煤化工儀表自控率提升分析

馮 飛

（中國中煤能源集團，北京 100120）

0 引言

生產過程的自動化控制可以提高煤化工生產效率，保障生產過程安全，降低能耗物耗，減輕操作人員勞動強度。儀表自控率作為衡量自動控制回路投用情況的技術指標，反映了工藝系統設計水平、工藝人員操作水平、獨立保護層應用水平以及自動控制相關儀表管理水平。提升儀表自控率指標有利于煤化工企業安全穩定高效運行，有利于推動自動化儀表設備使用、維護、管理水平提高。本論述以三家煤化工企業儀表自控率提升為例，分析煤化工儀表自控率提升措施。

1 儀表自控回路未投自動原因分析

通過對三家煤化工企業儀表自控率現狀調研，對未投自動儀表自控回路進行分析，自控回路未投用主要原因分為儀表原因和工藝原因，統計見表1所列。

表1 未投自控回路統計表

其中儀表原因主要是儀表設備故障，儀表設計選型與實際生產不匹配；工藝原因主要是自控回路調節品質差，工藝條件不具備，工藝人員操作觀念和習慣。

煤化工企業儀表自控回路未投用具體表現：

（1）部分調節回路因PID參數設定不合適，參數整定困難，投入自動時波動大、不穩定，控制效果差或難以控制，操作人員更愿意手動控制，故投自控率低。

（2）控制方案不合理，部分回路控制方案與實際工藝操作不符，控制效果不明顯，投用困難。

（3）儀表使用效果差，主要表現在流量、液位測量不準，與實際值有較大偏差；調節閥內漏超標，閥門定位器精度低，導致調節效果不良。

（4）儀表設計選型與實際生產工況不符。個別測量元件、調節閥設計偏小，導致超量程；調節閥設計偏大，長時間在小開度下工作，無法投入自控。

（5）工藝生產頻繁調整，操作人員基于風險擔憂、操作方便，認為手動更安全平穩，對投自控需求不強烈。

（6）儀表自控率管理片面化，僅把自控率作為儀表管理指標，自控率統計僅計算儀表設備故障未投自控回路數，未對工藝操作行為進行約束。

結合儀表自控率偏低的原因和具體表現，重點采取專業技術措施和管理措施，提高自控率指標水平。

2 儀表自控率提升的專業技術措施

儀表自動控制的理論基礎是PID調節的負反饋閉環控制，其原理是檢測元件對被控對象要求保持設定數值的工藝參數（被控變量）進行測量，經變送器送至PID控制器，控制器將測量信號與設定值進行比較得到偏差信號，根據偏差信號的大小和方向，調整執行器動作，改變操縱變量，使被控變量接近并保持在設定值上，自動控制方塊圖如圖1所示。基于自動控制原理，提高自控回路調節品質需要對控制回路各環節參數進行優化。

圖1 自動控制方塊圖

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

個別企業出現操作員手動控制時調節閥閥位固定、工藝參數穩定、生產過程平穩，但一投入自動控制，調節閥閥位就出現較大幅度變化，工藝參數開始波動，影響生產平穩。這主要是因為PID控制器從手動控制切換至自動控制時未實現無擾動切換。因此需要在PID控制塊參數設置中選擇手動控制下設定值跟蹤測量值，實現手動向自動控制的無擾動切換。

2.1.2 優化PID參數整定及控制算法選擇

自動控制的基礎是PID調節，通過PID參數整定確定最佳的控制參數（比例度δ，積分時間Ti，微分時間Td），以獲得優良的調節質量，使調節過程符合工藝生產要求。常見PID調節過程衰減曲線如圖2所示。

圖2 PID調節衰減比為4:1和10:1的過程曲線圖

PID參數整定方法有很多，企業技術人員常采用經驗數據和湊試相結合的方法，首先根據調節參數經驗數據表（見表2所列）選擇合適PID參數，再根據調節過程需要對相關參數進行調整。因不同品牌DCS系統所采用PID計算式不完全相同，在使用調節參數經驗數據表時，需要進行相關換算，例如霍尼韋爾PKS系統采用比例系數K是比例度δ的倒數；而橫河CS3000系統積分時間Ti，微分時間Td使用的單位是s而不是min。

