输油气管道自动化系统常用控制器的研究.pdf

口经验交流口 表 1多步频率编码表 l 设定频率输 入信号组合 选择的频 率 X 4 X 3 X 2 X1 o ff o ff off C 0 5多步 Hz 0 1 o ff off o ff C 0 6多步 H z 0 2 o ff off O 7多步 Hz 0 3 off o ff off C 0 8多步 H z 0 4 off o ff C 0 9多步 Hz 0 5 o ff 0 CI O多步 Hz 0 6 off D 1l cl 1多步 Hz 0 7 o ff off off C1 2多步 Hz 0 8 o ff off C 1 3多步 Hz 0 9 off off C1 4多步 Hz t 0 o ff C I 5多步 Hz l 1 O n off o ff C 1 6多步 H z 1 2 o C 1 7多步 H z l 3 o ff C 1 8多步 H z l 4 0 n 0 n C I 9多步 H z l 5 控制目标量为管路中的油流压力， 压力表输出的模拟信 号经过 C 2 0 0 H A D 0 0 3转换为数字量后存入 P L C的寄存器 ， 然 后用循环程序将其与设定压力值进行 比较 ， 判断是否增大或 减少给变频器的编码频率值 ， 程序流程图如图2所示。 图 2 定值控制子程序流程 在实际应用中， P L C每次循环均执行该子程序， 且 P L C运 仪器仪表用户 行速度快， 每次循环为 m s 级， 甚至 n s 级 ， 因此一般不必将子程 序自身设汁为循环执行的。若有实际需求 ， 还可加入压力上 限和下限的报警和限制功能。 根据实际情况， 还可判断实时压力值与设定压力值的偏 差大小， 若偏差较大， 可适当大幅改变频率输出， 以实现快速 达到设定压力值。 3 结束语 本文设计的输油压力定值控制系统已在机场加油工程中 应用， 实践证明， 该系统具有如下优点 1 系统运行速度快， 根据压力升降频率及时； 2 程序结构简单 ， 缩短了P L C单次循环时间， 提高了执行 效率； 3 通过增加 P L C输出模块 ， 能方便地增加多台变频器 ， 有 效降低了成本； 4 系统接线简洁， 安全可靠。口 参 考文献 [ 1 ]宋伯生．P L C编程实用 指南 [ M] ．北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 7 3 5 4 3 5 7 ． [ 2 ]廖常初． P L C应用技术 问答 [ M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 2 1 1 - 21 3 ． [ 3 ]郑宝林．图解欧姆龙 P L C入门[ M] ．北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 8 1 8 1 1 8 5 ． [ 4 ]陈建明．电气控制与P L C应用[ M] ．第 l 版． 北京 电子工 业出版社 ， 2 0 0 6 1 0 5 1 0 9 ． [ 5 ] 霍罡， 樊晓兵． 欧姆龙 C P 1 H P L C应用基础与编程实践[ M] ， 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 3 - 7 ． ’ [ 6 ]吴忠智 ， 吴加林．变频器 原理及应用 指南 [ M] ．第 1版．北 京 中国电力出版社 ， 2 0 0 7 1 3 1 1 3 5 ． [ 7 ]吴斌 ．大功率变频器及交流传 动[ M] ．卫三民 ， 苏位峰 ， 译． 第 1 版 ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 1 7 3 1 7 7 ． 作者简介 罗耿 1 9 8 l 一 ． 男， 硕士研究生， 工程师。 研究方向 油料储运 自动化； 朱成平 ， 男 ， 高级工程师 ， 研究方向 油料储运 自动化。 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 9 - 0 2 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n 。 