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(guó)石油西氣東輸管道公司壓縮機(jī)處，湖北 武漢 430073)

0 引言

在西氣東輸二線站場(chǎng)中，分輸壓力流量控制系統(tǒng)的作用是對(duì)調(diào)壓撬電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，確切地說(shuō)是對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。電動(dòng)調(diào)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(shè)計(jì)及站場(chǎng)使用情況，DN100以上尺寸的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用Allen-Bradley ControlLogix系列PLC進(jìn)行控制，控制器型號(hào)為 1756-L63［1］。

從目前運(yùn)行情況來(lái)看，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在控制方面存在如下問(wèn)題:當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)掉電后再重新上電時(shí)，閥門(mén)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，引起輸氣中斷，會(huì)對(duì)下游用戶(hù)的生產(chǎn)、居民的用氣等造成不同程度的影響。這無(wú)疑是站場(chǎng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行的重要隱患［2］。

本文對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的PLC控制邏輯進(jìn)行分析，找出了問(wèn)題的根源所在。通過(guò)對(duì)部分控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，消除了閥門(mén)誤關(guān)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(shuō)明

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的主要控制邏輯功能如下［3-4］。

① 閥狀態(tài):開(kāi)到位、關(guān)到位、就地/遠(yuǎn)控、正常/故障、PID手動(dòng)、PID自動(dòng)、壓力調(diào)節(jié)、保護(hù)流量調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)、高壓保護(hù)調(diào)節(jié)、低壓保護(hù)調(diào)節(jié)。

②控制模式:PID手動(dòng)控制、PID自動(dòng)控制。這兩種模式發(fā)揮作用的前提是調(diào)節(jié)閥處于遠(yuǎn)控、無(wú)故障狀態(tài)。另外，當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于PID自動(dòng)控制時(shí)，可以選擇壓力調(diào)節(jié)或流量調(diào)節(jié)，但閥位開(kāi)度會(huì)被限制在低閥位設(shè)定值和高閥位設(shè)定值之間。

③ PID手動(dòng)控制:在人機(jī)界面(human machine interface，HMI)輸入閥位設(shè)定值，強(qiáng)制閥位開(kāi)度。

④壓力調(diào)節(jié):在HMI輸入壓力設(shè)定值，PLC控制器將根據(jù)天然氣出口壓力反饋值對(duì)閥位開(kāi)度進(jìn)行PID自動(dòng)控制。此時(shí)，保護(hù)流量調(diào)節(jié)起限流保護(hù)作用。

⑤流量調(diào)節(jié):在HMI輸入流量設(shè)定值，PLC控制器將根據(jù)天然氣流量反饋值對(duì)閥位開(kāi)度進(jìn)行PID自動(dòng)控制。此時(shí)，高壓保護(hù)調(diào)節(jié)、低壓保護(hù)調(diào)節(jié)起限壓保護(hù)作用。

⑥保護(hù)流量調(diào)節(jié):在壓力調(diào)節(jié)過(guò)程中，當(dāng)流量反饋值＞流量保護(hù)設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥在10s后將壓力調(diào)節(jié)自動(dòng)切換到保護(hù)流量調(diào)節(jié)，PLC控制器將根據(jù)流量反饋值對(duì)閥位開(kāi)度進(jìn)行PID自動(dòng)控制;當(dāng)壓力反饋值＞壓力設(shè)定值，且98%保護(hù)流量設(shè)定值＜流量反饋值＜102%保護(hù)流量設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥在10s后自動(dòng)將保護(hù)流量調(diào)節(jié)切換到壓力調(diào)節(jié)。

⑦高壓保護(hù)調(diào)節(jié):在流量調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)壓力反饋值＞高壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥在10s后將流量調(diào)節(jié)自動(dòng)切換到高壓保護(hù)調(diào)節(jié)，PLC控制器將根據(jù)壓力反饋值對(duì)閥位開(kāi)度進(jìn)行PID自動(dòng)控制;當(dāng)流量反饋值＞流量設(shè)定值，且98%高壓保護(hù)設(shè)定值＜?jí)毫Ψ答佒担?02%高壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥在10s后將高壓保護(hù)調(diào)節(jié)自動(dòng)切回到流量調(diào)節(jié)。

⑧低壓保護(hù)調(diào)節(jié):在流量調(diào)節(jié)時(shí)，當(dāng)壓力反饋值＜低壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥在10s后將流量調(diào)節(jié)自動(dòng)切到低壓保護(hù)調(diào)節(jié)，PLC控制器將根據(jù)壓力反饋值對(duì)閥位開(kāi)度進(jìn)行PID自動(dòng)控制;當(dāng)流量反饋值＜流量設(shè)定值，且98%低壓保護(hù)設(shè)定值＜?jí)毫Ψ答佒担?02%低壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥在10s后將低壓保護(hù)調(diào)節(jié)自動(dòng)切回到流量調(diào)節(jié)。

