“看，我為公司省錢了！” ——PID整定帶來的三個好處：安全、利潤和能效
發布時間：2024-12-09 作者：Ed Bullerdiek
圖片來源：CEChina.cn
PID控制器調節是控制工程師的一項關鍵技能，但經常被忽視。投資于這項關鍵技能的理由是什么？為什么要整定控制回路？
為什么有必要整定控制回路，簡單回答就是因為不同過程其響應也不同。流量回路響應迅速，因此需要快速響應的控制器。溫度回路通常響應緩慢，因此需要反應緩慢的控制器。比例-積分-微分（PID）控制器是一種幾乎通用的過程控制工具，但它需要適應過程。將PID控制器與過程相匹配的過程稱為整定。
PID控制器調節對于制造企業來說很重要。適當的PID整定有助于提升安全、設備保護和過程效率。過程效率的提高，又會帶來更高的產量和能效，以及更少的浪費。
01 過程控制不斷增加的復雜性
過去，典型的過程控制運行人員需要觀察100到200個PID控制器。他們沒有高級過程控制（APC）應用來監視或確保系統的安全。如果存在安全系統，它們通常都設在現場。壓縮機喘振控制采用的也是現場安裝的專用成套設備。簡而言之，按照今天的標準，過程控制運行人員不需要關注太多。
如今，過程控制運行人員的職責更復雜。他們預計需要觀察多達500個PID控制器以及安全系統、壓縮機控制系統和APC應用。應用于過程裝置的控制也要復雜得多，具有多級級聯回路和其它復雜邏輯的特點。
控制技術已經取得了長足的進步，為操作員提供了更好的圖形，同時也避免了讓控制室里充斥著無用和令人困惑的警報。這一切都是必要的，但是還不夠。不能再指望過程控制操作員使用功能不全的控制器了。良好的控制器調節不再是可有可無的。
換一種方式想想：在運行人員需要觀察100個PID控制器的日子里，比方說他可以處理30個表現不佳的控制器（30%）。運行人員可能還有時間操作。如果在500個PID控制器中，有30%的控制器表現不佳，即150個控制器，那么過程運行人員就沒有時間密切關注所有這些控制器了。對于控制工程師來說，確保所有過程控制器正常工作變得更加重要。
02 正確的回路整定可以節省成本
對于大多數化工過程來說，要想獲得最大的盈利能力，通常需要在工藝約束條件下進行操作。其中包括產品質量限值（如純度）、裝置運行限值（如蒸餾塔溢流限值）和設備限值（如泵和鼓風機上的電機電流）。超過這些限值通常會受到嚴厲處罰（例如無法銷售的不合規格產品或設備跳閘以及隨后的過程混亂）。對于那些從事放熱反應的人來說，如果不能將過程控制在限值范圍內，可能會導致意外分解。
在控制回路整定不當的過程工廠中，或者更糟的是，由于無法信任而使用手動控制，運行人員往往會在遠離限值的工況下操作過程。這就留下了可觀的利潤空間無法實現。典型情況如圖1所示。
▲圖1：控制改善前的過程數據分布。
鐘形曲線表示過程數據的正態分布。曲線的尾部設置為剛好在任何過程限值以下結束，即右側幾乎垂直的藍色虛線。利潤曲線是頂部的藍色虛線。理論上的最大利潤位于利潤和工藝限值線交叉的右上角。然而，為了避免超出限值，該過程在遠離限值的情況下運行，因此過程數據的平均值在很大程度上位于最大利潤點的左側。這個過程賺的錢比它本來能賺的要少。
為了賺更多的錢，這個過程需要改變，擠壓鐘形曲線，使曲線的右端遠離過程限值，然后整個曲線需要向右移動，使曲線末端處于開始位置。完成后，結果如圖2所示。新曲線的盈利能力現在比以前更高了。
▲圖2：完成控制改進并根據限值調節運行后的過程數據分布。在不超過運營限值的情況下提高盈利能力。
適當的調節不僅可以減少可變性，還能推進約束條件。許多人認為僅僅減少可變性就能提高盈利能力。通常并不是這樣（除非你做錯了什么）。提高盈利能力需要將過程推向更接近約束條件的地方。一個過程能變化的范圍很小，因為仍然遠離所需的最佳值。
不幸的是，讓運行人員推動約束條件是控制專業人員工作的難點。操作員對年輕有為的工程師告訴他們需要做一些他們知道可能會增加其工作難度的事情持懷疑態度（這是正常的）。但是，如果工程師能夠開誠布公地提出建議，操作員還是愿意與他們合作的。先前的成功可以增加可信度。運行人員需要相信他們的工作會變得更輕松，或者至少不會變得更難。
03 煉油廠回路整定的案例分析
一位前老板最近告訴我說：“我從你那里學到的是：煉油廠周圍遍地是黃金。”接著，他講述了一個因回路整定而增值的故事。在我為他工作期間，他一直要求煉油廠副總裁為該廠的流化催化裂化裝置（FCC）提供一臺新的濕氣壓縮機。在此期間，我忙于調整和清理控制裝置，工藝工程師則與操作員一起努力，讓他們把催化裂化裝置推向極限。幾年下來，我們把加料率提高了約 20%，這時副總經理告訴我的老板："看，我為公司省錢了！”
該故事在整個煉油廠重復上演，盡管從未如此具有戲劇性。我們安裝了一個新的控制系統，修復了許多儀器和閥門，并調節了控制器。工作包括安裝先進的過程控制，并修復一些錯誤的基本控制。在大多數情況下，煉油廠工藝的改進可以歸結為減少可變性、調節PID控制器和讓運行人員突破極限。改進控制回路整定是所有工作的核心。
關鍵概念：
■ 正確整定PID控制器可以提高過程的安全性和盈利能力。
■ 隨著時間的推移，控制變得更復雜，過程運行人員需要監控更多的PID控制器，因此對調整定的需求增加了。
思考一下：
由于沒有有效地整定控制回路，您的工廠浪費了多少錢？