摘要：論述了發(fā)展現(xiàn)代城市燃氣管網(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、遠程監(jiān)測和控制的基本原理。為了提高系統(tǒng)軟件對場站壓力的遠程自動控制的精確性和穩(wěn)定性，給出了適用于單片機微處理控制器的數(shù)字PID控制算法。
關(guān)鍵詞：燃氣管網(wǎng)；SCADA；系統(tǒng)軟件；數(shù)字PID控制；遠程監(jiān)測；遠程自動調(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
隨著城市燃氣系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展和社會對供氣要求的不斷提高，使用現(xiàn)代化的電子信息技術(shù)提高燃氣管網(wǎng)的管理水平已經(jīng)是當(dāng)代城市燃氣運行管理的大勢所趨。SCADA系統(tǒng)是以計算機測控技術(shù)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與遠程調(diào)度相結(jié)合的自動化控制系統(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)使用的深入和用戶要求的提高，保證燃氣管網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，提升SCADA系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性的呼聲也越來越高。
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)場控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)3部分組成，實現(xiàn)對管網(wǎng)的實時監(jiān)測和遠程控制。
① 控制中心
控制中心是整個城市燃氣輸配管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負責(zé)整個系統(tǒng)調(diào)度指揮和集中控制，工作人員在控制中心通過計算機系統(tǒng)即可完成整個燃氣輸配系統(tǒng)的監(jiān)測、運行管理和遠程控制。
② 現(xiàn)場控制系統(tǒng)
現(xiàn)場控制系統(tǒng)包括傳感器、顯示儀表、信號轉(zhuǎn)換器、微處理器、控制執(zhí)行機構(gòu)等，主要負責(zé)現(xiàn)場站點的監(jiān)測和自動控制。
③ 通信系統(tǒng)
通信系統(tǒng)是連接控制中心和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的紐帶，是實現(xiàn)遠程控制的必要途徑。主要的通信方式分為有線通信和無線通信兩種。常用有線通信方式有：DDN、ADSL、ISDN、PSTN和自建光纜等。常用無線通信方式有：電臺、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[2]。
②現(xiàn)場控制系統(tǒng)：現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)置在門站、調(diào)壓站等廠站?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)的硬件主要包括：單片機、現(xiàn)場傳感器、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、流量計等電子儀表負責(zé)燃氣運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。實時采集的各站點燃氣運行參數(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。現(xiàn)場控制系統(tǒng)還可根據(jù)預(yù)先對各個參數(shù)設(shè)置的臨界值來判斷是否需要報警或產(chǎn)生控制動作。
③ 通信系統(tǒng)：為了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，對于調(diào)度中心、門站等現(xiàn)場站點，一般采用有線通信方式，如DDN(可向當(dāng)?shù)氐碾娦挪块T租用)、自建光纜；對于一般站點，如調(diào)壓站、監(jiān)測點等可采用無線通信方式，如移動運營商提供的GPRS。
3 SCADA系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
3.1 SCADA系統(tǒng)軟件功能簡介
SCADA系統(tǒng)軟件是整個系統(tǒng)運行的核心部分，也是人機交互系統(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)場站點系統(tǒng)軟件。
控制中心系統(tǒng)軟件是整個SCADA系統(tǒng)的大腦，控制中心的服務(wù)器實時監(jiān)控各個站點的工作狀態(tài)，如進出口壓力、流量、壓縮機狀態(tài)、加臭量等，并將各站點采集回傳的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后顯示在中心大屏幕上。另外，系統(tǒng)軟件還可對各種燃氣參數(shù)進行儲存、統(tǒng)計、分析，不但可為系統(tǒng)管理決策人員的實時管理與調(diào)度提供可靠依據(jù)，而且可根據(jù)各種統(tǒng)計報表進行中長期規(guī)劃和管理，從而使燃氣調(diào)度管理更加科學(xué)化、現(xiàn)代化和規(guī)范化[3]。
現(xiàn)場站點系統(tǒng)軟件相當(dāng)于人的眼睛和手足。該軟件系統(tǒng)可將本站的進出口壓力、流量等燃氣參數(shù)采集處理并可通過通信系統(tǒng)上傳至控制中心。當(dāng)壓力等參數(shù)異常時，現(xiàn)場站點系統(tǒng)軟件根據(jù)中心指令或預(yù)先設(shè)定程序啟動電子控制閥等調(diào)節(jié)機構(gòu)對壓力參數(shù)進行調(diào)節(jié)。當(dāng)有燃氣管道泄漏等異常情況發(fā)生時，軟件除了自動上報控制中心外，還將通過聲光等方式報警。
SCADA系統(tǒng)軟件主要有兩個基本任務(wù)：遠程監(jiān)測和遠程自動調(diào)壓。
3.2 遠程監(jiān)測的買現(xiàn)
