石油化工裝置控制性能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用探討

趙霄,劉蘊文,張晨韻

(1. 中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101;2. 浙江中控技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310053)

現(xiàn)代化大型石油化工裝置，特別是千萬噸級煉油和百萬噸級乙烯工廠PID控制回路數(shù)量往往高達數(shù)千個，各工藝裝置的自控投用率和平穩(wěn)率直接關(guān)系生產(chǎn)的平穩(wěn)、連續(xù)、可靠和安全運行。同時，由于現(xiàn)代企業(yè)人力精簡，工廠開車調(diào)試和運行階段，單純依靠操作員人為對PID控制回路進行性能監(jiān)測、評估與整定優(yōu)化的工作量巨大，難以做到主動運維，無法滿足工藝參數(shù)平穩(wěn)控制的要求。如果PID控制回路無法投用自動、處于開環(huán)狀態(tài)，則只能由操作人員手動調(diào)節(jié)，不僅勞動強度大、對人員水平和經(jīng)驗要求高，而且由于缺少科學(xué)和高效的維護手段，可能直接影響裝置運行的平穩(wěn)性，導(dǎo)致工藝產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至發(fā)生安全事故。

鑒于此，各石化生產(chǎn)企業(yè)普遍迫切需要在DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中配置功能相對完備的控制性能監(jiān)控系統(tǒng)CPMS(control performance monitoring system)，高效、便捷地實現(xiàn)PID控制回路實時檢測、性能批量評估和PID參數(shù)整定優(yōu)化功能，有效提升PID控制回路性能和自控投用率，提高裝置整體自動化水平和運行平穩(wěn)率。

1 典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CPMS通常作為分散控制系統(tǒng)(DCS)的高級應(yīng)用。在新建和改擴建石化工廠(或裝置)，CPMS通常部署在網(wǎng)絡(luò)的L3層即操作管理層，考慮到CPMS對于不同品牌DCS的通用性，一般采用標(biāo)準(zhǔn)OPC接口與DCS進行通信。CPMS典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CPMS典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

根據(jù)CPMS監(jiān)控管理PID控制回路的規(guī)模，通常多套工藝裝置可共用CPMS服務(wù)器及其OPC服務(wù)器，以盡可能提高軟硬件配置效率并節(jié)省投資。

2 總體功能架構(gòu)

CPMS是一套用于基礎(chǔ)PID控制回路全生命周期閉環(huán)管理的系統(tǒng)，它能夠利用控制回路的日常運行數(shù)據(jù)自動計算與評估其控制性能，使管理者能實時掌握全廠所有裝置PID控制回路的運行狀態(tài)和控制性能，及時發(fā)現(xiàn)、識別控制回路中的缺陷，針對評估結(jié)果為需要整定PID參數(shù)的回路，通過參數(shù)整定工具，優(yōu)化PID參數(shù)。整定工具支持在線/離線多種場景的參數(shù)整定，充分利用生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，給出PID回路初始參數(shù)，同時采用交互式整定模式，實現(xiàn)閉環(huán)狀態(tài)下的PID參數(shù)整定，具備實時性和互動性。CPMS的總體功能架構(gòu)如圖2所示。

相對完備的CPMS的主要功能如下：

1)數(shù)據(jù)采集與存儲。數(shù)據(jù)采集接口支持OPC DA通信協(xié)議，可通過控制系統(tǒng)的OPC服務(wù)器實時采集DCS控制回路的實時值、設(shè)定值、輸出值、狀態(tài)值、PID參數(shù)等數(shù)據(jù)并高精度壓縮存儲；支持用戶通過客戶端登陸，按區(qū)域、裝置、工段(單元)等不同范圍對控制回路進行監(jiān)控、管理。

2)用戶組態(tài)配置。通過初始化向?qū)В龑?dǎo)用戶快捷地完成組態(tài)配置工作；性能評估組態(tài)軟件提供回路信息管理、回路分組管理功能，評估計劃管理與設(shè)備模板管理，提供包含組態(tài)信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)備份與還原功能。

