分輸站計量回路自動控制的實現(xiàn)

張 平 管文涌 嚴(yán) 密 曹永樂

（國家管網(wǎng)集團(tuán)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(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 （Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)產(chǎn)生的計量系統(tǒng)報警來判斷是否影響計量準(zhǔn)確性，從而決定是否切換至備用支路。 如需切換，則先確認(rèn)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(guān)閉故障路的出口電動閥。 根據(jù)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(fēng)險，容易導(dǎo)致分輸支路停輸，嚴(yán)重影響下游用戶的用氣平穩(wěn)。

b. 一旦值班員未及時發(fā)現(xiàn)故障信息，將會錯過切換計量支路的時機(jī)，導(dǎo)致計量誤差產(chǎn)生。 同時部分影響計量準(zhǔn)確性的故障（如計量撬出口閥門事故關(guān)斷、流量計算機(jī)死機(jī)等）無法通過報警的方式提示值班員。

c. 在“多用多備”的運(yùn)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(dǎo)致單路計量支路實際通過量低于流量計量低限； 同理，當(dāng)支路開得少，用戶分輸量大時，可能會導(dǎo)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(jié)果均存在誤差，而這類流量超限的異常狀態(tài)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(jìn)行調(diào)整。

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

1 技術(shù)思路和研究方法

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

1.1 流量計算機(jī)死機(jī)判斷

流量計算機(jī)死機(jī)的外在體現(xiàn)是流量計算機(jī)總底數(shù)無變化， 但和通信服務(wù)器的通信未中斷，無法觸發(fā)通信中斷報警。 該現(xiàn)象嚴(yán)重影響計量準(zhǔn)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(jī)內(nèi)部寄存器無流量計死機(jī)報警點(diǎn)，現(xiàn)場采用流量計算機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)正常時以底數(shù)不變的方式來判斷流量計算機(jī)死機(jī)。 流量計算機(jī)的流量信號通過通信服務(wù)器上傳至站場SCADA 系統(tǒng)上位機(jī)， 然后下發(fā)至PLC 系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)在任意1min 內(nèi)每間隔5s 讀取一次流量計算機(jī)總累積量，并分別記錄為A1、A2、…、A12，當(dāng)采集到在用路流量計算機(jī)A1=A12，且用戶在穩(wěn)定分輸至少10min、 流量計和流量計算機(jī)的通信正常、流量計算機(jī)和PLC 與通信服務(wù)器通信均正常時，給出流量計算機(jī)死機(jī)報警（圖1），滿足支路切換條件，并在上位機(jī)中給出提示。

圖1 流量計算機(jī)死機(jī)報警邏輯

圖1 中，F(xiàn)LOWDEAD 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(xù)執(zhí)行；F1_TSVU 為1#流量計算機(jī)底數(shù)；XV1_ZSH 為1#流量計出口電動閥開到位狀態(tài)；BREAK1 為用戶輸氣中斷報警狀態(tài)；FIQ1_Con 為流量計與流量計算機(jī)的通信狀態(tài)；VS_Con 為流量計算機(jī)與通信服務(wù)器的通信狀態(tài)。TON 為延時通邏輯運(yùn)算器；EQ_REAL 為Real型數(shù)值比較器；AND_BOOL 為Bool 型運(yùn)算與門。在程序執(zhí)行時TIMER1 一般設(shè)置為5s，即用戶在穩(wěn)定分輸至少10min、 流量計和流量計算機(jī)的通信正常、流量計算機(jī)和PLC 與通信服務(wù)器通信均正常時，1min 內(nèi)1#流量計算機(jī)底數(shù)保持不變（即A1=A12），此時可判斷該流量計算機(jī)死機(jī)，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(tǒng)實時采集流量計算機(jī)的報警和現(xiàn)場計量撬閥門狀態(tài)，在切換邏輯正常投用時設(shè)置好計量撬各支路的優(yōu)先級，對于“一用一備”工藝流程設(shè)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(yōu)先級由高至低分別設(shè)置為1，2，3，…，若支路存在故障則將該支路優(yōu)先級置為0，不參與邏輯執(zhí)行。一旦滿足切換條件即可在邏輯投入使用時順序執(zhí)行支路切換邏輯（圖2）。

