PID性能評估與整定軟件在常減壓裝置中的應(yīng)用①

熊佐松

(中國石油化工股份有限公司武漢分公司)

PID性能評估與整定軟件在常減壓裝置中的應(yīng)用①

熊佐松

(中國石油化工股份有限公司武漢分公司)

介紹PID控制器原理、PID回路性能評估與整定原理。在常減壓裝置中的應(yīng)用結(jié)果表明，對所有中和差狀態(tài)下的問題回路進(jìn)行性能評估與整定后，各回路均能夠投用自動(dòng)，且回路性能評估達(dá)到良級別以上。

PID性能評估 參數(shù)整定 常減壓裝置

PID控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、安全可靠及調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)[1～4]，在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用。然而PID控制回路的性能通常會(huì)隨著裝置生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間的推移而逐漸退化，如果缺少必要的維護(hù)，將直接影響裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性，甚至出現(xiàn)生產(chǎn)安全事故。因此，對PID控制回路進(jìn)行性能評估與參數(shù)整定，保證其可靠性至關(guān)重要。

隨著國內(nèi)外對PID參數(shù)整定的重視[5,6]，浙江中控技術(shù)股份有限公司開發(fā)了一個(gè)商業(yè)化的PID性能評估與整定軟件，該軟件利用基礎(chǔ)控制回路的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)評估控制回路性能，借助評估報(bào)告及時(shí)發(fā)現(xiàn)、識別控制回路中的缺陷并對PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與整定。

在此，筆者應(yīng)用該P(yáng)ID性能評估與整定軟件，對中國石油化工股份有限公司武漢分公司1#常減壓裝置重要PID控制回路進(jìn)行性能評估與參數(shù)優(yōu)化，實(shí)時(shí)監(jiān)控PID控制回路的狀態(tài)和性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、識別有問題的回路并給出PID參數(shù)優(yōu)化建議，以保證裝置的自控率和平穩(wěn)運(yùn)行。

1 PID控制原理

PID控制器原理如圖1所示。

圖1 PID控制器原理框圖

輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為：

其中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

傳遞函數(shù)為：

G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+1/(Ti×s)+Td×s]

2 PID性能評估與整定原理

2.1 PID控制回路性能評估原理

PID控制回路性能評估使用的是最小方差控制評估方法(圖2)[7,8]。其基本原理為：以理論上最優(yōu)的最小方差控制器的控制性能作為評估基準(zhǔn)線，基于過程正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)，來衡量當(dāng)前回路的控制性能。評價(jià)基準(zhǔn)為：最小方差控制器望輸出方差最小。

在生產(chǎn)裝置運(yùn)行過程中，PID性能評估軟件通過OPC軟件自動(dòng)采集DCS生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用控制性能多維度分析工具，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識，評估PID回路的運(yùn)行性能，并給出優(yōu)、良、中、差評級。該軟件可實(shí)現(xiàn)PID回路的實(shí)時(shí)、自動(dòng)檢測，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)控制回路的性能問題，并幫助用戶通過雷達(dá)圖定位問題的原因。

圖2 最小方差控制評估方法

2.2 PID控制回路整定原理

PID控制回路整定采用內(nèi)模控制(IMC)方法，即利用一種全面的基于模型的方法來設(shè)計(jì)PID控制器[9,10]，如圖3所示。

圖3 PID內(nèi)模控制原理

閉環(huán)公式如下：

(1)

其中，Gc為控制器，Ysp為設(shè)定值，D為擾動(dòng)，G為過程模型。

過程模型可分解為：

PID控制回路整定軟件根據(jù)采集的DCS生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)選取有效激勵(lì)數(shù)據(jù)和模型階次，并生成一組PID參數(shù)，供工藝人員參照。

3 常減壓裝置中的應(yīng)用

3.1 裝置概況

中國石油化工股份有限公司武漢分公司1#常減壓裝置由原油電脫鹽脫水、初餾系統(tǒng)、常壓系統(tǒng)及減壓系統(tǒng)等組成。該裝置采用浙江中控ECS 700集散控制系統(tǒng)，共有105個(gè)控制回路。在裝置總回路中，將對重要的58個(gè)回路進(jìn)行性能評估與整定。

3.2 回路評估

PID性能評估結(jié)果顯示，當(dāng)前只有15個(gè)控制回路工作在優(yōu)級別下，16個(gè)控制回路工作在良級別下，14個(gè)控制回路工作在中級別下，13個(gè)控制回路工作在差級別下。需要進(jìn)行整定的回路占總評估回路的47%，這與期望的自控水平相去甚遠(yuǎn)，故迫切需要進(jìn)行控制回路PID參數(shù)整定優(yōu)化。

