基于位置式增量PID控制的緩沖罐液位控制系統設計與應用

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，需將液位控制在設定范圍，過高易發生冒罐、過低導致外輸泵抽空運行，嚴重的發生燒泵事故。遼河油田興采某站采用人工調節緩沖罐外輸泵運行頻率控制罐液位，存在很大的安全隱患。急需開發一套外輸緩沖罐液位自動控制系統，以實現控制外輸泵運行頻率，達到液位平穩控制的目的。

1 系統功能設計

（1）人機參數設置接口。通過監控軟件填寫外輸罐液位高度對應的外輸泵運行頻率表、高/低限液位報警值、外輸壓力報警值、外輸泵手/自動運行模式；PLC控制系統實時采集外輸罐液位，調節外輸泵變頻器運行頻率。

（2）高/低限液位實時報警、外輸壓力高限報警，提醒操作人員注意，外輸壓力高限超過設定值，系統自動降低外輸泵頻率，保護外輸管線運行在合理壓力區間。同時，具有手自動液位控制功能。

（3）實時數據顯示、歷史數據查詢、歷史曲線查詢、打印功能。

圖1 系統功能框圖

2 設備選型

（1）控制系統

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

（2）上位機軟件

上位機使用北京組態王軟件，與PLC控制器通信采用的是PPI接口協議。上位機留有與PLC控制器的參數設置接口，參數設置好后，PLC控制系統會自動運行，無須人工干預。

圖2 系統配線簡圖

3 控制方案設計

3.1 PID控制方案

PID控制歷史悠久，至今已有幾十年的歷史，是目前經典控制理論中技術最為成熟的控制算法，廣泛應用在工業生產、石油化工以及軍事科學等領域。PID控制器按照偏差的比例、積分和微分對被控對象進行控制，具有結構、原理簡單直觀、適應面廣、參數易整定等特點[1]。PID算法在長期的工業生產中技術非常成熟并累積了豐富的經驗，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 控制系統框圖

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

PID 控制器控制規律：

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

積分累計求和近似

微分一階差分近似

PID 控制器對系統的控制作用包括比例、積分和微分三部分。現場主要是調節P、I、D三個參數來達到系統平穩運行的目的。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，調節的幅度越大。但由于增益過大，出現了過調節、震蕩現象。因此，控制P值在1.5-2之間，減小單次調節增益，壓低調節幅度。調節I值積分項，在1-10之間，輸入輸出的調節時間隨I值增大而增大；當I值設成1或2時，雖速度提高，但出現過調節、震蕩現象；I值設定9-10，系統調節與液位變化不能同步，導致當液位高、低限報警時，仍在緩慢調節頻率。根據實驗結果總結PID算法不適用外輸罐液位自控系統原因為：

由于單井進站的液量變化大，卸油車卸油時間不固定，導致輸入變量突然變化，PID調節無法跟上輸入變化量。外輸罐本身為一個大滯后系統，調節積分I值，值大了存在系統調節滯后，值小了容易產生震蕩。

3.2 位置式液位調節控制方案

工作原理：在監控軟件上設計10段位置與頻率對應表，PLC程序根據每段液位高度自動調節輸出頻率。液位在區間輸出的頻率為恒定值，當液位處于段和段之間的位置，輸出頻率階躍變換。位置式算法表達式：

液位對應輸出頻率關系由采油站作業人員根據本站以往實際情況輸入到PLC中，PLC會根據自動控制變頻器給定頻率，實現液位的自動控制。從液位位置與頻率對應可以看出，液位越高，輸出的頻率越高，液位越低，輸出的頻率越低，以實現外輸液位的精準自動控制。如當PLC讀取到的液位值為1.322米，根據查表程序，PLC自動輸出對應的38Hz頻率給外輸泵。現場應用過程中出現了階躍調頻現象。例如在第五段液位往第六段液位上升（或下降）過程中，液位可能會在1.298-1.302的位置反復多次，對應的輸出頻率也會不斷地在34Hz到38Hz來回階躍跳變，對于外輸泵軸瓦有較大磨損，嚴重者會導致軸瓦漏油。

3.3 增量控制方案

第二版控制方案當液位處于臨界點時（段與段之間的位置），液位微分動作會使輸出的頻率Hz產生大幅度變化。以第五段與第六段液位控制為例，其階躍函數如下：

為解決以上問題，在PLC程序里加入了階躍調頻的平滑處理。

位置式增量PID控制

式（6）- 式（8）

或

改進后，在第五段液位往第六段液位上升（或下降）過程中，液位可能會在1.298-1.302的位置反復多次，PLC輸出頻率不會直接由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步進方式增加，直至38Hz。

4 現場應用情況

2020年10月，遼河油田興采采油作業五區某站投入使用該外輸罐液位自動控制系統（遠程控制系統），2021年4月，新贈一使用站。截止目前，外輸罐液位自動控制系統運行穩定，實現了外輸泵運行頻率的實時自動控制，達到了液位平穩控制的要求，滿足日常生產要求，降低了操作人員的工作強度，提高了站庫自動化管理水平。

5 結論

本控制系統針對單井進站的液量變化大、卸油車卸油時間不固定所導致的輸入變量突然變化，PID調節無法跟上輸入變化量的技術難題，設計出獨特的仿人工調節PID算法模型，適應采油接轉站外輸罐實際外輸情況。同時，對位置式調節增加了階躍平滑處理，消除液位小幅波動時造成頻率的階躍變化，保護了外輸泵的軸瓦，延長外輸泵運行壽命。該控制系統的成功應用提高了接轉站外輸罐控制系統的智能性和可靠性，降低了人工成本，增強了生產安全，提高了員工幸福度。