基于数字PID控制技术的燃气SCADA系统

摘 要

摘要：论述了发展现代城市燃气管网SCADA系统的必要性、SCADA系统的主要组成、系统软件的功能、远程监测和控制的基本原理。为了提高系统软件对场站压力的远程自动控制的精确性
摘要：论述了发展现代城市燃气管网SCADA系统的必要性、SCADA系统的主要组成、系统软件的功能、远程监测和控制的基本原理。为了提高系统软件对场站压力的远程自动控制的精确性和稳定性，给出了适用于单片机微处理控制器的数字PID控制算法。
关键词：燃气管网；SCADA；系统软件；数字PID控制；远程监测；远程自动调压
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
    随着城市燃气系统的大规模发展和社会对供气要求的不断提高，使用现代化的电子信息技术提高燃气管网的管理水平已经是当代城市燃气运行管理的大势所趋。SCADA系统是以计算机测控技术为基础的生产过程控制与远程调度相结合的自动化控制系统，广泛应用于天然气输配系统、电力系统、城市供水系统等领域[1]。随着SCADA系统使用的深入和用户要求的提高，保证燃气管网的安全、稳定、经济运行，提升SCADA系统的稳定性和高效性的呼声也越来越高。
1 SCADA系统的主要组成部分
    SCADA系统主要由控制中心、现场控制系统、通信系统3部分组成，实现对管网的实时监测和远程控制。
   ① 控制中心
   控制中心是整个城市燃气输配管网SCADA系统的神经中枢，负责整个系统调度指挥和集中控制，工作人员在控制中心通过计算机系统即可完成整个燃气输配系统的监测、运行管理和远程控制。
   ② 现场控制系统
   现场控制系统包括传感器、显示仪表、信号转换器、微处理器、控制执行机构等，主要负责现场站点的监测和自动控制。
   ③ 通信系统
   通信系统是连接控制中心和现场控制系统的纽带，是实现远程控制的必要途径。主要的通信方式分为有线通信和无线通信两种。常用有线通信方式有：DDN、ADSL、ISDN、PSTN和自建光缆等。常用无线通信方式有：电台、微波、GPRS等。
2 SCADA系统的硬件配置
    ① 控制中心：中心服务器、大幅显示屏幕、UPS电源系统、打印机[2]。
    ②现场控制系统：现场控制系统设置在门站、调压站等厂站。现场控制系统的硬件主要包括：单片机、现场传感器、电子控制阀、模数转换卡、数模转换卡和数据采集卡。压力传感器、温度传感器、流量计等电子仪表负责燃气运行参数的数据采集。实时采集的各站点燃气运行参数经模数转换卡转换，由通信系统将这些参数传递到控制中心。现场控制系统还可根据预先对各个参数设置的临界值来判断是否需要报警或产生控制动作。
    ③ 通信系统：为了信号传输的稳定性和安全性，对于调度中心、门站等现场站点，一般采用有线通信方式，如DDN(可向当地的电信部门租用)、自建光缆；对于一般站点，如调压站、监测点等可采用无线通信方式，如移动运营商提供的GPRS。
3 SCADA系统的软件构成
3.1 SCADA系统软件功能简介
    SCADA系统软件是整个系统运行的核心部分，也是人机交互系统的接口。软件系统主要分为两部分：控制中心系统软件和现场站点系统软件。
    控制中心系统软件是整个SCADA系统的大脑，控制中心的服务器实时监控各个站点的工作状态，如进出口压力、流量、压缩机状态、加臭量等，并将各站点采集回传的数据经处理后显示在中心大屏幕上。另外，系统软件还可对各种燃气参数进行储存、统计、分析，不但可为系统管理决策人员的实时管理与调度提供可靠依据，而且可根据各种统计报表进行中长期规划和管理，从而使燃气调度管理更加科学化、现代化和规范化[3]。
    现场站点系统软件相当于人的眼睛和手足。该软件系统可将本站的进出口压力、流量等燃气参数采集处理并可通过通信系统上传至控制中心。当压力等参数异常时，现场站点系统软件根据中心指令或预先设定程序启动电子控制阀等调节机构对压力参数进行调节。当有燃气管道泄漏等异常情况发生时，软件除了自动上报控制中心外，还将通过声光等方式报警。
   SCADA系统软件主要有两个基本任务：远程监测和远程自动调压。
3.2 远程监测的买现
    远程监测主要是利用电子信息器件配合相关软件来实现。现场站点的出入口配置有压力、流量等传感器。这些传感器对压力、流量等参数进行测量，生成模拟电信号，经过数据采集卡将模拟信号转换为数字信号(A/D转换)，由单片机进行处理，生成压力、流量等参数信息。这些信息除了可在本地站点的显示屏上显示以外，还可通过通信系统传送至控制中心以供显示、分析、统计、储存。
3.3 远程自动调压的实现
    ① 远程自动调压的原理
    在SCADA系统中，除了远程监测外，现场站点还必须根据控制中心指令或程序设定实现自动调压。图1是现场控制系统根据控制中心的设定参数对压力进行调控的过程。
 

