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我们如何改进 PID 控制回路监控

发布日期:2022-03-16  来源:  作者:  浏览次数:
【导读】:我对指示循环运行情况及其面临的挑战的诊断特别感兴趣。我开发了一个用于数字孪生仿真的 DeltaV 模块,用于计算正常运行期间的峰值误差和积分误差,以显示 PID 抑制负载干扰的能力。......
 ISA Mentor Program 的关键资源 Mark Darby 提出的以下问题旨在就如何改进PID控制回路性能监控展开对话。 
 
Mark Darby 是石化、炼油和石油和天然气行业的顾问,他在以下领域提供过程控制服务:效益研究、项目实施和技术评估/开发。此前,他曾在 Setpoint 和 AspenTech 担任多个技术和管理职位。Mark 还曾担任休斯顿大学化学工程系的讲师。他与休斯顿大学和杨百翰大学 (BYU) 的化学工程系合作,并在德克萨斯理工大学化学工程系的外部顾问委员会任职。 
 
马克达比的问题 
              对所有组件和方面(包括:测量、非常终控制元件、过滤、更新率、调整、干扰和交互)进行全面控制回路监控的工作流程、技术和解决方案以及应该涉及的人员是什么?区分短期和长期问题可能是适当的。 
 
米歇尔·鲁尔的回答 
              我建议使用专门的软件或在归档软件或数据采集系统中使用简单的测量来进行不同级别的监控。报告应以每个类别的特定格式自动发送给适当的人。工艺工程师需要对一个区域和前五个有问题的循环进行评分。过程控制工程师应该收到有问题的回路或设备的清单。非常后,经理应该收到每个区域的分数或颜色编码的条形图。 
 
关键是选择不同指标的简单统计。例如: 
 
              1、95% 或更多时间对应于某个标准的循环百分比,
              2、一组循环在选定边界内的平均时间百分比,
              3、异常循环的百分比等。 
 
基本指标: 
 
              1、以非常高模式循环
                            (1)(自动/手动、级联/自动/手动、远程/本地/手动等)
              2、回路未饱和(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义的变送器/阀门限值或范围
                            (2)PV信号正常
                                             低于某个值的噪声
                                             在非常后 x 分钟内检测到 PV 运动(未冻结)
                           (3) 循环不在警报中 
循环行为指标: 
 
              1、CO信号正常
                            (1)未检测到粘/滑循环
                            (2)未检测到振荡
                            (3)没有静摩擦(使用功率谱分析和高级统计存在特殊功能)
                            (4)过程增益在限制范围内
              2、检测到循环交互
              3、操作员活动异常
                            (1)SP 变化的计算
                            (2) 模式变化的计算
              4、PV和CO异常统计
              5、每天阀门行程
              6、每天换气阀
              7、时间百分比阀在正常范围内
              8、SP、PV、CO统计 
 
运营指标: 
 
              1、设定点活动
                            二级级联循环
                            级联系统中的独立或主回路
              2、操作员活动(每班击键次数)
              3、每天的模式变化
              4、关键变量统计
              5、报警管理指标 
 
一个区域的主管和工艺工程师的报告示例: 
 
              正常运行的循环百分比
                            95% 或更多时间的指数组合
                            例如:
                                          循环不在警报中 AND
                                          循环不振荡 AND
                                          以非常高模式循环 AND
                                          PV 未饱和 AND
                                          CO 不饱和和
                                          未检测到阀门问题(指数组合)和
                                          SP 活动低于上述限制和
                                          模式更改超过限制 
 
一个区域过程控制工程师的报告示例;对于每个元素,时间百分比: 
 
              需要注意的循环百分比
                            振荡循环列表
                            存在阀门问题的回路列表
                            有发射器问题的环路列表 
 
如果工厂正在使用软件来监督过程控制回路和控制策略,则此类报告已配置好,用户可以修改这些报告。报告可以发送给经理、主管、过程工程师、计划人员、过程控制工程师和仪器技术人员。为避免数字过多,报告应提供“摘要数字”,例如,正常运行的循环百分比,其中“正常运行”由方程式和指标集定义。 
 
报告的频率因每个角色而异。报告应限于非常简洁的形式,非常好少于一页,但带有超链接以供挖掘和分析。 
 
              经理:每月一次,每周一次,除非统计数据低于一定数量
              工艺工程师:每周和每天
              过程控制工程师/仪表技术员:每天 
 