3)回路實時監(jiān)控。對控制回路性能及關(guān)鍵績效指標(biāo)(KPI)實施監(jiān)控和統(tǒng)計分析，幫助管理人員實時掌握企業(yè)控制回路的運行情況，實現(xiàn)控制回路的精細(xì)化管理。

4)控制性能評估。回路控制性能批量評估，可提供數(shù)十種基于頻域和時域的回路控制性能指標(biāo)，并生成專業(yè)分析報告；輔助工程師實現(xiàn)控制回路批量管理，提高運維效率。

5)智能診斷分析。針對回路控制器參數(shù)，閥門儀表，回路耦合等典型問題給出智能診斷結(jié)果和回路運維建議，幫助企業(yè)工程師實現(xiàn)回路問題定義，給出運維的專家建議，為回路運維提供信息支持，減小不必要的停工檢修，保障企業(yè)生產(chǎn)運行的效益。

6)參數(shù)常規(guī)整定。基于已經(jīng)產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)，自動辨識選取有效數(shù)據(jù)段進行PID參數(shù)的整定優(yōu)化，不對現(xiàn)場產(chǎn)生任何干擾，適用于歷史數(shù)據(jù)中存在較強激勵或現(xiàn)場不準(zhǔn)添加測試信號的回路，安全智能地實現(xiàn)參數(shù)整定工作。

7)交互式參數(shù)優(yōu)化。提供專家經(jīng)驗參數(shù)庫，不依賴于數(shù)據(jù)，幫助新開工裝置快速進行參數(shù)整定，并提供智能交互式整定模式，通過軟件交互式迭代優(yōu)化PID參數(shù)，降低整定工具的使用門檻，使得整定優(yōu)化工作更高效。

圖2 CPMS總體功能架構(gòu)示意

本文重點闡述CPMS中最為基礎(chǔ)和核心的功能——控制性能評估和參數(shù)整定優(yōu)化的基本原理。

3 控制性能評估原理

CPMS能夠通過歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，對控制回路進行在線或離線的性能評估，呈現(xiàn)過程性能綜合指標(biāo)；能夠從多個維度對PID控制回路進行性能評估，通過統(tǒng)計計算，得出有關(guān)變量的好值率、開環(huán)率、飽和率、偏差均值、偏差絕對均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)。

3.1 相關(guān)變量計算公式

好值率的計算如式(1)所示：

(1)

開環(huán)率的計算如式(2)所示：

(2)

飽和率的計算如式(3)所示：

(3)

偏差均值的計算如式(4)所示：

avg(Xi)=avg(Xi-1)(i-1)/i+
X(i)/ii=1, …,Ndat

(4)

式中：Xi——X中前i個元素；X(i)——X中的第i個元素；Ndat——數(shù)據(jù)總量。

偏差絕對均值的計算如式(5)所示：

avg(Xi)=|avg(Xi-1)|(i-1)/i+
|X(i)|/ii=1, …,Ndat

(5)

偏差絕對均值是用來計算整體偏差絕對值的均值，即觀察偏差的幅度大小。

方差的計算如式(6)所示，采用遞推法計算數(shù)據(jù)的方差：

var(Xi)=var(Xi)(i-1)/i+
(X(i)-avg(Xi))2/ii=1, …,Ndat

(6)

var(X)=var(XNdat)

式中：var——方差；avg——均值。

標(biāo)準(zhǔn)差的計算如式(7)所示：

(7)

PID控制器的控制性能評估，其原理是基于模型-視圖-控制器(MVC)控制指標(biāo)，通過建立最小方差控制器，使得理想地、期望地輸出方差最小，作為評價實際控制性能的參考標(biāo)準(zhǔn)。如果實際控制效果的性能評估指標(biāo)與最小方差控制器輸出的參考曲線靠近，則認(rèn)為控制效果良好；反之，則認(rèn)為控制性能下降。

