基于數(shù)字PID控制技術(shù)的燃?xì)釹CADA系統(tǒng)

摘 要

摘要：論述了發(fā)展現(xiàn)代城市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)的必要性、SCADA系統(tǒng)的主要組成、系統(tǒng)軟件的功能、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的基本原理。為了提高系統(tǒng)軟件對(duì)場(chǎng)站壓力的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的精確性
摘要：論述了發(fā)展現(xiàn)代城市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)的必要性、SCADA系統(tǒng)的主要組成、系統(tǒng)軟件的功能、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的基本原理。為了提高系統(tǒng)軟件對(duì)場(chǎng)站壓力的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的精確性和穩(wěn)定性，給出了適用于單片機(jī)微處理控制器的數(shù)字PID控制算法。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤芫W(wǎng)；SCADA；系統(tǒng)軟件；數(shù)字PID控制；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)壓
Gas SCADA System Based on Digital PID Control Technology
YANG Xiao-feng，LI Xiao-hong，LU Yi-yu，LU Zhao-hui，YANG Bo-kai
Abstract：The major components of SCADA system，the functions of the system software and the basic principles of remote monitoring and automatic pressure regulation are introduced. In order to improve the accuracy and stability of the system for remote automatic control of station pressure，the digital PID control algorithm suitable for single chip micyoco is given.
Key words：gas network；SCADA；system software；digital PID control；remote monitoring；remote automatic pressure regulation
    隨著城市燃?xì)庀到y(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展和社會(huì)對(duì)供氣要求的不斷提高，使用現(xiàn)代化的電子信息技術(shù)提高燃?xì)夤芫W(wǎng)的管理水平已經(jīng)是當(dāng)代城市燃?xì)膺\(yùn)行管理的大勢(shì)所趨。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與遠(yuǎn)程調(diào)度相結(jié)合的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于天然氣輸配系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、城市供水系統(tǒng)等領(lǐng)域[1]。隨著SCADA系統(tǒng)使用的深入和用戶(hù)要求的提高，保證燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提升SCADA系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性的呼聲也越來(lái)越高。
1 SCADA系統(tǒng)的主要組成部分
    SCADA系統(tǒng)主要由控制中心、現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)3部分組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。
   ① 控制中心
   控制中心是整個(gè)城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)調(diào)度指揮和集中控制，工作人員在控制中心通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即可完成整個(gè)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的監(jiān)測(cè)、運(yùn)行管理和遠(yuǎn)程控制。
   ② 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)
   現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)包括傳感器、顯示儀表、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、微處理器、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制。
   ③ 通信系統(tǒng)
   通信系統(tǒng)是連接控制中心和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的紐帶，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的必要途徑。主要的通信方式分為有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信兩種。常用有線(xiàn)通信方式有：DDN、ADSL、ISDN、PSTN和自建光纜等。常用無(wú)線(xiàn)通信方式有：電臺(tái)、微波、GPRS等。
2 SCADA系統(tǒng)的硬件配置
    ① 控制中心：中心服務(wù)器、大幅顯示屏幕、UPS電源系統(tǒng)、打印機(jī)[2]。
    ②現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)置在門(mén)站、調(diào)壓站等廠站?，F(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的硬件主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、現(xiàn)場(chǎng)傳感器、電子控制閥、模數(shù)轉(zhuǎn)換卡、數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和數(shù)據(jù)采集卡。壓力傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)等電子儀表負(fù)責(zé)燃?xì)膺\(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)采集的各站點(diǎn)燃?xì)膺\(yùn)行參數(shù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換，由通信系統(tǒng)將這些參數(shù)傳遞到控制中心?，F(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)還可根據(jù)預(yù)先對(duì)各個(gè)參數(shù)設(shè)置的臨界值來(lái)判斷是否需要報(bào)警或產(chǎn)生控制動(dòng)作。
    ③ 通信系統(tǒng)：為了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，對(duì)于調(diào)度中心、門(mén)站等現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)，一般采用有線(xiàn)通信方式，如DDN(可向當(dāng)?shù)氐碾娦挪块T(mén)租用)、自建光纜；對(duì)于一般站點(diǎn)，如調(diào)壓站、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等可采用無(wú)線(xiàn)通信方式，如移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的GPRS。
3 SCADA系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
3.1 SCADA系統(tǒng)軟件功能簡(jiǎn)介
    SCADA系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分，也是人機(jī)交互系統(tǒng)的接口。軟件系統(tǒng)主要分為兩部分：控制中心系統(tǒng)軟件和現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)系統(tǒng)軟件。
    控制中心系統(tǒng)軟件是整個(gè)SCADA系統(tǒng)的大腦，控制中心的服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)站點(diǎn)的工作狀態(tài)，如進(jìn)出口壓力、流量、壓縮機(jī)狀態(tài)、加臭量等，并將各站點(diǎn)采集回傳的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后顯示在中心大屏幕上。另外，系統(tǒng)軟件還可對(duì)各種燃?xì)鈪?shù)進(jìn)行儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)、分析，不但可為系統(tǒng)管理決策人員的實(shí)時(shí)管理與調(diào)度提供可靠依據(jù)，而且可根據(jù)各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表進(jìn)行中長(zhǎng)期規(guī)劃和管理，從而使燃?xì)庹{(diào)度管理更加科學(xué)化、現(xiàn)代化和規(guī)范化[3]。
    現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)系統(tǒng)軟件相當(dāng)于人的眼睛和手足。該軟件系統(tǒng)可將本站的進(jìn)出口壓力、流量等燃?xì)鈪?shù)采集處理并可通過(guò)通信系統(tǒng)上傳至控制中心。當(dāng)壓力等參數(shù)異常時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)系統(tǒng)軟件根據(jù)中心指令或預(yù)先設(shè)定程序啟動(dòng)電子控制閥等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)壓力參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)有燃?xì)夤艿佬孤┑犬惓Ｇ闆r發(fā)生時(shí)，軟件除了自動(dòng)上報(bào)控制中心外，還將通過(guò)聲光等方式報(bào)警。
   SCADA系統(tǒng)軟件主要有兩個(gè)基本任務(wù)：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)壓。
3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的買(mǎi)現(xiàn)
    遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)主要是利用電子信息器件配合相關(guān)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的出入口配置有壓力、流量等傳感器。這些傳感器對(duì)壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，生成模擬電信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(A/D轉(zhuǎn)換)，由單片機(jī)進(jìn)行處理，生成壓力、流量等參數(shù)信息。這些信息除了可在本地站點(diǎn)的顯示屏上顯示以外，還可通過(guò)通信系統(tǒng)傳送至控制中心以供顯示、分析、統(tǒng)計(jì)、儲(chǔ)存。
3.3 遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)
    ① 遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)壓的原理
    在SCADA系統(tǒng)中，除了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)外，現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)還必須根據(jù)控制中心指令或程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓。圖1是現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)根據(jù)控制中心的設(shè)定參數(shù)對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)控的過(guò)程。
 

