PID调节在管道企业运用

陈少祥

摘 要： PID调节在输油生产过程控制中具有至关重要的作用，同时PID调节的编程也是输油生产过程控制的难点，本文对PID调节原理的介绍及PID指令的定义，对输油干线压力及流量调节和原油混输配比作了具体的分析，并对PID指令运用的注意事项作了说明，希望本文对系统维护具有参考价值。

关键词： PID调节;PID指令;应用

PID调节在管道企业应用广泛，在干线压力的调节和原油混输配比中都运用到了PID调节，在使用PLC进行系统控制之前，采用的是具有PID调节功能的仪表对过程进行控制调节，调节控制精度差，而且容易产生偏移，需要经常进行调试，维护困难，后来广泛采用PLC进行系统控制，PLC系统中内置有PID指令，在程序中直接调用PID指令，通过设置和编程，就可以完成系统过程控制，过程控制精度高，维护简单，本文主要就PID调节的原理及PID指令应用做介绍。

1 PID调节的原理

PID（Proportional integral derivative）比例、积分、微分调节广泛用于工业过程控制，在输油生产中主要用于干线压力的调节及原油输送配比的调节，PID指令有2种控制模式：独立增益模式、相关增益模式，系统一般采用独立增益模式，计算公式为：

PID 调节由三个环节组成：比例环节、积分环节、微分环节;比例环节的作用是及时成比例反应控制系统的偏差信号E，偏差一旦产生，控制作用减少偏差，但不能消除固定偏差;积分环节的作用是：主要是消除静差;微分环节的作用是：能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的的早期的修正信号，从而加快系统的动作，减少调节时间。

2 PID指令定义

定义一个PID指令，必须指定一个PID数据类型的结构体给本指令，用于存放组态信息和运行的状态信息，整个结构共计120 bytes，指令既可以直接引用放入一个例程中，也可以PID指令为基础构成一个AOI（Add_On Instruction）指令[1]，用于程序的引用，指令定义后，需要对指令进行组态和调试，组态和调试界面共有5个选项：指令参数调试、指令组态、指令的报警组态、指令的定标、指令的标签。

（1）指令的参数的调试界面主要有：Setpoint（SP）给定值的设定;Set Output 软件手动时，在此输入百分比值，自动模式时，其为输出显示;Output Bias 输出偏值量的百分比值，该值叠加在偏差计算结果上，构成共同的输出.SO， 形成前馈控制;Manual Modeles 手动控制方式，有2种方式：Manual 硬件手动控制方式，Software Manual  软件手动控制方式，如果两者同时选择，则硬件手动控制方式覆盖软件手动控制方式;Tuning Constants 调试参数，用于调节PID的控制功能，有以下三个参数设置：Proportional Gain（Kp） 比例增益，Integral Gain（Ki） 积分增益，Derivative Time（Kd） 微分增益。点击Reset， 可以复位调试参数。

（2）指令的组态界面主要是选择PID的控制模式、控制方向选择、微分对象的选择、回路更新时间、输出限幅最大值（防止输出正向积分饱和）、输出限幅最小值（防止输出负向积分饱和）、死区值（确定过零死区的范围）、选择有无微分平滑作用、选择有无偏置量计算、选择死区过零或不过零、选择是否PV跟踪、选择回路级联（可选择主回路或从回路）。

（3）指令的定标界面主要有过程变量（PV）、控制变量（CV）、手动控制跟踪量（Tieback）的定标;PID initialized 如果在控制器运行时修改定标值，此项不选择可使得重新初始化内部再定标。

（4）指令的报警组态界面主要组态过程变量报警上限值、过程变量的报警下限值、过程变量死区报警值、正偏移报警值、负偏移报警值、偏移死区报警值。

（5）指令标签界面为指令指定一个定义的PID结构标签。

3 PID指令的应用

管道企业中PID指令的应用主要有原油配比输送的调节，出站调节阀的调节。出站调节阀的调节主要调节泵入口汇管压力、出站压力、出站流量，使泵入口汇管压力、出站压力、出站流量维持在设定水平上。

