作者簡(jiǎn)介：劉恩（1984-），工程師，從事化工裝置自控及智能化設(shè)計(jì)工作，13669358705@139.com。

引用本文：劉恩.煤化工儀表自控率提升措施分析[J].化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘? 要? 分析3家煤炭企業(yè)自控回路無(wú)法投自動(dòng)的主要原因，并以自控基礎(chǔ)理論為切入點(diǎn)，給出了提升儀表自控率的技術(shù)措施和管理措施。3家煤炭企業(yè)采取相應(yīng)的改進(jìn)措施后儀表自控率均得到了顯著提升。最后為實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和專門化技術(shù)創(chuàng)新提出了明確建議。

關(guān)鍵詞? 儀表自控率? 自控回路? 改進(jìn)措施? 煤化工

中圖分類號(hào)? TH86? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? B? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)? 1000-3932（2023）06-0000-00

在實(shí)踐中，提升煤化工儀表的自動(dòng)化控制水準(zhǔn)對(duì)于煤炭工業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。通過(guò)引入先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，煤炭企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)工藝的精準(zhǔn)控制，有效降低生產(chǎn)過(guò)程中的人為干預(yù)，從而顯著提高生產(chǎn)效率。其次，自動(dòng)控制的實(shí)施不僅要保障生產(chǎn)工藝安全，還應(yīng)注重能源和物質(zhì)的合理利用。通過(guò)優(yōu)化控制策略，可以降低能源消耗，減少生產(chǎn)過(guò)程中的廢料產(chǎn)生，進(jìn)而降低環(huán)境負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。儀表自控率是評(píng)估自動(dòng)控制實(shí)施狀況的主要技術(shù)指標(biāo)，它反映了工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平、操作人員的熟練程度、獨(dú)立保護(hù)層的應(yīng)用程度以及相關(guān)儀表和設(shè)備的自動(dòng)控制水平。因此，在提升儀表自控率的過(guò)程中，必須全面考慮這些因素，通過(guò)科學(xué)的方法和先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行改進(jìn)。筆者通過(guò)對(duì)3家煤炭企業(yè)提高儀表自控率的案例進(jìn)行深入分析，為煤化工行業(yè)提升儀器儀表的使用、維護(hù)和管理水平提供參考。通過(guò)不斷完善自動(dòng)控制技術(shù)，保證煤炭工業(yè)的生產(chǎn)安全、穩(wěn)定和高效進(jìn)行，對(duì)于行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。

1? 儀表自控回路未投自動(dòng)原因分析

筆者對(duì)3家煤炭企業(yè)的儀表自控率情況進(jìn)行了調(diào)查（表1），通過(guò)分析未投自動(dòng)的儀表自控回路，發(fā)現(xiàn)造成自控回路失效的主要原因?yàn)閮x表設(shè)備故障和工藝過(guò)程故障，具體原因是儀器的選擇和生產(chǎn)不相適應(yīng)，自動(dòng)控制回路的調(diào)整質(zhì)量較低，技術(shù)環(huán)境不完善，以及生產(chǎn)工人的工作理念和方式。

在煤炭工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，儀表自控回路沒(méi)有投入使用，通常體現(xiàn)在6個(gè)方面[1]：

a. 由于PID參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，使系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整變得困難，在投入自動(dòng)時(shí)造成系統(tǒng)波動(dòng)大、不穩(wěn)定；

b. 不科學(xué)的控制計(jì)劃使得某些環(huán)節(jié)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況不相符，控制成效不顯著，投入運(yùn)行有一定難度；

c. 流量、液位測(cè)量值與實(shí)際數(shù)據(jù)存在較大差異，調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，閥座精度低，導(dǎo)致儀表應(yīng)用效果不好；

d. 儀表的選用不符合現(xiàn)場(chǎng)情況，如閥門尺寸較大，長(zhǎng)期處于較低的開啟狀態(tài)，導(dǎo)致其無(wú)法投入自動(dòng)控制；

e. 工藝生產(chǎn)過(guò)程調(diào)節(jié)頻率較高，但操作者出于危險(xiǎn)考慮只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的操作；

f. 儀表自控率是單一性的，其只考慮儀表設(shè)備故障導(dǎo)致的不能自動(dòng)控制的情況，無(wú)法體現(xiàn)工藝過(guò)程故障的影響。

