基于中控DCS的积分分离PID在油气田的应用

曾维伟 丁 路 康维岚 李 皓 张家成 武宇卓

1. 中国石油天然气集团公司塔里木油田分公司, 新疆 库尔勒 841000;2. 北京中油瑞飞信息技术有限责任公司, 北京 100007;3. 中国石油运输有限公司, 新疆 乌鲁木齐 830014

0 前言

PID控制算法在工业生产控制中占有极大比重,在实际生产运行中对PID控制算法有诸多的改进,这些改进通常是对积分环节和微分环节进行处理;通常对积分项的处理方法有积分分离法、抗饱和积分法。实际生产运行中的PID控制算法通常为增量式PID算法,抗饱和积分法在增量式PID算法中又不易于实现。根据现场实际生产情况,对浙江中控DCS的PID功能块加以改进，以满足现场的实际生产需求、减少PID参数整定的工作量。

1 ECS-700系统简介

ECS-700系统作为中控最新和功能最强的DCS系统,集成了比较成熟的PID控制功能模块,其中PID算法[1]实现为:

un+1=un+Δun+1

(1)

式中:un+1为第n+1次的输出；un为第n次的输出；Δun+1为第n+1次的增量。

式(1)为增量式PID算法,中控DCS系统中对积分项的处理为:当误差|en|>ε时,切除积分作用[2],并对比列项进行补偿,此时的补偿系数为f,补偿后的比列系数为:

(2)

控制系统误差越大,积分作用越强,导致系统振荡剧烈、调节时间过长[3]。为避免此现象引入补偿系数f，但实际应用效果并不好。

2 控制对象简介

图1为乙二醇单元工艺流程。本文的控制对象为一个三相分离器(图1中二级分离器)的乙二醇水溶液和轻烃的界位,此分离器工艺流程:富天然气(未脱水脱烃)经过一级换热器降温→一级分离器→二级换热器→丙烷压缩机制冷降温→二级分离器进行分离(富乙二醇、天然气、轻烃分离)[4]。

图1 乙二醇单元工艺流程

乙二醇作为脱水剂其流程为:乙二醇水溶液经过循环泵去往各个加注点→丙烷压缩机→二级分离器→乙二醇再生装置[5-6]。乙二醇的循环量通常是稳定的,进入分离器的乙二醇水溶液的流量也是稳定的,从理论上讲只要控制分离器的乙二醇出口流量调节阀的开度(调节阀开度波动理应很小)界位就会很平稳。但实际运行中液位波动和调节阀的波动较大,故认为是控制回路中所采取的控制律不能满足现场实际生产需求而造成的影响,因此以中控ECS-700 PID常规功能块为基础[7],对其进行改进使控制回路中的控制律能够满足实际的生产需求。

3 控制策略

本文采用增量式PID控制算法[8]:

u=up+ui+ud

(3)

un+1=un+Δun+1

(4)

式中:u为PID的输出；up、ui、ud分别为比例、积分、微分的输出；un+1、un、Δun+1分别为PID算法离散后的第n+1次输出、n次输出、n+1次的增量。

对微分项进行不完全微分处理[9],对积分项进行积分分离处理:

(5)

(6)

式中:Td、Ti、T、T*分别为微分时间、积分时间、采样周期、一阶滤波时间常数,s;k为积分分离的判断因子；e、e′分别为误差和误差的变化率1,当|e|′<0时k=0,否则k=1。

要在DCS中实现上述算法需要对其进行离散处理,采样周期为1 s,联立式(3)～(6)可得其离散后表达形式[10]:

(7)

式中:kp为比列系数；en、en+1分别为第n次误差和n+1次误差。

4 Matlab仿真

对本文所述界位控制系统进行仿真需要知道各环节的传递函数[13],需要对控制对象进行系统辨识、建模。对此系统精确建模具有一定的困难,且本章的仿真只是对本文的控制策略进行定性分析,因此简化建模的部分环节。

