基于中控DCS的積分分離PID在油氣田的應(yīng)用

曾維偉 丁 路 康維嵐 李 皓 張家成 武宇卓

1. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司塔里木油田分公司, 新疆 庫(kù)爾勒 841000;2. 北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司, 北京 100007;3. 中國(guó)石油運(yùn)輸有限公司, 新疆 烏魯木齊 830014

0 前言

PID控制算法在工業(yè)生產(chǎn)控制中占有極大比重,在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中對(duì)PID控制算法有諸多的改進(jìn),這些改進(jìn)通常是對(duì)積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)進(jìn)行處理;通常對(duì)積分項(xiàng)的處理方法有積分分離法、抗飽和積分法。實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中的PID控制算法通常為增量式PID算法,抗飽和積分法在增量式PID算法中又不易于實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況,對(duì)浙江中控DCS的PID功能塊加以改進(jìn)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)需求、減少PID參數(shù)整定的工作量。

1 ECS-700系統(tǒng)簡(jiǎn)介

ECS-700系統(tǒng)作為中控最新和功能最強(qiáng)的DCS系統(tǒng),集成了比較成熟的PID控制功能模塊,其中PID算法[1]實(shí)現(xiàn)為:

un+1=un+Δun+1

(1)

式中:un+1為第n+1次的輸出；un為第n次的輸出；Δun+1為第n+1次的增量。

式(1)為增量式PID算法,中控DCS系統(tǒng)中對(duì)積分項(xiàng)的處理為:當(dāng)誤差|en|>ε時(shí),切除積分作用[2],并對(duì)比列項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償,此時(shí)的補(bǔ)償系數(shù)為f,補(bǔ)償后的比列系數(shù)為:

(2)

控制系統(tǒng)誤差越大,積分作用越強(qiáng),導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩劇烈、調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)[3]。為避免此現(xiàn)象引入補(bǔ)償系數(shù)f，但實(shí)際應(yīng)用效果并不好。

2 控制對(duì)象簡(jiǎn)介

圖1為乙二醇單元工藝流程。本文的控制對(duì)象為一個(gè)三相分離器(圖1中二級(jí)分離器)的乙二醇水溶液和輕烴的界位,此分離器工藝流程:富天然氣(未脫水脫烴)經(jīng)過一級(jí)換熱器降溫→一級(jí)分離器→二級(jí)換熱器→丙烷壓縮機(jī)制冷降溫→二級(jí)分離器進(jìn)行分離(富乙二醇、天然氣、輕烴分離)[4]。

圖1 乙二醇單元工藝流程

乙二醇作為脫水劑其流程為:乙二醇水溶液經(jīng)過循環(huán)泵去往各個(gè)加注點(diǎn)→丙烷壓縮機(jī)→二級(jí)分離器→乙二醇再生裝置[5-6]。乙二醇的循環(huán)量通常是穩(wěn)定的,進(jìn)入分離器的乙二醇水溶液的流量也是穩(wěn)定的,從理論上講只要控制分離器的乙二醇出口流量調(diào)節(jié)閥的開度(調(diào)節(jié)閥開度波動(dòng)理應(yīng)很小)界位就會(huì)很平穩(wěn)。但實(shí)際運(yùn)行中液位波動(dòng)和調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)較大,故認(rèn)為是控制回路中所采取的控制律不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)需求而造成的影響,因此以中控ECS-700 PID常規(guī)功能塊為基礎(chǔ)[7],對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)使控制回路中的控制律能夠滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求。

3 控制策略

本文采用增量式PID控制算法[8]:

u=up+ui+ud

(3)

un+1=un+Δun+1

(4)

式中:u為PID的輸出；up、ui、ud分別為比例、積分、微分的輸出；un+1、un、Δun+1分別為PID算法離散后的第n+1次輸出、n次輸出、n+1次的增量。

對(duì)微分項(xiàng)進(jìn)行不完全微分處理[9],對(duì)積分項(xiàng)進(jìn)行積分分離處理:

(5)

(6)

式中:Td、Ti、T、T*分別為微分時(shí)間、積分時(shí)間、采樣周期、一階濾波時(shí)間常數(shù),s;k為積分分離的判斷因子；e、e′分別為誤差和誤差的變化率1,當(dāng)|e|′<0時(shí)k=0,否則k=1。

要在DCS中實(shí)現(xiàn)上述算法需要對(duì)其進(jìn)行離散處理,采樣周期為1 s,聯(lián)立式(3)～(6)可得其離散后表達(dá)形式[10]:

(7)

式中:kp為比列系數(shù)；en、en+1分別為第n次誤差和n+1次誤差。

4 Matlab仿真

對(duì)本文所述界位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真需要知道各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)[13],需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)、建模。對(duì)此系統(tǒng)精確建模具有一定的困難,且本章的仿真只是對(duì)本文的控制策略進(jìn)行定性分析,因此簡(jiǎn)化建模的部分環(huán)節(jié)。

此系統(tǒng)界位H大小受進(jìn)液量Q1和出液量Q2影響,二級(jí)分離器的醇腔底面積為A,則H與Q2的微分?jǐn)?shù)學(xué)關(guān)系為[14]:

(8)

對(duì)式(8)進(jìn)行拉式變換:

(9)

