CN115596988B

CN115596988B - 一种lng加气站站控系统

Info

Publication number: CN115596988B
Application number: CN202211594468.9A
Authority: CN
Inventors: 王常青; 王钟浩; 张军; 曾天民; 张红梅; 张翔
Original assignee: Sichuan Kaideyuan Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Kaideyuan Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-13
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2023-04-21
Anticipated expiration: 2042-12-13
Also published as: CN115596988A

Abstract

本发明涉及加气站的站控系统，具体涉及一种LNG加气站站控系统，包括依次连接的现场级、控制级以及监控级，所述控制级包括PLC控制器；所述现场级用于采集现场仪表信息且与所述PLC控制器信号连接，所述现场级包括压力变送器；所述监控级包括监控系统以及调度中心，所述调度中心与所述监控系统、PLC控制器远程连接，所述监控系统与所述PLC控制器信号连接；本发明通过找出比例、积分、微分三个参数与输入量、输入量变化率之间的模糊关系，并在运行过程中不断检测输入量、输入量变化率根据模糊推理原理来对这三个参数进行在线调节，以确定最适合现场环境的参数范围，进而解决现有站控系统中的PID控制延迟时间长与波动时间长的问题。

Description

一种LNG加气站站控系统

技术领域

本发明涉及加气站的站控系统，具体涉及一种LNG加气站站控系统。

背景技术

LNG液化天然气是一种非常清洁的能源，随着科学技术的发展，LNG将在未来逐步形成取代石油等传统能源的趋势。LNG接收站与加气站等也将随之逐步建立，LNG加气站站控系统的设计将成为核心关键的一个部分。

LNG作为清洁能源，被广泛运用到各个领域中，涉及汽车、船只等领域时，也就需要对其进行加气，目前，LNG加气站的自动化是一个必然的发展进程，无论是现有的人工或自动化LNG加气站，阀门的控制系统均是重中之重，现有的自动阀门中均采用的较为成熟的自动控制系统，其PID控制过程存在着延迟时间与波动时间长，导致实际数值与设定数值存在较大偏差。此外，自动化加气过程中，LNG储罐及加气设施的安全预警系统不达标，存在安全隐患，站控系统还需要一种高响应的报警单元。

发明内容

本发明目的在于提供一种LNG加气站站控系统，用于解决现有站控系统中的PID控制延迟时间长与波动时间长的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种LNG加气站站控系统，包括依次连接的现场级、控制级以及监控级，所述控制级包括PLC控制器；所述现场级用于采集现场仪表信息且与所述PLC控制器信号连接，所述现场级包括压力变送器；所述监控级包括监控系统以及调度中心，所述调度中心与所述监控系统、PLC控制器远程连接，所述监控系统与所述PLC控制器信号连接；所述现场级还包括阀门，所述PLC控制器与所述阀门信号连接且能够用于控制阀门的开度，所述PLC控制器包括PID控制器与模糊调节器，所述PID控制器能够通过模糊调节器实现PID参数的自调节。

PID参数包括：比例p、积分i以及微分d，所述模糊调节器的输入量为压力变送器采集的阀门进口压力的给定值与实际反馈值的偏差e及偏差变化率ec，输出量为阀门的开度信号K。所述模糊调节器的模糊规则为模糊控制规则表，并依据模糊控制规则表对PID参数进行整定。

进一步地，现有的自动阀门中均采用的较为成熟的自动控制系统，以PLC控制系统内的PID控制为例，PID控制是目前过程控制中对于没有完全掌握结构和参数的被控对象，并需要通过根据现场实际生产情况不断调试来确定参数的控制方式，传统的PID算法是将比例、微分、积分三种运算方法结合起来，或根据情况单独两两结合的方式控制，比例控制可提高系统的响应速度，越大容易超调，导致系统不稳定，越小则会降低调节精度，延长调节时间；积分控制可消除系统的稳态误差，越大则消除越快，但同样会引起响应过程的超调，过小则难以消除稳态误差，影响精度；微分控制可以改善系统的动态特性，过大则会延长调节时间，降低系统的抗干扰性能。因此，为了增强阀门控制系统的性能，需要针对PID控制的参数进行调整，提出了一种LNG加气站站控系统，通过引入模糊控制来对PID的参数进行调节，具体通过找出比例、积分、微分三个参数与输入量、输入量变化率之间的模糊关系，并在运行过程中不断检测输入量、输入量变化率根据模糊推理原理来对这三个参数进行在线调节，以确定最适合现场环境的参数范围，进而解决现有站控系统中的PID控制延迟时间长与波动时间长的问题。