   操作者通过控制中心远程或控制面板现场设定出口压力值。在现场站点的入口和出口处均设有压力传感器，实时将入口、出口侧的压力信号经模拟/数字信号(A/D)转换器输入单片机，并可在液晶屏幕上实时显示。当出口压力低于设定值时，单片机发出的数字控制信号经数字/模拟信号(D/A)转换器转换后输出模拟电流信号至燃气防爆电子控制阀，电子控制阀流量增大直至出口压力达到设定值。当出口压力高于设定值时，单片机发出控制信号经数字/模拟信号(D/A)转换器转换后输出模拟电流信号至燃气防爆电子控制阀，电子控制阀流量减小直至出口压力达到设定值。当入口压力过低或者过高、超出警戒值时，系统可以在现场显示报警，也可以通过网络接口上报控制中心。系统可选用512 kb储存器作为人机交互系统的外部储存器，用来储存设置参数等信息，这样可以将压力数据储存并按要求进行统计以供显示或上传调用。
    ②数字PID技术在压力自动控制的应用
    为了保证向用户输出的压力稳定，需要对燃气系统的输出压力进行精确快速的控制，这就涉及到控制算法选用的问题。
    在工业生产过程中，常常用闭环控制的方式来控制温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量。PID调节法是经典控制理论中用于闭环控制系统的典型的调节方法。PID控制就是比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Differential)控制的简称。比例控制的优点是反应快，缺点是不能完全消除静差(残余偏差)；积分控制可以消除系统的静差，提高系统控制精度和抗外界干扰能力；微分控制改善系统的动态响应速度，用于克服系统的惯性滞后，提高系统的稳定性。比例、积分、微分控制相结合控制方法具有较强的灵活性和适应性。
常规PID控制系统原理见图2。
 

    系统由模拟PID控制器、比较运算器和被控对象组成。其中是r是给定值，e是偏差值，u是调整量，c是被控参数。被控参数c经过反馈与给定值r比较，偏差值e经过PID运算后给出调整量M调整偏差，然后又将反馈信号比较运算，如此往复，以保证被控参数与给定值无限接近。
      e=r-c    (1)
   其控制规律为：
   
式中u——控制器的输出信号
    t——时间变量
    Kp——比例系数
    Ti——积分常数
    Td——微分常数
    u0——系统常量
    然而，传统闭环控制使用的普通PID控制算法，在以微处理器芯片为控制核心的控制进程中经常出现反应滞后、容易陷入死循环等问题。控制算法是整个系统中的灵魂，算法的优劣直接影响到整个系统的调节特性。本文以PID控制为基础推导出适用于微处理器的数字PID控制策略算法。
    由于计算机控制是采取采样方式控制的，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量(调整量)u，因此，必须对传统算法进行修正才能用计算机软件来实现适用于计算机的控制算法[4～7]。时间t可采用下式给出：
    t=fT    (3)
式中f——采样周期数量，为正整数
    T——计算机采样周期
    数字控制技术就是要通过在离散的时间点上采样，把模拟量进行量化(A/D转换)，然后通过对误差信号的比例、积分、微分计算，得到控制量，然后输出。这一过程需要首先对积分和微分进行数值计算。
在计算机的采样时刻t，以求和代替积分、以增量代替微分进行离散化的近似变换：
 
   在上述离散化过程中，T必须足够短才能保证采样精度。为书写方便，将e(fT)用e(f)表示，将式(4)、(5)代入式(2)，化简后可得离散的PID表达式为：
    
    令：
   
    式(6)可简写为：
   
    由式(3)，知前一时刻为t=(f-1)T，前一时刻的PID表达式为：
    
    对式(9)进行增量优化，式(9)减去式(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)可简写为：
    △u(f)=Kp△e(f)+Kie(f)+Kd[△e(f)-△e(f-1)]    (14)
    这样，由当前时刻误差值和前一时刻误差值就能计算出当前的控制量，就推导出可适用于单片机的增量式数字PID控制算法：
    u(f)=u(f-1)+△u(f)    (15)
   该算法的计算步骤是：
   ① 设定参数Kp、Ki、Kd。
   ② 设定初始值e(f-1)=e(f-2)=0。
   ③ 代入本次信号反馈值c(f)，由式(1)计算偏差e(f)=r(f)-c(f)。
   ④ 由式(14)计算出△u(f)。
   ⑤ 根据式(15)计算出u(f)，之后输出。
   ⑥ 依次循环迭代。
4 结论
    本文在介绍现代城市燃气SCADA系统主要构成的基础上，提出了适用于单片机软件控制系统使用的数字PID控制算法。该算法简捷灵敏且适应性强，可以对调压系统进行精确的实时自动控制，为城市燃气的安全与稳定运行提供了保证，将会对SCADA系统的推广普及起到积极的作用。
参考文献：
[1] 花景新.燃气管道供应[M].北京：化学工业出版社，2007.
[2] 林涛，谭羽非，谈宏莹，等.哈依煤气长输管道的SCADA系统[J].煤气与热力，2006，26(7)：31-34.
[3] 肖文晖，刘亚斌，王思存.城市燃气管网SCADA系统的开发[J].煤气与热力，2003，23(1)：20-22.
[4] 陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[5] 贾颖巍.基于DSP的可编程交流电源的研究与设计(硕士学位论文)[D].天津：河北工业大学，2006.
[6] KAZUKI M，YOSHITAKA F，HIDETO O.Hybrid control system for microvibration isolation[J].Advanced Motion Control，1996，(2)：577-582.
[7] 郭院波.DSP控制数字化CO2弧焊电源的研制(硕士学位论文)[D].天津：天津大学，2004.
 
(本文作者：杨晓峰 李晓红 卢义玉 陆朝晖 杨博凯 重庆大学 资源及环境科学学院 重庆 400030)