一种双支路智能阀门组控制系统、控制方法及输流装置
技术领域
本发明涉及气体流量控制技术领域，特别是涉及一种双支路智能阀门组控制系统、控制方法及输流装置。
背景技术
液化天然气(英文：liquefied natural gas，英文缩写：LNG)主要成分是甲烷，无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，液化天然气的重量仅为同体积水的45％左右，热值为52MMBtu/t(1MMBtu＝2.52×108cal)。天然气相比燃油具有储量大、成本低、清洁环保高效等优势。
对于船舶来说，单一储罐输流简单，所占空间较小，但是若其出现故障必然导致整艘船舶处于“瘫痪”状态甚至导致巨大的经济损失，同时液态天然气一般高压存储，属于易燃易爆品，出于安全性考虑有必要将液化气进行多储罐存储。
调节阀作为气源与储罐间输流的“咽喉”，它的性能好坏直接影响工艺过程的安全性和稳定性。智能阀门由于具有检测阀杆/阀芯波动幅值和流体压力、流量等特点得到越来越多的应用。当前市场上阀门定位器基本采用的都是传统控制算法，非常依赖基于被控过程或对象数学模型的精确性，基本上是一种面向参数的控制理论。然而在实际工程领域当中,除了系统精确的数学模型和可定量描述的控制信号这些精确知识外,还存在很大一部分不能用精确的数学模型来进行定量描述。面对被控对象的复杂性，数学模型具有很大不确定性，传统控制方法难以满足现实的控制要求。
在实际船舶输流管道-阀体系统中往往存在这样一种工况，即同时向同一规格的两个储罐输流，当一个容器已经输送完成时另一个还没有满罐，不仅浪费巡检人员时间而且加剧输流管道的耦合现象。造成这一状况的原因主要是阀门定位器中气动薄膜较为精密易磨损。由于阀门定位器即使给定相同的预设电流，智能阀门组的实际开度也不尽相同，既浪费了输流时间又增加了工作人员的工作量和劳动强度。当同一电流控制信号给出时两个智能阀门实际开度不同时，反馈电流也不相同，当其与设定电流进行PID运算后，各智能阀门单独控制在根本上不能解决此问题。目前各大智能阀门制造商及学者对于智能阀门控制的研究均为“一管一阀”，即一条主管或支管安装一个智能阀门，各路智能阀门之间几乎没有联系，智能阀门的系统性控制研究存在空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双支路智能阀门组控制系统、控制方法及输流装置，解决了多储罐输流管道-阀体系统中采用“一管一阀”的方式鲁棒性差、阀门不能“同启同闭”的问题。
一种双支路智能阀门组控制系统，包括：
气体源，具有一气压信号；
输入电流信号；
阀门控制单元，所述阀门控制单元包括：调节阀，所述调节阀的阀门开合度通过阀位电信号调节；PID控制单元，所述PID控制单元对所述阀位电信号和/或所述输入电流信号进行处理，并且输出电流控制信号；I/P控制单元，所述I/P控制单元将所述PID控制单元输出的所述电流控制信号和所述气体源的气压信号转换成小气压信号；气室与执行单元，所述气室与执行单元通过气动放大器将所述小气压信号转换成所述阀位电信号并驱动所述调节阀开合；
反馈补偿单元，所述反馈补偿单元采集所述气室与执行单元的所述阀位电信号，利用所述阀位电信号计算出总反馈电流补偿信号，将总反馈电流补偿信号处理并反馈至所述PID控制单元；
其中，所述双支路智能阀门组控制系统包括两组所述阀门控制单元，所述反馈补偿单元采集每组所述阀门控制单元中所述气室与执行单元的所述阀位电信号，对所述阀位电信号进行处理后输出所述总反馈电流补偿信号I＇，所述总反馈电流补偿信号I＇处理后反馈至所述PID控制单元。
进一步地，所述双支路智能阀门组控制系统包括第一阀门控制单元和第二阀门控制单元；
所述第一阀门控制单元包括第一调节阀、第一PID控制单元、第一I/P 控制单元以及第一气室与执行单元；所述第一调节阀的阀门开合度通过第一阀位电信号调节；所述第一PID控制单元控制所述第一调节阀将第一电流控制信号OP1输出至所述第一I/P控制单元；所述第一I/P控制单元将所述第一 PID控制单元输出的所述第一电流控制信号和所述气体源的气压信号Ps转换成第一小气压信号Pb1，所述第一气室与执行单元通过气动放大器将所述第一小气压信号Pb1转换成所述第一阀位电信号并驱动所述第一调节阀开合；
