煤化工儀表自控率提升分析

馮 飛

（中國中煤能源集團(tuán)，北京 100120）

0 引言

生產(chǎn)過程的自動化控制可以提高煤化工生產(chǎn)效率，保障生產(chǎn)過程安全，降低能耗物耗，減輕操作人員勞動強(qiáng)度。儀表自控率作為衡量自動控制回路投用情況的技術(shù)指標(biāo)，反映了工藝系統(tǒng)設(shè)計水平、工藝人員操作水平、獨立保護(hù)層應(yīng)用水平以及自動控制相關(guān)儀表管理水平。提升儀表自控率指標(biāo)有利于煤化工企業(yè)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行，有利于推動自動化儀表設(shè)備使用、維護(hù)、管理水平提高。本論述以三家煤化工企業(yè)儀表自控率提升為例，分析煤化工儀表自控率提升措施。

1 儀表自控回路未投自動原因分析

通過對三家煤化工企業(yè)儀表自控率現(xiàn)狀調(diào)研，對未投自動儀表自控回路進(jìn)行分析，自控回路未投用主要原因分為儀表原因和工藝原因，統(tǒng)計見表1所列。

表1 未投自控回路統(tǒng)計表

其中儀表原因主要是儀表設(shè)備故障，儀表設(shè)計選型與實際生產(chǎn)不匹配；工藝原因主要是自控回路調(diào)節(jié)品質(zhì)差，工藝條件不具備，工藝人員操作觀念和習(xí)慣。

煤化工企業(yè)儀表自控回路未投用具體表現(xiàn)：

（1）部分調(diào)節(jié)回路因PID參數(shù)設(shè)定不合適，參數(shù)整定困難，投入自動時波動大、不穩(wěn)定，控制效果差或難以控制，操作人員更愿意手動控制，故投自控率低。

（2）控制方案不合理，部分回路控制方案與實際工藝操作不符，控制效果不明顯，投用困難。

（3）儀表使用效果差，主要表現(xiàn)在流量、液位測量不準(zhǔn)，與實際值有較大偏差；調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏超標(biāo)，閥門定位器精度低，導(dǎo)致調(diào)節(jié)效果不良。

（4）儀表設(shè)計選型與實際生產(chǎn)工況不符。個別測量元件、調(diào)節(jié)閥設(shè)計偏小，導(dǎo)致超量程；調(diào)節(jié)閥設(shè)計偏大，長時間在小開度下工作，無法投入自控。

（5）工藝生產(chǎn)頻繁調(diào)整，操作人員基于風(fēng)險擔(dān)憂、操作方便，認(rèn)為手動更安全平穩(wěn)，對投自控需求不強(qiáng)烈。

（6）儀表自控率管理片面化，僅把自控率作為儀表管理指標(biāo)，自控率統(tǒng)計僅計算儀表設(shè)備故障未投自控回路數(shù)，未對工藝操作行為進(jìn)行約束。

結(jié)合儀表自控率偏低的原因和具體表現(xiàn)，重點采取專業(yè)技術(shù)措施和管理措施，提高自控率指標(biāo)水平。

2 儀表自控率提升的專業(yè)技術(shù)措施

儀表自動控制的理論基礎(chǔ)是PID調(diào)節(jié)的負(fù)反饋閉環(huán)控制，其原理是檢測元件對被控對象要求保持設(shè)定數(shù)值的工藝參數(shù)（被控變量）進(jìn)行測量，經(jīng)變送器送至PID控制器，控制器將測量信號與設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差信號，根據(jù)偏差信號的大小和方向，調(diào)整執(zhí)行器動作，改變操縱變量，使被控變量接近并保持在設(shè)定值上，自動控制方塊圖如圖1所示。基于自動控制原理，提高自控回路調(diào)節(jié)品質(zhì)需要對控制回路各環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 自動控制方塊圖