⑨為確保調(diào)節(jié)閥在PID自動(dòng)與手動(dòng)控制間相互切換時(shí)，閥門(mén)不會(huì)馬上動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，對(duì)控制邏輯進(jìn)行了如下設(shè)計(jì):當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于PID自動(dòng)控制時(shí)，閥位反饋值將自動(dòng)賦給閥位設(shè)定值;當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于PID手動(dòng)控制時(shí)，壓力反饋值將自動(dòng)賦給壓力設(shè)定值，流量反饋值將自動(dòng)賦給流量設(shè)定值等。

⑩為確保調(diào)節(jié)閥在PID自動(dòng)控制過(guò)程中，突然出現(xiàn)就地或故障的意外情況時(shí)，調(diào)節(jié)閥不會(huì)誤動(dòng)作，在控制邏輯上進(jìn)行了如下設(shè)計(jì):在就地或故障時(shí)，調(diào)節(jié)閥由PID自動(dòng)控制自動(dòng)切換到PID手動(dòng)控制;同時(shí)，閥位反饋值將自動(dòng)賦給閥位開(kāi)度控制信號(hào)、閥位設(shè)定值等，壓力反饋值自動(dòng)賦給壓力設(shè)定值，流量反饋值自動(dòng)賦給流量設(shè)定值。

2 故障原因

分別從電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障和控制邏輯問(wèn)題兩方面分析電動(dòng)調(diào)節(jié)閥誤關(guān)斷的原因。由于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)因本身故障導(dǎo)致關(guān)斷的可能性很小，且對(duì)其他電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行掉電、上電測(cè)試時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)相同的問(wèn)題，因此可以排除執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身的問(wèn)題，應(yīng)該從控制邏輯上查找原因。

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是Rotork IQM系列產(chǎn)品［5］，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)掉電時(shí)，會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)。

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在故障時(shí)的部分控制邏輯示意圖如圖1所示。

圖1 故障時(shí)的邏輯時(shí)序圖Fig.1 The logic when fault happens

圖1中，XUS=1表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障，XS=0表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于就地狀態(tài);PZF為閥位反饋值;PZC為閥位控制信號(hào);FWSP為閥位設(shè)定值。由邏輯可知，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障或就地時(shí)，閥位反饋值通過(guò)MOV指令直接賦給閥位控制信號(hào)和閥位設(shè)定值［6-7］。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)掉電后失去了動(dòng)力電，因此不會(huì)引起閥門(mén)動(dòng)作，閥位開(kāi)度不變。PLC采集相應(yīng)的閥位反饋值后，再賦給閥位控制信號(hào)和閥位設(shè)定值。從邏輯上看，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在重新上電后，也不應(yīng)當(dāng)使閥門(mén)關(guān)閉。

但僅從以上邏輯分析，并不能找出根本原因，還需要結(jié)合 HMI事件記錄進(jìn)行分析［8］。下面對(duì)其舉例說(shuō)明。

某站某天PV6104電動(dòng)調(diào)節(jié)閥某次誤關(guān)斷的HMI事件記錄如下。

①19:17:17，出現(xiàn)壓力保護(hù)系統(tǒng)PV6104故障報(bào)警，同時(shí)PV6104閥的閥位設(shè)定值、閥位反饋值和閥位控制信號(hào)都為-21.72%，還有輸氣中斷報(bào)警，說(shuō)明此時(shí)PV6104閥已經(jīng)關(guān)斷。

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

③19:17:27，壓力保護(hù)系統(tǒng)PV6104的故障報(bào)警消除，說(shuō)明電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)此時(shí)已恢復(fù)正常。

在19:17:17和19:17:21時(shí)，根據(jù)PV6104閥的閥位設(shè)定值、閥位反饋值和閥位控制信號(hào)的數(shù)值，可以判斷出閥位反饋值有問(wèn)題，因此需要從閥位開(kāi)度反饋信號(hào)著手，進(jìn)行更深入的分析。而閥位開(kāi)度反饋信號(hào)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)給出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝有閥位變送器，它提供由內(nèi)部供電、電氣隔離的4～20 mA模擬量閥位開(kāi)度反饋信號(hào)［9］。

