輸油管道站場泵及電機溫度保護參數濾波優化及應用

張 黎

（國家管網集團西部管道有限責任公司，烏魯木齊 830000）

0 引言

雙蘭線輸油站場泵機組2006年投產運行，泵及電機本體儀表運行時間較長，在維護過程中，作業人員僅能夠對回路、端子進行排查，無法對泵及電機本體儀表自身狀態進行確認。在運行過程中，泵機組儀表如果因自身原因出現故障，該參數會直接達到上限，導致泵及電機保護參數觸發，造成停泵。此類問題使現場運維壓力增加，存在停泵風險。因此，在對泵機組保護參數邏輯梳理后，發現其邏輯存在可優化空間。在不修改原有保護參數前提下，綜合使用限幅遞推中位平均濾波法，對泵保護參數進行濾波，消除外部干擾。具體措施為：使用限幅法對原有模擬量保護參數進行濾波，用于消除泵機組儀表因自身故障、線路故障等偶然因素引起的脈沖干擾。同時結合遞推法，抑制外部干擾引起的短時間周期性干擾。結合中位平均法，對一般隨機干擾的信號進行濾波。最后，對程序優化結束并對優化后的泵機組進行測試驗證。

1 濾波方法介紹[3]

1.1 限幅濾波法

方法：根據經驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設為A）。每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差為A，則本次值無效，放棄本次值，用上次值代替本次值。

優點：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。缺點：無法抑制那種周期性的干擾平滑度差。

1.2 中位值濾波法

方法：連續采樣N次（N取奇數），把N次采樣值按大小排列（多采用冒泡法），取中間值為本次有效值。

優點：能有效克服因偶然因素引起的波動（脈沖）干擾。

缺點：對流量、速度等快速變化的參數不宜。

1.3 遞推平均濾波法

方法：把連續取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，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（先進先出原則）。把隊列中的N個數據進行算術平均運算，就可獲得新的濾波結果。

優點：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統。

缺點：靈敏度低。對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，比較浪費RAM。

1.4 算術平均濾波法

方法：連續取N個采樣值進行算術平均運算，N值較大時，信號平滑度較高，但靈敏度較低。N值較小時，信號平滑度較低，但靈敏度較高。N值的選取：一般流量，N=12；壓力：N=4。

優點：適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波。這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數值范圍附近上下波動。

缺點：對于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費RAM。

1.5 中位值平均濾波法

方法：相當于“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值N值的選取：3 ～14 。

優點：融合了兩種濾波法的優點，對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

缺點：測量速度較慢，和算術平均濾波法一樣，比較浪費RAM。

1.6 限幅平均濾波法

方法：相當于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”每次采樣到的新數據，先進行限幅處理，再送入隊列進行遞推平均濾波處理。

優點：融合了兩種濾波法的優點，對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

缺點：比較浪費RAM。

1.7 一階滯后濾波法

方法：取a = 0～1，則本次濾波結果 =（1-a）×本次采樣值 + a×上次濾波結果。

優點：對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻率較高的場合。

缺點：相位滯后，靈敏度低滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號。

1.8 加權遞推平均濾波法

方法：對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的數據加以不同的權。通常是越接近現時刻的數據，權取得越大。給予新采樣值的權系數越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。

優點：適用于有較大純滯后時間常數的對象和采樣周期較短的系統。

缺點：對于純滯后時間常數較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差。

1.9 消抖濾波法

方法：設置一個濾波計數器，將每次采樣值與當前有效值比較。如果采樣值等于當前有效值，則計數器清零。如果采樣值小于或大于當前有效值，則計數器+1，并判斷計數器是否大于等于上限N（溢出），如果計數器溢出，則將本次值替換當前有效值，并清計數器。

優點：對于變化緩慢的被測參數有較好的濾波效果，可避免在臨界值附近控制器的反復開/關跳動或顯示器上數值抖動。

缺點：對于快速變化的參數不宜，如果在計數器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值，則會將干擾值當作有效值導入系統。

