HOLLiAS-MACS V6.5.2系統(tǒng)閉環(huán)控制器在工程應(yīng)用中的技巧探討

胡昌盛（神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福州 泉州 362712）

王嘉毅，陸永卿，李寶興（上海電力建設(shè)啟動調(diào)整試驗(yàn)所，上海 200031）

HOLLiAS-MACS V6.5.2系統(tǒng)閉環(huán)控制器在工程應(yīng)用中的技巧探討

胡昌盛（神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福州 泉州 362712）

王嘉毅，陸永卿，李寶興（上海電力建設(shè)啟動調(diào)整試驗(yàn)所，上海 200031）

通過介紹和利時(shí)HOLLiAS-MACS V6.5.2分散控制系統(tǒng)（DCS）閉環(huán)控制器在幾種典型應(yīng)用過程中遇到的問題，分析了其模擬量手操器HSVMAN、PID控制器HSVPID、積分器HSINTG的運(yùn)算原理，闡述了算法塊在典型應(yīng)用中的注意事項(xiàng)與解決方案，為其它工程應(yīng)用與國產(chǎn)DCS的完善發(fā)展提供借鑒。

和利時(shí)；分散控制系統(tǒng)；手操器；PID；積分器；對策

近年來，分散控制系統(tǒng)DCS國產(chǎn)化進(jìn)程飛速發(fā)展。2013年，和利時(shí)在與多家國外著名公司激烈的競爭中，以優(yōu)異的表現(xiàn)成功中標(biāo)鴻山2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場總線DCS控制系統(tǒng)，預(yù)示著國產(chǎn)DCS系統(tǒng)新技術(shù)發(fā)展得到業(yè)內(nèi)肯定和認(rèn)可，項(xiàng)目的重大突破為和利時(shí)全面拓展高端火電市場業(yè)務(wù)又向前邁出了關(guān)鍵的一步。由于工程項(xiàng)目人員、系統(tǒng)研發(fā)人員對閉環(huán)控制器的認(rèn)識不同，工程實(shí)際又對控制器的應(yīng)用習(xí)慣、操作方法、控制性能等方面有著更高的要求。在鴻山項(xiàng)目模擬量控制系統(tǒng)調(diào)試過程中，和利時(shí)HSVPID+HSVMAN等功能塊在典型控制策略的實(shí)現(xiàn)上遇到的幾個(gè)問題，結(jié)合工程實(shí)際采取了可行的解決方案，使得項(xiàng)目調(diào)試過程順利進(jìn)展，也為HSVPID、HSVMAN、HSINTG算法塊在工程應(yīng)用上提供了使用技巧以及借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 控制系統(tǒng)簡介

神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱鴻山電廠）DCS控制系統(tǒng)采用杭州和利時(shí)公司生產(chǎn)的HOLLiAS-MACS V6.5.2裝置，DCS與DEH國產(chǎn)一體化配置，在DCS現(xiàn)場設(shè)備層全面采用MACS-SM控制站集成PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)。整套分散控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS、順序控制系統(tǒng)SCS、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS、模擬量控制系統(tǒng)MCS、小汽輪機(jī)控制系統(tǒng)MEH+METS、數(shù)字式電液控制系統(tǒng)DEH，以及脫硫控制等系統(tǒng)，其中FSSS、MEH、DEH和ETS 基本采用成熟的常規(guī)控制系統(tǒng)。

1.2 HSVPID、HSVMAN工作模式

HSVPID、HSVMAN在線SAMA圖如圖1所示，對每個(gè)引腳進(jìn)行說明。

圖1 HSVPID、HSVMAN引腳說明

1.2.1 HSVMAN工作模式

模擬手操功能塊（HSVMAN）手操器有四種工作模式：手動、強(qiáng)制手動、自動、跟蹤。優(yōu)先級：跟蹤>強(qiáng)制手動>手動/自動。根據(jù)內(nèi)部參數(shù)RM的值來判斷運(yùn)行工作方式，0：手動；1：自動；2：跟蹤；3：強(qiáng)制手動。一般在組態(tài)過程中將MAN_AM賦值給PID_TS，MAN_SP賦值給PID_SP，MAN_AV賦值給PID_ TP，實(shí)現(xiàn)工作模式之間的無擾切換。

