输油管道站场泵及电机温度保护参数滤波优化及应用

2021-07-23张黎

仪器仪表用户 2021年7期

张黎

（国家管网集团西部管道有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

0 引言

双兰线输油站场泵机组2006年投产运行，泵及电机本体仪表运行时间较长，在维护过程中，作业人员仅能够对回路、端子进行排查，无法对泵及电机本体仪表自身状态进行确认。在运行过程中，泵机组仪表如果因自身原因出现故障，该参数会直接达到上限，导致泵及电机保护参数触发，造成停泵。此类问题使现场运维压力增加，存在停泵风险。因此，在对泵机组保护参数逻辑梳理后，发现其逻辑存在可优化空间。在不修改原有保护参数前提下，综合使用限幅递推中位平均滤波法，对泵保护参数进行滤波，消除外部干扰。具体措施为：使用限幅法对原有模拟量保护参数进行滤波，用于消除泵机组仪表因自身故障、线路故障等偶然因素引起的脉冲干扰。同时结合递推法，抑制外部干扰引起的短时间周期性干扰。结合中位平均法，对一般随机干扰的信号进行滤波。最后，对程序优化结束并对优化后的泵机组进行测试验证。

1 滤波方法介绍[3]

1.1 限幅滤波法

方法：根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A）。每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差为A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值。

优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。缺点：无法抑制那种周期性的干扰平滑度差。

1.2 中位值滤波法

方法：连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列（多采用冒泡法），取中间值为本次有效值。

优点：能有效克服因偶然因素引起的波动（脉冲）干扰。

缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜。

1.3 递推平均滤波法

方法：把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据（先进先出原则）。把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。

优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统。

缺点：灵敏度低。对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费RAM。

1.4 算术平均滤波法

方法：连续取N个采样值进行算术平均运算，N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低。N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高。N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4。

优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。

缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM。

1.5 中位值平均滤波法

方法：相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值N值的选取：3 ～14 。

优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样，比较浪费RAM。

1.6 限幅平均滤波法

方法：相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”每次采样到的新数据，先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理。

优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

缺点：比较浪费RAM。

1.7 一阶滞后滤波法

方法：取a = 0～1，则本次滤波结果 =（1-a）×本次采样值 + a×上次滤波结果。

优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合。

缺点：相位滞后，灵敏度低滞后程度取决于a值大小，不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号。

1.8 加权递推平均滤波法

方法：对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权。通常是越接近现时刻的数据，权取得越大。给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低。

优点：适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。

缺点：对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差。

1.9 消抖滤波法

方法：设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较。如果采样值等于当前有效值，则计数器清零。如果采样值小于或大于当前有效值，则计数器+1，并判断计数器是否大于等于上限N（溢出），如果计数器溢出，则将本次值替换当前有效值，并清计数器。

优点：对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动。

缺点：对于快速变化的参数不宜，如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值，则会将干扰值当作有效值导入系统。

1.10 限幅消抖滤波法

方法：相当于“限幅滤波法”+“消抖滤波法”，先限幅，后消抖。

优点：继承了“限幅”和“消抖”的优点，改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷，避免将干扰值导入系统。

缺点：对于快速变化的参数不宜。

2 滤波优化内容[1,2]

本次优化主要是对泵及电机本体温度保护参数程序进行优化，在不改变原有保护逻辑的前提下，对参数范围进行限制，在出现泵机组仪表因自身故障或仪表回路问题出现参数超限的情况下，仅执行正常报警逻辑，不再执行停泵逻辑。编制滤波程序时，为简化程序，将滤波程序编制为独立功能块，通过调整外部参数实现不同仪表、不同工况滤波。

在主程序中调用功能块Filter，如图1所示。其中，InPut为模拟量硬件输入通道，In_Maxvalue为输入最大限值，在保护上限至最大值之间（200℃）。In_Minvalue为输入最小限值，在最小值以上。In_Devvalue为一个数据采集周期最大变化率，若极限条件下1 s内温度升高10℃，采集周期为100 ms，参考设定值为6。In_AVG_LEN为数据采集数量，默认25个。In_TimerPRE为数据采集周期，默认100 ms。In_AVE_LEN为参与中位平均值计算数量，默认5个。按照以上3个默认值，数据采集周期为2.5 s，2.5 s内去掉10个最高值，去掉10个最低值，取中间5个值做平均计算。通过中位取值，可过滤5个采集周期即最大持续500 ms突发干扰。若需要提高数据灵敏度，需要增加In_AVE_LEN，最大等于In_AVG_LEN。若需要增强滤波效果，减小In_AVE_LEN，最小为1，建议选用奇数。OutPut_PLC为参与联锁变量，替代原联锁逻辑变量。当数据判定为不合格后，改数值保持最后一个合格数值。OutPut_HMI为上位机显示数据，当数据判定为不合格后，数据与现场硬件通道数据一致。

图1 滤波功能块Fig.1 Filter function block

3 测试结果验证[1,2]

通过现场的测试及运行，测试人员通过对铂电阻接线拆除正极，温度为870℃，上位机产生高报、高高报，滤波程序输出结果停在上一周期数值，为29.548℃，触发高报和高高报警，未触发泵单体ESD联锁，滤波保护程序有效。

测试人员通过对铂电阻接线全部拆除时，温度为-200℃，上位机输出报警，滤波程序输出结果停在上一周期数值，为31.9℃。

测试人员通过现场模拟数值，在0～200℃有效数值区间内，以1 s为时间周期，依次输入处于一个周期温度变化率内的数值（5℃），由30℃逐渐升至65℃。当模拟温度升至55℃时，上位机产生高报。当模拟温度升至60℃时，上位机产生高高报，同时泵机组单体ESD触发，执行保护停泵。测试说明滤波程序温度变化处于周期温度变化率内，不会对泵单体保护逻辑产生影响。

测试人员通过现场模拟数值，在0～200℃有效数值区间内，以1 s为时间周期，依次输入超出一个周期温度变化率内的数值（12℃），由30℃逐渐升至66℃。当数值升至66℃时，上位机产生高报、高高报，泵机组单体ESD未触发，滤波程序输出结果停在上一周期正常数值，为30.2℃。上位机未产生高报和高高报警，滤波保护功能有效。

测试人员在安全区域将泵机组润滑油加热至100℃后，带入到测试探头处。由于当日气温较低，到达现场时，油温将至90℃。将测试探头插入到润滑油中，测试真实高温环境下，探头能否正常触发停机逻辑。当时环境温度大概2.8℃，油温90.7℃，温度相差87.9℃。程序中单个周期内，扫描值和上一个值最大相差5.5℃，没有超过单个周期变化限值，所有数据进入到滤波程序中参与计算，并且当油温超过保护值后，输出正常。