醇和烴的分離過程可視為一個(gè)二階環(huán)節(jié)[15],則進(jìn)液量Q1與H的傳遞函數(shù)為:

(10)

式中:T1、T2為二階環(huán)節(jié)中的時(shí)間，s；H為界位高度，m；A為底面積，m2;Q1為進(jìn)液量，m3/h；H′為H的求導(dǎo)數(shù)。

調(diào)節(jié)閥的流量特性為等百分比,因此調(diào)節(jié)閥的開度V與出口流量的關(guān)系為:

Q2=C1eC2V

(11)

DCS中的控制器輸出與閥開度的關(guān)系可視為一階環(huán)節(jié):

(12)

式中:T4為一階環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù),s。

變送器環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:

(13)

式中:T5為一階環(huán)節(jié)的世界常數(shù),可視為變送器的阻尼系數(shù)，s。

控制系統(tǒng)的離散時(shí)間為1 s,當(dāng)|en|-|en+1|<0時(shí)，將積分作用切除,依照此思路搭建圖2所示的Simulink仿真[16]。

圖2 Simulink仿真

運(yùn)用了Matlab Function函數(shù)在Simulink仿真中實(shí)現(xiàn)了PID的各項(xiàng)功能[17]，圖2中的常數(shù)1、2、3分別為kp、Ti、Td的取值，kp、Ti、Td為PID的控制參數(shù)。圖3～6為仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,藍(lán)色線為容器的界位、棕色線為控制器的輸出、粉紅色的線為設(shè)定值與反饋值之間的誤差。圖3、圖5為傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)下的輸出曲線,圖4、圖6為采用了本文所述的改進(jìn)PID積分分離控制算法后在相同的PID控制參數(shù)下的輸出曲線。

在仿真中發(fā)現(xiàn)由于傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)選擇不當(dāng)而引起系統(tǒng)振蕩時(shí),對(duì)積分環(huán)節(jié)采取本文所述的控制策略時(shí)能夠有效抑制系統(tǒng)振蕩,當(dāng)傳統(tǒng)PID參數(shù)整定值選取量比較合適時(shí)[18],采用本文的控制策略能進(jìn)一步減少超調(diào)量，同時(shí)控制器的輸出也更加平穩(wěn)。當(dāng)然通過大量的仿真發(fā)現(xiàn),改進(jìn)后的算法控制算法在仿真過程中也暴露了缺點(diǎn):誤差消除速度可能非常緩慢。此時(shí)需要對(duì)判據(jù)進(jìn)行修正:|en|-|en+1|<ε停止積分作用,其中ε<0。

圖3 kp=5,Ti=10,Td=10,未進(jìn)行積分切除

圖4 kp=5,Ti=10,Td=10,進(jìn)行積分切除

圖5 kp=5,Ti=20,Td=10,未進(jìn)行積分切除

圖6 kp=5,Ti=20,Td=10,進(jìn)行積分切除

5 在ESC-700系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)判據(jù)|en|-|en+1|<0停止積分作用，在ECS-700中整個(gè)控制回路的控制器部分算法實(shí)現(xiàn)見圖7。

圖7 中控DCS功能塊圖

圖7中“JFQC”為用戶自定義功能塊,其源程序見圖8。

圖8 功能塊腳本程序

本文的控制對(duì)象為一個(gè)三相分離器的醇腔界位,當(dāng)采用中控自帶的PID功能塊時(shí),其界位變化見圖9藍(lán)色曲線(黑色曲線為調(diào)節(jié)閥的實(shí)際運(yùn)行開度,紅色曲線為界位的設(shè)定值)。

當(dāng)控制器經(jīng)過本文所述改進(jìn)后,其界位的變化見圖10藍(lán)色曲線(黑色曲線為調(diào)節(jié)閥的實(shí)際運(yùn)行開度,紅色曲線為界位的設(shè)定值)。

本文所述的控制策略在低溫分離器(三相分離器)的乙二醇界位控制應(yīng)用過程中能夠獲得更平穩(wěn)的界位,調(diào)節(jié)閥的開度波動(dòng)更小,對(duì)下游流程的擾動(dòng)更小。從仿真曲線和實(shí)際運(yùn)行效果來看,本文所述的控制策略能夠有更小的超調(diào)量、更短的調(diào)節(jié)時(shí)間和波動(dòng)更小的穩(wěn)態(tài)特性。

圖9 改進(jìn)前的控制曲線

圖10 改進(jìn)后的控制曲線

6 結(jié)論

當(dāng)誤差的絕對(duì)值有開始變小的趨勢(shì)時(shí)切除積分作用，從而消除因引入積分項(xiàng)而造成的調(diào)節(jié)滯后。這一改進(jìn)在某油氣場(chǎng)所三相分離器的界位控制調(diào)節(jié)中取得了良好的控制效果,同時(shí)也減少了大量整定PID參數(shù)的工作。在仿真過程中同時(shí)發(fā)現(xiàn),積分分離算法在某些情況下會(huì)造成系統(tǒng)消除誤差的時(shí)間變長(zhǎng),需要對(duì)切除積分作用的判據(jù)進(jìn)行修正,其修正形式為|en|-|en+1|<ε停止積分作用,其中ε<0,但在本場(chǎng)站的實(shí)際運(yùn)行并未明顯發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。