2? 提升儀表自控率的技術(shù)措施

PID負(fù)回路閉環(huán)控制的工作原理是由測(cè)量變送器對(duì)被控目標(biāo)要求的工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)PID控制器比較測(cè)試結(jié)果與設(shè)定值，得出誤差信號(hào)，并以偏置信號(hào)的幅值和取向?yàn)橐罁?jù)，來(lái)調(diào)節(jié)執(zhí)行器的運(yùn)行，從而使控制變量靠近并保持在設(shè)定數(shù)值上，如圖1所示。

2.1? PID控制器參數(shù)優(yōu)化

2.1.1? 設(shè)置PID控制器手動(dòng)方式下設(shè)定值跟蹤測(cè)量值

雖然在手動(dòng)方式下，可以保證調(diào)節(jié)閥的閥位固定，工藝參數(shù)的穩(wěn)定，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。但是如果此時(shí)切換到自動(dòng)控制模式，調(diào)節(jié)閥的閥位及工藝參數(shù)將會(huì)發(fā)生大幅波動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)造成不利影響。這是因?yàn)樵趶氖謩?dòng)方式切換到自動(dòng)控制模式的過(guò)程中，PID控制器產(chǎn)生了較大的干擾。因此，在PID控制器參數(shù)的設(shè)定中，有必要對(duì)下設(shè)的手工調(diào)節(jié)和所測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行跟蹤調(diào)整，以確保手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)控制模式，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.2? 優(yōu)化PID參數(shù)整定及控制算法選擇

PID調(diào)節(jié)是自動(dòng)控制的先決條件。采用PID調(diào)節(jié)方法，通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)良好的控制品質(zhì)，達(dá)到優(yōu)化工藝生產(chǎn)的目的。一般情況下，先通過(guò)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)值來(lái)確定PID參數(shù)（表2），然后根據(jù)具體工藝要求在此基礎(chǔ)上對(duì)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行控制并優(yōu)化PID參數(shù)。

為了適應(yīng)不同的控制過(guò)程，DCS一般采用三類PID控制策略，并具有兩類特殊函數(shù)（表3）。針對(duì)不同的設(shè)計(jì)使用工況，通過(guò)選擇合適的PID控制策略及PID控制函數(shù)，能夠有效改善系統(tǒng)的自控性能。

2.2? 測(cè)量及執(zhí)行環(huán)節(jié)優(yōu)化

在整個(gè)PID控制系統(tǒng)中，測(cè)量變送器的準(zhǔn)確性和執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的控制效果會(huì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)產(chǎn)生很大影響。而變送器和調(diào)節(jié)閥都會(huì)與制程介質(zhì)直接接觸，工作條件比較苛刻，容易出現(xiàn)故障。因此，對(duì)儀表選型、參數(shù)設(shè)置、維護(hù)保養(yǎng)等進(jìn)行優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)自控的關(guān)鍵[2]。

2.2.1? 合理的儀表選型

儀表的實(shí)際生產(chǎn)與設(shè)計(jì)計(jì)算是有一定差異的，因此在實(shí)際使用前需對(duì)儀表重新選型，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而滿足實(shí)際使用測(cè)量和控制的需要。特別是在煤化工條件苛刻的生產(chǎn)單元，儀表的選用還處在探索和積累的階段，有些測(cè)點(diǎn)到目前為止還無(wú)法長(zhǎng)期投入使用。

