提高仪表自控率的方法

李 斌

(中国石油长庆石化公司,陕西 咸阳 712000)

在企业生产过程中，仪表自控率是一项重要的专业管理指标，它标志着一个企业的自动化水平、设备管理水平和市场竞争力水平。自动控制功能的实现由超过98%的自控回路完成。但实际由于构成控制回路的各个环节存在诸多影响因素，也存在人为思想观念因素，导致相当数量的控制回路无法实现自动运行模式，从而降低了仪表自控率，制约了企业的创效能力。提高仪表自控率，可以降低企业人工成本，减轻操作人员的工作强度，防范人为误操作，消除装置生产波动并杜绝事故发生。

1 控制回路的构成①

单回路控制系统主要由检测单元、控制器、控制阀(也可称为执行器)及控制对象等环节组成，其典型结构框图如图1所示。实现自动控制就是要求控制回路检测环节精准，控制环节高效，执行环节平稳。由于其他特殊控制回路均由单回路衍生而出，例如在单回路中增加控制器即可构成串级控制，增加控制阀就构成分程控制，增加检测单元就成为函数控制系统，因此单回路控制系统的提高自控率措施和结论同样适用于复杂控制回路。

图1 单回路控制系统框图

2 制约仪表自控率的自身因素

笔者对制约仪表自控率的自身因素进行分析，识别出潜在的影响因素，并提出有效的防范或解决措施。

2.1 检测单元

检测单元是将控制对象的特征参数即被控参数实时检测并变送，然后与设定值比较，并将偏差输入控制器进行运算处理。这一环节是控制系统的源头，如果采集的数据失真，将导致运算过程和最终输出错误，被控参数失控，这极易导致事故发生，因此检测单元是提高仪表自控率最为关键的一环。另外，检测单元与控制对象紧密关联，不但受到外界环境如温度、电磁及振动等的影响，还受到工艺环境如气化、液化、结晶及组分变化等影响，这些因素都会导致检测结果出现偏差或错误，使回路无法实现自动控制模式。笔者将从自控专业四大参数即温度、压力、液位和流量检测仪表进行分析。

2.1.1温度检测仪表

在四大参数中，温度检测仪表受外界环境和内在工艺干扰影响最小，因为温度检测元件置于介质当中，环境温度对其产生的影响通过冷端补偿(对于热电偶)或三线制(对于热电阻)可以加以消除；利用温度检测元件的热电(电势或电阻)效应原理，工作过程简捷；温度检测仪表结构简单，无可动部件。因此只要温度检测仪表安装位置选择合理、选型科学、施工规范，就能保证其工作稳定，控制系统波动较小。工艺方面要防止被测介质在温度计套管上结晶，影响其导热性和灵敏度，再无其他影响因素。

2.1.2压力检测仪表

压力检测仪表受外界干扰影响较大，为便于仪表维护和监控，其传感元件与被测介质之间通常设计有导压引线及取压阀门等，这就成为外界干扰侵入的通道。例如对于易冻易凝介质，冬季气温过低，引线或压力检测传感膜盒冻凝，仪表无法正常工作或损坏，自动控制模式存在风险；夏季气温过高，介质汽化，引起仪表显示异常，也存在风险。因此视情况对仪表采取保温或伴热措施，但温度不宜过高，防止介质汽化影响仪表正常工作。工艺方面，要避免介质发生相变，确保介质密度与设计一致，另外要防止结晶影响导压，保证仪表的稳定性。

2.1.3液位检测仪表

对于差压式液位计，单压力检测与压力检测仪表相同，但差压检测则有其独特性。例如有一台差压式液位计，其导压介质为工艺介质，对于正压侧来说，介质会自动充入测量引线；但对于负压侧，当液位大于100%时，介质才能倒灌入引线，而正常工作时液位均不会达到满液位，因此负压侧与工艺设备内的气相相通，长时间会因挥发而减少[1]，使得液位变成虚假液位，显示值比实际值逐渐增大。假信号如不及时发现，最终可能导致工艺设备内液相介质被抽空，气相窜入液相系统，引发事故或事件，因此要求定期对引线内导压介质进行填充，使控制回路稳定运行。

还有一些非智能的液位检测仪表，由于其抗干扰能力较差，外部电磁干扰会影响其正常工作。例如某次对讲机信号影响到浮筒液位计，导致其输出大幅波动，回路无法投入自动运行；另外，液位检测仪表投用伴热时要注意，由于伴热温度升高会导致引线内介质密度发生变化，如果正、负压受热不均衡，仪表示值就会产生波动或偏差，此时要将回路切至手动控制模式，否则回路无法投入自动控制。

采取的措施：加强液位计的日常维护，对于填充隔离液的仪表，要根据季节变化，动态调整填充周期；对于抗干扰能力弱的仪表，消除外界电磁干扰因素，或选用智能抗干扰能力强的仪表；对于仪表伴热的投用和停用，要缓慢并采取回路切手动的措施，保证仪表工作稳定。在工艺方面，不论是差压式还是应力式液位计，其调校都是按照设计参数进行的，如果工况参数与设计不一致，仪表示值就会存在偏差，产生虚假液位，影响回路自动运行。

