煤化工仪表自控率提升措施分析

作者简介：刘恩（1984-），工程师，从事化工装置自控及智能化设计工作，13669358705@139.com。

引用本文：刘恩.煤化工仪表自控率提升措施分析[J].化工自动化及仪表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘  要  分析3家煤炭企业自控回路无法投自动的主要原因，并以自控基础理论为切入点，给出了提升仪表自控率的技术措施和管理措施。3家煤炭企业采取相应的改进措施后仪表自控率均得到了显著提升。最后为实现精益化生产经营和专门化技术创新提出了明确建议。

关键词  仪表自控率  自控回路  改进措施  煤化工

中图分类号  TH86               文献标识码  B                文章编号  1000-3932（2023）06-0000-00

在实践中，提升煤化工仪表的自动化控制水准对于煤炭工业的发展至关重要。通过引入先进的自动控制技术，煤炭企业能够实现生产工艺的精准控制，有效降低生产过程中的人为干预，从而显著提高生产效率。其次，自动控制的实施不仅要保障生产工艺安全，还应注重能源和物质的合理利用。通过优化控制策略，可以降低能源消耗，减少生产过程中的废料产生，进而降低环境负荷，实现可持续发展。仪表自控率是评估自动控制实施状况的主要技术指标，它反映了工艺系统设计水平、操作人员的熟练程度、独立保护层的应用程度以及相关仪表和设备的自动控制水平。因此，在提升仪表自控率的过程中，必须全面考虑这些因素，通过科学的方法和先进的技术手段进行改进。笔者通过对3家煤炭企业提高仪表自控率的案例进行深入分析，为煤化工行业提升仪器仪表的使用、维护和管理水平提供参考。通过不断完善自动控制技术，保证煤炭工业的生产安全、稳定和高效进行，对于行业的可持续发展具有积极的推动作用。

1  仪表自控回路未投自动原因分析

笔者对3家煤炭企业的仪表自控率情况进行了调查（表1），通过分析未投自动的仪表自控回路，發现造成自控回路失效的主要原因为仪表设备故障和工艺过程故障，具体原因是仪器的选择和生产不相适应，自动控制回路的调整质量较低，技术环境不完善，以及生产工人的工作理念和方式。

在煤炭工业生产过程中，仪表自控回路没有投入使用，通常体现在6个方面[1]：

a. 由于PID参数设置不当，使系统参数调整变得困难，在投入自动时造成系统波动大、不稳定；

b. 不科学的控制计划使得某些环节与现场作业情况不相符，控制成效不显著，投入运行有一定难度；

c. 流量、液位测量值与实际数据存在较大差异，调节阀内漏超过标准，阀座精度低，导致仪表应用效果不好；

d. 仪表的选用不符合现场情况，如阀门尺寸较大，长期处于较低的开启状态，导致其无法投入自动控制；

e. 工艺生产过程调节频率较高，但操作者出于危险考虑只进行了简单的操作；

f. 仪表自控率是单一性的，其只考虑仪表设备故障导致的不能自动控制的情况，无法体现工艺过程故障的影响。

2  提升仪表自控率的技术措施

PID负回路闭环控制的工作原理是由测量变送器对被控目标要求的工艺参数进行测量，再通过PID控制器比较测试结果与设定值，得出误差信号，并以偏置信号的幅值和取向为依据，来调节执行器的运行，从而使控制变量靠近并保持在设定数值上，如图1所示。

2.1  PID控制器参数优化

2.1.1  设置PID控制器手动方式下设定值跟踪测量值

虽然在手动方式下，可以保证调节阀的阀位固定，工艺参数的稳定，整个生产过程顺利进行。但是如果此时切换到自动控制模式，调节阀的阀位及工艺参数将会发生大幅波动，对生产造成不利影响。这是因为在从手动方式切换到自动控制模式的过程中，PID控制器产生了较大的干扰。因此，在PID控制器参数的设定中，有必要对下设的手工调节和所测得的参数进行跟踪调整，以确保手动方式无扰动地切换到自动控制模式，从而保证系统的稳定运行。

