王海峰

(中國石油西氣東輸管道公司南昌管理處，南昌 330038)

西氣東輸一線站場給下游用戶的天然氣分輸壓力多采用PID控制，即通過Modicon Quantum PLC系統(tǒng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)對天然氣分輸壓力的控制，控制器型號(hào)140CPU43412A。特別是部分站場到下游用戶門站間距離較短、分輸管徑較細(xì)，當(dāng)用戶用氣量不穩(wěn)時(shí)，容易引起出站壓力劇烈波動(dòng)。面對此種工況，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥壓力的PID控制存在滯后及調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過于頻繁等問題，達(dá)不到所要求的壓力，對下游用戶的生產(chǎn)和居民的用氣造成了不同程度的影響，這無疑是站場安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要隱患。為此，很有必要對電動(dòng)調(diào)節(jié)閥壓力的PID控制邏輯進(jìn)行分析，找出所有影響控制效果的可能因素，并給出相應(yīng)的解決方法，以期提高天然氣分輸壓力的平穩(wěn)性和安全可靠性。

1 壓力PID控制邏輯說明①

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥壓力PID控制邏輯的程序編寫采用功能塊圖語言(Function Block Diagram，F(xiàn)BD)，其邏輯功能包括基本功能、壓力控制死區(qū)、PID功能塊的上限和下限、閥位開度值的上限和下限，現(xiàn)分述如下：

a. 基本功能。當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處于遠(yuǎn)控、無故障、PID壓力自動(dòng)控制使能和壓力控制模式狀態(tài)時(shí)，在人機(jī)界面輸入壓力設(shè)定值，PLC控制器將根據(jù)天然氣分輸出口壓力反饋值與設(shè)定值的偏差和PID參數(shù)，通過PID功能塊(圖1)計(jì)算閥位開度(0%～100%)，開度值經(jīng)量程轉(zhuǎn)換(0～4 095)后，通過140ACO02000模擬量輸出(AO)模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出4～20mA電流信號(hào)到現(xiàn)場電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制閥門的開關(guān)[1]。

圖1 PID功能塊引腳

b. 壓力控制死區(qū)。當(dāng)天然氣分輸出口壓力設(shè)定值與壓力反饋值的偏差的絕對值不大于壓力控制死區(qū)時(shí)，PLC控制器停止計(jì)算閥位開度，保持電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥位開度輸出值不變。

c. PID功能塊的輸出上限和下限。PID功能塊計(jì)算出的輸出值Y被限制在其上限YMAX和下限YMIN范圍內(nèi)，即YMIN≤Y≤YMAX。目的是防止PID功能塊的輸出超限。

d. 閥位開度的上限和下限。PID功能塊計(jì)算出的輸出值Y再賦給閥位開度值P5104Y(假設(shè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥編號(hào)為5104，P表示壓力)，P5104Y又被限定在閥位開度值上限ZI5104MAX和下限ZI5104MIN范圍內(nèi)(圖2)，即ZI5104MAX≤P5104Y≤ZI5104MIN。目的是防止閥位開度輸出超限。

圖2 閥位開度的上下限

原PLC程序的壓力PID控制邏輯如圖3所示，其中電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的編號(hào)為5104。

圖3 原壓力PID控制邏輯

調(diào)節(jié)閥處于遠(yuǎn)控、無故障、PID壓力自動(dòng)控制使能狀態(tài)時(shí)Soft_P5104AM=1；調(diào)節(jié)閥處于壓力控制模式時(shí)PID_SELtoF=0。PID功能塊輸入端MAN=0時(shí)PID功能塊才會(huì)進(jìn)行PID計(jì)算。

P5104SP為壓力設(shè)定值，rPI6102為壓力反饋值，系統(tǒng)偏差ERR=SP-PV=P5104SP-rPI6102=P5104ERR。圖3中，當(dāng)P5104ERR的絕對值小于10kPa(控制死區(qū))時(shí)，HALT=1，PID模塊停止PID計(jì)算。