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 0 ． 0 1 ． 0 2 8 输油气管道 自动化系统常用控制器的研究 尹旭东 ，张书勇 1 ．西气东输管道公司， 上海 2 0 0 1 2 2 ； 2 ．中15 1 ；5 油天然气管道工程有限公司， 廊坊 0 6 5 0 0 0 摘要 现管道系统应用的控制器主要有三种 常规 P I D 控制器、 高级控 制器和模糊控制器 。作者对这三种控制器 的控制功能和工作原理进 行 了阐述 ， 并对其实现方式、 使用性能、 工程成本等方面进行了比较分析， 希望对控制器的工程应用有所借鉴 。 关键词 管道控制系统 ； P I D； 控制器 ； 模糊控制 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B Co mmo n c o n t r o l l e r us e d i n o i l a n d g a s p i pe l i n e a ut o ma t i o n s y s t e m YI N Xu d o n g ，ZHANG S h u - y o n g 1 ．P e t r o C h i n a We s t E a s t Gas P i p e l i n e C o mp a n y X i n j i a n g Ma n a g e me n t ，X i n j i a n g 8 4 1 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ．C h i n a P e t r o l e u m P i p e l i n e E n g in e e r i n g C o r p o r a t i o n。 La n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， C hin a Ab s t r a c t Th e r e a r e t h r e e kin d o f c o n t r o l ler is u s e d ma i n ly i n pipe l in e op e r a t i n g s y s t emn or mal PI D c o n t r oll e r ，a d v a nc ed c on t r oll e r a n d 5 4 EI C Vo 1 ． 1 7 2 0 1 0 No． 1 f u z z y c o n t r o l l e r ．Wr it er e x p a nd s t h e c o n t rol ler f u n c t io n a n d t he o r y， c o mp a r e of t h e c on t rol ler s’r e a l iz a t ion，pe r f or man c e a n d e n gin e er i n g c o s t 。an d h op e it h e l p f u l f o r f u t u re e n gin ee r in g a pp l ic at ion． Ke y wor d spip eli n e o p er a t i n g a n d c o n t r o l s y s t e m ；PI O；c o n t r o l ler ； f u z z y c o n t r o l 0 引言 在长输管道的 自动控制系统中， 为保证管道工艺和设备 安全 、 平稳地运行 ， 经常要使用到控制器调节控制工艺运行 参数 。随着 自控技术 的广泛 应用 和发 展 ， 为 满足不 同调 节对 象的需要， 管道控制系统调节控制器的工作原理和实现方式 也在不断更新， 下面是作者在工作中接触到的几种控制器。 1 常规 P I D控制器 常规 P I D控制器是最早发展起来的控制策略之一， 由于其 结构简单、 易下实现、 稳态精度高、 可靠性高， 被广泛应用于工 欢迎光临本刊 网站 h t t p ／ ／ ww w。 