进一步地，所述现场级还包括温度传感器与浓度传感器，所述监控系统包括依次信号连接的传感器模块、数据采集模块、数据传输模块以及微处理器，所述传感器模块与所述温度传感器、浓度传感器信号连接，所述微处理器还信号连接有电源模块、通信模块以及报警单元，所述通信模块与所述调度中心信号连接。需要说明的是，电源模块为整个监控系统的供电电路，为系统的下位机各模块和微处理器的正常工作提供基本保障；传感器模块能够完成各传感器对整个站区的监测布防工作；数据采集模块针对各传感器选型布局完成后，能够第一时间采集数据，进而通过相应的模块上传至微处理器上；报警单元针对有气体泄漏或紧急情况发生时，提示工作人员、调度中心采取一定的措施避免事态升级；通信模块，进行通讯过程。

进一步地，初始浓度监控时，所述微处理器初始化浓度串口通信参数，并选取浓度串口，所述浓度传感器采集到浓度信息后经由传感器模块生成浓度报文，所述微处理器接收到浓度报文后转为UTF-8字符数组并判断包头和包尾，判断依据为包头至少含有两个字节，判断完成后截取浓度数据位并更新浓度缓存数组。需要说明的是，基于上述系统，能够对浓度信息进行监测报警。

进一步地，所述微处理器内设定有浓度阈值，且在更新浓度缓存数组之前还需要判断是否超过浓度阈值，判断方法为浓度数据位达到浓度阈值的1%、3%，或浓度数据位变化率达到2%，超过1%浓度阈值时，所述微处理器产生黄色预警信号并传递至报警单元；超过3%浓度阈值时，所述微处理器产生红色预警信号并传递至报警单元。需要说明的是，基于上述系统处理过程，分别通过两个判断标准对浓度信息进行判断，进而提高监测报警的相对精准量。

进一步地，初始温度监控时，所述微处理器内设定有温度阈值，所述微处理器建立温度报文委托后发送温度请求，所述温度传感器接收到温度请求后采集温度信息并经由传感器模块生成温度字节数组，所述微处理器接收到温度字节数组后判断能否正常转换为字符串，若能，则读取温度字节数组的包头，若不能，则抛弃等待下一循环，所述微处理器读取包头后判断字符串数组长度并读取温度数据，最后微处理器根据温度数据判断是否报警。需要说明的是，基于上述系统，能够对温度信息进行监测报警。

进一步地，所述微处理器根据温度数据判断是否报警的标准为：温度数据是否超过温度阈值，若是，则报警；或相邻两温度数据的变化梯度超过15%。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过找出比例、积分、微分三个参数与输入量、输入量变化率之间的模糊关系，并在运行过程中不断检测输入量、输入量变化率根据模糊推理原理来对这三个参数进行在线调节，以确定最适合现场环境的参数范围，进而解决现有站控系统中的PID控制延迟时间长与波动时间长的问题；

2、本发明通过报警单元针对有气体泄漏或紧急情况发生时，提示工作人员、调度中心采取一定的措施避免事态升级；

3、本发明的浓度、温度报警解析过程相较于现有技术中的报警手段更为简单，中间步骤更少，因而判断过程的响应速度更快。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。

