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AB冗余1756系統
技術協議-軟件
附件二、軟件基本功能
工藝功能
1）BPCS基本過程控制系統
a.本項目設置3路計量支路，其中1路為小流量計量支路；
b.順序控制器應當對3個支路分別進行控制。
c.流量計量能根據指定日輸氣總量控制和指定高峰瞬時輸氣量控制，或者同時指定輸氣總量和高峰瞬時輸氣量。
d.流量計量支路的切換邏輯當按照下述要求執行：
（1）起始狀態為DN100計量支路計量，當下游用氣量持續10min超過該流量計計量精度（0.5%）上限的80%流量時，關閉該支路電動閥；開啟大流量DN300計量支路電動閥進行計量。當下游用氣量減小時，連續10min達到DN300計量支路計量精度（0.5%）下限的1.2倍時，關閉該計量支路，開啟DN100計量支路。
（2）當指定高峰瞬時輸氣量控制時，應當按照（1）進行控制，當計量流量達到指定高峰瞬時輸氣量的95%時，動作該支路電動流量調節閥進行PID（比例、積分、微分）
（3）當指定日輸氣總量控制時，當到達日輸氣量達到設定值時，關閉三個支路的電動閥。并將狀態反饋給上游控制系統。
（4）切換邏輯還能夠智能判斷任意一路計量支路的可用性（包括流量計故障狀態、電動閥故障狀態等判斷），在正確判斷可用性后方可進行切換計量。當判斷DN300主計量路出現故障時，能自動啟用備用支路進行計量。
（5）DN100流量計計量精度（0.5%）上限的80%流量應當大于DN300計量精度（0.5%）下限的1.2倍，以保證在隨著下游用氣量的變動能夠實現寬范圍0.5%計量精度。
附件三、增強功能
1）概述
在天然氣管道調控過程中，管線輸送壓力、流量和分輸的壓力、流量的控制是天然氣管道自動化控制中重要的環節，它保證了管道運行的高效、平穩和安全。
分輸站壓力控制系統具備壓力/流量控制選擇功能，并具有限流/限壓保護能力。壓力控制系統一般包括壓力檢測、壓力調節、安全截斷功能。調壓系統配置方式主要有三種：
安全截斷閥+安全截斷閥+工作調節閥；
安全截斷閥+監控調節閥+工作調節閥；
安全截斷閥+工作調節閥+安全泄放閥。
2）現狀
目前天然氣管道分輸站控制PLC中運行分輸啟動控制邏輯、分輸關閉控制邏輯，分輸啟動控制邏輯過程如下：
① 條件判定：檢查分輸ESD、分輸關閉反饋、出站閥門、放空ESD的狀態，判定邏輯條件是否滿足；
② 打開去用戶出站閥；
③ 檢測到用戶出站閥全開到位后，根據用氣量自動打開一路或多路安全截斷閥上游的電動調節閥；
④ PID控制邏輯自動觸發，根據設定壓力/流量打開調節閥。
在SCADA系統上位機，配置有用戶分輸啟動命令和關閉命令執行界面。調控人員日常的用戶供氣調度操作如下：
① 接到某個天然氣用戶請求供氣的電話通知，調度員在相應的用戶分輸控制界面點擊分輸啟動操作按鈕，開始相應用戶的天然氣供應；
② 以用戶日指定數據為監測目標，監測相應用戶當日的供氣量；
③ 當供氣量達到日指定量后，根據用戶特點、供氣要求及制定的供氣策略，采取如下的相應措施：點擊分輸停止操作按鈕，停止用戶供氣；改變用戶壓力設定值，按照最低保護壓力供氣；改變用戶流量設定值，按照最小流量供氣。
④ 每日的用戶過程都按照以上步驟周期進行。
⑤ 調度人員每日9:30完成PPS日指定下載，且根據需要進行遠控分輸站用戶分輸回路調壓系統參數設置，包括工作壓力、最大流量、最低保護壓力等調壓撬PID控制設定值。
由于分輸日指定設定值由調控中心調度人員逐個手動輸入，按照每日錄入約五百個用戶日指定數據計算，全年共需手工錄入操作逾18萬次。工作效率低且容易出錯。因此采用自動分輸功能，將日指定數據批量自動導入，通過PLC中設置的多種分輸模式選擇來實現自動分輸控制，有效減輕調度人員的工作強度并提高數據準確性。
2）實施方案
分輸站場應具備自動分輸功能，站控制系統接收北京調控中心日指定量設定值，并根據日指定分輸邏輯控制分輸量。調控中心通過下發日指定設定值對分輸調節閥進行遠程分輸控制。
站控系統根據中心下發日指定設定值、站場流量/壓力測量值和分輸控制邏輯進行PID調節。在站控制系統內集成四種分輸控制邏輯，即日指定到量自動關閥控制、分輸權重系數控制、剩余平均流量控制、恒壓控制，按照用戶實際用氣情況在站控系統中選擇對應控制方式。
