分輸站計量回路自動控制的實現

張 平 管文涌 嚴 密 曹永樂

（國家管網集團西氣東輸公司）

在西氣東輸工程中，針對輸氣站場天然氣計量回路控制的普遍做法是由值班員通過讀取數據采集與監視控制 （Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統產生的計量系統報警來判斷是否影響計量準確性，從而決定是否切換至備用支路。 如需切換，則先確認備用支路具備投用條件，然后打開備用支路出口電動閥，待備用支路出口閥門開到位后關閉故障路的出口電動閥。 根據長期使用情況來看， 該控制方式存在3個問題：

a. 切換過程需要人為參與，存在誤操作的風險，容易導致分輸支路停輸，嚴重影響下游用戶的用氣平穩。

b. 一旦值班員未及時發現故障信息，將會錯過切換計量支路的時機，導致計量誤差產生。 同時部分影響計量準確性的故障（如計量撬出口閥門事故關斷、流量計算機死機等）無法通過報警的方式提示值班員。

c. 在“多用多備”的運行情況下，若計量支路開了多路，下游用戶輸量減小時可能會導致單路計量支路實際通過量低于流量計量低限； 同理，當支路開得少，用戶分輸量大時，可能會導致計量支路通過量超過流量計計量高限。 低于計量低限和高于計量高限的計量結果均存在誤差，而這類流量超限的異常狀態也未增加報警提示，不利于值班人員及時對計量支路流程進行調整。

西氣東輸沿線各輸氣站場進行過一系列控制 系 統 改 造，生 產 運 行 自 動 化 程 度 越 來 越 高［1～4］，就目前天然氣管網發展趨勢來看，“無人值守”、“自動分輸”將會取代傳統的“有人值班”的生產模式［5～9］，因此生產系統對自身故障判斷和邏輯切換的要求越來越高。

1 技術思路和研究方法

對該控制功能的實現主要分為3 部分：一是增加流量計算機死機報警判斷并發出報警提示；二是對回路控制動作條件進行優化；三是增加計量支路增開減關控制邏輯。 同時，在邏輯執行前先判斷現場設備和工藝狀態是否滿足執行條件，待邏輯執行完畢后檢查邏輯是否執行成功，并發出邏輯執行成功或失敗提示［10～12］。

1.1 流量計算機死機判斷

流量計算機死機的外在體現是流量計算機總底數無變化， 但和通信服務器的通信未中斷，無法觸發通信中斷報警。 該現象嚴重影響計量準確性，因此需要讀取該報警作為計量支路的切換條件。

因絕大部分流量計算機內部寄存器無流量計死機報警點，現場采用流量計算機在運行狀態正常時以底數不變的方式來判斷流量計算機死機。 流量計算機的流量信號通過通信服務器上傳至站場SCADA 系統上位機， 然后下發至PLC 系統，PLC 系統在任意1min 內每間隔5s 讀取一次流量計算機總累積量，并分別記錄為A1、A2、…、A12，當采集到在用路流量計算機A1=A12，且用戶在穩定分輸至少10min、 流量計和流量計算機的通信正常、流量計算機和PLC 與通信服務器通信均正常時，給出流量計算機死機報警（圖1），滿足支路切換條件，并在上位機中給出提示。

圖1 流量計算機死機報警邏輯

圖1 中，FLOWDEAD 是使用編程軟件編寫的程序功能塊，該功能是每間隔TIMER1（單位s）的時間讀取IN_PT 的值賦值給變量A1、A2、…、A12， 并持續執行；F1_TSVU 為1#流量計算機底數；XV1_ZSH 為1#流量計出口電動閥開到位狀態；BREAK1 為用戶輸氣中斷報警狀態；FIQ1_Con 為流量計與流量計算機的通信狀態；VS_Con 為流量計算機與通信服務器的通信狀態。TON 為延時通邏輯運算器；EQ_REAL 為Real型數值比較器；AND_BOOL 為Bool 型運算與門。在程序執行時TIMER1 一般設置為5s，即用戶在穩定分輸至少10min、 流量計和流量計算機的通信正常、流量計算機和PLC 與通信服務器通信均正常時，1min 內1#流量計算機底數保持不變（即A1=A12），此時可判斷該流量計算機死機，將輸出變量F1_DOWN 置1，并在HMI 畫面上顯示。

