无线控制的新时代
技术更新:无线控制技术将提供给比以前更多的用户。有了这种简单、安全、可靠的无线控制解决方案，过程操作将迎来新的一天。
无线控制应用的新时代已经到来。随着对PID算法的修改，在过程工业的绝大多数应用中使用无线设备的能力已经出现。此外，新方法可以实现与传统有线变送器和有线阀相当的控制性能。
无线技术的发展始于改善工厂运营的动力。工厂经理通过访问偏远地区的工艺操作条件信息，看到了获得重大收益的机会。无线设备是进入偏远地区最具成本效益的方式，因为无线安装的成本是使用传统发射器的有线安装成本的一小部分。
一旦工厂获得了使用无线测量的经验，他们通常会开始寻找一种将这些无线测量纳入闭环控制的方法。
无线技术挑战
制造工厂发现，缓慢的测量更新和非周期性的测量更新给在控制应用中使用无线测量带来了技术挑战。
过程控制的基本假设一直是周期性地执行控制，并且每次执行都有一个新的测量值可用。当功耗不是一个因素时，这种方法是有效的。然而，功耗是无线设备的一个因素。为了实现5年的电池寿命，在无线控制应用中通常需要8或16秒的通信更新速率，如图1所示。
因此，当使用传统的PID控制时，计算的复位和导数作用在许多应用中可能不合适。
当使用无线发射机实施控制时，两种通信技术是最合适的。当选择连续(周期)更新时，设备在配置的更新周期唤醒，感知测量值，然后通信值。对于窗口技术，设备在配置的更新周期唤醒，感知测量，然后如果自上次通信以来值的变化超过指定的限制，或者自上次通信以来的时间超过默认的更新时间，则通信测量。窗口通信是首选的方法，因为对于相同的更新周期，所需的功率更少。
使用无线测量标准PID
尽管测量更新速度缓慢带来了技术挑战，但标准PID可以与无线发射器一起使用的应用数量有限。对于控制非常缓慢的过程，如水平或温度，大多数分布式控制系统中可用的标准PID是一个可行的选择。使用慢通信更新速率(8或16秒)的无线发射器的闭环控制只要过程响应时间至少比通信速率慢4倍就可以工作。采用标准PID进行无线控制时，大多数网络的可靠性优于99.9%。但是，在通信丢失的情况下，明智的做法是添加逻辑将控制切换到手动。
无线控制应用
从WirelessHART标准开发的一开始，其愿景就是有一天无线设备将被用于控制和监控。考虑到即将出现的问题，工程师们开始挑战之前关于控制的假设来解决问题。
他们的发现为在过程工业的绝大多数应用中使用无线设备开辟了可能性。可以修改PID算法，使其在测量更新缓慢、非周期性测量更新和通信丢失的情况下正确工作，从而实现与传统有线变送器和有线阀门相当的无线控制性能。
关键是要理解，当使用正反馈网络实现PID复位时，该网络中使用的滤波器的时间常数是过程动态响应的直接反映。基于这种理解，可以修改PID的复位计算以用于无线控制。
在PIDPlus实现中，用于创建重置贡献的正反馈网络被修改，以保持最后计算的滤波器输出，直到通信新的测量。当接收到新的测量值时，复位贡献使用新的滤波器输出作为正反馈贡献。对于那些需要导数(速率)作用的过程，只有当接收到新的测量值时，对PID输出的导数贡献才会被重新计算和更新。导数计算使用自上次新测量以来经过的时间。
使用PIDPlus，复位计算自动补偿设定值变化和测量更新率。导数分量解释了一个新的测量值，这个测量值在每次PID执行时都不可用。因此，不需要修改无线控制的调优，即PIDPlus调优仅由进度增益和动态决定。
性能比较
当PIDPlus在控制应用中与无线发射器一起使用时，其性能与使用有线发射器相当。对PIDPlus的闭环响应进行了变化和未测量过程干扰的测试，其中无线发射器使用窗口通信，如图2所示。在这些测试中，将性能与标准PI控制器进行比较，在标准PI控制器中，有线测量值的通信频率与PI控制算法的执行频率一样高。
在本例中，与使用有线发射机的控制中使用的新测量值的数量相比，窗口通信减少了96%以上的通信数量。在图3中，根据周期性测量更新与非周期性测量更新的积分绝对误差(IAE)显示了控制性能的差异。
在通信丢失方面，传统PID通常提供较差的动态响应。PIDPlus改善了这些条件下的动态响应。如图4所示，与PID相比，PIDPlus在相同条件下提供了更好的动态响应，因为PIDPlus复位和导数贡献在通信丢失时自动保持在最后值。除了作为PIDPlus开发过程的一部分进行的测试外，作为J.J. Pickle研究园区分离研究项目的一部分，还进行了现场试验。
作为从烟囱气体中去除二氧化碳的重点项目的一部分，安装了无线shart变送器，用于压力和蒸汽流量控制。
使用原始的工厂PID整定，对于蒸汽流量和柱压的设定值变化，观察到相同的动态控制响应。
开放的可能性
PIDPlus可用于商用分布式控制系统;用户可以选择PIDPlus功能作为控制参数选项之一。从生命科学到特种化学品，用户已经成功地通过无线设备实现了可靠的实时控制。
从2014年秋季开始，艾默生过程管理将免费提供PIDPlus无线PID控制器的许可。许可证将通过HART通信基金会提供给使用WirelessHART现场设备的工厂。无线控制技术将提供给比以前更多的用户。有了这种简单、安全、可靠的无线控制解决方案，过程操作将迎来新的一天。
- Terry Blevins是艾默生过程管理的首席技术专家。编辑:马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体，控制工程，mhoske@cfemedia.com．
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HART传播基金会
www.hartcomm.org
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