提高儀表自控率的方法

李 斌

(中國石油長慶石化公司,陜西 咸陽 712000)

在企業(yè)生產(chǎn)過程中，儀表自控率是一項重要的專業(yè)管理指標(biāo)，它標(biāo)志著一個企業(yè)的自動化水平、設(shè)備管理水平和市場競爭力水平。自動控制功能的實現(xiàn)由超過98%的自控回路完成。但實際由于構(gòu)成控制回路的各個環(huán)節(jié)存在諸多影響因素，也存在人為思想觀念因素，導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的控制回路無法實現(xiàn)自動運行模式，從而降低了儀表自控率，制約了企業(yè)的創(chuàng)效能力。提高儀表自控率，可以降低企業(yè)人工成本，減輕操作人員的工作強度，防范人為誤操作，消除裝置生產(chǎn)波動并杜絕事故發(fā)生。

1 控制回路的構(gòu)成①

單回路控制系統(tǒng)主要由檢測單元、控制器、控制閥(也可稱為執(zhí)行器)及控制對象等環(huán)節(jié)組成，其典型結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。實現(xiàn)自動控制就是要求控制回路檢測環(huán)節(jié)精準(zhǔn)，控制環(huán)節(jié)高效，執(zhí)行環(huán)節(jié)平穩(wěn)。由于其他特殊控制回路均由單回路衍生而出，例如在單回路中增加控制器即可構(gòu)成串級控制，增加控制閥就構(gòu)成分程控制，增加檢測單元就成為函數(shù)控制系統(tǒng)，因此單回路控制系統(tǒng)的提高自控率措施和結(jié)論同樣適用于復(fù)雜控制回路。

圖1 單回路控制系統(tǒng)框圖

2 制約儀表自控率的自身因素

筆者對制約儀表自控率的自身因素進行分析，識別出潛在的影響因素，并提出有效的防范或解決措施。

2.1 檢測單元

檢測單元是將控制對象的特征參數(shù)即被控參數(shù)實時檢測并變送，然后與設(shè)定值比較，并將偏差輸入控制器進行運算處理。這一環(huán)節(jié)是控制系統(tǒng)的源頭，如果采集的數(shù)據(jù)失真，將導(dǎo)致運算過程和最終輸出錯誤，被控參數(shù)失控，這極易導(dǎo)致事故發(fā)生，因此檢測單元是提高儀表自控率最為關(guān)鍵的一環(huán)。另外，檢測單元與控制對象緊密關(guān)聯(lián)，不但受到外界環(huán)境如溫度、電磁及振動等的影響，還受到工藝環(huán)境如氣化、液化、結(jié)晶及組分變化等影響，這些因素都會導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差或錯誤，使回路無法實現(xiàn)自動控制模式。筆者將從自控專業(yè)四大參數(shù)即溫度、壓力、液位和流量檢測儀表進行分析。

2.1.1溫度檢測儀表

在四大參數(shù)中，溫度檢測儀表受外界環(huán)境和內(nèi)在工藝干擾影響最小，因為溫度檢測元件置于介質(zhì)當(dāng)中，環(huán)境溫度對其產(chǎn)生的影響通過冷端補償(對于熱電偶)或三線制(對于熱電阻)可以加以消除；利用溫度檢測元件的熱電(電勢或電阻)效應(yīng)原理，工作過程簡捷；溫度檢測儀表結(jié)構(gòu)簡單，無可動部件。因此只要溫度檢測儀表安裝位置選擇合理、選型科學(xué)、施工規(guī)范，就能保證其工作穩(wěn)定，控制系統(tǒng)波動較小。工藝方面要防止被測介質(zhì)在溫度計套管上結(jié)晶，影響其導(dǎo)熱性和靈敏度，再無其他影響因素。

2.1.2壓力檢測儀表

壓力檢測儀表受外界干擾影響較大，為便于儀表維護和監(jiān)控，其傳感元件與被測介質(zhì)之間通常設(shè)計有導(dǎo)壓引線及取壓閥門等，這就成為外界干擾侵入的通道。例如對于易凍易凝介質(zhì)，冬季氣溫過低，引線或壓力檢測傳感膜盒凍凝，儀表無法正常工作或損壞，自動控制模式存在風(fēng)險；夏季氣溫過高，介質(zhì)汽化，引起儀表顯示異常，也存在風(fēng)險。因此視情況對儀表采取保溫或伴熱措施，但溫度不宜過高，防止介質(zhì)汽化影響儀表正常工作。工藝方面，要避免介質(zhì)發(fā)生相變，確保介質(zhì)密度與設(shè)計一致，另外要防止結(jié)晶影響導(dǎo)壓，保證儀表的穩(wěn)定性。