主要困难是确保人们采取行动。如果报告足够简单,则结果可用于计算年度奖金,例如,对于流程工程师,平均年度绩效(正常运行中循环的百分比)。 
 
尼古拉斯·桑兹的回答 
上面 Michel Ruel 提供的指标列表非常好。挑战在于专注于能够带来真正好处的改进行动。 
 
使用软件工具更容易跟踪收益。一个好的软件工具将使用过程数据(PV、SP、OP)和事件数据(警报、模式、OP 或 SP 更改等操作)。结合这些数据可以指出有好处的循环与没有好处的循环。例如,如果反应器进料流量控制回路经常是手动的,并且操作员经常改变输出,那么解决回路问题可能会有好处。另一方面,如果回路是仅在停机期间使用的氮气吹扫流量回路,并且回路处于手动状态而操作员未更改输出,则在回路上工作可能没有什么价值。出于这个原因,有一种方法来对循环的价值进行分类是很有帮助的,如果软件工具具有此功能,则更有帮助。 
 
如果发现正确的循环存在问题,则可以针对不同的受众以几种不同的方式使用数据。非常重要的机会列表有利于运营、维护和技术团队审查和制定计划。关键指标的趋势有助于管理层了解整体绩效是变好还​​是变坏。指标可能包括具有良好性能的关键循环的百分比、解决关键循环问题的时间或循环在列表中停留的时间,以及解决的关键循环问题的数量或捕获的业务价值。 
 
路易斯·纳瓦斯·古兹曼的回答 
我的 Control Talk 文章“控制系统诊断的结构化方法”,介绍了用于情景分析的控制系统级别,同时考虑了ANSI/ISA-18.2-2016、过程工业报警系统管理和ANSI/ISA -95 IEC 62264 企业控制系统集成。应该了解当前情况,分析您的需求,实施新措施,并确保对每一层进行充分的诊断。 
 
格雷格麦克米兰的回答 
Michel、Nick 和 Luis 提供的诊断非常广泛,值得努力实施。必须注意识别由停机、启动、转换、批处理操作和程序自动化设置的PID控制器模式和输出,以免产生错误诊断。 
 
我对指示循环运行情况及其面临的挑战的诊断特别感兴趣。我开发了一个用于数字孪生仿真的 DeltaV 模块,用于计算正常运行期间的峰值误差和积分误差,以显示 PID 抑制负载干扰的能力。可以根据操作模式和条件重置块。该模块还捕获过冲和下冲,并计算设定点变化的上升时间和稳定时间。 
 
此外,该模块计算通信次数,这对于无线发射器的电池寿命可能很重要。一个很好的扩展是捕获与峰值误差相对应的非常终控制元件的峰值运动,以指示干扰的大小,并将抖动计算为 PID 输出中大于死区和分辨率的反转非常终控制元件,它对磨损很重要,并且表明噪音过大。 
 
非常后,我很想看到识别极限环并计算其周期和幅度的能力,无论它是由死区还是分辨率引起的。在我对 2 月份 ISA 导师计划博客的回答中,能够在线衡量过程能力和效率线,“可以做些什么来增加 PID 控制的创新?”,通过显示对底线的影响,极大地增加了诊断的动力。温度、pH 和成分控制回路通常对底线的影响非常大,因此应更密切地监测。 
 
非常容易估计的参数是总回路死区时间,即过程变量开始以正确方向响应控制器设定值或手动输出变化所需的时间。然后可以分析当 PID 处于手动状态时不存在的衰减振荡周期的原因。 
 
在第六版 2019,第 7 章 - 控制系统基础知识问题解答提供以下内容: 
 
              “总环路死区时间可用于根据以下简单的经验法则来提供指导,以确定临界频率(非常终周期)和观察到的振荡源。本指南适用于使用标准或系列形式的 PID 控制器时不占主导地位的回路。如果不需要严格控制,可以放宽第 2 项。然而,一个非常大的滤波器或测量滞后会导致振荡。
 
