《ID优化技术》PPT课件.ppt

2019/8/4,1,集散系统中PID参数整定 与控制器的优化 主讲人：曹丽婷 博士,北京化工大学,2019/8/4,2,副标题： 提高装置自控平稳率、保证装置“安、稳、长、满、优”的有效手段,2019/8/4,3,控制器优化与PID参数整定 主要内容： 项目简介及项目实施的重要性；石化工业中常用控制形式及参数整定方法；DCS中控制器优化与参数整定。 参考资料： 集散系统中PID参数整定与控制器的优化 （靳其兵、曹丽婷等编著，化工出版社，2011年5月）,2019/8/4,4,一.实施PID参数调整的重要性和必要性 二.当前国内装置控制的现状 三.当前装置操作存在的问题 四.我们解决问题的思路 五.解决问题的具体技术细节 六.特色与创新点 七.应用效果 八.应用目标 九.自控平稳率监控系统,主要内容：,2019/8/4,5,一.实施PID参数优化的重要性和必要性,随着我国经济体制的转变，国内的众多过程工业企业日益感受到国际间竞争所带来的压力和挑战。在这种大背景下，积极开发和应用先进控制与系统在线优化技术以提高企业经济效益，增强自身的竞争力，是过程工业迎接挑战的重要对策。,国家和企业领导都非常关注这个问题，我国“十一五”规划中明确提出要推进科技进步和技术创新。一些新的企业，在设计和建厂过程中就要采用先进控制与优化技术以及信息化系统。,PID基本控制回路运行良好，是先进控制与优化技术成功实施的必要前提和基础。,2019/8/4,6,装置操作技术应用的结构和趋势,计划、调度,动态 控制,多变量预测、内模控制 （带约束的控制）,单回路先进控制PID算法 （如鲁棒内模PID）,稳态控制,DCS,工业计算机,生产过程,基本调节控制 （PID控制）,优化控制,代替,普渡提出的五层结构,当前，各类炼油化工装置大都采用了DCS。随着信息和通讯技术的发展，在DCS基础之上，当前工厂又向管控一体化方向发展，,2019/8/4,7,网络和生产信息化管理,2019/8/4,8,期望目标： (如某组分收率最大、处理量极大、能耗极小等),CV1,CV2,DV1,受 控 变 量,MV2,MV3,DCS 基本控制回路(PID),操纵变量： 基本控制回路给定值,MV1,DV2,CVn,DVr,MVm,干 扰 变 量,生产现场,PID与目前常用先进控制之间的关系,鲁棒多变量控制算法,当前经常提到的“先进控制（APC）”的结构,2019/8/4,9,常 减 压 蒸 馏,原油,汽油馏分,煤柴油馏分,润滑油馏分,渣油,催化重整,催化加氢,催化裂化,热加工,汽油,煤油,柴油,重质油,燃料油,润滑油,沥 青,石 蜡,石油焦,石油化工产业链,二.当前国内装置控制的现状?,2019/8/4,10,原料,燃料,温度检测点,TC,FC,加热炉控制的原理图,加热炉的控制包括：出口温度控制TC，流量控制FC构成串级。 所有控制器的控制形式均采用PID控制形式。,PID是当前炼油化工装置的主要控制形式,二.当前国内石化工业装置控制的现状,2019/8/4,11,换热原理示意图,介质1,温度检测点,TC,FC,介质2,此处也可引入串级,换热在炼油化工过程中普遍存在，几乎所有炼油化工 流程都存在换热，以充分利用能量，TC采用PID控制。,2019/8/4,12,聚合反应釜在橡胶、聚酯等生产流程中广泛存在。图中TIC3 的温度非常关键，关系到产品的性能和质量，TIC4为夹套 换热介质的温度，TIC3和TIC4构成串级，均采用PID控制。,2019/8/4,13,原料,环管反应器,TIC6,TIC5,反应产物,聚丙烯环管反应器的温度控制示意图，TIC5的温度控制 关系到聚丙烯的产品性能和质量，十分关键，TIC5和 TIC6构成串级，均采用PID控制。,2019/8/4,14,塔器在炼油化工生产流程中十分常见，从控制的角度来看，分馏塔、汽提塔、萃取塔均类似。图所示的常减压塔中，液位、温度、流量等控制回路均采用PID控制。图中的塔器较复杂，各控制回路中存在一定的关联和耦合，,2019/8/4,15,精馏塔,2019/8/4,16,分馏塔,2019/8/4,17,FC,PC,固定床反应器,炼油化工中很多反应在固定床反应器中完成，各回路的精度影响整个工艺过程的收率。各控制回路均采用PID控制。,2019/8/4,18,乙烯裂解炉控制系统,2019/8/4,19,可以看出： 1.