中石化广州分公司3套生产装置PID参数整定与控制优化项.doc

用户报告 项项 目目 名名 称称: : 广州分公司炼油四部柴油加氢改质装置及相关单元 PID 参数整定与控制器优化项目 报告单位：报告单位：中国石油化工股份有限公司广州分公司 编编 写：写： 审审 核：核： 2013 年 9 月 目目 录录 一、参与项目情况一、参与项目情况.1 二、系统运行情况二、系统运行情况.5 三、绩效分析及三、绩效分析及项项目评价目评价.20 四、培训、系统运行维护及技术支持四、培训、系统运行维护及技术支持.22 五、存在的问题五、存在的问题.23 六、下一步计划和建议六、下一步计划和建议.23 1 1 1 参与项目情况参与项目情况 目前，广州分公司 主要生产装置都采用 DCS 系统进行控制， DCS 系统的实施为提高控制和管理水平起到了巨大的作用，但目前这 些装置还存在以下问题： (1)DCS 中的 PID 控制器很多还处于手动状态 (2)部分投入自动运行的 PID 回路控制效果也不太好 (3)装置操作频繁，操作工劳动强度较大 (4)串级控制等复杂回路 很多没有投用 (5)当前一些先进控制在 广州分公司 生产装置上 运行效果不佳，原 因就是基础回路运行不良 以上问题的实质就是控制器参数的整定（或优化）问题。如果对 生产装置 DCS 中的控制形式进行优化，对 PID 参数进行整定，就能 大幅度改善控制效果、提高产品质量，节能降耗。 鉴于此，拟开展 3 套生产装置 DCS 控制器优化项目， 项目旨在 对广州分公司 的 3 套炼油生产装置进行参数整定及控制器优化 工作， 用先进控制的思想去优化控制器形式、整定控制器参数，达到平稳操作、 提高收率、增加合格率、节能降耗的目的。 同时，在全公司建立自控 率监控系统 ，保证系统能够真实而准确的显示项目范围内的各个生产装 置的实时自控率和历史自控率 。 1.11.1 准备工作准备工作 在总结归纳了 广州分公司 DCS 生产装置的现有 特点后，响应上 级及各部门的号召，开始着手项目的 起步工作，首先实地考察 广州分 公司 DCS 生产装置的投运情况， 经过一段时间的考察，得到的 3 套 生产装置实际情况如下： 1. 大部分回路投不上自动,自控率较低 PID 是众所周知的控制形式，但是，PID 参数该如何进行设置？到底 哪样的 PID 参数最优？现场操作工、工艺人员难以给出准确回答。目前对 于各生产装置，很多 PID 调节器基本投不上自动，或者操作工人设置的 2 PID 参数投自动以后装置波动太大，保证不了生产的精度要求，只好改为 手动。有时，现场工艺人员或者操作工人往往把投不上自动归结为工艺回 路或者仪表的问题，实际上大多是由于 PID 控制形式不合适或者 PID 参数 严重不合理，而和其它无关。 2.串级控制回路都没有投入使用 以前，所有的串级回路都没有投用，采用：.副回路投自动，主回路 手动；或者.主副回路全部投不上自动，采用手动进行调节。 3.操作工的劳动强度较大 由于存在各种干扰，而产品的质量要求较高，且很多回路都投不上自 动，所以操作工需要时刻盯着操作站进行操作，稍有疏忽就可能产生事故 或影响产品质量，操作工十分辛苦。如操作工要时刻注意瓦斯管线的压力、 高分液位、加热炉出口温度，如果有变化，要求马上手工调节，劳动强度 大。 4.装置提、降量时波动较大 根据原料的状况、管线瓦斯压力的变化等，经常需要进行一些负荷的 变化，即要进行装置提、降量，每天都要进行好几次。以往，由于很多回 路处于手动状态，提降量必将影响流量、压力、温度、液位的变化。这时， 提一点原料，就要手动修正装置各位置的物料量，如加热炉出口温度，高 分液位等，比较麻烦，并且精度低，波动较大。 