王 玲

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300131)

管線保溫?fù)p失抗擾轉(zhuǎn)換算法研究*

王 玲

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300131)

找到管線表面溫度值和熱流值的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換模型。利用模擬裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到需要條件下排除干擾的數(shù)據(jù)。構(gòu)建系統(tǒng)模型的算法并進(jìn)行仿真從而驗(yàn)證模型可否達(dá)到要求的技術(shù)精度。

管線保溫；轉(zhuǎn)換模型；數(shù)據(jù)采集；Matlab軟件仿真

0 引 言

石化行業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)。石化行業(yè)生產(chǎn)線長(zhǎng)、涉及面廣，企業(yè)中有大量原油、成品油、天然氣等輸油輸氣管道，石化企業(yè)的油田、采油廠、煉油廠、化工廠、油庫(kù)、加油站、輸油(氣)管線遍及全國(guó)城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、車站、碼頭、千家萬(wàn)戶。在石化企業(yè)現(xiàn)有的中壓、高壓蒸汽管道中由于保溫狀況不良，大多數(shù)管線熱量損失嚴(yán)重，甚至造成管線末端的蒸汽溫度無(wú)法滿足工藝要求，直接影響工業(yè)生產(chǎn)，導(dǎo)致企業(yè)能源成本增加。

在實(shí)際工況中通常依據(jù)管線表面熱流值對(duì)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷管線的保溫性能是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。而在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)因素(如環(huán)境溫度、風(fēng)速)對(duì)測(cè)得的管線表面熱流值影響比較大，整個(gè)測(cè)試的結(jié)果受外界干擾，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的評(píng)定依據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)條件(環(huán)境溫度一定、風(fēng)速較小)下的值，不能直接用于衡量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值。所以此頂研究要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)條件下的數(shù)據(jù)且可以用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)條件下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是基于一個(gè)系統(tǒng)模型模型即實(shí)測(cè)管線表面溫度值和標(biāo)準(zhǔn)條件下熱流值之間的轉(zhuǎn)換模型。

結(jié)合項(xiàng)目研究的目的和意義，研究中主要開(kāi)展以下工作。

(1) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立實(shí)際管線的模擬裝置，模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量時(shí)的環(huán)境情況。

(2) 利用模擬裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)采集到相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、模擬實(shí)際管線表面溫度和熱流值。

(3) 通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量比較大，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式發(fā)現(xiàn)其中有存在明顯差異的數(shù)據(jù)，要將這部分異常數(shù)據(jù)剔除。

(4) 系統(tǒng)建模方法的分析，研究構(gòu)建系統(tǒng)模型的算法，根據(jù)構(gòu)建的樣本數(shù)據(jù)對(duì)建模算法進(jìn)行分析驗(yàn)證。用遞推最小二乘法建模并進(jìn)行了仿真，從網(wǎng)絡(luò)輸出的預(yù)測(cè)誤差值分析最小二乘法擬合精度不夠，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期技術(shù)要求的10-2的精度等級(jí)。

1 數(shù)據(jù)采集裝置

在開(kāi)展研究的過(guò)程中要針對(duì)實(shí)際工況中的現(xiàn)場(chǎng)在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以便于后續(xù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，這些數(shù)據(jù)決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模的最終可行性，所以實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集都是非常重要的。針對(duì)這一情況，研制可靠且實(shí)用的溫度控制系統(tǒng)顯得非常重要。溫度控制系統(tǒng)是正確完成實(shí)驗(yàn)取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要保障，它采用傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，具有各種安全保護(hù)，運(yùn)行監(jiān)控和管理等功能。

所使用的數(shù)據(jù)采集裝置依托傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)I/O接口板、溫度傳感器等現(xiàn)代電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并以各種通訊協(xié)議方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，是進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控的一種智能、高效系統(tǒng)。

整個(gè)系統(tǒng)由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)等組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(即下位機(jī))。溫度傳感器檢測(cè)溫度后，輸出信號(hào)為4～20非曲直mA電流信號(hào)，在經(jīng)過(guò)250 Ω電阻后轉(zhuǎn)變成1～5 V電壓信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號(hào)，傳給單片機(jī)，再由RS-485總線傳給上位機(jī),有上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及進(jìn)行相應(yīng)的顯示。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

