CN107219840A - 面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法及系统，其中包括基于OPC接口从天然气分输站的控制器采集调节阀工作时控制回路的参数，所述控制回路的参数包括压力设定值SP、控制器的输出值OP和压力过程值PV；将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，并采用相关熵方法检验调节阀是否存在非高斯特性和非线性特性；于存在非高斯特性和非线性特性时根据所述控制回路的参数判断调节阀是否存在粘滞特性。采用该种方法及系统，能够对调节阀的故障进行即时诊断，减少调节阀的维护费用，提升调节阀的维护效率，提高阀门精度与使用寿命，有效解决天然气运输的安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及天然气管道运输技术领域，尤其涉及调节阀控制技术领域，具体是指一种面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法及系统。
背景技术
天然气是世界三大主力能源之一，拥有高效、无污染等优点。我国拥有着极为丰富的天然气资源，天然气产业有着良好的发展前景。发展天然气产业，提升其在能源市场的竞争力和消费率，可以极大地促进我国能源结构的优化，并且有效地推动我国低碳经济的发展。
天然气的运输方式为管道运输，经过高高压和高中压站后进入到城市管网，为下游的用户提供分压后的天然气。天然气分输站是输气管道为了分流天然气至下游用户，沿线设置的站场。为了保证天然气分输的安全性和持续性，需要建立一个压力调节系统来调节分输站的压力，来保证下游的管道压力没有超标，并且当发现压力调节设备发生故障时，系统能够安全切断控制回路，防止事故的发生。
工作调节阀和监控调节阀由于长时间在高压、高低温、腐蚀等情况下工作，加上外部经常受到干扰及内部结构参数不合理等情况，容易受到损耗，出现非线性特性。天然气运输过程中调节阀如果发生故障，控制回路将发生振荡，这将导致输出压力不稳定、设备加速报废等不良后果，严重时可能发生安全事故。根据Honeywell公司的调查显示，过程工业中有近2/3的回路存在着问题，处于理想状态的控制回路仅有1/3。近年来有不少能源运输过程的事故发生，比如2014年11月的“11-22”特大事故，青岛中石化东黄输油管道泄露爆炸，共导致62人遇难，136人受伤，直接经济损失高达7.5亿元。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法及系统，能够对调节阀的非线性特性进行实时监测，及时发现调节阀的故障，保证系统的安全，减少系统的维护费用并增加部件的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
该面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，所述调节阀包括工作调节阀和监控调节阀，所述的方法包括以下步骤：
基于OPC接口从天然气分输站的控制器采集调节阀工作时控制回路的参数，所述控制回路的参数包括工作调节阀与监控调节阀各自的压力设定值SP、控制器的输出值OP和压力过程值PV；
将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，并采用相关熵方法检验调节阀是否存在非高斯特性和非线性特性；
于存在非高斯特性和非线性特性时根据所述控制回路的参数分别判断工作调节阀和监控调节阀是否存在粘滞特性。
可选地，将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，包括如下步骤：
当检验时间序列{xt,t∈T}时，将所述控制回路的参数作为原始数据，并采用IAAFT方法生成替代数据{xs,s∈T}，其中T表示字典集，xt表示t时刻的回路参数；
分别将所述原始数据和替代数据从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间。
可选地，根据如下公式将所述原始数据从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间：
根据如下公式将所述替代数据从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间：
其中，σ表示核的宽度参数，||||表示求范数，τ表示延时时间，k(xt,xt+τ)表示原始数据映射到高维的线性空间的内积，k(xs，xs+τ)表示替代数据映射到高维的线性空间中的内积。
可选地，采用相关熵方法检验过程是否存在非高斯特性和非线性特性，包括如下步骤：
根据如下公式计算所述原始数据的相关熵：
V(s,t)＝E{κ(xt，xt+τ)}＝E{<φ(xt),φ(xt+τ)>}
根据如下公式计算所述替代数据的相关熵：
V(s，t)＝E{κ(xs，xs+τ)}＝E{<φ(xs)，φ(xs+τ)>}
其中，V(s,t)表示相关熵，E{}表示求期望值，表示核映射，τ表示延时时间；
判断所述原始数据和替代数据的相关熵数据的差值是否小于预设阈值，如果是，则判断不存在非线性和非高斯特性，否则，判定存在非线性和非高斯特性。
可选地，判断调节阀是否存在粘滞特性，包括如下步骤：
根据所述控制回路的参数绘制PV-OP曲线，所述PV-OP曲线的横坐标为压力过程值PV，纵坐标为控制器的输出OP；