如果跟蹤開關(guān)TS=1（MAN_TS=1）時(shí)， RM=2、AM=1（MAN_AM=1，非自動），手操器進(jìn)入跟蹤方式，此時(shí)對RM的其他賦值均無效。當(dāng)跟蹤開關(guān)TS由1變?yōu)?時(shí)，手操器切換為跟蹤前的模式（上一次工作模式）。

1.2.2 HSVPID輸出特性

當(dāng)跟蹤備件滿足（MAN_AM=1, 非自動）PID_TS=1時(shí)，PID在跟蹤工作方式，PID單元停止演算，其值隨被跟蹤量而變化，AV=TP。

當(dāng)跟蹤條件不滿足（MAN_AM=0,自動），PID_TS=0時(shí)，在自動方式下，PID按傳遞公式進(jìn)行運(yùn)算。AV(K)=AV(K-1)+du+OC+dk。du：本次計(jì)算得出的比例+積分項(xiàng)；dk：本次計(jì)算得出的微分項(xiàng)；OC：輸出補(bǔ)償項(xiàng)。

2 工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

2.1 關(guān)于純積分控制的使用

原鴻山電廠汽輪機(jī)一級大旁路壓力設(shè)定點(diǎn)發(fā)生器采用HSVPID實(shí)現(xiàn)，比例帶PT設(shè)置很大，使比例作用減小幾乎為零，積分時(shí)間設(shè)置TI=5200s，作為積分控制器使用，作用方向?yàn)檎饔?，輸出下限OB=1，輸出上限OT=12。高旁壓力設(shè)定爬坡的簡化組態(tài)邏輯如圖2所示。

圖2 高旁壓力設(shè)定爬坡邏輯

旁路系統(tǒng)在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)過程中全程自動控制主汽壓力，啟動初期，主蒸汽壓力為0，旁路閥處于最小開度位置10%，由于積分作用使HSVPID輸出至下限1MPa。隨著鍋爐升溫升壓，為維持1Mpa主汽壓力，高壓旁路閥逐漸開大。當(dāng)旁路閥開度大于預(yù)設(shè)的50%開度時(shí)，最小壓力模式消失，進(jìn)入壓力爬坡模式，根據(jù)積分作用方向，為維持此閥位，應(yīng)使壓力設(shè)定點(diǎn)發(fā)生器HSVPID的輸出隨鍋爐燃燒率按照一定的速率增大。

而在實(shí)際投用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高壓旁路閥指令（PV）大于50（SP）時(shí)，壓力設(shè)定點(diǎn)發(fā)生器仍不向上爬坡，致使隨主汽壓力上升，旁路設(shè)定值保持不變，旁路閥開至全開，如圖3所示。

圖3 高壓旁路首次投用過程

經(jīng)分析，和利時(shí)MACS VI系統(tǒng)HSVPID算法塊當(dāng)比例作用很小時(shí)，若積分使其朝一個(gè)方向輸出至上限或下限時(shí)，輸入偏差即使未達(dá)到積分分離值，積分分離也會動作，TISO=1，此時(shí)即使積分作用反向（PV＞SP）亦不能改變其輸出。因此在工程應(yīng)用中，MACS VI系統(tǒng)HSVPID算法塊不能將其比例項(xiàng)置零，作為純積分器使用，這有別于其它部分DCS。于是使用單獨(dú)的積分控制器（HSINTG）作為壓力設(shè)定點(diǎn)發(fā)生器，工作正常。

積分控制器（HSINTG）功能塊實(shí)現(xiàn)積分調(diào)節(jié)器功能，它在過程值與設(shè)定值偏差的基礎(chǔ)上執(zhí)行積分控制，且沒有輸出達(dá)上、下限后發(fā)生積分分離的問題，有效解決了HSVPID作為純積分控制器出現(xiàn)積分分離現(xiàn)象。在火力發(fā)電廠中積分控制器在高旁壓力設(shè)定點(diǎn)發(fā)生器、BTU熱值校正器等慢速修正回路中運(yùn)用較為廣泛。

2.2 關(guān)于帶超馳功能的手操器無擾切換的應(yīng)用

以高加水位控制為例，常規(guī)單回路PID調(diào)節(jié)邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 高加水位控制

當(dāng)模擬量手操器HSVMAN手動時(shí)（AM=1），SP=PV；從手動切換到自動時(shí)，SP保持當(dāng)前值并可在操作面板輸入，以保證方式切換時(shí)無擾。當(dāng)超馳條件置位，TS=1時(shí)，AV輸出超馳至跟蹤量點(diǎn)TP，但此時(shí)手自動狀態(tài)顯示AM=1，SP會隨PV的變化而變化；超馳條件復(fù)位后，手操器恢復(fù)到跟蹤前的自動狀態(tài)，由于SP已隨PV發(fā)生改變，因此自動控制偏離了之前設(shè)置的正常值，不符合實(shí)際應(yīng)用的要求。

