CS3000系統PID非線性增益的應用效果

郭 猛 叢龍海

(中國石油大連石化公司)

CS3000系統PID非線性增益的應用效果

郭 猛 叢龍海

(中國石油大連石化公司)

某重整裝置分餾部分的3個分餾塔在流程上關聯性較強，一直以來3個塔的塔底液位控制無法全部投自動、波動較大，造成塔頂溫度和壓力也隨之波動，影響裝置的產品質量。將液位控制改為均勻控制后效果仍然不理想。因此，在均勻控制的基礎上，通過引用CS3000系統的PID控制塊的非線性增益功能并合理設置相關參數等手段,使得3個塔的液位控制全部都投入了自動控制，塔的液位、溫度及壓力等控制指標全部達到了生產要求,產品質量明顯提高。

PID非線性增益 分餾 CS3000 參數設置

大連石化年產220萬噸連續重整裝置采用CS3000系統對工藝過程進行操作和控制。重整裝置分餾部分有3個分餾塔，分別是脫戊烷塔、重整油分離塔和二甲苯塔，對應分離不同的產品。3個塔之間的流程緊密，塔頂溫度和壓力控制精度要求較高，而塔底液位不是主要控制指標，但是由于3個塔的流程相互關聯，前一個塔出料流量的波動直接影響到后塔的控制指標。基于這種工藝流程特點，在3個塔的塔底液位控制上選用了均勻控制方案，盡可能地讓3個塔的液位均勻變化，控制出料的變化量，避免大幅波動影響塔的控制指標[1]。但是投用一段時間后效果不明顯，達不到工藝控制要求，塔頂的溫度和壓力受進料影響波動仍然較大。

通過對CS3000系統的功能進行進一步研究，并對工藝流程進行了更深入的了解，決定將CS3000系統中的PID功能塊非線性增益應用到塔底液位控制，當液位在一定范圍內波動時，其閥位輸出保持不變，保證塔的平穩，利于塔頂溫度和壓力的穩定，通過設置相關的控制參數達到了3個塔的控制指標要求。

1 重整分餾工藝流程簡介

如圖1所示，來自重整一段再接觸罐V1403的底油進入脫戊烷塔C1401，C1401底油分兩路，一路經加熱爐加熱后返回C1401；另一路經過換熱后進入重整油分離塔C1402，C1402底油分兩路，一路經P1410A/S升壓，經加熱爐加熱后返回C1402，另一路經脫氯后直接進入二甲苯塔C1403。可以看出，3個塔的關聯性較強，前塔的出料作為后塔的進料，所以前塔的波動勢必造成后塔的不穩定。

圖1 重整3塔工藝流程簡圖

2 原均勻控制方案

3個塔的液位控制都是簡單的液位單回路控制或液位-流量串級控制。由于對工藝流程和控制目的不熟悉，缺少對3個塔相互影響的認識，3個塔的液位和流量控制器的PID控制參數都是按照常規經驗值設置的，采用的是比例-積分控制方式[2]。但是自裝置開工以來，3個塔的液位控制很少能夠全部在自動控制模式運行，大部分時間都是手動控制，原因是投入自動控制后，后面兩個塔的液位波動幅度較大，影響了塔頂溫度和壓力，影響平穩操作和產品質量。

2013年初，在公司提高儀表自控率的要求下，相關技術人員共同討論控制策略和控制目的，了解了控制意圖后，將3個塔的液位控制器的PID參數調節得盡可能弱，取消了積分功能，改為純比例控制[3]。這樣，塔的液位在一定區間內波動，但是控制器輸出MV值變化相對趨緩，成為一個均勻調節的過程。

均勻控制的控制質量指標要求服從于控制目的，塔底液位和塔底出料量之間的動態聯系密切，往往兩個參數的調節質量都要考慮，只要兩個參數在某一范圍內做緩慢變化，前后工序維持正常就達到了目的。