3.2 技術(shù)路線

CPMS在PID控制回路的性能評估與參數(shù)整定優(yōu)化的技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 CPMS控制回路性能評估與參數(shù)整定優(yōu)化流程示意

3.2.1 閉環(huán)脈沖響應(yīng)算法

本文闡述的CPMS主要采用了閉環(huán)脈沖響應(yīng)序列和閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線來表征控制器的控制性能，其基本原理： 閉環(huán)脈沖響應(yīng)序列可直接用來衡量PID控制器的抑制干擾性能以及設(shè)定點跟蹤變化情況。在工程實踐中，脈沖響應(yīng)一般是閉環(huán)回路的擾動階躍響應(yīng)模型，可用來分析閉環(huán)回路的性能，如超調(diào)量、阻尼比、調(diào)節(jié)時間、振蕩時間等。通過子空間方法辨識得到閉環(huán)數(shù)據(jù)的狀態(tài)空間模型，再根據(jù)該模型計算出閉環(huán)脈沖響應(yīng)序列。狀態(tài)空間模型形式如式(8)所示：

x(k+1)=Ax(k)+Ke(k)
y(k)=Cx(k)+e(k)

(8)

式中：x(k)——k時刻系統(tǒng)狀態(tài)，x(k)∈Rn；y(k)——系統(tǒng)輸出，y(k)∈Rn；e(k)——預(yù)測誤差；A——系統(tǒng)矩陣，A∈Rnx×nx；C——輸出矩陣，C∈Rny×nx；K——卡爾曼增益，K∈Rnx×ny。

將式(8)轉(zhuǎn)化為式(9)所示預(yù)測模型形式：

y(k)=Cx(k)+e(k)

(9)

3.2.2 閉環(huán)脈沖響應(yīng)算法性能評估示例

以某PID控制回路FIC804的閉環(huán)脈沖響應(yīng)曲線為例，如圖4所示，其中實線為該控制回路的閉環(huán)脈沖響應(yīng)曲線，虛線為閉環(huán)參考曲線(圖4～圖8虛線、實線定義均同)。通過MVC指標(biāo)，建立理想的最小方差控制器，獲得圖4的虛線，而實線為實際控制器的性能評價曲線。通過對比，可以看出，實線沒有及時地靠近虛線，其衰退至0值的時間相對較長，說明該回路在工況變化或者干擾克服上，響應(yīng)很慢，主要原因是PID調(diào)節(jié)速度過慢導(dǎo)致。

圖4 PID控制回路FIC804的閉環(huán)脈沖響應(yīng)曲線示意

以PID控制回路FIC805為例，闡述了PID調(diào)控過緊情況下回路所體現(xiàn)出的性能，如圖5所示，與圖4體現(xiàn)的回路性能相反。圖5中，參考曲線體現(xiàn)了該控制回路理想的響應(yīng)速度情況。當(dāng)PID控制器調(diào)節(jié)過于積極時，回路的調(diào)節(jié)時間大幅減小，快速響應(yīng)性能提高，但會加劇振蕩，導(dǎo)致圖5以實線表示的閉環(huán)脈沖響應(yīng)曲線所表現(xiàn)的形式，相比虛線表示的理想控制器參考曲線，該控制器反映的控制性能，存在振蕩和超調(diào)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能是由于比例或者積分作用過大所導(dǎo)致。

