基于優先級的PID控制回路維護管理

杜超，王門麟

（1.上海承飛航空特種設備有限公司，上海201613；2.北京化工大學 信息科學與技術學院，北京100029）

PID回路是工廠的基礎控制層，將成千的控制回路保持在最佳的健康狀態，可減小控制波動、提高質量與產量、降低能源成本與原料消耗，直接影響工廠操作運營的效率與效益。在過去的10年中，PID控制回路技術取得了許多進展［1－5］，控制工程師現在可以跟蹤控制回路的績效，并能找出導致績效變化的根本原因，但缺乏明確的認定績效為優秀、好、一般或差的工業最佳實踐方法與準則。

1 PID控制回路維護的需求分析

為了確保PID控制回路持續良好地運行并滿足其目標，操作人員需掌握恰當監測PID控制回路績效的技術及維護基礎控制層的最佳實踐方法，因而有必要研究并探討出一套測量與監測基礎控制層績效的準則與最佳實踐方法。大多數工廠的資源有限，并且操作運行存在許多約束。因此，考慮自動監控控制回路的績效是獲得成功的關鍵［6－7］。

控制回路性能差的主要原因：閥門的性能問題，不恰當的整定參數，不恰當的控制策略，缺少資源，缺少好的控制回路優化程序，不能將PID的優勢轉化成工藝流程的績效，缺乏工藝知識，缺乏監測技術，缺乏高性能PID回路所必要的可實施的技術，工藝流程動態特性的改變或設備磨損［8］。

據估計，80%的控制回路以自動模式運行比以手動模式運行產生的方差與波動更大［9］。大約30%的PID控制回路由于諸如滯后、粘附、死區和非線性過程增益等非線性因素而產生振蕩［10］，控制回路維護較差以及效率降低，導致生產效益損失。當控制回路處于最佳運行狀態時，方差與波動最小，可以保持工藝流程按預定的規格生產，并減少浪費。不同工藝過程控制策略節約的相關生產成本見表1所列。

表1 不同工藝過程控制策略節約的生產成本

對于不同類型的工藝過程，PID控制回路的維護目標不同：對于蒸汽源，必須保持壓力在最小允許的偏差范圍內，安全閥保持關閉狀態，必須嚴密整定PID控制器，以確保控制主蒸汽源的流量控制閥快速響應并動作，以消除波動的影響；對于物料混合的工藝流程，PID控制器必須同時以同樣的速度動作，以確保比率保持常數；對控制煙道過剩氧含量的PID控制器，通常PID的設定值置為低值，以提高爐燃料的效率，同時回路必須對氧氣濃度下降迅速作出反應，以避免燃料與空氣的混合物發生爆炸。

維護PID控制回路通常需要綜合考慮平衡穩定性與快速響應之間的矛盾。穩定性是指當工藝流程（主要是純滯后時間或工藝增益）變化時，控制回路保持穩定的能力。為了監測PID的績效，并根據條件的改變持續有效地進行維護，必須采用正確的維護管理指標體系與工作流程，以便可以實時地檢測、診斷并及時維護基礎控制層的控制回路。

2 控制回路的優先級

隨著用于篩選閉環數據的分析技術的發展，通常情況下可以采用控制器的性能指標確定回路維護活動的優先次序。為了確定所有PID控制回路維護的相對優先級，有必要用回路的重要性對性能指標進行加權，如下式所示。

式中：P——優先級；A——性能；B——重要性。

雖然控制回路性能評估技術已經取得了極大的進展，但是確定控制回路重要性的方法仍然是定性和主觀的。將一個PID控制回路歸類為重要回路有以下幾種原因：1）能使過程操作更接近安全、環境和質量制約的回路；2）需要快速響應設定值變化的回路；3）串級的副回路在行為上有必要與主回路具有一致性（閉環SP隨時間的響應）；4）難于維護或更換控制閥的回路，如因為工藝流程不允許中斷服務，或者沒有更換閥門的隔離措施或可供使用的旁路；5）回路的控制作用對其他經濟性比較重要的回路帶來不可測干擾。

