榆林煉油廠(chǎng)生產(chǎn)裝置PID的優(yōu)化控制

劉芳(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司榆林煉油廠(chǎng)，陜西 榆林 719000)

0 引言

榆林煉油廠(chǎng)為陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司煉化公司下屬三大煉油廠(chǎng)之一，始建于1993年，已形成常壓680萬(wàn)噸/年、催化240萬(wàn)噸/年、重整100萬(wàn)噸/年、加氫200萬(wàn)噸/年的加工能力，現(xiàn)有13套裝置841個(gè)控制回路，目前控制回路的維護(hù)與整定仍局限于發(fā)生故障、解決問(wèn)題的簡(jiǎn)單過(guò)程，缺乏有效的技術(shù)手段和知識(shí)對(duì)控制回路性能進(jìn)行整定優(yōu)化，導(dǎo)致控制回路投用率低、控制回路性能差、維護(hù)難度大。具體包括以下4個(gè)方面。

(1) PID控制器整定難度較大。被控對(duì)象(含測(cè)量?jī)x表，執(zhí)行機(jī)構(gòu))的特性變化后，原來(lái)的PID參數(shù)不適應(yīng)“新”的系統(tǒng)，控制效果變差，同時(shí)過(guò)程的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度隨著時(shí)間推移發(fā)生不可測(cè)變化，致使整定難度進(jìn)一步加大。

(2)裝置控制回路投用率偏低。根據(jù)詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，常壓、加氫等裝置的控制回路投用率在30%～50%。自動(dòng)投用率低在導(dǎo)致操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度大的同時(shí)降低了裝置運(yùn)行的安全性，對(duì)全廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益有著較深遠(yuǎn)的影響。

(3)缺少相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員。控制回路整定涉及工藝、儀表、IT、控制等各方面知識(shí)的復(fù)合型人才，而且需要相當(dāng)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。由于相關(guān)人員缺乏導(dǎo)致榆林煉油廠(chǎng)的自控率低、控制回路性能差。

(4)缺乏控制回路評(píng)估手段。目前全廠(chǎng)的控制回路缺少信息化、智能化手段，導(dǎo)致控制回路的整定和維護(hù)處于被動(dòng)狀態(tài)。迫切需要通過(guò)豐富的在線(xiàn)性能評(píng)估、分析方法對(duì)控制回路進(jìn)行評(píng)估分類(lèi)，并給出控制回路整定建議。

因此，需要從控制回路整定方面提升精益化管理水平，提高控制回路自控率、平穩(wěn)率和控制資產(chǎn)的管理水平；尤其隨著國(guó)家“兩化融合”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，中國(guó)制造2025、工業(yè)4.0生態(tài)環(huán)境的不斷完善，榆林煉油廠(chǎng)積極探索、實(shí)踐智能制造戰(zhàn)略，希望通過(guò)“大數(shù)據(jù)+AI(人工智能)”的建設(shè)，推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，迫切需要通過(guò)推進(jìn)控制回路性能評(píng)估和智能參數(shù)整定優(yōu)化體系建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用，提升控制回路自控率和平穩(wěn)率、并通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化提高裝置運(yùn)行可靠性與安全性、降低裝置能耗，實(shí)現(xiàn)降本增效。

1 關(guān)鍵技術(shù)

比例—積分—微分(proportional-integral-differential, PID)控制器是目前過(guò)程工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)控制器，PID控制器參數(shù)之間的相互作用如下[1-2]。

(1)比例：考慮被測(cè)變量偏離設(shè)定值的偏差。在固定的采樣周期內(nèi)，比例可以加上或減去一個(gè)偏差的計(jì)算值。當(dāng)偏差增大或減小時(shí)，控制器輸出也會(huì)立即按比例增大或減小。

(2)積分：表示被測(cè)變量偏離設(shè)定值的時(shí)間。積分項(xiàng)是對(duì)偏差隨時(shí)間的積分或連續(xù)求和。因此，即使小的持久性偏差也會(huì)隨著時(shí)間的推移累積到相當(dāng)大的數(shù)量。

(3)微分：考慮偏差在瞬間變化的速度。微分計(jì)算產(chǎn)生偏差曲線(xiàn)的變化率或斜率。無(wú)論動(dòng)態(tài)事件是剛剛開(kāi)始還是已經(jīng)發(fā)生了一段時(shí)間，快速變化的偏差都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的微分作用。