試驗(yàn)中選擇熱流計(jì)的三個(gè)貼片：貼片1、貼片3、貼片4進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果由顯示屏幕顯示。其中，CH2和CH31對(duì)應(yīng)貼片1的表面溫度和熱流值；CH6和CH35對(duì)應(yīng)貼片3的表面溫度和熱流值；CH8和CH37對(duì)應(yīng)貼片4的表面溫度和熱流值。采集的數(shù)據(jù)可以拷貝到熱流計(jì)的數(shù)據(jù)卡中，然后導(dǎo)入相應(yīng)的EXCEL文檔以備后續(xù)試驗(yàn)使用。因?yàn)闃颖緮?shù)據(jù)數(shù)量比較大，需要先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，可能有些數(shù)據(jù)因?yàn)槟M裝置的問(wèn)題本身就是嚴(yán)重偏離真實(shí)情況的，對(duì)于這些數(shù)據(jù)要剔除，剩下的數(shù)據(jù)也要進(jìn)行分類匯總進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，最終取得能都訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，測(cè)量間隔時(shí)間較短(2 s)，這樣會(huì)得到大量的采集的數(shù)據(jù)，非常有利于后續(xù)用書(shū)系統(tǒng)建模，但是仍舊不能簡(jiǎn)單的就全部用來(lái)使用。在這些數(shù)據(jù)中有些值存在明顯的偏差，從數(shù)據(jù)表面看來(lái)就不符合實(shí)際，這其中可能有實(shí)驗(yàn)裝置問(wèn)題引起的，需要驗(yàn)證并予以選擇。篩選后的數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)了在不同的時(shí)間點(diǎn)，某些表面溫度值相同的情況，對(duì)于這些溫度值相同的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行匯總，在不影響精確度的情況下減少樣本數(shù)據(jù)，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練所需要時(shí)間，也避免了網(wǎng)絡(luò)的過(guò)擬合。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。

(1) 采集的數(shù)據(jù)的篩選 用熱流計(jì)的貼片測(cè)量出溫度和熱流值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行篩選。根據(jù)工作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了相應(yīng)的熱流值計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)合公式，總結(jié)出通用所有情況時(shí)的，根據(jù)溫度計(jì)算熱流值的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Q= [1.37×(T表面-T環(huán)境)0.33+3.78×

(T表面-T環(huán)境)0.11+6×(v風(fēng))]×

(T表面-T環(huán)境)

(1)

式中：T表面為貼片所在位置管道表面的溫度值；T環(huán)境為測(cè)量時(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度；v風(fēng)為測(cè)量時(shí)實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)速。

(2) 由于熱流計(jì)測(cè)量溫度和熱流的時(shí)候都能偵測(cè)到該時(shí)刻的最大值和最小值，首先針對(duì)每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的最小(min)和最大(max)求出溫度的平均值，同時(shí)按照相同的原理求出該溫度下對(duì)應(yīng)熱流值的最大和最小值的平均，以此作為一組輸入輸出數(shù)據(jù)。

(3) 以溫度值為標(biāo)準(zhǔn)降序排列。按照降序的規(guī)律排列溫度值的順序，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的熱流值也按照溫度降序的順序進(jìn)行排列。

(4) 分類匯總。把所有溫度值相同的值分類匯總，然后求出其對(duì)應(yīng)熱流值的平均值，一次為一組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)提取出來(lái)以供后續(xù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用。

3 遞推最小二乘方法 (RLS法)

在建模進(jìn)行排除干擾的過(guò)程中，需要使用一些算法來(lái)完成模型建立。對(duì)于該研究項(xiàng)目，由于很難找出實(shí)際測(cè)量值與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)值之間的精確解析關(guān)系，所以基于溫度轉(zhuǎn)換的內(nèi)部機(jī)理，建立溫度轉(zhuǎn)換的解析模型是不可能的。應(yīng)用所測(cè)得輸入輸出樣本數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行數(shù)值建模分析，建立滿足一定精度的溫度標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換數(shù)值模型即基于最小二乘法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管線表面溫度值和熱流值的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換模型是解決此問(wèn)題的一個(gè)出路。

考慮CAR模型：

(2)

式中：{y(k)}和{u(k)}為可測(cè)的輸出和輸入，{ε(k)}為不可測(cè)的隨機(jī)干擾。上式還可表示為：

A(z-1)y(k)=B(z-1)u(k)+ε(k)

(3)

