煤化工儀表自控率提升措施分析

作者簡介：劉恩（1984-），工程師，從事化工裝置自控及智能化設計工作，13669358705@139.com。

引用本文：劉恩.煤化工儀表自控率提升措施分析[J].化工自動化及儀表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘? 要? 分析3家煤炭企業自控回路無法投自動的主要原因，并以自控基礎理論為切入點，給出了提升儀表自控率的技術措施和管理措施。3家煤炭企業采取相應的改進措施后儀表自控率均得到了顯著提升。最后為實現精益化生產經營和專門化技術創新提出了明確建議。

關鍵詞? 儀表自控率? 自控回路? 改進措施? 煤化工

中圖分類號? TH86? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼? B? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號? 1000-3932（2023）06-0000-00

在實踐中，提升煤化工儀表的自動化控制水準對于煤炭工業的發展至關重要。通過引入先進的自動控制技術，煤炭企業能夠實現生產工藝的精準控制，有效降低生產過程中的人為干預，從而顯著提高生產效率。其次，自動控制的實施不僅要保障生產工藝安全，還應注重能源和物質的合理利用。通過優化控制策略，可以降低能源消耗，減少生產過程中的廢料產生，進而降低環境負荷，實現可持續發展。儀表自控率是評估自動控制實施狀況的主要技術指標，它反映了工藝系統設計水平、操作人員的熟練程度、獨立保護層的應用程度以及相關儀表和設備的自動控制水平。因此，在提升儀表自控率的過程中，必須全面考慮這些因素，通過科學的方法和先進的技術手段進行改進。筆者通過對3家煤炭企業提高儀表自控率的案例進行深入分析，為煤化工行業提升儀器儀表的使用、維護和管理水平提供參考。通過不斷完善自動控制技術，保證煤炭工業的生產安全、穩定和高效進行，對于行業的可持續發展具有積極的推動作用。

1? 儀表自控回路未投自動原因分析

筆者對3家煤炭企業的儀表自控率情況進行了調查（表1），通過分析未投自動的儀表自控回路，發現造成自控回路失效的主要原因為儀表設備故障和工藝過程故障，具體原因是儀器的選擇和生產不相適應，自動控制回路的調整質量較低，技術環境不完善，以及生產工人的工作理念和方式。

在煤炭工業生產過程中，儀表自控回路沒有投入使用，通常體現在6個方面[1]：

a. 由于PID參數設置不當，使系統參數調整變得困難，在投入自動時造成系統波動大、不穩定；

b. 不科學的控制計劃使得某些環節與現場作業情況不相符，控制成效不顯著，投入運行有一定難度；

c. 流量、液位測量值與實際數據存在較大差異，調節閥內漏超過標準，閥座精度低，導致儀表應用效果不好；

d. 儀表的選用不符合現場情況，如閥門尺寸較大，長期處于較低的開啟狀態，導致其無法投入自動控制；

e. 工藝生產過程調節頻率較高，但操作者出于危險考慮只進行了簡單的操作；

f. 儀表自控率是單一性的，其只考慮儀表設備故障導致的不能自動控制的情況，無法體現工藝過程故障的影響。

2? 提升儀表自控率的技術措施

PID負回路閉環控制的工作原理是由測量變送器對被控目標要求的工藝參數進行測量，再通過PID控制器比較測試結果與設定值，得出誤差信號，并以偏置信號的幅值和取向為依據，來調節執行器的運行，從而使控制變量靠近并保持在設定數值上，如圖1所示。

2.1? PID控制器參數優化

2.1.1? 設置PID控制器手動方式下設定值跟蹤測量值

雖然在手動方式下，可以保證調節閥的閥位固定，工藝參數的穩定，整個生產過程順利進行。但是如果此時切換到自動控制模式，調節閥的閥位及工藝參數將會發生大幅波動，對生產造成不利影響。這是因為在從手動方式切換到自動控制模式的過程中，PID控制器產生了較大的干擾。因此，在PID控制器參數的設定中，有必要對下設的手工調節和所測得的參數進行跟蹤調整，以確保手動方式無擾動地切換到自動控制模式，從而保證系統的穩定運行。

