應(yīng)用OCS實(shí)現(xiàn)換熱站蒸汽閥的PID控制

張 祿，裴 銳，楊立宏

（1.遼寧省大容量計(jì)量站（國家大容量第一計(jì)量站），遼寧 撫順 113112；2.沈陽計(jì)量測試院，沈陽 110179）

換熱站就是換熱的地方，把由熱電廠產(chǎn)生的高溫?zé)崴蛘哒羝麄鬏數(shù)礁鱾€(gè)居民小區(qū)里，將熱量傳送到小區(qū)管網(wǎng)中，通過一體化OCS 控制器的PID 流量控制實(shí)現(xiàn)“汽水交換”的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1 換熱原理

圖1 PID控制原理圖Fig.1 PID Control principle diagram

換熱站將熱蒸汽源、一次供水、二次回水和二次供水整合在設(shè)備中進(jìn)行汽水交換[1]，整個(gè)換熱站設(shè)備的運(yùn)行中可以監(jiān)控到蒸汽源的閥門開度、水蒸汽溫度和壓力值、二次回水的溫度壓力值、二次供水的溫度壓力值以及外部環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度值。汽水交換包括供水蒸汽、1#和2#循環(huán)泵、1#和2#補(bǔ)水泵和補(bǔ)水箱。PID 自動(dòng)控制主要實(shí)現(xiàn)蒸汽調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)開度調(diào)節(jié)，而PID 控制方式主要有Isa PID 和Independent PID 兩種[2]，其控制原理的理論公式如下：

1）ISA PID:

CVout = Kp * (Error + (Error * dt / Ti) + (Td * Derivative))+ CVBias

2）Independent PID:

CVout = (Kp * Error) + (Ki * Error * dt) + (Kd * Derivative)+ CVBias

2 控制系統(tǒng)

為了保證換熱站的可靠運(yùn)行，可以應(yīng)用OCS 控制器以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的交互控制，如圖2 所示，包括主界面頁、報(bào)警信息頁、參數(shù)設(shè)置頁和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其中參數(shù)設(shè)置頁還包括供水溫度設(shè)定、PID 參數(shù)設(shè)定、DTU 通信設(shè)定、密碼修改和系統(tǒng)菜單[3,4]。主程序main 的子程序包括Analog_Input、General、Get_Setpoint、DTU、PID_Value、Analog_Output 和Alarm。

3 PID自動(dòng)控制

3.1 PID初始化

PID 功能塊的內(nèi)部寄存器，占用連續(xù)16 個(gè)字，一般使用%R 寄存器，具體的參數(shù)含義如下[5,6]：

1）Sample Period 采 樣 周 期，PID 采 用 周 期，最 小10ms。

2）Dead Band + 正向死區(qū)。

3）Dead Band–反向死區(qū)。當(dāng)前的PV 值，如果在SP值+正負(fù)死區(qū)的范圍內(nèi)時(shí)，CV 不動(dòng)作；設(shè)為0 時(shí)不啟用；在PID 自整定前，死區(qū)應(yīng)都設(shè)定為0。

4）Kp 比例系數(shù)，單位1%。

圖2 換熱站系統(tǒng)界面圖Fig.2 Interface diagram of heat exchange station system

5）Kd 微分系數(shù)，Kd = Kp × Td。

6）Ki 積分系數(shù)。

7）CV Bias 輸出偏移量，在上下限位和最小調(diào)節(jié)時(shí)間判斷前，CV 里添加到PID 輸出的值。

8）CV Upper Clamp 控制上限位（鉗位）。

9）CV Lower Clamp 控制下限位（鉗位），定義了CV的最大和最小值的上限位必須有一個(gè)比下限位更大的值，否則PID 功能塊將不工作。通常用來定義CV 輸出的物理極限。

10）Minimum Slew Time 最小調(diào)節(jié)時(shí)間，CV 輸出從0到滿量程所用的最小秒數(shù)，可以用來限制CV 的變化率。

11）Config Word 內(nèi)部配置字，控制器內(nèi)部使用，不能占用和修改。

12）Manual Command 手動(dòng)控制值，在PID 自動(dòng)時(shí)隨CV 變化；在手動(dòng)時(shí)，修改該值，CV 會(huì)跟隨其變化。

13）Internal SP 內(nèi)部期望值，跟隨SP 值變化。

圖3 PID參數(shù)控制界面Fig.3 PID parameter control interface

14）Internal PV 內(nèi)部過程值，跟隨PV 值變化。

15）Internal CV 內(nèi)部控制值，跟隨CV 值變化。

16）Cycle Time 周期時(shí)間，PID 功能塊上的PWM 功能的周期時(shí)間，最小500ms。

初始化PID 賦值：采樣時(shí)間100ms，正負(fù)死區(qū)為100，Bias 為0，輸出上限32000，下限0，最小調(diào)節(jié)時(shí)間為0。

