西氣東輸二線分輸壓力流量控制邏輯優(yōu)化

王海峰 梁建青 彭太蒼 松 王 磊 韓 娜

(中國石油西氣東輸管道公司壓縮機處，湖北 武漢 430073)

0 引言

在西氣東輸二線站場中，分輸壓力流量控制系統(tǒng)的作用是對調壓撬電動調節(jié)閥進行控制，確切地說是對電動調節(jié)閥的電動執(zhí)行機構進行控制。電動調節(jié)閥用于控制下游分輸天然氣出口的壓力或流量。根據(jù)施工設計及站場使用情況，DN100以上尺寸的電動調節(jié)閥采用Allen-Bradley ControlLogix系列PLC進行控制，控制器型號為 1756-L63［1］。

從目前運行情況來看，電動調節(jié)閥在控制方面存在如下問題:當執(zhí)行機構掉電后再重新上電時，閥門會自動關閉，引起輸氣中斷，會對下游用戶的生產、居民的用氣等造成不同程度的影響。這無疑是站場安全、平穩(wěn)運行的重要隱患［2］。

本文對電動調節(jié)閥的PLC控制邏輯進行分析，找出了問題的根源所在。通過對部分控制邏輯進行優(yōu)化，消除了閥門誤關斷的安全隱患，提高了控制邏輯的安全可靠性。

1 控制邏輯功能說明

電動調節(jié)閥的主要控制邏輯功能如下［3-4］。

① 閥狀態(tài):開到位、關到位、就地/遠控、正常/故障、PID手動、PID自動、壓力調節(jié)、保護流量調節(jié)、流量調節(jié)、高壓保護調節(jié)、低壓保護調節(jié)。

②控制模式:PID手動控制、PID自動控制。這兩種模式發(fā)揮作用的前提是調節(jié)閥處于遠控、無故障狀態(tài)。另外，當調節(jié)閥處于PID自動控制時，可以選擇壓力調節(jié)或流量調節(jié)，但閥位開度會被限制在低閥位設定值和高閥位設定值之間。

③ PID手動控制:在人機界面(human machine interface，HMI)輸入閥位設定值，強制閥位開度。

④壓力調節(jié):在HMI輸入壓力設定值，PLC控制器將根據(jù)天然氣出口壓力反饋值對閥位開度進行PID自動控制。此時，保護流量調節(jié)起限流保護作用。

⑤流量調節(jié):在HMI輸入流量設定值，PLC控制器將根據(jù)天然氣流量反饋值對閥位開度進行PID自動控制。此時，高壓保護調節(jié)、低壓保護調節(jié)起限壓保護作用。

⑥保護流量調節(jié):在壓力調節(jié)過程中，當流量反饋值＞流量保護設定值時，調節(jié)閥在10s后將壓力調節(jié)自動切換到保護流量調節(jié)，PLC控制器將根據(jù)流量反饋值對閥位開度進行PID自動控制;當壓力反饋值＞壓力設定值，且98%保護流量設定值＜流量反饋值＜102%保護流量設定值時，調節(jié)閥在10s后自動將保護流量調節(jié)切換到壓力調節(jié)。

⑦高壓保護調節(jié):在流量調節(jié)時，當壓力反饋值＞高壓保護設定值時，調節(jié)閥在10s后將流量調節(jié)自動切換到高壓保護調節(jié)，PLC控制器將根據(jù)壓力反饋值對閥位開度進行PID自動控制;當流量反饋值＞流量設定值，且98%高壓保護設定值＜壓力反饋值＜102%高壓保護設定值時，調節(jié)閥在10s后將高壓保護調節(jié)自動切回到流量調節(jié)。

⑧低壓保護調節(jié):在流量調節(jié)時，當壓力反饋值＜低壓保護設定值時，調節(jié)閥在10s后將流量調節(jié)自動切到低壓保護調節(jié)，PLC控制器將根據(jù)壓力反饋值對閥位開度進行PID自動控制;當流量反饋值＜流量設定值，且98%低壓保護設定值＜壓力反饋值＜102%低壓保護設定值時，調節(jié)閥在10s后將低壓保護調節(jié)自動切回到流量調節(jié)。