PID控制算法作為一種最常規(guī)、最經(jīng)典的控制算法，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的實(shí)踐檢驗(yàn)。常見(jiàn)的PID整定方法包括Z-N參數(shù)整定方法、基于誤差性能指標(biāo)的整定方法、內(nèi)模整定方法等。為了解決榆林煉油廠(chǎng)工業(yè)系統(tǒng)中PID控制器由于系統(tǒng)時(shí)變而導(dǎo)致的所在控制器回路性能下降問(wèn)題，本文提出了一種基于期望閉環(huán)響應(yīng)的Lambda整定方法。

當(dāng)PID形式如下：

式中：KC為比例增益，代表系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差比例作用，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；Ti為積分時(shí)間，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值，積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)，反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢；Td為微分時(shí)間，微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

廣義對(duì)象為一階純滯后模型，其傳遞函數(shù)為：

式中：K為增益是表征被控對(duì)象靜態(tài)特性的參數(shù)；T為時(shí)間常數(shù)。是表征被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)；τ為純滯后時(shí)間。是表征對(duì)象的測(cè)量環(huán)節(jié)、傳輸環(huán)節(jié)或其他環(huán)節(jié)出現(xiàn)的滯后的參數(shù)。

PID參數(shù)整定公式如表1所示。

表1 PID參數(shù)整定公式

2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程及技術(shù)路線(xiàn)

2.1 控制回路整定目標(biāo)

針對(duì)榆林煉油廠(chǎng)500萬(wàn)噸常壓裝置、90萬(wàn)噸汽油精制裝置、200萬(wàn)噸柴油加氫裝置未投入自動(dòng)控制的124個(gè)回路進(jìn)行控制回路評(píng)估及智能整定優(yōu)化：

(1)應(yīng)用控制回路評(píng)估的先進(jìn)工業(yè)算法，建立控制回路評(píng)估維護(hù)中心評(píng)估，實(shí)現(xiàn)控制回路的評(píng)估、分類(lèi)和整定建議，提升運(yùn)維和管理水平，優(yōu)化提升榆林煉油廠(chǎng)的控制回路參數(shù)整定能力。

(2)培養(yǎng)工程師，建立榆林煉油廠(chǎng)自己的控制回路管理和參數(shù)整定隊(duì)伍。

(3)針對(duì)榆林煉油廠(chǎng)全廠(chǎng)500萬(wàn)噸常壓裝置、90萬(wàn)噸汽油精制裝置、200萬(wàn)噸柴油加氫裝置中未投入的124個(gè)控制回路進(jìn)行軟件安裝、評(píng)估、整定，對(duì)已投入的控制回路進(jìn)行優(yōu)化，使得該3套裝置自動(dòng)率達(dá)到80%以上，安裝控制回路監(jiān)控軟件并試運(yùn)行6個(gè)月，提供榆林煉油廠(chǎng)指定相關(guān)人員的整定培訓(xùn)及控制回路監(jiān)控軟件使用及維護(hù)培訓(xùn)，并在廠(chǎng)內(nèi)和煉化公司甚至行業(yè)內(nèi)推廣使用。

2.2 基礎(chǔ)回路PID參數(shù)整定方法

現(xiàn)代PID控制器中實(shí)現(xiàn)的PID方程的形式包括三種：并聯(lián)(parallel)，理想(ideal)和串聯(lián)(serial)。

并聯(lián)形式中，三個(gè)PID參數(shù)互相獨(dú)立，數(shù)據(jù)模型如下：

理想形式數(shù)據(jù)模型如下：

串聯(lián)形式數(shù)據(jù)模型如下：

因此，在處理任何控制器中的PID控制算法之前，首先必須考慮用于實(shí)現(xiàn)PID控制功能的形式，然后再對(duì)其進(jìn)行整定[3]，榆林煉油廠(chǎng)控制回路性能不佳的常見(jiàn)問(wèn)題包括振蕩、響應(yīng)緩慢和噪聲等。振蕩指測(cè)量值與設(shè)定值的周期性偏差；響應(yīng)緩慢是回路從干擾中恢復(fù)或跟蹤設(shè)定值變化緩慢；噪聲指過(guò)程變量中的隨機(jī)行動(dòng)。振蕩可能來(lái)自控制回路內(nèi)部，也可能是由外部因素引起的。振蕩也可能是兩個(gè)或多個(gè)控制回路之間周期性相互作用的結(jié)果。為了尋找可能引起振蕩的原因，應(yīng)將控制器置于手動(dòng)模式，以查看振蕩是否停止。如果在控制器處于手動(dòng)模式時(shí)振蕩仍然存在，則振蕩源自回路外部。然后應(yīng)對(duì)相互作用的回路和設(shè)備進(jìn)行振蕩分析，以找到根本原因。如果在控制器處于手動(dòng)模式時(shí)不振蕩，則振蕩源來(lái)自控制回路參數(shù)、檢測(cè)儀表或最終控制元件。