2.1.3液位檢測儀表

對于差壓式液位計，單壓力檢測與壓力檢測儀表相同，但差壓檢測則有其獨特性。例如有一臺差壓式液位計，其導(dǎo)壓介質(zhì)為工藝介質(zhì)，對于正壓側(cè)來說，介質(zhì)會自動充入測量引線；但對于負(fù)壓側(cè)，當(dāng)液位大于100%時，介質(zhì)才能倒灌入引線，而正常工作時液位均不會達到滿液位，因此負(fù)壓側(cè)與工藝設(shè)備內(nèi)的氣相相通，長時間會因揮發(fā)而減少[1]，使得液位變成虛假液位，顯示值比實際值逐漸增大。假信號如不及時發(fā)現(xiàn)，最終可能導(dǎo)致工藝設(shè)備內(nèi)液相介質(zhì)被抽空，氣相竄入液相系統(tǒng)，引發(fā)事故或事件，因此要求定期對引線內(nèi)導(dǎo)壓介質(zhì)進行填充，使控制回路穩(wěn)定運行。

還有一些非智能的液位檢測儀表，由于其抗干擾能力較差，外部電磁干擾會影響其正常工作。例如某次對講機信號影響到浮筒液位計，導(dǎo)致其輸出大幅波動，回路無法投入自動運行；另外，液位檢測儀表投用伴熱時要注意，由于伴熱溫度升高會導(dǎo)致引線內(nèi)介質(zhì)密度發(fā)生變化，如果正、負(fù)壓受熱不均衡，儀表示值就會產(chǎn)生波動或偏差，此時要將回路切至手動控制模式，否則回路無法投入自動控制。

采取的措施：加強液位計的日常維護，對于填充隔離液的儀表，要根據(jù)季節(jié)變化，動態(tài)調(diào)整填充周期；對于抗干擾能力弱的儀表，消除外界電磁干擾因素，或選用智能抗干擾能力強的儀表；對于儀表伴熱的投用和停用，要緩慢并采取回路切手動的措施，保證儀表工作穩(wěn)定。在工藝方面，不論是差壓式還是應(yīng)力式液位計，其調(diào)校都是按照設(shè)計參數(shù)進行的，如果工況參數(shù)與設(shè)計不一致，儀表示值就會存在偏差，產(chǎn)生虛假液位，影響回路自動運行。

2.1.4流量檢測儀表

流量檢測儀表因為種類較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且影響因素不盡相同。對于使用較為廣泛的差壓式流量計，要保證其顯示準(zhǔn)確，工作正常，應(yīng)注意以下幾點：

a. 工況參數(shù)恒定。差壓式流量計根據(jù)運行條件(如溫度、壓力及介質(zhì)密度等)進行計算并加工，如果實際參數(shù)發(fā)生變化[1]，如壓力發(fā)生變化，對于測氣流量計會產(chǎn)生較大影響；如溫度發(fā)生變化，則對測液和測氣流量計都有較大影響；如介質(zhì)或介質(zhì)組成即密度發(fā)生變化，則測量結(jié)果失真。

b. 正、負(fù)壓引線內(nèi)介質(zhì)密度相同。在很多場合中，被測介質(zhì)往往非單一組分，以檢測油品為例，在油品中往往含有不同組分，流經(jīng)管道時，重組分沉積在管道下側(cè)[2]，由于孔板孔徑遠小于管徑，油品再經(jīng)孔板時，重組分會積至正壓側(cè)，導(dǎo)致儀表顯示偏大。

c. 除科里奧利質(zhì)量流量計外，其他任何流量計對工藝操作條件都有著苛刻的要求，偏離設(shè)計條件都會帶來偏差，控制回路就無法自動運行。對于這種情況，應(yīng)加強與工藝專業(yè)的溝通，保證運行條件與設(shè)計一致，當(dāng)出現(xiàn)偏差較大時，應(yīng)對儀表參數(shù)重新進行計算和調(diào)整。

2.2 控制器

控制器主要涉及回路的PID參數(shù)整定[3]，PID參數(shù)整定就是合理地選擇PID參數(shù)。一般在工程應(yīng)用中采用經(jīng)驗湊試法，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量及穩(wěn)態(tài)精度等方面統(tǒng)籌考慮。

2.2.1參數(shù)整定方法

經(jīng)驗湊試法在實踐中最為實用。在整定參數(shù)時，必須認(rèn)真觀察系統(tǒng)響應(yīng)情況，根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果確定調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)。同時觀察系統(tǒng)響應(yīng)效果，即查看控制回路實時趨勢曲線，衰減曲線最佳比值是4∶1，即前一個峰值與相鄰后一個峰值的比值為4∶1。

在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果進行修改，P代表比例度，K為比例放大倍數(shù)，P=1/K。PID參數(shù)經(jīng)驗值列表見表1。