PID參數(shù)使能：EN_P=1、EN_I=1、EN_D=1表示P、I、D參數(shù)均使能。

PID參數(shù)：比例增益GAIN=P5104K，無量綱；積分時(shí)間TI=P5104TI×1000，單位為ms；微分時(shí)間TD=P5104TD×1000，單位為ms。

PID功能塊的輸出上限YMAX=100%，下限YMIN=0%。

YMAN為手輸值，當(dāng)MAN=1時(shí)(手動(dòng)模式，PID模塊不進(jìn)行PID計(jì)算)，YMAN有效，此時(shí)輸出Y=YMAN。

PID計(jì)算公式如下：

2 壓力PID控制效果不佳的原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場測試分析，總結(jié)出壓力PID控制效果不佳的原因主要在以下幾方面：

a. PID參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，同時(shí)未進(jìn)行合理整定而影響了PID的控制效果。如某站場壓力P、I、D參數(shù)設(shè)置為5、2、1s，從現(xiàn)場情況可以明顯看出比例作用太弱，積分作用太強(qiáng)，還帶有微分作用。從工程經(jīng)驗(yàn)上講，天然氣分輸壓力PID控制系統(tǒng)是不需要微分作用的，原因是壓力響應(yīng)較快[2]。

b. 天然氣分輸出口壓力采樣值電流信號(hào)受外界擾動(dòng)[3]不夠平滑，造成調(diào)節(jié)閥在壓力控制死區(qū)附近無規(guī)律動(dòng)作，影響了壓力控制的穩(wěn)定性。如當(dāng)前現(xiàn)場實(shí)際壓力值(假設(shè)量程為0～6MPa)為2 496kPa，換算成4～20mA電流值應(yīng)該為10.656mA。但是由于儀表回路會(huì)受到外界干擾，回路電流會(huì)在10.656mA上下不停地變化，如果外界擾動(dòng)過大，會(huì)引起壓力采樣值的變化過大。假設(shè)當(dāng)前壓力設(shè)定值為2 500kPa，壓力控制死區(qū)為10kPa，分輸出口壓力反饋值為2 496kPa，屬于穩(wěn)態(tài)，而一旦壓力反饋值由于干擾而變成大于2 510kPa或小于2 490kPa，PLC系統(tǒng)會(huì)控制閥門立即動(dòng)作，動(dòng)作的快慢取決于PID參數(shù)。

c. PLC程序中壓力PID功能塊的輸出上下限與閥位開度值上下限的設(shè)置不一致，在控制過程中易形成積分飽和效應(yīng)[4]，造成閥門突然動(dòng)作或動(dòng)作滯后。如某個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥壓力PID功能塊的輸出上限和下限分別設(shè)置為100%和0%，而閥位開度值的上下限分別設(shè)為50%和10%。假設(shè)當(dāng)前壓力設(shè)定值為2 500kPa，出站壓力2 350kPa，壓力控制死區(qū)為10kPa，閥門在壓力PID控制下自動(dòng)打開。當(dāng)閥開到50%時(shí)，由于閥位開度上限為50%，閥門不能再繼續(xù)打開。但如果此時(shí)偏差仍未消除，由于積分作用，PID功能塊會(huì)繼續(xù)增大輸出，以至于超過50%，甚至達(dá)到其上限100%。此時(shí)，如果操作員將閥位開度上限值增加到60%，那么閥門會(huì)立即動(dòng)作，流量會(huì)瞬間猛增，可能會(huì)損壞渦輪流量計(jì)；或者此時(shí)，操作員要降低出站壓力，將設(shè)定值修改為2 200kPa，由于PID功能塊的輸出需要從當(dāng)前值(如100%)往下減小，只有當(dāng)減小到50%以下閥門才會(huì)動(dòng)作，造成關(guān)閥動(dòng)作滯后，出站壓力可能已經(jīng)憋得很高。

