PID評估與整定系統在氯堿生產中的應用

董永兵，燕麗梅，白靜

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

PID單回路控制在化工生產控制領域應用最為廣泛，陜西北元化工集團股份有限公司化工分公司(以下簡稱“北元化工”)聚氯乙烯生產能力110萬t/a，燒堿生產能力80萬t/a，為連續生產的化工控制過程，其內部90%以上為經典的單回路控制，因此PID參數的整定在控制過程中格外重要。

1 衡量控制系統性能優劣的重要指標[1]

在單回路控制領域內，常用穩定性、準確性、快速性來衡量一個控制系統的優劣。

1.1 穩定性

穩定性是指控制系統在受到擾動后其運行能保持在有限邊界的區域內或恢復到原平衡狀態的性能，即在外加干擾后，經過PID調節，測量值可以回歸到設定值附近，而不是隨時間遠離設定值。在過程控制中，所有的被控過程必須是一個穩定的系統，才不會發生生產安全事故。

1.2 準確性

準確性是指被控參數在進入穩態后測量值與設定值之間的偏差，當偏差越小，說明控制系統的準確性越好。

1.3 快速性

快速性是指當被控對象受到外界擾動后，偏離設定值經過PID調節后又重新回歸到設定值的這段時間的長短，快速性越好，證明控制系統的性能越優良。

2 比例度、積分時間、微分時間對控制性能的影響

比例度、積分時間、微分時間直接決定比例、積分、微分作用的強弱，從而影響單回路控制的穩定性、準確性、快速性。

2.1 比例度對控制系統性能的影響[2]

控制器的輸出與輸入的偏差成正比：ΔP=(1/δ)e。比例控制的特點：控制及時，但不能克服余差。比例作用太強，會引起振蕩和不穩定，用比例度δ來表示其作用強弱，δ越小，比例控制作用越強。適用于調節通道滯后較小、負荷變化不大、工藝上沒有提出無差要求的系統。δ越小，比例作用越強，快速性越好，準確性越好，穩定性越差。

2.2 積分時間對控制系統性能的影響[2]

2.3 微分時間對控制系統性能的影響[2]

控制器的輸出與偏差的變化成正比：ΔP=TD(de/dt)。微分控制的特點：對干擾的出現有一定的預估性，能夠超前控制，對恒定不變的偏差沒有控制作用，不能單獨使用；對滯后大的對象有很好的效果，使控制過程的動態偏差減小、調節時間縮短、余差減小，但微分作用過強，會引起振蕩。用微分時間TD來表示其作用的強弱，TD越大，微分作用越強。TD越大，快速性越好，準確性越好，穩定性越差。

3 PID參數整定在電解裝置生產過程中的應用

在正常生產過程中，當更換調節閥、季節性氣溫變化較大或工藝工況發生變化后，北元化工經常須對PID參數進行優化，從而使工藝指標回歸正常。

3.1 優化PID參數，使電解槽氯氫壓差回歸控制范圍

2022年4月,為電解裝置A線某處更換完閥門執行機構與定位器后，A線氯氫壓差波動明顯變大，由之前的2.012～2.315 kPa波動變為1.876～2.456 kPa。隨即對PID參數進行優化，將比例度由125調為110，微分時間由5調為8后，氯氫壓差波動明顯變小，范圍為2.015～2.326 kPa。

3.2 優化PID參數，使原氯總管壓力穩定

2022年4月，為電解裝置C線更換完原氯調節閥定位器后，C線原氯總管壓力波動明顯變大，波動范圍為94.6～96.1 kPa，給合成爐氯氫配比控制帶來嚴重困擾，導致氯化氫純度下降。隨即在線優化PID參數，將比例度由60改為65后，原氯總管壓力波動明顯降低，為95.1～95.4 kPa。

3.3 優化PID參數，使電解槽進槽鹽水流量波動變小

2022年5月，為電解裝置D線A槽更換完閥門氣缸后，陽極進槽流量波動明顯變大，上下波動范圍約4 m3/h。隨即在線整定PID參數，將比例度由150改為250，積分時間由0.6改為0.65后，陽極進槽流量波動變為1.5 m3/h。

4 PID評估與整定系統在聚合裝置生產過程中的應用

在工業生產中，主要通過臨界比例度法、衰減曲線法和經驗湊試法進行PID參數整定。前兩種整定方法是基于外來干擾的響應曲線，須給被控參數施加一個外來階躍擾動，在實際生產過程中在線整定PID參數顯然是不適用的；經驗湊試法在實際生產過程中對整定人員的經驗要求較高。基于上述情況，北元化工在氯乙烯聚合裝置試用了某公司PID評估與整定系統，該系統主要具備PID整定功能與PID評估功能。