所述第二阀门控制单元包括第二调节阀、第二PID控制单元、第二I/P 控制单元以及第二气室与执行单元；所述第二调节阀的阀门开合度通过第二阀位电信号调节；所述第二PID控制单元控制所述第二调节阀将第二电流控制信号OP2输出至所述第二I/P控制单元；所述第二I/P控制单元将所述第二 PID控制单元输出的所述第二电流控制信号和所述气体源的气压信号Ps转换成第二小气压信号Pb2，所述第二气室与执行单元通过气动放大器将所述第二小气压信号Pb2转换成所述第二阀位电信号并驱动所述第二调节阀开合。
进一步地，所述反馈补偿单元包括第一反馈单元和第二反馈单元，所述第一反馈单元接收所述第一阀位电信号，并将所述第一阀位电信号转换成第一子反馈电流补偿信号I1；所述第二反馈单元接收所述第二阀位电信号，并将所述第二阀位电信号转换成第二子反馈电流补偿信号I2。
进一步地，所述双支路智能阀门组控制系统连接至输流装置，所述双支路阀门组控制系统用于分别控制两支路流体的流动速度。
本发明还提供一种采用上述双支路智能阀门控制系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
阀门控制单元中的PID控制单元获取输入电流信号后，输出电流控制信号；
I/P控制单元获取所述电流控制信号和气体源的气压信号Ps，将所述电流控制信号转化为能够驱动气室与执行单元中气动放大器的小气压信号；
所述气室与执行单元中所述气动放大器将小气压信号转换成大的气室气压后输出阀位电信号，所述阀位电信号用于驱动并调节调节阀的开合度；
反馈补偿单元采集所述阀位电信号后，经反馈单元转化成子反馈电流补偿信号得出反馈电流补偿量ΔI，通过子反馈电流补偿量计算出总反馈电流补偿信号I＇，所述总反馈电流补偿信号I＇经处理后传输至所述阀门控制单元中的所述PID控制单元；
其中，所述输入电流信号同时输入至两组所述阀门控制单元，所述反馈补偿单元采集每组所述阀门控制单元中的所述阀位电信号，经过所述反馈单元得出总反馈电流补偿信号I＇，所述总反馈电流补偿信号I＇处理后反馈至所述PID控制单元。
进一步地，所述反馈补偿单元采集两组所述阀门控制单元中所述阀位电信号，所述反馈补偿单元中第一反馈单元采集第一阀门控制单元的所述阀位电信号后输出第一子反馈电流补偿信号I1，所述反馈补偿单元中第二反馈单元采集第二阀门控制单元的所述阀位电信号后输出第二子反馈电流补偿信号 I2。
进一步地，所述反馈补偿单元采集两组所述阀门控制单元中所述阀位电信号具体包括：
所述反馈补偿单元通过所述调节阀的阀门开合度与所述阀位电信号的线性关系得到两组所述阀门控制单元中所述气室与执行单元的所述阀位电信号；
所述反馈单元接收所述阀位电信号并处理得到所述子反馈电流补偿信号。
进一步地，所述反馈补偿单元采集两组所述阀门控制单元中所述阀位电信号后的步骤包括：
所述反馈补偿单元计算两组所述阀门控制单元中的所述子反馈电流补偿信号的差值作为反馈电流补偿量ΔI，所述第一子反馈电流补偿信号I1、所述第二子反馈电流补偿信号I2和调节因子λ满足如下关系：
通过所述反馈电流补偿量ΔI得到所述反馈电流补偿信号I＇处理得到输入电流信号。
进一步地，所述调节因子λ为大于0且小于等于2的实数。
本发明还提供一种输流装置，包括：
泵站，用于抽取流体；
储罐，用于储存流体；
阀门控制单元，所述阀门控制单元控制流体流向所述储罐的速度；
主阀门，所述泵站与所述阀门控制单元之间通过主管连接，所述主阀门安装于所述主管上；
其中，所述阀门控制单元与所述储罐通过支管连接；
其中，所述阀门控制单元设置有两组，泵站为储罐提供输流源。
本发明提供的一种阀门组控制系统、控制方法及输流装置，其有益效果在于：双支路智能阀门组控制系统中的输入电流信号同时输入至两组阀门控制单元，反馈补偿单元采集每组的阀位电信号经过反馈单元处理后得出总反馈补偿电流，将总反馈补偿电流处理后反馈至PID控制单元，进一步地控制阀门开合度。在反馈补偿单元中，计算第一反馈电流补偿量和第二反馈电流补偿量之间的差值并均分为两部分，同时辅以调节因子来进行电流均衡补偿，得到总反馈电流补偿信号。本发明不仅能够逐渐缩小各支管调节阀实际开合度，最终实现各支路流量一致的目的，从而达到调节阀的阀门“同启同闭”的效果，减轻巡检工作人员的劳动强度，而且可以提高输流管道系统的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例中阀门控制单元系统的示意图；
