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      我們如何改進 PID 控制回路監控

      發布日期:2022-03-16  來源:  作者:  瀏覽次數:
      【導讀】:我對指示循環運行情況及其面臨的挑戰的診斷特別感興趣。我開發了一個用于數字孿生仿真的 DeltaV 模塊,用于計算正常運行期間的峰值誤差和積分誤差,以顯示 PID 抑制負載干擾的能力。......
       ISA Mentor Program 的關鍵資源 Mark Darby 提出的以下問題旨在就如何改進PID控制回路性能監控展開對話。 
       
      Mark Darby 是石化、煉油和石油和天然氣行業的顧問,他在以下領域提供過程控制服務:效益研究、項目實施和技術評估/開發。此前,他曾在 Setpoint 和 AspenTech 擔任多個技術和管理職位。Mark 還曾擔任休斯頓大學化學工程系的講師。他與休斯頓大學和楊百翰大學 (BYU) 的化學工程系合作,并在德克薩斯理工大學化學工程系的外部顧問委員會任職。 
       
      馬克達比的問題 
                    對所有組件和方面(包括:測量、非常終控制元件、過濾、更新率、調整、干擾和交互)進行全面控制回路監控的工作流程、技術和解決方案以及應該涉及的人員是什么?區分短期和長期問題可能是適當的。 
       
      米歇爾·魯爾的回答 
                    我建議使用專門的軟件或在歸檔軟件或數據采集系統中使用簡單的測量來進行不同級別的監控。報告應以每個類別的特定格式自動發送給適當的人。工藝工程師需要對一個區域和前五個有問題的循環進行評分。過程控制工程師應該收到有問題的回路或設備的清單。非常后,經理應該收到每個區域的分數或顏色編碼的條形圖。 
       
      關鍵是選擇不同指標的簡單統計。例如: 
       
                    1、95% 或更多時間對應于某個標準的循環百分比,
                    2、一組循環在選定邊界內的平均時間百分比,
                    3、異常循環的百分比等。 
       
      基本指標: 
       
                    1、以非常高模式循環
                                  (1)(自動/手動、級聯/自動/手動、遠程/本地/手動等)
                    2、回路未飽和(PV 和 CO)
                                  (1)Min<Actual PV<Max AND Min<CO<Max
                                                   非常小值、非常大值可以是正常操作定義的變送器/閥門限值或范圍
                                  (2)PV信號正常
                                                   低于某個值的噪聲
                                                   在非常后 x 分鐘內檢測到 PV 運動(未凍結)
                                 (3) 循環不在警報中 
      循環行為指標: 
       
                    1、CO信號正常
                                  (1)未檢測到粘/滑循環
                                  (2)未檢測到振蕩
                                  (3)沒有靜摩擦(使用功率譜分析和高級統計存在特殊功能)
                                  (4)過程增益在限制范圍內
                    2、檢測到循環交互
                    3、操作員活動異常
                                  (1)SP 變化的計算
                                  (2) 模式變化的計算
                    4、PV和CO異常統計
                    5、每天閥門行程
                    6、每天換氣閥
                    7、時間百分比閥在正常范圍內
                    8、SP、PV、CO統計 
       
      運營指標: 
       
                    1、設定點活動
                                  二級級聯循環
                                  級聯系統中的獨立或主回路
                    2、操作員活動(每班擊鍵次數)
                    3、每天的模式變化
                    4、關鍵變量統計
                    5、報警管理指標 
       
      一個區域的主管和工藝工程師的報告示例: 
       
                    正常運行的循環百分比
                                  95% 或更多時間的指數組合
                                  例如:
                                                循環不在警報中 AND
                                                循環不振蕩 AND
                                                以非常高模式循環 AND
                                                PV 未飽和 AND
                                                CO 不飽和和
                                                未檢測到閥門問題(指數組合)和
                                                SP 活動低于上述限制和
                                                模式更改超過限制 
       
      一個區域過程控制工程師的報告示例;對于每個元素,時間百分比: 
       
                    需要注意的循環百分比
                                  振蕩循環列表
                                  存在閥門問題的回路列表
                                  有發射器問題的環路列表 
       
      如果工廠正在使用軟件來監督過程控制回路和控制策略,則此類報告已配置好,用戶可以修改這些報告。報告可以發送給經理、主管、過程工程師、計劃人員、過程控制工程師和儀器技術人員。為避免數字過多,報告應提供“摘要數字”,例如,正常運行的循環百分比,其中“正常運行”由方程式和指標集定義。 
       