控制回路評估整定項目所設計的軟件包括FinData和LoopSenser。其中FinData通過OPC與DCS OPCserver進行通信，用于數據的采集與存儲；LoopSenser進行控制回路評估與整定。整體軟件部署方便快捷，日常操作簡單，不會帶來操作上的負擔。

4.1 PID整定功能

4.1.1 PID整定原理[3]

該PID整定系統的主要原理是通過OPC通信協議采集DCS的數據，并存儲到歷史數據庫中，將采集到的測量值(PV)、設定值(SV)、閥門開度值(MV)在PID整定系統內根據遞推最小二乘法進行模型辨識與降階后，近似得到現場實際被控對象放大系數K、時間常數T、滯后時間τ，對辨識到的模型與實際模型進行擬合度對比。若模型擬合度較高，則證明優化整定后的PID參數更適用于現場工況。

4.1.2 PID整定參數試驗情況

(1)回路2FIC1121B(C線聚合釜B副回路流量調節)調試。

原始參數:

P:200；I:60。

軟件推薦參數：

P(弱)：149.73；I(弱)：9；

P(強)：63.71；I(強)：9。

實際輸入參數：

P：160；I：10。

效果分析：副回路跟隨特性明顯變好，主回路聚合釜溫度變化不太明顯。

(2)回路2FIC1126F(催化劑注水流量調節)調試。

原始參數：

P：400；I：60。

軟件推薦參數：

P：400；I：4。

實際輸入參數：

P：400；I：15。

效果分析：催化劑注水流量控制回路波動有所變小，波動范圍由782 ～815 L/h變為795～806 L/h(設定值800 L/h)。

(3)回路2FIC1122C(攪拌密封水流量)調試。

原始參數：

P：200；I：20。

軟件推薦參數：

P(弱)：328.27；I(弱)：6；

P(強)：88.72；I(強)：6。

實際輸入參數：

P：180；I：15。

效果分析：攪拌密封水流量控制回路波動范圍由656～741 L/h變為685～705 L/h(設定值700 L/h)，波動范圍明顯變小。

(4)回路2FIC1002(冷水槽入口流量調節)調試。

原始參數：

P：150；I：20。

軟件推薦參數：

P(弱)：238.67；I(弱)：8；

P(強)：108；I(強)：8。

實際輸入參數：

P：120；I：15。

效果分析：冷水槽入口流量波動范圍由115～129 m3/h變為125～136 m3/h(設定值為130 m3/h)。可以看出：調整前，測量值始終小于設定值，存在固定負余差；調整后，測量值在設定值附近波動，曲線性能有所變好。

4.2 PID評估功能

該PID評估與整定系統還可以對生產系統的單回路控制曲線進行分析。通過算法提取出輸出響應曲線的衰減比、最大超調量、調節周期和余差等一系列性能參數，對曲線性能進行分析，然后對PID參數的匹配情況進行打分，得分在80分以上的控制回路在生產規程中可以準確、快速地跟蹤設定值，能夠很好地抵抗外界干擾。在實際使用中，可以根據回路得分情況對控制回路的PID參數進行適當的調整。

在生產線評估界面中，包含如下信息：

(1)生產線選擇，用于選擇不同生產線，對控制回路的PID參數進行評估。

(2)1 h/24 h選擇，用于選擇1 h評估結果或者24 h評估結果。

(3)時間選擇，用于選擇指定時間的評估結果。

(4)定位按鈕，點擊該按鈕，顯示“(3)”時間的評估結果。

(5)最新按鈕，點擊該按鈕，顯示最新評估結果。

(6)生產線自控率，給出生產自控率。

(7)生產線分數分布，給出生產線各分數回路數量。

(8)工段1自控率，該生產線工段1的自控率。

(9)工段1分數分布，給出該生產線工段1各分數回路數量。

(10)工段2自控率，該生產線工段2的自控率。

(11)工段2分數分布，給出該生產線工段2各分數回路數量。

(12)在該界面可以同時顯示兩條生產線。

通過對界面不同功能的選擇，可以自動生成報表，方便進行數據統計與分析。

5 結語

PID整定在化工生產過程中非常重要。PID評估與整定系統一方面在一定程度上可以指導PID參數整定，優化單回路控制系統的性能；另一方面可以自動生成報表，對現有PID回路進行評分，自動計算出生產線的自動控制投用率。