陳 浩，沈博臣，錢泓超

（杭州安全生產科學技術有限公司，杭州 310007）

0 引言

中國現(xiàn)代化進程的加快，各個行業(yè)均迎來了發(fā)展的機遇，使得能源消耗逐漸加大，尤其是石油和天然氣，兩者在國家經濟發(fā)展中的地位也逐漸攀升。石油和天然氣能源不但是中國民用能源的主要供應商，也是工業(yè)能源的關鍵支柱。石油和天然氣能源具備高壓、高溫的特征，并且運輸介質還具備易燃、易爆、有害、有毒等特點，這就對油氣生產與運輸帶來了極大的挑戰(zhàn)，也對工作人員操作規(guī)范化進行了嚴格的要求。若是工作人員操作過程中，存在違規(guī)行為、排查未落實等現(xiàn)象，會加大管道事故發(fā)生的概率，從而威脅工作人員的安全，破壞油氣運輸企業(yè)的聲譽，同時也會對社會大眾環(huán)境帶來恐慌情緒。通過上述描述可知，油氣運輸安全性至關重要，受到了大眾以及相關行業(yè)、學者的高度關注。

油氣運輸主要是指石油與天然氣的運輸環(huán)節(jié)。依據(jù)石油與天然氣的特殊屬性，中國采用管道對其進行運輸。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果可知，目前，中國油氣運輸管道約為10萬公里，并且與海外多個國家相連，構成了符合中國國情的、獨一無二的油氣管道運輸格局[1]。管道運輸已經成為既水運、空運、公路、鐵路后的第五大運輸形式，具備著多種優(yōu)勢，例如穩(wěn)定性高、可靠性高、成本低廉等。相對于其他運輸形式，管道運輸可以進行大運量的運輸，并且運輸過程中能源消耗較低，適用于多種天氣、地形、地貌等條件。管道運輸是油氣資源運輸?shù)年P鍵手段，但潛藏著較大的安全風險，若是發(fā)生事故，不但會對財產、人員造成損失，也會對社會安定造成一定的威脅，為了在根源上阻止油氣管道運輸事故的發(fā)生，對油氣管道運輸自動化控制方法進行研究，以此來保障油氣管道運輸?shù)陌踩?/p>

1 油氣管道運輸自動化控制方法研究

1.1 工藝設備特征分析

對于油氣運輸環(huán)節(jié)來說，其工藝設備指的就是管道，故本節(jié)主要對油氣運輸管道特征進行詳細分析，為后續(xù)自動化控制打下堅實的基礎。

油氣運輸管道系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 油氣運輸管道系統(tǒng)結構圖

如圖1所示，油氣運輸管道系統(tǒng)是由輸油干線、中間分輸站、穿越站、油田集輸管道等構成。在油氣運輸管道系統(tǒng)中，每個構成部分都具備同等的重要性，對整體管道的安全均具備決定作用。若某一構成部分出現(xiàn)事故，不但威脅整個管道的安全，也會造成人員傷亡、財產損失，甚至會引起整個社會恐慌。

油氣運輸管道分為多種類型，可以應對不同環(huán)境下的運輸需求。不同分類依據(jù)條件下，油氣運輸管道類型劃分情況也存在著較大的差別，具體如表1所示。

表1 油氣運輸管道類型劃分表

常規(guī)情況下，石油運輸管道具備運距長、輸量大、分輸點少、管徑多樣、存儲時間長等特征。天然氣運輸管道特征較多，具體表現(xiàn)在：一是管道為連續(xù)封閉系統(tǒng)；二是在天然氣輸送過程中，必須時刻保持帶壓狀態(tài)；三是天然氣運輸管道事故釋放能量較大，并伴有明火，波及范圍較為廣泛；四是無液體管道水擊危害。

