輸油管道PID控制的影響因素與控制標(biāo)準(zhǔn)

魏 亮 范華平 于 濤

(中國石油天然氣股份有限公司北京油氣調(diào)控中心,北京 100007)

PID控制以其算法簡單、實用，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，且控制效果滿足生產(chǎn)要求的特點，在工業(yè)過程控制中成為應(yīng)用最為廣泛的控制策略之一。據(jù)統(tǒng)計，目前工業(yè)控制器中有90%以上是PID控制器[1]。依托數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，對輸油管道進(jìn)出站壓力采用PID控制在國內(nèi)外已經(jīng)十分普遍，PID控制對輸油管道瞬變流控制[2]、維持壓力穩(wěn)定、降低控制難度和保障管道安全具有重要的作用。但由于目前PID控制在長輸管道領(lǐng)域方面沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且不同管道的設(shè)備不同、PID控制器參數(shù)配置不同，不同管道的PID控制效果與運行中遇到的問題也不盡相同。為此，筆者對輸油管道PID控制原理與影響控制效果的因素進(jìn)行分析，試探性提出輸油管道PID壓力控制的標(biāo)準(zhǔn)，以期對輸油管道PID參數(shù)整定和PID壓力控制效果評測提供實際依據(jù)。

1 PID壓力控制系統(tǒng)組成①

現(xiàn)用的輸油管道PID控制系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括上位機(jī)壓力設(shè)定、PID控制器、閥位控制模塊和壓力檢測回路4個部分。

圖1 輸油管道PID控制系統(tǒng)組成

上位機(jī)壓力設(shè)定是調(diào)控中心或站控人員向PID控制器下發(fā)指令的部分；PID控制器為壓力控制的核心，集成在站控PLC中，并與PLC中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換及輸入/輸出接口等模塊配合工作；閥位控制模塊負(fù)責(zé)接收PID控制器計算出的閥位數(shù)據(jù)，控制調(diào)節(jié)閥閥芯的位移；壓力檢測回路是PID控制系統(tǒng)的反饋通道，將被控制點的壓力經(jīng)過測量、變送發(fā)送到PID控制器。

輸油管道PID控制系統(tǒng)包含進(jìn)站和出站壓力控制系統(tǒng)，每個控制系統(tǒng)在站控PLC中都對應(yīng)一個獨立的PID控制器。對于不同的輸油站場，進(jìn)站和出站壓力控制是可選的：首站僅設(shè)出站壓力PID控制系統(tǒng)，末站僅設(shè)進(jìn)站壓力PID控制系統(tǒng)，中間站一般設(shè)PID選擇性控制系統(tǒng)。

2 PID控制系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)工作流程

圖2 PID控制回路結(jié)構(gòu)框圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

PID控制器是對壓力偏差信號進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，是“利用偏差，糾正偏差”的智能模塊，其以調(diào)節(jié)閥閥位為輸出的數(shù)學(xué)模型如下[3]：

(1)

(2)

式中Cv(t)——PID控制器計算出的閥位；

e(t)——壓力誤差；

KC、TI、TD——比例增益、積分時間和微分時間；

KP、KI、KD——比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

式(1)、(2)在本質(zhì)上是相同的，均包括比例、積分和微分控制部分，在站控系統(tǒng)普遍采用的AB PLC中可以靈活選擇以上任意一種表達(dá)式。筆者以式(2)為例進(jìn)行闡述。

在壓力控制系統(tǒng)中，為減少系統(tǒng)波動，一般不采用微分控制部分，因此輸油管道PID壓力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

(3)

其中，KP、KI均大于0。對于進(jìn)站壓力控制有e(t)=pv(t)-ps(t)；對于出站壓力控制有e(t)=ps(t)-pv(t)。

2.3 PID參數(shù)對壓力控制的影響

在管道現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)相同的情況下，PID控制器的效果由KP和KI兩個參數(shù)共同決定，PID整定的過程即確定KP和KI的過程[5]。目前PID整定方法主要有理論計算法和經(jīng)驗試湊法，理論計算法需要大量的計算，且計算結(jié)果還需要進(jìn)一步的現(xiàn)場修正[6]。因此長輸管道PID整定選擇經(jīng)驗試湊法。

