輸油管道站場泵及電機溫度保護參數(shù)濾波優(yōu)化及應用

張 黎

（國家管網(wǎng)集團西部管道有限責任公司，烏魯木齊 830000）

0 引言

雙蘭線輸油站場泵機組2006年投產(chǎn)運行，泵及電機本體儀表運行時間較長，在維護過程中，作業(yè)人員僅能夠對回路、端子進行排查，無法對泵及電機本體儀表自身狀態(tài)進行確認。在運行過程中，泵機組儀表如果因自身原因出現(xiàn)故障，該參數(shù)會直接達到上限，導致泵及電機保護參數(shù)觸發(fā)，造成停泵。此類問題使現(xiàn)場運維壓力增加，存在停泵風險。因此，在對泵機組保護參數(shù)邏輯梳理后，發(fā)現(xiàn)其邏輯存在可優(yōu)化空間。在不修改原有保護參數(shù)前提下，綜合使用限幅遞推中位平均濾波法，對泵保護參數(shù)進行濾波，消除外部干擾。具體措施為：使用限幅法對原有模擬量保護參數(shù)進行濾波，用于消除泵機組儀表因自身故障、線路故障等偶然因素引起的脈沖干擾。同時結合遞推法，抑制外部干擾引起的短時間周期性干擾。結合中位平均法，對一般隨機干擾的信號進行濾波。最后，對程序優(yōu)化結束并對優(yōu)化后的泵機組進行測試驗證。

1 濾波方法介紹[3]

1.1 限幅濾波法

方法：根據(jù)經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設為A）。每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差為A，則本次值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值。

優(yōu)點：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。缺點：無法抑制那種周期性的干擾平滑度差。

1.2 中位值濾波法

方法：連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列（多采用冒泡法），取中間值為本次有效值。

優(yōu)點：能有效克服因偶然因素引起的波動（脈沖）干擾。

缺點：對流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。

1.3 遞推平均濾波法

方法：把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)（先進先出原則）。把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術平均運算，就可獲得新的濾波結果。

優(yōu)點：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。

缺點：靈敏度低。對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，比較浪費RAM。

1.4 算術平均濾波法

方法：連續(xù)取N個采樣值進行算術平均運算，N值較大時，信號平滑度較高，但靈敏度較低。N值較小時，信號平滑度較低，但靈敏度較高。N值的選?。阂话懔髁?，N=12；壓力：N=4。

優(yōu)點：適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波。這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動。

缺點：對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費RAM。

1.5 中位值平均濾波法

方法：相當于“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術平均值N值的選?。? ～14 。

優(yōu)點：融合了兩種濾波法的優(yōu)點，對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

缺點：測量速度較慢，和算術平均濾波法一樣，比較浪費RAM。

1.6 限幅平均濾波法

方法：相當于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”每次采樣到的新數(shù)據(jù)，先進行限幅處理，再送入隊列進行遞推平均濾波處理。

優(yōu)點：融合了兩種濾波法的優(yōu)點，對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

缺點：比較浪費RAM。

1.7 一階滯后濾波法

方法：取a = 0～1，則本次濾波結果 =（1-a）×本次采樣值 + a×上次濾波結果。

優(yōu)點：對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻率較高的場合。

缺點：相位滯后，靈敏度低滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號。

1.8 加權遞推平均濾波法

方法：對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的數(shù)據(jù)加以不同的權。通常是越接近現(xiàn)時刻的數(shù)據(jù)，權取得越大。給予新采樣值的權系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。

優(yōu)點：適用于有較大純滯后時間常數(shù)的對象和采樣周期較短的系統(tǒng)。

缺點：對于純滯后時間常數(shù)較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號不能迅速反應系統(tǒng)當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差。

1.9 消抖濾波法

方法：設置一個濾波計數(shù)器，將每次采樣值與當前有效值比較。如果采樣值等于當前有效值，則計數(shù)器清零。如果采樣值小于或大于當前有效值，則計數(shù)器+1，并判斷計數(shù)器是否大于等于上限N（溢出），如果計數(shù)器溢出，則將本次值替換當前有效值，并清計數(shù)器。

優(yōu)點：對于變化緩慢的被測參數(shù)有較好的濾波效果，可避免在臨界值附近控制器的反復開/關跳動或顯示器上數(shù)值抖動。

缺點：對于快速變化的參數(shù)不宜，如果在計數(shù)器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值，則會將干擾值當作有效值導入系統(tǒng)。

1.10 限幅消抖濾波法

方法：相當于“限幅濾波法”+“消抖濾波法”，先限幅，后消抖。

優(yōu)點：繼承了“限幅”和“消抖”的優(yōu)點，改進了“消抖濾波法”中的某些缺陷，避免將干擾值導入系統(tǒng)。

缺點：對于快速變化的參數(shù)不宜。

2 濾波優(yōu)化內容[1,2]