自動分輸控制功能的實現無需增加硬件和軟件工程量。四種分輸控制邏輯在站控制系統數據單中明確控制要求，由站控制系統廠家負責實現該功能。具體如下：
（1）日指定自動分輸控制原理
圖 4.2.1-12自動分輸控制功能數據流向圖
（2）調控中心操作界面
調控中心日指定操作管理和控制的HMI界面見圖4.2.1-13和圖4.2.1-14。
|
日指定操作管理 |
||||
|
站場名稱 |
用戶名稱 |
日指定導入值 |
日指定下發值 |
日指定實際值 |
|
不需要點擊進入 |
A |
PPS導入 |
下發值 |
實際值 |
|
B |
PPS導入 |
下發值 |
實際值 |
|
|
C |
PPS導入 |
下發值 |
實際值 |
|
|
D |
PPS導入 |
下發值 |
實際值 |
|
|
合計 |
|
合計 |
合計 |
合計 |
圖4.2.1-13 日指定操作管理界面
注：
1) 通過OPC協議批量導入、批量下發。
2) 計算各類數據合計，方便數據比對。
3) 日指定下發值和日指定實際值要具備偏差報警功能。
4) 實際值為日指定在PLC實際運算時的值。
1) 用戶調節閥為此用戶所有調節閥的狀態（開度示意）。
2) 標黃色的數據點為新增數據點。
3) 按照調度臺和不同系統每臺分別制作對應表格。
4) 剩余平均流量=（日指定-天累計）/剩余小時，可定期計算（例：10分/次）。
5) 日指定完成百分比=（天累計流量/日指定實際值）%，屬于模擬量，調度可以設置高高、高、底底、底報警。
6) 最低小時流量是調度手動設定值。
7) 實際下發流量按剩余小時平均法自動下發，以下為剩余小時平均量法：
8) 通過寫入SCADA系統的日指定量，邏輯上完成對用戶日指定的控制，按照日指定剩余平均氣量分階段供氣，并以壓力和最低流量作為保護。
（3）日指定自動分輸控制方式
a）日指定到量自動關閥控制邏輯
日指定到量自動關閥控制邏輯，在間斷供氣用戶使用，程序控制當日日指定到量后自動關斷調節閥門，第二日早8：00后，根據下游壓力或設定時間為判斷條件，并按照提前設定的調壓支路優先級、壓力、流量啟動用戶分輸。
對于間斷供氣用戶，采取流量保護條件下的壓力控制，在流量設定值限值下，進行壓力控制。當流量達到高限值時，程序自動以流量高限值作為控制流量并顯示報警。當流量下降到低限值時，自動關閉分輸調節閥，利用管容氣給下游用戶供氣。程序判斷下游壓力下降到低設定值時，重新開啟分輸調節閥給下游供氣。當供氣量達到日指定的 90%時產生提示性報警，當供氣量達到日指定量后自動關閉分輸調節閥。
為了避免開啟分輸調節閥速度過快，在開啟閥門階段，分輸電動調節閥的壓力設定值按梯級寫給PLC（梯級值根據項目確定，例如取0.1MPa，設定值上限為正常輸氣時的壓力設定值）。
b）分輸權重系數控制邏輯
分輸權重系數控制邏輯，在連續供氣用戶使用，將用戶24小時用氣分為12個時段，每天早8點程序根據過去4天各時段累計流量與前一日累計流量的對比，通過加權平均計算出當日權重系數，每個時段按日指定氣量與相應的權重系數乘積進行氣量控制，從而反向擬合用戶用氣規律，最終達到在一定壓力范圍內日指定氣量控制的目的。
權重系數=2小時用氣量/24小時累計用氣量，權重系數由站控PLC或中控SCADA系統完成計算。2小時用氣量為過去7天同一時間段2小時用氣量的合計值；24小時累計用氣量為過去7天24小時累計用氣量的合計值。
每個時段分輸完畢后，預計時段分輸量與實際時段分輸量進行比較得到ΔQ。ΔQ補償在下一時段中，則下一時段接受流量補償后根據時段權重值重新調整該階段的流量設定值。
為保證供氣的平穩性，每小時分輸量應確定一個波動范圍，如3%-5%。
圖 4.2.1-15調控中心畫面-分輸權重系數畫面
紅色區域為分輸權重系數控制的中控HMI畫面，主要內容包括啟用/停用狀態、今/明兩日日指定錄入、壓力/流量限值、計算流量和真實流量、權重系數、壓力/流量趨勢等。
分輸權重系數控制邏輯廣泛適用于各類用戶，但用戶小時不均衡系數宜不高于2.3。
剩余平均流量控制邏輯，在連續供氣用戶使用，用戶早8：00開始使用日指定氣量除以剩余時間后的平均氣量進行控制，且程序自動計算剩余平均流量并每間隔4小時下發一次，以糾正調壓設備執行誤差或日指定變更誤差，最終達到日指定氣量控制的目的。