表2 調節參數經驗數據表

DCS系統一般提供三種PID控制算法以及兩個特殊功能，以適應不同調節過程的需要。選擇合適的PID控制算法及功能可有效改善自動調節質量。PID控制算法及功能計算表達式和適用工況見表3所列。

表3 PID控制算法及功能統計表

2.2 測量及執行環節優化

測量與執行是儀表自動控制的重要環節，測量精度、調節閥控制效果直接影響自控回路的調節品質，而變送器、調節閥直接與工藝介質接觸，所處工作環境也較為惡劣，易發生故障。因此，合理儀表選型、優化儀表參數、提高儀表維護水平是測量與執行環節優化的重要手段，是自控回路投用的重要保障。

2.2.1 合理儀表選型

生產中，儀表常因實際生產工況與設計發生偏離、設計計算失誤、設計經驗不足等原因，導致儀表需要重新選型、優化選型以滿足生產測量和控制需要，特別是在煤化工工況惡劣的生產單元，儀表選用還處于摸索積累階段，個別測點至今還難以長周期投用。儀表選型主要工作有以下幾點：

（1）量程的重新選擇。閥門口徑選得過大，使閥門經常處于小開度工作，從而使可調比減小，控制性能變差，嚴重時引起振蕩，無法投用，需要根據工況重新計算閥門流量系數和口徑。

（2）類型的重新選擇。孔板用于蒸汽流量測量，精度低、維護量大，選擇渦街流量計便于穩壓補償、測量精度高、維護簡單。

（3）儀表附件的重新選擇。針對工藝介質沖刷、腐蝕的影響，調節閥閥芯選擇哈氏合金等耐腐蝕材質，采用激光熔覆涂層增強閥芯、閥座耐腐蝕性。針對壓縮機管道，放空管線振動頻率高、振幅大的影響，調節閥選用分體式閥門定位器，采用金屬繞性管作為氣源管線，防止氣源管脫落。針對閥芯不平衡力引起調節閥頻繁故障的問題，應改變閥門安裝形式，例如角閥由側進底出改為底進側出。

2.2.2 優化參數設置

智能化發展方便了儀表維護和使用，但智能化對儀表適用性的提高，要求儀表維護人員深入了解儀表參數的設置，充分發揮儀表的功能。例如：變送器根據介質波動情況適當調整阻尼系數，以獲得相對穩定的測量數據；渦街流量計根據介質特性選擇氣體、液體或蒸汽測量；電磁流量計、雷達液位計設置合適的介電常數；智能閥門電位器設置調節閥為線性或等百分比特性，以適應生產工況。

2.3 控制方案優化

控制方案的設計是為了更好服務工藝生產，使生產過程參數更好的貼近控制目標。工藝設計中最常用的是簡單回路控制，占整個控制回路總數的80%左右，其他為復雜控制回路，常見的有串級控制、分程控制、比值控制等，還有一少部分控制回路則是揉和了計算與多種復雜控制。控制方案優化工作主要有以下幾點：