圖2 支路切換邏輯順序流程

邏輯執(zhí)行順序如下：

a. 判斷現(xiàn)場的工藝情況是否滿足計量支路切換邏輯的執(zhí)行條件，當(dāng)條件滿足時進(jìn)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(dāng)該功能未投用時，退回至步驟a；當(dāng)該功能投用時，進(jìn)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(guān)。

c. 判斷該用戶計量支路狀態(tài)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(jìn)入步驟d。

d. 發(fā)出邏輯切換命令。 此時在站場上位機(jī)的畫面上出現(xiàn)邏輯執(zhí)行中的提示，并給出相關(guān)閥門動作狀態(tài)提示。 對于“一用一備”的流程，先開啟備用支路出口電動閥，當(dāng)閥門開到位后關(guān)閉原在用支路出口電動閥，該閥門關(guān)到位后則出現(xiàn)邏輯切換成功狀態(tài)，并取消邏輯切換正在執(zhí)行中的狀態(tài)。 若在預(yù)設(shè)的時間內(nèi)，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(zhí)行中的狀態(tài)。 出現(xiàn)切換邏輯執(zhí)行成功狀態(tài)或失敗狀態(tài)后，進(jìn)入步驟e。 對于M 用N 備流程，當(dāng)接收到切換命令后，開啟可用支路中優(yōu)先級最高的那一路出口電動閥，閥門全開后關(guān)閉故障支路出口電動閥， 該閥門關(guān)到位后則出現(xiàn)邏輯切換成功狀態(tài)，并取消邏輯切換正在執(zhí)行中的狀態(tài)。 若在預(yù)設(shè)的時間內(nèi)，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(zhí)行中的狀態(tài)，出現(xiàn)切換邏輯執(zhí)行成功狀態(tài)或失敗狀態(tài)后，進(jìn)入步驟e。

e. 切換邏輯執(zhí)行結(jié)束。

步驟a 中，必須全部滿足的計量支路切換邏輯執(zhí)行條件如下：

a. 該站無停站邏輯執(zhí)行狀態(tài)；

b. 該用戶無停輸邏輯執(zhí)行狀態(tài)；

c. 該用戶處于正常分輸狀態(tài)；

d. 該用戶備用計量支路至少有1 路出口電動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于遠(yuǎn)控（無故障）、自動、無偏差報警狀態(tài)（其中偏差報警是通過PLC 系統(tǒng)判斷閥門是否在規(guī)定時限內(nèi)動作到位來實現(xiàn)的，若規(guī)定時限內(nèi)閥門開關(guān)無法到位則產(chǎn)生該報警，需要人工復(fù)位后方可執(zhí)行下一次的開關(guān)動作）；

e. 備用計量支路至少有1 路流量計算機(jī)無A 類報警，且流量計與流量計算機(jī)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(dú)立觸發(fā)支路切換命令，包括：

a. 上位機(jī)主動下發(fā)的切換命令（含調(diào)控中心和站場值班員）；

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

c. 在用路流量計與流量計算機(jī)通信中斷時間超過5s；

d. 在用路流量計算機(jī)死機(jī)報警持續(xù)30s；

e. 在用計量支路出口電動閥事故關(guān)斷，即在未下發(fā)關(guān)閥命令的情況下，閥門偏離全開位。

1.3 計量支路增開減關(guān)

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(jī)的計量誤差在計量上、下限之間的計量最為準(zhǔn)確來考慮的，一般設(shè)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(shè)置為流量計量程上限的70%。 PLC 實時采集流量計算機(jī)的流量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場計量支路出口閥門狀態(tài)，一旦滿足條件即可在邏輯投入使用時執(zhí)行計量支路增開減關(guān)。