   操作者通過(guò)控制中心遠(yuǎn)程或控制面板現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定出口壓力值。在現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)的入口和出口處均設(shè)有壓力傳感器，實(shí)時(shí)將入口、出口側(cè)的壓力信號(hào)經(jīng)模擬/數(shù)字信號(hào)(A/D)轉(zhuǎn)換器輸入單片機(jī)，并可在液晶屏幕上實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)出口壓力低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出的數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)數(shù)字/模擬信號(hào)(D/A)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出模擬電流信號(hào)至燃?xì)夥辣娮涌刂崎y，電子控制閥流量增大直至出口壓力達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)出口壓力高于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)數(shù)字/模擬信號(hào)(D/A)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出模擬電流信號(hào)至燃?xì)夥辣娮涌刂崎y，電子控制閥流量減小直至出口壓力達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)入口壓力過(guò)低或者過(guò)高、超出警戒值時(shí)，系統(tǒng)可以在現(xiàn)場(chǎng)顯示報(bào)警，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口上報(bào)控制中心。系統(tǒng)可選用512 kb儲(chǔ)存器作為人機(jī)交互系統(tǒng)的外部?jī)?chǔ)存器，用來(lái)儲(chǔ)存設(shè)置參數(shù)等信息，這樣可以將壓力數(shù)據(jù)儲(chǔ)存并按要求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以供顯示或上傳調(diào)用。
    ②數(shù)字PID技術(shù)在壓力自動(dòng)控制的應(yīng)用
    為了保證向用戶(hù)輸出的壓力穩(wěn)定，需要對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)的輸出壓力進(jìn)行精確快速的控制，這就涉及到控制算法選用的問(wèn)題。
    在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，常常用閉環(huán)控制的方式來(lái)控制溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量。PID調(diào)節(jié)法是經(jīng)典控制理論中用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型的調(diào)節(jié)方法。PID控制就是比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Differential)控制的簡(jiǎn)稱(chēng)。比例控制的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，缺點(diǎn)是不能完全消除靜差(殘余偏差)；積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)控制精度和抗外界干擾能力；微分控制改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，用于克服系統(tǒng)的慣性滯后，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比例、積分、微分控制相結(jié)合控制方法具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。
常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。
 

