应用OCS实现换热站蒸汽阀的PID控制

张 禄，裴 锐，杨立宏

（1.辽宁省大容量计量站（国家大容量第一计量站），辽宁 抚顺 113112；2.沈阳计量测试院，沈阳 110179）

换热站就是换热的地方，把由热电厂产生的高温热水或者蒸汽传输到各个居民小区里，将热量传送到小区管网中，通过一体化OCS 控制器的PID 流量控制实现“汽水交换”的自动调节。

1 换热原理

图1 PID控制原理图Fig.1 PID Control principle diagram

换热站将热蒸汽源、一次供水、二次回水和二次供水整合在设备中进行汽水交换[1]，整个换热站设备的运行中可以监控到蒸汽源的阀门开度、水蒸汽温度和压力值、二次回水的温度压力值、二次供水的温度压力值以及外部环境的实时温度值。汽水交换包括供水蒸汽、1#和2#循环泵、1#和2#补水泵和补水箱。PID 自动控制主要实现蒸汽调节阀的自动开度调节，而PID 控制方式主要有Isa PID 和Independent PID 两种[2]，其控制原理的理论公式如下：

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 控制系统

为了保证换热站的可靠运行，可以应用OCS 控制器以实现系统的交互控制，如图2 所示，包括主界面页、报警信息页、参数设置页和实时时钟，其中参数设置页还包括供水温度设定、PID 参数设定、DTU 通信设定、密码修改和系统菜单[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自动控制

3.1 PID初始化

PID 功能块的内部寄存器，占用连续16 个字，一般使用%R 寄存器，具体的参数含义如下[5,6]：

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

2）Dead Band + 正向死区。

3）Dead Band–反向死区。当前的PV 值，如果在SP值+正负死区的范围内时，CV 不动作；设为0 时不启用；在PID 自整定前，死区应都设定为0。

4）Kp 比例系数，单位1%。

图2 换热站系统界面图Fig.2 Interface diagram of heat exchange station system

5）Kd 微分系数，Kd = Kp × Td。

6）Ki 积分系数。

7）CV Bias 输出偏移量，在上下限位和最小调节时间判断前，CV 里添加到PID 输出的值。

8）CV Upper Clamp 控制上限位（钳位）。

9）CV Lower Clamp 控制下限位（钳位），定义了CV的最大和最小值的上限位必须有一个比下限位更大的值，否则PID 功能块将不工作。通常用来定义CV 输出的物理极限。

10）Minimum Slew Time 最小调节时间，CV 输出从0到满量程所用的最小秒数，可以用来限制CV 的变化率。

11）Config Word 内部配置字，控制器内部使用，不能占用和修改。

12）Manual Command 手动控制值，在PID 自动时随CV 变化；在手动时，修改该值，CV 会跟随其变化。

13）Internal SP 内部期望值，跟随SP 值变化。

图3 PID参数控制界面Fig.3 PID parameter control interface

14）Internal PV 内部过程值，跟随PV 值变化。

15）Internal CV 内部控制值，跟随CV 值变化。

16）Cycle Time 周期时间，PID 功能块上的PWM 功能的周期时间，最小500ms。

初始化PID 赋值：采样时间100ms，正负死区为100，Bias 为0，输出上限32000，下限0，最小调节时间为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

在自学习之前，死区清零

%T00006 STart_Self_Learn 触发%T00009，

%R00221 PIDv_Deadband_POS 0

%R00222 PIDv_Deadband_NEG 0

在自学习结束后，死区恢复

%T00006 STart_Self_Learn 触发%T00010，

%R00221 PIDv_Deadband_POS 100

%R00222 PIDv_Deadband_NEG 100

自动状态下将转化设定温度至SP

%R00201 SetPoint 量程0 ～150

%R00203 PID_Value_SP_R 量程 0 ～32000

3.2 PID参数控制

1）PID Address 上述PID 参数初始化的16 个寄存器初始地址。

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

2）Set Point 期望值，范围-32000 ～32000，16 位有符号整型。

3）Process 过程值，范围-32000 ～32000，16 位有符号整型。需要注意的是SP 和PV 的量纲应相同。

4）Control 控制值，范围-32000 ～32000，16 位有符号整型。

5）Enable PID 手/自动切换控制位，为OFF 时手动，ON 时自动。

6）Up 在手动模式下，如果PID 功能块能流导通，若UP 位为ON，则CV 值每扫描周期+1。

7）Down 在手动模式下，如果PID 功能块能流导通，若DOWN 位为ON，则CV 值每扫描周期-1。

8）勾选Support Auto Tune，是否使用PID 自整定功能。

9）Auto Tune Settings，点击可进入PID 自整定设定 。

10）TUNE>>点击可进入PID 调节面板[7]。

3.3 PID自整定

1）Start Auto Tune 开始PID 自整定：当该位为ON 时开始自整定功能，如果修改为OFF，则退出自整定。

2）Start Tune Done PID 自整定完成：当该位为ON 时，表示自整定完毕，已得到PID 参数；若此时把开始自整定的位设置为OFF，则该位也会变为OFF。

3）Auto Tune，PID 自整定的模式，可选PID，PI 或P模式。

4）Control 控制器的响应速度，可选Fast，Medium，Slow 和Very Slow Fast，有超调量，第二个超调的峰值是第一个超调峰值的1/4。Medium：超调量较小；Slow：几乎没有超调；Very Slow：适用于超出了Zeigler-Nichols 判据的系统[8,9]。

5）在自整定时的噪声抑制范围：该参数用于设定自整定时的超调转换范围。对于PV 噪声信号较大的系统，该范围也应相应加大[10]。

6）按2/3 设定值调节：有些控制系统不允许超过其设定值，在此时可以勾选此项，在PID 自整定过程中，其将按照设定SP 值的2/3 进行调节。

自整定时的超调转换范围≈64000×Noise Filtering 系数。例如：若当前SP 值为6000，Noise Filtering 系数选为0.31%，则转换范围约为200 左右。在SP-PV 正向调节时，PID 在6200 左右会把CV 置为0（或者下限位），在5800左右会把CV 置为32000（或者上限位）输出。

4 结论

本文阐述了应用OCS 控制器实现“汽水交换”的自动调节。从换热站的换热工作原理、控制系统设计、PID 参数设置3 个方面详细阐述了OCS 控制器的控制过程，换热站将蒸汽源、一次进水、二次回水、二次供水整合在自控系统中，并对上述工艺环节的工况温度压力值进行实时采集和环路控制以针对室外环境温度实现自动化的温度调节。经测试，应用OCS 一体化控制器的换热站蒸汽阀自动控制器系统，可以有效地实现控温调节，达到了预期的设计效果。