本文是一篇控制工程论文，通过对长输成品油管道 PID 控制的逻辑研究，得出以下结论：1、国内成品油长输管道的自动化水平与国外相比还有一定差距。为了保证管道的安全、平稳、高效运行，提高管道的自动化水平，是非常有必要的。2、分析 SPS 软件中 PID 控制机理、算法和实际工程参数整定方法。提出实际应用中和 SPS 软件中抗积分饱和的解决方法。展望最先进的三项低选控制和模糊PID 控制在长输管道中的应用。
第 1 章 绪论
1.1 研究目的和意义
1.1.1 研究背景
改革开放40年以来，中国经济发展飞快，导致了对能源的需求愈加旺盛。然而我国是一个“煤多油少”的国家，能源结构由煤炭向石油和天然气转型已经是历尽千辛万苦，非再生能源向清洁能源转变更是难上加难，所以在未来的一段时间油气能源在中国还是会占据主导地位。尤其在2017年10月份，召开的十九大中，供给侧、油气改革和管道改革等新时代能源政策，更是万众瞩目。其中强调油气改革必须要坚持市场化方向，体现出能源商品属性，这既是为了适应国际油气市场变化，也是为了推动能源生产、消费革命的具体落实，有利于进一步打破行政垄断，控制自然垄断，公开竞争环节，构建越发公平开放的油气市场新格局。在最新的政策趋势下，中国油气管道即将迎来提速发展改革的新时代，因为管道运输已经成为继轮船、飞机、汽车、火车后不可替代的运输方式[1]。管道运输作为第五大运输方式，被公认为最经济、最有效、最安全的运输方式[1]。
随着时代发展和政策改变，将来建设、调控管道的不仅会是中石油、中石化和中海油三巨头企业，一些中小型民营企业也将加入其中，因此将会面对诸多问题和挑战。其中管道的自动化水平至关重要，自动化水平高不仅能大大降低人工成本，还能降低危险系数。一套可靠的控制逻辑，是管道安全、平稳、高效运行的保障。
1.1.2 研究目的
石油产品是工业发展的核心，而成品油更是现在工业、农业和日常生活中必不可少的资源。在当今快速发展的社会，传统的公路运输、水上运输、空中运输和铁路运输已经满足不了日益增长的市场需求，那怎样才能有效的将柴油、汽油、航油等成品油运送到目的地呢？管道运输是不二的选择。然而目前中国新建的长输管道，在设计初期就会考虑管道的整体自动化程度。可以说，一个国家自动化水平的高低，映射了一个国家工业水平的高低[2]。工业革命以来，自动化技术的成熟，是要归功于PID控制规律的出现。虽然PID控制原理易懂，且容易实现，但在世界上80%~90%的工业控制系统中仍在用PID控制规律，可谓简约但不简单，平凡但不平庸[2]。
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1.2 国内外成品油管道发展概况
1.2.1 国内成品油管道发展概况
在我国的管道工业发展建设中，成品油管道的建设发展相对国外比较落后，1973年进行了成品油管道工业试验，1977 年才成功建成国内第一条成品油管道，格尔木~拉萨成品油管道，当时建设这条管道的主要目的是为了供给青藏公路沿线加油站，此管线全长 1080 公里，属于一条军地两用的管道[4]。之后国内的成品油管道发展建设出现了一段空档期，只有个别发达地区建设了为数不多的短距离成品油管道。直至 2002 年兰成渝管道的建设投产，国内长输成品油发展进入了一个崭新的篇章。截至2016 年国内成品油管道总长度已经达到2.3 万公里，不仅如此甬台温成品油管道、抚锦支干线、天津~唐山成品油管道、云南石化成品油管道、锦郑成品油管道、江津~荣昌成品油管道、山东滨海~青州成品油管道等工程，将在 2017~2018 年陆续开工建设或投产。
非常令国人骄傲的是在 2017 年 12 月 25 日，经过清华大学以及来自中国石油专家组的严苛评审讨论，由北京油气调控中心承担，中石油科技管理部组织的“国产油气管道 SCADA 系统软件工业试验”重大技术项目通过验收。SCADA 系统是油气管道的“千里眼”，多年来中国一直使用国外的 SCADA 系统，在管道战略方面非常被动。国产 SCADA 项目在港枣成品油管道和冀宁天然气管道同时进行试验，历经一个多月的模拟、测试、投产，最后国产 SCADA 系统在严格的考核标准下，成功投用。并且国产 PCS 软件完全可以满足两条管线的生产监控需要和控制要求，不仅如此还增加了很多自主创新的控制系统，优化了之前 TELVENT 系统的不足之处，可以说能够完全替换现有的 SCADA 系统软件。这标志着我国将慢慢实现管道监控系统的自主权。
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第 2 章 PID 控制应用分析
2.1 SPS 仿真软件中的 PID 控制