e i c ． c o rn． c n 仪器仪表用户 业过程控制。从国内最早建设的 自动化管道 ， 到现在已建的 采用先进的 S C A D A系统的长输管道， P I D控制器都得到了不 同程度的应用。 1 ． 1 简单 P I D控制系统 由P I D调节控制器构成的简单调节系统是一种单回路反 馈闭环调节系统， 应用最为普遍 ， 如库尔勒 一鄯善输油管道采 用 HD控制器调节大落差 的高点压力和末站进站压力。P I D 调节控制器构成的简单调节系统框图见图 1 。 图 1 P m 调节 器构成 的简 单调节 系统方块 图 1 ． 2 P I D调节控制器构成的复杂调节系统 由HD调节控制器可构成串级调节、 前馈调节、 选择性调 节等多种复杂调节系统， 下面仅对管道控制中经常应用到的 选择性调节系统做一论述。 选择性调节系统是指系统存在两个或多个调节器， 每个 调节器只在符合某种工艺运行条件时才工作， 并且系统 中只 有一个调节器在工作。选择性调节系统多应用于需要安全保 护措施的控制系统， 根据工艺运行情况， 正常运行时工作调节 器对工艺参数进行调节 ， 一旦运行异常， 系统切换到保护调节 器 ， 直到工艺运行恢复正常， 系统又 自动切换到工作调节器。 选择性调节系统 由控制器、 执行器、 调节对象、 反馈器和选择 器组成。选择器的作用是判断工艺运行工况， 并选择投用相 应的调节器。 西气东输天然气管道分输站采用 HD选择性调节系统对 分输压力和分输流量进行调节， 见图2 。调节原则为 当分输 流量小于最大允许分输流量时， 压力控制器工作 ， 流量控制器 旁路， 调节分输压力； 当分输流量大于最大允许分输流量时， 流量控制器工作， 压力控制器旁路， 调节分输流量， 直到分输 流量恢复到正常范围内。 图 2 双 回路 P W 选择性调节 系统框 图 2 高级控制器 常规的P I D调节控制器因其实现简单、 工程投入小 大部 分采用 P L C的 P I D指令实现 、 适用性强等优点， 应用较 多。 但对具有系统扰动大、 容积系数小、 时滞大等特点的控制对 象 ， 常规的 HD调节控制器就不能满足调节要求 ， 为此需使用 到功能更强大的高级调节控制器。此类调节器一般有如下 特点 1 可根据需要对控制器提供的多个 P I D调节回路进行组 态 ， 构成串级调节系统、 比值调节系统、 预测控制系统 ， 等复杂 调节系统 。 2 系统鲁棒性强， 可满足苛刻的应用条件。 3 可实现用户编程和运算， 适用性强； 具有趋势和报警功 能， 人机交互性好。 陕京复线管道通州站采用 P r o t r o n i c 5 0 0型多回路控制器， 控制调压橇内调节阀的开度， 可实现对出口最高压力 、 出口最 低压力、 最大流量的控制。如不需要对流量进行精确控制， 调 欢迎订 阅 欢迎撰稿 欢 迎发 布产 品广告信息 口经验交流口 节器可根据阀口开度、 流量特性曲线、 阀门前后压力差和温度 计算得出瞬时流量 ， 无需安装流量计。控制器原理框图如图3 所示 。 如 r P 0 q n 图 3高级控 制器原 理框 图 当控制器单路工作 时， 若工作流量小于最大标况流量 WQ ， 则出口压力稳定在出口最大压力 WP ～ ； 若工作流量大 于最大标况流量 WQ ， 控制器由压力控制转为流量控制， 使流 量不超过最大流量。 由于流量增加， 下游压力开始下降并稳定 在某一点。 若下游流量持续增加， 使得下游压力不断下降到最 小允许输出压力 W P 一 时， 控制器由流量控制转为压力控制 ， 保证下游压力不低于 WP 。 对于多路并联的控制 回路， 只需 对各路控制器按梯度给定不 同压力设定值 ， 实现随分输流量 增加而依次投用各路调压橇。 3 模糊控制器 随着长输管道设备大型化、 集成化发展， 被控对象的机理 越来越复杂， 具有非线性、 时变性、 大滞后、 多参数强耦合等特 点， 很难用数学描述的方法对其进行精确分析， 因此基于传统 控制理论的控制方法难以实现对这种复杂系统的有效控制。 模糊控制与传统 自动控制的根本区别是， 模糊控制不需 要建立精确的数学模型， 而是运用模糊理论模拟人的经验知 识、 思维推理和不确定性信息来实现对复杂对象的控制。 