此系统界位H大小受进液量Q1和出液量Q2影响,二级分离器的醇腔底面积为A,则H与Q2的微分数学关系为[14]:

(8)

对式(8)进行拉式变换:

(9)

醇和烃的分离过程可视为一个二阶环节[15],则进液量Q1与H的传递函数为:

(10)

式中:T1、T2为二阶环节中的时间，s；H为界位高度，m；A为底面积，m2;Q1为进液量，m3/h；H′为H的求导数。

调节阀的流量特性为等百分比,因此调节阀的开度V与出口流量的关系为:

Q2=C1eC2V

(11)

DCS中的控制器输出与阀开度的关系可视为一阶环节:

(12)

式中:T4为一阶环节的时间常数,s。

变送器环节的传递函数为:

(13)

式中:T5为一阶环节的世界常数,可视为变送器的阻尼系数，s。

控制系统的离散时间为1 s,当|en|-|en+1|<0时，将积分作用切除,依照此思路搭建图2所示的Simulink仿真[16]。

图2 Simulink仿真

运用了Matlab Function函数在Simulink仿真中实现了PID的各项功能[17]，图2中的常数1、2、3分别为kp、Ti、Td的取值，kp、Ti、Td为PID的控制参数。图3～6为仿真的实验结果,蓝色线为容器的界位、棕色线为控制器的输出、粉红色的线为设定值与反馈值之间的误差。图3、图5为传统PID调节下的输出曲线,图4、图6为采用了本文所述的改进PID积分分离控制算法后在相同的PID控制参数下的输出曲线。

在仿真中发现由于传统PID控制器的参数选择不当而引起系统振荡时,对积分环节采取本文所述的控制策略时能够有效抑制系统振荡,当传统PID参数整定值选取量比较合适时[18],采用本文的控制策略能进一步减少超调量，同时控制器的输出也更加平稳。当然通过大量的仿真发现,改进后的算法控制算法在仿真过程中也暴露了缺点:误差消除速度可能非常缓慢。此时需要对判据进行修正:|en|-|en+1|<ε停止积分作用,其中ε<0。

图3 kp=5,Ti=10,Td=10,未进行积分切除

图4 kp=5,Ti=10,Td=10,进行积分切除

图5 kp=5,Ti=20,Td=10,未进行积分切除

图6 kp=5,Ti=20,Td=10,进行积分切除

5 在ESC-700系统中的应用

根据判据|en|-|en+1|<0停止积分作用，在ECS-700中整个控制回路的控制器部分算法实现见图7。

图7 中控DCS功能块图

图7中“JFQC”为用户自定义功能块,其源程序见图8。

图8 功能块脚本程序

本文的控制对象为一个三相分离器的醇腔界位,当采用中控自带的PID功能块时,其界位变化见图9蓝色曲线(黑色曲线为调节阀的实际运行开度,红色曲线为界位的设定值)。

当控制器经过本文所述改进后,其界位的变化见图10蓝色曲线(黑色曲线为调节阀的实际运行开度,红色曲线为界位的设定值)。

本文所述的控制策略在低温分离器(三相分离器)的乙二醇界位控制应用过程中能够获得更平稳的界位,调节阀的开度波动更小,对下游流程的扰动更小。从仿真曲线和实际运行效果来看,本文所述的控制策略能够有更小的超调量、更短的调节时间和波动更小的稳态特性。

图9 改进前的控制曲线

图10 改进后的控制曲线

6 结论

当误差的绝对值有开始变小的趋势时切除积分作用，从而消除因引入积分项而造成的调节滞后。这一改进在某油气场所三相分离器的界位控制调节中取得了良好的控制效果,同时也减少了大量整定PID参数的工作。在仿真过程中同时发现,积分分离算法在某些情况下会造成系统消除误差的时间变长,需要对切除积分作用的判据进行修正,其修正形式为|en|-|en+1|<ε停止积分作用,其中ε<0,但在本场站的实际运行并未明显发现此现象。