2.1.2  优化PID参数整定及控制算法选择

PID调节是自动控制的先决条件。采用PID调节方法，通过调节PID参数使系统达到最佳状态，从而实现良好的控制品质，达到优化工艺生产的目的。一般情况下，先通过试验和经验值来确定PID参数（表2），然后根据具体工艺要求在此基础上对PID控制系统进行控制并优化PID参数。

为了适应不同的控制过程，DCS一般采用三类PID控制策略，并具有两类特殊函数（表3）。针对不同的设计使用工况，通过选择合适的PID控制策略及PID控制函数，能够有效改善系统的自控性能。

2.2  测量及执行环节优化

在整个PID控制系统中，测量变送器的准确性和执行器（调节阀）的控制效果会对整个控制系统的调节品质产生很大影响。而变送器和调节阀都会与制程介质直接接触，工作条件比较苛刻，容易出现故障。因此，对仪表选型、参数设置、维护保养等进行优化，是实现高品质自控的关键[2]。

2.2.1  合理的仪表选型

仪表的实际生产与设计计算是有一定差异的，因此在实际使用前需对仪表重新选型，并对其进行优化，从而满足实际使用测量和控制的需要。特别是在煤化工条件苛刻的生产单元，仪表的选用还处在探索和积累的阶段，有些测点到目前为止还无法长期投入使用。

仪表选型工作主要包括以下3方面：

a. 再选择测量范围。若阀门的口径过大，会导致阀门在小开度下工作，造成调节比下降，控制效果下降，严重时会产生振动，无法投入使用，因此必须根据实际情况，对阀门的流量系数和直径进行调整。

b. 选类别。以流量计为例，孔板流量计的计量准确度较低，且维修难度较大。相比之下，利用涡街流量计、電磁流量计、质量流量计等不需要压力补偿的测量值，不仅可以提高测量精度，而且便于维护。

c. 重新选择仪表配件。针对工艺过程中流体介质的侵蚀作用，可选择哈氏合金等抗侵蚀的材质，并使用激光熔化涂层对其进行防腐处理。针对压气机管道的高频、大振幅特点，为了避免压缩机管道脱落，通常在阀门上采用分体式阀座，并以金属缠绕管作为供气管路，以防其掉落。由于阀体不平衡力造成的阀座经常出现故障，因此需要对阀座进行适当调整，如将角阀的边进边出变为底进边出。

2.2.2  优化参数设置

随着智能技术的发展，仪器仪表的维护和应用变得更为便利，但同时也对维修人员的技能水平提出了更高要求。因此，维修人员需要对仪表的各项参数进行深入理解，以确保最大限度地发挥仪器的性能和功能。例如传输机，通过调节介质的波动可以有效调节阻尼因子和衰减系数，从而使得测试值保持相对稳定，这对于保证测试的准确性和可靠性至关重要，特别是在复杂多变的工业环境中；涡街流量计则提供了更多的计量方式选择，这取决于所测量介质的特性。深入理解涡街流量计的工作原理和不同计量方式的适用场景，可以帮助维修人员在实际操作中选择最合适的测量方式，从而提高测量精准度和可靠性。此外，针对智能阀电位计，维修人员可以根据实际情况设定调节阀是线性的还是等比例的。这种定制化的设置可以根据具体工艺要求来进行调整，从而最大程度地满足工业生产的需要。

综上所述，随着智能技术的运用，维修人员需要具备更高层次的技术理解和操作能力，以应对日益复杂多样的工业环境。只有深入了解仪器仪表的工作原理和参数特性，才能有效发挥其作用，保证工业生产的稳定和高效运行。

