糠醛精制装置控制方案改进及PID参数优化

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1、糠醛精制装置控制方案改进及PID参数优化糠醛精制装置控制方案改进及PID参数优化 (1北京化工大学 信息科学与技术学院, 北京 100029) 摘 要:针对糠醛精制装置二效蒸发塔底液位-四路加热炉进料流量串级回路投用不上手动控制精度低的问题本文提出了一种改进方案在横河的CENTUM CS3000 DCS系统上通过设置输入补偿实现各支路设定值不同通过优化PID控制器参数的方法实现均匀控制。在燕化二糠醛装置投用以来运行平稳控制效果良好。 关键词: DCS；输入补偿；均匀控制 中图法分类号: TP273文献标识码: A Control Scheme improvement and PID Param

2、eters Optimization of Lube Oil Furfural Refining Units Jin Qibing 1, Huang Yan 1 ,Zhao Dali1 （1School of Telemunication Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China） Abstract: In the lube oil furfural refining unit, there were four liquidometer-flow cascade control l

3、oops which had the same major loop controller at the bottom of the second distillation column. The problem was that the four cascade control loops cannot turn into automatic running state, for the four minor controllers had the same setpoints that cannot fulfill the real request. In order to solve t

4、his problem, an improved method was proposed. In YOKOGAWA CENTUM CS3000 system, minor controllers can obtain different setpiont values by setting the input pensation values of each controller differently. Then symmetrical control can be achieved through optimization of PID parameters. The system per

5、forms well after the reconstruction. Key words: DCS; input pensation; average control0 引言 糠醛精制装置1是以糠醛为溶剂对润滑油馏分进行精制的装置糠醛是一种选择性较强而溶解能力适宜的溶剂即糠醛对润滑油馏分中各种烃类有显著不同的溶解度。由于它对润滑油馏分中的非理想组分（多环短侧链的芳烃和环烷烃）的溶解能力较强而对润滑油馏分中的理想组分（少环长侧链的芳烃和环烷烃）的溶解能力较差且其比重大于润滑油馏分。根据这些性质利用在抽提塔中逆流接触、沉降、分层方式就可以使润滑油理想组分与非理想组分分离然后利用蒸发和气提的方法

6、将糠醛和精油（废油）分开使糠醛能够循环使用达到精制的目的。 1 提取液溶剂回收工艺流程 如图1所示提取液自抽提塔底流出经换热器进入抽出液一效蒸发塔闪蒸塔底提取液抽出经换热器进入二效蒸发塔闪蒸塔底液相抽出分四路打入加热炉加热后进入三效蒸发塔闪蒸闪蒸后气相糠醛进入干燥塔塔底抽出液进入末效蒸发塔、气提塔除去提取液中少量溶剂。 图1 溶剂蒸发塔工艺流程图 从装置的整体控制来看二效蒸发塔底液位对于稳定装置操作十分重要。塔底液位平稳了就可以保证蒸发塔的物料平衡从而使整个蒸发塔操作比较平稳。另一方面由于二效蒸发塔底液相又是加热炉的进料它的稳定与否对于减压炉乃至三效蒸发塔的操作是否平稳都很关键2。对于加热炉来

7、说首先要保证炉出口温度稳定利于三效蒸发塔的操作；其次还要维持加热炉四路出口温度的平衡根据生产方案的不同出口温度控制在217上下温度过低不利于溶剂的回收而温度一旦高于220会造成糠醛结焦。文献3提出了一种解决方法但是此方法要对DCS组态进行较大改动需离线下装不适合在正常生产中进行优化。因此我们需要找到一种控制方法既能保证蒸发塔底液位的平稳又能减小加热炉出口温度的波动同时要保证正常生产的进行。 2 串级回路的投用 原控制方案采用的是二效蒸发塔底液位与加热炉的四路进料流量的串级控制但由于控制效果不理想此串级回路一直没有投用。为了保证正常生产不可能对DCS组态进行较大的修改。实际上对原有的控制回路加上

8、一些优化措施以后串级回路是完全可以投用的而且能达到很好的控制效果。 2.1副回路支路设定值不同的解决 由于加热炉火嘴效率及安装位置等原因要想做到四个支路温度的均衡每个支路流量不可能相同。在本串级回路中操作工以前采用手动来调节加热炉四路进料工作量很大、控制精度不高而且由于没有同时兼顾二效蒸发塔底液位的控制造成液位上下波动很大。因此为了保证串级回路的投用必须解决四个支路流量值不同的问题。可以使用 DCS中PID调节器的输入补偿4来实现。输入补偿就是在PID运算的输入信号中加入一个额外提供的I/O补偿值（VN）如下图： 图2 输入补偿原理图 加入输入补偿以后PID控制器的实际输入值为在测量值的基础上

