基于Ethernet環(huán)境的分離器液位模糊PID控制

唐瑞志，杜 超，雍魯秦，康 樂

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田蘇里格南作業(yè)分公司 （陜西 西安 710018）

基于Ethernet環(huán)境的分離器液位模糊PID控制

唐瑞志，杜 超，雍魯秦，康 樂

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田蘇里格南作業(yè)分公司 （陜西 西安 710018）

針對(duì)蘇南集氣站分離器排污系統(tǒng)存在的分離器排液控制效果不佳的問題，對(duì)現(xiàn)有傳感器、調(diào)節(jié)閥、控制器進(jìn)行了有效的整合。通過對(duì)排液控制邏輯程序的優(yōu)化和下游調(diào)節(jié)閥開度PID參數(shù)的設(shè)定，最大限度地滿足了分離器排污系統(tǒng)對(duì)控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。

液位控制；PID算法；分離器；氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥

在工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常都會(huì)涉及到液位和流量的控制問題，對(duì)液位的精準(zhǔn)控制是工業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分，特別是在動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，采用液位計(jì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)液位，通過控制邏輯、PID（比例、積分和微分控制）和下游相關(guān)設(shè)備的整合以達(dá)到液位的控制結(jié)果，這也是本文需要研究的核心問題。

本文主要針對(duì)蘇南-C1集氣站分離器排污控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過編寫控制邏輯，計(jì)算控制參數(shù)最終實(shí)現(xiàn)了分離器排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案預(yù)定控制效果。其中涉及到控制系統(tǒng)的建模、PLC（可編程邏輯控制器）控制程序編寫、PID算法分析計(jì)算、傳感器和調(diào)節(jié)閥的使用等一系列知識(shí)。

作為集氣站分離器液位的控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)選用模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了PID算法，控制核心為ControlWave系列控制器以及A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換模塊，傳感器為磁翻板式液位傳感器和液體音叉限位開關(guān)，分離器排污管線選用MOGAS氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。通過對(duì)以上設(shè)備、算法等的有效組合，最大限度地滿足了分離器排污系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求，實(shí)現(xiàn)了控制方案預(yù)定的控制效果，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)測(cè)控制效果良好，有效地保障了集氣站的安全生產(chǎn)。

1 項(xiàng)目背景

蘇里格南區(qū)塊（以下簡(jiǎn)稱蘇南區(qū)塊）位于蘇里格氣田南部，地處烏審旗、鄂托克前旗和定邊縣境內(nèi)，為中國(guó)石油和道達(dá)爾合作開發(fā)的國(guó)際合作區(qū)。蘇南項(xiàng)目集輸系統(tǒng)采用“井下節(jié)流、井叢集中注醇、管道不保溫、中壓集氣、井口帶液連續(xù)計(jì)量、車載橇裝移動(dòng)計(jì)量分離器測(cè)試、常溫分離、兩次增壓、氣液分輸、集中處理”的集輸總工藝。具有集氣站規(guī)模大、產(chǎn)液量高等特點(diǎn)[1]。其中蘇南-C1集氣站設(shè)計(jì)日處理天然氣量400×104m3，產(chǎn)液量180m3，采用中壓集氣模式，天然氣由進(jìn)站干管進(jìn)入站內(nèi)，通過雙筒臥式高效分離器進(jìn)行氣液分離，天然氣經(jīng)過計(jì)量區(qū)外輸至第五天然氣處理廠；液體由分離器出口經(jīng)排污管線匯至閃蒸罐，通過螺桿泵外輸至第五天然氣處理廠。

由于通過分離器的液體流量極度不均勻且包含有少許雜質(zhì)，容易對(duì)下游管線造成損傷。在此背景下，蘇南-C1集氣站分離器排液利用調(diào)節(jié)閥進(jìn)行PID控制，使分離器液位能夠保持在1 230mm左右，同時(shí)根據(jù)液量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)排液流量，實(shí)現(xiàn)均勻排液，減小了對(duì)下游管線的沖擊作用，為蘇南-C1站安全生產(chǎn)提供了有力保障。

2 調(diào)節(jié)閥PID控制計(jì)算

PLC是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，主要服務(wù)于工業(yè)控制，代替繼電器實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的邏輯控制，目前工業(yè)生產(chǎn)過程中較多采用PID控制。蘇南-C1集氣站分離器排液過程的液位控制結(jié)構(gòu)（圖1）。該系統(tǒng)以ControlWave冗余控制器（配有網(wǎng)絡(luò)模塊、模擬量和數(shù)字量模塊）作為下位機(jī)控制器，實(shí)時(shí)采集并傳送過程控制的液位和氣動(dòng)球閥開度等信號(hào)至上位機(jī)，上位機(jī)通過PKS工業(yè)組態(tài)軟件[2]，工業(yè)以太網(wǎng)，OpenBSI編程軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，數(shù)據(jù)顯示及生產(chǎn)過程監(jiān)控。蘇南-C1集氣站的分離器液位控制采用工業(yè)上應(yīng)用最廣泛、最成功的PID控制方法。