实施例1：

如附图1所示，一种LNG加气站站控系统，包括依次连接的现场级、控制级以及监控级，所述控制级包括PLC控制器；所述现场级用于采集现场仪表信息且与所述PLC控制器信号连接，所述现场级包括压力变送器；所述监控级包括监控系统以及调度中心，所述调度中心与所述监控系统、PLC控制器远程连接，所述监控系统与所述PLC控制器信号连接；所述现场级还包括阀门，所述PLC控制器与所述阀门信号连接且能够用于控制阀门的开度，所述PLC控制器包括PID控制器与模糊调节器，所述PID控制器能够通过模糊调节器实现PID参数的自调节。

需要说明的是，模糊控制器的输入量为阀门出口压力的给定值与实际反馈值的偏差e及偏差变化率ec，对于偏差e，在模糊控制区内，偏差e的变化范围为【-1.5，1.5】，偏差e的模糊论域为E=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，偏差e的量化因子为KE=6/（1.5）=4，模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，模糊集中的元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大；对于偏差变化率ec，在模糊控制区内，偏差变化率ec的变化范围为【-0.5，0.5】，模糊论域EC=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，偏差变化率ec的量化因子KEC=6/（0.5）=12，模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；对于输出量，采用增量形式，控制量的变化范围为【-1.2，0.2】。

需要说明的是，现有的自动阀门中均采用的较为成熟的自动控制系统，以PLC控制系统内的PID控制为例，PID控制是目前过程控制中对于没有完全掌握结构和参数的被控对象，并需要通过根据现场实际生产情况不断调试来确定参数的控制方式，传统的PID算法是将比例、微分、积分三种运算方法结合起来，或根据情况单独两两结合的方式控制，比例控制可提高系统的响应速度，越大容易超调，导致系统不稳定，越小则会降低调节精度，延长调节时间；积分控制可消除系统的稳态误差，越大则消除越快，但同样会引起响应过程的超调，过小则难以消除稳态误差，影响精度；微分控制可以改善系统的动态特性，过大则会延长调节时间，降低系统的抗干扰性能。因此，为了增强阀门控制系统的性能，需要针对PID控制的参数进行调整，提出了一种LNG加气站站控系统，通过引入模糊控制来对PID的参数进行调节，具体通过找出比例、积分、微分三个参数与输入量、输入量变化率之间的模糊关系，并在运行过程中不断检测输入量、输入量变化率根据模糊推理原理来对这三个参数进行在线调节，以确定最适合现场环境的参数范围，进而解决现有站控系统中的PID控制延迟时间长与波动时间长的问题。以LNG加气站内放空阀为例，采用压力变送器将检测到的非电信号转变成电信号，经电压放大器放大至0V~10V的电压，再转变为数字信号，通过PLC内的PID控制器调节后达到期望值。还需要说明的是，该PID控制器不仅仅能够应用于加气站中的阀门控制系统，还可以用于其余能够自动化控制的系统单元内。

需要说明的是，所述现场级还包括温度传感器与浓度传感器，所述监控系统包括依次信号连接的传感器模块、数据采集模块、数据传输模块以及微处理器，所述传感器模块与所述温度传感器、浓度传感器信号连接，所述微处理器还信号连接有电源模块、通信模块以及报警单元，所述通信模块与所述调度中心信号连接。还需要说明的是，电源模块为整个监控系统的供电电路，为系统的下位机各模块和微处理器的正常工作提供基本保障；传感器模块能够完成各传感器对整个站区的监测布防工作；数据采集模块针对各传感器选型布局完成后，能够第一时间采集数据，进而通过相应的模块上传至微处理器上；报警单元针对有气体泄漏或紧急情况发生时，提示工作人员、调度中心采取一定的措施避免事态升级；通信模块，进行通讯过程。

还需要说明的是，对一个大型的监控系统进行设计时，主控芯片的选型对于整个系统来说是相当重要的，作为监控系统处理和运算的核心，主控芯片的数据处理能力和工作的稳定性情况对监控系统的性能起着至关重要的作用，基于此，微处理器的选型优选为STM32F103ZET6；温度传感器的选型优选为光纤光栅温度传感器，其满足功耗较小，抗干扰性功能强，性能稳定；反应迅速，测量精度高；适合加气站露天、高温、振动、嘈杂的复杂工作环境；使用经济性好，便于安装维护；具有工作状态监控功能、故障自动报警及系统自查功能，同时必须具有良好的密封和保护措施；浓度传感器的选型优选为光纤浓度传感器，其满足精度、灵敏度高、抗干扰能力强；可靠性高，安装维护方便；使用经济性好；在闷热、振动、嘈杂的恶劣环境中的使用寿命长；具有自动报警功能；电源模块的选型优选为TPS62175 ，其能够输出更准确和更稳定的电压信号，而且在轻负载时能够自动进入节能模式，在整个负载范围内保持高效率。