針對上述問題，新增組態(tài)邏輯：在手操器PV輸入前增加一個(gè)SEL選擇塊，當(dāng)調(diào)門超馳關(guān)信號為真時(shí)選擇當(dāng)前的SP作為PV的

輸入，來閉鎖SP的變化，并在調(diào)門超馳關(guān)信號消失時(shí)反向延時(shí)1秒，恢復(fù)選擇實(shí)際值作為過程值輸入，避免切換時(shí)序的影響，使超馳動作結(jié)束后調(diào)門仍能控制系統(tǒng)穩(wěn)定在正常的設(shè)定值范圍內(nèi)。通過邏輯閉鎖實(shí)現(xiàn)在TS狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程設(shè)定值的保持，使帶超馳功能的手操器做到真正的無擾切換。

2.3 關(guān)于調(diào)節(jié)回路閉鎖增、減的實(shí)現(xiàn)

在調(diào)節(jié)回路中，除對設(shè)定值與實(shí)際值的偏差進(jìn)行控制以外，經(jīng)常會用到由于其它過程值或工況影響而需閉鎖調(diào)節(jié)回路增、減的情況，如爐膛壓力高閉鎖送風(fēng)機(jī)動葉增等。而在MACS VI系統(tǒng)中取消了上一版本中手操器閉鎖增、減的引腳，同時(shí)HSVPID也不具備閉鎖增、減的功能，因此常需要通過閉鎖上限OT或下限OB來實(shí)現(xiàn)PID的禁增與禁減。以鴻山電廠水燃比控制中間點(diǎn)溫度為例，如圖5所示。

圖5 中間點(diǎn)溫度控制

其中HSVPID比例設(shè)置很小，作積分-微分控制器使用，積分時(shí)間正常時(shí)為300s，變負(fù)荷時(shí)切至2000s，使變負(fù)荷時(shí)積分也基本不起作用，微分增益Kd=0.3，微分時(shí)間Td=60s，作用方向?yàn)檎饔?。變?fù)荷時(shí)，減負(fù)荷信號使上限OT閉鎖，實(shí)現(xiàn)禁增；增負(fù)荷信號使下限OB閉鎖，實(shí)現(xiàn)禁減。但在投用過程中卻發(fā)現(xiàn)存在如圖6所示曲線。

圖6 中間點(diǎn)溫度控制曲線

當(dāng)33分18秒增負(fù)荷信號置“1”時(shí)，PID輸出從-14.6開始斜坡上升，至36分46秒升至+13.9后保持，期間變化幅度為28.5t，變化率為0.137t/s，遠(yuǎn)大于該P(yáng)ID正常工作時(shí)應(yīng)有的調(diào)節(jié)速度，給系統(tǒng)帶來了較大的擾動。經(jīng)分析，由于變負(fù)荷時(shí)積分時(shí)間為2000s，且輸入偏差限幅為±3，積分作用最大輸出速率為0.0015t/s，因此不可能為積分作用引起；而在33分18秒增負(fù)荷信號置“1”至36分46秒過程中，輸入偏差存在上升趨勢，那么上升的速率使微分產(chǎn)生超前控制作用，但此時(shí)即使上升速率放緩或?yàn)榱?，由于禁減信號使微分作用無法歸零，造成了輸出的快速上升，也因此36分46秒后輸入偏差雖改為下降趨勢，但禁減使其輸出保持。這一現(xiàn)象同樣會發(fā)生在PID禁增時(shí)，輸入偏差下降的過程。所以當(dāng)MACS VI系統(tǒng)HSVPID帶有微分時(shí)，切忌使用該方式實(shí)現(xiàn)閉鎖增、減功能。后與和利時(shí)研發(fā)人員進(jìn)行研究，從HSVPID取一中間變量PID.U1（比例+積分項(xiàng)）與之前上、下限進(jìn)行大、小選后輸入OT、OB，如圖7所示，使PID在禁增、禁減時(shí)工作正常。