1.21.2 动员工作动员工作 考察了解到这些实际情况后，如实向中国石化广州分公司反映实际情 况，并提交项目可行性报告，指出在当前社会主义建设时期，节能、高效 的生产才是唯一出路，并结合北京化工大学自动化研究所自身的科研实力， 提出并与其共同承担这一课题，这也响应国家把科技成果转化为企业效益 的号召。 1.31.3 部署工作部署工作 部署工作主要包括三大部分，人员机构安排，以及工作进度、培训计 划安排，如下： 项目领导小组：由广州分公司主管领导和相关部门领导组成 组长：王成林 3 成员：高宁波、张世芳、彭学群、徐峥嵘、靳其兵（北京化工大学） 项目工作组：由项目主管部门、应用单位和实施单位领导等相关人员 组成 组长：张亚堂 副组长：于长青、彭武强、伍锦荣、郑选建、靳其兵（北京化工大学） 工作组成员： 广州分公司： 信息管理中心：张洪灏（高工） 、周拥军（高工） 、杨志伟（工程师） 生产调度部：谭耀国（工程师） 机械动力部：姜志强（高工） 仪控中心：张兰兰（高工） 、张运明（工程师） 炼油四部：郑选建（主管） 、陈喜亮（主管） 、庾志东（主管） 、汪加 海（工艺师） 北京化工大学： 曹丽婷（博士） 、潘欣杰（工程师） 、刘磊（工程师） 、邓名第（工程 师） 、乔千（工程师） 、陈如意（工程师）等 2）进度计划 本项目在广州分公司项目选定的生产装置上同时进行实施。 表 1 进度计划 年份 序 号工 作 内 容起止时间 1 对装置情况进行详细调研 给出 PID 表格 2013 年 3 月 2对柴油加氢改质装置进行优化2013 年 03 月05 月 3技术附件及合同的讨论及签订2013 年 04 月06 月 4确定柴油加氢改质装置组态修改方案2013 年 04 月 5 对焦化汽油加氢、1.4 万氢气提纯装置 进行优化 2013 年 08 月09 月 2013 6项目试运行期2013 年 9 月 4 3）培训计划 项目的实施需要随时进行一些参数的调整，项目实施后每套装置工艺 技术员、操作班长、仪表人员也需要进行培训和相应技术交流。 表 2 培训计划 培训内容 A:1.PID 控制的形式和内容； 2.PID 参数手工整定的策略和方式； 3.控制器软件包的介绍； 4.控制器优化的方法及使用； 5.PID 参数整定的方法； 6.DCS 相关组态的介绍； 7.回路控制效果评估方法； 8.软件包使用维护策略； 9.自控平稳率监控系统的使用。 B:1.控制器优化站的运行维护； 2.自控平稳率监控系统的授权和运行维护。 培训方式A：集中培训 B:单独培训 培训目标 工艺人员及仪表技术员能够详细的了解控制器的优化及参 数整定；运行维护人员 培训时间项目实施前，及项目完成后 培训地点广州分公司 参加人员 1.每装置工艺技术员；2.每装置操作班长；3.每装置仪表技 术员；4.仪控中心和信息管理中心运行维护人员；生调部生 技室人员、机动部人员 5 2 2 系统运行情况系统运行情况 本项目中，对每一个回路，首先进行对象特性辨识，根据辨识的对象 特性，选择合适的 PID 控制形式；然后对该回路的控制方式进行现场组态， 再根据对象特性和选定的 PID 控制形式整定 PID 参数；最后将优化后的 PID 参数投运到生产现场。 2.12.1 项目前期主要工作项目前期主要工作 搭建“参数整定及控制优化”的软硬件平台，建立控制器优化站与 DCS 的通信接口，开发项目所用的优化软件，建立软件与 DCS 站点通信的数 据库，并对其进行优化，防止出现瞬时数据丢失或卡机事故，保障系统运 行可靠性。联系信息中心，实现自控率监控系统的采数程序与 PHD 间的 通信连接。 