再谈火电厂PID自动调节！

火电机组有一项重要的考核就是自动投入率，为保证机组自动化程度，减少人为原因造成的操作失准，同时也为了减少运行人员的劳动强度。我们这里说的自动，主要是PID自动，包括水位调节、温度调节、负荷调节等等。只有各项自动投入，才能保证CCS等大的控制系统正常。

对于大型燃煤机组来讲，PID自动只要没有大的故障，基本都可以实现满投，除了极个别的自动存在问题以外，大多数的PID调节还是相对正常的。由于这是一种常态，所以我在与部分同行交流过程中，他们不理解自动为何投入不了。

影响PID自动投入率的原因有很多，如果从自动的三要素被调量、执行机构和PID参数三个方面来看，影响最大往往是被调量，影响最频繁的是PID参数，造成事故最多的是执行机构。以亚临界机组的汽包水位调节来讲，被调量是汽包水位，机组负荷稳定的情况下，水位波动不会很大，即便此时PID 参数整定的有点滞后或者超调，都不会造成太大影响。

可一旦负荷不稳，出现异常情况，水位波动也会很大。尽管此时PID参数合理，自动能够迅速拉回稳态，过程也会惊心动魄。造成这个问题的主要原因是PID自动其实也是一种受限制的调节，甚至可以理解为是一种合理范围内的微调。在相对稳定的工况下，PID自动确实可以发挥出一些优势，但当工况变化超过了一定的阈值，PID自动有时有会力不从心。

因此，在很多时候PID自动都会设置一些自动解除的条件，就是为了避免特殊情况下PID调节器不合理的动作。有人会说，我把自动的调节能力增强，那么就可以应付这种极端情况。当然可以，但是一旦调节能力增强，比如增强比例作用，就会出现在稳态时超调的现象。对于一套工艺系统，工况超出阈值只是特例，PID要做的是大多数时间的调节及时和稳定。

对于PID调节的执行机构，如汽包水位调节阀，一旦出现故障，那么PID自动就会出现失控。我们遇到的汽包水位保护动作，很多是因为水位调节阀或者变频器故障。PID参数整定不合理以及负荷工况的异常极少会造成保护动作，但是执行机构故障却极大概率会。目前一些机组水位调节用调节阀，有一些用变频给水泵，一些大机组用汽泵，无论是哪一种执行机构，故障后出问题的概率是极大的。

之前写过很多关于PID 调节的文章，也录制过很多的视频。

这些文章大多是我在工作中的一些总结，算是经验之谈，因此难免会有个人偏见和认知不足在里面。一个控制工程师，理解并掌握PID调节是基本的生存手段。模拟量控制是控制学的高端，而PID调节是置身高端的明珠。很多的同行，对于PID调节的定义、原理滚瓜烂熟，一旦实操就会漏洞百出，根本原因是没有真正理解PID调节，也缺乏实操经验。

要理解PID调节的本质，就要知道自动调节的目的是什么？之前在一个项目做技术服务的时候，一位厂领导跑到工程师站大吼一句，所有的自动必须全部投入。我去现场看了一下，想必是做控制系统的工程师也不是很懂专业，因此所有的模拟量调节阀都增加了PID控制，比如汽包水位就同时做了给水泵变频PID和调节阀PID。

这就出现了一个问题，如果两个自动都投入，那么汽包水位将接受两套调节系统的控制，好比一名士兵既要听自己班长的指挥还要听组长的指挥。如果班组长的政令一致，时间同步，那么这个士兵执行或许也不会出错。但是对于汽包水位这种模拟量调节，两套执行机构输出指令难免会出现偏差，为了弥补这种偏差，两套执行机构就会陷入到不断的调整当中。

以前我们说过，一套合格的PID调节系统，不仅要保证被调量的稳定，还要保证执行机构不会出现频繁动作。执行机构频繁动作，或许会保证被调量稳定，但是很大程度上也会对执行机构造成损害。我们要追求的是，用最小的代价，换取一个系统的稳态。这种稳态不仅指被调量，当然还包括执行机构。