⑨為確保調節(jié)閥在PID自動與手動控制間相互切換時，閥門不會馬上動作，實現(xiàn)無擾切換，對控制邏輯進行了如下設計:當調節(jié)閥處于PID自動控制時，閥位反饋值將自動賦給閥位設定值;當調節(jié)閥處于PID手動控制時，壓力反饋值將自動賦給壓力設定值，流量反饋值將自動賦給流量設定值等。

⑩為確保調節(jié)閥在PID自動控制過程中，突然出現(xiàn)就地或故障的意外情況時，調節(jié)閥不會誤動作，在控制邏輯上進行了如下設計:在就地或故障時，調節(jié)閥由PID自動控制自動切換到PID手動控制;同時，閥位反饋值將自動賦給閥位開度控制信號、閥位設定值等，壓力反饋值自動賦給壓力設定值，流量反饋值自動賦給流量設定值。

2 故障原因

分別從電動執(zhí)行機構故障和控制邏輯問題兩方面分析電動調節(jié)閥誤關斷的原因。由于電動執(zhí)行機構因本身故障導致關斷的可能性很小，且對其他電動調節(jié)閥進行掉電、上電測試時，都會出現(xiàn)相同的問題，因此可以排除執(zhí)行機構本身的問題，應該從控制邏輯上查找原因。

電動調節(jié)閥電動執(zhí)行機構采用的是Rotork IQM系列產品［5］，該執(zhí)行機構掉電時，會自動產生一個故障信號。

電動調節(jié)閥在故障時的部分控制邏輯示意圖如圖1所示。

圖1 故障時的邏輯時序圖Fig.1 The logic when fault happens

圖1中，XUS=1表示執(zhí)行機構故障，XS=0表示執(zhí)行機構處于就地狀態(tài);PZF為閥位反饋值;PZC為閥位控制信號;FWSP為閥位設定值。由邏輯可知，當執(zhí)行機構發(fā)生故障或就地時，閥位反饋值通過MOV指令直接賦給閥位控制信號和閥位設定值［6-7］。

執(zhí)行機構掉電后失去了動力電，因此不會引起閥門動作，閥位開度不變。PLC采集相應的閥位反饋值后，再賦給閥位控制信號和閥位設定值。從邏輯上看，執(zhí)行機構在重新上電后，也不應當使閥門關閉。

但僅從以上邏輯分析，并不能找出根本原因，還需要結合 HMI事件記錄進行分析［8］。下面對其舉例說明。

某站某天PV6104電動調節(jié)閥某次誤關斷的HMI事件記錄如下。

①19:17:17，出現(xiàn)壓力保護系統(tǒng)PV6104故障報警，同時PV6104閥的閥位設定值、閥位反饋值和閥位控制信號都為-21.72%，還有輸氣中斷報警，說明此時PV6104閥已經(jīng)關斷。

②19:17:21，PV6104閥的閥位設定值、閥位反饋值和閥位控制信號都變?yōu)?1.08%。

③19:17:27，壓力保護系統(tǒng)PV6104的故障報警消除，說明電動執(zhí)行機構此時已恢復正常。

在19:17:17和19:17:21時，根據(jù)PV6104閥的閥位設定值、閥位反饋值和閥位控制信號的數(shù)值，可以判斷出閥位反饋值有問題，因此需要從閥位開度反饋信號著手，進行更深入的分析。而閥位開度反饋信號由執(zhí)行機構給出，執(zhí)行機構上安裝有閥位變送器，它提供由內部供電、電氣隔離的4～20 mA模擬量閥位開度反饋信號［9］。

由此可見，執(zhí)行機構給出的閥位開度反饋信號是一個有源信號，因此，當執(zhí)行機構掉電時，閥位開度反饋信號約為0 mA。PLC控制器將0 mA電流轉換為工程量閥位開度約-25%，然后再將該值賦給閥位控制信號。閥位控制信號-25%的閥門開度被PLC控制器轉換成約0 mA的值，并輸出給執(zhí)行機構。一旦執(zhí)行機構重新上電，閥門就會自動關閉［10］。