按照剩余量平均量控制，即：（日指定量—已完成量）/剩余時間，每4小時下發一次并對應調整供氣量。當剩余小時量低于單路流量計最低流量時，按照流量計最低流量設定供氣；當壓力高于或低于最高、最低壓力時，按照壓力控制。直到用完當日日指定量，產生報警提示信息或根據需要關閉閥門。
圖 4.2.1-16調控中心畫面-剩余平均流量控制畫面
紅色區域為剩余平均流量控制的中控HMI畫面，主要內容包括啟用/停用狀態、今/明兩日日指定錄入、啟用條件輸入、壓力/流量限值、計算流量和真實流量、壓力/流量趨勢等。
剩余平均流量控制邏輯適用于小時用氣較為均衡的用戶，沒有明顯的用氣高峰和用氣低谷的，多為工業用氣比例較大的用戶，用戶小時不均衡系數宜不高于1.5。
d）恒壓控制邏輯
恒壓控制，即對用戶按恒壓控制，向用戶敞開氣量供氣。針對特殊用戶，不進行日指定流量限制，始終按一定壓力給用戶供氣。
（4）日指定自動分輸邏輯框圖
通過與北京油氣調控中心以及系統調試單位的交流研討，設計單位已完成四種分輸模式的邏輯框圖，具體如下：
圖4.2.1-17日指定到量自動關閥邏輯框圖
圖4.2.1-18分輸權重系數法邏輯框圖
圖4.2.1-19剩余平均流量控制邏輯框圖
圖4.2.1-20恒壓控制邏輯框圖
5）壓力流量保護
為確保分輸的安全性，在圖示紅色區域，特別設定了壓力/流量的高/低限值保護。
當壓力達到高限值時，程序自動以壓力高限值作為控制壓力并顯示報警，同時進行流量補償（即降低分輸流量），以保證壓力不超過該安全范圍；當壓力達到低限值時，程序自動以壓力低限值作為控制壓力并顯示報警，同時進行流量補償（即增加分輸流量），以保證壓力不超過該安全范圍。
當壓力達到高高限值時，程序自動切換為壓力調節并顯示報警，當壓力恢復正常范圍后，再切換為流量調節。此功能通常在PLC或閥門控制器設置，自動分輸系統不需要重復設置，只需給出壓力調節/流量調節的切換命令。
當流量達到高限值時，程序自動以流量高限值作為控制流量并顯示報警，如果有備用流量支路可用且已與地區公司達成一致意見的前提下，系統會自動增開備用支路，以保證壓力不超過該安全范圍；當流量達到低限值，程序自動以流量低限值作為控制流量并顯示報警，以保證壓力不超過該安全范圍。
流量補償僅在當前小時起作用，進入下一小時，自動恢復至自動分輸技術控制。
6）自動分輸控制功能數據點表
表4.2.1-6自動分輸控制功能數據點表
|
序號 |
變量名稱 |
參數 |
描述 |
數據類型 |
單位 |
|
一 |
命令參數 |
||||
|
|
TransEn |
|
自動分輸投用狀態，0為不使能，1為使能 |
bool |
- |
|
|
TransMode |
|
自動分輸模式：綜合權重法、剩余時間法等 |
int |
- |
|
|
Qa |
|
中心下發當日指定量 |
float |
sm3 |
|
|
Qa1 |
|
中心下發明日指定量 |
float |
sm3 |
|
|
Pmax |
|
設計壓力高限 |
float |
MPa |
|
|
Pmin |
|
設計壓力低限 |
float |
MPa |
|
|
Phigh |
|
正常輸氣壓力高限 |
float |
MPa |
|
|
Plow |
|
正常輸氣壓力低限 |
float |
MPa |
|
|
Qmax |
|
分輸用戶流量高限 |
float |
sm3/h |
|
|
Qmin |
|
分輸用戶流量低限 |
float |
sm3/h |
|
|
Qdead |
|
流量設定值死區 |
float |
sm3/h |
|
|
Pdead |
|
壓力判定死區 |
float |
MPa |
|
|
Qx |
|
壓力/流量調節切換臨界值X% |
float |
% |
|
|
Tc |
|
壓力/流量調節切換臨界時間T |
int |
- |
|
二 |
顯示參數 |
||||
|
|
Pset |
|
當前壓力設定值 |
float |
MPa |
|
|
Pf |
|
當前壓力反饋值 |
float |
MPa |
|
|
Qset |
|
當前流量設定值 |
float |
sm3/h |
|
|
Qf |
|
當前流量反饋值 |
float |
sm3/h |
|
|
SysMode |
|
自動分輸模式：綜合權重法、剩余時間法等 |