目前，几乎所有炼油化工过程都包含以上典型设备，而由图可见，这些装置的控制回路基本都采用PID控制形式。 2.工艺一定、设备一定的条件下，PID控制是生产“安、稳、长、满、优”运行的必要保证。 3. 经常碰到工艺人员、设备人员、仪表人员抱怨各种问题，其实PID问题解决了，其它很多问题都迎刃而解,2019/8/4,20,装置大部分采用了DCS控制， DCS的实施为提高控制和管理水平起到了巨大作用，但还存在以下问题： (1).DCS中的PID控制器很多还处于手动状态 (2).有些投入自动运行的PID回路效果不理想 (3).串级控制等复杂回路很多没有投用 (4).装置操作频繁，操作工劳动强度还较大 (5).先进控制运行不成功，重要的原因就是基础回路运行不良,问题核心和实质：自控率不高、控制器优化和参数整定不合理！,三.当前国内石化工业装置存在的问题,2019/8/4,21,某高压分离器液位控制回路装置手工操作的结果,造成的后果(1)：很多手动,2019/8/4,22,流量控制,阀稳,流量变化 （压力变）,2019/8/4,23,2019/8/4,24,温度控制,管网压 力波动,温度,2019/8/4,25,2019/8/4,26,液位控制,换班,2019/8/4,27,换班,2019/8/4,28,手动也能够保证出产品，但波动会较大一些 在有的装置中，最终产品的产量和收率有较大波动； (1).装置操作不平稳； (2).进料组分有波动(说明上游装置可能有波动),强调：要建立全流程自动化的概念！,2019/8/4,29,造成的后果(2)：控制精度有待提高,2019/8/4,30,2019/8/4,31,经常有人认为： (1).投自动还不如手动； (2).投自动以后波动更大 我们认为，这时可能存在： (1).投用的自动不合适； (2).投自动的上下游装置没有协调好,2019/8/4,32,造成的后果(3)：产品质量波动和能耗较高：,自控率低、控制波动： (1). 影响控制效果 波动大、装置不稳定 (2). 影响产品质量 如产品分离受影响 (3). 影响反应的深度和收率 (4). 容易造成不合格产品 (5). 不利于节能降耗,2019/8/4,33,(1). 每个操作工的手法有很大差异 (2). 紧急情况下容易误操作 (3). 仪器设备的完好率降低 (4). 在操作站故障、通信故障等情况下很难保 证装置的安全性,造成的后果(4)：装置的安全性降低,2019/8/4,34,(5).操作工的劳动强度较大 (6).多变量先进控制效果不好或者成为摆设,2019/8/4,35,目前，许多炼油化工处理装置进行了集散控制系统（DCS）的改造。随着信息和通讯技术的发展，在DCS基础之上，当前工厂又向管控一体化方向发展。DCS的实施对提高控制和管理水平起到了巨大作用，但还存在诸多问题，如：PID参数整定困难；控制效果差或难以控制；控制器往往打到手动状态，自控率低，不符合石油及石油化工企业生产回路自控率在90以上的要求；以多变量为核心的先进控制由于单变量PID整定不良，控制效果不好，使多变量先进控制往往不能投入使用。控制器参数整定的品质直接影响到控制器能否良好投用和生产的稳定运行，也是先进控制（Advanced Process Control，APC）能否成功运行的基础，意义重大。以上问题困扰着现场工程师，在生产中迫切需要得到解决。,2019/8/4,36,我们认为： 工艺及装置一定，如果PID控制回路能够被优化，发挥理想的控制效果，则生产现场70%的问题都已经得到解决。（优化是工作点附近的局部优化，不可能突破工艺研究的设定点） 但是： 要整定PID, 如何整定？整定到多少？实施人员不明确,四.我们的思路,2019/8/4,37,当前PID控制的症结所在： DCS中PID控制的形式固定，无论是温度、流量、液位还是压力等不同对象、不同特性,四.我们的思路,一般采用标准PID的形式(如上式)，其中Kc、Ti、Td为比例、积分、微分系数，即为PID参数。 实际上，对象的特性有差异，响应时间有差异，其PID控制的形式也应该是有差异的，而目前的组态没有体现这一差异。,2019/8/4,38,当前PID控制的症结所在： PID参数的设置（即PID参数的整定）往往很不合理 如在横河DCS中，缺省PID参数厂家设置为100、20、0；组态完毕进入生产装置以后，操作工或仪表工程师整定PID参数时，往往只是在100、20、0附近进行一些修改，而实际上，优化的PID参数往往与以上数据有巨大差别。