控制回路參數(shù)不合理引起的振蕩存在兩種可能：(1)如果OP和PV同時(shí)達(dá)到峰值，則振蕩主要由于比例太強(qiáng)或者存在周期性干擾引起的。(2)如果在PV越過(guò)設(shè)定值時(shí)OP達(dá)到峰值，則振蕩主要由于積分作用太強(qiáng)引起的。

當(dāng)控制回路有設(shè)定值階躍變化響應(yīng)的振蕩特性時(shí)，振蕩的周期P與積分時(shí)間Ti之間存在可預(yù)測(cè)的關(guān)系

2.3 PID調(diào)試與整定

使用控制回路評(píng)估軟件基于秒級(jí)大數(shù)據(jù)進(jìn)行控制回路性能評(píng)估。根據(jù)控制回路監(jiān)控和評(píng)估報(bào)告，進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)試整定。調(diào)試和整定工作包括：

(1)未投用的控制回路，先對(duì)未投用原因進(jìn)分析。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)需要維修或者控制策略需要改進(jìn)的提供建議，對(duì)能投用的控制回路進(jìn)行投用及參數(shù)整定。

(2)已投用的控制回路使用控制回路監(jiān)控軟件提供的診斷意見(jiàn)進(jìn)行控制回路整定。

(3)控制回路整定報(bào)告。

(4)控制策略完善方案。

(5)工藝參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)裝置存在的節(jié)能空間進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)工藝參數(shù)的穩(wěn)定控制及設(shè)定值優(yōu)化實(shí)現(xiàn)裝置節(jié)能。

2.4 PID優(yōu)化控制成果

常壓及輕烴回收裝置PID控制回路共106個(gè)，整定前手動(dòng)控制回路55個(gè)，自控率48.1%。PID參數(shù)整定后手動(dòng)控制回路25個(gè)，自控率77.4%。25個(gè)手動(dòng)控制回路中，有22個(gè)是因?yàn)椴痪邆渫队脳l件而導(dǎo)致無(wú)法投自動(dòng)，剔除這22個(gè)回路后，常壓及輕烴回收裝置PID控制回路共84個(gè)。整定前手動(dòng)控制回路33個(gè)，自控率60.7%。PID參數(shù)整定后手動(dòng)控制回路3個(gè)，自控率94%，投用效果舉例說(shuō)明如下：

FIC30106 E-410入口吸收塔中段流量調(diào)節(jié)：該回路PID參數(shù)由240/80改為400/20。比例作用減弱，積分作用加強(qiáng)，參數(shù)整定后流量控制平穩(wěn)，滿(mǎn)足控制要求。

TIC11201A-101熱高分空冷器出口溫度調(diào)節(jié)：該回路控制作用反，由儀表專(zhuān)業(yè)修改后，PID參數(shù)由100/30改為120/60。比例、積分作用均有所減弱，參數(shù)整定后溫度控制平穩(wěn)，滿(mǎn)足控制要求。

3 結(jié)語(yǔ)

PID控制器問(wèn)世以來(lái)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、性能可靠、整定方便而成為工業(yè)上應(yīng)用最廣泛、最關(guān)鍵的生產(chǎn)過(guò)程控制技術(shù)，全世界估計(jì)有50 億個(gè)控制回路運(yùn)行PID算法。但是國(guó)內(nèi)工業(yè)界在PID整定方面一直缺乏系統(tǒng)全面地整定指導(dǎo)，本文應(yīng)用PID整定工程技術(shù)和整定理論，對(duì)榆林煉油廠(chǎng)幾套主裝置PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步推動(dòng)煉廠(chǎng)PID整定工作規(guī)范化，從而提高工業(yè)自動(dòng)化水平和控制資產(chǎn)的效能，提高裝置的效益和效率，為實(shí)現(xiàn)智能工廠(chǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。