遠程監(jiān)測主要是利用電子信息器件配合相關(guān)軟件來實現(xiàn)?，F(xiàn)場站點的出入口配置有壓力、流量等傳感器。這些傳感器對壓力、流量等參數(shù)進行測量，生成模擬電信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(A/D轉(zhuǎn)換)，由單片機進行處理，生成壓力、流量等參數(shù)信息。這些信息除了可在本地站點的顯示屏上顯示以外，還可通過通信系統(tǒng)傳送至控制中心以供顯示、分析、統(tǒng)計、儲存。
3.3 遠程自動調(diào)壓的實現(xiàn)
① 遠程自動調(diào)壓的原理
在SCADA系統(tǒng)中，除了遠程監(jiān)測外，現(xiàn)場站點還必須根據(jù)控制中心指令或程序設(shè)定實現(xiàn)自動調(diào)壓。圖1是現(xiàn)場控制系統(tǒng)根據(jù)控制中心的設(shè)定參數(shù)對壓力進行調(diào)控的過程。
操作者通過控制中心遠程或控制面板現(xiàn)場設(shè)定出口壓力值。在現(xiàn)場站點的入口和出口處均設(shè)有壓力傳感器，實時將入口、出口側(cè)的壓力信號經(jīng)模擬/數(shù)字信號(A/D)轉(zhuǎn)換器輸入單片機，并可在液晶屏幕上實時顯示。當(dāng)出口壓力低于設(shè)定值時，單片機發(fā)出的數(shù)字控制信號經(jīng)數(shù)字/模擬信號(D/A)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出模擬電流信號至燃氣防爆電子控制閥，電子控制閥流量增大直至出口壓力達到設(shè)定值。當(dāng)出口壓力高于設(shè)定值時，單片機發(fā)出控制信號經(jīng)數(shù)字/模擬信號(D/A)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出模擬電流信號至燃氣防爆電子控制閥，電子控制閥流量減小直至出口壓力達到設(shè)定值。當(dāng)入口壓力過低或者過高、超出警戒值時，系統(tǒng)可以在現(xiàn)場顯示報警，也可以通過網(wǎng)絡(luò)接口上報控制中心。系統(tǒng)可選用512 kb儲存器作為人機交互系統(tǒng)的外部儲存器，用來儲存設(shè)置參數(shù)等信息，這樣可以將壓力數(shù)據(jù)儲存并按要求進行統(tǒng)計以供顯示或上傳調(diào)用。
②數(shù)字PID技術(shù)在壓力自動控制的應(yīng)用
為了保證向用戶輸出的壓力穩(wěn)定，需要對燃氣系統(tǒng)的輸出壓力進行精確快速的控制，這就涉及到控制算法選用的問題。
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常常用閉環(huán)控制的方式來控制溫度、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)控制的簡稱。比例控制的優(yōu)點是反應(yīng)快，缺點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的靈活性和適應(yīng)性。
常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理見圖2。
系統(tǒng)由模擬PID控制器、比較運算器和被控對象組成。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)過反饋與給定值r比較，偏差值e經(jīng)過PID運算后給出調(diào)整量M調(diào)整偏差，然后又將反饋信號比較運算，如此往復(fù)，以保證被控參數(shù)與給定值無限接近。
e=r-c (1)
其控制規(guī)律為：
式中u——控制器的輸出信號
t——時間變量
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程中經(jīng)常出現(xiàn)反應(yīng)滯后、容易陷入死循環(huán)等問題?？刂扑惴ㄊ钦麄€系統(tǒng)中的靈魂，算法的優(yōu)劣直接影響到整個系統(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。
由于計算機控制是采取采樣方式控制的，它只能根據(jù)采樣時刻的誤差值計算控制變量(調(diào)整量)u，因此，必須對傳統(tǒng)算法進行修正才能用計算機軟件來實現(xiàn)適用于計算機的控制算法[4～7]。時間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——計算機采樣周期
數(shù)字控制技術(shù)就是要通過在離散的時間點上采樣，把模擬量進行量化(A/D轉(zhuǎn)換)，然后通過對誤差信號的比例、積分、微分計算，得到控制量，然后輸出。這一過程需要首先對積分和微分進行數(shù)值計算。
在計算機的采樣時刻t，以求和代替積分、以增量代替微分進行離散化的近似變換：
在上述離散化過程中，T必須足夠短才能保證采樣精度。為書寫方便，將e(fT)用e(f)表示，將式(4)、(5)代入式(2)，化簡后可得離散的PID表達式為：
令：
式(6)可簡寫為：
由式(3)，知前一時刻為t=(f-1)T，前一時刻的PID表達式為：
對式(9)進行增量優(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)可簡寫為：
△u(f)=Kp△e(f)+Kie(f)+Kd[△e(f)-△e(f-1)] (14)
這樣，由當(dāng)前時刻誤差值和前一時刻誤差值就能計算出當(dāng)前的控制量，就推導(dǎo)出可適用于單片機的增量式數(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 代入本次信號反饋值c(f)，由式(1)計算偏差e(f)=r(f)-c(f)。
④ 由式(14)計算出△u(f)。
⑤ 根據(jù)式(15)計算出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)代城市燃氣SCADA系統(tǒng)主要構(gòu)成的基礎(chǔ)上，提出了適用于單片機軟件控制系統(tǒng)使用的數(shù)字PID控制算法。該算法簡捷靈敏且適應(yīng)性強，可以對調(diào)壓系統(tǒng)進行精確的實時自動控制，為城市燃氣的安全與穩(wěn)定運行提供了保證，將會對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)
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