图2为本发明实施中调节阀阀门开合度与阀位电信号的线性关系示意图；
图3为本发明实施例中输流装置的简化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例中阀门控制单元系统的示意图；图2为本发明实施中调节阀阀门开合度与阀位电信号的线性关系示意图。请参阅图1和图2，本发明提供一种阀门组控制系统，包括：
气体源，具有一气压信号Ps，在本实施例中，气压信号Ps优选采用0.3MPa；输入电流信号；阀门控制单元，阀门控制单元包括：调节阀、PID控制单元、 I/P控制单元以及气室与执行单元。
调节阀的阀门开合度通过阀位电信号调节；PID控制单元控制对阀位电信号和/或输入电流信号进行处理，并且输出电流控制信号；在本实施例中，阀门组控制系统先输入预设的输入电流信号I，再输入总反馈电流补偿信号 I＇。在本实施例中，预设的输入电流信号I为4～20mA。I/P控制单元将PID 控制单元输出的电流控制信号和气体源的气压信号Ps转换成小气压信号；气室与执行单元通过气动放大器将小气压信号转换成阀位电信号并驱动调节阀开合。
反馈补偿单元130，反馈补偿单元130采集气室与执行单元的阀位电信号，利用阀位电信号计算出总反馈电流补偿信号I＇，将总反馈电流补偿信号 I＇处理并反馈至PID控制单元；其中，双支路智能阀门组控制系统10包括两组阀门控制单元，反馈补偿单元130采集每组阀门控制单元中气室与执行单元的阀位电信号，对阀位电信号进行处理后输出总反馈电流补偿信号I＇，总反馈电流补偿信号I＇处理后反馈至PID控制单元。
具体地，双支路智能阀门组控制系统10包括第一阀门控制单元110和第二阀门控制单元120；第一阀门控制单元110包括第一调节阀111、第一PID 控制单元112、第一I/P控制单元113以及第一气室与执行单元114；第一调节阀111的阀门开合度通过第一阀位电信号调节第一PID控制单元112控制第一调节阀111将第一电流控制信号OP1输出至第一I/P控制单元113。在本实施例中，在气源气压Ps为0.3MPa的情况下，第一电流控制信号OP1与第一小气压信号Pb1的对应关系如下式：
Pb1＝0.42OP1-0.04
其中，控制信号OP1的单位为mA；小气压信号Pb1的单位为MPa。
第一I/P控制单元113将第一PID控制单元112输出的第一电流控制信号和气体源的气压信号Ps转换成第一小气压信号Pb1，第一执行单元113通过气动放大器将第一小气压信号Pb1转换成第一阀位电信号并驱动第一调节阀 111开合。在本实施例中，第一气室与执行单元114通过气动放大器将第一小气压信号Pb1转换成大的气室气压Pout1催动修正调节阀的阀位，建立控制器输出第一阀位电信号与调节阀阀杆位移信号之间的一一对应关系，得到阀位开合度。具体为小气压信号Pb1与大气压信号Pout1的转换由气动放大器实现，通过气动放大器的进排气状态推动阀杆运动，其关系如下：
其中，Ps为气源气压；S1、S2、S3分别为气动放大器中膜片有效面积， S4为调节阀阀芯有效底面积，S1-S4参数均可通过具体的气动放大器在实际使用过程中选用的型号测量得到。
第二阀门控制单元120包括第二调节阀121、第二PID控制单元122、第二I/P控制单元123以及第二气室与执行单元124；第二调节阀121的阀门开合度通过第二阀位电信号调节；第二PID控制单元122控制第二调节阀121 将第二电流控制信号OP2输出至第二I/P控制单元123；第二I/P控制单元123 将第二PID控制单元122输出的第二电流控制信号和气体源的气压信号Ps 转换成第二小气压信号Pb2，第二气室与执行单元124通过气动放大器将第二小气压信号Pb2转换成第二阀位电信号并驱动第二调节阀121开合。同理可得，第二阀门控制单元120中第二电流控制信号OP2与第二小气压信号Pb2的对应关系以及第二气室与执行单元124中气动放大器的进排气状态推动阀杆运动，此处不再赘述。
具体地，反馈补偿单元130包括第一反馈单元131和第二反馈单元132，第一反馈单元131接受第一阀位电信号，并将第一阀位电信号转换成第一子反馈电流补偿信号I1；第二反馈单元132接受第二阀位电信号，并将第二阀位电信号转换成第二子反馈电流补偿信号I2。
具体地，双支路智能阀门组控制系统10连接至输流装置，双支路智能阀门组控制系统10用于分别控制两支路流体的流动速度。在本实施例中，流体具体为液化天然气，但并不作为本发明的限定对象。