1.10 限幅消抖濾波法

方法：相當于“限幅濾波法”+“消抖濾波法”，先限幅，后消抖。

優點：繼承了“限幅”和“消抖”的優點，改進了“消抖濾波法”中的某些缺陷，避免將干擾值導入系統。

缺點：對于快速變化的參數不宜。

2 濾波優化內容[1,2]

本次優化主要是對泵及電機本體溫度保護參數程序進行優化，在不改變原有保護邏輯的前提下，對參數范圍進行限制，在出現泵機組儀表因自身故障或儀表回路問題出現參數超限的情況下，僅執行正常報警邏輯，不再執行停泵邏輯。編制濾波程序時，為簡化程序，將濾波程序編制為獨立功能塊，通過調整外部參數實現不同儀表、不同工況濾波。

在主程序中調用功能塊Filter，如圖1所示。其中，InPut為模擬量硬件輸入通道，In_Maxvalue為輸入最大限值，在保護上限至最大值之間（200℃）。In_Minvalue為輸入最小限值，在最小值以上。In_Devvalue為一個數據采集周期最大變化率，若極限條件下1 s內溫度升高10℃，采集周期為100 ms，參考設定值為6。In_AVG_LEN為數據采集數量，默認25個。In_TimerPRE為數據采集周期，默認100 ms。In_AVE_LEN為參與中位平均值計算數量，默認5個。按照以上3個默認值，數據采集周期為2.5 s，2.5 s內去掉10個最高值，去掉10個最低值，取中間5個值做平均計算。通過中位取值，可過濾5個采集周期即最大持續500 ms突發干擾。若需要提高數據靈敏度，需要增加In_AVE_LEN，最大等于In_AVG_LEN。若需要增強濾波效果，減小In_AVE_LEN，最小為1，建議選用奇數。OutPut_PLC為參與聯鎖變量，替代原聯鎖邏輯變量。當數據判定為不合格后，改數值保持最后一個合格數值。OutPut_HMI為上位機顯示數據，當數據判定為不合格后，數據與現場硬件通道數據一致。

圖1 濾波功能塊Fig.1 Filter function block

3 測試結果驗證[1,2]

通過現場的測試及運行，測試人員通過對鉑電阻接線拆除正極，溫度為870℃，上位機產生高報、高高報，濾波程序輸出結果停在上一周期數值，為29.548℃，觸發高報和高高報警，未觸發泵單體ESD聯鎖，濾波保護程序有效。

測試人員通過對鉑電阻接線全部拆除時，溫度為-200℃，上位機輸出報警，濾波程序輸出結果停在上一周期數值，為31.9℃。

測試人員通過現場模擬數值，在0～200℃有效數值區間內，以1 s為時間周期，依次輸入處于一個周期溫度變化率內的數值（5℃），由30℃逐漸升至65℃。當模擬溫度升至55℃時，上位機產生高報。當模擬溫度升至60℃時，上位機產生高高報，同時泵機組單體ESD觸發，執行保護停泵。測試說明濾波程序溫度變化處于周期溫度變化率內，不會對泵單體保護邏輯產生影響。

測試人員通過現場模擬數值，在0～200℃有效數值區間內，以1 s為時間周期，依次輸入超出一個周期溫度變化率內的數值（12℃），由30℃逐漸升至66℃。當數值升至66℃時，上位機產生高報、高高報，泵機組單體ESD未觸發，濾波程序輸出結果停在上一周期正常數值，為30.2℃。上位機未產生高報和高高報警，濾波保護功能有效。

測試人員在安全區域將泵機組潤滑油加熱至100℃后，帶入到測試探頭處。由于當日氣溫較低，到達現場時，油溫將至90℃。將測試探頭插入到潤滑油中，測試真實高溫環境下，探頭能否正常觸發停機邏輯。當時環境溫度大概2.8℃，油溫90.7℃，溫度相差87.9℃。程序中單個周期內，掃描值和上一個值最大相差5.5℃，沒有超過單個周期變化限值，所有數據進入到濾波程序中參與計算，并且當油溫超過保護值后，輸出正常。

4 結束語

通過現場測試，將限幅濾波法、中位值濾波法和遞推平均濾波法相結合，對泵及電機溫度保護參數出現異常情況的過濾效果比較好，目前現場優化后的泵機組運行正常。