2.3  控制方案优化

在实际生产过程中，80%的环路较为复杂，包括串级环路、分程环路和复合环路。据此控制系统优化方案包括以下4点工作[3]：

a. 选择合适的被控变量，使之更好地体现被控对象的可控性；当无法进行直接控制时，所选择的非直接指数参数要具有单一的单数值，且具有足够的变化敏感性。

b. 编写控制计划书，并对其进行详细分析。在选择复杂的控制方案时，应确保其工作稳定、使用简便。

c. 在仪器设备出现故障时，建立自动切换策略，在仪表发生故障时，由自动控制切换到人工控制，并发出警报，提醒工艺人员进行干预。

d. 控制方案最佳化。由技术员及仪表专家共同确认、执行、测试，并根据需要对方案进行控制计划的变更。

3  提升仪表自控率的管理措施

3.1  加强仪表维护管理

仪表维护管理措施包含以下两点：

a. 强化人员专业技术培训。设计人员、操作人员要对仪表的工作原理及其组成结构有一定的认识，要对仪表工作条件和安装要求有一定的了解，通过正确的仪表参数设置、投用调试，对仪表故障展开分析，从而加强对仪器仪表的日常管理。做好仪器安全隐患排查与处理、“低、老、坏”的处理以及仪表的“五定期”管理，尽快找到问题所在并解决问题[5，6]。

b. 加强生产装备零部件的管理。将备品备件归类，从仪表停机状态、重要程度、供货周期等方面来对其进行分级管理，制定出一个合理的备品备件储备计划，以保证仪表能够得到及时更新。

3.2  推进仪表自控率的自动统计

智能仪表自控率统计的关键在于通过PID函数块中的工作模式标记位来实现预置程序操作，具体方式有以下3种：

a. 使用现有的MES系统。利用MES系统对DCS各控制回路PID模块的工作方式标识位进行采集，将PID块在自动运行时的PID块数目进行累加，将未参与运算的PID块剔除，然后利用公式求出仪表自控率。

b. 使用DCS配置功能模块。利用程序块累计出PID块数目，然后利用运算模块求出设备的自控率。此方案会占用DCS的运行空间，为确保DCS的控制性能，应避免使用此方法进行仪表自控率统计。

c. 利用DCS的报告功能。首先将DCS的PID各控制回路的工作模式识别位添加到报表中，然后将PID的工作模式识别位导入到报表中，最后通过报表操作函数求出仪表自控率[7，8]。

4  应用效果

对3家煤炭企业的仪表自控率进行跟踪，结果如图2所示。可以看出，通过采取相应的改进措施，3家企业的仪表自控率均得到了提升，尤其C公司，其仪表自控率增幅显著。

5  总结与展望

提高企业仪表自控率，可作为提高煤炭工业自动化水平的一种有效手段，主要从以下几个方面着手：

a. 强化精细经营。采用自控率统计方法，按照设备、中心、公司3个层级，以及仪表和工艺层级，对月度、季度和年度的技术参数进行分析，找出制约因素，并结合实际应用进行评估，从而达到提高仪表自控率的目的。

b. 成立专项技术攻关团队。投产时，由于各生产设备负荷变动，仪表变送器、阀门无法适应现场的需求，此时工艺、设备、电气、仪表等技术攻关小组可对无法进行有效控制和投资不足的线路进行技术分析，并结合自身特性，给出相应的处理方案，以保证其稳定性。

c. 采用先进过程控制技术，实现对系统的实时监控和故障分析；通过监测与分析DCS的运行状态，实现DCS的控制循环，各部件的投入和质量自动计算；编写相关控制评估报表，以便于实施技术改进。

参  考  文  献

[1] 李文，凤建刚，刘杰.MTP装置自控率低的原因分析及改进措施[J].仪器仪表用户，2023，30（2）：27-30；78.

[2] 王永江.提高化工生产装置仪表自控率的措施[J].化学工程与装备，2022（8）：178-179；183.

[3] 冯飞.煤化工仪表自控率提升分析[J].甘肃科技纵横，2022，51（6）：32-35.

[4] 计国忠.炼油企业仪表自控率提升应用实践[J].石油石化绿色低碳，2022，7（2）：58-63.

[5] 李强.提高仪表自控率的方法分析[J].山西建筑，2018，44（34）：118-119.

[6] 陈顺强.仪表自控率低原因及提升措施[J].仪器仪表用户，2018，25（1）：107-110.

[7] 许兆权，宋杰，徐龙甫.提高仪表自控率以增强装置运行稳定性[J].中国仪器仪表，2017（9）：41-45.

[8] 蒲保钢.多种举措并举，切实提升装置自控率[J].化工管理，2017（8）：93-94.

（收稿日期：2023-04-13，修回日期：2023-10-16）