    系統(tǒng)由模擬PID控制器、比較運(yùn)算器和被控對(duì)象組成。其中是r是給定值，e是偏差值，u是調(diào)整量，c是被控參數(shù)。被控參數(shù)c經(jīng)過(guò)反饋與給定值r比較，偏差值e經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后給出調(diào)整量M調(diào)整偏差，然后又將反饋信號(hào)比較運(yùn)算，如此往復(fù)，以保證被控參數(shù)與給定值無(wú)限接近。
      e=r-c    (1)
   其控制規(guī)律為：
   
式中u——控制器的輸出信號(hào)
    t——時(shí)間變量
    Kp——比例系數(shù)
    Ti——積分常數(shù)
    Td——微分常數(shù)
    u0——系統(tǒng)常量
    然而，傳統(tǒng)閉環(huán)控制使用的普通PID控制算法，在以微處理器芯片為控制核心的控制進(jìn)程中經(jīng)常出現(xiàn)反應(yīng)滯后、容易陷入死循環(huán)等問(wèn)題。控制算法是整個(gè)系統(tǒng)中的靈魂，算法的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性。本文以PID控制為基礎(chǔ)推導(dǎo)出適用于微處理器的數(shù)字PID控制策略算法。
    由于計(jì)算機(jī)控制是采取采樣方式控制的，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算控制變量(調(diào)整量)u，因此，必須對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行修正才能用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)適用于計(jì)算機(jī)的控制算法[4～7]。時(shí)間t可采用下式給出：
    t=fT    (3)
式中f——采樣周期數(shù)量，為正整數(shù)
    T——計(jì)算機(jī)采樣周期
    數(shù)字控制技術(shù)就是要通過(guò)在離散的時(shí)間點(diǎn)上采樣，把模擬量進(jìn)行量化(A/D轉(zhuǎn)換)，然后通過(guò)對(duì)誤差信號(hào)的比例、積分、微分計(jì)算，得到控制量，然后輸出。這一過(guò)程需要首先對(duì)積分和微分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
在計(jì)算機(jī)的采樣時(shí)刻t，以求和代替積分、以增量代替微分進(jìn)行離散化的近似變換：
 
   在上述離散化過(guò)程中，T必須足夠短才能保證采樣精度。為書(shū)寫(xiě)方便，將e(fT)用e(f)表示，將式(4)、(5)代入式(2)，化簡(jiǎn)后可得離散的PID表達(dá)式為：
    
    令：
   
    式(6)可簡(jiǎn)寫(xiě)為：
   
    由式(3)，知前一時(shí)刻為t=(f-1)T，前一時(shí)刻的PID表達(dá)式為：
    
    對(duì)式(9)進(jìn)行增量?jī)?yōu)化，式(9)減去式(10)，可得：
    △u(f)=Kp[e(f)-e(f-1)]+Kie(f)+Kd[e(f)-2e(f-1)+e(f-2)]    (11)
式中△u——u的增量
   令：
    △e(f)=e(f)-e(f-1)        (12)
    △e(f-1)=e(f-1)-e(f-2)    (13)
   式(11)可簡(jiǎn)寫(xiě)為：
    △u(f)=Kp△e(f)+Kie(f)+Kd[△e(f)-△e(f-1)]    (14)
    這樣，由當(dāng)前時(shí)刻誤差值和前一時(shí)刻誤差值就能計(jì)算出當(dāng)前的控制量，就推導(dǎo)出可適用于單片機(jī)的增量式數(shù)字PID控制算法：
    u(f)=u(f-1)+△u(f)    (15)
   該算法的計(jì)算步驟是：
   ① 設(shè)定參數(shù)Kp、Ki、Kd。
   ② 設(shè)定初始值e(f-1)=e(f-2)=0。
   ③ 代入本次信號(hào)反饋值c(f)，由式(1)計(jì)算偏差e(f)=r(f)-c(f)。
   ④ 由式(14)計(jì)算出△u(f)。
   ⑤ 根據(jù)式(15)計(jì)算出u(f)，之后輸出。
   ⑥ 依次循環(huán)迭代。
4 結(jié)論
    本文在介紹現(xiàn)代城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)主要構(gòu)成的基礎(chǔ)上，提出了適用于單片機(jī)軟件控制系統(tǒng)使用的數(shù)字PID控制算法。該算法簡(jiǎn)捷靈敏且適應(yīng)性強(qiáng)，可以對(duì)調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，為城市燃?xì)獾陌踩c穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證，將會(huì)對(duì)SCADA系統(tǒng)的推廣普及起到積極的作用。
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(本文作者：楊曉峰 李曉紅 盧義玉 陸朝暉 楊博凱 重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院 重慶 400030)