1.2 油氣管道運輸事故成因關系鏈構造

依據(jù)上述工藝設備特征分析結果，結合已有經驗，構造油氣管道運輸事故成因關系鏈，為后續(xù)自動化控制與修復環(huán)節(jié)提供依據(jù)。

油氣管道運輸事故成因關系鏈如圖2所示。

圖2 油氣管道運輸事故成因關系鏈示意圖

如圖2所示，油氣管道運輸事故成因關系鏈的構造可以為事故原因尋找提供便利，節(jié)省事故處理時間，也能為事故預防提供一定的幫助。

1.3 自動化監(jiān)測硬件選擇

依據(jù)油氣管道運輸事故因素與自動化控制需求，對油氣運輸管道自動化監(jiān)測硬件進行合理的選擇，并對其進行科學部署。

自動化監(jiān)測硬件主要由傳感器、微處理器等構成。依據(jù)油氣運輸管道特征，選取多種傳感器對管道運輸過程參數(shù)進行相應的監(jiān)測與獲取，為后續(xù)自動化控制程序的制定，控制參數(shù)的計算提供依據(jù)。

首先，“營改增”政策對生產性服務業(yè)上市公司減稅效應顯著。由理論分析可知，“營改增”的減稅效應主要取決于企業(yè)的外購商品及勞務能取得可抵扣進項的多少，實證分析表明，“營改增”后，企業(yè)外購商品及勞務增加，使企業(yè)總稅負降低。同時，外購商品及勞務對企業(yè)稅負下降的影響遠大于“營改增”政策所帶來的減稅效應。

自動化監(jiān)測傳感器最終選型結果如表2所示。

表2 傳感器最終選型結果表

自動化監(jiān)測硬件框架是硬件能夠穩(wěn)定運行的基礎與前提，其框架結構如圖3所示。

圖3 自動化監(jiān)測硬件框架示意圖

利用TinyOS操作系統(tǒng)將多種傳感器與其他組件進行連接[2]。在自動化控制程序初始化后，接收信標幀在同步的同時，對網絡數(shù)據(jù)幀發(fā)出加入申請。在加入網絡數(shù)據(jù)幀后，按照一定周期對傳感器數(shù)據(jù)進行采集，如果采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化，實時將其發(fā)送至射頻模塊。

在傳感器數(shù)據(jù)采集過程中，由于環(huán)境、溫度等多種因素的影響，導致油氣運輸管道相關參數(shù)存在著一定的誤差，會對自動化控制過程產生極大的不利影響。因此，需要采用一定的方法對傳感器信號進行相應的處理。在油氣管道運輸過程中，對實時性要求較高，故對數(shù)據(jù)采集時間間隔進行合理地設置，依據(jù)實際采集情況對傳感器進行調試，并對數(shù)據(jù)算術平均值進行計算，以此來有效消除異常數(shù)據(jù)采集值。

另外，微處理器相當于硬件架構中的匯聚節(jié)點，承擔著數(shù)據(jù)存儲與處理的任務，其具體程序為：微處理器在初始化后，馬上進入發(fā)送模式，向其他節(jié)點發(fā)送信號，等待接收不同傳感器的數(shù)據(jù)幀。接收到數(shù)據(jù)幀后，對其進行相應的處理，通過串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送至管理節(jié)點。上述描述的是微處理器一個周期的程序，在實際工作過程中，微處理器需要不斷循環(huán)，直至完成數(shù)據(jù)采集任務為止。

為了節(jié)省成本開支，采用三邊測量法對傳感器位置進行定位，以此來滿足傳感器科學部署需求。三邊測量法示意圖如圖4所示。

圖4 三邊測量法示意圖

如圖4所示，利用三邊測量法定位傳感器位置信息，以此來完成自動化監(jiān)測硬件的合理部署，為后續(xù)自動化控制的實現(xiàn)做準備。

1.4 油氣運輸自動化控制實現(xiàn)

以上述自動化監(jiān)測硬件設備選取結果為基礎，基于PID控制原理制定油氣管道運輸自動化控制程序，通過穩(wěn)定執(zhí)行自動化控制程序，來實現(xiàn)油氣管道運輸安全的監(jiān)測與控制。

從本質角度上看，PID控制原理呈現(xiàn)為線性控制形式。PID控制原理中的控制偏差由實際輸出值與給定值差值計算獲得，再利用比例、積分和微分運算獲取控制器的最終控制輸出量[3]。由上述分析可知，PID控制原理表達式為：

