榆林煉油廠生產裝置PID的優化控制

劉芳(陜西延長石油(集團)有限責任公司榆林煉油廠，陜西 榆林 719000)

0 引言

榆林煉油廠為陜西延長石油(集團)有限責任公司煉化公司下屬三大煉油廠之一，始建于1993年，已形成常壓680萬噸/年、催化240萬噸/年、重整100萬噸/年、加氫200萬噸/年的加工能力，現有13套裝置841個控制回路，目前控制回路的維護與整定仍局限于發生故障、解決問題的簡單過程，缺乏有效的技術手段和知識對控制回路性能進行整定優化，導致控制回路投用率低、控制回路性能差、維護難度大。具體包括以下4個方面。

(1) PID控制器整定難度較大。被控對象(含測量儀表，執行機構)的特性變化后，原來的PID參數不適應“新”的系統，控制效果變差，同時過程的穩定性和響應速度隨著時間推移發生不可測變化，致使整定難度進一步加大。

(2)裝置控制回路投用率偏低。根據詳細統計，常壓、加氫等裝置的控制回路投用率在30%～50%。自動投用率低在導致操作工的勞動強度大的同時降低了裝置運行的安全性，對全廠經濟效益有著較深遠的影響。

(3)缺少相關專業人員。控制回路整定涉及工藝、儀表、IT、控制等各方面知識的復合型人才，而且需要相當的現場經驗。由于相關人員缺乏導致榆林煉油廠的自控率低、控制回路性能差。

(4)缺乏控制回路評估手段。目前全廠的控制回路缺少信息化、智能化手段，導致控制回路的整定和維護處于被動狀態。迫切需要通過豐富的在線性能評估、分析方法對控制回路進行評估分類，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、平穩率和控制資產的管理水平；尤其隨著國家“兩化融合”戰略的深入推進，中國制造2025、工業4.0生態環境的不斷完善，榆林煉油廠積極探索、實踐智能制造戰略，希望通過“大數據+AI(人工智能)”的建設，推進企業數字化轉型，迫切需要通過推進控制回路性能評估和智能參數整定優化體系建設和技術應用，提升控制回路自控率和平穩率、并通過工藝參數優化提高裝置運行可靠性與安全性、降低裝置能耗，實現降本增效。

1 關鍵技術

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

(1)比例：考慮被測變量偏離設定值的偏差。在固定的采樣周期內，比例可以加上或減去一個偏差的計算值。當偏差增大或減小時，控制器輸出也會立即按比例增大或減小。

(2)積分：表示被測變量偏離設定值的時間。積分項是對偏差隨時間的積分或連續求和。因此，即使小的持久性偏差也會隨著時間的推移累積到相當大的數量。

(3)微分：考慮偏差在瞬間變化的速度。微分計算產生偏差曲線的變化率或斜率。無論動態事件是剛剛開始還是已經發生了一段時間，快速變化的偏差都會產生一個大的微分作用。

PID控制算法作為一種最常規、最經典的控制算法，經過了長期的實踐檢驗。常見的PID整定方法包括Z-N參數整定方法、基于誤差性能指標的整定方法、內模整定方法等。為了解決榆林煉油廠工業系統中PID控制器由于系統時變而導致的所在控制器回路性能下降問題，本文提出了一種基于期望閉環響應的Lambda整定方法。

當PID形式如下：

式中：KC為比例增益，代表系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用用以減少偏差比例作用，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降；Ti為積分時間，使系統消除穩態誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值，積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強，反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢；Td為微分時間，微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除，可以改善系統的動態性能。

廣義對象為一階純滯后模型，其傳遞函數為：

式中：K為增益是表征被控對象靜態特性的參數；T為時間常數。是表征被控對象動態特性的參數；τ為純滯后時間。是表征對象的測量環節、傳輸環節或其他環節出現的滯后的參數。

PID參數整定公式如表1所示。

表1 PID參數整定公式

2 實現過程及技術路線

2.1 控制回路整定目標

針對榆林煉油廠500萬噸常壓裝置、90萬噸汽油精制裝置、200萬噸柴油加氫裝置未投入自動控制的124個回路進行控制回路評估及智能整定優化：

(1)應用控制回路評估的先進工業算法，建立控制回路評估維護中心評估，實現控制回路的評估、分類和整定建議，提升運維和管理水平，優化提升榆林煉油廠的控制回路參數整定能力。