2.1 PID控制器參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 設(shè)置PID控制器手動方式下設(shè)定值跟蹤測量值

個別企業(yè)出現(xiàn)操作員手動控制時調(diào)節(jié)閥閥位固定、工藝參數(shù)穩(wěn)定、生產(chǎn)過程平穩(wěn)，但一投入自動控制，調(diào)節(jié)閥閥位就出現(xiàn)較大幅度變化，工藝參數(shù)開始波動，影響生產(chǎn)平穩(wěn)。這主要是因為PID控制器從手動控制切換至自動控制時未實現(xiàn)無擾動切換。因此需要在PID控制塊參數(shù)設(shè)置中選擇手動控制下設(shè)定值跟蹤測量值，實現(xiàn)手動向自動控制的無擾動切換。

2.1.2 優(yōu)化PID參數(shù)整定及控制算法選擇

自動控制的基礎(chǔ)是PID調(diào)節(jié)，通過PID參數(shù)整定確定最佳的控制參數(shù)（比例度δ，積分時間Ti，微分時間Td），以獲得優(yōu)良的調(diào)節(jié)質(zhì)量，使調(diào)節(jié)過程符合工藝生產(chǎn)要求。常見PID調(diào)節(jié)過程衰減曲線如圖2所示。

圖2 PID調(diào)節(jié)衰減比為4:1和10:1的過程曲線圖

PID參數(shù)整定方法有很多，企業(yè)技術(shù)人員常采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)和湊試相結(jié)合的方法，首先根據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表（見表2所列）選擇合適PID參數(shù)，再根據(jù)調(diào)節(jié)過程需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。因不同品牌DCS系統(tǒng)所采用PID計算式不完全相同，在使用調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表時，需要進(jìn)行相關(guān)換算，例如霍尼韋爾PKS系統(tǒng)采用比例系數(shù)K是比例度δ的倒數(shù)；而橫河CS3000系統(tǒng)積分時間Ti，微分時間Td使用的單位是s而不是min。

表2 調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表

DCS系統(tǒng)一般提供三種PID控制算法以及兩個特殊功能，以適應(yīng)不同調(diào)節(jié)過程的需要。選擇合適的PID控制算法及功能可有效改善自動調(diào)節(jié)質(zhì)量。PID控制算法及功能計算表達(dá)式和適用工況見表3所列。

表3 PID控制算法及功能統(tǒng)計表

2.2 測量及執(zhí)行環(huán)節(jié)優(yōu)化

測量與執(zhí)行是儀表自動控制的重要環(huán)節(jié)，測量精度、調(diào)節(jié)閥控制效果直接影響自控回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)，而變送器、調(diào)節(jié)閥直接與工藝介質(zhì)接觸，所處工作環(huán)境也較為惡劣，易發(fā)生故障。因此，合理儀表選型、優(yōu)化儀表參數(shù)、提高儀表維護(hù)水平是測量與執(zhí)行環(huán)節(jié)優(yōu)化的重要手段，是自控回路投用的重要保障。

2.2.1 合理儀表選型

生產(chǎn)中，儀表常因?qū)嶋H生產(chǎn)工況與設(shè)計發(fā)生偏離、設(shè)計計算失誤、設(shè)計經(jīng)驗不足等原因，導(dǎo)致儀表需要重新選型、優(yōu)化選型以滿足生產(chǎn)測量和控制需要，特別是在煤化工工況惡劣的生產(chǎn)單元，儀表選用還處于摸索積累階段，個別測點至今還難以長周期投用。儀表選型主要工作有以下幾點：

（1）量程的重新選擇。閥門口徑選得過大，使閥門經(jīng)常處于小開度工作，從而使可調(diào)比減小，控制性能變差，嚴(yán)重時引起振蕩，無法投用，需要根據(jù)工況重新計算閥門流量系數(shù)和口徑。