              1、干扰振荡周期 2x => 10x 死区时间可能会发生共振
              2、PID 执行率和过滤时间应分别 < 0.2x 和 0.1x 死区时间
              3、振荡周期 < 4x 死区时间表示 PID 速率时间过大
              4、振荡周期 < 5x 死区时间表示 PID 增益太大
              5、振荡周期 5x => 10x 死区时间表示复位时间太快
              6、振荡周期 > 10x 死区时间表示阀门和 VSD 问题(死区、分辨率限制、缓慢的行程或速率限制,以及较差的执行器和定位器灵敏度)。如果积分分量分别超过 1 个和 2 个,则分辨率极限和死区可能会导致极限循环(恒定幅度振荡)。积分组件可能是由于控制器和定位器中的积分作用以及过程中的积分作用(例如,液位)。
              7、接近或超过 40 倍死区时间的振荡周期表明 PID 增益对于接近积分、积分和失控过程来说太低了。”
 
有关 PID 性能的更多信息,请参阅 ISA Mentor Program 网络研讨会系列“ PID 选项和解决方案”、Control Talk 专栏、“隐藏的 PID 揭示,第 4 部分”,以及2014 年调整和控制回路性能第四版一书。 
 
乔治巴克比的答案 
我将讨论一些尚未讨论的问题。 
 
首先,必须配置控制回路监控系统以了解过程上下文和回路状态。如果设备处于离线状态或处于其他一些异常状态,则循环性能指标意义不大。每个单独的控制性能指标或诊断可能取决于单元的状态或回路的状态。例如,当回路处于手动状态时,监控与设定值的偏差通常没有意义。将监控系统配置为具有正确的逻辑以提供质量指标和诊断非常重要。如果跳过这一步,那么你会有很多数字,但它们很难解释。 
 
其次,指标和诊断之间存在差异。指标(关键绩效指标或 KPI)有助于跟踪一段时间内的绩效、向管理层报告进度以及选择重点领域。增加经济权重可以极大地帮助这一点。知道 20% 的关键循环处于手动模式是非常有用的信息。它有助于管理层确定优先级,但工程师或技术人员需要更多信息才能采取行动。为什么手动循环?简单地将循环返回到自动模式将是一个巨大的错误! 
 
另一方面,诊断用于查明和解决特定问题。一些指标可用于驱动诊断。例如,如果一小时内的非常大 PV 等于一小时内的非常小 PV,则传感器可能损坏。尼克关于专注于行动的评论是这个对话中非常重要的一点之一。诊断应推动具体行动以进行改进。使用指标来管理程序,并使用诊断来推动日常行动。 
 
非常后,我将回到马克非常初关于工作流程的问题。为了从控制回路性能监控中获得价值,我们需要考虑如何将这些信息整合到每日、每周、每月和停机计划工作流程中。定义标准工作流程以及角色和职责可以明确期望,并使流程在组织中保持不变。以我的经验,跳过工作流程规划的网站通常依赖于单个冠军的行动,并且收益往往会随着时间的推移而消失。花时间开发和记录工作流程的站点往往会在长期内持续提供改进。 
 
马克达比的后续行动 
一些后续的想法: 
 
应定期监测和检查所有回路(有或没有专用监测系统),但有些回路通常对工艺单元的正常运行更为重要,因此具有更高的监测优先级。 
 
例如,蒸馏系统中的温度控制器和压力控制器。从我的 MPC 工作中,我在查看 MPC 的行为之前抽查这些以确保它们的行为正确。此外,温度控制器通常会显示可能源自上游的干扰的影响。在有意义的时间段内设置这些关键循环(SP、PV、CO)的专用趋势有助于快速了解性能并确定是否需要进行额外的分析或故障排除。这些循环也是其性能(因此,调整)对于非常小化对构图控制的干扰非常重要的循环。这些可以很容易地使用上述标准进行基准测试。衡量干扰抑制的一种有用方法是评估回路恢复到测量的干扰,如进给率, 
 
启动循环改进活动(可以成为工作流程的关键部分)的一个好方法是根据循环状态通过服务因素来定位循环。这背后的假设是,如果控制回路运行良好(根据操作员的行为判断),它将大部分时间保持在正常模式。给定的循环可能没有一种正常模式。它可能是基于条件的(例如吞吐量大小),因此将需要条件逻辑。然后可以使用指定回路重要性(基于安全性或经济性)和低服务系数的组合来确定回路的优先级以供进一步调查,从而可能进行重新调整、测量改进、阀门改进或回路重新配置。

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