均勻控制方案投用一段時間后，相關人員反映C1402和C1403兩個塔的塔底進料量仍然不夠平穩，塔頂溫度和壓力仍有波動，操作有難度。他們提出能否在液位指示在一定的區間內變化時其輸出(閥位)不變，超過這個區間時再開始調節，以便給后塔的調整留出時間，利于塔的溫度和壓力的穩定。

基于這個控制目的，筆者進一步優化PID控制，通過設置CS3000的PID控制參數[4]非線性控制增益(Non-linear Gain)和Gap Action值來實現此功能。

3 3個塔的控制指標

C1401——在穩定塔壓力正常的前提下，保證塔底重整穩定汽油的產品質量。操作過程中如果出現波動，在保證塔底少帶或不帶輕組分的同時，盡量防止C6/C7被帶到塔頂。控制目標：塔頂壓力(0.94±0.01)MPa、塔頂溫度(80±2)℃、塔底溫度(205±3)℃。

C1402——在重整油分餾塔壓力正常的前提下，保證塔頂C6、C7產品的質量與收率。操作過程中如果出現波動，在保證塔頂不帶C8以上重組分的同時，盡量防止C6、C7從塔底被帶到二甲苯分離系統中。控制目標：塔頂壓力(0.060±0.005)MPa、塔頂溫度(109±2)℃、塔底溫度(178±2)℃。

C1403——在二甲苯塔壓力正常的前提下，保證塔頂C8產品的質量與收率。操作過程中如果出現波動，在保證塔頂不帶C9以上重組分的同時，盡量防止C8從塔底被帶走，以保證二甲苯的產品收率。控制目標：塔頂壓力(0.460±0.005)MPa、塔頂溫度(220±5)℃、塔底溫度(264±5)℃。

可見，3個塔的主要控制對象是塔頂壓力和溫度，塔底液位不是主要控制指標，只要在合理區間盡可能地緩慢變化就行，以保證塔內溫度和壓力穩定。

4 PID控制非線性增益的應用

4.1 PID控制非線性增益簡介

非線性增益是CS3000系統PID控制器自帶的一項功能，它根據偏差變化的程度改變增益的大小，所以偏差和控制輸出之間的關系是非線性的[5]。即當PID控制器的測量偏差在一定范圍內變化時，PID增益值為零，PID輸出不變；當偏差超過設定的區間時PID增益變為預先設定的固定值，輸出才起作用。非線性增益有兩種模式：

a. Gap Action。當偏差在GW(變化區間，通過參數畫面可設置)范圍內時降低比例增益以延緩控制影響，計算式為Kpe=KpKnl。

非線性增益功能一般用于緩沖儲罐的液位控制，其目的是穩定出口的流出量來保持儲罐液位在一定區間內，類似于均勻控制。Gap Action控制模式的計算方法和控制曲線如圖2所示，其中Kpe為最終起作用的增益值；Kp是操作畫面上設置的增益值，Knl是增益參數，En為偏差值，GW為變化區間。

圖2 Gap Action模式增益曲線

從圖2可以看出，這種控制模式的本質就是通過改變PID控制器的增益來延緩或加強控制作用，達到某種控制目的。PV值在GW區間內外時的PID增益不同，這樣可以根據實際控制需要選擇需要的控制模式，例如，當PV值在一定偏差范圍內變化時(GW區間內)，調整增益參數Knl由1.00變為0.50，按照公式Kpe=KpKnl計算，則PID控制的增益將變為原來的0.5倍，控制作用明顯減弱；如果將Knl設為0.00，則PID增益將為零，控制輸出不變化。而當PV值超出GW區間后PID控制才開始起作用。

4.2 PID控制非線性增益的組態

在CS3000的控制組態界面中找到3個塔底液位的PID控制器，在其詳細編輯界面選擇“control calculation”，在此畫面中將Non-linear Gain項設置為1∶Gap，即Gap Action模式，然后設置增益參數Knl,將下面的Gap Gain設置為3∶0.0，即將Knl設為0.00，如圖3所示。

