浅议调节阀PID控制器自动/手动切换的实现

    东营一临邑输油复线管道（简称东临复线）是我国一条重要的输油管道，管径φ729mm。该管线沿线设有三个输油站，中石化储运公司胜利输油处滨州站是东临复线的一个中间站。东临复线的输送方式采用非常先进的串联泵密闭输油工艺。该工艺要求通过出站调节阀调节控制原油管道的进站、出站压力。因此出站调节阀的控制效果是关系到密闭输油工艺能否实现的关键。

一、工艺要求

    根据串联泵密闭输油工艺要求，为防止进泵压力低，造成泵的抽空，引起泵的损坏，需要保证进站压力在一个设定值之上；因此要求当进站压力在进站压力设定值之上时，要求出站调节阀在全开位置，防止出现不必要的节流；当进站压力在进站设定值之下时，通过PID控制器的自动调节，使进站压力保持在进站压力设定值之上。为防止出站管线在超高压力（超过管道的安全压力）时可能出现的泄漏现象，必须要保持出站压力在一个设定值之下。故对于出站压力的调节与进站压力控制策略相反，当出站压力在出站压力设定值之下时，要求出站调节阀在全开的位置，当出站压力高于出站压力设定值时，通过PID控制器的自动控制，使出站压力保持在出站压力设定值之下。

二、控制方式

    密闭输油工艺要求滨州站出站调节阀具备三种控制方式： 自动PID控制、手动站控、现场手动控制。

    （1）自动PID控制指通过编程由PLC中的PID模块自动控制调节阀的阀位开度。
    （2）手动站控制指由操作人员通过上位机的界面或者由键盘输入手动控制调节阀的开度。
    （3）手动现场控制指首先把上位机界面上的自动/手动切换按钮转换至手动，然后切换位于调节阀阀体的远控/手动开关至手动后，操作人员操作调节阀的手轮手动调节其阀位。此时PID自动控制与站控手动控制均不起作用。

三、控制要求

    根据输油工艺，在控制上要求达到：

    （1）实现调节阀的三种控制方式；
    （2）实现调节阀的自动/手动的无扰动切换。
    （3）实现调节阀的远程/手动的无扰动切换。

    在管道输送过程中，在进行调节阀的自动/手动切换时，如果发生扰动，则调节阀可能出现瞬间较大动作，引起输油泵抽空或者发生憋压事故，这是在管道输油中的必须避免的事故，因此出站调节阀的控制中必须做到自动一手动、现场手动-远控的无扰动切换。

四、设计方案

    1、PID理论分析

    现在的工程实践中采用最广泛的控制方法是PID控制，其具有控制响应快，可以做到无静差跟踪的特点，本文中控制也是采用PID控制。若采用PID实现反馈控制，其输出由增益项、积分项、微分项三项构成：

    式中，T₁为控制器的增益；K_p为控制器的积分时间常数；T_d为控制器的微分时间常数；e（t）为偏差； y（t）为被调参数；SP为控制器的设定值；U（t）为调节器的输出。

    以被调参数y（t）为进站压力为例，在手动状态时，PID控制器不起控制作用，调节阀直接由现场手动控制或者由上位机界面手动输入MAN值控制。但被调参数进站压力y（t）仍由PID调节器的输入端PV_IN输入（见图1、表1、2）与设定值SP比较构成偏差量e（t）。根据控制原理，若e（t）不为零，则PID控制器对偏差长时间的积分项

    将逐渐向控制器输出的两个极端方向变化，直到达到饱和，即达到PID控制器的极限输出为止。（即

    对应于调节阀全开或者，对应于调节阀全关）。若此时由手动切换到自动，PID调节器将发生控制作用，使调节阀全开或者全关，很容易引起事故。通过上述分析，则PID调节器在时刻t实现无扰动切换的条件是：

    ① 在手动控制时保证PID控制器的偏差为零，由式（2）可知，必须保证设定值SP一直跟踪被调量进站压力y（t）。
    ② PID控制器的输出U（t）应等于切换前的手动控制值-MAN值。

    当手动切换到自动状态时，控制器开始接手控制作用，由①知，此时由于偏差为零，控制器将不发生调节作用，即控制器的输出保持为最后的手动输出值不变；由②知，由于PID控制器的输出等于切换前手动控制最后时刻的调节器阀位，则输出保持不变，不会引起扰动。

    2、调节阀PID控制器设计

    由工艺要求，调节阀需要同时控制进站压力和出站压力，因此可以用两个PID模块分别控制进站压力和出站压力，然后比较两个模块的输出值，取小者输出到出站调节阀，达到同时控制进出站压力的目的。

    调节阀的PID控制由上位机（计算机）与下位机（PLC）共同实现，该程序分为上位机调节阀PID控制器的人机界面（下文简称为PID控制器）和下位机调节阀PID控制器模块（简称为PID模块）。上位机与下位机之间的通讯方式采用上位机在一个采样周期把PID控制器的参数写入PLC的对应的数据块中，在下一个周期把PLC中的PID模块中的参数读入PID控制器中显示。

