CS3000系统PID非线性增益的应用效果

郭 猛 丛龙海

(中国石油大连石化公司)

CS3000系统PID非线性增益的应用效果

郭 猛 丛龙海

(中国石油大连石化公司)

某重整装置分馏部分的3个分馏塔在流程上关联性较强，一直以来3个塔的塔底液位控制无法全部投自动、波动较大，造成塔顶温度和压力也随之波动，影响装置的产品质量。将液位控制改为均匀控制后效果仍然不理想。因此，在均匀控制的基础上，通过引用CS3000系统的PID控制块的非线性增益功能并合理设置相关参数等手段,使得3个塔的液位控制全部都投入了自动控制，塔的液位、温度及压力等控制指标全部达到了生产要求,产品质量明显提高。

PID非线性增益 分馏 CS3000 参数设置

大连石化年产220万吨连续重整装置采用CS3000系统对工艺过程进行操作和控制。重整装置分馏部分有3个分馏塔，分别是脱戊烷塔、重整油分离塔和二甲苯塔，对应分离不同的产品。3个塔之间的流程紧密，塔顶温度和压力控制精度要求较高，而塔底液位不是主要控制指标，但是由于3个塔的流程相互关联，前一个塔出料流量的波动直接影响到后塔的控制指标。基于这种工艺流程特点，在3个塔的塔底液位控制上选用了均匀控制方案，尽可能地让3个塔的液位均匀变化，控制出料的变化量，避免大幅波动影响塔的控制指标[1]。但是投用一段时间后效果不明显，达不到工艺控制要求，塔顶的温度和压力受进料影响波动仍然较大。

通过对CS3000系统的功能进行进一步研究，并对工艺流程进行了更深入的了解，决定将CS3000系统中的PID功能块非线性增益应用到塔底液位控制，当液位在一定范围内波动时，其阀位输出保持不变，保证塔的平稳，利于塔顶温度和压力的稳定，通过设置相关的控制参数达到了3个塔的控制指标要求。

1 重整分馏工艺流程简介

如图1所示，来自重整一段再接触罐V1403的底油进入脱戊烷塔C1401，C1401底油分两路，一路经加热炉加热后返回C1401；另一路经过换热后进入重整油分离塔C1402，C1402底油分两路，一路经P1410A/S升压，经加热炉加热后返回C1402，另一路经脱氯后直接进入二甲苯塔C1403。可以看出，3个塔的关联性较强，前塔的出料作为后塔的进料，所以前塔的波动势必造成后塔的不稳定。

图1 重整3塔工艺流程简图

2 原均匀控制方案

3个塔的液位控制都是简单的液位单回路控制或液位-流量串级控制。由于对工艺流程和控制目的不熟悉，缺少对3个塔相互影响的认识，3个塔的液位和流量控制器的PID控制参数都是按照常规经验值设置的，采用的是比例-积分控制方式[2]。但是自装置开工以来，3个塔的液位控制很少能够全部在自动控制模式运行，大部分时间都是手动控制，原因是投入自动控制后，后面两个塔的液位波动幅度较大，影响了塔顶温度和压力，影响平稳操作和产品质量。

2013年初，在公司提高仪表自控率的要求下，相关技术人员共同讨论控制策略和控制目的，了解了控制意图后，将3个塔的液位控制器的PID参数调节得尽可能弱，取消了积分功能，改为纯比例控制[3]。这样，塔的液位在一定区间内波动，但是控制器输出MV值变化相对趋缓，成为一个均匀调节的过程。

均匀控制的控制质量指标要求服从于控制目的，塔底液位和塔底出料量之间的动态联系密切，往往两个参数的调节质量都要考虑，只要两个参数在某一范围内做缓慢变化，前后工序维持正常就达到了目的。

均匀控制方案投用一段时间后，相关人员反映C1402和C1403两个塔的塔底进料量仍然不够平稳，塔顶温度和压力仍有波动，操作有难度。他们提出能否在液位指示在一定的区间内变化时其输出(阀位)不变，超过这个区间时再开始调节，以便给后塔的调整留出时间，利于塔的温度和压力的稳定。

基于这个控制目的，笔者进一步优化PID控制，通过设置CS3000的PID控制参数[4]非线性控制增益(Non-linear Gain)和Gap Action值来实现此功能。

3 3个塔的控制指标

C1401——在稳定塔压力正常的前提下，保证塔底重整稳定汽油的产品质量。操作过程中如果出现波动，在保证塔底少带或不带轻组分的同时，尽量防止C6/C7被带到塔顶。控制目标：塔顶压力(0.94±0.01)MPa、塔顶温度(80±2)℃、塔底温度(205±3)℃。

C1402——在重整油分馏塔压力正常的前提下，保证塔顶C6、C7产品的质量与收率。操作过程中如果出现波动，在保证塔顶不带C8以上重组分的同时，尽量防止C6、C7从塔底被带到二甲苯分离系统中。控制目标：塔顶压力(0.060±0.005)MPa、塔顶温度(109±2)℃、塔底温度(178±2)℃。

C1403——在二甲苯塔压力正常的前提下，保证塔顶C8产品的质量与收率。操作过程中如果出现波动，在保证塔顶不带C9以上重组分的同时，尽量防止C8从塔底被带走，以保证二甲苯的产品收率。控制目标：塔顶压力(0.460±0.005)MPa、塔顶温度(220±5)℃、塔底温度(264±5)℃。