圖3 PID控制非線性增益組態

將上述修改保存下裝后，在操作畫面進入到塔底液位控制器的參數調整界面tuning，即可修改液位的PID參數和GW值，找到GW項，根據需要設置GW值，例如將GW設置為5.0，則當液位PV值與設定值在偏差5.0以內時，液位PID控制器的輸出MV值是不變的，這對后兩個塔的操作和調整是非常有利的。

5 投用效果

將C1401、C1402、C1403塔的液位控制按照此控制方案修改后，逐步將液位PID控制投入自動控制，觀察控制效果，期間根據實際情況修改PID控制器的增益值(畫面上是比例度P)和GW偏差變化值，使塔前后的控制達到平衡，通過不斷調整，最終這3個塔的液位都實現了自動控制。更重要的是，投入自動后塔的操作比以前更加平穩，塔底液位穩定后相應的塔頂壓力和靈敏板溫度控制也趨于穩定，也投入了自動控制，這樣作為重整分餾部分重要的控制指標，塔頂壓力和塔靈敏板溫度控制效果都得到了明顯改善，提高了裝置產品的收率。圖4為C1401塔液位控制曲線，圖中最下方曲線為液位控制器LC4010的輸出曲線，可以看出，在某一段是平直的，說明當LC4010的測量偏差在GW范圍內時輸出是不變的，相當于手動控制。

圖4 C1401塔液位及其輸出曲線

6 結束語

CS3000系統PID非線性增益控制方案的投用，使得連續重整裝置3塔的液位控制都實現了自動控制，降低了操作難度，保證了塔底液位的平穩，有利于塔頂壓力和靈敏板溫度的控制，提高了控制精度和產品收率。另外，由于3塔的平穩控制，提高了整個裝置的平穩度和自控率，使得裝置的自控率達到了95%以上。該控制方案的成功應用，為其他裝置的控制方案優化提供了參考和借鑒。

[1] 王驥程,祝和云.化工過程控制工程[M].北京:化學工業出版社,2000.

[2] 張峻銘.CS3000系統在連續重整裝置的應用[J].華東科技(學術版),2015,(5):4.

[3] 解懷仁,王成林.石油化工儀表自控系統應用手冊[M].北京:化學工業出版社,2014.

[4] 馬菲.CS3000控制功能塊在連續重整裝置的實現[J].浙江化工,2014,(4):29～30.

[5] 高麗梅.蒸汽加熱換熱器的優化控制[J].石油化工自動化,2015,51(4):74～76.

參考文獻著錄規范

[書] 編號 著者名.書名[M].版本.出版地:出版者,出版年：頁碼.

[期刊] 編號 著者名.題(篇)名[J].刊名,出版年,卷號(期號): 頁碼.

[論文集] 編號 著者名.題(篇)名[C].整本文獻的編者ed(多編者用eds)(編).文集名.出版地:出版者,出版年:頁碼.

[學位論文] 編號 著者名.題(篇)名[D].保存地：學位授予單位,年.

[專利文獻] 編號 專利申請者名.專利題名[P].專利國別：專利號,出版日期.

注：①著者姓名應列全(3個以上的只列3個，并在第3個著者名后加“等”)；

②國外作者名應將“姓”排前，“名”排后。

ApplicationEffectofPIDNonlinearGaininCS3000ControlSystem

GUO Meng, CONG Long-hai
(CNPCDalianPetrochemicalCompany)

In the reforming unit, three fractionating towers have strong correlation in the process. The obvious fluctuation in level control of the tower bottom incurs undulation of tower’s top temperature and pressure which influencing product quality much. Making use of CS3000 control system’s PID nonlinear gain function and reasonably setting parameters concerned to automatically control the liquid level of tower bottom was carried out, including the control over both temperature and pressure there.

PID nonlinear gain, fractionation, CS3000, parameter setting

TH862

B

1000-3932(2017)02-0125-04

2016-05-25，

2016-12-09)

郭猛(1981-)，工程師，從事石油化工儀表技術和質量管理工作，guom_dl@petrochina.com.cn。