摘要：論述了發展現代城市燃氣管網SCADA系統的必要性、SCADA系統的主要組成、系統軟件的功能、遠程監測和控制的基本原理。為了提高系統軟件對場站壓力的遠程自動控制的精確性和穩定性，給出了適用于單片機微處理控制器的數字PID控制算法。
關鍵詞：燃氣管網；SCADA；系統軟件；數字PID控制；遠程監測；遠程自動調壓
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
隨著城市燃氣系統的大規模發展和社會對供氣要求的不斷提高，使用現代化的電子信息技術提高燃氣管網的管理水平已經是當代城市燃氣運行管理的大勢所趨。SCADA系統是以計算機測控技術為基礎的生產過程控制與遠程調度相結合的自動化控制系統，廣泛應用于天然氣輸配系統、電力系統、城市供水系統等領域[1]。隨著SCADA系統使用的深入和用戶要求的提高，保證燃氣管網的安全、穩定、經濟運行，提升SCADA系統的穩定性和高效性的呼聲也越來越高。
1 SCADA系統的主要組成部分
SCADA系統主要由控制中心、現場控制系統、通信系統3部分組成，實現對管網的實時監測和遠程控制。
① 控制中心
控制中心是整個城市燃氣輸配管網SCADA系統的神經中樞，負責整個系統調度指揮和集中控制，工作人員在控制中心通過計算機系統即可完成整個燃氣輸配系統的監測、運行管理和遠程控制。
② 現場控制系統
現場控制系統包括傳感器、顯示儀表、信號轉換器、微處理器、控制執行機構等，主要負責現場站點的監測和自動控制。
③ 通信系統
通信系統是連接控制中心和現場控制系統的紐帶，是實現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系統的硬件配置
① 控制中心：中心服務器、大幅顯示屏幕、UPS電源系統、打印機[2]。
②現場控制系統：現場控制系統設置在門站、調壓站等廠站。現場控制系統的硬件主要包括：單片機、現場傳感器、電子控制閥、模數轉換卡、數模轉換卡和數據采集卡。壓力傳感器、溫度傳感器、流量計等電子儀表負責燃氣運行參數的數據采集。實時采集的各站點燃氣運行參數經模數轉換卡轉換，由通信系統將這些參數傳遞到控制中心?，F場控制系統還可根據預先對各個參數設置的臨界值來判斷是否需要報警或產生控制動作。
③ 通信系統：為了信號傳輸的穩定性和安全性，對于調度中心、門站等現場站點，一般采用有線通信方式，如DDN(可向當地的電信部門租用)、自建光纜；對于一般站點，如調壓站、監測點等可采用無線通信方式，如移動運營商提供的GPRS。
3 SCADA系統的軟件構成
3.1 SCADA系統軟件功能簡介
SCADA系統軟件是整個系統運行的核心部分，也是人機交互系統的接口。軟件系統主要分為兩部分：控制中心系統軟件和現場站點系統軟件。
控制中心系統軟件是整個SCADA系統的大腦，控制中心的服務器實時監控各個站點的工作狀態，如進出口壓力、流量、壓縮機狀態、加臭量等，并將各站點采集回傳的數據經處理后顯示在中心大屏幕上。另外，系統軟件還可對各種燃氣參數進行儲存、統計、分析，不但可為系統管理決策人員的實時管理與調度提供可靠依據，而且可根據各種統計報表進行中長期規劃和管理，從而使燃氣調度管理更加科學化、現代化和規范化[3]。
現場站點系統軟件相當于人的眼睛和手足。該軟件系統可將本站的進出口壓力、流量等燃氣參數采集處理并可通過通信系統上傳至控制中心。當壓力等參數異常時，現場站點系統軟件根據中心指令或預先設定程序啟動電子控制閥等調節機構對壓力參數進行調節。當有燃氣管道泄漏等異常情況發生時，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系統軟件主要有兩個基本任務：遠程監測和遠程自動調壓。
3.2 遠程監測的買現
遠程監測主要是利用電子信息器件配合相關軟件來實現?，F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、流量等參數進行測量，生成模擬電信號，經過數據采集卡將模擬信號轉換為數字信號(A/D轉換)，由單片機進行處理，生成壓力、流量等參數信息。這些信息除了可在本地站點的顯示屏上顯示以外，還可通過通信系統傳送至控制中心以供顯示、分析、統計、儲存。
3.3 遠程自動調壓的實現
① 遠程自動調壓的原理
在SCADA系統中，除了遠程監測外，現場站點還必須根據控制中心指令或程序設定實現自動調壓。圖1是現場控制系統根據控制中心的設定參數對壓力進行調控的過程。