,四.我们的思路,2019/8/4,39,四.我们的思路,针对找到的症结，我们研制的目标是： 1. 根据不同对象的不同特点，选定不同的PID控制类型； 2. 对于选定的PID控制形式，根据对象的具体特点，用先进控制去整定PID的参数，使对象稳定、响应速度快、控制精度高，从而生产出合格优秀的产品。,2019/8/4,40,PID控制的类型,2019/8/4,41,将先进控制用于PID参数整定，使PID具有先进控制的优点，且解决了先进控制不如PID的鲁棒性（Robust）和容易操作性 下面进行内模PID的原理,五. 具体技术细节,2019/8/4,42,先进控制方式,2019/8/4,43,五. 具体技术细节,常规PID控制，C(S)为PID控制器,Gc(S),存在转换公式Gc=(I+CGm)-1C,常规内模控制,用内模控制整定的PID控制器参数原理图,2019/8/4,44,内模控制作用对比,还可参见测试曲线中效果,2019/8/4,45,DCS控制柜,工程师站,操作站,操作站,五. 具体技术细节:实施的硬件结构,控制器优化站,数据单向传输,1.安全可靠,2.完全不影响装置的正常运行,3.完全不影响数采的正常运行,4.与数采的区别为数据量大、 采样周期短(1秒一次),2019/8/4,46,五.具体技术细节,DCS,数据交换接口,模型仿真,对象的动态测试,对象的模型辨识,内模PID参数整定,PID参数下发,PID参数输出显示,控制器参数优化整定软件包模块图,2019/8/4,47,包括：1.通信接口 2.关系型数据库 3.模型辨识软件包 4.控制器优化软件包 5.装置运行自控率监控模块(长周期) 6.装置运行平稳率监控模块 可以监控统计和随时查询： 小时、日、周、月、年自控率和平稳率,五. 具体技术细节:软件结构,2019/8/4,48,六. 我们的优势和创新点 优势和创新点: 1. 独特而有效的对象特性获取方法,2019/8/4,49,模型参数辨识,2019/8/4,50,六. 我们的优势和创新点,2. 先进的PID参数整定方法 100人手工整定会有100种结果。 一般PID参数的整定采用的是误差性能指标,有超调，响应慢，过渡时间长 本项目采用先进控制（如预测控制、内模控制）去整定控制器的参数，响应速度迅速、超调小或无超调，抗干扰能力强,2019/8/4,51,控制器参数优化,2019/8/4,52,六. 我们的优势和创新点,3. 先控方法整定的PID参数具有解耦能力,其他整定方法容易“按下葫芦浮起瓢”,2019/8/4,53,内模-PID应用前后作用对比,七.应用效果,2019/8/4,54,内模-PID应用前后作用对比,2019/8/4,55,聚丙烯反应器夹套水进口温度控制结果（前）,2019/8/4,56,聚丙烯反应器夹套水进口温度控制结果改进,2019/8/4,57,聚丙烯环管反应器反应温度控制结果(前),2019/8/4,58,聚丙烯环管反应器反应温度控制结果(改进),2019/8/4,59,难投入自动的回路,2019/8/4,60,难投入自动的回路一串八,2019/8/4,61,加热炉控制,2019/8/4,62,加热炉控制,2019/8/4,63,节能降耗(改组态),2019/8/4,64,八. 实施参数整定与控制器优化的目标,自控率大幅度提高，长周期保持在95以上，达到或接近100； 大大提高装置运行的可靠和安全性； 回路控制质量大幅度提高，关键被控变量标准偏差降低30%以上； 串级等复杂控制回路投运，达到高精度的控制； 装置长周期稳定运行,且各控制变量波动满足工艺设计的要求。 提高装置生产平稳率，降低目的产品收率的波动，提高产品平稳率；目前产品质量时常波动，项目实施后要做到正常生产情况下产品质量及产量少波动或者无波动。 降低操作工劳动强度； 能耗降低。,2019/8/4,65,八.最终目的 在PID参数及回路优化的基础上进行装置的优化,对于特定装置来讲： *.工艺控制指标(如塔温度)到底在多少合适？波动到底控制在什么范围内产品质量和收率最高？ 由于平常装置波动较大、自控率较低，不具备思考和执行该问题的条件。 因此:1.首先提高自控率和平 稳率(指哪打哪); 2. 然后再进行工艺操作 点的优化。,2019/8/4,66,九、基于树状结构的自控平稳率监控系统,现场控制站,DCS 工程师站,电源模块,通信模块,处