式(1)中，u（t）表示的是PID控制器的控制輸出值；kp表示的是比例系數(shù)；e（t）表示的是PID控制器的控制偏差；Ti表示的是積分時間常數(shù)；Td表示的是微分時間常數(shù)。

為了方便研究的進行，將式(1)轉換為傳遞函數(shù)形式，表達式為：

式(2)中，s表示的是傳遞函數(shù)參數(shù)。

PID控制原理中，每個校正控制偏差環(huán)節(jié)都承擔著不同的作用，并且比例系數(shù)kp、積分時間常數(shù)Ti與微分時間常數(shù)Td的大小也會影響控制偏差的校正效果，具體情況如表3所示。

表3 PID控制偏差校正環(huán)節(jié)作用表

將PID控制原理應用至油氣管道運輸自動化控制過程中，最需要注意的就是PID參數(shù)（kp、Ti、Td）的取值，故此研究依據(jù)油氣運輸自動化控制的目標，應用實驗試湊法對PID參數(shù)進行一定程度的調整，以此來滿足油氣運輸控制需求。

實驗試湊法主要是利用閉環(huán)進行模擬或運行，獲取控制器的響應數(shù)據(jù)，并采用曲線形式對其進行展示，通過參數(shù)對PID控制器性能影響結果，反復進行參數(shù)試湊，直到響應曲線符合需求為止，以此來確定PID參數(shù)。

油氣管道運輸?shù)淖詣踊刂芇ID參數(shù)調試程序如圖5所示。

圖5 油氣管道運輸自動化控制PID參數(shù)調試程序圖

依據(jù)圖5所示流程，結合油氣管道運輸工藝設備相關信息、參數(shù)等，確定自動化控制PID參數(shù)，將其輸入至PID控制器中，執(zhí)行PID自動化控制程序，即可實現(xiàn)油氣運輸管道溫度、壓力、流量、管壁應力等參數(shù)的采集與控制，從而保障油氣運輸管道的安全。

通過上述過程實現(xiàn)了油氣管道運輸?shù)淖詣踊刂?，為油氣運輸管道安全提供更加有效的保障，也為自動化控制研究提供一定的參考。

2 實驗與結果分析

為了驗證提出方法與現(xiàn)有方法應用性能之間的差異，采用TinyOS仿真工具設計實驗，具體實驗過程如下所示。

2.1 實驗環(huán)境搭建

實驗環(huán)境指的是傳感器網絡結構，是實驗能否順利進行的關鍵與基礎。將自動化監(jiān)測硬件——多種傳感器合理地部署在實驗對象相應位置，利用多跳無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點中。

根據(jù)實驗需求，搭建實驗環(huán)境示意圖如圖6所示。

圖6 實驗環(huán)境示意圖

TinyOS仿真工具中，使用較為廣泛的是仿真平臺TOSSIM和Avrora，各自具備豐富的建模資源與優(yōu)勢，依據(jù)實驗需求，選取TOSSIM仿真平臺對實驗環(huán)境網絡進行仿真，具體流程如圖7所示。

圖7 實驗環(huán)境網絡仿真流程圖

TOSSIM仿真平臺采用C#語言對實驗程序進行編程，C#是微軟公司生產的面向對象的高級程序設計語言，同時科學設置油氣運輸管道監(jiān)測窗口。

2.2 實驗對象選取

實驗選取某段油氣運輸管道作為對象，將選取的多種傳感器均勻地、科學地部署在管道上，利用傳感器對油氣運輸管道參數(shù)進行獲取與處理，以此為基礎，判斷現(xiàn)有方法與提出方法應用性能的好壞。油氣運輸管道實物圖如圖8所示。

圖8 油氣運輸管道實物圖

2.3 實驗結果分析

依據(jù)上述搭建的實驗環(huán)境，選取的實驗對象，進行油氣管道運輸工藝設備自動化控制實驗，通過調節(jié)時間與超調量來顯示方法的應用性能，具體實驗結果分析過程如下：

通過實驗獲得方法應用性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 應用性能數(shù)據(jù)表

3 結語