儀表選型工作主要包括以下3方面：

a. 再選擇測(cè)量范圍。若閥門的口徑過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致閥門在小開度下工作，造成調(diào)節(jié)比下降，控制效果下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，無(wú)法投入使用，因此必須根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)閥門的流量系數(shù)和直徑進(jìn)行調(diào)整。

b. 選類別。以流量計(jì)為例，孔板流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度較低，且維修難度較大。相比之下，利用渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等不需要壓力補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量值，不僅可以提高測(cè)量精度，而且便于維護(hù)。

c. 重新選擇儀表配件。針對(duì)工藝過(guò)程中流體介質(zhì)的侵蝕作用，可選擇哈氏合金等抗侵蝕的材質(zhì)，并使用激光熔化涂層對(duì)其進(jìn)行防腐處理。針對(duì)壓氣機(jī)管道的高頻、大振幅特點(diǎn)，為了避免壓縮機(jī)管道脫落，通常在閥門上采用分體式閥座，并以金屬纏繞管作為供氣管路，以防其掉落。由于閥體不平衡力造成的閥座經(jīng)常出現(xiàn)故障，因此需要對(duì)閥座進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如將角閥的邊進(jìn)邊出變?yōu)榈走M(jìn)邊出。

2.2.2? 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表的維護(hù)和應(yīng)用變得更為便利，但同時(shí)也對(duì)維修人員的技能水平提出了更高要求。因此，維修人員需要對(duì)儀表的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行深入理解，以確保最大限度地發(fā)揮儀器的性能和功能。例如傳輸機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)的波動(dòng)可以有效調(diào)節(jié)阻尼因子和衰減系數(shù)，從而使得測(cè)試值保持相對(duì)穩(wěn)定，這對(duì)于保證測(cè)試的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要，特別是在復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境中；渦街流量計(jì)則提供了更多的計(jì)量方式選擇，這取決于所測(cè)量介質(zhì)的特性。深入理解渦街流量計(jì)的工作原理和不同計(jì)量方式的適用場(chǎng)景，可以幫助維修人員在實(shí)際操作中選擇最合適的測(cè)量方式，從而提高測(cè)量精準(zhǔn)度和可靠性。此外，針對(duì)智能閥電位計(jì)，維修人員可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定調(diào)節(jié)閥是線性的還是等比例的。這種定制化的設(shè)置可以根據(jù)具體工藝要求來(lái)進(jìn)行調(diào)整，從而最大程度地滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

綜上所述，隨著智能技術(shù)的運(yùn)用，維修人員需要具備更高層次的技術(shù)理解和操作能力，以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜多樣的工業(yè)環(huán)境。只有深入了解儀器儀表的工作原理和參數(shù)特性，才能有效發(fā)揮其作用，保證工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

2.3? 控制方案優(yōu)化

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，80%的環(huán)路較為復(fù)雜，包括串級(jí)環(huán)路、分程環(huán)路和復(fù)合環(huán)路。據(jù)此控制系統(tǒng)優(yōu)化方案包括以下4點(diǎn)工作[3]：

a. 選擇合適的被控變量，使之更好地體現(xiàn)被控對(duì)象的可控性；當(dāng)無(wú)法進(jìn)行直接控制時(shí)，所選擇的非直接指數(shù)參數(shù)要具有單一的單數(shù)值，且具有足夠的變化敏感性。

b. 編寫控制計(jì)劃書，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。在選擇復(fù)雜的控制方案時(shí)，應(yīng)確保其工作穩(wěn)定、使用簡(jiǎn)便。

c. 在儀器設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，建立自動(dòng)切換策略，在儀表發(fā)生故障時(shí)，由自動(dòng)控制切換到人工控制，并發(fā)出警報(bào)，提醒工藝人員進(jìn)行干預(yù)。

d. 控制方案最佳化。由技術(shù)員及儀表專家共同確認(rèn)、執(zhí)行、測(cè)試，并根據(jù)需要對(duì)方案進(jìn)行控制計(jì)劃的變更。