本次優(yōu)化主要是對泵及電機本體溫度保護參數(shù)程序進行優(yōu)化，在不改變原有保護邏輯的前提下，對參數(shù)范圍進行限制，在出現(xiàn)泵機組儀表因自身故障或儀表回路問題出現(xiàn)參數(shù)超限的情況下，僅執(zhí)行正常報警邏輯，不再執(zhí)行停泵邏輯。編制濾波程序時，為簡化程序，將濾波程序編制為獨立功能塊，通過調整外部參數(shù)實現(xiàn)不同儀表、不同工況濾波。

在主程序中調用功能塊Filter，如圖1所示。其中，InPut為模擬量硬件輸入通道，In_Maxvalue為輸入最大限值，在保護上限至最大值之間（200℃）。In_Minvalue為輸入最小限值，在最小值以上。In_Devvalue為一個數(shù)據(jù)采集周期最大變化率，若極限條件下1 s內溫度升高10℃，采集周期為100 ms，參考設定值為6。In_AVG_LEN為數(shù)據(jù)采集數(shù)量，默認25個。In_TimerPRE為數(shù)據(jù)采集周期，默認100 ms。In_AVE_LEN為參與中位平均值計算數(shù)量，默認5個。按照以上3個默認值，數(shù)據(jù)采集周期為2.5 s，2.5 s內去掉10個最高值，去掉10個最低值，取中間5個值做平均計算。通過中位取值，可過濾5個采集周期即最大持續(xù)500 ms突發(fā)干擾。若需要提高數(shù)據(jù)靈敏度，需要增加In_AVE_LEN，最大等于In_AVG_LEN。若需要增強濾波效果，減小In_AVE_LEN，最小為1，建議選用奇數(shù)。OutPut_PLC為參與聯(lián)鎖變量，替代原聯(lián)鎖邏輯變量。當數(shù)據(jù)判定為不合格后，改數(shù)值保持最后一個合格數(shù)值。OutPut_HMI為上位機顯示數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)判定為不合格后，數(shù)據(jù)與現(xiàn)場硬件通道數(shù)據(jù)一致。

圖1 濾波功能塊Fig.1 Filter function block

3 測試結果驗證[1,2]

通過現(xiàn)場的測試及運行，測試人員通過對鉑電阻接線拆除正極，溫度為870℃，上位機產(chǎn)生高報、高高報，濾波程序輸出結果停在上一周期數(shù)值，為29.548℃，觸發(fā)高報和高高報警，未觸發(fā)泵單體ESD聯(lián)鎖，濾波保護程序有效。

測試人員通過對鉑電阻接線全部拆除時，溫度為-200℃，上位機輸出報警，濾波程序輸出結果停在上一周期數(shù)值，為31.9℃。

測試人員通過現(xiàn)場模擬數(shù)值，在0～200℃有效數(shù)值區(qū)間內，以1 s為時間周期，依次輸入處于一個周期溫度變化率內的數(shù)值（5℃），由30℃逐漸升至65℃。當模擬溫度升至55℃時，上位機產(chǎn)生高報。當模擬溫度升至60℃時，上位機產(chǎn)生高高報，同時泵機組單體ESD觸發(fā)，執(zhí)行保護停泵。測試說明濾波程序溫度變化處于周期溫度變化率內，不會對泵單體保護邏輯產(chǎn)生影響。

測試人員通過現(xiàn)場模擬數(shù)值，在0～200℃有效數(shù)值區(qū)間內，以1 s為時間周期，依次輸入超出一個周期溫度變化率內的數(shù)值（12℃），由30℃逐漸升至66℃。當數(shù)值升至66℃時，上位機產(chǎn)生高報、高高報，泵機組單體ESD未觸發(fā)，濾波程序輸出結果停在上一周期正常數(shù)值，為30.2℃。上位機未產(chǎn)生高報和高高報警，濾波保護功能有效。

測試人員在安全區(qū)域將泵機組潤滑油加熱至100℃后，帶入到測試探頭處。由于當日氣溫較低，到達現(xiàn)場時，油溫將至90℃。將測試探頭插入到潤滑油中，測試真實高溫環(huán)境下，探頭能否正常觸發(fā)停機邏輯。當時環(huán)境溫度大概2.8℃，油溫90.7℃，溫度相差87.9℃。程序中單個周期內，掃描值和上一個值最大相差5.5℃，沒有超過單個周期變化限值，所有數(shù)據(jù)進入到濾波程序中參與計算，并且當油溫超過保護值后，輸出正常。

4 結束語

通過現(xiàn)場測試，將限幅濾波法、中位值濾波法和遞推平均濾波法相結合，對泵及電機溫度保護參數(shù)出現(xiàn)異常情況的過濾效果比較好，目前現(xiàn)場優(yōu)化后的泵機組運行正常。