西氣東輸一線分輸壓力PID控制效果改進

王海峰

(中國石油西氣東輸管道公司南昌管理處，南昌 330038)

西氣東輸一線站場給下游用戶的天然氣分輸壓力多采用PID控制，即通過Modicon Quantum PLC系統控制電動調節閥的開關實現對天然氣分輸壓力的控制，控制器型號140CPU43412A。特別是部分站場到下游用戶門站間距離較短、分輸管徑較細，當用戶用氣量不穩時，容易引起出站壓力劇烈波動。面對此種工況，電動調節閥壓力的PID控制存在滯后及調節閥動作過于頻繁等問題，達不到所要求的壓力，對下游用戶的生產和居民的用氣造成了不同程度的影響，這無疑是站場安全平穩運行的重要隱患。為此，很有必要對電動調節閥壓力的PID控制邏輯進行分析，找出所有影響控制效果的可能因素，并給出相應的解決方法，以期提高天然氣分輸壓力的平穩性和安全可靠性。

1 壓力PID控制邏輯說明①

電動調節閥壓力PID控制邏輯的程序編寫采用功能塊圖語言(Function Block Diagram，FBD)，其邏輯功能包括基本功能、壓力控制死區、PID功能塊的上限和下限、閥位開度值的上限和下限，現分述如下：

a. 基本功能。當電動調節閥處于遠控、無故障、PID壓力自動控制使能和壓力控制模式狀態時，在人機界面輸入壓力設定值，PLC控制器將根據天然氣分輸出口壓力反饋值與設定值的偏差和PID參數，通過PID功能塊(圖1)計算閥位開度(0%～100%)，開度值經量程轉換(0～4 095)后，通過140ACO02000模擬量輸出(AO)模塊進行數模轉換，輸出4～20mA電流信號到現場電動調節閥的電動執行機構，控制閥門的開關[1]。

圖1 PID功能塊引腳

b. 壓力控制死區。當天然氣分輸出口壓力設定值與壓力反饋值的偏差的絕對值不大于壓力控制死區時，PLC控制器停止計算閥位開度，保持電動調節閥的閥位開度輸出值不變。

c. PID功能塊的輸出上限和下限。PID功能塊計算出的輸出值Y被限制在其上限YMAX和下限YMIN范圍內，即YMIN≤Y≤YMAX。目的是防止PID功能塊的輸出超限。

d. 閥位開度的上限和下限。PID功能塊計算出的輸出值Y再賦給閥位開度值P5104Y(假設電動調節閥編號為5104，P表示壓力)，P5104Y又被限定在閥位開度值上限ZI5104MAX和下限ZI5104MIN范圍內(圖2)，即ZI5104MAX≤P5104Y≤ZI5104MIN。目的是防止閥位開度輸出超限。

圖2 閥位開度的上下限

原PLC程序的壓力PID控制邏輯如圖3所示，其中電動調節閥的編號為5104。

圖3 原壓力PID控制邏輯

調節閥處于遠控、無故障、PID壓力自動控制使能狀態時Soft_P5104AM=1；調節閥處于壓力控制模式時PID_SELtoF=0。PID功能塊輸入端MAN=0時PID功能塊才會進行PID計算。

P5104SP為壓力設定值，rPI6102為壓力反饋值，系統偏差ERR=SP-PV=P5104SP-rPI6102=P5104ERR。圖3中，當P5104ERR的絕對值小于10kPa(控制死區)時，HALT=1，PID模塊停止PID計算。

PID參數使能：EN_P=1、EN_I=1、EN_D=1表示P、I、D參數均使能。

PID參數：比例增益GAIN=P5104K，無量綱；積分時間TI=P5104TI×1000，單位為ms；微分時間TD=P5104TD×1000，單位為ms。

PID功能塊的輸出上限YMAX=100%，下限YMIN=0%。

YMAN為手輸值，當MAN=1時(手動模式，PID模塊不進行PID計算)，YMAN有效，此時輸出Y=YMAN。

PID計算公式如下：

2 壓力PID控制效果不佳的原因分析

經過現場測試分析，總結出壓力PID控制效果不佳的原因主要在以下幾方面：

a. PID參數設置不當，同時未進行合理整定而影響了PID的控制效果。如某站場壓力P、I、D參數設置為5、2、1s，從現場情況可以明顯看出比例作用太弱，積分作用太強，還帶有微分作用。從工程經驗上講，天然氣分輸壓力PID控制系統是不需要微分作用的，原因是壓力響應較快[2]。

b. 天然氣分輸出口壓力采樣值電流信號受外界擾動[3]不夠平滑，造成調節閥在壓力控制死區附近無規律動作，影響了壓力控制的穩定性。如當前現場實際壓力值(假設量程為0～6MPa)為2 496kPa，換算成4～20mA電流值應該為10.656mA。但是由于儀表回路會受到外界干擾，回路電流會在10.656mA上下不停地變化，如果外界擾動過大，會引起壓力采樣值的變化過大。假設當前壓力設定值為2 500kPa，壓力控制死區為10kPa，分輸出口壓力反饋值為2 496kPa，屬于穩態，而一旦壓力反饋值由于干擾而變成大于2 510kPa或小于2 490kPa，PLC系統會控制閥門立即動作，動作的快慢取決于PID參數。