因此，前面的例子，厂领导要求所有自动投入，显然是一种为了投自动而投自动的行为，忽略了自动投入的根本目的。当然他的出发点可能是好的，认为自动投入了，机组会更稳定。如果一个PID自动投入后系统变的异常紊乱，那么这种自动不投也罢。但是为了提高调节的稳定性，这种情况要认真分析原因，解决根本问题。

回到前面说的话题，对于燃煤机组来讲，PID自动投入率问题不大，出现问题往往也是个别情况。因为燃煤机组的负荷是相对稳定的，很少出现负荷参数的大范围波动。燃煤热值往往也不会出现大范围的波动，因此燃烧工况也相对稳定。这也就不难理解个别大机组的同行不理解怎么可能出现自动不能投入的情况。

由于机组本身的特性维持了系统的稳定，有时甚至会掩盖PID参数整定的不合理。因为PID调节是有差调节，机组负荷稳定的情况下，大的偏差出现的几率就减少，以至于PID参数无论如何整定，只要正反作用不搞反，看上去总是岁月静好。

我遇到过因为PID参数设置不合理造成自动无法投入的情况，甚至自动的正反作用也会弄错，属于工作人员个人技术问题。但是对于一些特殊机组，比如生物质发电机组，包括垃圾发电和农林废弃物发电，PID自动投入率就很难保证。主要原因不在于PID调节器本身，也不在于执行机构，而是这种类型的机组由于燃料热值不稳定，造成机组燃烧工况变化较大，在燃煤机组中的特殊或者极端情况，在这种类型机组中属于平常情况。

有同行说我们家生物质机组水位调节和减温水调节自动投入很正常，我也看了他们的实际情况，自动的确在投入状态，但正常就谈不上了。虽然自动投入了，但是执行机构的调节很频繁而且调整幅度很大，水位维持的也不是很好。他是把调节器的作用放到了最大，因此就出现了减温水调节阀总是全开全关的情况。虽然自动是投入状态，但是从自动调节“站的稳、镇得住”的角度，就是失败的。这种情况，无论是在链条炉、循环流化床还是水冷振动炉排，都是存在的。

PID自动调节对于一个系统来讲，是一种理想调节。比如我们火电机组的水位调节，除了PID调节器、水位、蒸汽流量、执行机构等参与以外，还存在很多其它的外扰，比如燃烧工况的突变、仪表测量的误差、执行机构的线性变化等，这些外扰不断叠加，最终都会影响调节的精度，并决定调节的成败。

对于水位调节这种相对单一的调节系统，或许外扰的问题可以降到最低甚至避免。但对于大的系统来讲，比如锅炉的燃烧调节，会牵涉到风、水、煤等很多因素，是很多个PID自动的组合，牵涉其中的外扰更多更复杂。这样的系统想要提高调节的精度，就需要考虑一些新的技术和手段。

我在做一个生物质炉排调节系统的时候，尝试引入了“大数据”的概念，希望能够分类出不同燃烧工况下炉排振动的频率和周期，从而建立起一个调节模型。但由于PLC系统和DCS系统的运算能力有限，而数据的采集也不是人工调几条曲线就可以得出的，最后模型虽然搭起了框架，最终也没能实现。

但我想这给大型工业控制系统的自动调节提供了一个方向，可以很大程度上实现跟高程度的自动化调节。随着互联网技术的不断进步，工业控制+互联网的大数据处理模式已经上线，对于火力发电机组这种复杂的离散型控制系统来讲，虽然尚未有很好的案例，大家目前的认知里可能也没有必要。但是，在节能降耗的大前提下，工业控制系统需要一种更加优秀的处理手段。

虽然目前大数据的手段看上去还是天方夜谭，看上去没那么必要，看上去有些鸡肋。但就像DCS系统发展的早期阶段，看上去也不是那么不可或缺，但到了现在，或许你还说不上哪里好，但就是不能少！

2023年2月18日 于上海！