1) DCS 相关回路的组态 对于一些回路，为了保证控制质量，在线更改 DCS 中相关回路控制 形式的组态，由于现场仪表存在不同程度的死区，为此开始的工作包括测 量仪表的死区，俗称“校表”，为整定 PID 参数打好基础。 2) 培训工艺员、操作员、仪表工程师 由北京化工大学博士曹丽婷对 3 套装置的工艺员、操作工、仪表工程 师进行项目有关的技术培训。 3) 对象特性测试 对于一些利用常规操作工操作数据难以满足参数整定及控制优化的回 路，和装置的工艺员一起进行闭环状态下的阶跃测试。 4) 对象模型的辨识 利用操作工操作数据或者阶跃测试得到的数据辨识对象的动态响应模 型，根据系统运行时的历史数据，可以根据计算得出对象的特性，把由软 件得到的（输入输出）特性，与计算出的特性作比较，可以比较软件得出 模型的精度较高，可以直接使用。当然这些工作都是利用离线数据得到。 非实时数据，并没有用于指导生产过程。 经过上述几步的严密考核，软件可以投用，在试运行的一段时间里， 运行平稳，控制效果良好。 5) 控制器投用 6 如果对象特性辨识准确，可以进行控制器控制效果的优化及仿真，将 优化后的结果投入装置运行、并加强观察，如果没有达到预期目标则进一 步改进，直到达到要求。 6) 控制器优化及 PID 参数整定 根据得到的回路模型，利用先进控制进行参数整定及控制优化，以提 高控制质量、提高自控率、提高装置运行效果。 2.22.2 各功能模块及主要功能各功能模块及主要功能 本项目以软件包的形式在 3 套装置上实施“参数整定及控制优化”，功 能按模块划分可以表述为图 1 的形式： 如图 1 所示，各模块（各子系统）的主要功能如下： 数据交换接口模块从生产现场读取数据。 对象的动态测试模块产生各类的测试信号加入被控对象，得到期望 的测试数据。 对象模型辨识模块根据测得的过程数据，辨识得到对象的特性。 模型仿真模块根据对象实测的数据进行比对，看模型是否达到期望 的精度，若达到，则满足要求，若不满足，则重新进行辨识。 PID 参数整定模块根据辨识得到的模型进行控制器参数的整定。 整定后的 PID 参数可以根据需要进行显示或下达到 DCS 系统。 DCS 控制系统 数据交换接 口 模型在线仿真对象的动态测 试 对象的模型辨 识 PID 参数整定 PID 参数下发 PID 参数输出显示 图 1 控制器优化整定软件包实施的模块图 7 2.32.3 项目实施效果对比项目实施效果对比 下面以柴油加氢改质装置为例进行说明。 A A新氢压缩机及反应系统压力新氢压缩机及反应系统压力 作为装置反应原料氢气的供给单元，新氢压缩机的稳定调节对装置的 反应效果有直接的影响。新氢压缩机为三级压缩，各级入口压力稳定与否 直接影响装置供氢量的稳定，从而影响反应系统压力的稳定。图 2，图 3 分别为新氢压缩机 B 二级入口压力 PIC911602 和三级入口压力 PIC911603 优化前三天的趋势，两回路虽然在优化前能投自动，但由于 PID 参数设置不合理，造成各级入口压力上下波动（波动范围分别为 4.30-4.66Mpa，7.15-7.85Mpa 之间） ，有时降到很低，造成压缩机入口流 量不足甚至会有喘振的危险，对压缩机造成损害，而且压缩机出口氢气流 量的不稳定会直接影响系统压力。从图中还可以看出在对各级入口压力进 行调整时，PID 参数不合理造成跟踪效果不好，操作工就改成手动控制， 加大了操作工的操作量。 图 4，图 5 分别为新氢压缩机 B 二级入口压力 PIC911602 和三级入 口压力 PIC911603 优化后三天的趋势。两回路的 PID 参数优化后，一直 都是控制在设定值上，波动范围减小到0.01Mpa，保证了压缩机的安全 稳定运行，并给系统提供稳定的氢气量。而且从图中可看出在对各级压力 进行调整时，修改设定值时测量值都能跟踪得很好，不需要手动干预，大 大降低了操作工的劳动强度。 