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回路监控器优化控制器的性能

作者:Vance VanDoren博士2011.11.09阅读 3834

  控制回路性能监控及优化软件的供应商描述了这些产品的作用以及用户能从中获得哪些利益。

  对控制回路进行监控和优化的目的可以用一个词语简单概括,那就是节省——节省能源、节省原材料、节省人工,与此同时在基于反馈控制的工厂中改善产品质量以及生产效益。商品化的回路监控器能够自动采集大量的回路数据并进行分析,从而寻找到改进的方向,帮助工厂操作人员实现目标。
  John Caldwell是Emerson Process Management公司的DeltaV产品市场部经理,主要负责先进控制和仿真产品。他解释说:“对企业而言,过程的多变性以及不佳的控制性能每年都可能造成上百万美元的财产损失,而他们往往没有意识到这一问题的存在。控制工程师需要经常在超出工作时间且装备不够精良的情况下对他们负责的几百套控制回路以及设备进行监控和维护。造成这种情况的原因是传统控制系统无法提供一套系统的监控、诊断和改进过程控制性能的方法。”

      一套稳定的过程能够在接近报警极限的位置工作控制工程网版权所有,使得整体产量得到提升

  Caldwell说:“因此,我们迫切需要一套控制回路监控器。该监控器需要提供一套改善控制的系统化方案,例如监控控制效果、识别和诊断故障回路、指导调节和维护的方向以及不断适应变化的环境,从而实现工厂的性能优化。”
  控制回路监控软件一般被安装在一台与工厂现有控制系统联网的服务器中。它从每条回路中采集各种统计数据,从而推断控制器是否物尽其用、哪些控制器的性能还可以被进一步提升。
  ExperTune公司主管市场和产品开发的副总裁George Buckbee对此作了详细的说明:“监控控制回路性能的工具从常规的过程数据中提取出有价值的诊断信息。这些诊断信息远远超出了传统控制器调节的范畴www.cechina.cn,涵盖了设备失效、控制阀性能、设备尺寸、过程交互、潜在的利益损失、质量管理、甚至是操作员装货等多个方面。”
  关键性能指标
  控制回路监控器能够采集并播报的具体性能指标包括了一些统计参数,例如过程变量的方差、标准差和总体误差。通过这些参数,能够推断出过程的变化趋势、回路的调节情况以及回路之间的耦合情况。
  Yokogawa VigilantPlant服务中心的市场总经理Michinao Takamuku还把控制时间(又名“回路可控性”或“利用率”)、与操作变量超出范围有关的时间、处于正确模式下的时间作为一台控制回路监控器能够追踪的关键性能指标。他补充说:“理想情况下,这些结论应该被设置为自动综合播报功能,根据客户的喜好,以日报、周报或月报的形式提供。并且对回路进行排名,使得操作人员和维护人员轻而易举地发现回路中存在的问题。”
  对于那些有很大改进空间的控制回路而言,控制回路监控器的识别功能能够带来巨大的经济利益。RoviSys公司的先进过程服务总监John Cunningham指出:“对于那些存在大量问题的回路,回路性能监控能够帮助你发现‘薄弱环节’——对过程产出、生产效率以及产品质量造成重大影响的环节。性能监控软件会帮助你区分问题的严重程度、找出问题的实质、并且证明经过改进的过程或控制方案确实会使你从中获益。通过记录控制回路的历史统计数据,你可以对改进的效果了如指掌,并且从经济角度加以衡量。”
  定位问题
  那么,控制回路监控器能够从采集到的统计数据中推断出哪些问题呢?PiControl Solution公司的产品经理Steve Howes列举了其中的一些:“抖动、控制阀滞后或滞回、控制阀输出过度、过程变量需要滤波、控制滞后、信号中夹杂脉冲、模式切换过度、运行率低下、调节参数欠佳等等。”
  他还指出:“这些问题中,有许多是由来已久的。相关人员在不借助自动监控工具的情况下无法照顾得面面俱到。尤其是当他们需要监控成百上千套控制回路时,情况更是如此。即使对于一家只有几条控制回路CONTROL ENGINEERING China版权所有,且每条回路在初次安装时已经被调试到了最优的工厂而言,当生产部件进入疲劳期后,曾经表现良好的控制回路也会出现性能退化。同样的,过程、操作、经济情况的变化会反映在过程的动态性能以及参数上,这正是引起回路抖动和滞后的原因。”
  或者,正如Conrol Arts公司的首席开发工程师Alan Hugo所言:“正是由于阀门会出现滞后、过程的动态性能会发生改变控制工程网版权所有,监控才有用武之地。解决这些问题往往轻而易举,如何发现问题才是难点。”