（1）選擇合適的被控變量，被控變量最好可以直接反應控制指標，在無法采用直接控制指標時，所選用間接指標參數必須與直接指標有單值對應關系，還要有足夠大的變化靈敏度；

（2）編制復雜控制方案說明，明確控制策略和控制參數。復雜控制方案的選擇要保證運行可靠，操作方便。DCS系統組態準確反應復雜控制方案的意圖；

（3）為復雜控制回路制定儀表設備故障時的自動退回策略，當儀表故障時，系統可以使復雜控制回路從自動控制自動退回至手動控制并報警提示工藝操作人員介入；

（4）控制方案優化需要工藝與儀表專業人員共同確認、實施和測試，按要求辦理控制方案變更審批手續和作業票證。

3 儀表自控率提升的管理措施

3.1 加強自控率管理與指導

自控率綜合反映煤化工企業工藝生產操作水平和儀表維護使用水平，也反映了企業安全生產重要保護措施的投用情況。通過安全1號文明確自控率達標要求，利用煤化工技術月報平臺展示企業自控率水平，可以提高企業對自控率技術指標的重視程度，督促企業不斷保持提升自控率水平。對于自控率水平不高的企業進行調研，開展針對性的幫扶，指導企業提高自控率，實現煤化工板塊自控率的整體提升。

3.2 加強儀表維護管理

提高專業技術水平。掌握儀表的工作原理、組成結構，了解儀表的工作條件、安裝要求，會儀表參數設置、投用調試，能分析判斷并排除儀表故障。

加強儀表日常管理。做好儀表隱患排查與治理，開展“低老壞”治理，落實儀表“五定期”工作。做到早預防問題、早發現問題、早解決問題。

加強儀表備品備件管理。備品備件根據儀表重要程度、可停用狀況、供應周期進行分級管理，建立合理的備品備件庫存，保證故障儀表的及時更換。

3.3 推進儀表自控率的自動化統計

儀表自控率計算方法簡單，但由于自控回路數量多，工作模式動態變化，采用人工統計，即消耗大量人力，也易出現數據統計錯誤、數據滯后等問題；為提高自控率統計的準確性、實時性，可以采用智能化統計方法。自控率智能化統計的核心是利用PID功能塊的工作模式標志位進行預設程序運算，常見統計方式有以下三種：

（1）利用已有MES系統。通過MES系統采集DCS系統各自控回路PID塊的工作模式標志位，累加處于自動狀態下PID塊數量，剔除不參與計算的回路，再根據計算公式得出儀表自控率。

（2）利用DCS組態功能塊。通過程序塊累加出處于自動狀態下PID塊個數，再通過計算功能塊算出儀表自控率。該方案會占用DCS系統控制器運算空間，為了保證DCS控制器性能，盡量不采用該方法計算儀表自控率。

（3）利用DCS系統報表功能。添加DCS系統各自控回路PID塊的工作模式標志位到報表數據庫中，在報表引入PID塊的工作模式標志位變量，通過報表計算功能得出儀表自控率。

4 儀表自控率提升效果

跟蹤三家煤化工企業儀表自控率提升過程，采用以上儀表自控率提升措施，實現了儀表自控率的顯著提升，提升前后自控率對比如圖3所示。

圖3 煤化工企業儀表自控率優化前后對比圖

5 總結與展望

通過儀表自控率提升措施可以有效提高煤化工企業儀表自控率，但當煤化工企業自控率達到了較高水平，要進一步鞏固、提升就需要精細化管理和專項技術攻關。（1）提高精細化管理水平。儀表自控率指標管理不僅作為儀表技術指標管理，還要作為生產技術指標進行管理。充分利用自控率的自動化統計數據，按照裝置、中心、公司三個層級，分儀表、工藝兩個專業，對技術指標進行月度、季度、年度分析，梳理儀表自控率提升存在的瓶頸問題，制定并落實針對性解決方案，并根據執行情況進行相應考核。（2）成立專項技術攻關團隊。自控回路投用遇到的難點問題，例如生產系統負荷變化大，儀表變送器、閥門不滿足生產需要等，要成立專門的技術攻關團隊，成員根據需要包含工藝、設備、電氣、儀表等各專業人員。攻關團隊對未投控的回路及投用效果不好的回路逐一進行技術分析，綜合各專業優勢制定有效的解決方案，實現自控率穩步提升。（3）采用先進的技術手段，實現控制回路的在線監控和診斷。利用控制性能診斷系統，采集DCS系統控制回路信息，自動統計自控回路投用率、優良率，形成自控回路投控評估報告，指導企業開展針對性的技術攻關。