模糊 控制的基本组成功能包括变量模糊化、 制定模糊控制规则、 模 糊推理和清晰化运算和去模糊处理， 典型模糊控制器结构如 下图 4所示。 圉 图 4模 糊控制器结构 图 模糊控制器已经在库鄯输油管道库尔勒首站变频驱动输 油主泵转速控制中成功应用。 在库鄯管道输油主泵系统原设 计中输油主泵的转速控制采用 P I D控制器， 通过调节主泵转速 控制主泵入口压力、 出站压力、 出站流量和加剂温度。 上述 4个 参数耦合性强 ， 并且加剂温度具有很大的时滞性， 传统 P I D控 制器无法完成控制任务， 系统调试投产时P I D控制也未调试成 功， 一直采用手动方式调节主泵转速。 2 0 0 1年， 库鄯输油管道 对库尔勒首站变频驱动输油主泵的控制系统进行了改造， 在 S C A D A系统主机中采用 C 语言编程， 设计了模糊控制器软 件模块。 模糊控制器投用后， 取得了理想的调节效果。 下面对库 鄯线输油主泵模糊控制器作简单介绍。 输油主泵系统为多输入 、 单输出系统， 优化改造后输入信 号为管道流量 Q、 人 口压力P 和出口压力P ， 输出量为转速信 号 。 由于输油主泵系统的非线性和各参数之问的强耦合性 ， 系统采用了双模糊控制器的设计， 控制器结构图 如图5 和各 功能实现描述如下。 El C V O J ． 1 7 2 0 1 0 No． 1 5 5 图5 变频驱动输油主泵模糊控制器结构图 3 ． 1 参数模糊化 模糊控制器F C 1 的输入为 和△Q， 输出为A n l ， 模糊控制 器 F C 2的输入为 和 P ， 输出为 A n 2 。 各参数模糊化方法为 a Q 语 言变量为 {N B 负大 ， N M 负中 ， N S 负小 ， Z E 零 ， P s 正小 P M 正中 ， 正大 P B }， 模糊论域选择为 [ 一nn1⋯ 一1 0 1⋯ 11 , 一1 n ] ， 最大流量偏差范围为[ 一 q ， q ] ， 量化因子为 k n ／ q 。 P 语言值为 {N 负 ， Z E 零 ， P 正 } ， 模糊论域选择 为[ 一m m1⋯ 一1 0 1⋯ m一1 m] m 6 ， 模糊化公 式为√2 m P s 一 0 ． 7 2 5 ／ a P 。 其中J 为模糊量 ， A P s 为入口压 力范围。 P 语言值为 {N 负 ， Z E 零 ， P 正 } ， 模糊论域选择 为[ 一￡一￡1⋯ 一1 0 1⋯L一1 三 ] L6 ， 模糊化公式为 k2 l P d一0 ． 7 2 5 ／ A P d 。 其中k为模糊量 ， A P d 为出口压力范 围 。 A n 语 言值 为 {N B 负 大 ， N M 负 中 ， N S 负 小 ， Z E 零 ， P S 正d x ， P M 正中 ， P B 正大 }， 模糊论域选择 为[ 一7 7 ] ， 输出比例因子为 K R ／ 7 。 3 ． 2 制定模糊控制规则 模糊控制器 F C 1的输入 P 、 aQ与输出A n l的模糊规则见 表 1 ， 模糊控制器 F C 2的输入、 与输出的模糊规则见表 2 。 表 1模糊控制器 F C1控 制规则表 NB NM NS Z E P S PM P B N NB N B NM NM NS NS NS ZE NB NM NS Z E Z E P S P S P NB NM NS Z E P S PM P B 表 2 模糊控 制器 F C 2控制规则表 N ZE P N NS NM NB Z E P S N S NB P P B ZE NB 3 ． 3 模糊推理和清晰化 库鄯线输油主泵模糊控制器为两输人单输出系统， A、B 、 u为论域 x、 Y、 z上的模糊集合， 其控制规则形式为 R i f x l i s A a n d x 2 i s B t h e n Y i s U 可 以采用模糊关系 R描述 R A i ， 1 根据模糊合成推及规则 R， 输出的控制量为模糊集合 B ， 满足下面关系 U AB 。 R 2 采用普通加权平均法进行模糊判决， 得到控制量 、 ， 、 一 r 己 L i J 3 ． 4优化和模糊输 出 模糊控制器的优化是指对模糊控制规则和隶属函数的参 数优化， 因待寻优参数空问的维数大、 输入输出不可导， 且具 有较强的非线性， 常规的优化方法效果不理想。 