3 PID控制效果分析

影響PID壓力控制效果的因素較多，主要有管道工藝、運行工況、自動控制參數(shù)和人為因素。管道工藝包括站內(nèi)管道口徑、調(diào)節(jié)閥流量特性、站內(nèi)管線長度及站內(nèi)摩擦阻力等；運行工況包括油品物性、上下游壓力平穩(wěn)程度、調(diào)節(jié)閥閥位區(qū)間及調(diào)節(jié)閥旁通閥開度等；自動控制參數(shù)包括PID控制器參數(shù)、站控PLC掃描周期、PID控制器計算周期、壓力采樣精確度及電液伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性等；人為因素有壓力調(diào)整幅度及壓力調(diào)整時間間隔等人為誤差。

不同因素對PID壓力控制效果的影響程度也是有差異的。站內(nèi)管道長度、管道口徑、油品物性及摩擦阻力等因素主要影響壓力波的傳播速度，進(jìn)而影響PID控制“快”的效果，但站內(nèi)壓力傳播時延較小、壓力損失較小，且對同一條管道某固定站場而言以上因素都是基本固定不變的，是PID控制器需要適應(yīng)的，因此以上因素對PID控制效果的影響程度較小。調(diào)節(jié)閥站控PLC掃描周期、執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性及調(diào)節(jié)閥流量特性等是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定的，因此對PID控制效果影響程度也較小。上下游壓力平穩(wěn)程度及壓力采樣精確度等對壓力控制“穩(wěn)”的效果影響較大，管道初始狀態(tài)不平穩(wěn)或者壓力檢測失真，容易造成調(diào)節(jié)閥在PID控制器的作用下頻繁動作，導(dǎo)致管線壓力無法平穩(wěn)，甚至誘發(fā)事故。壓力調(diào)整幅度、壓力調(diào)整時間間隔、閥位區(qū)間及旁通閥開度等屬于動態(tài)因素，隨時都可能變化，因此對壓力調(diào)整“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的效果具有綜合影響，壓力調(diào)整幅度過大或時間間隔較短容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)過快，造成管線壓力波動，甚至嚴(yán)重水擊；等百分比調(diào)節(jié)閥位于低閥位區(qū)間時，PID壓力調(diào)整較快，影響穩(wěn)定性；旁通閥開度過大會降低PID控制器在整個壓力控制系統(tǒng)中的作用。PID控制器參數(shù)對壓力調(diào)整“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的效果具有綜合影響，并且是最主要的因素，因此需要設(shè)置的參數(shù)主要包括比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI及死區(qū)壓力值等，合理的參數(shù)設(shè)置與PID程序能夠克服其他各種因素對壓力調(diào)節(jié)的影響，保證輸油管道壓力調(diào)節(jié)實現(xiàn)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”的目標(biāo)。

4 PID壓力控制的標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用

PID壓力控制系統(tǒng)的控制過程分為動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程。對輸油管道壓力控制來講，動態(tài)過程是指在測量點壓力基本穩(wěn)定的情況下，PID控制器接收到新的壓力設(shè)定值或測量點壓力受到干擾而波動時，壓力值從初始值到最終值的過程，也叫瞬態(tài)過程；穩(wěn)態(tài)過程是指在新的壓力設(shè)定值或擾動下，當(dāng)時間趨于無窮時，測量點壓力波動的表現(xiàn)方式。

4.1 PID壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

為便于對PID控制器的實際控制效果進(jìn)行分析，筆者選取了多條在役原油管道多個站場的PID控制器進(jìn)行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果與調(diào)控運行經(jīng)驗，提出了輸油管道調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)整定標(biāo)準(zhǔn)。

