基于位置式增量PID控制的緩沖罐液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李艷鈺

（遼河石油勘探局有限公司信息工程分公司，遼寧盤錦，124010）

0 引言

含水原油外輸過程中，需將液位控制在設(shè)定范圍，過高易發(fā)生冒罐、過低導(dǎo)致外輸泵抽空運(yùn)行，嚴(yán)重的發(fā)生燒泵事故。遼河油田興采某站采用人工調(diào)節(jié)緩沖罐外輸泵運(yùn)行頻率控制罐液位，存在很大的安全隱患。急需開發(fā)一套外輸緩沖罐液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)控制外輸泵運(yùn)行頻率，達(dá)到液位平穩(wěn)控制的目的。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）人機(jī)參數(shù)設(shè)置接口。通過監(jiān)控軟件填寫外輸罐液位高度對(duì)應(yīng)的外輸泵運(yùn)行頻率表、高/低限液位報(bào)警值、外輸壓力報(bào)警值、外輸泵手/自動(dòng)運(yùn)行模式；PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集外輸罐液位，調(diào)節(jié)外輸泵變頻器運(yùn)行頻率。

（2）高/低限液位實(shí)時(shí)報(bào)警、外輸壓力高限報(bào)警，提醒操作人員注意，外輸壓力高限超過設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)降低外輸泵頻率，保護(hù)外輸管線運(yùn)行在合理壓力區(qū)間。同時(shí)，具有手自動(dòng)液位控制功能。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線查詢、打印功能。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2 設(shè)備選型

（1）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用西門子S7-224XP PLC，外擴(kuò)EM235（包含4路AI、1路AO）模塊，外輸罐頂安裝磁致伸縮液位計(jì)，通過屏蔽兩芯線將液位信號(hào)輸入到PLC的AI接口。變頻器到PLC控制柜布放一條RS485屏蔽雙絞線，讀取變頻器運(yùn)行頻率和其他必要的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）上位機(jī)軟件

上位機(jī)使用北京組態(tài)王軟件，與PLC控制器通信采用的是PPI接口協(xié)議。上位機(jī)留有與PLC控制器的參數(shù)設(shè)置接口，參數(shù)設(shè)置好后，PLC控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，無須人工干預(yù)。

圖2 系統(tǒng)配線簡(jiǎn)圖

3 控制方案設(shè)計(jì)

3.1 PID控制方案

PID控制歷史悠久，至今已有幾十年的歷史，是目前經(jīng)典控制理論中技術(shù)最為成熟的控制算法，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、石油化工以及軍事科學(xué)等領(lǐng)域。PID控制器按照偏差的比例、積分和微分對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，具有結(jié)構(gòu)、原理簡(jiǎn)單直觀、適應(yīng)面廣、參數(shù)易整定等特點(diǎn)[1]。PID算法在長(zhǎng)期的工業(yè)生產(chǎn)中技術(shù)非常成熟并累積了豐富的經(jīng)驗(yàn)，成為許多新興控制算法的根基，因此首選PID控制算法[2-3]。

圖3 PID 控制系統(tǒng)框圖

PID控制器作為一種線性控制器，是串聯(lián)控制器的常用類型，它根據(jù)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，用來控制被控對(duì)象。

PID 控制器控制規(guī)律：

其中，Kp為比例系數(shù)，或稱PID控制器的增益；Tl為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

積分累計(jì)求和近似

微分一階差分近似

PID 控制器對(duì)系統(tǒng)的控制作用包括比例、積分和微分三部分。現(xiàn)場(chǎng)主要是調(diào)節(jié)P、I、D三個(gè)參數(shù)來達(dá)到系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的目的。使用的是西門子S7-200的PID功能庫。以罐液位作為輸入變量，給定頻率作為輸出變量。調(diào)試過程中，在0.2-4之間改變P值，輸入輸出比例增益P值越大，調(diào)節(jié)的幅度越大。但由于增益過大，出現(xiàn)了過調(diào)節(jié)、震蕩現(xiàn)象。因此，控制P值在1.5-2之間，減小單次調(diào)節(jié)增益，壓低調(diào)節(jié)幅度。調(diào)節(jié)I值積分項(xiàng)，在1-10之間，輸入輸出的調(diào)節(jié)時(shí)間隨I值增大而增大；當(dāng)I值設(shè)成1或2時(shí)，雖速度提高，但出現(xiàn)過調(diào)節(jié)、震蕩現(xiàn)象；I值設(shè)定9-10，系統(tǒng)調(diào)節(jié)與液位變化不能同步，導(dǎo)致當(dāng)液位高、低限報(bào)警時(shí)，仍在緩慢調(diào)節(jié)頻率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)PID算法不適用外輸罐液位自控系統(tǒng)原因?yàn)椋?/p>