3.3 回路整定

PID整定軟件通過OPC軟件自動(dòng)采集DCS生產(chǎn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)選取有效激勵(lì)數(shù)據(jù)，避免因人為引入階躍信號而干擾裝置正常運(yùn)行。選定能反映過程動(dòng)態(tài)特性的階躍曲線和模型階次，可以得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)模型，從而利用整定軟件得到相應(yīng)回路的PID參數(shù)，并將它直接應(yīng)用于實(shí)際過程。部分回路整定前后的參數(shù)對比見表1。

表1 PID參數(shù)整定前后對比

3.4 結(jié)果分析

對所有中和差狀態(tài)下的問題回路進(jìn)行性能評估與整定，整定后各回路均能夠投用自動(dòng)，且回路性能評估達(dá)到良級別以上。

LIC111初餾塔塔底液位整定前后曲線對比如圖4所示。該回路之前長期工作在手動(dòng)狀態(tài)，操作員需要經(jīng)常調(diào)整閥位進(jìn)行控制且波動(dòng)較大。整定參數(shù)后，回路能夠長期投用自動(dòng)，且液位穩(wěn)定在50±1%。

圖4 LIC111初餾塔塔底液位整定前后曲線

TIC102常壓爐出口溫度整定前后對比曲線如圖5所示。該回路之前長期工作在自動(dòng)狀態(tài)，但是由于PID參數(shù)設(shè)置不合理，造成常壓爐出口溫度經(jīng)常波動(dòng)，對常壓塔產(chǎn)品切割質(zhì)量產(chǎn)生了影響。在整定參數(shù)之后，回路溫度能夠平穩(wěn)控制在366±0.5℃。

圖5 TIC102常壓爐出口溫度整定前后曲線

4 結(jié)束語

在原油深加工處理中，常減壓裝置是第1道工序，其生產(chǎn)平穩(wěn)性和產(chǎn)品切割質(zhì)量對后續(xù)深加工影響重大。采用PID性能評估軟件對基礎(chǔ)PID控制回路進(jìn)行性能評估，有助于客觀地評價(jià)裝置運(yùn)行狀況；應(yīng)用先進(jìn)的PID整定軟件對PID參數(shù)進(jìn)行快速整定，能夠有效改善PID回路的控制性能。

[1] 王樹青,金曉明.先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:4～7.

[2] 林洪俊.石油化工安全儀表系統(tǒng)人機(jī)接口設(shè)計(jì)與研究[J].石油化工自動(dòng)化,2015,51(5):13～18.

[3] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2013:1～7.

[4] 王樹青,樂嘉謙.自動(dòng)化與儀表工程師手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:1～17.

[5] 胡智奇,王志峰.控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定軟件包CSLab[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2002,14(6):778～781.

[6] 王冠.PID控制器參數(shù)整定軟件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J].中國科技縱橫,2016,(2):27.

[7] Huang B,Shah S L,Grimble M J.Performance Assessment of Control Loops:Theory and Applications[M].London:Spring Verlag,1999:90～98.

[8] Ko B S,Edgar T F,Lee J.An Analytic Expression for Closed-Loop Output Behavior under Multiloop PID Control[J]. Korean Journal of Chemical Engineering,2004,21(1):1～5.

[9] 劉鎮(zhèn),姜學(xué)智,李東海.PID 控制器參數(shù)整定方法綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1997,21(8):79～83.

[10] 楊智,朱海鋒,黃以華.PID控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定方法綜述[J].化工自動(dòng)化及儀表,2005,32(5):1～7.

ApplicationofPIDPerformanceEvaluationandTuningSoftwareinCrudeDistillationUnit

XIONG Zuo-song

(SinopecWuhanBranchCo.)

The working principle of PID controller was introduced, including PID loop’s performance evaluation and tuning. Its application in crude oil unit shows that, through evaluating performance of the troubled loops and tuning them, they all can operate automatically and the degree of their performance evaluation can reach a good level and above.

PID performance evaluation, parameter setting, crude distillation unit

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAF22B02)。

熊佐松(1980-)，工程師，從事煉油生產(chǎn)與管理工作，xiongzs.whsh@sinopec.com。

TH862

B

1000-3932(2017)06-0559-04

2017-01-03，

2017-05-03)