  实现利益
  Howes总结道:“如果一家工厂希望实现高效的运转、实现利益最大化、并且在当今这个充满竞争的全球化市场中保持竞争力,那么他们需要联网、需要采用自动控制监控工具。”由此带来的经济利益将会十分诱人。据Howes所言:“通常情况下,一项控制回路监控项目能够为工厂增加2%到5%的利润和生产率。在一些经典的项目中,上升幅度甚至达到了10%。如此算来,每年能够为一家工厂带来5万到3百万美元的经济利益。”
  Control Station公司的总裁兼CEO Dennis Nash对此表示赞同:“PID回路调节不应该被视作每年一次的维护操作中的可选项目,将一些‘坏动作’剥离出来已经被证实是一项艰巨的任务。这也解释了为什么目前市场上的解决方案会持续地对一条PID回路进行监控,并且分析它与其他回路之间异常复杂的耦合关系。此外,PID回路调节本身也变得异常复杂了,远远超出了自动调节功能的范畴。自动调节反而成为了监控功能的一个组成部分。随着非稳态调节技术的发展,PID回路分析既能够在正常状态,又能够在出现波动的过程状态下进行。”
  ControlSoft的市场及销售经理Paul Botzman对回路监控的优点作了总结:“这些解决方案能够在实时状态下为负责人、工程师或工人们提供一系列操作(以性能预测、通知用户、生成个性化专业化报告等形式),帮助他们最大化地利用信息并采取行动。于是,相关人员不再需要通过大量的数据处理和分析做出预测。他们在掌握了专业化的报表之后,可以根据性能和经济的优先等级将注意力集中到过程的某些部分,对资源进行分级,从而节省时间和金钱。”


  频率分析为控制回路优化助力
  每一款用于监控工厂反馈控制回路性能的商业化产品都会采用不同的方法实现基本的计算功能,但是其中大部分是基于一些频率分析技术的。控制回路监控器能够识别波动频率相同或成分相同的变量,从而确定哪些变量之间存在关联。
  频率分析在发现回路之间细微的相互作用以及寻找扰动的源头方面大有用武之地。例如,如图所示的简化的批量生产过程中。某种原料在进入右侧的2号罐体时,需要经过一条位于左侧1号罐体上方的管道。当左侧的罐体被加热时,管道内的原料也被间接加热了。一台控制回路监控器能够采集到两个罐体温度控制器的数据,并发现2号罐体的温度随1号罐体的温度波动,从而识别这一设计之外的耦合作用。  

        工程师在掌握了这一情况之后,就能够通过隔离送料管道、重新放置送料管道或者重新设定罐体的加热时间等手段消除这一意外的加热现象。其实CONTROL ENGINEERING China版权所有,这里所假设的问题是非常容易得到修正的。实际情况下,问题将会复杂许多,以至于回路监控器无从发现温度的波动到底源自何方。

  控制回路性能监控能够降低过程的多变性
  一台标准的回路监控器需要实现的首要目标是降低被测环境的多变性。这些变化可能是由错误的回路调节,不可控的回路耦合,以及传感器、执行器、I/O这些连接控制系统与真实世界的设备的性能退化所导致。大部分问题都能够通过合适的回路监控工具被发现并予以修正。图片显示了降低过程多变性的重要性。如果某个过程变量的实际值与设定值之间的偏差比较小,那么过程就可以在接近报警极限的位置工作,此时的生产效率往往比较高。PAS公司的技术部副总Jim Huff说:“这方面的关键在于了解过程和控制系统、选择合适的工具、最重要的是遵循一种系统性的方法。”

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