通常可采用可行的準則確定回路的重要性，例如：依據工業應用的特征需求，甚至有可能依據每個重要性準則來評估每個回路的閉環性能，并從中獲得更復雜的如表2所列的加權優先級。

表2 PID控制回路維護的優先級

利用如表2所示方法排序的缺點是要求用戶額外提供“控制回路重要性”的信息。有利的是：通過定義控制回路的重要性，可以明確維護管理過程，并獲取相應的知識；潛力大的目標控制回路應有更高的優先級。

3 確定控制回路重要性的ISM算法

為了確定控制回路的優先級，有必要研究“控制回路重要性”的量化算法。為此考慮采用閉環響應數據，利用ISM算法獲得控制回路的解釋結構來確定。

1）采集過程數據，對過程數據進行數據標準化，所采用的數據標準化公式如下所示：

2）通過標準化數據建立偏相關系數矩陣。采用下式計算變量xi和yi相關系數：

進而可以得到相關系數矩陣r以及r的逆矩陣c，定義兩變量之間的偏相關系數如下式：

式中：i＝1，2，…，n，j＝1，2，m。根據Rij來構建偏相關系數矩陣R。偏相關系數值的大小表示變量之間的關聯程度，見表3所列。

表3 偏相關系數的范圍以及相應的關系

3）通過計算偏相關系數矩陣中第i列的均值，可得到相關性的大小即回路的重要性的大小，如下式所示：

4 基于TE模型的驗證

4種原料（A，C，D，E）進入反應器中，同時反應物（A，C）混合物進入汽提塔，進而經回流管道進入到反應器中；4種原料在反應器中進行放熱反應，產生產物（G，F以及副產物）；進而進入冷凝器冷卻成液態，其中的物質包含了部分氣態以及液態，再進入氣液分離器，進行氣液分離。氣液分離器促使氣體回流到反應器中以及液體流入到汽提塔中。進入到汽提塔中的物質進行氣體二次回流，得到最終產品，包含產品、副產品以及少量的原料。TE過程PID控制流程如圖1所示。

首先獲取如圖1中17個控制回路的測量值，利用公式（2）～（5）計算得到重要性的結果，見表4所列。從表4可知按照重要性自高到底的排序結果為 FIC1，GIC，FIC6，FIC8，9CIC，FIC9，LIC3，FIC7，TIC1，PIC1，TIC2，FIC4，LIC2，FIC3，FIC5，FIC2，LIC1。

圖1 TE過程PID控制回路

表4 TE過程控制回路優先級分析結果

其次，按照接近約束極限作為排序準則，計算性能評估指標ISE（此處偏差值為計算得到的偏差除以設定值），得到性能評價結果，從表4可知，按照性能自差到好的排序結果為FIC1，FIC7，LIC3，LIC2，CIC，GIC，LIC1，FIC5，FIC4，FIC9，FIC6，FIC3，FIC2，FIC8，TIC2，PIC1，TIC1。最后按照表2中第1行的計算公式，計算出控制回路維護的優先級，排序結果如圖2所示。

圖2 控制回路的優先級示意

從圖2可知，需優先維護的控制回路為FIC1與FIC7，排在第2梯隊需要維護的控制回路包括：CIC，LIC3與GIC回路，其他回路從優先級來看可以暫時不考慮維護，與TE的實際過程操作要求相匹配。

5 結束語

提出了一種基于PID控制回路重要性及性能綜合確定PID控制回路維護優先級的排序方法，可以方便地量化控制回路的綜合績效以及工藝操作的重要性，科學地給出控制回路維護的優先級。工程師可以依據確定的優先級，快速確定控制回路維護管理計劃，提高操作維護的效率以及有效性。

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