2.1.4流量检测仪表

流量检测仪表因为种类较多、结构复杂且影响因素不尽相同。对于使用较为广泛的差压式流量计，要保证其显示准确，工作正常，应注意以下几点：

a. 工况参数恒定。差压式流量计根据运行条件(如温度、压力及介质密度等)进行计算并加工，如果实际参数发生变化[1]，如压力发生变化，对于测气流量计会产生较大影响；如温度发生变化，则对测液和测气流量计都有较大影响；如介质或介质组成即密度发生变化，则测量结果失真。

b. 正、负压引线内介质密度相同。在很多场合中，被测介质往往非单一组分，以检测油品为例，在油品中往往含有不同组分，流经管道时，重组分沉积在管道下侧[2]，由于孔板孔径远小于管径，油品再经孔板时，重组分会积至正压侧，导致仪表显示偏大。

c. 除科里奥利质量流量计外，其他任何流量计对工艺操作条件都有着苛刻的要求，偏离设计条件都会带来偏差，控制回路就无法自动运行。对于这种情况，应加强与工艺专业的沟通，保证运行条件与设计一致，当出现偏差较大时，应对仪表参数重新进行计算和调整。

2.2 控制器

控制器主要涉及回路的PID参数整定[3]，PID参数整定就是合理地选择PID参数。一般在工程应用中采用经验凑试法，从系统的稳定性、响应速度、超调量及稳态精度等方面统筹考虑。

2.2.1参数整定方法

经验凑试法在实践中最为实用。在整定参数时，必须认真观察系统响应情况，根据系统的响应结果确定调整相应的参数。同时观察系统响应效果，即查看控制回路实时趋势曲线，衰减曲线最佳比值是4∶1，即前一个峰值与相邻后一个峰值的比值为4∶1。

在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果进行修改，P代表比例度，K为比例放大倍数，P=1/K。PID参数经验值列表见表1。

表1 PID参数经验值

2.2.2参数凑试步骤

由于比例作用是基本的控制作用，因此首先把比例度凑试好，待过渡过程已基本稳定，然后加积分作用消除余差，最后加入微分作用进一步提高控制质量。基本参数凑试步骤如下：

a. 对P控制器，将放大倍数设为较小值，逐渐增大K，观察被控量的过渡过程曲线，直到曲线满意为止；

b. 对PI控制器，先置T1=0，按纯比例作用整定放大倍数使之达到4∶1衰减曲线，然后将K缩小(10%～20%)，积分时间T1由小到大逐步增大，直到获得4∶1衰减过程；

c. 对PID控制器，置T2=0，先按PI作用凑试整定K和T1参数，然后将放大倍数增大10%～20%，T1适当减小，再把T2由小到大逐步增大，观察过渡曲线，直到获得满意的过渡过程。

2.2.3注意事项

参数整定前要先校验传感器和执行器，保证现场仪表正常工作，可以先手动控制测量，手动状态测量的参数应该是稳定可靠的。然后暂时关掉积分调节，按经验值设定K参数，试着切换到自动观察阶跃响应，此时应特别注意控制器的输出，一定要判断回路是否为负反馈。

在整定参数时要保证工艺稳定，当影响到产品质量和工艺参数时要立即切换到手动控制，待工艺生产稳定后再投自动，修改PID参数。如果是串级、比例控制回路，要先一个回路再另一个回路地整定，还应注意先内环、后外环的原则。在手动切到自动时，要保证给定值与测量值近乎一致。

2.3 控制阀

控制阀是控制回路的执行环节，只要科学地选择操纵变量和调节阀的流通特性，自动控制就可以实现。为了很好地执行控制器的输出指令，调节阀必须精确装配，电气阀门定位器必须调校准确，并保证气源清洁，这样可保证其动作灵活精准，控制回路自动运行才有保障。

2.4 控制对象

控制对象往往是一个系统，因干扰因素错综交织，因此相对复杂。如反应器的床层温度控制，受进料温度、介质空速及催化剂活性等因素影响，小幅的波动系统会自动进行调节，如果波动较大，原先的PID参数已无法适应，且无法实现自动控制，但只要合理地选择操纵参数，适时人为干预，即可将被控参数控制在预期的指标范围内。

3 制约仪表自控率的人为因素

除仪表自身因素外，影响仪表自控率水平的还有人为因素，主要是人的思想观念。部分工艺操作人员担心仪表设备不可靠，如检测环节发出误信号，或执行环节出现误动作等，导致生产波动或引发事故，因此将控制回路切至手动模式，认为虽增加操作频次，但图个安全、省心，这种思想具有狭隘性，也是不科学的。因为庞大的控制系统，控制回路数以百计，人的精力非常有限。当然这种思想的产生是有原因的，以往曾出现过仪表误动作影响工艺平稳运行的事件。但是只要仪表专业人员不断从生产实际中总结经验和教训，充分识别影响仪表稳定性的潜在风险，并采取有效的防范或消减措施，便能使其长周期平稳运行，提高使用人员对仪表的信任度，这样仪表自控水平才会有效提高。当然操作人员也不能完全依赖控制系统，因为设备运行的环境相对平稳，但与各种干扰因素时刻相伴，这就要求对工艺参数设置预警提示，时时监控系统，及时发现异常情况，立即人为干预，排除扰动因素后，使其重新回至自动模式。

4 结束语

制约控制回路仪表自控率水平的因素很多，在实际工作中，只要合理地选择被控对象、操纵对象和控制方案，正确选择控制器和执行机构的作用形式，科学地进行系统组态和PID参数整定，并保证现场检测仪表的正确选型等，即可有效地提高仪表的自控率水平，企业的创效能力也能够大幅提升。