PID壓力響應(yīng)曲線如圖3所示?？梢?，壓力趨勢在人為壓力調(diào)整或受到壓力干擾后，被控點的壓力趨勢是收斂的，并以壓力設(shè)定值ps為收斂值，高頻等幅振蕩與發(fā)散均不符合穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；延遲時間Td為實際壓力pv變化到壓力調(diào)整區(qū)間一半時所需要的時間，約15～30s；上升時間Tr為實際壓力從初始壓力值p0第一次調(diào)整到壓力設(shè)定值ps時所需要的時間，約30～100s；峰值時間Tp為實際壓力經(jīng)過ps到達(dá)第一個峰值(一般也是最大峰值)時所需要的時間，約50～180s；調(diào)節(jié)時間Ts為實際壓力到達(dá)并保持在ps±20kPa范圍內(nèi)所 需要的最短時間，約60～200s；穩(wěn)態(tài)誤差e為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的選用需滿足：初始狀態(tài)，被測點壓力穩(wěn)定或小幅波動；|ps-p0|≤0.2MPa，即壓力調(diào)整幅度需限制在0.2MPa以內(nèi)；壓力調(diào)整時，調(diào)節(jié)閥閥位高于10%；調(diào)節(jié)閥旁路無流量。

圖3 PID壓力響應(yīng)曲線

Ts時間之后，實際壓力與ps之差的絕對值，即壓力偏移量，要求e≤20kPa；超調(diào)值σ為實際壓力偏離ps的最大壓力值，需控制在50kPa以內(nèi)。

4.2 PID壓力控制標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

從多條在役管道的PID壓力控制試驗中提取數(shù)據(jù)，繪制的壓力響應(yīng)曲線如圖4所示，對各曲線提取的特征數(shù)據(jù)見表1。

a. 小超調(diào)、等幅振蕩壓力響應(yīng)曲線

b. 高頻率、大超調(diào)、等幅振蕩壓力響應(yīng)曲線

c. 慢速響應(yīng)、收斂趨勢壓力響應(yīng)曲線

d. 滿足生產(chǎn)運行需求的壓力響應(yīng)曲線 圖4 壓力響應(yīng)曲線

可以看出，圖4a的動態(tài)特性基本滿足生產(chǎn)要求，但是最終壓力呈等幅振蕩，不符合穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；圖4b從上升時間和調(diào)節(jié)時間來看，調(diào)節(jié)速率過快，且超調(diào)值過大，最終壓力呈等幅振蕩，不符合標(biāo)準(zhǔn)；圖4c是收斂的，超調(diào)值與穩(wěn)態(tài)誤差在生產(chǎn)允許的范圍內(nèi)，但是壓力調(diào)節(jié)的速率太慢，影響生產(chǎn)運行效率；圖4d是收斂的，超調(diào)值與穩(wěn)態(tài)誤差在生產(chǎn)運行的范圍內(nèi)，且壓力調(diào)節(jié)速率適中，滿足生產(chǎn)運行需求。

表1 特征數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)束語

輸油管道PID壓力控制對輸油管道平穩(wěn)運行和風(fēng)險辨識具有重要作用，KP和KI是決定PID控制效果的重要參數(shù)，合適的KP和KI能夠增強(qiáng)PID控制器在管道設(shè)計參數(shù)時的可靠性。PID壓力控制標(biāo)準(zhǔn)的提出對PID控制效果做出了規(guī)范，在一定程度上可以作為判斷輸油管道PID控制效果是否令人滿意的依據(jù)。后續(xù)需要進(jìn)一步探討壓力響應(yīng)曲線與KP、KI之間的對應(yīng)關(guān)系，通過試驗總結(jié)輸油管道不同壓力曲線下PID參數(shù)的調(diào)整方法，進(jìn)而為PID參數(shù)的整定提供依據(jù)。

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