需要说明的是，初始浓度监控时，所述微处理器初始化浓度串口通信参数，并选取浓度串口，所述浓度传感器采集到浓度信息后经由传感器模块生成浓度报文，所述微处理器接收到浓度报文后转为UTF-8字符数组并判断包头和包尾，判断依据为包头至少含有两个字节，判断完成后截取浓度数据位并更新浓度缓存数组。还需要说明的是，基于上述系统，能够对浓度信息进行监测报警。

需要说明的是，所述微处理器内设定有浓度阈值，且在更新浓度缓存数组之前还需要判断是否超过浓度阈值，判断方法为浓度数据位达到浓度阈值的1%、3%，或浓度数据位变化率达到2%，超过1%浓度阈值时，所述微处理器产生黄色预警信号并传递至报警单元；超过3%浓度阈值时，所述微处理器产生红色预警信号并传递至报警单元。还需要说明的是，基于上述系统处理过程，分别通过两个判断标准对浓度信息进行判断，进而提高监测报警的相对精准量。对于光纤浓度传感器，其优选为光纤甲烷浓度传感器，甲烷光纤气体浓度传感器的原理是利用甲烷气体对特定的波长的吸收特性来精确测定甲烷气体浓度。本系统利用甲烷的单线光谱吸收原理，通过探测透过传感探头的光强度变化检测气体浓度，采用波长扫描技术避免环境因素（背景气体、粉尘、潮湿等因素）对测量结果的影响。光源发出特定波长的激光，通过光分路器分为多路输出，经由光缆传输至远方的探测点（传感探头），包含有甲烷吸收信息的光信号再经由光缆传输到检测仪表，实现光电转换和信号分析，最终计算出各检测点的浓度值。在常温 25℃的环境条件下，浓度测量的相对误差不超过 2%，满足检测精度的要求。

需要说明的是，初始温度监控时，所述微处理器内设定有温度阈值，所述微处理器建立温度报文委托后发送温度请求，所述温度传感器接收到温度请求后采集温度信息并经由传感器模块生成温度字节数组，所述微处理器接收到温度字节数组后判断能否正常转换为字符串，若能，则读取温度字节数组的包头，若不能，则抛弃等待下一循环，所述微处理器读取包头后判断字符串数组长度并读取温度数据，最后微处理器根据温度数据判断是否报警。还需要说明的是，基于上述系统，能够对温度信息进行监测报警。所述微处理器根据温度数据判断是否报警的标准为：温度数据是否超过温度阈值，若是，则报警；或相邻两温度数据的变化梯度超过15%。

还需要说明的是，温度传感器中的感温探头型号优选为TGW-100，TGW-100采集到温度信息后经由数据采集模块信号运用信号放大器和 A/D 转换元件对其进行处理，然后将处理后的数据经由数据传输模块传给微处理器，监控系统还包括与通信模块信号连接的显示中心，当微处理器经由通信模块和显示中心、调度中心通讯后就会迅速将温度数据上传到显示中心上，在监控界面上进行实时显示。TGW-100使用的是单总线接口通过 TCP/IP传输数据，为控制器节省了 I/O 口，大大降低了系统的开发难度。而且该探头拥有小体积、低功耗的特点，数据传输距离最高可达到 20km，完全满足 LNG 泄漏监控系统实时监控罐区周围的温度。在常温 25℃的条件下，测量的误差小于等于 0.5℃，满足系统对传感器的精度需求。而且光纤温度传感器具有自检功能，可以监控自身状态并输出报警信号。