可见，3个塔的主要控制对象是塔顶压力和温度，塔底液位不是主要控制指标，只要在合理区间尽可能地缓慢变化就行，以保证塔内温度和压力稳定。

4 PID控制非线性增益的应用

4.1 PID控制非线性增益简介

非线性增益是CS3000系统PID控制器自带的一项功能，它根据偏差变化的程度改变增益的大小，所以偏差和控制输出之间的关系是非线性的[5]。即当PID控制器的测量偏差在一定范围内变化时，PID增益值为零，PID输出不变；当偏差超过设定的区间时PID增益变为预先设定的固定值，输出才起作用。非线性增益有两种模式：

a. Gap Action。当偏差在GW(变化区间，通过参数画面可设置)范围内时降低比例增益以延缓控制影响，计算式为Kpe=KpKnl。

非线性增益功能一般用于缓冲储罐的液位控制，其目的是稳定出口的流出量来保持储罐液位在一定区间内，类似于均匀控制。Gap Action控制模式的计算方法和控制曲线如图2所示，其中Kpe为最终起作用的增益值；Kp是操作画面上设置的增益值，Knl是增益参数，En为偏差值，GW为变化区间。

图2 Gap Action模式增益曲线

从图2可以看出，这种控制模式的本质就是通过改变PID控制器的增益来延缓或加强控制作用，达到某种控制目的。PV值在GW区间内外时的PID增益不同，这样可以根据实际控制需要选择需要的控制模式，例如，当PV值在一定偏差范围内变化时(GW区间内)，调整增益参数Knl由1.00变为0.50，按照公式Kpe=KpKnl计算，则PID控制的增益将变为原来的0.5倍，控制作用明显减弱；如果将Knl设为0.00，则PID增益将为零，控制输出不变化。而当PV值超出GW区间后PID控制才开始起作用。

4.2 PID控制非线性增益的组态

在CS3000的控制组态界面中找到3个塔底液位的PID控制器，在其详细编辑界面选择“control calculation”，在此画面中将Non-linear Gain项设置为1∶Gap，即Gap Action模式，然后设置增益参数Knl,将下面的Gap Gain设置为3∶0.0，即将Knl设为0.00，如图3所示。

图3 PID控制非线性增益组态

将上述修改保存下装后，在操作画面进入到塔底液位控制器的参数调整界面tuning，即可修改液位的PID参数和GW值，找到GW项，根据需要设置GW值，例如将GW设置为5.0，则当液位PV值与设定值在偏差5.0以内时，液位PID控制器的输出MV值是不变的，这对后两个塔的操作和调整是非常有利的。

5 投用效果

将C1401、C1402、C1403塔的液位控制按照此控制方案修改后，逐步将液位PID控制投入自动控制，观察控制效果，期间根据实际情况修改PID控制器的增益值(画面上是比例度P)和GW偏差变化值，使塔前后的控制达到平衡，通过不断调整，最终这3个塔的液位都实现了自动控制。更重要的是，投入自动后塔的操作比以前更加平稳，塔底液位稳定后相应的塔顶压力和灵敏板温度控制也趋于稳定，也投入了自动控制，这样作为重整分馏部分重要的控制指标，塔顶压力和塔灵敏板温度控制效果都得到了明显改善，提高了装置产品的收率。图4为C1401塔液位控制曲线，图中最下方曲线为液位控制器LC4010的输出曲线，可以看出，在某一段是平直的，说明当LC4010的测量偏差在GW范围内时输出是不变的，相当于手动控制。

图4 C1401塔液位及其输出曲线

6 结束语

CS3000系统PID非线性增益控制方案的投用，使得连续重整装置3塔的液位控制都实现了自动控制，降低了操作难度，保证了塔底液位的平稳，有利于塔顶压力和灵敏板温度的控制，提高了控制精度和产品收率。另外，由于3塔的平稳控制，提高了整个装置的平稳度和自控率，使得装置的自控率达到了95%以上。该控制方案的成功应用，为其他装置的控制方案优化提供了参考和借鉴。

[1] 王骥程,祝和云.化工过程控制工程[M].北京:化学工业出版社,2000.

[2] 张峻铭.CS3000系统在连续重整装置的应用[J].华东科技(学术版),2015,(5):4.

[3] 解怀仁,王成林.石油化工仪表自控系统应用手册[M].北京:化学工业出版社,2014.

[4] 马菲.CS3000控制功能块在连续重整装置的实现[J].浙江化工,2014,(4):29～30.

[5] 高丽梅.蒸汽加热换热器的优化控制[J].石油化工自动化,2015,51(4):74～76.

参考文献著录规范

[书] 编号 著者名.书名[M].版本.出版地:出版者,出版年：页码.

[期刊] 编号 著者名.题(篇)名[J].刊名,出版年,卷号(期号): 页码.

[论文集] 编号 著者名.题(篇)名[C].整本文献的编者ed(多编者用eds)(编).文集名.出版地:出版者,出版年:页码.

[学位论文] 编号 著者名.题(篇)名[D].保存地：学位授予单位,年.

[专利文献] 编号 专利申请者名.专利题名[P].专利国别：专利号,出版日期.

注：①著者姓名应列全(3个以上的只列3个，并在第3个著者名后加“等”)；

②国外作者名应将“姓”排前，“名”排后。

ApplicationEffectofPIDNonlinearGaininCS3000ControlSystem

GUO Meng, CONG Long-hai
(CNPCDalianPetrochemicalCompany)

In the reforming unit, three fractionating towers have strong correlation in the process. The obvious fluctuation in level control of the tower bottom incurs undulation of tower’s top temperature and pressure which influencing product quality much. Making use of CS3000 control system’s PID nonlinear gain function and reasonably setting parameters concerned to automatically control the liquid level of tower bottom was carried out, including the control over both temperature and pressure there.

PID nonlinear gain, fractionation, CS3000, parameter setting

TH862

B

1000-3932(2017)02-0125-04

2016-05-25，

2016-12-09)

郭猛(1981-)，工程师，从事石油化工仪表技术和质量管理工作，guom_dl@petrochina.com.cn。