c. PLC程序中壓力PID功能塊的輸出上下限與閥位開度值上下限的設置不一致，在控制過程中易形成積分飽和效應[4]，造成閥門突然動作或動作滯后。如某個電動調節閥壓力PID功能塊的輸出上限和下限分別設置為100%和0%，而閥位開度值的上下限分別設為50%和10%。假設當前壓力設定值為2 500kPa，出站壓力2 350kPa，壓力控制死區為10kPa，閥門在壓力PID控制下自動打開。當閥開到50%時，由于閥位開度上限為50%，閥門不能再繼續打開。但如果此時偏差仍未消除，由于積分作用，PID功能塊會繼續增大輸出，以至于超過50%，甚至達到其上限100%。此時，如果操作員將閥位開度上限值增加到60%，那么閥門會立即動作，流量會瞬間猛增，可能會損壞渦輪流量計；或者此時，操作員要降低出站壓力，將設定值修改為2 200kPa，由于PID功能塊的輸出需要從當前值(如100%)往下減小，只有當減小到50%以下閥門才會動作，造成關閥動作滯后，出站壓力可能已經憋得很高。

d. 電動調節閥壓力控制死區設置過小造成閥門頻繁動作。現場測試結果表明，基本上所有的站場分輸壓力PID控制的死區都設為10kPa，這顯然與實際不符，因為不可能所有站場的工況都一樣。如果壓力控制死區設置過小，就意味著被控壓力超出控制死區范圍的可能性增大，那么PLC系統就要對閥門開度進行更頻繁的PID計算，并更頻繁地調節。不過，控制死區也不能設置得過大，否則壓力控制會過于滯后，超調量過大，引起被控壓力周期性波動，很難達到較好的穩態效果。

3 改進措施

根據壓力PID控制效果不佳的原因分析，采取以下相應的改進措施。

采用工程整定法對不同站場的電動調節閥壓力PID參數進行人工整定，得到比較適合所用調節閥的PID參數，提高PID的控制效果。

在PLC程序中對天然氣分輸出口壓力采樣值增加濾波，消除因外界擾動引起的壓力采樣值尖峰所造成的影響，使壓力采樣值更加平滑。濾波算法采用滑動平均濾波法[5]：每隔200ms連續取5個采樣值并編成一個隊列，隊列長度固定為5，每次采樣到一個新數據放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數據，把隊列中的5個數據進行算術平均運算。

由于Quantum PLC編程軟件Concept未自帶濾波功能塊，因此編寫濾波功能塊并命名為FILTERA，如圖4所示，將壓力反饋值rPI6102經過濾波后賦給rPI6102f，并讓rPI6102f參與PID計算。

圖4 濾波功能塊FILTERA

PLC程序中，使壓力PID功能塊的輸出上下限與閥位開度的上下限保持一致，避免積分飽和效應。修改后的程序如圖5所示，將ZI5104SPMAX和ZI5104SPMIN分別賦給YMAX和YMIN。

圖5 修改后的壓力PID控制邏輯

根據下游用戶對燃氣壓力的要求，合理設置壓力控制死區。有的用戶允許的壓力波動范圍大，且其用氣量波動也大，如CNG加氣站，相應的分輸壓力控制死區設置稍微大些。另外，有些下游用戶的壓力經常會在某個小范圍內波動(如±10、±15、±20kPa等)，這也可以作為一個壓力控制死區設置的參考依據，即當下游用戶的壓力在死區范圍內波動時，調節閥不動作，這樣就大幅減少了調節閥動作的次數。

4 結束語

從現場的測試結果來看，經過對電動調節閥壓力PID控制邏輯和PID參數的優化，有效地解決了電動調節閥壓力PID控制效果不佳的問題，更好地滿足了不同下游用戶對燃氣壓力的要求，間接地減少了電動調節閥由于頻繁動作而引起的執行機構損壞的可能性，排除了安全隱患，也降低了維護成本，給站場的連續性分輸提供了有力保障。

[1] 王海峰,梁建青,彭太翀,等.西氣東輸二線分輸壓力流量控制邏輯優化[J].自動化儀表,2013,34(1):89～91,94.

[2] 薛夫振,張亞男,田珊軍.基于PLC的數字PID控制算法在原油管道輸送中的應用[J].中國石油和化工標準與質量,2014,(6):112～114.

[3] 李燕波.工業自動化工程中如何屏蔽外來信號的干擾[J].中國科技博覽,2014,(3):437.

[4] 李鐘慎,郭輝,張磊,等.PID控制系統抗飽和方法的對比研究[J].信息技術與信息化,2013,(4):68～71.

[5] 呂余清,張松柏.一種基于滑動濾波的數字AGC應用[J].艦船電子對抗,2014,37(4):54～56.