    3、上位机界面功能

    （1）PID参数设置：进站压力控制器的PID参数（GAIN、TI、TD）、进站压力设定值、出站压力控制器的PID参数（GAIN、TI、TD）、出站压力设定值的参数设置与修改。
    （2）控制作用：包括调节阀自动/手动控制的切换；在手动情况下，操作人员还可在上位机界上输入调节阀阀位控制值，直接对调节阀进行手动控制。
    （3）趋势图显示：现场调节阀的反馈阀位值、控制阀位与其实时、历史趋势图显示。

    4、下位机编程实现

    下位机完成PID控制，并且输出控制信号去控制调节阀阀位，完成控制任务。

    PID控制块利用SIEMENS公司PLC编程软件S7的功能块FB4l"CONT_C" 编程而成。进站压力PID模块的左边表示模块的输入端口，右边表示其输出端口；出站PID控制模块与进站PID模块的端口位置相反。其端口的意义如表1、表2所示。

表1 出站压力PID控制器模块的参数说明与设置

表2 进站压力PID控制器模块的参数说明与设置

    说明：（1）图1及表1、表2只列举了编程时用到的端口名称，没有使用的端口省略了。
    （2）为了防止调节阀全关， 引起憋压事故，所以设置调节阀的最低开度为30%。
    （3）出站压力PID模块的参数的意义与进站压力PID模块相同，只是存储的数据块不一样。

    5、无扰动切换的实现

    （1）自动控制

    上位机不断把计算机界面上的PID控制器的设定值写入PLC的数据块DB10.0 （用于存放PLC中的进站PID控制器的SP值）和数据块DB11.0（用于存放PLC中的出站PID控制器的SP值）中，数据块DB10.0的SP值由进站PID控制器模块的SP_INI端口输入，由输入模块采集的进站压力参数（存储于DB10.2）由端口PV_IN输入，DB10.18.2的正接点为FALSE，MAN_ON端口输入为FALSE，此时为自动控制，控制器经PID运算后由LMN端口输出，然后与出站压力PID控制器模块的LMN端口输出值输入取小器，经取小器比较取小的值存于数据块DB13.0中，然后此值送至PLC的模拟输出模块，再通过驱动现场调节阀的执行器调节调节阀的阀位，完成自动控制。此时PLC把存于数据块DB13.0的数据写入数据块DB10.14中，输入到两个PID控制器模块的MAN端口，保证控制器的MAN值与PLC的输出完全相同。使条件（2）满足。

    （2）自动切换到手动

    由于PID模块的MAN端口的输入值是其LMN端口的自动控制期间最后的输出值，保证切换瞬间控制器的输出保持不变。实现了PID控制器自动到手动的无扰动切换。此时停止把数据块DB13.0的数据复写到PID控制器的MAN端口，把手动控制权完全交给上位机。

    （3）手动控制

    把进站压力实时值（存储于DB10.2）写入数据块DB10.0中，把出站压力实时值（存储于DB11.2）写入数据块DB11.0中，这样进站压力PID模块的SP_INI端口、PV_IN端口输入相同，输入均为进站压力；出站压力PID模块的SP_INI端口、PV_IN端口输入相同，保证两个PID模块的e（t）为零。使（1）式满足。上位机把人机界面的PID控制器的手动输入值写入PLC数据块DB13.0中，DB10.18.2正接点为TURE，MAN_0N端口输入为TURE，此时PID模块为手动控制，PID模块的LMN端口输出值等于该模块的MAN端口的输入值。这里需要说明的是，只在手动情况下，上位机把PID控制器的MAN值写入PLC中，在自动情况下，上位机不把PID控制器的MAN值写入PLC对应的数据块中，但上位机周期性的读入PLC中的数据块DB13.0的数据，这样保证自动切换到手动时，调节阀阀位不会跳变。

    （4）手动切换到自动

    当手动切换到自动瞬间，由于e（t）=y（t）-SP=0，满足条件（1），PID控制器无调节作用，其输出端口LMN输出值保持手动调节时的最后的输出值不变， 实现了手动到自动的无扰动切换。

    （5）远控/现场手动之间切换

    调节阀阀体上有一个手动/远控开关，用于现场手动与远控的切换，当其切换到现场手动位置时，操作人员用调节阀的手轮控制调节阀的阀位，由阀位反馈系统把阀位实际开度反馈回PLC中，再写入数据块N13.1，使远控MAN控制值与调节阀的实际阀位一致。从而使现场手动与站控切换时同样做到无扰动。

五、结论

    本文根据密闭输油的工艺要求，提出了双PID控制器控制一个出站调节阀的控制方法。先是理论分析并给出了PID控制器自动/手动无扰动切换的条件，然后通过对上位机与下位机编程，实现了滨州站调节阀PID控制器自动/手动的无扰动切换、手动/远控的无扰动切换。该方法同时实现了调节阀的自动PID控制、手动站控、现场手动控制三种控制方式。该控制方案实践证明非常成功。

• 上一篇：石油开采中分离器液位调节阀的砂蚀和气蚀分析与控制
• 下一篇：彭城电厂凝结水调节阀的工作压差与安装位置浅析