3? 提升儀表自控率的管理措施

3.1? 加強(qiáng)儀表維護(hù)管理

儀表維護(hù)管理措施包含以下兩點(diǎn)：

a. 強(qiáng)化人員專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)。設(shè)計(jì)人員、操作人員要對(duì)儀表的工作原理及其組成結(jié)構(gòu)有一定的認(rèn)識(shí)，要對(duì)儀表工作條件和安裝要求有一定的了解，通過(guò)正確的儀表參數(shù)設(shè)置、投用調(diào)試，對(duì)儀表故障展開分析，從而加強(qiáng)對(duì)儀器儀表的日常管理。做好儀器安全隱患排查與處理、“低、老、壞”的處理以及儀表的“五定期”管理，盡快找到問(wèn)題所在并解決問(wèn)題[5，6]。

b. 加強(qiáng)生產(chǎn)裝備零部件的管理。將備品備件歸類，從儀表停機(jī)狀態(tài)、重要程度、供貨周期等方面來(lái)對(duì)其進(jìn)行分級(jí)管理，制定出一個(gè)合理的備品備件儲(chǔ)備計(jì)劃，以保證儀表能夠得到及時(shí)更新。

3.2? 推進(jìn)儀表自控率的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)

智能儀表自控率統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵在于通過(guò)PID函數(shù)塊中的工作模式標(biāo)記位來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)置程序操作，具體方式有以下3種：

a. 使用現(xiàn)有的MES系統(tǒng)。利用MES系統(tǒng)對(duì)DCS各控制回路PID模塊的工作方式標(biāo)識(shí)位進(jìn)行采集，將PID塊在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的PID塊數(shù)目進(jìn)行累加，將未參與運(yùn)算的PID塊剔除，然后利用公式求出儀表自控率。

b. 使用DCS配置功能模塊。利用程序塊累計(jì)出PID塊數(shù)目，然后利用運(yùn)算模塊求出設(shè)備的自控率。此方案會(huì)占用DCS的運(yùn)行空間，為確保DCS的控制性能，應(yīng)避免使用此方法進(jìn)行儀表自控率統(tǒng)計(jì)。

c. 利用DCS的報(bào)告功能。首先將DCS的PID各控制回路的工作模式識(shí)別位添加到報(bào)表中，然后將PID的工作模式識(shí)別位導(dǎo)入到報(bào)表中，最后通過(guò)報(bào)表操作函數(shù)求出儀表自控率[7，8]。

4? 應(yīng)用效果

對(duì)3家煤炭企業(yè)的儀表自控率進(jìn)行跟蹤，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，通過(guò)采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，3家企業(yè)的儀表自控率均得到了提升，尤其C公司，其儀表自控率增幅顯著。

5? 總結(jié)與展望

提高企業(yè)儀表自控率，可作為提高煤炭工業(yè)自動(dòng)化水平的一種有效手段，主要從以下幾個(gè)方面著手：

a. 強(qiáng)化精細(xì)經(jīng)營(yíng)。采用自控率統(tǒng)計(jì)方法，按照設(shè)備、中心、公司3個(gè)層級(jí)，以及儀表和工藝層級(jí)，對(duì)月度、季度和年度的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，找出制約因素，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估，從而達(dá)到提高儀表自控率的目的。

b. 成立專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。投產(chǎn)時(shí)，由于各生產(chǎn)設(shè)備負(fù)荷變動(dòng)，儀表變送器、閥門無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的需求，此時(shí)工藝、設(shè)備、電氣、儀表等技術(shù)攻關(guān)小組可對(duì)無(wú)法進(jìn)行有效控制和投資不足的線路進(jìn)行技術(shù)分析，并結(jié)合自身特性，給出相應(yīng)的處理方案，以保證其穩(wěn)定性。

c. 采用先進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障分析；通過(guò)監(jiān)測(cè)與分析DCS的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)DCS的控制循環(huán)，各部件的投入和質(zhì)量自動(dòng)計(jì)算；編寫相關(guān)控制評(píng)估報(bào)表，以便于實(shí)施技術(shù)改進(jìn)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-04-13，修回日期：2023-10-16）