int |
- |
|
|
PFMode |
|
當前調節模式，壓力調節or流量調節 |
|
|
|
|
Qutn |
|
今日到目前為止累計流量 |
float |
sm3 |
|
|
Qde |
|
日指定完成率 |
float |
% |
|
|
Q95_Alarm |
|
日指定分輸達到95%報警 |
bool |
- |
|
|
Qc_Alarm |
|
分輸達到日指定量報警 |
bool |
- |
|
三 |
趨勢曲線 |
||||
|
|
Pset |
|
壓力設定值 |
|
MPa |
|
|
Pf |
|
壓力反饋值 |
|
MPa |
|
|
Qset |
|
流量設定值 |
|
sm3/h |
|
|
Qf |
|
流量反饋值 |
|
sm3/h |
|
|
Qatn |
|
當日輸氣量目標值 |
|
sm3 |
|
|
Qutn |
|
當日輸氣量反饋值 |
|
sm3 |
7）管存量修正
對于分輸站與下游站場之間管容比較大時，就會出現分輸站輸氣量與下游用戶用氣量并不一致的情況，此時，就需要對輸氣量進行管存量修正，從而更準確地計算出用戶用氣量。
根據輸氣壓力Pt、溫度T計算天然氣密度ρ，再使用管存體積V和密度ρ計算得出質量差值Δm及體積差值ΔV，最終轉換為標況后加上輸氣量即為計算所得用戶用氣量。
8）異常值處理
在進行輸入參數的數據采集過程中，為了防止由于輸出數據錯誤造成最終自動分輸控制出現問題，對主要的輸入參數如壓力、流量都采取了異常值處理，保證最終采集數據的有效性，主要方法包含數字濾波和瞬時量有效性判斷。
9）計量支路切換
自動分輸控制功能在投用過程中，當計量支路分輸量出現較大變化時，計量支路自動切換邏輯自動投用，根據流速變化自動增開計量支路或關閉計量支路。對各條計量支路人工設定優先級，優先級別高的支路在增開時優先選擇開，關閉時延后選擇關閉。
以超聲波流量計為例：
（1）當任一計量支路的流速大于20 m/s，并持續30s時，根據設定好的優先級別，判定最高優先級支路的狀態。若此支路設備狀態正常且處于自動狀態，則觸發此支路的導通命令。
如果此支路順利導通，顯示計量支路增開提示。如導通失敗，顯示某條計量支路增開失敗，復位命令后，按照優先級別設置導通優先級第二高的支路。
（2）當任一計量支路的流速降低，低于15 m/s大于10 m/s并持續30s時，根據設定好的優先級別，判定最低優先級支路的狀態。若此支路設備狀態正常且處于自動狀態，則觸發此支路的關閉命令。
如果此支路順利關閉，顯示計量支路關閉提示。如關閉失敗，顯示某條計量支路關閉失敗，復位命令后，按照優先級別設置關閉優先級第二低的支路。
（3）當任一計量支路的流速低于5 m/s并持續30s時，只運行優先級最高的一條支路。
（4）站場人員可根據現場情況，人工修改各支路的優先級。
超聲流量計、渦輪流量計和孔板流量計的切換限值如下：
超聲流量計測量流速20m/s為增開支路限值，5m/s為減少支路限值。
渦輪流量計管路開啟數量與通過每路流量計的工況體積流量有關。按0.8Qmax 值為增開支路限值，5Qmin為減少支路限值。
孔板流量計管路開啟數量與通過每路流量計的測量差壓有關。按流量計測量差壓40kPa為增開支路限值，5kPa為減少支路限值。
上述自動支路切換僅限于同等口徑、同類設備的支路切換。設有小口徑計量、調壓管路的站場，小口徑支路應設置最大流量保護控制功能。
10）對PID調節的技術要求
（1） PID算法及參數設定要考慮天然氣管道分輸站用戶供氣回路的調壓撬配置方式、工作調節閥調節曲線、用戶管存大小、調節閥響應速度、調節閥死區等各個因素的影響，對天然氣分輸站PID控制算法進行適應性優化是自動分輸的基礎條件。
（2） 調節回路的控制算法主要以大偏差開度計算+小偏差多回路PID控制為主，輔助以流量計算、死區輸出調節、到位時間調節、用氣量預判等環節。開度計算實時進行，可用計算開度和目前開度檢測值對比作為偏差。大小偏差的分界點可在控制調試過程中確定。
（3）為保證控制算法對分輸管道容積小情況的適用性，可以根據管容系數的不同采用不同的控制策略和方法。在常規PID控制方法的基礎上，通過管道管容和調節閥調節特性（控制量與流量關系、死區、響應時間）對單步控制信號進行修正，從而實現控制量變化情況下的穩定輸出。