3.2.3 閉環(huán)頻率響應(yīng)算法

CPMS還可通過利用閉環(huán)頻率響應(yīng)來分析控制回路PID參數(shù)的調(diào)節(jié)作用和調(diào)節(jié)強弱，該指標(biāo)通常以最小方差控制響應(yīng)圖作為基準(zhǔn)來進行對比，觀察2條曲線在什么頻域中相差較大，其基本結(jié)論是： 在低頻范圍內(nèi)相差較多則通常意味著積分作用不夠，或者比例作用較弱；在中頻范圍內(nèi)出現(xiàn)大的尖峰波動，則意味著控制器調(diào)控過緊(參數(shù)調(diào)節(jié)過猛)，或者有振蕩擾動模型存在；在高頻范圍內(nèi)存在較大差別則表示存在測量噪聲。閉環(huán)頻率響應(yīng)的算法原理如下。

圖5 PID控制回路FIC805的閉環(huán)脈沖響應(yīng)曲線示意

對于線性時不變系統(tǒng)，可表示為式(10)所示的脈沖響應(yīng)形式：

(10)

離散化可得：

G(z)=y(z)/u(z)=h(1)z-1+h(2)z-2+
h(3)z-3+…+h(N)z-N

(11)

頻域表示為

G(w)=h(1)e-jTsw+h(2)e-j2Tsw+
h(3)e-j3Tsw+…+h(N)e-jNTsw

(12)

式中：Ts——采樣時間。

進一步，化為正弦形式為

G(w)=a-jb

(13)

則有

(14)

3.2.4 閉環(huán)頻率響應(yīng)算法性能評估示例

低頻段閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線如圖6所示。圖6中的閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線在低頻范圍內(nèi)與最小方差控制響應(yīng)曲線相差較大，說明控制器調(diào)控過松，過程過于緩慢，控制作用不夠。圖6圖形右側(cè)高頻范圍內(nèi)的振蕩是由噪聲導(dǎo)致。

圖6 低頻段閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線示意

中頻段閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線如圖7所示。圖7中的閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線表示該控制器調(diào)控過于積極。該圖形在低頻范圍內(nèi)非常接近參考曲線值，但在中頻范圍內(nèi)存在一個較大的峰值，表示調(diào)控過緊，峰值處標(biāo)明了該點的周期參數(shù)值。

圖7 中頻段閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線示意

較理想的閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線如圖8所示。圖8中的閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線較為接近參考曲線，控制較為理想。

圖8 較理想的閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線示意

4 整定優(yōu)化方法及原理

本文闡述的CPMS采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬參考整定方法實現(xiàn)對PID控制回路參數(shù)的整定與優(yōu)化，其原理如圖9所示。

圖9 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬參考整定原理示意

根據(jù)實際過程的輸入輸出測量值和控制器結(jié)構(gòu)，可以推算出參考信號。參考信號通過參考閉環(huán)控制系統(tǒng)得到參考系統(tǒng)輸出。通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，期望參考系統(tǒng)輸出與實際系統(tǒng)輸出的偏差最小，由此考慮目標(biāo)函數(shù)如式(15)所示：

(15)

式中：ε——收斂精度，默認(rèn)為0.01。

針對標(biāo)準(zhǔn)PID控制器，離散化后，其表達式如式(16)所示：

(16)

式中：K——比例系數(shù)；Ti——積分時間；Td——微分時間。

下面定義一個濾波器，如式(17)所示：

(17)

則參考系統(tǒng)輸出信號可表示為

(18)

(19)

此處定義濾波信號如式(20)所示：

(20)

目標(biāo)函數(shù)可表示為

(21)

可轉(zhuǎn)化為

(22)

對于給定的f0，f1，f2與PID參數(shù)存在如下?lián)Q算關(guān)系和約束范圍，且存在唯一可行解：

(23)

式中：PL，PH，IL，IH，DL，DH——比例系數(shù)約束下限、比例系數(shù)約束上限、積分時間約束下限、積分時間約束上限、微分時間約束下限、微分時間約束上限。

此外，合適的參考系統(tǒng)模型對于PID參數(shù)整定至關(guān)重要，需要能夠結(jié)合實際動態(tài)指標(biāo)進行設(shè)計，據(jù)此參考系統(tǒng)離散模型設(shè)計為

