TRACE MODE自适应控制算法和冗余功能在氨水生产流程中的应用

（ 北京俄华通仪表技术有限公司 黎 明 ）

【摘要】 本文通过TRACE MODE工控软件的自适应控制算法和冗余功能在氨水生产流程中的应用，介绍了TRACE MODE中自适应控制算法和冗余功能的实现原理。

【关键词】自适应 PID冗余 工控软件

【Abstract】This papers introduces the principle of Adaptive PID control algorithm and redundancy system in TRACE MODE industry control software by illustrating the application in the ammonia process.

一 氨水生产工艺流程简介

氨水生产工艺流程如图1所示：

图1 氨水生产工艺流程

在该工艺中，氨水浓度是反映产品质量的重要指标，它通过调节吸收塔塔釜的温度来实现，但由于该温度受换热器热交换特性的影响较大，控制回路的调节品质始终不高，再加上原设计采用国产DDZ-II型仪表，系统陈旧，故障率极高，许多回路已不能实现自动控制，无法保证产品的质量，因此用户迫切希望对该系统进行彻底改造。

根据工艺控制的要求，我们对控制参数进行了统计，如表1所示：

表1 控制参数统计表

从表1可以看出，该系统中包含模拟量信号和控制回路相对较多，考虑到用户对控制系统的安全有较高的要求，我们设计了一套基于PC的冗余控制系统方案（图2）。用户在对不同的改造方案进行综合评估后，最终选择了这个性价比最高的方案。

图2 冗余系统结构图

根据控制系统的要求，我们选用了市场上性能和价格比较好的硬件产品，主要部件如表2所示：

表2 硬件设备一览表

由于该系统采用双机冗余结构，在硬件配置时必须注意信号的流向：

• 模拟量输入信号通过EKZ201B信号分配器后分别送到两台工控机的PCL813B板卡；
• 数字量输入分别经16通道光隔离数字量输入卡PCLD-782后到两台工控机的PCL730板卡；
• 为保证执行机构（调节阀）只接受来自主机的模拟量输出信号，两台工控机的PCL727输出先送到冗余系统输出切换板PCLD-888，PCLD-888根据主、从机状态始终输出主机信号；
• 为确保联锁动作和开关量输出动作无误，两台工控机的PCL730输出先送到冗余系统输出切换板PCLD-888，PCLD-888根据主、从机状态始终输出主机信号。

根据工艺控制和硬件选型的要求，在选择软件时必须满足以下基本要求：

1. 具有较强的控制功能，并且提供先进的控制策略；
2. 具有双机冗余功能；
3. 开发方便，界面美观；
4. 提供硬件驱动。

TRACE MODE是市场上唯一一个即能实现数据采集、人机界面开发，又能实现软逻辑编程的工控软件，根据上述软件选择的要求，我们认为TRACE MODE是最佳之选。在本项目中选用TRACE MODE主要基于以下几个方面考虑：

1. 控制功能强大。在TRACE MODE中用于开发控制算法的编程语言包括Techno FBD（功能块），Techno LD（梯行图），Techno IL（指令表）。这些语言都符合IEC61131-3国际标准。TRACE MODE提供150多种功能块，包括滤波、PID、PDD调节、脉宽调制-转换、统计、算术、代数、逻辑、三角函数、运行设备控制模块（闸门、电机、泵、集团泵等），以及自适应和数学模型优化控制算法，能够满足不同工业控制场合控制算法的开发需要。
2. 编程简单。符合IEC61131-3国际标准的编程语言是面向工程人员的编程语言，TRACE MODE中的Techno FBD语言是一种可视化图形语言，没有语法的要求，用户只需要采用“拖放”式操作来进行编程，十分便捷。
3. 冗余功能强大。TRACE MODE的冗余功能不仅包括实时数据的同步，而且还支持历史数据的同步，单纯依靠软件实现冗余切换时最小切换周期可达20ms，并且从同步机理上克服了信号扰动的问题。
4. 采用“自动建立”技术实现系统组态自动化。在创建工程变量时，需要大量的手工操作，如键盘输入、列表选择等等，这些操作有可能会导致错误量的增加，据统计，平均每10次手动操作就会出现一个错误。针对这个问题，TRACE MODE提供了独创的“自动建立”技术，该技术旨在提高开发效率，减少键盘操作带来的失误。