1-%R00220 PIDv_SampleTime 10

2-%R00221 PIDv_Deadband_POS 100

3-%R00222 PIDv_Deadband_NEG 100

7-%R00226 PIDv_Bias 0

8-%R00227 PIDv_Upper_Clamp 32000

9-%R00228 PIDv_Lower_Clamp 0

10-%R00229 PIDv_Min_Slew 0

在自學(xué)習(xí)之前，死區(qū)清零

%T00006 STart_Self_Learn 觸發(fā)%T00009，

%R00221 PIDv_Deadband_POS 0

%R00222 PIDv_Deadband_NEG 0

在自學(xué)習(xí)結(jié)束后，死區(qū)恢復(fù)

%T00006 STart_Self_Learn 觸發(fā)%T00010，

%R00221 PIDv_Deadband_POS 100

%R00222 PIDv_Deadband_NEG 100

自動(dòng)狀態(tài)下將轉(zhuǎn)化設(shè)定溫度至SP

%R00201 SetPoint 量程0 ～150

%R00203 PID_Value_SP_R 量程 0 ～32000

3.2 PID參數(shù)控制

1）PID Address 上述PID 參數(shù)初始化的16 個(gè)寄存器初始地址。

圖4 PID自整定界面Fig.4 PID Self-tuning interface

2）Set Point 期望值，范圍-32000 ～32000，16 位有符號(hào)整型。

3）Process 過程值，范圍-32000 ～32000，16 位有符號(hào)整型。需要注意的是SP 和PV 的量綱應(yīng)相同。

4）Control 控制值，范圍-32000 ～32000，16 位有符號(hào)整型。

5）Enable PID 手/自動(dòng)切換控制位，為OFF 時(shí)手動(dòng)，ON 時(shí)自動(dòng)。

6）Up 在手動(dòng)模式下，如果PID 功能塊能流導(dǎo)通，若UP 位為ON，則CV 值每掃描周期+1。

7）Down 在手動(dòng)模式下，如果PID 功能塊能流導(dǎo)通，若DOWN 位為ON，則CV 值每掃描周期-1。

8）勾選Support Auto Tune，是否使用PID 自整定功能。

9）Auto Tune Settings，點(diǎn)擊可進(jìn)入PID 自整定設(shè)定 。

10）TUNE>>點(diǎn)擊可進(jìn)入PID 調(diào)節(jié)面板[7]。

3.3 PID自整定

1）Start Auto Tune 開始PID 自整定：當(dāng)該位為ON 時(shí)開始自整定功能，如果修改為OFF，則退出自整定。

2）Start Tune Done PID 自整定完成：當(dāng)該位為ON 時(shí)，表示自整定完畢，已得到PID 參數(shù)；若此時(shí)把開始自整定的位設(shè)置為OFF，則該位也會(huì)變?yōu)镺FF。

3）Auto Tune，PID 自整定的模式，可選PID，PI 或P模式。

4）Control 控制器的響應(yīng)速度，可選Fast，Medium，Slow 和Very Slow Fast，有超調(diào)量，第二個(gè)超調(diào)的峰值是第一個(gè)超調(diào)峰值的1/4。Medium：超調(diào)量較小；Slow：幾乎沒有超調(diào)；Very Slow：適用于超出了Zeigler-Nichols 判據(jù)的系統(tǒng)[8,9]。

5）在自整定時(shí)的噪聲抑制范圍：該參數(shù)用于設(shè)定自整定時(shí)的超調(diào)轉(zhuǎn)換范圍。對(duì)于PV 噪聲信號(hào)較大的系統(tǒng)，該范圍也應(yīng)相應(yīng)加大[10]。

6）按2/3 設(shè)定值調(diào)節(jié)：有些控制系統(tǒng)不允許超過其設(shè)定值，在此時(shí)可以勾選此項(xiàng)，在PID 自整定過程中，其將按照設(shè)定SP 值的2/3 進(jìn)行調(diào)節(jié)。

自整定時(shí)的超調(diào)轉(zhuǎn)換范圍≈64000×Noise Filtering 系數(shù)。例如：若當(dāng)前SP 值為6000，Noise Filtering 系數(shù)選為0.31%，則轉(zhuǎn)換范圍約為200 左右。在SP-PV 正向調(diào)節(jié)時(shí)，PID 在6200 左右會(huì)把CV 置為0（或者下限位），在5800左右會(huì)把CV 置為32000（或者上限位）輸出。

4 結(jié)論

本文闡述了應(yīng)用OCS 控制器實(shí)現(xiàn)“汽水交換”的自動(dòng)調(diào)節(jié)。從換熱站的換熱工作原理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PID 參數(shù)設(shè)置3 個(gè)方面詳細(xì)闡述了OCS 控制器的控制過程，換熱站將蒸汽源、一次進(jìn)水、二次回水、二次供水整合在自控系統(tǒng)中，并對(duì)上述工藝環(huán)節(jié)的工況溫度壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和環(huán)路控制以針對(duì)室外環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的溫度調(diào)節(jié)。經(jīng)測試，應(yīng)用OCS 一體化控制器的換熱站蒸汽閥自動(dòng)控制器系統(tǒng)，可以有效地實(shí)現(xiàn)控溫調(diào)節(jié)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。