其中：

A(z-1)=1+a1z-1+a2z-2+…+anz-n

B(z-1)=b1z-1+b2z-2+…+bnz-n

還可表示為:

y(k)+φTkθ+ε(k)

(4)

其中：

θTk=[a1,a2,……,an,b1,b2,……,bn]

φTk=[-y(k-1),……,-y(k-n),u(k-1),……,

u(k-n)]

當(dāng)進(jìn)行了k=1-n,2-n,…,0,1,2,…,N共計(jì)(N+n)次采樣，得到N個(gè)方程：

用矩陣表示:yN=ΦNθ+εN

(5)

其中：yN=[y(1),y(2),…,y(N)]T

4 仿真結(jié)果

綜合上述建模方法，應(yīng)用最小二乘算法進(jìn)行驗(yàn)證。使用模擬裝置采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理得到用于訓(xùn)練模型的樣本數(shù)據(jù)，針對(duì)這組樣本數(shù)據(jù)結(jié)合遞推最小二乘法編寫(xiě)MATLAB程序進(jìn)行仿真，得到以下仿真圖形。

圖2中黑色實(shí)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的曲線分布，點(diǎn)劃線為用最小二乘法擬合后的曲線。從上圖中可以看出，擬合曲線和樣本數(shù)據(jù)還是有一定的差距，擬合情況不是很理想。下面再?gòu)恼`差分布上看一下擬合情況，誤差曲線如圖3所示。

圖2 最小二乘曲線擬合

圖3 誤差分布曲線

從誤差分布曲線上可以看出，誤差值分布在(-10～70)區(qū)間范圍內(nèi)，雖然相對(duì)于輸出的整體范圍(850～900)區(qū)間誤差值不是很大，但是誤差區(qū)間也占整體輸出區(qū)間的8%。如果使用這種算法建立模型，預(yù)測(cè)誤差的精度達(dá)到10-1數(shù)量級(jí)。而項(xiàng)目要求用這種算法得出的模型精度在10-2數(shù)量級(jí)，使用這種方法很難得到預(yù)期要求的模型精度。由于使用最小二乘法建立模型得到的誤差沒(méi)有達(dá)到預(yù)期要求的精度等級(jí)，所以放棄使用這種算法建模。

5 結(jié) 語(yǔ)

建立的模型要完成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)條件下數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。因?yàn)檩斎肓亢洼敵隽恐g的對(duì)應(yīng)關(guān)系很難通過(guò)分析過(guò)程運(yùn)動(dòng)規(guī)律得到，而系統(tǒng)的特性必然表現(xiàn)在這些輸入輸出數(shù)據(jù)之中，因此可以利用輸入輸出數(shù)據(jù)所提供的信息來(lái)建立數(shù)學(xué)模型。

雖然利用遞推最小二乘算法可以建立系統(tǒng)模型并完成仿真，但是仿真結(jié)果顯示出擬合的曲線和實(shí)際數(shù)據(jù)之間有一定的差異。擬合曲線沒(méi)有精確地描述出實(shí)際數(shù)據(jù)的特性，從誤差分布看出預(yù)測(cè)的精度等級(jí)也沒(méi)有達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期的技術(shù)要求，所以這種方法不適合針對(duì)采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)建模。另外，利用最小二乘法建模要預(yù)先選定數(shù)學(xué)模型，而采集的數(shù)據(jù)未必一定能滿足這種模型。如果能夠直接利用輸入輸出數(shù)據(jù)找到它們之間的映射關(guān)系，便可以更輕松的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)辨識(shí)。綜上所述，最終確定依據(jù)采集數(shù)據(jù)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)于系統(tǒng)模型的辨識(shí)。

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Anti-interference Transformation Algorithm Research of Pipeline Insulation Loss

WANG Ling

(TianjinVocationalCollegeofMechanicsandElectricity,Tianjin300131，China)

The main purpose of the study is to find the standardized transformation model of pipe surface temperature and heat flow value. Actual measurement is done by a new simulator，and the data collected on the spot are processed, the data eliminating interference under the needing condition is obtained. The algorithm of system model is built， the requirements of technical accuracy of the model is verified.

pipeline insulation；transformation model；data acquisition；Matlab simulation

2014-01-20

王 玲(1982-)，女，天津人，講師，主要從事自動(dòng)化，機(jī)電一體化方面的科研工作。

TE832

A

1007-4414(2014)02-0109-03