8 图 2 新氢压缩机 B 二级入口压力优化前趋势图 图 3 新氢压缩机 B 三级入口压力优化前趋势图 9 图 4 新氢压缩机 B 二级入口压力优化后趋势图 图 5 新氢压缩机 B 三级入口压力优化后趋势图 10 优化前，V-9103 冷高压分离器顶部出口压力即系统反应压力控制回 路 PIC911001B，由于 PID 参数不合理，在0.2Mpa 之间变化，波动范围 大，有时甚至出现等幅震荡（见图 6） ，装置加氢反应环境不理想，油内的 硫、氮等脱除效果变差。PID 优化后，系统的压力基本控制成一条直线， 波动范围减小到0.05Mpa 之间，跟踪性能也大大改善（见图 7） ，保证了 装置反应条件，油的除杂效果也会大大改善。 图 6 系统压力优化前趋势图 11 图 7 系统压力优化后趋势图 B.B.产品分馏塔及塔底重沸炉产品分馏塔及塔底重沸炉 分馏塔一直都是该装置的一个难题，经常受到进料组分变化或塔底重 沸炉瓦斯热值变化的影响。典型的精馏塔主要的被调量有塔顶馏出物和塔 底产品的成分，塔釜和回流罐液位及塔的压力，这 5 个被调量控制好了， 分馏塔就能正常平稳的运行。图 8，9，10，11，12，13 分别为该分馏塔 优化前 5 天时间塔底液位 LIC920301，塔顶空冷 TIC920402，塔顶温度 TIC920301，回流罐压力 PIC920401，回流罐液位 LIC920401，塔底重沸 炉出口温度 TIC920502 控制回路的趋势，由趋势可以直接或间接看出 5 个主要被调量的控制效果。可以看出，优化前这些回路波动大（分别在 44-58，36-57，109-129.5，0.04-0.07Mpa，44-58，272-284 之间波动） ，手动干预次数多，被调量未能控制好，整个分馏塔波动大， 产品合格率受到威胁，令操作工很是头疼。 12 图 8 分馏塔塔底液位优化前趋势图 图 9 分馏塔塔顶空冷优化前趋势图 13 图 10 分馏塔塔顶温度优化前趋势图 图 11 回流罐压力优化前趋势图 14 图 12 回流罐液位优化前趋势图 图 13 塔底重沸炉出口温度优化前趋势图 15 图 14，15，16，17，18，19 为这六个回路优化后 5 天时间的趋势， 由图可以看出分馏塔优化后这几个回路一直都控制在设定值上下，波动范 围小（分别在 49-51，49-51，118.5-123.5，0.055-0.06Mpa，49- 51，274.5-279之间波动） ，保证了分馏塔的轻重组分分离效果，手动 干预次数也大大减少，解决了操作工的一大难题。 图 14 分馏塔塔底液位优化后趋势图 16 图 15 分馏塔塔顶空冷优化后趋势图 图 16 分馏塔塔顶温度优化后趋势图 17 图 17 回流罐压力优化后趋势图 图 18 回流罐液位优化后趋势图 18 图 19 塔底重沸炉出口温度优化后趋势图 图 20 为塔底重沸炉氧含量分析控制回路 AIC910431 优化前五天的趋 势，由于 PID 参数不合理，该回路未投过自动，在 1.2-3.2之间波动， 氧含量忽高忽低，高了瓦斯燃烧效率低，低了又会导致炉顶冒黑烟，燃烧 质量不理想，造成瓦斯的浪费。该回路优化并投上自动后，测量值被控制 在设定值上下，在 1.4-2.5之间波动（图 21） ，保证了加热炉的燃烧效率， 能耗降低，还减少了操作工的一个操作点。 19 图 20 重沸炉氧含量分析优化前趋势图 图 21 重沸炉氧含量分析优化后趋势图 20 项目实施后，在以下几个方面得到了显著改善： (1).自控率大幅度提高 (2).回路控制效果大幅度改善 (3).装置操作平稳、优化，操作工劳动强度大幅度降低； (4).