油氣管道控制邏輯評測相關(guān)技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀*

張靜楠 徐洋 孟頔 彭世垚 黃薇薇 楊全博

1國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司管道科技研究中心

2中國石油天然氣管道工程有限公司

3國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司

4國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司技術(shù)服務(wù)中心

在我國推動新一代人工智能健康發(fā)展的趨勢下，管道也由數(shù)字化管道向智慧管網(wǎng)發(fā)展，這對管道控制提出了智能化的要求[1-2]。目前，我國油氣管道主要采用中心級、站場級、設(shè)備級的三級控制模式。PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）作為管道安全操作的基礎(chǔ)，具備數(shù)據(jù)接受與上傳功能，能夠通過采集全線站場、關(guān)鍵設(shè)備的實時數(shù)據(jù)并發(fā)送至調(diào)控中心，執(zhí)行調(diào)控中心指令，對設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制[3]。PLC 控制邏輯作為管道運(yùn)行“大腦”，通過其內(nèi)部儲存的控制邏輯程序來實現(xiàn)油氣管道的自動化控制，因此，控制邏輯的科學(xué)、可靠、智能程度就成為油氣管道控制智能化的核心。

在實際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，現(xiàn)役管道的控制邏輯有時無法與當(dāng)前工藝條件實現(xiàn)高效匹配，而且一些先進(jìn)的控制邏輯尚未引入到油氣管道行業(yè)。一方面，現(xiàn)有控制邏輯尚不能與工藝條件實現(xiàn)高效匹配。管道實際投產(chǎn)運(yùn)行后，運(yùn)行工況有時會與設(shè)計工況存在偏差，而且由于油品資源、市場需求的變化引起實際運(yùn)行工況發(fā)生變化，從而導(dǎo)致管道原有自控邏輯及其設(shè)定值不能匹配運(yùn)行，進(jìn)而增加了管道運(yùn)行的風(fēng)險。目前，主要以經(jīng)驗調(diào)整方法應(yīng)對這些問題，無法全面、系統(tǒng)、有預(yù)見性地分析新工況的適應(yīng)性，主動減小因設(shè)計偏差及工況改變帶來的管道運(yùn)行風(fēng)險。另一方面，自動分輸、全線一鍵啟停等先進(jìn)的自控邏輯尚未在我國油氣管道上全面推行。由于先進(jìn)的控制邏輯相對更為復(fù)雜，且與管道運(yùn)行工況（流量、壓力等）關(guān)系密切。目前，調(diào)度管理人員缺乏控制邏輯與管道工藝耦合的評測手段，對于復(fù)雜自控邏輯與運(yùn)行工況的適應(yīng)性還沒有整體、全面的認(rèn)識，關(guān)鍵調(diào)度操作仍需依賴現(xiàn)場調(diào)度人員。

為此，提出了管道工藝與控制半實物仿真耦合的思路，在半實物仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，將工藝仿真系統(tǒng)與控制系統(tǒng)聯(lián)合起來研究，以期解決上述問題。

1 半實物仿真技術(shù)研究發(fā)展

半實物仿真技術(shù)，也稱HILS（Hardware In the Loop Simulation，硬件在回路中仿真），是在仿真過程中，將數(shù)學(xué)模型與實物相結(jié)合，進(jìn)行實時仿真的過程[4-5]。半實物仿真過程中，對于系統(tǒng)中比較簡單的部分、規(guī)律比較清楚的部分，建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合編程在計算機(jī)上實現(xiàn)仿真；對于相對復(fù)雜的部分、規(guī)律尚不明確的部分，則直接采用物理模型或?qū)嵨镞M(jìn)行仿真。相較于計算機(jī)仿真，物理模型或?qū)嵨锓抡娓咏咏鼘嶋H情況，能夠得到更確切、更可靠的信息。

典型的半實物仿真系統(tǒng)（圖1）一般由以下幾部分組成[6-7]：

圖1 半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware-in-the-loop simulation system structure diagram

（1）仿真計算機(jī)系統(tǒng)。包括仿真模型、程序及運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）接口。包括硬件接口、通訊接口、電路接口等。