(24)

則濾波信號表示為

(25)

(26)

其中，參數(shù)p1，p2的取值為

(27)

(28)

式中：τ，T——實際系統(tǒng)的時滯時間和時間常數(shù)。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬參考整定方法，無需遷移大量的歷史數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)，支持在線自動交互式整定；與傳統(tǒng)通過歷史數(shù)據(jù)的內(nèi)模整定方法相比，可大幅提高自整定效率，傳統(tǒng)方法單個回路整定時間通常為2倍的過渡過程時間。本文所述的方法，60%的回路僅需30%的過渡過程時間就可完成首次迭代整定。

5 典型工藝裝置應(yīng)用分析

以某工程中典型石油化工裝置為例，被納入考核的PID控制回路共計47個，PID控制回路參數(shù)整定優(yōu)化前報告界面如圖10所示，參數(shù)整定優(yōu)化后報告界面如圖11所示。

圖10 典型工藝裝置PID控制回路參數(shù)整定優(yōu)化前報告界面示意

圖11 典型工藝裝置PID控制回路參數(shù)整定優(yōu)化后報告界面示意

由圖10可知，CPMS優(yōu)化前評估有43個控制回路處于自動模式、4個控制回路處于開環(huán)狀態(tài)，整體自控投運率為90.48%。自控投運率定義為每24 h內(nèi)回路的手自動狀態(tài)，CPMS每2 min進行1次記錄采樣，其計算公式如(29)所示：

(29)

式中：n——24 h內(nèi)的采樣數(shù)量720次。

從CPMS的評價分析得到，自動狀態(tài)的回路控制性能有9.52%評價為“中等”、61.9%評價為“差”，盡管統(tǒng)計報告里自控投用率較高，但是實際控制效果評價并不好，自控平穩(wěn)率只有31.96%，整體綜合評分較低。為了改善該工藝裝置整體PID回路的控制性能，需要對回路進行PID參數(shù)優(yōu)化。

由圖11可知，PID控制回路性能、自控投用率和平穩(wěn)率均得到較大改善。CPMS的分析結(jié)果顯示： 21個控制回路評價為“優(yōu)秀”，占44.68%；18個控制回路評價為“良好”，占38.95%；5個控制回路為“中等”，占10.03%；2個控制回路為“差”，占4.21%；僅有1個回路因為工藝原因無法投運。

優(yōu)化PID控制回路參數(shù)后的裝置，自控投用率提高并穩(wěn)定在98%左右，自控平穩(wěn)率提高至88%左右，說明PID控制回路性能的改善對裝置平穩(wěn)、連續(xù)、可靠和安全運行有關(guān)鍵作用。部分回路在PID參數(shù)整定優(yōu)化后，控制效果改善情況此處不再贅述。

6 結(jié)束語

針對流程工業(yè)控制系統(tǒng)操作回路多、操作負(fù)荷高的問題，在工程實踐中設(shè)計并應(yīng)用CPMS，能夠?qū)崿F(xiàn)對全廠控制回路的實時監(jiān)控與批量自動性能評估，掌握每個控制回路的健康狀況，針對缺陷回路提出維護性意見，提供有效工具整定優(yōu)化PID參數(shù)，最終形成對每個控制回路全生命周期的可靠閉環(huán)管理。

通過將CPMS應(yīng)用于大型石油化工企業(yè)，能夠大幅提升各裝置的自控投用率和平穩(wěn)率，確保生產(chǎn)裝置長期處于最優(yōu)控制狀態(tài)；有效減輕操作人員的勞動強度、提高裝置的平穩(wěn)運行和安全水平并降低報警率。未來通過進一步提升CPMS功能，可逐步實現(xiàn)工藝裝置的自適應(yīng)生產(chǎn)，為服務(wù)更大規(guī)模的流程工業(yè)打下堅實基礎(chǔ)。