实施例2：

涉及一种LNG加气站站控系统的控制方法，具体为：

步骤1，信息采集，压力变送器采集阀门进口压力的实际反馈值，并将实际反馈值传递至PLC控制器；步骤2，调节开度，PLC控制器接收阀门进口压力的给定值，并计算阀门进口压力的给定值与实际反馈值的偏差e及偏差变化率ec，PLC控制器内的模糊调节器接收偏差e及偏差变化率ec并对PID控制器进行参数调节，参数调节完成后输出阀门的开度信号K。基于上述步骤，通过引入模糊控制来对PID的参数进行调节，具体通过找出比例、积分、微分三个参数与输入量、输入量变化率之间的模糊关系，并在运行过程中不断检测输入量、输入量变化率根据模糊推理原理来对这三个参数进行在线调节，以确定最适合现场环境的参数范围，进而解决现有站控系统中的PID控制延迟时间长与波动时间长的问题。

此外，还涉及了站控系统中浓度、温度的监控控制过程，此处便不再赘述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种LNG加气站站控系统，其特征在于：包括依次连接的现场级、控制级以及监控级，所述控制级包括PLC控制器；所述现场级用于采集现场仪表信息且与所述PLC控制器信号连接，所述现场级包括压力变送器；所述监控级包括监控系统以及调度中心，所述调度中心与所述监控系统、PLC控制器远程连接，所述监控系统与所述PLC控制器信号连接；

所述现场级还包括阀门，所述PLC控制器与所述阀门信号连接且能够用于控制阀门的开度，所述PLC控制器包括PID控制器与模糊调节器，所述PID控制器能够通过模糊调节器实现PID参数的自调节；

所述现场级还包括温度传感器与浓度传感器，所述监控系统包括依次信号连接的传感器模块、数据采集模块、数据传输模块以及微处理器，所述传感器模块与所述温度传感器、浓度传感器信号连接，所述微处理器还信号连接有电源模块、通信模块以及报警单元，所述通信模块与所述调度中心信号连接；

初始浓度监控时，所述微处理器初始化浓度串口通信参数，并选取浓度串口，所述浓度传感器采集到浓度信息后经由传感器模块生成浓度报文，所述微处理器接收到浓度报文后转为UTF-8字符数组并判断包头和包尾，判断依据为包头至少含有两个字节，判断完成后截取浓度数据位并更新浓度缓存数组；

所述微处理器内设定有浓度阈值，且在更新浓度缓存数组之前还需要判断是否超过浓度阈值，判断方法为浓度数据位达到浓度阈值的1%、3%，或浓度数据位变化率达到2%，超过1%浓度阈值时，所述微处理器产生黄色预警信号并传递至报警单元；超过3%浓度阈值时，所述微处理器产生红色预警信号并传递至报警单元。

2.根据权利要求1所述的一种LNG加气站站控系统，其特征在于：PID参数包括：比例p、积分i以及微分d，所述模糊调节器的输入量为压力变送器采集的阀门进口压力的给定值与实际反馈值的偏差e及偏差变化率ec，输出量为阀门的开度信号K。

3.根据权利要求2所述的一种LNG加气站站控系统，其特征在于：所述模糊调节器的模糊规则为模糊控制规则表，并依据模糊控制规则表对PID参数进行整定。

4.根据权利要求1所述的一种LNG加气站站控系统，其特征在于：初始温度监控时，所述微处理器内设定有温度阈值，所述微处理器建立温度报文委托后发送温度请求，所述温度传感器接收到温度请求后采集温度信息并经由传感器模块生成温度字节数组，所述微处理器接收到温度字节数组后判断能否正常转换为字符串，若能，则读取温度字节数组的包头，若不能，则抛弃等待下一循环，所述微处理器读取包头后判断字符串数组长度并读取温度数据，最后微处理器根据温度数据判断是否报警。

5.根据权利要求4所述的一种LNG加气站站控系统，其特征在于：所述微处理器根据温度数据判断是否报警的标准为：温度数据是否超过温度阈值，若是，则报警；或相邻两温度数据的变化梯度超过15%。