表1 PID參數(shù)經(jīng)驗值

2.2.2參數(shù)湊試步驟

由于比例作用是基本的控制作用，因此首先把比例度湊試好，待過渡過程已基本穩(wěn)定，然后加積分作用消除余差，最后加入微分作用進一步提高控制質(zhì)量?；緟?shù)湊試步驟如下：

a. 對P控制器，將放大倍數(shù)設(shè)為較小值，逐漸增大K，觀察被控量的過渡過程曲線，直到曲線滿意為止；

b. 對PI控制器，先置T1=0，按純比例作用整定放大倍數(shù)使之達到4∶1衰減曲線，然后將K縮小(10%～20%)，積分時間T1由小到大逐步增大，直到獲得4∶1衰減過程；

c. 對PID控制器，置T2=0，先按PI作用湊試整定K和T1參數(shù)，然后將放大倍數(shù)增大10%～20%，T1適當(dāng)減小，再把T2由小到大逐步增大，觀察過渡曲線，直到獲得滿意的過渡過程。

2.2.3注意事項

參數(shù)整定前要先校驗傳感器和執(zhí)行器，保證現(xiàn)場儀表正常工作，可以先手動控制測量，手動狀態(tài)測量的參數(shù)應(yīng)該是穩(wěn)定可靠的。然后暫時關(guān)掉積分調(diào)節(jié)，按經(jīng)驗值設(shè)定K參數(shù)，試著切換到自動觀察階躍響應(yīng)，此時應(yīng)特別注意控制器的輸出，一定要判斷回路是否為負(fù)反饋。

在整定參數(shù)時要保證工藝穩(wěn)定，當(dāng)影響到產(chǎn)品質(zhì)量和工藝參數(shù)時要立即切換到手動控制，待工藝生產(chǎn)穩(wěn)定后再投自動，修改PID參數(shù)。如果是串級、比例控制回路，要先一個回路再另一個回路地整定，還應(yīng)注意先內(nèi)環(huán)、后外環(huán)的原則。在手動切到自動時，要保證給定值與測量值近乎一致。

2.3 控制閥

控制閥是控制回路的執(zhí)行環(huán)節(jié)，只要科學(xué)地選擇操縱變量和調(diào)節(jié)閥的流通特性，自動控制就可以實現(xiàn)。為了很好地執(zhí)行控制器的輸出指令，調(diào)節(jié)閥必須精確裝配，電氣閥門定位器必須調(diào)校準(zhǔn)確，并保證氣源清潔，這樣可保證其動作靈活精準(zhǔn)，控制回路自動運行才有保障。

2.4 控制對象

控制對象往往是一個系統(tǒng)，因干擾因素錯綜交織，因此相對復(fù)雜。如反應(yīng)器的床層溫度控制，受進料溫度、介質(zhì)空速及催化劑活性等因素影響，小幅的波動系統(tǒng)會自動進行調(diào)節(jié)，如果波動較大，原先的PID參數(shù)已無法適應(yīng)，且無法實現(xiàn)自動控制，但只要合理地選擇操縱參數(shù)，適時人為干預(yù)，即可將被控參數(shù)控制在預(yù)期的指標(biāo)范圍內(nèi)。

3 制約儀表自控率的人為因素

除儀表自身因素外，影響儀表自控率水平的還有人為因素，主要是人的思想觀念。部分工藝操作人員擔(dān)心儀表設(shè)備不可靠，如檢測環(huán)節(jié)發(fā)出誤信號，或執(zhí)行環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤動作等，導(dǎo)致生產(chǎn)波動或引發(fā)事故，因此將控制回路切至手動模式，認(rèn)為雖增加操作頻次，但圖個安全、省心，這種思想具有狹隘性，也是不科學(xué)的。因為龐大的控制系統(tǒng)，控制回路數(shù)以百計，人的精力非常有限。當(dāng)然這種思想的產(chǎn)生是有原因的，以往曾出現(xiàn)過儀表誤動作影響工藝平穩(wěn)運行的事件。但是只要儀表專業(yè)人員不斷從生產(chǎn)實際中總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，充分識別影響儀表穩(wěn)定性的潛在風(fēng)險，并采取有效的防范或消減措施，便能使其長周期平穩(wěn)運行，提高使用人員對儀表的信任度，這樣儀表自控水平才會有效提高。當(dāng)然操作人員也不能完全依賴控制系統(tǒng)，因為設(shè)備運行的環(huán)境相對平穩(wěn)，但與各種干擾因素時刻相伴，這就要求對工藝參數(shù)設(shè)置預(yù)警提示，時時監(jiān)控系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，立即人為干預(yù)，排除擾動因素后，使其重新回至自動模式。

4 結(jié)束語

制約控制回路儀表自控率水平的因素很多，在實際工作中，只要合理地選擇被控對象、操縱對象和控制方案，正確選擇控制器和執(zhí)行機構(gòu)的作用形式，科學(xué)地進行系統(tǒng)組態(tài)和PID參數(shù)整定，并保證現(xiàn)場檢測儀表的正確選型等，即可有效地提高儀表的自控率水平，企業(yè)的創(chuàng)效能力也能夠大幅提升。