3 控制邏輯優(yōu)化

如果執(zhí)行機構故障是由于非掉電引起的，則原來的控制邏輯可以實現(xiàn)遠控保持閥位不變的功能。經(jīng)過以上分析可知，如果執(zhí)行機構故障是掉電引起的，則該邏輯就無法實現(xiàn)遠控保持閥位不變的功能。因此，需要對該部分控制邏輯進行合理優(yōu)化，具體有以下三種方案。

①設置一個局部中間變量PZF1，用于存儲執(zhí)行機構處于正常狀態(tài)時的閥位反饋值。當執(zhí)行機構發(fā)生故障時，則將PZF1賦給閥位控制信號和閥位設定值，這樣就可以保證閥門即使是在掉電這種特殊故障情況下，也不會再出現(xiàn)執(zhí)行機構誤動作導致閥門關斷?？刂七壿嬓薷姆椒ㄒ蝗鐖D2所示。

圖2 邏輯修改方法一示意圖Fig.2 Method 1 for logic modification

圖2中，當執(zhí)行機構處于正常狀態(tài)(XUS=0)時，將閥位反饋值PZF通過MOV指令賦給中間變量PZF1;當執(zhí)行機構故障(XUS=1)時，則將PZF1賦給閥位控制信號和閥位設定值。

方法一存在的不足是，如果執(zhí)行機構掉電后給出故障信號的時間比實際掉電時間晚，則會將錯誤的閥位反饋值賦給PZF1，執(zhí)行機構重新上電后，閥門仍會關閉。

②取消故障狀態(tài)時，閥位反饋值將具有自動賦給閥位控制信號和閥位設定值的功能。因為在執(zhí)行機構處于故障狀態(tài)時，PID手動控制和PID自動控制都無效。如果閥位反饋值也不能自動賦給閥位控制信號、閥位設定值等，那么閥門也不會動作?？刂七壿嫹椒ǘ鐖D3所示。

圖3 邏輯修改方法二示意圖Fig.3 Method 2 for logic modification

方法二存在的不足是，當閥門處于非掉電引起的故障時，閥位控制信號、閥位設定值等都不會自動跟蹤閥位反饋值，壓力設定值也不會自動跟蹤壓力反饋值，流量設定值也不會跟蹤流量反饋值。此時，如果將電動調節(jié)閥的控制由手動模式切換到自動模式，則可能會出現(xiàn)擾動，因為故障前的壓力或流量設定值與當前的壓力或流量反饋值可能并不一樣，一旦切到自動模式后，閥門可能會立即動作。

③將閥位反饋值與0作比較，在發(fā)生故障的同時，只有當閥位反饋值大于0時，才可執(zhí)行閥位反饋值自動賦給閥位控制信號、閥位設定值等的邏輯。因為在故障狀態(tài)，當閥位反饋值小于0時，說明執(zhí)行機構很可能已經(jīng)掉電。控制邏輯方法三如圖4所示。

圖4 邏輯修改方法三示意圖Fig.4 Method 3 for logic modification

圖4中，通過GRT指令將閥位反饋值PZF與0作比較，在執(zhí)行機構故障(XUS=1)的同時，只有當PZF大于0時，才將PZF賦給閥位控制信號和閥位設定值。

4 結束語

從現(xiàn)場的測試結果來看，邏輯修改方法三的綜合效果最好，有效解決了電動調節(jié)閥執(zhí)行機構掉電后重新上電時閥門自動關斷的問題，排除了安全隱患，為站場的連續(xù)性分輸提供了更好的保障。同時，在執(zhí)行機構由故障狀態(tài)恢復正常后，電動調節(jié)閥的PID手動控制與PID自動控制的無擾切換功能將不受影響，便于操作人員快速恢復分輸自動控制，且不對流量造成較大波動。

優(yōu)化后的控制邏輯總體上實現(xiàn)了電動調節(jié)閥分輸壓力流量控制邏輯優(yōu)化的目的。

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