图3 自动建立：系统根据用户选定设备的类型自动完成变量定义

5. 人机界面美观生动。TRACE MODE的HMI开发环境中提供了功能强大的静态和动态图库，满足各类工程人机界面的开发。在静态图库中，除了包含标准的几何图形和文字工具外，还提供3D立体图形。动态绘图工具中包括柱状图、趋势图、温控曲线图、声音和颜色报警、流体轨迹图等等，同时还提供丰富的AVI动画图库。

图4 TRACE MODE人机界面开发环境

图5 工程中的人机界面

1）自适应PID的应用场合

在实际的控制应用中，一些被控对象（约20％）的参数会随时间发生变化，变化的原因主要包括：

• 工艺负荷的改变；
• 工艺中使用原料构成和质量的改变；
• 设备老化（比如，热交换器中的水垢增多等）；
• 由于季节改变造成环境温度和湿度的变化；
• 工艺设备部分的改造或者更换。

在这种应用场合可以采用自适应PID控制，调节器可以根据对象特性的变化来调整自己的参数。利用自适应算法可以实现：

• 对调节器进行经常性的最优化调整，使产品质量保持稳定（统计数据表明，在美国的工业领域，由于工艺参数动态变化的原因，有高达80%的调节器没有得到最优化调整）；
• 节约5-10%的原料和动力；
• 缩短整定时间。

2）TRACE MODE中连续自整定PID算法的工作原理

除TRACE MODE以外还没有哪个SCADA系统或者控制器可以实现PID参数的连续整定。这主要归功于TRACE MODE自适应算法所采用的独特原理：向被控对象施加幅度很小的谐波信号，通过检测输入信号和对象响应信号的相位差来实现对象参数的检测，这种方法具有抗干扰强，简单可靠，对正常的工艺影响小等特点。

图6所示为TRACE MODE中能够实现PID或PDD调节器参数连续自整定的原理图。

图6根据控制对象的幅相特性实现PID参数自整定算法的结构图

图中，测试信号发生器在闭环系统中通过向被控对象施加正弦波信号U_г(t)来检测对象的特性参数， 傅立叶滤波器1用来检测作用到被控对象上测试信号的振幅R₁和相位φ₁，傅立叶滤波器2用来检测被控对象响应信号的振幅R₂和相位φ₂，幅相特性检测器对两个滤波器的输出进行比较，计算出被控对象特性参数R₀和φ₀。参数整定单元根据对象的特性参数计算出PID调节器的Kp, Ki, Kd参数。

经实践证明，在本工程中控制回路的参数经自整定后，控制品质明显提高。图7为工程中一个调节回路的控制曲线图（设定值从40%变化到70%，70%变化到90%，90%变化到70%，70%变化到40%）。　　

图7 整定后PID回路的控制特性曲线

在TRACE MODE的冗余系统中，两台计算机设备互为备用，在正常情况下，先运行TRACE MODE节点的计算机处于MASTER工作状态,后运行的计算机启动处于SLAVE状态，处于SLAVE状态的计算机上的所有数据通过网络与处于MASTER工作状态的计算机进行自动同步，并始终检测MASTER的工作状态，一旦处于MASTER工作状态的计算机发生异常，处于SLAVE状态的计算机将在两个系统周期内切换到MASTER工作状态。当故障计算机修复, 重新启动后，进入SLAVE工作状态，并检测历史数据是否完整，如果不完整则向处于MASTER工作状态的计算机发出历史数据库同步请求。

在TRACE MODE的冗余系统中，计算机从SLAVE切换到MASTER工作状态的条件可以根据不同的应用方案来灵活设置，一般包括：

• 两台计算机通讯超时；
• 对方处于SLAVE状态；
• 用户根据具体需要确定的切换条件：如处于MASTER状态的计算机与I/O设备通讯超时等。

图8为本工程中冗余系统的主从机切换程序，程序的具体思路是：两台机器始终检查本机是否为SLAVE状态，如果本机为SLAVE状态，则当本机与对方机通讯超时或对方机为SLAVE状态时将自己切换为MASTER状态。

图8 冗余系统中主从切换逻辑

该工程已投运行了三年多，系统运行一直非常稳定。实践证明，基于TRACE MODE软件搭建的IPC控制系统不仅能够满足一般过程控制的需要，而且可以实现许多原先只有在DCS系统中才能实现的功能。

1. TRACE MODE用户手册

2. 马祖诺夫，TRACE MODE中自适应PID自整定技术