2.1.2? 優化PID參數整定及控制算法選擇

PID調節是自動控制的先決條件。采用PID調節方法，通過調節PID參數使系統達到最佳狀態，從而實現良好的控制品質，達到優化工藝生產的目的。一般情況下，先通過試驗和經驗值來確定PID參數（表2），然后根據具體工藝要求在此基礎上對PID控制系統進行控制并優化PID參數。

為了適應不同的控制過程，DCS一般采用三類PID控制策略，并具有兩類特殊函數（表3）。針對不同的設計使用工況，通過選擇合適的PID控制策略及PID控制函數，能夠有效改善系統的自控性能。

2.2? 測量及執行環節優化

在整個PID控制系統中，測量變送器的準確性和執行器（調節閥）的控制效果會對整個控制系統的調節品質產生很大影響。而變送器和調節閥都會與制程介質直接接觸，工作條件比較苛刻，容易出現故障。因此，對儀表選型、參數設置、維護保養等進行優化，是實現高品質自控的關鍵[2]。

2.2.1? 合理的儀表選型

儀表的實際生產與設計計算是有一定差異的，因此在實際使用前需對儀表重新選型，并對其進行優化，從而滿足實際使用測量和控制的需要。特別是在煤化工條件苛刻的生產單元，儀表的選用還處在探索和積累的階段，有些測點到目前為止還無法長期投入使用。

儀表選型工作主要包括以下3方面：

a. 再選擇測量范圍。若閥門的口徑過大，會導致閥門在小開度下工作，造成調節比下降，控制效果下降，嚴重時會產生振動，無法投入使用，因此必須根據實際情況，對閥門的流量系數和直徑進行調整。

b. 選類別。以流量計為例，孔板流量計的計量準確度較低，且維修難度較大。相比之下，利用渦街流量計、電磁流量計、質量流量計等不需要壓力補償的測量值，不僅可以提高測量精度，而且便于維護。

c. 重新選擇儀表配件。針對工藝過程中流體介質的侵蝕作用，可選擇哈氏合金等抗侵蝕的材質，并使用激光熔化涂層對其進行防腐處理。針對壓氣機管道的高頻、大振幅特點，為了避免壓縮機管道脫落，通常在閥門上采用分體式閥座，并以金屬纏繞管作為供氣管路，以防其掉落。由于閥體不平衡力造成的閥座經常出現故障，因此需要對閥座進行適當調整，如將角閥的邊進邊出變為底進邊出。

2.2.2? 優化參數設置

隨著智能技術的發展，儀器儀表的維護和應用變得更為便利，但同時也對維修人員的技能水平提出了更高要求。因此，維修人員需要對儀表的各項參數進行深入理解，以確保最大限度地發揮儀器的性能和功能。例如傳輸機，通過調節介質的波動可以有效調節阻尼因子和衰減系數，從而使得測試值保持相對穩定，這對于保證測試的準確性和可靠性至關重要，特別是在復雜多變的工業環境中；渦街流量計則提供了更多的計量方式選擇，這取決于所測量介質的特性。深入理解渦街流量計的工作原理和不同計量方式的適用場景，可以幫助維修人員在實際操作中選擇最合適的測量方式，從而提高測量精準度和可靠性。此外，針對智能閥電位計，維修人員可以根據實際情況設定調節閥是線性的還是等比例的。這種定制化的設置可以根據具體工藝要求來進行調整，從而最大程度地滿足工業生產的需要。

綜上所述，隨著智能技術的運用，維修人員需要具備更高層次的技術理解和操作能力，以應對日益復雜多樣的工業環境。只有深入了解儀器儀表的工作原理和參數特性，才能有效發揮其作用，保證工業生產的穩定和高效運行。