操作者通過控制中心遠程或控制面板現場設定出口壓力值。在現場站點的入口和出口處均設有壓力傳感器，實時將入口、出口側的壓力信號經模擬/數字信號(A/D)轉換器輸入單片機，并可在液晶屏幕上實時顯示。當出口壓力低于設定值時，單片機發出的數字控制信號經數字/模擬信號(D/A)轉換器轉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定值。當出口壓力高于設定值時，單片機發出控制信號經數字/模擬信號(D/A)轉換器轉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定值。當入口壓力過低或者過高、超出警戒值時，系統可以在現場顯示報警，也可以通過網絡接口上報控制中心。系統可選用512 kb儲存器作為人機交互系統的外部儲存器，用來儲存設置參數等信息，這樣可以將壓力數據儲存并按要求進行統計以供顯示或上傳調用。
②數字PID技術在壓力自動控制的應用
為了保證向用戶輸出的壓力穩定，需要對燃氣系統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。
在工業生產過程中，常常用閉環控制的方式來控制溫度、壓力、流量、速度等連續變化的模擬量。PID調節法是經典控制理論中用于閉環控制系統的典型的調節方法。PID控制就是比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Differential)控制的簡稱。比例控制的優點是反應快，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的靜差，提高系統控制精度和抗外界干擾能力；微分控制改善系統的動態響應速度，用于克服系統的慣性滯后，提高系統的穩定性。比例、積分、微分控制相結合控制方法具有較強的靈活性和適應性。
常規PID控制系統原理見圖2。
系統由模擬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是調整量，c是被控參數。被控參數c經過反饋與給定值r比較，偏差值e經過PID運算后給出調整量M調整偏差，然后又將反饋信號比較運算，如此往復，以保證被控參數與給定值無限接近。
e=r-c (1)
其控制規律為：
式中u——控制器的輸出信號
t——時間變量
Kp——比例系數
Ti——積分常數
Td——微分常數
u0——系統常量
然而，傳統閉環控制使用的普通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常出現反應滯后、容易陷入死循環等問題?？刂扑惴ㄊ钦麄€系統中的靈魂，算法的優劣直接影響到整個系統的調節特性。本文以PID控制為基礎推導出適用于微處理器的數字PID控制策略算法。
由于計算機控制是采取采樣方式控制的，它只能根據采樣時刻的誤差值計算控制變量(調整量)u，因此，必須對傳統算法進行修正才能用計算機軟件來實現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——采樣周期數量，為正整數
T——計算機采樣周期
數字控制技術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，由當前時刻誤差值和前一時刻誤差值就能計算出當前的控制量，就推導出可適用于單片機的增量式數字PID控制算法：
u(f)=u(f-1)+△u(f) (15)
該算法的計算步驟是：
① 設定參數Kp、Ki、Kd。
② 設定初始值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 根據式(15)計算出u(f)，之后輸出。
⑥ 依次循環迭代。
4 結論
本文在介紹現代城市燃氣SCADA系統主要構成的基礎上，提出了適用于單片機軟件控制系統使用的數字PID控制算法。該算法簡捷靈敏且適應性強，可以對調壓系統進行精確的實時自動控制，為城市燃氣的安全與穩定運行提供了保證，將會對SCADA系統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 資源及環境科學學院 重慶 400030)
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