1.2 計量支路切換

PLC 系統實時采集流量計算機的報警和現場計量撬閥門狀態，在切換邏輯正常投用時設置好計量撬各支路的優先級，對于“一用一備”工藝流程設置主用路和備用支路，對于M 用N 備（M、N 中至少一個的值不小于2） 的流程則按照優先級由高至低分別設置為1，2，3，…，若支路存在故障則將該支路優先級置為0，不參與邏輯執行。一旦滿足切換條件即可在邏輯投入使用時順序執行支路切換邏輯（圖2）。

圖2 支路切換邏輯順序流程

邏輯執行順序如下：

a. 判斷現場的工藝情況是否滿足計量支路切換邏輯的執行條件，當條件滿足時進入步驟b。

b. 判斷該用戶計量切換邏輯是否已投入使用。 操作人員可以主觀地投用或不投用該功能，當該功能未投用時，退回至步驟a；當該功能投用時，進入步驟c。該步驟提供一個用戶自主決定啟用或不啟用計量切換邏輯的開關。

c. 判斷該用戶計量支路狀態是否滿足邏輯切換條件，若不滿足則退回至步驟a，若滿足則進入步驟d。

d. 發出邏輯切換命令。 此時在站場上位機的畫面上出現邏輯執行中的提示，并給出相關閥門動作狀態提示。 對于“一用一備”的流程，先開啟備用支路出口電動閥，當閥門開到位后關閉原在用支路出口電動閥，該閥門關到位后則出現邏輯切換成功狀態，并取消邏輯切換正在執行中的狀態。 若在預設的時間內，未檢測到備用計量支路出口電動閥全開到位，則停止切換流程，生成邏輯切換失敗報警，并取消切換邏輯正在執行中的狀態。 出現切換邏輯執行成功狀態或失敗狀態后，進入步驟e。 對于M 用N 備流程，當接收到切換命令后，開啟可用支路中優先級最高的那一路出口電動閥，閥門全開后關閉故障支路出口電動閥， 該閥門關到位后則出現邏輯切換成功狀態，并取消邏輯切換正在執行中的狀態。 若在預設的時間內，未檢測到備用計量支路出口電動閥全開到位，則停止切換流程，生成邏輯切換失敗報警，并取消切換邏輯正在執行中的狀態，出現切換邏輯執行成功狀態或失敗狀態后，進入步驟e。

e. 切換邏輯執行結束。

步驟a 中，必須全部滿足的計量支路切換邏輯執行條件如下：

a. 該站無停站邏輯執行狀態；

b. 該用戶無停輸邏輯執行狀態；

c. 該用戶處于正常分輸狀態；

d. 該用戶備用計量支路至少有1 路出口電動閥門執行機構處于遠控（無故障）、自動、無偏差報警狀態（其中偏差報警是通過PLC 系統判斷閥門是否在規定時限內動作到位來實現的，若規定時限內閥門開關無法到位則產生該報警，需要人工復位后方可執行下一次的開關動作）；

e. 備用計量支路至少有1 路流量計算機無A 類報警，且流量計與流量計算機通信正常。

步驟c 中的下述條件均為充分條件，任何一條均可獨立觸發支路切換命令，包括：

a. 上位機主動下發的切換命令（含調控中心和站場值班員）；

b. 在用路流量計算機出現A 類報警，如壓力通道故障、溫度通道故障等持續1min；

c. 在用路流量計與流量計算機通信中斷時間超過5s；

d. 在用路流量計算機死機報警持續30s；

e. 在用計量支路出口電動閥事故關斷，即在未下發關閥命令的情況下，閥門偏離全開位。

1.3 計量支路增開減關

該部分邏輯主要針對在M 用N 備工藝流程情況下， 基于流量計算機的計量誤差在計量上、下限之間的計量最為準確來考慮的，一般設置流量下限為渦輪流量計量程上限的20%，超聲波流量計量程上限的10%，流量上限設置為流量計量程上限的70%。 PLC 實時采集流量計算機的流量數據和現場計量支路出口閥門狀態，一旦滿足條件即可在邏輯投入使用時執行計量支路增開減關。