由此可見(jiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)給出的閥位開(kāi)度反饋信號(hào)是一個(gè)有源信號(hào)，因此，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)掉電時(shí)，閥位開(kāi)度反饋信號(hào)約為0 mA。PLC控制器將0 mA電流轉(zhuǎn)換為工程量閥位開(kāi)度約-25%，然后再將該值賦給閥位控制信號(hào)。閥位控制信號(hào)-25%的閥門(mén)開(kāi)度被PLC控制器轉(zhuǎn)換成約0 mA的值，并輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一旦執(zhí)行機(jī)構(gòu)重新上電，閥門(mén)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉［10］。

3 控制邏輯優(yōu)化

如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障是由于非掉電引起的，則原來(lái)的控制邏輯可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控保持閥位不變的功能。經(jīng)過(guò)以上分析可知，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障是掉電引起的，則該邏輯就無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控保持閥位不變的功能。因此，需要對(duì)該部分控制邏輯進(jìn)行合理優(yōu)化，具體有以下三種方案。

①設(shè)置一個(gè)局部中間變量PZF1，用于存儲(chǔ)執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于正常狀態(tài)時(shí)的閥位反饋值。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，則將PZF1賦給閥位控制信號(hào)和閥位設(shè)定值，這樣就可以保證閥門(mén)即使是在掉電這種特殊故障情況下，也不會(huì)再出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作導(dǎo)致閥門(mén)關(guān)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(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于正常狀態(tài)(XUS=0)時(shí)，將閥位反饋值PZF通過(guò)MOV指令賦給中間變量PZF1;當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障(XUS=1)時(shí)，則將PZF1賦給閥位控制信號(hào)和閥位設(shè)定值。

方法一存在的不足是，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)掉電后給出故障信號(hào)的時(shí)間比實(shí)際掉電時(shí)間晚，則會(huì)將錯(cuò)誤的閥位反饋值賦給PZF1，執(zhí)行機(jī)構(gòu)重新上電后，閥門(mén)仍會(huì)關(guān)閉。

②取消故障狀態(tài)時(shí)，閥位反饋值將具有自動(dòng)賦給閥位控制信號(hào)和閥位設(shè)定值的功能。因?yàn)樵趫?zhí)行機(jī)構(gòu)處于故障狀態(tài)時(shí)，PID手動(dòng)控制和PID自動(dòng)控制都無(wú)效。如果閥位反饋值也不能自動(dòng)賦給閥位控制信號(hào)、閥位設(shè)定值等，那么閥門(mén)也不會(huì)動(dòng)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(dāng)閥門(mén)處于非掉電引起的故障時(shí)，閥位控制信號(hào)、閥位設(shè)定值等都不會(huì)自動(dòng)跟蹤閥位反饋值，壓力設(shè)定值也不會(huì)自動(dòng)跟蹤壓力反饋值，流量設(shè)定值也不會(huì)跟蹤流量反饋值。此時(shí)，如果將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制由手動(dòng)模式切換到自動(dòng)模式，則可能會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)，因?yàn)楣收锨暗膲毫蛄髁吭O(shè)定值與當(dāng)前的壓力或流量反饋值可能并不一樣，一旦切到自動(dòng)模式后，閥門(mén)可能會(huì)立即動(dòng)作。

③將閥位反饋值與0作比較，在發(fā)生故障的同時(shí)，只有當(dāng)閥位反饋值大于0時(shí)，才可執(zhí)行閥位反饋值自動(dòng)賦給閥位控制信號(hào)、閥位設(shè)定值等的邏輯。因?yàn)樵诠收蠣顟B(tài)，當(dāng)閥位反饋值小于0時(shí)，說(shuō)明執(zhí)行機(jī)構(gòu)很可能已經(jīng)掉電?？刂七壿嫹椒ㄈ鐖D4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(guò)GRT指令將閥位反饋值PZF與0作比較，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障(XUS=1)的同時(shí)，只有當(dāng)PZF大于0時(shí)，才將PZF賦給閥位控制信號(hào)和閥位設(shè)定值。

4 結(jié)束語(yǔ)

從現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，邏輯修改方法三的綜合效果最好，有效解決了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)掉電后重新上電時(shí)閥門(mén)自動(dòng)關(guān)斷的問(wèn)題，排除了安全隱患，為站場(chǎng)的連續(xù)性分輸提供了更好的保障。同時(shí)，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)由故障狀態(tài)恢復(fù)正常后，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的PID手動(dòng)控制與PID自動(dòng)控制的無(wú)擾切換功能將不受影響，便于操作人員快速恢復(fù)分輸自動(dòng)控制，且不對(duì)流量造成較大波動(dòng)。

優(yōu)化后的控制邏輯總體上實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥分輸壓力流量控制邏輯優(yōu)化的目的。

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