库鄯线输油主 5 6 El C V0 1 ． 1 7 2 0 1 0 No． 1 量 塞旦庄 泵模糊控制器采用遗传算法对模糊控制器优化， 得到优化后 的各变量模糊隶属函数赋值表和融合因子 ， 口 。 用最后得到两 个模糊控制器输出融合后的控制量 n t 1 为 H t 1 n t △ n 1 J 臼 4 4 三种控制器的比较分析 库尔勒 首站输 油主泵 控制 系统采 用模糊 控制 器后 ， 系统 稳定性较好， 不仅实现了对输油泵系统的排量、 入口压力、 出站 压力的优化协调控制， 而且具有较快的响应速度。 管道系统中使用的以上三种控制器在实现方式、 使用性 能、 投入成本等方面各不相同， 各有特色， 比较分析见表 3 。 表 3 三种控制器对 比表 常规 P I D控制器 高级控制器 模糊控制器 常采用 P L C的P I D 硬件实现 ， 可结合 需与S C A D A 系统结 实现方式 指令 实 现，实 现 用户编程， 实现难 合使用， 需软件编 简单 度一般 程 ， 不易实现 单输入单输 出的线 性调 节 ， 调 节 精度 单输 人 或 多 输 入 ， 针对 非线 性 、 时 变 适用场合 高 ， 但 要 求 系 统相 可满 足扰 动 大 ， 容 性 、 大滞 后、 多参数 和效果 对稳 定 ， 对 于 扰动 积系数 低 的系统控 强耦合 的复杂 系统 大， 容积系数低 的 制， 鲁棒性强 控制， 鲁棒性强 系统控制效果不好 工程成 小，不需 另 购 控 需另购置设备并需 非标准产品， 需要 一 定 的软件配置， 进行软件开发， 成 本投入 制器 成本大 本大 调试 难易度 篱单 一般 复杂 维护 困 难， 需要 有 维护性 维护方便 比较方便 高级语言编程 能力 的技术 人员 可方便地改变控制 可改变控制对象， 无法应用于其它控 可移植性 对象 但需更改程序 制对象 随着长输管道系统的发展 ， 大型成套设备规模愈加庞大 复杂， 将逐步取代现有小型设备。但大型成套设备往往具有非 线性、 时变性、 耦合性等特点， 传统控制方法难以满足要求。而 作为智能控制方法的代表， 模糊控制无论是在软件还是硬件 都 已取得实质性进展 ， 将在管道系统中具有较好的应用前 景。口 参考文献 [ 1 ]金 以慧 ， 方崇智． 过程控制 [ M] ． 第 1版．j E 京 清华大学出版 社 ， 1 9 9 3 1 0 3 1 2 2 ． [ 2 ]储静 ． 模糊 控制 原理 与应 用 [ M] ．北 京 机械 工业 出版 社 ， 1 9 9 9 2 0 0 - 21 0． [ 3 ] 袁运栋， 姜海斌． 模糊智能控制技术在库鄯线输油主泵控制 中的应用[ J ] ． 西安石油大学学报， 2 0 0 3 ， 9 5 8 5 -6 0 ． [ 4 ]徐志强， 池彩云， 郑前． 西气东输管道分输站压力控制系统的 优化设计 与应 用 [ J ] ．油 气储 运技 术 论文 集 ， 2 0 0 9 ， 9 1 3 9 2 - 3 9 7． [ 5 ]王艳． 基 于模 糊神经 网络 的长输 管道 输油泵 系统 建模 [ J ] ． 科学技术 与工程 ， 2 0 0 9， 5 1 O 2 7 6 3 - 2 7 6 5 ． [ 6 ]刘军 ， 刘 丁 ， 张光辉 ． 输油 泵模糊 控制 器 的设计 与优化 [ J ] ． 控制理沦与应用 ， 2 0 0 3， 6 3 3 9 4 - 3 9 8 ． [ 7 ]刘军 ， 刘丁 ， 钱 富才等． 基于模糊神经 网络 大容量输油泵多变 量控制[ J ] ．控制理论与应 用 ， 2 0 0 5， 1 2 6 9 6 1 _ 9 6 4 ． 作者简介 尹旭 东， 工程师 ， 参加过库鄯输油管道、 西气东输天然气管道 的调试投产工作 。 现 从事 自动化 仪表管理 工作 ；张书 勇， 助 理工程 师， 从事仪表 自动化系统设计 。 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 8 -2 6 欢迎光临本刊网站 h t t p ／ ／ w w w． e i c ． c o m． c n