(2)培養工程師，建立榆林煉油廠自己的控制回路管理和參數整定隊伍。

(3)針對榆林煉油廠全廠500萬噸常壓裝置、90萬噸汽油精制裝置、200萬噸柴油加氫裝置中未投入的124個控制回路進行軟件安裝、評估、整定，對已投入的控制回路進行優化，使得該3套裝置自動率達到80%以上，安裝控制回路監控軟件并試運行6個月，提供榆林煉油廠指定相關人員的整定培訓及控制回路監控軟件使用及維護培訓，并在廠內和煉化公司甚至行業內推廣使用。

2.2 基礎回路PID參數整定方法

現代PID控制器中實現的PID方程的形式包括三種：并聯(parallel)，理想(ideal)和串聯(serial)。

并聯形式中，三個PID參數互相獨立，數據模型如下：

理想形式數據模型如下：

串聯形式數據模型如下：

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現PID控制功能的形式，然后再對其進行整定[3]，榆林煉油廠控制回路性能不佳的常見問題包括振蕩、響應緩慢和噪聲等。振蕩指測量值與設定值的周期性偏差；響應緩慢是回路從干擾中恢復或跟蹤設定值變化緩慢；噪聲指過程變量中的隨機行動。振蕩可能來自控制回路內部，也可能是由外部因素引起的。振蕩也可能是兩個或多個控制回路之間周期性相互作用的結果。為了尋找可能引起振蕩的原因，應將控制器置于手動模式，以查看振蕩是否停止。如果在控制器處于手動模式時振蕩仍然存在，則振蕩源自回路外部。然后應對相互作用的回路和設備進行振蕩分析，以找到根本原因。如果在控制器處于手動模式時不振蕩，則振蕩源來自控制回路參數、檢測儀表或最終控制元件。

控制回路參數不合理引起的振蕩存在兩種可能：(1)如果OP和PV同時達到峰值，則振蕩主要由于比例太強或者存在周期性干擾引起的。(2)如果在PV越過設定值時OP達到峰值，則振蕩主要由于積分作用太強引起的。

當控制回路有設定值階躍變化響應的振蕩特性時，振蕩的周期P與積分時間Ti之間存在可預測的關系

2.3 PID調試與整定

使用控制回路評估軟件基于秒級大數據進行控制回路性能評估。根據控制回路監控和評估報告，進行PID參數調試整定。調試和整定工作包括：

(1)未投用的控制回路，先對未投用原因進分析。根據分析結果對需要維修或者控制策略需要改進的提供建議，對能投用的控制回路進行投用及參數整定。

(2)已投用的控制回路使用控制回路監控軟件提供的診斷意見進行控制回路整定。

(3)控制回路整定報告。

(4)控制策略完善方案。

(5)工藝參數優化。根據裝置存在的節能空間進行工藝參數優化。通過工藝參數的穩定控制及設定值優化實現裝置節能。

2.4 PID優化控制成果

常壓及輕烴回收裝置PID控制回路共106個，整定前手動控制回路55個，自控率48.1%。PID參數整定后手動控制回路25個，自控率77.4%。25個手動控制回路中，有22個是因為不具備投用條件而導致無法投自動，剔除這22個回路后，常壓及輕烴回收裝置PID控制回路共84個。整定前手動控制回路33個，自控率60.7%。PID參數整定后手動控制回路3個，自控率94%，投用效果舉例說明如下：

FIC30106 E-410入口吸收塔中段流量調節：該回路PID參數由240/80改為400/20。比例作用減弱，積分作用加強，參數整定后流量控制平穩，滿足控制要求。

TIC11201A-101熱高分空冷器出口溫度調節：該回路控制作用反，由儀表專業修改后，PID參數由100/30改為120/60。比例、積分作用均有所減弱，參數整定后溫度控制平穩，滿足控制要求。

3 結語

PID控制器問世以來，因其結構簡單、穩定性好、性能可靠、整定方便而成為工業上應用最廣泛、最關鍵的生產過程控制技術，全世界估計有50 億個控制回路運行PID算法。但是國內工業界在PID整定方面一直缺乏系統全面地整定指導，本文應用PID整定工程技術和整定理論，對榆林煉油廠幾套主裝置PID參數進行優化，進一步推動煉廠PID整定工作規范化，從而提高工業自動化水平和控制資產的效能，提高裝置的效益和效率，為實現智能工廠打下堅實的基礎。