支路增開減關(guān)邏輯順序流程如圖3 所示。

圖3 支路增開減關(guān)邏輯順序流程

實現(xiàn)計量支路增開減關(guān)流程的步驟如下：

a. 判斷現(xiàn)場的工藝情況是否滿足計量支路增開減關(guān)條件，當(dāng)條件滿足時，進(jìn)入步驟b。

b. 判斷該用戶計量支路增開減關(guān)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(dāng)該功能未投用時，退回至步驟a；當(dāng)該功能投用時，進(jìn)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(guān)邏輯的開關(guān)。

c. 判斷該用戶計量支路流量計算機(jī)瞬時流量是否滿足邏輯執(zhí)行條件，若不滿足則退回步驟a，若滿足則進(jìn)入步驟d。 PLC 系統(tǒng)讀取流量計算機(jī)在當(dāng)前工況下的瞬時流量，計算出標(biāo)況瞬時流量， 與預(yù)設(shè)的流量計算機(jī)計量上下限進(jìn)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(zhí)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(zhí)行計量支路減關(guān)邏輯。

d. 發(fā)出邏輯執(zhí)行命令。 當(dāng)接收到增開命令后，開啟可用支路中優(yōu)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(tài)，并取消支路增開正在執(zhí)行中的狀態(tài)。 若在預(yù)設(shè)時間內(nèi)，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(chǎn)生支路增開失敗報警，并取消增開邏輯正在執(zhí)行中的狀態(tài)。 當(dāng)接收到減關(guān)命令后，關(guān)閉在用支路中優(yōu)先級最低的那一路出口電動閥，該閥門關(guān)到位后則出現(xiàn)支路減關(guān)成功狀態(tài)，并取消支路減關(guān)正在執(zhí)行中的狀態(tài)。 若在預(yù)設(shè)時間內(nèi)，未檢測到在用計量支路出口電動閥全關(guān)到位，則停止減關(guān)流程，給出支路減關(guān)失敗報警，并取消減關(guān)邏輯正在執(zhí)行中的狀態(tài)，相應(yīng)的閥門狀態(tài)和報警均在站場HMI 上給出提示。出現(xiàn)增開（減關(guān)）邏輯執(zhí)行成功狀態(tài)或失敗狀態(tài)后，進(jìn)入步驟e。

e. 切換邏輯執(zhí)行結(jié)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(guān)條件：

a. 該站無停站邏輯正在執(zhí)行狀態(tài)；

b. 該用戶正常分輸，無停輸邏輯執(zhí)行狀態(tài)；

c. 該用戶備用計量支路至少有1 路出口電動閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于遠(yuǎn)控、無故障、自動且無偏差報警狀態(tài)；

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

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

2 應(yīng)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(zhuǎn)供）支路進(jìn)行了為期半年的試運(yùn)行，期間站場投運(yùn)計量回路控制邏輯，并在站場HMI 畫面上顯示邏輯執(zhí)行的原因和過程，采用有人值守、無人操作的方式進(jìn)行值班管理，累積完成天然氣分輸計量9×109m3。

試運(yùn)行期間對計量系統(tǒng)各類邏輯執(zhí)行條件和邏輯是否正常執(zhí)行進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 控制邏輯試運(yùn)行情況

3 結(jié)束語

筆者設(shè)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(shè)備的情況下，通過SCADA 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并自主判斷當(dāng)前工況是否滿足計量需求，異常情況下及時發(fā)出報警并根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯步驟對工藝流程進(jìn)行調(diào)整。 可以在設(shè)備出現(xiàn)故障或工況原因引起較大計量誤差之前及時調(diào)整計量支路流程，能夠有效減小計量誤差。 同時，工藝調(diào)整完全依靠自動化系統(tǒng)判斷，按照預(yù)設(shè)的順序執(zhí)行邏輯開關(guān)閥門，有效減少了因值班人員誤操作導(dǎo)致的停輸事件發(fā)生，能夠?qū)⒄緢鲋蛋嗳藛T從繁重的輸氣工作中解放出來，優(yōu)化了人力資源配置。 在執(zhí)行過程中全自動無需人工干預(yù)， 能夠較好地推動輸氣站場向智能化、無人化控制模式轉(zhuǎn)型，提高了生產(chǎn)效率智能化管理水平。