判断PV-OP曲线是否能逆合成椭圆形，如果是，则所述调节阀存在粘滞特性，否则，所述调节阀不存在粘滞特性。
可选地，所述方法还包括如下步骤：
当PV-OP曲线能逆合成椭圆形时，计算椭圆形的长轴的长度值，如果所述椭圆形的长轴的长度值大于预设阈值，则进行故障报警。
可选地，基于Python语言的科学计算包Numpy和SciPy采用相关熵方法将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，检验过程是否存在非高斯特性和非线性特性，以及判断调节阀是否存在粘滞特性。
本发明还提供一种面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测系统，应用于所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，所述系统包括：
数据采集模块，用于基于OPC接口从天然气分输站的控制器实时采集调节阀工作时控制回路的参数，所述控制回路的参数包括压力设定值SP、控制器的输出值OP和压力过程值PV；
数据库模块，用于存储实时采集得到的控制回路的参数；
数据分析模块，用于执行数据分析动作，所述数据分析动作包括采用相关熵方法将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，检验过程是否存在非高斯特性和非线性特性，以及判断调节阀是否存在粘滞特性。
可选地，所述数据分析模块使用Django框架搭建诊断软件，以采集到的控制回路的参数为输入，采用Python语言下的科学计算包Numpy和SciPy执行数据分析动作。
可选地，所述系统还包括：
安全切断阀性能监测模块，检查安全切断阀的打开关闭行程时间是否发生非正常变化，从而对其性能进行监测。
人机交互模块，用于使用Django框架搭建的网络发布工作调节阀非线性特性检测报告、监控调节阀非线性特性检测报告、安全切断阀性能监测报告以及故障警报。
采用该发明的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法及系统，通过OPC工业标准协议采集传输数据，利用MySQL和Django等软件工具构建数据处理系统，基于相关熵算法判断调节阀的非线性特征，能够对调节阀的故障进行即时诊断，减少调节阀的维护费用，提升调节阀的维护效率，提高阀门精度与使用寿命，有效解决天然气运输的安全隐患。
附图说明
图1为本发明的天然气分输站调节回路示意图；
图2为本发明的调节阀非线性特性检测技术路线示意图；
图3为本发明的调节阀非线性特性检测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
如图1所示为本发明的天然气分输站调节回路示意图。天然气分输站的压力控制由工作调节阀、监控调压阀、安全切断阀组成的三级控制模式来完成，从上游至下游依次串联组成压力调控系统。工作调节阀选用电动调节阀(PV)，监控调节阀选用自力式调节阀(PCV)，安全切断阀选用自力式安全切断阀(SSV)。当工作调节阀发生故障，下游压力失控时，监控调压阀开始工作，以保证下游压力处于安全范围；若监控调压阀同时出现故障，下游压力无法控制时，安全切断阀工作，切断气源，并由控制器开启备用回路，以保障安全。
本发明针对天然气分输站的调节回路，具体针对工作调节阀和监控调节阀，提供了一种面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法。所述方法具体包括如下步骤：
基于OPC接口从天然气分输站的控制器采集调节阀工作时控制回路的参数，所述控制回路的参数包括工作调节阀与监控调节阀各自的压力设定值SP、控制器的输出值OP和压力过程值PV；
将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，并采用相关熵方法检验调节阀是否存在非高斯特性和非线性特性；
于存在非高斯特性和非线性特性时根据所述控制回路的参数判断调节阀是否存在粘滞特性。
优选地，该非线性检测方法对于工作调节阀和监控调节阀是分别计算和判断的。
如图2所示，为本发明的调节阀非线性特性检测技术路线示意图。首先采集到OP-PV-SP数据；然后计算误差(SP-PV)时间序列的相关熵，用IAAFT替代数据法对时间序列生成替代数据，并对原始数据和替代数据的相关熵进行比较，即可同时判断是否有非高斯特性和非线性特性；如果调节阀存在非线性特性，则对PV-OP图采用椭圆拟合的方法判断阀门的粘滞特性。
具体地，在一种优选的实施方式中，将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，包括如下步骤：
当检验时间序列{xt,t∈T}时，将所述控制回路的参数作为原始数据，并采用IAAFT方法生成替代数据{xs,s∈T}，其中T表示字典集，xt表示t时刻的回路参数；
IAAFT替代数据法是在假设原时间序列来自常系数的高斯线性随机过程，经过静态非线性变换这一零假设下提出的，所以只要通过对原始数据和替代数据的相关熵进行比较，即可判断系统是否存在非高斯和非线性特性，并且当出现噪声点时，相关熵将会更加注重类别中样本点密度大的部分，从而有效减少噪声点地干扰，因此有很好的鲁棒性能；
分别将所述原始数据和替代数据从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间。
在一种优选的实施方式中，根据如下公式将所述原始数据从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间：