（3）環(huán)境模擬設(shè)備。模擬被測實物運(yùn)行環(huán)境特性的仿真設(shè)備或模型，使得被測實物能夠在模擬的真實環(huán)境下工作，獨(dú)立的仿真設(shè)備常見于航空、導(dǎo)彈半實物仿真系統(tǒng)，如角運(yùn)動仿真器、負(fù)載仿真器等。

（4）被測實物。可以是傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

在國外，半實物仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天與國防系統(tǒng)[7-8]。美國較早就開始了在導(dǎo)彈防御、制導(dǎo)武器系統(tǒng)開發(fā)等方面的半實物仿真技術(shù)應(yīng)用，且擁有當(dāng)前世界上先進(jìn)水平的半實物仿真試驗室。

在我國，半實物仿真技術(shù)在導(dǎo)彈制導(dǎo)、火箭控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用研究也達(dá)到了較高水平[9-10]。自20世紀(jì)80年代起，我國建設(shè)了一批高水平、大規(guī)模的半實物仿真系統(tǒng)，如射頻制導(dǎo)導(dǎo)彈半實物仿真系統(tǒng)、驅(qū)逐艦半實物仿真系統(tǒng)等。20世紀(jì)90 年代開始，對分布交互仿真等先進(jìn)仿真技術(shù)開展研究，實現(xiàn)了較大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)仿真。此外，在石化行業(yè)也開展了半實物仿真研究，實現(xiàn)了石化生產(chǎn)過程控制的半實物仿真。沈廣臣等[11]基于OPC（OLE for Process Control，應(yīng)用于過程控制的OLE）技術(shù)，模擬唐鋼煉鐵廠北區(qū)原料場的各類生產(chǎn)設(shè)備，通過建立與PLC控制系統(tǒng)的通信連接，搭建鋼鐵煉廠原料控制系統(tǒng)與美國AB 公司PLC 的半實物仿真系統(tǒng)，并應(yīng)用于生產(chǎn)實例，提前排除了程序錯誤，縮短了設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試時間。張金山等[6]利用Simulink（系統(tǒng)仿真軟件）建立油氣水分離過程系統(tǒng)仿真模型，通過OPC技術(shù)連接DCS（Distributed Control System，分散控制系統(tǒng)）及相關(guān)控制器，搭建了石化生產(chǎn)與過程控制的半實物仿真DCS測試系統(tǒng)，用于DCS 輸入輸出、網(wǎng)絡(luò)通信等性能測試，以及回路控制、邏輯控制等控制效果的驗證。在油氣管道行業(yè)，經(jīng)過文獻(xiàn)檢索與現(xiàn)場調(diào)研，半實物仿真技術(shù)尚未開展系統(tǒng)的研究，目前控制邏輯設(shè)計與優(yōu)化方面，室內(nèi)研究主要采用基于SPS（Synergy Pipeline Simulator，長輸油氣管道仿真模擬）與虛擬PLC的模擬仿真，現(xiàn)場測試則僅基于PLC實物開展現(xiàn)場接線調(diào)試。

2 油氣管道控制邏輯評測技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對油氣管道控制邏輯的測試手段可以歸納為2類：①利用工藝仿真軟件系統(tǒng)編寫簡單的控制邏輯進(jìn)行測試；②利用PLC模擬器、信號發(fā)生器等簡化實物系統(tǒng)等進(jìn)行觸發(fā)測試。有些學(xué)者針對管道控制邏輯的優(yōu)化開展了探索性研究，主要以仿真軟件模擬和現(xiàn)場經(jīng)驗調(diào)整為主，近幾年一些學(xué)者逐漸開展了PID（Proportion Integral Differential，比例、積分、微分）控制優(yōu)化方面的探索與研究。整體上，半實物仿真技術(shù)在油氣管道行業(yè)尚未開展系統(tǒng)地研究，處于初期探索階段。

