乙烯裂解爐投退料控制回路性能評價研究

何冰彬，陸向東，馬重，趙眾

(1. 中國石油化工股份有限公司 鎮海煉化分公司，浙江 寧波 315207；2. 北京化工大學，北京 100029)

在石油化工等行業的生產過程中，PID控制器占據很大的比例，當PID控制器開始投用的時候，操作人員會根據剛投用時的生產狀況和曲線變化情況給出一組合適的PID參數，這組PID數據往往只適合當前的生產工況，但是隨著工況的變化，這組PID參數將不再適用于當前的工況，回路的控制性能會有所下降。Harris最早開創性地提出用最小方差控制(MVC)作為單回路控制系統性能評價的方法[1]；Huang和Shah提出了一種相對于基準的實際控制回路性能評價方法[2]；Desborough將最小方差控制思想應用在單變量的前饋-反饋系統[3]；Miao把被控變量自相關函數用來評價控制回路的振蕩程度[4]；Ko和Edgar根據串級控制系統特性改進了最小方差控制基準，以此評價串級控制系統性能[5]；Yu和Qin通過改進最小方差控制基準并將該方法推廣到多變量控制系統[6]。其他方法如李華銀提出了一種基于遺忘因子的線性回歸監控算法[7]，張新穎，金慰剛等人將最小方差的評價方法應用到火電廠除氧器控制系統的評價中[8]，張慶躍提出了工業中非平穩信號下的最小方差基準并做驗證[9]，王海波，楊馬英等人將串級控制系統的最小方差基準應用到實驗室水箱液位控制回路的評價中[10]。

優秀的回路控制性能是保證生產安全、提高產品質量和效益的重要條件。當遇到控制回路比較多的控制系統時，單靠操作人員監視評估每一條回路的控制性能有兩個缺點：一是效率低下，二是沒有統一規范的評價標準。為此，在控制器性能評價研究的基礎上，本文研究了閉環回路多性能評價指標，通過OPC服務器采用現場DCS的數據來全方位評價控制回路及乙烯裂解爐投退料過程，使操作人員直觀方便地了解投退料過程的回路控制性能，并及時對控制器參數，執行器和傳感器等的動作做出及時的檢查和調整。

1 回路評價性能指標

1.1 控制回路監測參數

生產過程中現場數據采集后，還需要監測回路的以下幾個參數：

1)閥門開度(OP)均值。對采樣期間OP數據求解算數平均值，因此該值表示采樣期間控制器輸出的平均值，如式(1)所示：

(1)

2)OP標準差。對采樣期間OP數據求解均方差，該值表示控制器的活動級別，值越高，代表控制器越活躍，計算如式(2)所示：

(2)

3)設定值(SP)均值。對采樣期間SP數據求解算數平均值，該值表示采樣期間回路設定值的平均值，計算如式(3)所示：

(3)

4)SP標準差。對采樣期間SP數據求解均方差，該值表示設定值的活躍水平，計算如式(4)所示：

(4)

5)測量值(PV)均值。對采樣期間PV數據求解算數平均值，該值表示采樣期間回路實測值的平均值，計算如式(5)所示：

(5)

6)PV標準差。對采樣期間PV數據求解均方差，該值表示實測值的波動程度。計算如式(6)所示：

(6)

7)偏差(DEV)均值。該值表示采樣期間回路實測值與回路設定值之間DEV的平均值，計算如式(7)所示：

(7)

8)DEV標準差。對采樣期間DEV數據求解均方差，代表DEV的離散程度。計算如式(8)所示：

(8)

9)切換次數。對采樣期間的回路的運行模式(MODE)值變化次數進行統計。

10)實際穩態時間。穩態時間指的是系統從受到階躍響應并到達新穩態值所花費的時間。理論上，過渡過程達到新的穩態值需要無限長的時間，但是工程上以系統輸出進入新穩態值的±2%的誤差范圍內并接下來不再超出這個范圍，就認為過渡過程已經結束。穩態時間是控制系統開始輸入新的輸入信號到輸出變量進入新穩態值的±2%的穩態誤差范圍內所耗費的時間，所以穩態時間可用于描述回路的響應速度的快慢，穩態時間越短，說明系統響應越快。

11)投用率(UR)。該值表示工業回路中自動投用率的量化統計，值越高表示自動回路的占比越高。該值表示在采樣期間控制器在自動狀態下的時間比例，計算如式(9)所示：

(9)

式中：ta——自動狀態下的時間；t0——采樣期間的總時間。

UR的統計往往只是自動回路個數與總回路個數的比。在工業控制中，有些控制器雖然處于自動狀態下，但其執行器可能處于鎖死或達到了上下限，也就是說控制不再起作用。換句話說，一些閥門雖然是自動狀態，但是可能會被鎖定在特定數值，或者實際中該回路的閥門存在卡邊現象，閥位值達到了極限值，這些情況下，控制器并沒有真正地起到控制作用。

