID調節是管道企業輸油生產過程控制的關鍵過程，對保障輸油干線壓力及流量和原油的精密配輸具有至關重要的作用，同時PID調節編程也SCADA系統控制難點，需要考慮眾多因素，希望通過本文使大家對PID調節有所了解，對系統維護具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]錢曉龍.ControlLogix系統組態與編程-現代控制工程設計[M].北京：機械工業出版社，2013：126

[2]鄧李.ControlLogix系統實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2013：160.