作者 | Ed Bullerdiek

為什么有必要整定控制回路，簡(jiǎn)單回答就是因?yàn)椴煌^(guò)程其響應(yīng)也不同。流量回路響應(yīng)迅速，因此需要快速響應(yīng)的控制器。溫度回路通常響應(yīng)緩慢，因此需要反應(yīng)緩慢的控制器。比例-積分-微分（PID）控制器是一種幾乎通用的過(guò)程控制工具，但它需要適應(yīng)過(guò)程。將PID控制器與過(guò)程相匹配的過(guò)程稱為整定。

PID控制器調(diào)節(jié)對(duì)于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)很重要。適當(dāng)?shù)腜ID整定有助于提升安全、設(shè)備保護(hù)和過(guò)程效率。過(guò)程效率的提高，又會(huì)帶來(lái)更高的產(chǎn)量和能效，以及更少的浪費(fèi)。

01

過(guò)程控制不斷增加的復(fù)雜性

過(guò)去，典型的過(guò)程控制運(yùn)行人員需要觀察100到200個(gè)PID控制器。他們沒(méi)有高級(jí)過(guò)程控制（APC）應(yīng)用來(lái)監(jiān)視或確保系統(tǒng)的安全。如果存在安全系統(tǒng)，它們通常都設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)。壓縮機(jī)喘振控制采用的也是現(xiàn)場(chǎng)安裝的專用成套設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，按照今天的標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)程控制運(yùn)行人員不需要關(guān)注太多。

如今，過(guò)程控制運(yùn)行人員的職責(zé)更復(fù)雜。他們預(yù)計(jì)需要觀察多達(dá)500個(gè)PID控制器以及安全系統(tǒng)、壓縮機(jī)控制系統(tǒng)和APC應(yīng)用。應(yīng)用于過(guò)程裝置的控制也要復(fù)雜得多，具有多級(jí)級(jí)聯(lián)回路和其它復(fù)雜邏輯的特點(diǎn)。

控制技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為操作員提供了更好的圖形，同時(shí)也避免了讓控制室里充斥著無(wú)用和令人困惑的警報(bào)。這一切都是必要的，但是還不夠。不能再指望過(guò)程控制操作員使用功能不全的控制器了。良好的控制器調(diào)節(jié)不再是可有可無(wú)的。

換一種方式想想：在運(yùn)行人員需要觀察100個(gè)PID控制器的日子里，比方說(shuō)他可以處理30個(gè)表現(xiàn)不佳的控制器（30%）。運(yùn)行人員可能還有時(shí)間操作。如果在500個(gè)PID控制器中，有30%的控制器表現(xiàn)不佳，即150個(gè)控制器，那么過(guò)程運(yùn)行人員就沒(méi)有時(shí)間密切關(guān)注所有這些控制器了。對(duì)于控制工程師來(lái)說(shuō)，確保所有過(guò)程控制器正常工作變得更加重要。

02

正確的回路整定可以節(jié)省成本

對(duì)于大多數(shù)化工過(guò)程來(lái)說(shuō)，要想獲得最大的盈利能力，通常需要在工藝約束條件下進(jìn)行操作。其中包括產(chǎn)品質(zhì)量限值（如純度）、裝置運(yùn)行限值（如蒸餾塔溢流限值）和設(shè)備限值（如泵和鼓風(fēng)機(jī)上的電機(jī)電流）。超過(guò)這些限值通常會(huì)受到嚴(yán)厲處罰（例如無(wú)法銷售的不合規(guī)格產(chǎn)品或設(shè)備跳閘以及隨后的過(guò)程混亂）。對(duì)于那些從事放熱反應(yīng)的人來(lái)說(shuō)，如果不能將過(guò)程控制在限值范圍內(nèi)，可能會(huì)導(dǎo)致意外分解。