因此，提出有效投用率(EUR)指標，用以評價單個閉環回路實際作用效果。EUR是用來計算控制器真正起作用的時間占采樣總時間的比率。當控制器處于手動或卡邊時，EUR計算的是時間的占比。EUR的計算如式(10)所示：

(10)

式中：t1——控制器處于自動的時間；t2——控制器非卡邊時間。

1.2 控制回路評價指標

回路評價的主要目的是顯示回路的評價結果并給出建議，選擇合適的性能評價基準尤為重要。為了全方面監測控制回路的動態性能，下面給出了控制回路性能評級所需要的三個指標：

1)相對性能指標(RPI)。是衡量閉環控制回路的響應快慢的指標，是基于穩態時間提出的新的評價指標。RPI用以顯示閉環控制系統相對于開環系統的響應速度，該值在理想情況下小于1。結果越小，越接近0表示閉環控制系統相對于開環系統響應越迅速。計算如式(11)所示：

(11)

式中：Trclosed——控制系統閉環穩態時間；Tropen——系統開環穩態時間。

2)振蕩指數(OI)。振蕩是工業過程控制中實際值隨著時間反復變化的現象。受控量處于振蕩狀態會影響回路的控制性能，因此，應當盡可能地減弱或消除振蕩。OI反映受控變量的振蕩程度，OI越小，回路的控制性能越好。自相關是確定閉環回路工作性能的有用指標，采用自相關系數計算振蕩指數OI，其計算如式(12)所示：

(12)

3)離散指數(DI)。DI反應的是控制回路的實際值是否準確地跟蹤設定值。DI的計算如式(13)所示：

(13)

式中：n——采樣數據個數；μ——要求控制精度，一般在3%～5%。

4)評價等級。表示回路最終的評價結果，分為Excellent，Good，Fair，Poor四個等級，綜合考慮控制回路的各指標特性，對工業現場閉環基礎回路的全面評價分析，提出了在RPI，OI，DI不同指標下的等級劃分依據。操作人員可以根據評價的結果和軟件給出的意見有針對性地調節回路，改善控制性能。性能評價等級劃分的標準見表1所列。

表1 性能評價等級劃分標準

2 工業應用

基于北京化工大學回路控制性能評價軟件CPA(controller performance assessment)，在鎮海煉化大型乙烯工業裝置中對乙烯裂解爐投退料裝置的原料流量、蒸汽流量、爐膛橫跨段負壓、側壁流量、COT等幾十個基礎回路中投用CPA軟件實現了實時監控控制器性能，現場系統應用結構如圖1所示。通過該軟件定時讀取數據庫中儲存的數據計算性能指標并給出評價和意見，控制性能評價軟件的評價過程結構如圖2所示。

圖1 現場系統應用結構示意

圖2 控制性能評價軟件的評價過程結構示意

進料過程中總進料流量控制器的詳細報告如圖3所示，評價結果為Fair。其中，OI為0.86，RPI為0.82，DI為0.23，回路的EUR為100%。OI和DI偏大，操作人員可以根據評價報告有目的性地檢查造成回路振蕩的原因并適當調整。但是在投料過程中振蕩現象是正常存在的，RPI在精度范圍內說明控制器的快速跟蹤性能較好。

圖3 進料過程中總進料流量控制器的報告示意

退料過程中總進料流量控制器的詳細報告如圖4所示，評價結果為Good。其中，OI標準為0.51，RPI標準為1.00，離散為0.01，除了OI偏大一些，其他指標都在精度范圍內，故評價結果較好。

投料和退料過程中蒸汽流量控制器評價結果報告如圖5和圖6所示，結果均為Good，說明在投退料過程中控制器性能良好。

控制性能評價軟件監控了乙烯裂解爐的整個投退料過程，對每個回路都給出了評價結果和建議，操作人員可以根據結果做出調整，優化投退料過程。

圖4 退料過程中總進料流量控制器的報告示意

圖5 投料過程中蒸汽流量控制器評價報告示意

圖6 退料過程中DS流量控制器評價報告示意

3 結束語

在乙烯裂解爐投退料生產中有大量的控制回路，若實現乙烯裂解爐投退料自動化或者建立多變量協調控制，需要有良好的控制性能，操作人員不可能時時刻刻關注著眾多的回路，一是浪費大量的精力，二是操作人員對回路控制性能的好壞判斷不準確，在這種情況下，回路控制性能評價軟件實時地采集回路信息，并可以評價任意時間段的回路控制性能，給出專業詳細的評價報告，操作人員可以有針對性地檢查和調節回路，使得工業生產的效率進一步提高。