装置运行平稳可靠，高质量长时间运行； 3 3 绩效分析及项目评价绩效分析及项目评价 3.13.1 项目社会效益项目社会效益 (1).使装置操作平稳、优化，大大降低了操作工的劳动强度 当前炼油化工生产中，存在各种干扰，而产品的质量要求较高，装置 的操作弹性较小，且很多回路都投不上自动，所以操作工需要时刻盯着操 作站进行操作，稍有疏忽就可能产生事故或影响产品质量，操作工十分辛 苦。本项目的实施将使各回路投入良好的自动，串级回路也都会运行良好， 操作工只要进行监控就可以了，会大幅度降低工作量，且提高了控制质量， 达到高效、可靠的高质量运行。 (2).为炼油化工领域自动化软件的国产化贡献了力量，推广潜力巨大 在自动化领域，当前国内应用的基本为国外公司的产品，价格高、维 护不到位，本项目开发了符合我国国情的控制器优化与整定软件包，且具 有优于国外同类产品的特点，本项目为我国的国产化服务，具有非常大的 社会效益。 (3).促进了管理、控制思想的转变 以前，控制回路投不上自动，往往把原因归结为：.工艺本身固有的 特性，不可能投自动；.仪表的问题，仪表满足不了投自动的要求； 通 过本项目，装置、车间体会到，自控率提高到接近 100是完全可能，并 21 且能高水平的投入自动。以前，车间认为，操作工手工操作也能保证产品 质量，不比自动运行差，本项目实施以后，比较前后的差别，车间真正体 会到了高水平自动控制的优越和好处。 各装置仪表自控率大幅度提高，串级等复杂回路高精度良好运行，各 回路实现优化的 PID 控制形式，用先进控制算法整定 PID 参数，使回路快 速稳定，提高平稳率和自控率，目前各装置自控率达到或者接近 100%。 且所有串级回路良好投运，提高了反应的效果和质量，从而保证了处理精 度。由于操作平稳、波动少，各类设备所受的干扰、冲击减少，有利于设 备的长周期健康运行。 3.23.2 项目评价项目评价 广州分公司及全中国石化公司范围内，大多数装置进行了 DCS 改造， 本项目研制的“集散系统中控制器优化整定软件包”，有助于装置的平稳操 作、有助于节能降耗，有利于提高自控率，实施本项目的成果，市场和空 间非常大，能带来极大的技术进步。项目带来的不仅是经济与社会效益， 更给操作工提供了更人性化的工作环境。这也符合建设以人为本的社会的 需求。 1）3 套装置的自控率均超过 95%，大部分回路控制效果大幅度提升 2）关键被控变量标准偏差降低 30%以上，装置操作越趋平稳。 3）串级控制回路全部投运，达到高精度的控制。 4）培训提高了装置操作人员的理论水平及操作技能，大幅降低了操 作人员的劳动强度。 5）实现了广州分公司各个装置历史自控率、瞬时自控率的监控与存 22 储，全公司局域网内都能够上网查询。 4 4 培训、系统运行维护及技术支持培训、系统运行维护及技术支持 在试运行期间，PID 参数整定及控制优化与自控平稳率系统一直持续 稳定运行。对于系统运行期间存在的问题，及时作了矫正，对于数据库访 问的速度更快，单位时间内访问数据库的数据量更大。系统具有自优化功 能，装置的自控率、平稳率提高后，在节能降耗、提高产品质量及提高处 理量方面都发挥了预期的作用。另外，而且通过稳定操作、抑制扰动，降 低了操作人员的劳动强度，确保装置的长周期安、稳、长、满、优运行， 可提高设备的使用寿命，降低设备的维修费用，其经济效益是相当可观的。 操作人员已熟悉控制器参数整定的操作，并逐步将自己的操作经验与 PID 的参数调节进行融合。 （1）项目培训情况 2013 年 9 月， 关于 3 套装置控制器参数整定及控制优化的培训在广 州分公司信息管理中心培训室进行，北京化工大学曹丽婷博士对工艺技术 员，操作班长、内操等人员进行了培训。 项目的实施需要随时进行一些参数的调整，项目实施后每套装置工艺 技术