圖7 修改后的HSVPID閉鎖增、減邏輯

圖8 熱值校正邏輯

2.4 關(guān)于輸出偏置功能的注意

和利時(shí)模擬量手操器HSVMAN操作面板有一輸出偏置YB，手動時(shí)YB=0，自動時(shí)YB可由面板設(shè)定，AV=IN+YB。當(dāng)手操器自動時(shí)，即使YB≠0，PID只要不在跟蹤狀態(tài)，其調(diào)節(jié)作用仍可使系統(tǒng)達(dá)到平衡，但若PID在跟蹤時(shí)，對YB的賦值則會產(chǎn)生問題。鴻山電廠BTU熱值校正邏輯簡圖及PID某跟蹤時(shí)趨勢如圖8、圖9所示。

圖9 熱值校正PID某跟蹤曲線

從歷史曲線分析，12:03:30時(shí)，變負(fù)荷信號為真，手操器輸出指令從45.6%快速下降，12:03:39時(shí)下降到0%，下降速率約為5%/s，導(dǎo)致實(shí)際總煤量增加，影響機(jī)組正常運(yùn)行重要參數(shù)的穩(wěn)定。

分析BTU邏輯，并調(diào)取操作記錄比對，當(dāng)熱值修正工作在自動方式時(shí)，上層操作面板設(shè)置YB=-2，手操器輸出指令A(yù)V=IN-2，手操器IN項(xiàng)的值根據(jù)設(shè)計(jì)煤量與校正煤量進(jìn)行積分控制運(yùn)算。當(dāng)變負(fù)荷信號為真時(shí)，PID跟蹤手操器的輸出，而手操器輸出指令仍減去2%后，再賦值給PID的跟蹤量點(diǎn)TP，其中一周期計(jì)算、一周期賦值，手操器輸出指令最終以每兩周期減去2%的速率開始下降，由于運(yùn)算周期為200ms，下降速率即為5%/s。

鑒于上述問題，根據(jù)操作習(xí)慣，一般在調(diào)節(jié)回路投入自動后，往往是通過改變設(shè)定值或設(shè)定值偏置來調(diào)整工況，而很少用到直接改變輸出偏置的情況，且即使設(shè)置了輸出偏置，自動調(diào)節(jié)作用也會將閥位平衡到原來的位置，這一功能反而造成了誤操作的可能，建議屏蔽或取消。

3 結(jié)語

通過對MACS VI系統(tǒng)閉環(huán)控制器在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析與解決，表明既要求組態(tài)人員對功能塊的運(yùn)算原理充分掌握，并通過大量的仿真及實(shí)踐調(diào)試，同時(shí)也暴露了一些國產(chǎn)DCS在功能塊開發(fā)上與現(xiàn)場實(shí)際存在的不足，希望本文對其它工程應(yīng)用與國產(chǎn)DCS的完善發(fā)展提供借鑒。

[1] 王常力, 羅安. 分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004, 8.

[2] HOLLiAS MACS V6. 5. 2軟件使用手冊 - 功能塊說明[Z]. 杭州和利時(shí)自動化有限公司. 2013, 11.

[3] HOLLiAS MACS V6. 5. 2快速入門手冊[Z]. 杭州和利時(shí)自動化有限公司. 2013, 11.

[4] HOLLiAS MACS V6. 5. 2系統(tǒng)維護(hù)手冊[Z]. 杭州和利時(shí)自動化有限公司. 2013, 11.

[5] HOLLiAS MACS V6. 5. 2軟件使用手冊 - 用戶操作（火電版）[Z]. 杭州和利時(shí)自動化有限公司. 2013, 11.

[6] HOLLiAS MACS V6. 5. 2軟件使用手冊 - 用戶組態(tài)[Z].杭州和利時(shí)自動化有限公司. 2013, 11.

Discussion on Application Tips of Closed-loop Controller of HOLLiAS-MACS V6.5.2 Control System in Engineering Applications

By introducing several typical application problems of the closed loop controller of HollySys HOLLiAS-MACS V6.5.2 distributed control system (DCS), this paper analyzes the operation principle of the analog hand HSVMAN, PID controller HSVPID, integrator HSINTG, and expounds the typical application notice of algorithm module and the related solution. It provides the reference for other engineering application and the improvement of the domestic DCS development.

HOLLiAS; DCS; Hsalgman; PID; HSTING; Skills

B

1003-0492(2015)12-0088-04

TP273

胡昌盛（1989-），男，甘肅平?jīng)鋈?，大專，技術(shù)員，現(xiàn)就職于神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，從事火力發(fā)電廠熱工自動化基建、調(diào)試、維護(hù)工作。