圖1 液位控制結(jié)構(gòu)

2.1 PID控制系統(tǒng)

工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量石油天然氣工業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。

1）開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器的輸出沒有影響。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量不傳送回信號(hào)形成任何閉環(huán)回路。

2）閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來而影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。圖2為閉環(huán)控制實(shí)例，該模型能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)冷空氣達(dá)到設(shè)定溫度功能。

圖2 典型閉環(huán)控制圖

3）階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。PID控制系統(tǒng)有穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)特點(diǎn)，穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)定是控制系統(tǒng)運(yùn)行的前提，階躍響應(yīng)屬于收斂狀態(tài)；準(zhǔn)是控制系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)[3]，通常包括系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性及控制精度，一般用穩(wěn)態(tài)誤差來描述，表示控制系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是控制系統(tǒng)運(yùn)行的體現(xiàn)，指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，定量描述為上升的時(shí)間。

2.2 PID控制的原理和特點(diǎn)

PID控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用P（比例）、I（積分）、D（微分）共同計(jì)算控制量，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠度高、反應(yīng)速度快。當(dāng)不能精確掌握被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，最適用于運(yùn)用PID進(jìn)行控制。

2.2.1 比例（P）控制

比例控制是指控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成一定的比例關(guān)系。一旦輸入量與輸出量偏差產(chǎn)生，控制器立即調(diào)整控制輸出，減小被控量偏差。在比例控制中，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp，Kp與偏差減小的速度成正比，與此同時(shí)引起振蕩，特別是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp減小，調(diào)節(jié)速度變慢[4]。但僅使用比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，這種情況下需要積分控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。

P控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響如下。①Kp＞1時(shí)：開環(huán)增益增大，穩(wěn)態(tài)誤差減小；幅值穿越頻率增大，過渡過程時(shí)間縮短；系統(tǒng)穩(wěn)定程度變差。②Kp＜1時(shí)：對(duì)系統(tǒng)性能的影響正好相反。

2.2.2 積分（I）控制

積分控制系統(tǒng)的輸出與輸入誤差信號(hào)積分成正比關(guān)系。在控制系統(tǒng)中，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。比例+積分（PI）控制器，有利于控制系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制的實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差不斷的累積進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，促使偏差趨近于零。

積分控制能夠增強(qiáng)系統(tǒng)抗高頻干擾能力，同時(shí)增加系統(tǒng)開環(huán)增益，減少穩(wěn)態(tài)誤差。在工業(yè)控制系統(tǒng)中一般不單獨(dú)使用積分控制。

2.2.3 微分（D）控制

微分控制系統(tǒng)是指控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（誤差的變化率）成正比例關(guān)系[5]。自動(dòng)控制系統(tǒng)通常存在較大慣性組件及滯后組件，具有抑制誤差的特點(diǎn)，在克服輸出與輸入誤差的過程中可能會(huì)存在振蕩甚至失穩(wěn)的情況，這種情況即需要微分控制，使抑制誤差的作用的變化“超前”。

3 分離器實(shí)際運(yùn)用情況

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，蘇南C1集氣站分離器排液模式采用PID調(diào)節(jié)模式。其組成原理模型如圖3所示。

圖3 PID調(diào)節(jié)原理模型圖

在編程的過程中，必須考慮的問題。

1）操作特征的設(shè)置：每個(gè)回路手動(dòng)/自動(dòng)特征位；每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置正向/反向特征位。

2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限保護(hù)：為了防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)過開或過關(guān)，需要檢查輸出余量。

3）防止極限環(huán)：對(duì)計(jì)算機(jī)輸出規(guī)定一個(gè)不靈敏區(qū)ε，如果|ΔPn(n)|＜ε則計(jì)算機(jī)不輸出。

圖4為帶有系統(tǒng)輸出鑒別子程序的增量型PID控制算式的程序框圖。

圖4 程序框圖

其傳遞函數(shù)為：

式中：e為設(shè)定值與輸入值差值；Kp為比例調(diào)節(jié)參數(shù)；Ki為積分調(diào)節(jié)參數(shù)；Kd為微分調(diào)節(jié)參數(shù)；t為PID模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)程序運(yùn)行時(shí)間；tr為PID模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)程序開始時(shí)間；I0為調(diào)節(jié)閥當(dāng)前開度。

4 蘇南-C1集氣站PID調(diào)節(jié)

蘇南-C1集氣站分離器排液采用MOGAS新型迷宮式旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)球閥。旋轉(zhuǎn)球閥能夠?qū)崿F(xiàn)90°轉(zhuǎn)向徑向操作，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作和線性操作相比較不易發(fā)生閥桿磨損泄露，從而達(dá)到調(diào)節(jié)閥更高頻率的操作。同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門之間通過直接傳動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)緊密耦合連接，通過閥體固定法蘭閥桿襯套連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到閥球的直接驅(qū)動(dòng)。DCS系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)）通過HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道）通信協(xié)議與智能定位器進(jìn)行通信，上位機(jī)再采集數(shù)據(jù)與信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥的PID控制。