      報告的頻率因每個角色而異。報告應限于非常簡潔的形式,非常好少于一頁,但帶有超鏈接以供挖掘和分析。 
       
                    經理:每月一次,每周一次,除非統計數據低于一定數量
                    工藝工程師:每周和每天
                    過程控制工程師/儀表技術員:每天 
       
      主要困難是確保人們采取行動。如果報告足夠簡單,則結果可用于計算年度獎金,例如,對于流程工程師,平均年度績效(正常運行中循環的百分比)。 
       
      尼古拉斯·桑茲的回答 
      上面 Michel Ruel 提供的指標列表非常好。挑戰在于專注于能夠帶來真正好處的改進行動。 
       
      使用軟件工具更容易跟蹤收益。一個好的軟件工具將使用過程數據(PV、SP、OP)和事件數據(警報、模式、OP 或 SP 更改等操作)。結合這些數據可以指出有好處的循環與沒有好處的循環。例如,如果反應器進料流量控制回路經常是手動的,并且操作員經常改變輸出,那么解決回路問題可能會有好處。另一方面,如果回路是僅在停機期間使用的氮氣吹掃流量回路,并且回路處于手動狀態而操作員未更改輸出,則在回路上工作可能沒有什么價值。出于這個原因,有一種方法來對循環的價值進行分類是很有幫助的,如果軟件工具具有此功能,則更有幫助。 
       
      如果發現正確的循環存在問題,則可以針對不同的受眾以幾種不同的方式使用數據。非常重要的機會列表有利于運營、維護和技術團隊審查和制定計劃。關鍵指標的趨勢有助于管理層了解整體績效是變好還​​是變壞。指標可能包括具有良好性能的關鍵循環的百分比、解決關鍵循環問題的時間或循環在列表中停留的時間,以及解決的關鍵循環問題的數量或捕獲的業務價值。 
       
      路易斯·納瓦斯·古茲曼的回答 
      我的 Control Talk 文章“控制系統診斷的結構化方法”,介紹了用于情景分析的控制系統級別,同時考慮了ANSI/ISA-18.2-2016、過程工業報警系統管理和ANSI/ISA -95 IEC 62264 企業控制系統集成。應該了解當前情況,分析您的需求,實施新措施,并確保對每一層進行充分的診斷。 
       
      格雷格麥克米蘭的回答 
      Michel、Nick 和 Luis 提供的診斷非常廣泛,值得努力實施。必須注意識別由停機、啟動、轉換、批處理操作和程序自動化設置的PID控制器模式和輸出,以免產生錯誤診斷。 
       
      我對指示循環運行情況及其面臨的挑戰的診斷特別感興趣。我開發了一個用于數字孿生仿真的 DeltaV 模塊,用于計算正常運行期間的峰值誤差和積分誤差,以顯示 PID 抑制負載干擾的能力?梢愿鶕僮髂J胶蜅l件重置塊。該模塊還捕獲過沖和下沖,并計算設定點變化的上升時間和穩定時間。 
       
      此外,該模塊計算通信次數,這對于無線發射器的電池壽命可能很重要。一個很好的擴展是捕獲與峰值誤差相對應的非常終控制元件的峰值運動,以指示干擾的大小,并將抖動計算為 PID 輸出中大于死區和分辨率的反轉非常終控制元件,它對磨損很重要,并且表明噪音過大。 
       
      非常后,我很想看到識別極限環并計算其周期和幅度的能力,無論它是由死區還是分辨率引起的。在我對 2 月份 ISA 導師計劃博客的回答中,能夠在線衡量過程能力和效率線,“可以做些什么來增加 PID 控制的創新?”,通過顯示對底線的影響,極大地增加了診斷的動力。溫度、pH 和成分控制回路通常對底線的影響非常大,因此應更密切地監測。 
       
      非常容易估計的參數是總回路死區時間,即過程變量開始以正確方向響應控制器設定值或手動輸出變化所需的時間。然后可以分析當 PID 處于手動狀態時不存在的衰減振蕩周期的原因。 
       
      在第六版 2019,第 7 章 - 控制系統基礎知識問題解答提供以下內容: 
       
                    “總環路死區時間可用于根據以下簡單的經驗法則來提供指導,以確定臨界頻率(非常終周期)和觀察到的振蕩源。本指南適用于使用標準或系列形式的 PID 控制器時不占主導地位的回路。如果不需要嚴格控制,可以放寬第 2 項。然而,一個非常大的濾波器或測量滯后會導致振蕩。
       
