PCS7—PID调节分析与控制

张洪连

摘 要：腈纶厂聚合装置生产控制系统于2013年8月更新为德国西门子公司PCS7过程控制系统。该控制系统采用二台控制站，其功能：AS-400H控制站按照“热备份”模式（无扰动、出现故障自动切换）的冗余原理运行。根据这个原理，只要没有故障，两个子CPU都是激活的。如果发生故障，备用的控制器全面接管过程控制。确保了无扰动切换、快速可靠的数据交换。两台控制器保持：同样的用户程序、同样的数据块、过程映像区和同样的内部数据，如定时器、计数器、内存位等。这就确保了两个控制器始终都是最新更新的，以便当一个控制器发生故障时另一个可以接管控制。此系统控制台设有CRT显示屏幕可以读取和调节每一个控制回路的数据，输入PID最佳值，达到工艺过程中被调参数的稳定性。

关键词：热备份；CPU；数据块；过程映像

1 自动调节PID模式

一个完整的自动控制回路是由调节对象，测量装置，调节器及调节阀这四大部分组成。（如图1）

图1中，被调参数即指在工艺过程中，为达到某一目的而需要稳定或重新调优的具体的某一调节对象，如氧化剂进料量，脱单塔真空度等，在某一干扰作用如管线后路背压变化，机泵出口阀门开度变化情况下，可能会出现波动，偏离原参数值，使整个自动控制回路平衡被破坏，需通过自动控制回路的自动调节作用重新建立新的平衡。

图1中的测量元件把被测参数的测量值通过变送器转换成特定信号输送至调节器的比较机构，和原设定值进行比较，得出一个偏差就是被调参数测量值，减去仪表原设定值。有正偏差和负偏差两种，偏差作为调节器的输入信号。由于偏差的输入，调节器的输出信号即偏差大于零时，调节器输出增加，当偏差小于零时调节器输出信号减小；当偏差小于零时，输出信号增加。调节器的作用方向根据工艺需要人为设定，具体设定方法按实际生产需要而定。

当调节器将输出信号输送至调节阀后，调节阀的执行机构即开始动作，将调节器输出过来的电信号转换成风压信号，并使调节阀阀位发生变化。调节阀的动作方向有风开和风关两种，具有风开特征的调节阀，当调节器的输出信号增加时，能使调节阀的开度增大；当调节器的输出信号减小时，调节阀开度减小；反之具有风关特征的调节阀当调节器输出信号时，调节阀开度减小，当调节器输出信号减小时，调节阀开度增大。调节阀的动作是根据停风后的安全角度来设定的，如进釜各物料的调节阀就是风开阀，而进釜WDE“A”的阀和BR-9℃盐水阀则是风关阀。

调节阀定位器作为提高调节阀性能的重要手段之一，它利用闭环控制原理，控制调节阀开度等于调节阀输入信号，不受阀杆磨擦力和不平稳力变化的影响。同时，因气源压力大，还能提高阀的压差，并且具有加快阀的动作，改变作用方式，改变流量物性功能。

2 PCS7控制系统

2.1 PCS7控制系统的应用

控制系统生产厂家为西门子股份公司，系统产地为德国。西门子公司PCS7过程控制系统是集DCS、SIS、PLC以及远程IO为一体的新型全集成控制系统。具有分散控制、集中管理、控制装置和现场仪表全数字化、安装方便成本低和维护管理智能化等特点。采用SIEMENS 全集成过程控制系统PCS7、PROFIBUS现场总线、SIEMENS远程IO等组成先进的全集成、全数字化系统。

2.1.1 PCS7系统主要特点：

（1） 统一集成故障安全；（2）一体化的工程（PCS 7&COMOS）；（3）集成的资产和设备管理；（4）高度灵活的控制系统（同一系统实现从实验室到大型工程控制；（5）高性能的操作与组态，与多种工程工具，优化工具，现场设备，第三方系统的完美集成；（6）整个控制系统各个层面的全冗余解决方案；（7）正在的离散架构，完美集成现场智能设备（Profibus DP/PA， Profinet， FF， HART etc.）；（8）提供完整的现场总线冗余解决方案（Profibus PA & FF）；（9）集成高级控制功能；（10）一站式采购，所有组件均由西门子开发生产。

2.1.2 PCS7系统控制器的优点

（1）PCS7系统控制器强有力的处理能力（一对冗余控制器可以处理多达4000个IO点）；（2）冗余和非冗余可选；（3）9种不同的可选扫描周期（可以自由定义，快至10ms）；（4）良好的性能价格比；（5）组态灵活而又丰富的控制功能块。