（2）類型的重新選擇。孔板用于蒸汽流量測量，精度低、維護(hù)量大，選擇渦街流量計便于穩(wěn)壓補(bǔ)償、測量精度高、維護(hù)簡單。

（3）儀表附件的重新選擇。針對工藝介質(zhì)沖刷、腐蝕的影響，調(diào)節(jié)閥閥芯選擇哈氏合金等耐腐蝕材質(zhì)，采用激光熔覆涂層增強(qiáng)閥芯、閥座耐腐蝕性。針對壓縮機(jī)管道，放空管線振動頻率高、振幅大的影響，調(diào)節(jié)閥選用分體式閥門定位器，采用金屬繞性管作為氣源管線，防止氣源管脫落。針對閥芯不平衡力引起調(diào)節(jié)閥頻繁故障的問題，應(yīng)改變閥門安裝形式，例如角閥由側(cè)進(jìn)底出改為底進(jìn)側(cè)出。

2.2.2 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

智能化發(fā)展方便了儀表維護(hù)和使用，但智能化對儀表適用性的提高，要求儀表維護(hù)人員深入了解儀表參數(shù)的設(shè)置，充分發(fā)揮儀表的功能。例如：變送器根據(jù)介質(zhì)波動情況適當(dāng)調(diào)整阻尼系數(shù)，以獲得相對穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)；渦街流量計根據(jù)介質(zhì)特性選擇氣體、液體或蒸汽測量；電磁流量計、雷達(dá)液位計設(shè)置合適的介電常數(shù)；智能閥門電位器設(shè)置調(diào)節(jié)閥為線性或等百分比特性，以適應(yīng)生產(chǎn)工況。

2.3 控制方案優(yōu)化

控制方案的設(shè)計是為了更好服務(wù)工藝生產(chǎn)，使生產(chǎn)過程參數(shù)更好的貼近控制目標(biāo)。工藝設(shè)計中最常用的是簡單回路控制，占整個控制回路總數(shù)的80%左右，其他為復(fù)雜控制回路，常見的有串級控制、分程控制、比值控制等，還有一少部分控制回路則是揉和了計算與多種復(fù)雜控制。控制方案優(yōu)化工作主要有以下幾點：

（1）選擇合適的被控變量，被控變量最好可以直接反應(yīng)控制指標(biāo)，在無法采用直接控制指標(biāo)時，所選用間接指標(biāo)參數(shù)必須與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系，還要有足夠大的變化靈敏度；

（2）編制復(fù)雜控制方案說明，明確控制策略和控制參數(shù)。復(fù)雜控制方案的選擇要保證運(yùn)行可靠，操作方便。DCS系統(tǒng)組態(tài)準(zhǔn)確反應(yīng)復(fù)雜控制方案的意圖；

（3）為復(fù)雜控制回路制定儀表設(shè)備故障時的自動退回策略，當(dāng)儀表故障時，系統(tǒng)可以使復(fù)雜控制回路從自動控制自動退回至手動控制并報警提示工藝操作人員介入；

（4）控制方案優(yōu)化需要工藝與儀表專業(yè)人員共同確認(rèn)、實施和測試，按要求辦理控制方案變更審批手續(xù)和作業(yè)票證。

3 儀表自控率提升的管理措施

3.1 加強(qiáng)自控率管理與指導(dǎo)

自控率綜合反映煤化工企業(yè)工藝生產(chǎn)操作水平和儀表維護(hù)使用水平，也反映了企業(yè)安全生產(chǎn)重要保護(hù)措施的投用情況。通過安全1號文明確自控率達(dá)標(biāo)要求，利用煤化工技術(shù)月報平臺展示企業(yè)自控率水平，可以提高企業(yè)對自控率技術(shù)指標(biāo)的重視程度，督促企業(yè)不斷保持提升自控率水平。對于自控率水平不高的企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，開展針對性的幫扶，指導(dǎo)企業(yè)提高自控率，實現(xiàn)煤化工板塊自控率的整體提升。

3.2 加強(qiáng)儀表維護(hù)管理

提高專業(yè)技術(shù)水平。掌握儀表的工作原理、組成結(jié)構(gòu)，了解儀表的工作條件、安裝要求，會儀表參數(shù)設(shè)置、投用調(diào)試，能分析判斷并排除儀表故障。