9、加上了一个补偿值 设定值与测量值的偏差为 , (1) , (2) 因此由（2）可以得出输入补偿也可以看作是设定值的补偿。实际的设定值为PID控制器的设定值减去输入补偿值。 PID控制器在没有外部给定的输入补偿（VN）时VN为零CB及CK可以在控制器的调节画面中由用户自定义。这里令CK=0 通过改变CB的值就可以方便的设定串级各副回路设定值之间的偏差。根据实际测试的数据加上操作人员的经验输入补偿为以下值时是较为理想的。 , (3) 2.2 主回路PID参数的优化 由于此前未投用串级控制所以需要重新整定PID参数。对于串级回路液位波动滞后较大而且串级控制本身滞后就比较大并且工艺生产不允许做太多的测

10、试造成了主回路PID参数整定比较困难。针对工业中存在的这一难题北京化工大学自动化研究所自主开发出了DCS中PID控制器参数优化软件DCSPIDOPT。本软件通过读取DCS中控制回路的实时数据辨识出对象模型然后使用经典的Z-N整定法或者预测-PID、内模-PID的先进控制算法计算PID参数的值以本串级主回路的PID参数整定为例步骤如下： 1) 通过DCS系统提供的OPC接口读取二效蒸发塔底液位控制回路数据包括设定值（SV）测量值（PV）和控制器的输出值（MV）。 2) 在工艺允许的范围内给该控制回路加一个闭环的阶跃信号（更改控制器的设定值）待响应全部完成以后将此前读取的数据保存进行下一步的处理。

11、 3) 用二阶加纯滞后模型来描述控制对象对于纯滞后项使用一阶或二阶Pade近似使用上一步处理过的数据应用NLJ随机数搜索算法5求取对象模型。 4) 分别采用Z-N法预测-PID内模-PID进行参数整定根据辨识出来的模型进行仿真、比较后得出最优的参数。 经过实际测试、比较得出P=130I=150D=420 是最优的。 投入以上PID参数运行生产后二效蒸发塔液位得到有效的控制但是当液位出现较大的干扰时会造成副回路流量的大幅波动从而影响加热炉的出口温度。针对这种情况可以将二效蒸发塔底液位的控制精度要求适当放宽一些允许在一定范围内的缓慢变化把定值控制改为均匀控制。让塔底液位在允许范围内波动同时加热炉进

12、料量作平稳缓慢的变化。这种变化对生产过程来讲虽然是一种干扰但由于这种干扰幅值不大变化缓慢在工艺上是能接受的。可以直接通过优化PID参数的来达到均匀控制的目的。 首先增大P值将PID控制的比例作用适当减弱不要求使液位快速跟踪设定值而要保证其平稳变化。 其次适当加大I值减弱积分作用。因为积分的作用是消除被控对象的余差 最后去掉微分作用。微分可以起到抑制被控对象变化的作用在串级回路中会造成副回路的波动因而不符合均匀控制的要求故不能加微分作用。 经过一系列的测试最终得到下列PID值：P=210I=360D=0。可以保证支路流量在1t/h波动如图3；液位在10%之内缓慢变化如图4；支路出口温度差值控制在

13、1以内如图5。 (a) 手动调节效果 (b) 投入串级的效果 图3 加热炉四路进料优化前后效果比较(a) 优化前 (b) 优化后 图4 二效蒸发塔液位优化前后比较 图5 加热炉四路出口温度趋势 结语 本文提出了利用输入补偿来解决“一串多”的串级回路中各支路设定值不同的难题；又通过优化PID参数值来达到了均匀控制的目的。这种方法不需要进行设备投资DCS组态也几乎不用修改。目前在燕山石化炼油厂二糠醛投用状况良好运行平稳操作人员的工作量大大降低。本优化方案简单易行控制效果良好具有推广价值。 致谢 本研究得到了导师靳其兵教授的耐心指导和小组成员的支持以及燕山石化炼油厂李飞、李海华、谷建师傅的全程配合谨

14、致谢意！参考文献： 1 林世雄.石油炼制工程M.第3版.北京：石油工业出版社, 2000. 569-579. 2 王金春, 高衿畅, 周春晖.高级控制策略在原油加热炉进料控制中的应用研究J.浙江大学学报, 1995, 29(2): 163-171. 3 桂丙武, 汪兴轩, 吴刚等.基于DCS常减压装置加热炉进料支管平衡控制的实现J.自动化与仪表, 20_, 16(5), 24-27. 4 CS3000 DocumentM.12th Edition. Tokyo: YOKOGAWA, 20_. 320-329. 5 潘立登, 潘仰东.系统辨识与建模M.第1版.北京：化学工业出版社, 20_. 1

15、48-152.年 月 日收稿日期：；修订日期 基金项目：中国石化股份有限公司燕山石化分公司20_年度科研计划项目（_NS06JS20_-091） 作者简介: 靳其兵(1971-),男,湖北宜昌人,教授,北京化工大学信息学院,主要研究方向：先进控制及其应用建模方法研究与优化；黄岩(1983-),男,山东省滕州人,硕士研究生,主要研究方向：多变量系统的内模控制；赵大力（1978-）男湖北人博士研究生主要研究方向：先进控制 7u/PD94bWwgdmVyc2lvbj0iMS4wIiBlbmNvZGluZz0id_RmLTgiPz4NCjxjb25maWc+DQogICA8ZHJpdmVyIGVuYW

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