2.2 PCS7集散控制系统的操作

同步-无扰动切换要求两个控制器是同步的。AS-400H系列控制器是“事件同步”的工作方式。这意味着任何时候事件产生了不同的内部状态，两个控制器即进行同步，以下这些事件会引起执行同步过程：直接I/O访问；过程映像区更新；中断、警报；使用通讯功能时的数据改变，操作系统自动执行同步，用户程序不必考虑同步。

自检：AS-400H系列控制器会执行大量的自检，包括：中央控制器之间的链接；CPU模块；处理机/ASIC。

探测到的每个问题都会启动报告机制。在启动例程中的自检：重启时，每个子单元执行整个电池自检。在周期模式中的自检：全面的自检分布在几个周期。每个周期执行自检的一小部分，这样就只在目前的控制器执行周期中增加一个小的负载。

本方案采用冗余控制站的特点：（1）冗余自动化控制站（AS400H）用于实现现场设备的运行状态监测、数据采集及处理、自动闭环回路控制、电气设备开关控制等系统控制功能。所有控制模块均封装在一个牢固而紧凑的塑料壳体内，携有后备电池盒和存储器插槽以集成的MPI和PROFIBUS-DP接口。（2）AS400H更采用了最新的冗余技术，两个CPU中之间通过高速光纤同步专线相连，其容错结构对用户来说是透明的，它可象标准PCS7系统那样进行处理、编程和设计。（3）发生故障时，备用控制器在中断点接管处理，因而不会丢失任何数据。（4）全面自测试功能。（5）自动事件同步功能。即对于执行过程中产生的状态不一致，操作系统仍能确保CPU同步运行。（6）LED的状态和故障显示。（7）通过直接插入CPU的光纖同步模块进行双CPU的同步连接，不会损失机架插槽，并有极高的通信速度。同步模块也可实现热插拔。

PCS7过程控制系统控制站能完成生产过程的监测、调节和顺序控制功能。包括（但不限于）：温度、压力、流量、液位的检测、监视、PID调节和各种复杂调节，各种阀门的开关、各种油泵的启停等逻辑控制和顺序控制，各种设备运行状态的监视及联锁保护。系统支持SCL。

3 自动调节PID的分析

一个处于平衡状态的自动调节系统，它的被调参数是恒定不变的，当系统受到干扰作用以后，被调参数就要发生变化，此时被调参数与给定值相比较就有一个偏差，根据这个偏差的大小，调节器就有一个相应的输出信号使调节阀动作即调节规律，对调节对象施加影响，从而使被调参数回复原来给定值，系统达到新的平衡状态，所谓的调节规律就是自动控制调节中的比例调节p，积分调节I，微分调节D。

3.1 比例调节p：阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节

比例調节作用虽然及时，作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，只能用于干扰较小，滞后较小，而时间常数又不太小的对象：压力30-70%；流量40-80%；液位20-80%；温度20-60%。

3.2 积分调节I：（见图2）调节器的输出与偏差对时间的积分成正比例的调节器的输出不仅取决于偏差的大小，而且更主要的是取决于偏差存在的时间。只要偏差存在，即使是很小，但只要存在的是够时间，调节器输出也是很大的。只有当输入偏差为零时，调节器输出停止变化，调节阀停止，续续动作，保持相应位置。

3.3 微分调节D：调节器的输出的变化与偏差变化速度成正比的调节规律，主要是用来克服被调参数的容量滞后，有调“超前”快速作用。

4 结束语

（1）比例调节P：它依据“偏差的大小”来动作。它的输出与输入偏差大小成比例调节及时，有力，但有余差。用比例度P来表示其作用的强弱。P越小，调节作用越强，比例作用太强时，会引起振荡。曲线振荡很频繁，比例增益往小调。数值越大，比例作用越强。

（2）积分调节I：它依据“偏差是否存在”来动作。它的输出与偏差对时间的积分成比例。其实质就是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间，用积分时间I表示其作用强弱，I越小，积分作用越强，积分作用太强时，也易引起振荡。

（3）微分调节D：它依据“偏差变化速度”来动作。它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其实质和效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节作用。对滞后大的对象有很好的效果。使调节过程动偏差减小，时间缩短，余差也减小（但不能消除）。用D表示其作用强弱，D大作用强，D太大会引起振荡。