由于單井進(jìn)站的液量變化大，卸油車卸油時(shí)間不固定，導(dǎo)致輸入變量突然變化，PID調(diào)節(jié)無法跟上輸入變化量。外輸罐本身為一個(gè)大滯后系統(tǒng)，調(diào)節(jié)積分I值，值大了存在系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后，值小了容易產(chǎn)生震蕩。

3.2 位置式液位調(diào)節(jié)控制方案

工作原理：在監(jiān)控軟件上設(shè)計(jì)10段位置與頻率對(duì)應(yīng)表，PLC程序根據(jù)每段液位高度自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率。液位在區(qū)間輸出的頻率為恒定值，當(dāng)液位處于段和段之間的位置，輸出頻率階躍變換。位置式算法表達(dá)式：

液位對(duì)應(yīng)輸出頻率關(guān)系由采油站作業(yè)人員根據(jù)本站以往實(shí)際情況輸入到PLC中，PLC會(huì)根據(jù)自動(dòng)控制變頻器給定頻率，實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制。從液位位置與頻率對(duì)應(yīng)可以看出，液位越高，輸出的頻率越高，液位越低，輸出的頻率越低，以實(shí)現(xiàn)外輸液位的精準(zhǔn)自動(dòng)控制。如當(dāng)PLC讀取到的液位值為1.322米，根據(jù)查表程序，PLC自動(dòng)輸出對(duì)應(yīng)的38Hz頻率給外輸泵。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中出現(xiàn)了階躍調(diào)頻現(xiàn)象。例如在第五段液位往第六段液位上升（或下降）過程中，液位可能會(huì)在1.298-1.302的位置反復(fù)多次，對(duì)應(yīng)的輸出頻率也會(huì)不斷地在34Hz到38Hz來回階躍跳變，對(duì)于外輸泵軸瓦有較大磨損，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致軸瓦漏油。

3.3 增量控制方案

第二版控制方案當(dāng)液位處于臨界點(diǎn)時(shí)（段與段之間的位置），液位微分動(dòng)作會(huì)使輸出的頻率Hz產(chǎn)生大幅度變化。以第五段與第六段液位控制為例，其階躍函數(shù)如下：

為解決以上問題，在PLC程序里加入了階躍調(diào)頻的平滑處理。

位置式增量PID控制

式（6）- 式（8）

或

改進(jìn)后，在第五段液位往第六段液位上升（或下降）過程中，液位可能會(huì)在1.298-1.302的位置反復(fù)多次，PLC輸出頻率不會(huì)直接由34Hz到38Hz來回階躍跳變，而是在液位邊界處，PLC輸出頻率以0.5Hz步進(jìn)方式增加，直至38Hz。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2020年10月，遼河油田興采采油作業(yè)五區(qū)某站投入使用該外輸罐液位自動(dòng)控制系統(tǒng)（遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)），2021年4月，新贈(zèng)一使用站。截止目前，外輸罐液位自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了外輸泵運(yùn)行頻率的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，達(dá)到了液位平穩(wěn)控制的要求，滿足日常生產(chǎn)要求，降低了操作人員的工作強(qiáng)度，提高了站庫自動(dòng)化管理水平。

5 結(jié)論

本控制系統(tǒng)針對(duì)單井進(jìn)站的液量變化大、卸油車卸油時(shí)間不固定所導(dǎo)致的輸入變量突然變化，PID調(diào)節(jié)無法跟上輸入變化量的技術(shù)難題，設(shè)計(jì)出獨(dú)特的仿人工調(diào)節(jié)PID算法模型，適應(yīng)采油接轉(zhuǎn)站外輸罐實(shí)際外輸情況。同時(shí)，對(duì)位置式調(diào)節(jié)增加了階躍平滑處理，消除液位小幅波動(dòng)時(shí)造成頻率的階躍變化，保護(hù)了外輸泵的軸瓦，延長(zhǎng)外輸泵運(yùn)行壽命。該控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用提高了接轉(zhuǎn)站外輸罐控制系統(tǒng)的智能性和可靠性，降低了人工成本，增強(qiáng)了生產(chǎn)安全，提高了員工幸福度。