支路增開減關邏輯順序流程如圖3 所示。

圖3 支路增開減關邏輯順序流程

實現計量支路增開減關流程的步驟如下：

a. 判斷現場的工藝情況是否滿足計量支路增開減關條件，當條件滿足時，進入步驟b。

b. 判斷該用戶計量支路增開減關邏輯是否已投入使用。 操作人員可以主觀地投用或不投用該功能，當該功能未投用時，退回至步驟a；當該功能投用時，進入步驟c。該步驟旨在提供一個啟用或不啟用計量支路增開減關邏輯的開關。

c. 判斷該用戶計量支路流量計算機瞬時流量是否滿足邏輯執行條件，若不滿足則退回步驟a，若滿足則進入步驟d。 PLC 系統讀取流量計算機在當前工況下的瞬時流量，計算出標況瞬時流量， 與預設的流量計算機計量上下限進行對比。若任意在用路流量計的瞬時流量大于流量上限，則執行計量支路增開邏輯，若任意在用路流量計的瞬時流量小于流量下限，則執行計量支路減關邏輯。

d. 發出邏輯執行命令。 當接收到增開命令后，開啟可用支路中優先級最高的那一路出口電動閥， 該閥門開到位后給出支路增開成功狀態，并取消支路增開正在執行中的狀態。 若在預設時間內，未檢測到備用計量支路出口電動閥全開到位，則停止增開流程，產生支路增開失敗報警，并取消增開邏輯正在執行中的狀態。 當接收到減關命令后，關閉在用支路中優先級最低的那一路出口電動閥，該閥門關到位后則出現支路減關成功狀態，并取消支路減關正在執行中的狀態。 若在預設時間內，未檢測到在用計量支路出口電動閥全關到位，則停止減關流程，給出支路減關失敗報警，并取消減關邏輯正在執行中的狀態，相應的閥門狀態和報警均在站場HMI 上給出提示。出現增開（減關）邏輯執行成功狀態或失敗狀態后，進入步驟e。

e. 切換邏輯執行結束。

其中，步驟b 必須同時滿足全部以下條件才能夠滿足計量支路增開減關條件：

a. 該站無停站邏輯正在執行狀態；

b. 該用戶正常分輸，無停輸邏輯執行狀態；

c. 該用戶備用計量支路至少有1 路出口電動閥執行機構處于遠控、無故障、自動且無偏差報警狀態；

d. 備用計量支路至少有1 路流量計算機無A 類報警，流量計與流量計算機通信正常。

與此同時，對計量支路切換和增開減關邏輯設置了邏輯復位命令，在邏輯執行過程中，若收到復位命令，則停止邏輯執行過程，取消邏輯正在執行中的狀態， 停止一切正在輸出的命令，包括開閥命令、關閥命令。 復位命令用于在執行邏輯過程中停止邏輯執行過程，邏輯在執行成功或失敗后不需要再進行復位。

2 應用測試

計量回路自動控制邏輯在西氣東輸蘇浙滬管理處20 座站場共計56 個分輸（轉供）支路進行了為期半年的試運行，期間站場投運計量回路控制邏輯，并在站場HMI 畫面上顯示邏輯執行的原因和過程，采用有人值守、無人操作的方式進行值班管理，累積完成天然氣分輸計量9×109m3。

試運行期間對計量系統各類邏輯執行條件和邏輯是否正常執行進行了統計，統計結果見表1。

表1 控制邏輯試運行情況

3 結束語

筆者設計的分輸站計量回路自動控制邏輯，在不改變天然氣站場工藝流程和設備的情況下，通過SCADA 系統采集數據并自主判斷當前工況是否滿足計量需求，異常情況下及時發出報警并根據預設的邏輯步驟對工藝流程進行調整。 可以在設備出現故障或工況原因引起較大計量誤差之前及時調整計量支路流程，能夠有效減小計量誤差。 同時，工藝調整完全依靠自動化系統判斷，按照預設的順序執行邏輯開關閥門，有效減少了因值班人員誤操作導致的停輸事件發生，能夠將站場值班人員從繁重的輸氣工作中解放出來，優化了人力資源配置。 在執行過程中全自動無需人工干預， 能夠較好地推動輸氣站場向智能化、無人化控制模式轉型，提高了生產效率智能化管理水平。