3.1出站调节阀的调节

分别定义3个PID指令，分别是入口汇管压力PID指令PID01、出站压力PID调节指令PID02、出站流量调节PID指令PID03，指令定义完成之后，就可以在程序中使用，一般指令的調试界面的参数的设置在上位机上完成，由于入口汇管压力调节是压力低时，通过调节出站调节阀，使入口汇管压力维持在高于设定的压力值之上，所以在PID01指令组态页面设置选择控制方向为PV-SP;出站压力的调节是在出站压力高于设定值，通过调节阀，使出站压力维持在低于设定的压力之下，所以在PID02指令的组态页面设置选择控制方向为SP-PV;出站流量的调节是在出站流量高于设定值时，通过调节阀，使出站流量维持在低于设定的流量之下，所以在PID03指令的组态页面设置选择控制方向为SP-PV。

三个PID指令控制输出共同作用于出站调节阀的输出，使调节的三个量维持在正常的水平，3个控制参数正常，选择3个PID指令输出最大的值作为调节阀的输出;2个控制参数正常，选择正常2个参数PID指令输出较小的值作为出站调节阀的输出;1个控制参数正常选择正常参数PID指令的输出值作为调节阀的输出;3个控制参数异常，调节阀处于软件手动状态。3个PID指令整定时，出站调节阀的输出为整定参数PID指令的输出。

3.2 流量配比调节

流量配比调节是通过调节2种不同的油品的流量，达到2种油品混合输送的输送方式，实现原油经济输送，分别定义2个油品的PID指令，指令的定义设置与出站调节阀调节的PID指令的配置基本相同，每个PID指令分别控制一个流量调节阀，调节阀的阀位在某个中间位置，使流量始终维持在设定的流量上，出站调节阀的调节是使调节参数不低于或不高于设定的值，正常情况下调节阀阀位全开。

4 PID指令运用的注意事项

4.1 自动控制与手动控制切换的平滑过渡问题

调节阀是机械设备，机械设备运动不容许突变，否则会造成调节的损伤，PID指令要做到的是不能送出突变的控制信号，解决手自动控制切换的方法主要有以下方法。

（1）手动切换到自动：PID指令将对跟踪值（Tieback变量或设定输出）按积分运算，直至逼近按偏差产生的控制变量.SO，从而完成平滑过渡。

（2）自动切换到手动：将中控和站控的阀位设定值自动跟随阀位反馈信号，实现了平滑过渡。

4.2 启动平滑的问题：

当控制器从编程模式转为运行模式或上电进入运行模式时，PID指令亦开始运行，运算结果为控制变量，将送到模拟量输出模块，如选择了输出保持，则PID指令将输出保持值作为初始量，以积分过渡或修改值偏置值的方式实现平滑过渡。最稳妥的方式是在编程模式及上电初始化程序中将PID指令置于软件手动模式。

4.3 防止积分饱和

根据控制对象的数据操作范围，设置控制变量CV的上限幅及下限幅，当CV达到上限幅或下限幅，积分项停止積分累积，避免超信号输出。也可以编程解决，当CV达到上限幅或下限幅，直接确定调节阀的阀位输出。

4.4 数据的运算范围

PV是模拟量输入，在模拟量模块中已经有了自己的工程定标，在PID中称为未定标的量，在PID指令中需要重新定标，称为工程定标，PV和SP的数据范围必须相同。同时控制调节阀阀位输出的模拟量输出模块的工程定标也十分关键，调节阀的阀位控制信号是4ma全开，20ma全开，如果模拟量输出模块的工程定标是4ma对应100%，20ma对应0%，CV控制信号不需要转换，否则CV控制信号需转换，阀位控制输出信号=100-CV。

4.5 指令的执行时间和回路更新时间

PID是一条运算指令，在级条件成立时，每次扫描都要执行，其运算频率由回路更新时间决定。回路更新时间是根据系统的调节对象确立的时间参数，它应小于或等于指令执行的时间间隔，大于或等于模拟量模块的采样时间。

指令执行要确保回路更新时间，每次回路更新时间确保有新鲜的数据，指令执行最精确的办法是：模拟量输入模块每采样一次，指令执行一次，令回路更新时间等于模拟量模块采样时间，可以用模拟量模块滚动时间标记来控制执行动作[2]。

5 结束语

PID调节是管道企业输油生产过程控制的关键过程，对保障输油干线压力及流量和原油的精密配输具有至关重要的作用，同时PID调节编程也SCADA系统控制难点，需要考虑众多因素，希望通过本文使大家对PID调节有所了解，对系统维护具有一定的参考价值。

参考文献

[1]钱晓龙.ControlLogix系统组态与编程-现代控制工程设计[M].北京：机械工业出版社，2013：126

[2]邓李.ControlLogix系统实用手册[M].北京：机械工业出版社，2013：160.