2.3? 控制方案優化

在實際生產過程中，80%的環路較為復雜，包括串級環路、分程環路和復合環路。據此控制系統優化方案包括以下4點工作[3]：

a. 選擇合適的被控變量，使之更好地體現被控對象的可控性；當無法進行直接控制時，所選擇的非直接指數參數要具有單一的單數值，且具有足夠的變化敏感性。

b. 編寫控制計劃書，并對其進行詳細分析。在選擇復雜的控制方案時，應確保其工作穩定、使用簡便。

c. 在儀器設備出現故障時，建立自動切換策略，在儀表發生故障時，由自動控制切換到人工控制，并發出警報，提醒工藝人員進行干預。

d. 控制方案最佳化。由技術員及儀表專家共同確認、執行、測試，并根據需要對方案進行控制計劃的變更。

3? 提升儀表自控率的管理措施

3.1? 加強儀表維護管理

儀表維護管理措施包含以下兩點：

a. 強化人員專業技術培訓。設計人員、操作人員要對儀表的工作原理及其組成結構有一定的認識，要對儀表工作條件和安裝要求有一定的了解，通過正確的儀表參數設置、投用調試，對儀表故障展開分析，從而加強對儀器儀表的日常管理。做好儀器安全隱患排查與處理、“低、老、壞”的處理以及儀表的“五定期”管理，盡快找到問題所在并解決問題[5，6]。

b. 加強生產裝備零部件的管理。將備品備件歸類，從儀表停機狀態、重要程度、供貨周期等方面來對其進行分級管理，制定出一個合理的備品備件儲備計劃，以保證儀表能夠得到及時更新。

3.2? 推進儀表自控率的自動統計

智能儀表自控率統計的關鍵在于通過PID函數塊中的工作模式標記位來實現預置程序操作，具體方式有以下3種：

a. 使用現有的MES系統。利用MES系統對DCS各控制回路PID模塊的工作方式標識位進行采集，將PID塊在自動運行時的PID塊數目進行累加，將未參與運算的PID塊剔除，然后利用公式求出儀表自控率。

b. 使用DCS配置功能模塊。利用程序塊累計出PID塊數目，然后利用運算模塊求出設備的自控率。此方案會占用DCS的運行空間，為確保DCS的控制性能，應避免使用此方法進行儀表自控率統計。

c. 利用DCS的報告功能。首先將DCS的PID各控制回路的工作模式識別位添加到報表中，然后將PID的工作模式識別位導入到報表中，最后通過報表操作函數求出儀表自控率[7，8]。

4? 應用效果

對3家煤炭企業的儀表自控率進行跟蹤，結果如圖2所示。可以看出，通過采取相應的改進措施，3家企業的儀表自控率均得到了提升，尤其C公司，其儀表自控率增幅顯著。

5? 總結與展望

提高企業儀表自控率，可作為提高煤炭工業自動化水平的一種有效手段，主要從以下幾個方面著手：

a. 強化精細經營。采用自控率統計方法，按照設備、中心、公司3個層級，以及儀表和工藝層級，對月度、季度和年度的技術參數進行分析，找出制約因素，并結合實際應用進行評估，從而達到提高儀表自控率的目的。

b. 成立專項技術攻關團隊。投產時，由于各生產設備負荷變動，儀表變送器、閥門無法適應現場的需求，此時工藝、設備、電氣、儀表等技術攻關小組可對無法進行有效控制和投資不足的線路進行技術分析，并結合自身特性，給出相應的處理方案，以保證其穩定性。

c. 采用先進過程控制技術，實現對系統的實時監控和故障分析；通過監測與分析DCS的運行狀態，實現DCS的控制循環，各部件的投入和質量自動計算；編寫相關控制評估報表，以便于實施技術改進。

參? 考? 文? 獻

[1] 李文，鳳建剛，劉杰.MTP裝置自控率低的原因分析及改進措施[J].儀器儀表用戶，2023，30（2）：27-30；78.

[2] 王永江.提高化工生產裝置儀表自控率的措施[J].化學工程與裝備，2022（8）：178-179；183.

[3] 馮飛.煤化工儀表自控率提升分析[J].甘肅科技縱橫，2022，51（6）：32-35.

[4] 計國忠.煉油企業儀表自控率提升應用實踐[J].石油石化綠色低碳，2022，7（2）：58-63.

[5] 李強.提高儀表自控率的方法分析[J].山西建筑，2018，44（34）：118-119.

[6] 陳順強.儀表自控率低原因及提升措施[J].儀器儀表用戶，2018，25（1）：107-110.

[7] 許兆權，宋杰，徐龍甫.提高儀表自控率以增強裝置運行穩定性[J].中國儀器儀表，2017（9）：41-45.

[8] 蒲保鋼.多種舉措并舉，切實提升裝置自控率[J].化工管理，2017（8）：93-94.

（收稿日期：2023-04-13，修回日期：2023-10-16）