d. 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥壓力控制死區(qū)設(shè)置過小造成閥門頻繁動(dòng)作?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，基本上所有的站場分輸壓力PID控制的死區(qū)都設(shè)為10kPa，這顯然與實(shí)際不符，因?yàn)椴豢赡芩姓緢龅墓r都一樣。如果壓力控制死區(qū)設(shè)置過小，就意味著被控壓力超出控制死區(qū)范圍的可能性增大，那么PLC系統(tǒng)就要對閥門開度進(jìn)行更頻繁的PID計(jì)算，并更頻繁地調(diào)節(jié)。不過，控制死區(qū)也不能設(shè)置得過大，否則壓力控制會(huì)過于滯后，超調(diào)量過大，引起被控壓力周期性波動(dòng)，很難達(dá)到較好的穩(wěn)態(tài)效果。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)壓力PID控制效果不佳的原因分析，采取以下相應(yīng)的改進(jìn)措施。

采用工程整定法對不同站場的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥壓力PID參數(shù)進(jìn)行人工整定，得到比較適合所用調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)，提高PID的控制效果。

在PLC程序中對天然氣分輸出口壓力采樣值增加濾波，消除因外界擾動(dòng)引起的壓力采樣值尖峰所造成的影響，使壓力采樣值更加平滑。濾波算法采用滑動(dòng)平均濾波法[5]：每隔200ms連續(xù)取5個(gè)采樣值并編成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列長度固定為5，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)，把隊(duì)列中的5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。

由于Quantum PLC編程軟件Concept未自帶濾波功能塊，因此編寫濾波功能塊并命名為FILTERA，如圖4所示，將壓力反饋值rPI6102經(jīng)過濾波后賦給rPI6102f，并讓rPI6102f參與PID計(jì)算。

圖4 濾波功能塊FILTERA

PLC程序中，使壓力PID功能塊的輸出上下限與閥位開度的上下限保持一致，避免積分飽和效應(yīng)。修改后的程序如圖5所示，將ZI5104SPMAX和ZI5104SPMIN分別賦給YMAX和YMIN。

圖5 修改后的壓力PID控制邏輯

根據(jù)下游用戶對燃?xì)鈮毫Φ囊?，合理設(shè)置壓力控制死區(qū)。有的用戶允許的壓力波動(dòng)范圍大，且其用氣量波動(dòng)也大，如CNG加氣站，相應(yīng)的分輸壓力控制死區(qū)設(shè)置稍微大些。另外，有些下游用戶的壓力經(jīng)常會(huì)在某個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)(如±10、±15、±20kPa等)，這也可以作為一個(gè)壓力控制死區(qū)設(shè)置的參考依據(jù)，即當(dāng)下游用戶的壓力在死區(qū)范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)閥不動(dòng)作，這樣就大幅減少了調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的次數(shù)。

4 結(jié)束語

從現(xiàn)場的測試結(jié)果來看，經(jīng)過對電動(dòng)調(diào)節(jié)閥壓力PID控制邏輯和PID參數(shù)的優(yōu)化，有效地解決了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥壓力PID控制效果不佳的問題，更好地滿足了不同下游用戶對燃?xì)鈮毫Φ囊螅g接地減少了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由于頻繁動(dòng)作而引起的執(zhí)行機(jī)構(gòu)損壞的可能性，排除了安全隱患，也降低了維護(hù)成本，給站場的連續(xù)性分輸提供了有力保障。

[1] 王海峰,梁建青,彭太翀,等.西氣東輸二線分輸壓力流量控制邏輯優(yōu)化[J].自動(dòng)化儀表,2013,34(1):89～91,94.

[2] 薛夫振,張亞男,田珊軍.基于PLC的數(shù)字PID控制算法在原油管道輸送中的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2014,(6):112～114.

[3] 李燕波.工業(yè)自動(dòng)化工程中如何屏蔽外來信號(hào)的干擾[J].中國科技博覽,2014,(3):437.

[4] 李鐘慎,郭輝,張磊,等.PID控制系統(tǒng)抗飽和方法的對比研究[J].信息技術(shù)與信息化,2013,(4):68～71.

[5] 呂余清,張松柏.一種基于滑動(dòng)濾波的數(shù)字AGC應(yīng)用[J].艦船電子對抗,2014,37(4):54～56.