根据如下公式将所述替代数据从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间：
其中，σ表示核的宽度参数，||||表示求范数，τ表示延时时间，k(xt，xt+τ)表示原始数据映射到高维的线性空间的内积，k(xs，xs+τ)表示替代数据映射到高维的线性空间中的内积。
在一种优选的实施方式中，采用相关熵方法检验过程是否存在非高斯特性和非线性特性，包括如下步骤：
根据如下公式计算所述原始数据的相关熵：
V(s，t)＝E{κ(xt，xt+τ)}＝E{<φ(xt)，φ(xt+τ)>}
根据如下公式计算所述替代数据的相关熵：
V(s，t)＝E{κ(xs，xs+τ)}＝E{<φ(xs)，φ(xs+τ)>}
其中，V(s,t)表示相关熵，E{}表示求期望值，表示核映射，τ表示延时时间；
根据所述原始数据和替代数据的相关熵的比较结果判断过程是否存在非高斯特性和非线性特性，如果两者的相关熵数据无显著差异，则认为过程不存在非线性和非高斯特性。即，判断所述原始数据和替代数据的相关熵数据的差值是否小于预设阈值，如果是，则判断不存在非线性和非高斯特性，否则，判定存在非线性和非高斯特性。
在一种优选的实施方式中，判断调节阀是否存在粘滞特性，包括如下步骤：
根据所述控制回路的参数绘制PV-OP曲线，所述PV-OP曲线的横坐标为压力过程值PV，纵坐标为控制器的输出OP；
判断PV-OP曲线是否能逆合成椭圆形，如果是，则所述调节阀存在粘滞特性，否则，所述调节阀不存在粘滞特性。
在一种优选的实施方式中，所述方法还包括如下步骤：
当PV-OP曲线能逆合成椭圆形时，计算椭圆形的长轴的长度值，如果所述椭圆形的长轴的长度值大于预设阈值，则进行故障报警。
在一种优选的实施方式中，基于Python语言的科学计算包Numpy和SciPy采用相关熵方法将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，检验过程是否存在非高斯特性和非线性特性，以及判断调节阀是否存在粘滞特性。
本发明还提供一种面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测系统，应用于所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，所述系统包括：
数据采集模块，用于基于OPC接口从天然气分输站的控制器实时采集调节阀工作时控制回路的参数，所述控制回路的参数包括压力设定值SP、控制器的输出值OP和压力过程值PV；
数据库模块，用于存储实时采集得到的控制回路的参数；
数据分析模块，用于执行数据分析动作，所述数据分析动作包括采用相关熵方法将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，检验过程是否存在非高斯特性和非线性特性，以及判断调节阀是否存在粘滞特性。
在一种优选的实施方式中，所述数据分析模块使用Django框架搭建诊断软件，以采集到的控制回路的参数为输入，采用Python语言下的科学计算包Numpy和SciPy执行数据分析动作。
在一种优选的实施方式中，所述系统还包括：
安全切断阀性能监测模块，根据安全切断阀的打开和关闭行程时间的历史数据确定阀门打开关闭行程时间是否发生非正常变化，从而对安全切断阀的性能进行监测。
在一种优选的实施方式中，所述系统还包括：
人机交互模块，用于使用Django框架搭建的网络形成人机交互界面，通过人机交互界面可以发布工作调节阀非线性特性检测报告、监控调节阀非线性特性检测报告、安全切断阀性能监测报告以及故障警报，方便用户查看。
采用该发明的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法及系统，通过OPC工业标准协议采集传输数据，利用MySQL和Django等软件工具构建数据处理系统，基于相关熵算法判断调节阀的非线性特征，能够对调节阀的故障进行即时诊断，减少调节阀的维护费用，提升调节阀的维护效率，提高阀门精度与使用寿命，有效解决天然气运输的安全隐患。
采用该发明的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法及系统，通过OPC工业标准协议采集传输数据，利用MySQL和Django等软件工具构建数据处理系统，基于相关熵算法判断调节阀的非线性特征，能够对调节阀的故障进行即时诊断，减少调节阀的维护费用，提升调节阀的维护效率，提高阀门精度与使用寿命，有效解决天然气运输的安全隐患。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (10)
1.一种面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，所述调节阀包括工作调节阀和监控调节阀，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
基于OPC接口从天然气分输站的控制器采集调节阀工作时控制回路的参数，所述控制回路的参数包括工作调节阀与监控调节阀各自的压力设定值SP、控制器的输出值OP和压力过程值PV；
将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，并采用相关熵方法分别检验工作调节阀与监控调节阀是否存在非高斯特性和非线性特性；