在控制回路整定不當(dāng)?shù)倪^(guò)程工廠中，或者更糟的是，由于無(wú)法信任而使用手動(dòng)控制，運(yùn)行人員往往會(huì)在遠(yuǎn)離限值的工況下操作過(guò)程。這就留下了可觀的利潤(rùn)空間無(wú)法實(shí)現(xiàn)。典型情況如圖1所示。

▲圖1：控制改善前的過(guò)程數(shù)據(jù)分布。

鐘形曲線表示過(guò)程數(shù)據(jù)的正態(tài)分布。曲線的尾部設(shè)置為剛好在任何過(guò)程限值以下結(jié)束，即右側(cè)幾乎垂直的藍(lán)色虛線。利潤(rùn)曲線是頂部的藍(lán)色虛線。理論上的最大利潤(rùn)位于利潤(rùn)和工藝限值線交叉的右上角。然而，為了避免超出限值，該過(guò)程在遠(yuǎn)離限值的情況下運(yùn)行，因此過(guò)程數(shù)據(jù)的平均值在很大程度上位于最大利潤(rùn)點(diǎn)的左側(cè)。這個(gè)過(guò)程賺的錢比它本來(lái)能賺的要少。

為了賺更多的錢，這個(gè)過(guò)程需要改變，擠壓鐘形曲線，使曲線的右端遠(yuǎn)離過(guò)程限值，然后整個(gè)曲線需要向右移動(dòng)，使曲線末端處于開(kāi)始位置。完成后，結(jié)果如圖2所示。新曲線的盈利能力現(xiàn)在比以前更高了。

▲圖2：完成控制改進(jìn)并根據(jù)限值調(diào)節(jié)運(yùn)行后的過(guò)程數(shù)據(jù)分布。在不超過(guò)運(yùn)營(yíng)限值的情況下提高盈利能力。

適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)不僅可以減少可變性，還能推進(jìn)約束條件。許多人認(rèn)為僅僅減少可變性就能提高盈利能力。通常并不是這樣（除非你做錯(cuò)了什么）。提高盈利能力需要將過(guò)程推向更接近約束條件的地方。一個(gè)過(guò)程能變化的范圍很小，因?yàn)槿匀贿h(yuǎn)離所需的最佳值。

不幸的是，讓運(yùn)行人員推動(dòng)約束條件是控制專業(yè)人員工作的難點(diǎn)。操作員對(duì)年輕有為的工程師告訴他們需要做一些他們知道可能會(huì)增加其工作難度的事情持懷疑態(tài)度（這是正常的）。但是，如果工程師能夠開(kāi)誠(chéng)布公地提出建議，操作員還是愿意與他們合作的。先前的成功可以增加可信度。運(yùn)行人員需要相信他們的工作會(huì)變得更輕松，或者至少不會(huì)變得更難。

03

煉油廠回路整定的案例分析

一位前老板最近告訴我說(shuō)：“我從你那里學(xué)到的是：煉油廠周圍遍地是黃金。”接著，他講述了一個(gè)因回路整定而增值的故事。在我為他工作期間，他一直要求煉油廠副總裁為該廠的流化催化裂化裝置（FCC）提供一臺(tái)新的濕氣壓縮機(jī)。在此期間，我忙于調(diào)整和清理控制裝置，工藝工程師則與操作員一起努力，讓他們把催化裂化裝置推向極限。幾年下來(lái)，我們把加料率提高了約 20%，這時(shí)副總經(jīng)理告訴我的老板："看，我為公司省錢了！” 

該故事在整個(gè)煉油廠重復(fù)上演，盡管從未如此具有戲劇性。我們安裝了一個(gè)新的控制系統(tǒng)，修復(fù)了許多儀器和閥門，并調(diào)節(jié)了控制器。工作包括安裝先進(jìn)的過(guò)程控制，并修復(fù)一些錯(cuò)誤的基本控制。在大多數(shù)情況下，煉油廠工藝的改進(jìn)可以歸結(jié)為減少可變性、調(diào)節(jié)PID控制器和讓運(yùn)行人員突破極限。改進(jìn)控制回路整定是所有工作的核心。