2.1 基于仿真軟件的控制邏輯模擬與優(yōu)化

目前，國內(nèi)外管道行業(yè)常用的仿真軟件有TGNET（Pipeline Studio for Gas，天然氣集輸管網(wǎng)瞬態(tài)模擬）軟件、SPS 等。其中，SPS 軟件能夠模擬長輸管道水力、熱力的變化，同時動態(tài)模擬進(jìn)出站的關(guān)鍵控制參數(shù)[12-13]，通過對動態(tài)參數(shù)的全面分析與試算，觀察控制邏輯響應(yīng)后管道的水力、熱力變化，從而提出改進(jìn)建議。

任亮等[14]利用SPS 軟件搭建管道水力模型，通過軟件的ADL（Architecture Description Language，體系結(jié)構(gòu)描述語言）將壓力開關(guān)保護(hù)、水擊超前保護(hù)、PID控制，高、低壓泄壓等管道控制邏輯編程寫入模型，對某成品油管道的控制邏輯進(jìn)行分析，提出了管道后續(xù)安全運(yùn)營的優(yōu)化措施和方案。

但是，由于ADL 語言編程的局限性，上述研究對控制邏輯的仿真與PLC專業(yè)編程軟件相比，邏輯簡單且控制精度較低；而且，受到ADL 語言的局限與仿真軟件計算速度的影響，一鍵啟停、一鍵分輸?shù)葟?fù)雜控制邏輯相對不容易實現(xiàn)。目前，國內(nèi)大部分研究機(jī)構(gòu)對于管道實際邏輯的優(yōu)化主要以經(jīng)驗調(diào)整為主[15-17]。

電力、鐵路等行業(yè)對泵和開關(guān)等單體設(shè)備控制邏輯的優(yōu)化開展過一些研究[18-20]，主要集中在日常經(jīng)驗結(jié)合計算機(jī)仿真驗證的方法，對設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常缺陷進(jìn)行分析，總結(jié)提煉日常工作中的實踐經(jīng)驗，形成有效的優(yōu)化策略，再利用計算機(jī)對優(yōu)化后的邏輯予以模擬驗證，從而達(dá)到較好的效果，這些方法也是依靠經(jīng)驗優(yōu)化為主。

2.2 PLC控制邏輯觸發(fā)性測試

在工業(yè)控制領(lǐng)域，對控制邏輯的研究相對較少，測試也多以人工測試為主[21-23]。楊曉光[23]曾開展泵和閥門類單體設(shè)備的邏輯測試，利用測試計算機(jī)搭載ControlBuild（仿真檢驗測試軟件），通過OPC接口連接PLC仿真器，搭建了基于PLC仿真器的邏輯控制程序的測試平臺，設(shè)計了泵、閥門以及相關(guān)設(shè)備的邏輯模型，可以針對供油過程中泵和閥門的PLC邏輯控制程序進(jìn)行理想條件、故障條件及工藝連鎖條件下的測試。該方法僅能測試控制邏輯的邏輯功能，未與實際工藝系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，不能驗證控制邏輯與實際運(yùn)行工況的適應(yīng)性。

2.3 油氣管道PID控制優(yōu)化應(yīng)用

近幾年，油氣管道自動化控制程度發(fā)展較快，一些學(xué)者開展了PID 控制方面的研究[24-29]，重點(diǎn)關(guān)注了PID 影響分析及參數(shù)設(shè)置等方面。魏亮[26]通過調(diào)整PID特性參數(shù)，對調(diào)節(jié)閥壓力響應(yīng)、管道水力波動情況、油品泄漏判斷的影響進(jìn)行分析，提出了PID 參數(shù)優(yōu)化方案，并根據(jù)調(diào)度經(jīng)驗總結(jié)了PID 控制及手動控制的切換技巧。結(jié)合工程實踐與現(xiàn)場設(shè)備特點(diǎn)，分析影響PID 壓力控制效果的關(guān)鍵因素，形成了管道PID壓力控制的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了仿真驗證。但實際生產(chǎn)過程中，由于PID控制效果受多方面因素的影響，對PID的相關(guān)影響分析存在掩蓋部分異常事件的可能，因此如何提高PID控制優(yōu)化效果，減少不確定因素的影響，還需開展深入研究。