分離器進(jìn)行邏輯PID控制后，根據(jù)設(shè)計(jì)，需要使分離器液位保持在1 230mm，以保證分離器高效安全運(yùn)行。

1）當(dāng)液位低于976mm或者低低液位報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)制進(jìn)入到非正常排液的低低排液流程，此流程中，正常排液流程氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及調(diào)節(jié)閥、非正常排液流程氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均關(guān)閉，從而保證液位上升。

2）當(dāng)液位上升至976～1 526mm之間時(shí)，可以手動(dòng)將系統(tǒng)排液流程切換到正常排液流程；當(dāng)液位低于1 080mm時(shí)進(jìn)入到正常排液的低液位排液流程。此時(shí)，非正常排液流程中氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉，正常排液氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開，調(diào)節(jié)閥開度為10%。

3）當(dāng)液位上升至1 080～1 380mm之間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入PID調(diào)節(jié)流程，調(diào)節(jié)閥的開度在10%～90%之間變化，以保證液位保持在1 230mm，當(dāng)液位越趨近于1 230mm時(shí)，調(diào)節(jié)閥的開度變化越小，反之越大。

4）當(dāng)液位突然升高至1 526mm以上或者高高液位報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)制進(jìn)入到非正常排液的高高液位排液流程中。此流程中，非正常排液氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開，正常排液氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。應(yīng)用PID調(diào)節(jié)之后的曲線（圖5）。

圖5 PID調(diào)節(jié)后的曲線圖

圖5 中綠色表示分離器液位設(shè)定值1 230mm；淺藍(lán)色表示液位實(shí)際曲線；白色表示氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度變化曲線。從圖5中可以明顯看出，應(yīng)用PID調(diào)節(jié)后調(diào)節(jié)閥的開度跟隨分離器液位與設(shè)定值的差值的變化來變化，從而達(dá)到最終趨于平衡的曲線。PID調(diào)整前、后的液位曲線（圖6）。

圖6 調(diào)整前后液位曲線圖

在進(jìn)行PID調(diào)節(jié)之前，蘇南-C1集氣站分離器排液完全由分離器出口氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制：當(dāng)分離器液位高于1 380mm時(shí)，正常排液流程氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開進(jìn)行排液，直至分離器液位降至1 080mm，正常排液流程氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉。經(jīng)過PID控制調(diào)節(jié)后，調(diào)節(jié)閥作用于分離器排液流程，使分離器液位保持穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)均勻排液。PID主要能實(shí)現(xiàn)以下功能：①實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制，在正常生產(chǎn)過程中，PID能夠依據(jù)液量的變化不斷調(diào)節(jié)分離器調(diào)節(jié)閥閥門開度，保持分離器液位維持在1 230mm。②具有人工設(shè)定PID控制參數(shù)的功能，能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程中對(duì)各參數(shù)的分析，人工設(shè)定比例、微分和積分，從而實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)地排液。③當(dāng)液位超過報(bào)警范圍時(shí)，自動(dòng)切換到非正常排液模式，使分離器液位維持在正常水平，保障生產(chǎn)安全。

5 結(jié)論

蘇南-C1集氣站目前日處理量已達(dá)380×104m3，產(chǎn)量躍居蘇里格地區(qū)首位，在此前提下，安全生產(chǎn)顯得尤為重要。在之前的生產(chǎn)過程中，蘇南-C1集氣站分離器排液完全由分離器出口氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制：當(dāng)分離器液位高于1 380mm時(shí)，正常排液流程氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開進(jìn)行排液，直至分離器液位降至1 080mm，正常排液流程氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉；分離器排液實(shí)現(xiàn)PID控制后，調(diào)節(jié)閥作用于分離器排液流程，能夠更加均勻高效地進(jìn)行排液，保證分離器在設(shè)定液位值正常運(yùn)行，減少突然大量排液對(duì)下游管線的沖擊，為蘇南-C1站安全生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]姜長(zhǎng)生.智能控制與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[2]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[3]張曉鵬,曾登高.蘇里格超大規(guī)模集氣站建設(shè)工程質(zhì)量控制與監(jiān)督[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2015,31(1)：4-7.

[4]于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,1999.

[5]程雪濤,王海軍,濮新宏,等.節(jié)能監(jiān)測(cè)基層班組危險(xiǎn)因素分析及控制對(duì)策[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2015,31(8)：42-45.

The existing sensors,regulating valves and controllers of the sewage drainage system of the gas gathering station in southern Sulige are effectively integrated in order to solve the problem of the poor liquid separation effect of separator.The requirements of the separator sewage drainage system in control accuracy,adjustment time and overshoot are satisfied through the optimization of the logic program for the liquid separation control and the setting of PID parameters of the downstream control valve.

control of liquid level;PID algorithm;separator;pneumatic control valve

唐瑞志（1989-），男，主要從事油田自動(dòng)控制方面的工作。

2017-07-11