                    1、干擾振蕩周期 2x => 10x 死區時間可能會發生共振
                    2、PID 執行率和過濾時間應分別 < 0.2x 和 0.1x 死區時間
                    3、振蕩周期 < 4x 死區時間表示 PID 速率時間過大
                    4、振蕩周期 < 5x 死區時間表示 PID 增益太大
                    5、振蕩周期 5x => 10x 死區時間表示復位時間太快
                    6、振蕩周期 > 10x 死區時間表示閥門和 VSD 問題(死區、分辨率限制、緩慢的行程或速率限制,以及較差的執行器和定位器靈敏度)。如果積分分量分別超過 1 個和 2 個,則分辨率極限和死區可能會導致極限循環(恒定幅度振蕩)。積分組件可能是由于控制器和定位器中的積分作用以及過程中的積分作用(例如,液位)。
                    7、接近或超過 40 倍死區時間的振蕩周期表明 PID 增益對于接近積分、積分和失控過程來說太低了。”
       
      有關 PID 性能的更多信息,請參閱 ISA Mentor Program 網絡研討會系列“ PID 選項和解決方案”、Control Talk 專欄、“隱藏的 PID 揭示,第 4 部分”,以及2014 年調整和控制回路性能第四版一書。 
       
      喬治巴克比的答案 
      我將討論一些尚未討論的問題。 
       
      首先,必須配置控制回路監控系統以了解過程上下文和回路狀態。如果設備處于離線狀態或處于其他一些異常狀態,則循環性能指標意義不大。每個單獨的控制性能指標或診斷可能取決于單元的狀態或回路的狀態。例如,當回路處于手動狀態時,監控與設定值的偏差通常沒有意義。將監控系統配置為具有正確的邏輯以提供質量指標和診斷非常重要。如果跳過這一步,那么你會有很多數字,但它們很難解釋。 
       
      其次,指標和診斷之間存在差異。指標(關鍵績效指標或 KPI)有助于跟蹤一段時間內的績效、向管理層報告進度以及選擇重點領域。增加經濟權重可以極大地幫助這一點。知道 20% 的關鍵循環處于手動模式是非常有用的信息。它有助于管理層確定優先級,但工程師或技術人員需要更多信息才能采取行動。為什么手動循環?簡單地將循環返回到自動模式將是一個巨大的錯誤! 
       
      另一方面,診斷用于查明和解決特定問題。一些指標可用于驅動診斷。例如,如果一小時內的非常大 PV 等于一小時內的非常小 PV,則傳感器可能損壞。尼克關于專注于行動的評論是這個對話中非常重要的一點之一。診斷應推動具體行動以進行改進。使用指標來管理程序,并使用診斷來推動日常行動。 
       
      非常后,我將回到馬克非常初關于工作流程的問題。為了從控制回路性能監控中獲得價值,我們需要考慮如何將這些信息整合到每日、每周、每月和停機計劃工作流程中。定義標準工作流程以及角色和職責可以明確期望,并使流程在組織中保持不變。以我的經驗,跳過工作流程規劃的網站通常依賴于單個冠軍的行動,并且收益往往會隨著時間的推移而消失;〞r間開發和記錄工作流程的站點往往會在長期內持續提供改進。 
       
      馬克達比的后續行動 
      一些后續的想法: 
       
      應定期監測和檢查所有回路(有或沒有專用監測系統),但有些回路通常對工藝單元的正常運行更為重要,因此具有更高的監測優先級。 
       
      例如,蒸餾系統中的溫度控制器和壓力控制器。從我的 MPC 工作中,我在查看 MPC 的行為之前抽查這些以確保它們的行為正確。此外,溫度控制器通常會顯示可能源自上游的干擾的影響。在有意義的時間段內設置這些關鍵循環(SP、PV、CO)的專用趨勢有助于快速了解性能并確定是否需要進行額外的分析或故障排除。這些循環也是其性能(因此,調整)對于非常小化對構圖控制的干擾非常重要的循環。這些可以很容易地使用上述標準進行基準測試。衡量干擾抑制的一種有用方法是評估回路恢復到測量的干擾,如進給率, 
       
      啟動循環改進活動(可以成為工作流程的關鍵部分)的一個好方法是根據循環狀態通過服務因素來定位循環。這背后的假設是,如果控制回路運行良好(根據操作員的行為判斷),它將大部分時間保持在正常模式。給定的循環可能沒有一種正常模式。它可能是基于條件的(例如吞吐量大。,因此將需要條件邏輯。然后可以使用指定回路重要性(基于安全性或經濟性)和低服務系數的組合來確定回路的優先級以供進一步調查,從而可能進行重新調整、測量改進、閥門改進或回路重新配置。

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