加強(qiáng)儀表日常管理。做好儀表隱患排查與治理，開展“低老壞”治理，落實儀表“五定期”工作。做到早預(yù)防問題、早發(fā)現(xiàn)問題、早解決問題。

加強(qiáng)儀表備品備件管理。備品備件根據(jù)儀表重要程度、可停用狀況、供應(yīng)周期進(jìn)行分級管理，建立合理的備品備件庫存，保證故障儀表的及時更換。

3.3 推進(jìn)儀表自控率的自動化統(tǒng)計

儀表自控率計算方法簡單，但由于自控回路數(shù)量多，工作模式動態(tài)變化，采用人工統(tǒng)計，即消耗大量人力，也易出現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計錯誤、數(shù)據(jù)滯后等問題；為提高自控率統(tǒng)計的準(zhǔn)確性、實時性，可以采用智能化統(tǒng)計方法。自控率智能化統(tǒng)計的核心是利用PID功能塊的工作模式標(biāo)志位進(jìn)行預(yù)設(shè)程序運(yùn)算，常見統(tǒng)計方式有以下三種：

（1）利用已有MES系統(tǒng)。通過MES系統(tǒng)采集DCS系統(tǒng)各自控回路PID塊的工作模式標(biāo)志位，累加處于自動狀態(tài)下PID塊數(shù)量，剔除不參與計算的回路，再根據(jù)計算公式得出儀表自控率。

（2）利用DCS組態(tài)功能塊。通過程序塊累加出處于自動狀態(tài)下PID塊個數(shù)，再通過計算功能塊算出儀表自控率。該方案會占用DCS系統(tǒng)控制器運(yùn)算空間，為了保證DCS控制器性能，盡量不采用該方法計算儀表自控率。

（3）利用DCS系統(tǒng)報表功能。添加DCS系統(tǒng)各自控回路PID塊的工作模式標(biāo)志位到報表數(shù)據(jù)庫中，在報表引入PID塊的工作模式標(biāo)志位變量，通過報表計算功能得出儀表自控率。

4 儀表自控率提升效果

跟蹤三家煤化工企業(yè)儀表自控率提升過程，采用以上儀表自控率提升措施，實現(xiàn)了儀表自控率的顯著提升，提升前后自控率對比如圖3所示。

圖3 煤化工企業(yè)儀表自控率優(yōu)化前后對比圖

5 總結(jié)與展望

通過儀表自控率提升措施可以有效提高煤化工企業(yè)儀表自控率，但當(dāng)煤化工企業(yè)自控率達(dá)到了較高水平，要進(jìn)一步鞏固、提升就需要精細(xì)化管理和專項技術(shù)攻關(guān)。（1）提高精細(xì)化管理水平。儀表自控率指標(biāo)管理不僅作為儀表技術(shù)指標(biāo)管理，還要作為生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行管理。充分利用自控率的自動化統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照裝置、中心、公司三個層級，分儀表、工藝兩個專業(yè)，對技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行月度、季度、年度分析，梳理儀表自控率提升存在的瓶頸問題，制定并落實針對性解決方案，并根據(jù)執(zhí)行情況進(jìn)行相應(yīng)考核。（2）成立專項技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊。自控回路投用遇到的難點問題，例如生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷變化大，儀表變送器、閥門不滿足生產(chǎn)需要等，要成立專門的技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊，成員根據(jù)需要包含工藝、設(shè)備、電氣、儀表等各專業(yè)人員。攻關(guān)團(tuán)隊對未投控的回路及投用效果不好的回路逐一進(jìn)行技術(shù)分析，綜合各專業(yè)優(yōu)勢制定有效的解決方案，實現(xiàn)自控率穩(wěn)步提升。（3）采用先進(jìn)的技術(shù)手段，實現(xiàn)控制回路的在線監(jiān)控和診斷。利用控制性能診斷系統(tǒng)，采集DCS系統(tǒng)控制回路信息，自動統(tǒng)計自控回路投用率、優(yōu)良率，形成自控回路投控評估報告，指導(dǎo)企業(yè)開展針對性的技術(shù)攻關(guān)。