于存在非高斯特性和非线性特性时根据所述控制回路的参数分别判断工作调节阀和监控调节阀是否存在粘滞特性。
2.根据权利要求1所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，其特征在于，将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，包括如下步骤：
当检验时间序列{xt，t∈T}时，将所述控制回路的参数作为原始数据，并采用IAAFT方法生成替代数据{xs,s∈T}，其中T表示字典集，xt表示t时刻的回路参数；
分别将所述原始数据和替代数据从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间。
3.根据权利要求2所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，其特征在于，
根据如下公式将所述原始数据从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间：
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根据如下公式将所述替代数据从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间：
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</mrow>
其中，σ表示核的宽度参数，||||表示求范数，τ表示延时时间，κ(xt,xt+τ)表示原始数据映射到高维的线性空间的内积，κ(xs，xs+τ)表示替代数据映射到高维的线性空间中的内积。
4.根据权利要求3所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，其特征在于，采用相关熵方法检验调节阀是否存在非高斯特性和非线性特性，包括如下步骤：
根据如下公式计算所述原始数据的相关熵：
V(s,t)＝E{κ(xt，xt+τ)}＝E{<φ(xt),φ(xt+τ)>}
根据如下公式计算所述替代数据的相关熵：
V(s，t)＝E{κ(xs，xs+τ)}＝E{<φ(xs)，φ(xs+τ)>}
其中，V(s,t)表示相关熵，E{}表示求期望值，表示核映射，τ表示延时时间；
判断所述原始数据和替代数据的相关熵数据的差值是否小于预设阈值，如果是，则判断不存在非线性和非高斯特性，否则，判定存在非线性和非高斯特性。
5.根据权利要求1所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，其特征在于，判断调节阀是否存在粘滞特性，包括如下步骤：
根据所述控制回路的参数绘制PV-OP曲线，所述PV-OP曲线的横坐标为压力过程值PV，纵坐标为控制器的输出OP；
判断PV-OP曲线是否能逆合成椭圆形，如果是，则所述调节阀存在粘滞特性，否则，所述调节阀不存在粘滞特性。
6.根据权利要求5所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
当PV-OP曲线能拟合成椭圆形时，计算椭圆形的长轴的长度值，如果所述椭圆形的长轴的长度值大于预设阈值，则进行故障报警。
7.根据权利要求1所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，其特征在于，基于Python语言的科学计算包Numpy和SciPy采用相关熵方法将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，检验过程是否存在非高斯特性和非线性特性，以及判断调节阀是否存在粘滞特性。
8.一种面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测系统，其特征在于，应用于权利要求1至7中任一项所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测方法，所述系统包括：
数据采集模块，用于基于OPC接口从天然气分输站的控制器实时采集调节阀工作时控制回路的参数，所述控制回路的参数包括压力设定值SP、控制器的输出值OP和压力过程值PV；
数据库模块，用于存储实时采集得到的控制回路的参数；
数据分析模块，用于执行数据分析动作，所述数据分析动作包括采用相关熵方法将所述控制回路的参数从原始的非线性空间基于核函数投影到高维的线性空间，检验过程是否存在非高斯特性和非线性特性，以及判断调节阀是否存在粘滞特性。
9.根据权利要求8所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测系统，其特征在于，所述数据分析模块使用Django框架搭建诊断软件，以采集到的控制回路的参数为输入，采用Python语言下的科学计算包Numpy和SciPy执行数据分析动作。
10.根据权利要求8所述的面向天然气分输站的调节阀非线性特性检测系统，其特征在于，所述系统还包括：
安全切断阀性能监测模块，检查安全切断阀的打开关闭行程时间是否发生非正常变化，从而对其性能进行监测。
人机交互模块，用于使用Django框架搭建的网络发布工作调节阀非线性特性检测报告、监控调节阀非线性特性检测报告、安全切断阀性能监测报告以及故障警报。
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