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(zhèn)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(yè)的生產(chǎn)過程中，PID控制器占據(jù)很大的比例，當PID控制器開始投用的時候，操作人員會根據(jù)剛投用時的生產(chǎn)狀況和曲線變化情況給出一組合適的PID參數(shù)，這組PID數(shù)據(jù)往往只適合當前的生產(chǎn)工況，但是隨著工況的變化，這組PID參數(shù)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(chuàng)性地提出用最小方差控制(MVC)作為單回路控制系統(tǒng)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(tǒng)[3]；Miao把被控變量自相關(guān)函數(shù)用來評價控制回路的振蕩程度[4]；Ko和Edgar根據(jù)串級控制系統(tǒng)特性改進了最小方差控制基準，以此評價串級控制系統(tǒng)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(tǒng)[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(jiān)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(tǒng)的評價中[8]，張慶躍提出了工業(yè)中非平穩(wěn)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(tǒng)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(yōu)秀的回路控制性能是保證生產(chǎn)安全、提高產(chǎn)品質(zhì)量和效益的重要條件。當遇到控制回路比較多的控制系統(tǒng)時，單靠操作人員監(jiān)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(tǒng)一規(guī)范的評價標準。為此，在控制器性能評價研究的基礎(chǔ)上，本文研究了閉環(huán)回路多性能評價指標，通過OPC服務(wù)器采用現(xiàn)場DCS的數(shù)據(jù)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(shù)，執(zhí)行器和傳感器等的動作做出及時的檢查和調(diào)整。

1 回路評價性能指標

1.1 控制回路監(jiān)測參數(shù)

生產(chǎn)過程中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后，還需要監(jiān)測回路的以下幾個參數(shù)：

1)閥門開度(OP)均值。對采樣期間OP數(shù)據(jù)求解算數(shù)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(shù)據(jù)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(shè)定值(SP)均值。對采樣期間SP數(shù)據(jù)求解算數(shù)平均值，該值表示采樣期間回路設(shè)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(shù)據(jù)求解均方差，該值表示設(shè)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(shù)據(jù)求解算數(shù)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(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)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(shù)。對采樣期間的回路的運行模式(MODE)值變化次數(shù)進行統(tǒng)計。

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

11)投用率(UR)。該值表示工業(yè)回路中自動投用率的量化統(tǒng)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(tài)下的時間比例，計算如式(9)所示：

(9)

式中：ta——自動狀態(tài)下的時間；t0——采樣期間的總時間。

UR的統(tǒng)計往往只是自動回路個數(shù)與總回路個數(shù)的比。在工業(yè)控制中，有些控制器雖然處于自動狀態(tài)下，但其執(zhí)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(tài)，但是可能會被鎖定在特定數(shù)值，或者實際中該回路的閥門存在卡邊現(xiàn)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(huán)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(jié)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(jiān)測控制回路的動態(tài)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(huán)控制回路的響應快慢的指標，是基于穩(wěn)態(tài)時間提出的新的評價指標。RPI用以顯示閉環(huán)控制系統(tǒng)相對于開環(huán)系統(tǒng)的響應速度，該值在理想情況下小于1。結(jié)果越小，越接近0表示閉環(huán)控制系統(tǒng)相對于開環(huán)系統(tǒng)響應越迅速。計算如式(11)所示：

(11)

式中：Trclosed——控制系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)態(tài)時間；Tropen——系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)態(tài)時間。

2)振蕩指數(shù)(OI)。振蕩是工業(yè)過程控制中實際值隨著時間反復變化的現(xiàn)象。受控量處于振蕩狀態(tài)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(guān)是確定閉環(huán)回路工作性能的有用指標，采用自相關(guān)系數(shù)計算振蕩指數(shù)OI，其計算如式(12)所示：

(12)

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

(13)

式中：n——采樣數(shù)據(jù)個數(shù)；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(jié)果，分為Excellent，Good，F(xiàn)air，Poor四個等級，綜合考慮控制回路的各指標特性，對工業(yè)現(xiàn)場閉環(huán)基礎(chǔ)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(jù)。操作人員可以根據(jù)評價的結(jié)果和軟件給出的意見有針對性地調(diào)節(jié)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(yè)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(zhèn)海煉化大型乙烯工業(yè)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(cè)壁流量、COT等幾十個基礎(chǔ)回路中投用CPA軟件實現(xiàn)了實時監(jiān)控控制器性能，現(xiàn)場系統(tǒng)應用結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過該軟件定時讀取數(shù)據(jù)庫中儲存的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場系統(tǒng)應用結(jié)構(gòu)示意

圖2 控制性能評價軟件的評價過程結(jié)構(gòu)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(jié)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(jù)評價報告有目的性地檢查造成回路振蕩的原因并適當調(diào)整。但是在投料過程中振蕩現(xiàn)象是正常存在的，RPI在精度范圍內(nèi)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(jié)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(nèi)，故評價結(jié)果較好。

投料和退料過程中蒸汽流量控制器評價結(jié)果報告如圖5和圖6所示，結(jié)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(jiān)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(jié)果和建議，操作人員可以根據(jù)結(jié)果做出調(diào)整，優(yōu)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(jié)束語

在乙烯裂解爐投退料生產(chǎn)中有大量的控制回路，若實現(xiàn)乙烯裂解爐投退料自動化或者建立多變量協(xié)調(diào)控制，需要有良好的控制性能，操作人員不可能時時刻刻關(guān)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(yè)詳細的評價報告，操作人員可以有針對性地檢查和調(diào)節(jié)回路，使得工業(yè)生產(chǎn)的效率進一步提高。