3 管道工藝與控制系統(tǒng)半實物仿真

油氣管道工藝與控制系統(tǒng)半實物仿真是利用高精度仿真模型與管道實際PLC相結(jié)合開展的半實物仿真，針對油氣管道在典型工況下的控制邏輯響應(yīng)進(jìn)行測試，從而實現(xiàn)管道控制邏輯聯(lián)合工藝的全工況、全時段評測與優(yōu)化。

模型、實時性與接口是半實物仿真系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題。為了實現(xiàn)油氣管道工藝與控制系統(tǒng)半實物仿真，需要在以下四個技術(shù)方面開展持續(xù)攻關(guān)，形成油氣管道工藝與控制系統(tǒng)半實物仿真關(guān)鍵技術(shù)體系（圖2）。

圖2 油氣管道工藝與控制系統(tǒng)半實物仿真關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 Key technology of hardware-in-the-loop simulation of oil and gas pipeline process and control system

（1）精細(xì)化仿真建模。現(xiàn)有仿真模擬針對旋轉(zhuǎn)設(shè)備、調(diào)節(jié)控制閥門等采用內(nèi)置理想化性能曲線進(jìn)行模擬，這與現(xiàn)場實際運(yùn)行情況存在較大差異。因此，利用設(shè)備實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行修正，提升旋轉(zhuǎn)設(shè)備啟動、停機(jī)及調(diào)節(jié)控制閥開啟的模擬精度，可以大幅提高管道仿真模型的精細(xì)化程度。

（2）實時性管理。在實際生產(chǎn)中，油氣管道控制邏輯程序中對時間類邏輯判斷的時長大多在秒級，因此，邏輯測試時對系統(tǒng)傳輸延遲的包容性相對較高。但是，由于工藝仿真系統(tǒng)步長可調(diào)整，而實物PLC自然時鐘無法調(diào)整，在仿真系統(tǒng)步長改變的情況下，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與PLC 設(shè)備的實時同步，仍然需要解決仿真系統(tǒng)與PLC運(yùn)行步調(diào)不一致的難題[30]。

（3）交互數(shù)據(jù)融合與過濾。一方面，需要將計算機(jī)仿真系統(tǒng)與PLC實物系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，保證批量數(shù)據(jù)的交互與快速傳輸；另一方面，仿真軟件模型與實際設(shè)備模型存在一定差異，在非穩(wěn)定工況下的數(shù)據(jù)波動較大，數(shù)據(jù)質(zhì)量需要進(jìn)行控制。提高數(shù)據(jù)質(zhì)量是保證半實物仿真系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是油氣管道在線仿真技術(shù)研究急需解決的技術(shù)難點(diǎn)。

（4）全工況智能化評測。管道工藝與控制系統(tǒng)半實物仿真的最終目的是針對不同工況條件下的控制邏輯開展響應(yīng)測試，因此需要有一套覆蓋各類典型工況的智能化評測方法，以實現(xiàn)管道控制邏輯的全工況、全時段評測與優(yōu)化。

4 結(jié)論

隨著油氣管網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用的需求也在不斷提升[31-32]，油氣管道工藝與控制系統(tǒng)半實物仿真的應(yīng)用前景廣闊，應(yīng)用該技術(shù)建立集管道工藝、自控系統(tǒng)、編程語言的一體化的評測優(yōu)化平臺，形成管道工藝控制全工況智能化評測方法，可全面分析管道工藝運(yùn)行和自控系統(tǒng)中存在的安全隱患，為新建油氣管道邏輯開發(fā)或現(xiàn)役油氣管道邏輯完善提供系統(tǒng)指導(dǎo)；同時為確保管道運(yùn)行的邏輯安全提供了新的測試評價手段，為實現(xiàn)集“仿真測試、智能決策、事故推演、考核培訓(xùn)”等功能于一身的“油氣管網(wǎng)智能調(diào)控平臺”打下堅實基礎(chǔ)。