本发明还提供一种采用上述双支路智能阀门组控制系统10的控制方法，其控制方法包括以下步骤：
阀门控制单元中的PID控制单元获取输入电流信号后，输出电流控制信号；
I/P控制单元获取电流控制信号和气体源的气压信号Ps，将电流控制信号转化为能够驱动气室与执行单元中气动放大器的小气压信号；
气室与执行单元中气动放大器将小气压信号转换成大的气室气压形成阀位电信号用于驱动并调节调节阀的开合度；
反馈补偿单元130采集阀位电信号后，经反馈单元转化成子反馈电流补偿信号得出反馈电流补偿量ΔI，通过子反馈电流补偿量计算出总反馈电流补偿信号I＇，总反馈电流补偿信号I＇经处理后传输至阀门控制单元中的PID 控制单元；
其中，输入电流信号同时输输入至两组阀门控制单元，反馈补偿单元130 采集每组阀门控制单元中的阀位电信号，经过反馈单元得出总反馈补偿电流，将总反馈补偿电流处理后反馈至PID控制单元。
具体地，反馈补偿单元130采集两组阀门控制单元中阀位电信号，反馈补偿单元130中第一反馈单元131采集第一阀门控制单元110的阀位电信号后输出第一子反馈电流补偿信号I1，反馈补偿单元130中第二反馈单元132 采集第二阀门控制单元120的阀位电信号后输出第二子反馈电流补偿信号I2。
具体地，反馈补偿单元130采集两组阀门控制单元中阀位电信号具体包括：
反馈补偿单元130通过调节阀的阀门开合度与阀位电信号的线性关系得到两组阀门控制单元中气室与执行单元的阀位电信号；
反馈单元接收阀位电信号并处理得到子反馈电流补偿信号。
具体地，反馈补偿单元130采集两组阀门控制单元中阀位电信号后的步骤包括：
第一阀门控制单元110的第一子反馈补偿电流I1和第二阀门控制单元120 的第二子反馈补偿电流I2可通过阀门开合度k换算得到，第一阀门控制单元 110的阀门开合度为K1，第二阀门控制单元120的阀门开合度为K2，其具体对应关系式为：
其中，0≤K1≤100；0≤K2≤100；4mA≤I1≤20mA；4mA≤I2≤20mA。将 K1/K2分别代入上式即可得相应的电流信号值I1/I2。
馈补偿单元130计算两组阀门控制单元中的子反馈电流补偿信号的差值作为反馈电流补偿量ΔI，第一子反馈电流补偿信号I1、第二子反馈电流补偿信号I2和调节因子λ满足如下关系：
其中，ΔI为反馈电流补偿量。
加入的反馈调节因子λ可以根据工程实际进行现场调试，近一步增加系统的鲁棒性。
通过反馈电流补偿量ΔI得到反馈电流补偿信号I＇处理得到输入电流信号 If。
计算反馈电流补偿信号I＇，其关系式为：
通过反馈电流补偿量ΔI得到反馈电流补偿信号I＇，反馈电流补偿信号I＇与预设的输入电流信号I作差从而得到输入电流信号If，输入电流信号If分别对阀门控制单元做进一步地控制：
具体地，调节因子λ为大于0且小于等于2的实数。
图3为本发明实施例中输流装置的简化示意图。请参阅图3，本发明还提供一种输流装置，包括：用于抽取流体的泵站40、用于储存流体的储罐50 以及阀门控制单元；阀门控制单元控制流体流向储罐50的速度；主阀门60，泵站40与阀门控制单元之间通过一主管71连接，主阀门60安装于主管71 上。优选地，主阀门60为手动调节阀，其作用在于当支管72发生故障时可以直接截止主管71与各支管72的流量，更具安全性。其中，阀门控制单元与储罐50通过支管72连接；其中，阀门控制单元设置有2组，泵站40为储罐50提供输流源。
可理解地，一种双支路智能阀门组控制系统10、控制方法及输流装置，双支路智能阀门组控制系统的输入电流信号同时输入至两组阀门控制单元，反馈补偿单元130采集每组的阀位电信号经过反馈单元处理后得出总反馈补偿电流，将总反馈补偿电流反馈至PID控制单元，进一步地控制阀门开合度。在反馈补偿单元130中，计算第一反馈电流补偿量I1和第二反馈电流补偿量 I2之间的差值并均分，同时辅以调节因子来进行电流均衡补偿，得到总反馈电流补偿信号I＇，总反馈电流补偿信号I＇经处理后得到输入电流信号，再次输入至PID控制单元，逐渐缩小各支管调节阀实际开合度，最终实现各支路流量一致的目的，从而达到调节阀的阀门“同启同闭”的效果，提高系统抗干扰能力，能够有效减轻巡检工作人员的劳动强度。本发明装置装置简单易操作，节省多储罐输流时间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