SPS 软件功能非常强大，可以说是当今管道仿真软件的领军者。首先需要通过设备厂家，收集最齐全的资料，如果在管道投用期间，设备的参数有变化，还需要将最新数据统计清楚。然后在 SPS 软件中利用 Windows 的“记事本”功能，按照SPS 的格式要求，将水力状态，油品性质、温度、时间等基础参数输入其中。最后根据最新设备数据和管道参数建立水力模型，如果一切输入无误，管道模型就可以运行。但此时的管道模型缺少灵魂，即控制系统，还需要在 INTRAN 文件中输入必要的控制参数，比如时间进度、初始参数和简单的控制系统等。PID 控制可以让管道仿真模拟更贴近实际管道，可以说是锦上添花，PID 控制也是通过 INTRAN 文件输入，将所需要的泵、压缩机、调节阀、水击保护等控制系统，按照 SPS 语言编入。
SPS 通过计算仿真参数，比如密度、压力、流量、温度和其它一些沿管线随时间变化的变量来执行其仿真，并且能将这些参数的数据以图形或表格的形式显示出来，还可以将多组数据显示在一张图表中。SPS 能模拟液体管道（包括液柱分离和不满流）或者是气体管道[10]。SPS 软件的水力系统建立是在 INPREP 文件中，逻辑建立是在 INTRAN 文件中，这两个文件都是以记事本的形式打开，下面就简单介绍一下如何建立水力系统和逻辑系统。
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2.2 长输管道 PID 控制应用分析
2.2.1 控制系统概述
管道建设所利用的 SCADA 系统的配置结构如图 2.11 所示，一般由以下几大部分组成：应用软件、远程可编程控制器（PLC 或 RTU）、网络及通信系统组成、控制中心和站控计算机系统。目前的 SCADA 系统，包括国产 SCADA 系统，都是一种集散型控制系统。所谓集散型，通常分为三级：控制中心级（即调控中心）、站控级（即各地区站控）和设备控制级，在一些大型系统中还设有分控制中心这一级，比如我们单位就设有廊坊备控中心[12]。
图 2.10 现代 SCADA 系统的配置形式
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第 3 章 PID 控制手/自动无扰切换..................................33
3.1 PID 手/自动切换概述.................................... 33
3.1.1 无扰切换的目的及意义............................ 33
3.1.2 实际案例分析..........................................33
第 4 章 利用 PID 控制实现无扰切泵...............................49
4.1 无扰切泵的意义................................49
4.2 仿真模型建立.................................. 50
4.3 逻辑编程...................................53
第 5 章 结论.........................57
第 4 章 利用 PID 控制实现无扰切泵
4.1 无扰切泵的意义
在液体管道的水力系统中，泵是增压的基本设备，每个泵站至少配有两台泵，以达到一备一用的目的。在管道的日常调控中，合理的配泵至关重要，根据兰成渝管道临洮站的月报统计，每月平均消耗 75 万 kW h，电费 70 万元。如果能通过合理配泵，少启一台泵或是变频泵的转速控制在合理范围，就可以节约大量的能源。因此根据不同的工况，调度就需要根据经验来配置不同的泵组合，这其中就会涉及大量的切泵操作。每年的 3-5 月是管道春检的时期，这期间为了配合检修设备、电路倒闸、PLC 程序维护等操作，经常需要切泵。可见无论是在日常操作还是检查维护期间，切泵是液体管道经常出现的操作。
目前北京油气调控中心所调控的成品油管道中，只有西部成品油管道的瓜州站有自动切泵程序，投用一段时间后出现故障，至今问题未解决。相比之下原油管道的自动化水平更高一些，基本每条管道都有自动切泵程序。但原油管道都是定速泵之间的切换，程序相对独立，逻辑比较简单，所以能广泛应用。而成品油管道中，变频泵之间或定速泵与变频之间的切泵程序尚未得到应用。原因其一是变频泵停泵和启泵的执行时间过长，变频器作用到转速需要一个缓慢的过程，而在某些极限工况（进出站压力接近高压或低压保护值）切泵就会引发事故。其二是每台变频泵都有独立的控制器，切泵的过程也是切换控制器的过程，所以相对定速泵之间的切换，变频泵更难做到无扰切换。
图 2.11 济南站 SCADA 画面
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第 5 章 结论
通过对长输成品油管道 PID 控制的逻辑研究，得出以下结论
1、国内成品油长输管道的自动化水平与国外相比还有一定差距。为了保证管道的安全、平稳、高效运行，提高管道的自动化
