Producenci urządzeń do monitorowania pętli regulacji oraz oprogramowania do ich optymalizacji wyjaśniają, jak się nimi posługiwać.
W monitorowaniu pętli regulacji chodzi przede wszystkim o jedno ? oszczędności. Próbuje się ograniczyć zużycie energii i surowców, oraz interwencje operatora. Zwiększenie jakości i produktywności zależne jest bowiem od jakości sterowania kluczowych dla procesu produkcyjnego zmiennych. Narzędzia monitorujące pętle regulacji pomagają operatorom osiągnąć te cele przez automatyczne zbieranie i analizę ogromnej ilości dostępnych, często niewykorzystywanych danych.
John Caldwell, menedżer produktu DeltaV z Emerson Process Management, wyjaśnia:
? Producenci tracą co roku miliony dolarów z powodu zmienności procesu oraz słabej jakości sterowania i co gorsza, często są tego nieświadomi. Inżynierowie sterowania są zwykle zbyt zabiegani, aby dbać o każdą z setek pętli. Tradycyjne systemy sterowania nie przyczyniają się do poprawy sytuacji ? są pozbawione gotowych narzędzi monitorowania, diagnozowania i optymalizacji sterowania.
Potrzebne są zatem narzędzia, które ? zaoferują systematyczne podejście do optymalizacji sterowania poprzez jego obserwację, identyfikację i diagnozowanie problemów. Narzędzia takie powinny automatycznie dobierać parametry i optymalizować pracę systemu w zmieniających się warunkach pracy ? twierdzi Caldwell.
System monitorowania pętli instalowany jest zwykle na serwerze pracującym w tej samej sieci co system sterowania procesem. Oprogramowanie gromadzi dane i analizuje je, monitorując na bieżąco jakość pracy każdej z pętli i decydując, czy pracują one optymalnie.
George Buckbee, wiceprezes w dziale marketingu i rozwoju w ExperTune, rozwija myśl:
? Narzędzia monitorujące pracę pętli regulacji ekstrahują cenne informacje z wielu danych dostępnych w systemie. Ich możliwości diagnostyczne to nie tylko kontrola pracy pętli ? pod uwagę brane są uszkodzenia wskaźników, stopień zużycia zaworów, wewnętrzne interakcje w procesie, potencjalna strata zysku, zarządzanie jakością, a nawet godzinowe obciążenie operatora.
Główne wskaźniki
Wysublimowane wskaźniki poprawnej pracy mogą zawierać dane statystyczne, takie jak wariację, odchylenie standardowe i inne statystyki, na podstawie których można otrzymać wskazówki odnośnie strojenia pętli i interakcji między jej parametrami.
Michinao Takamuku, główny menedżer promocji w Yokogawa VigilantPlant Services Center, podkreśla znaczenie sterowalności, dopuszczalnego marginesu błędu i czasu, w jakim zmienna znajduje się w żądanym przedziale wartości, jako kluczowe wskaźniki jakości, które można monitorować. Dodaje też, że najlepiej gdy wyniki prezentowane są w przedziale dziennym/tygodniowym/miesięcznym ? tak jak życzy sobie tego obsługa. Rozbudowane raporty są generowane automatycznie, a odpowiednie funkcje tworzą rankingi pętli, na podstawie których operatorzy i serwisanci łatwo odszukują problemy.
Zdolność do wyszukiwania i oznaczania pętli, w których można się spodziewać największej poprawy, jest bardzo istotna z ekonomicznego punktu widzenia. John Cunningham, kierownik działu zaawansowanych usług procesowych w RoviSys Company, zauważa, że w sprawiających problemy procesach monitorowanie pracy pętli sterowania może wskazać owoc, będący w zasięgu ręki i mający największy wpływ na zysk, wielkość produkcji i jakośćproduktu. Oprogramowanie do monitorowania może pomóc w ustaleniu listy priorytetów, identyfikacji natury problemu i określeniu, jak ten pojedynczy problem wpływa na funkcjonowanie całości. Przechowując odpowiednio długo histogramy, można określić, jak poczynione zmiany przełożyły się na wskaźniki ekonomiczne.
Problemy zidentyfikowane
Jakiego typu problemy mogą być zidentyfikowane na podstawie zgromadzonych danych? Steve Howes, menedżer produktu w PiControl Solutions, wymienia kilka: ? Oscylacje, tarcie statyczne w elemencie wykonawczym, zbyt duży skok elementu wykonawczego, konieczność filtracji zmiennej procesowej, powolna regulacja, problemy z jakością sygnału, takie jak krótkie impulsy o dużej amplitudzie, zbyt częste przełączenia, niskie współczynniki bezpieczeństwa, nieoptymalne nastawy regulatorów…
Howes zwraca także uwagę na fakt, że wiele z tych problemów występuje i rozwija się dopiero po czasie, więc ? ludzie bez odpowiednich narzędzi diagnostycznych nie są w pewnym momencie w stanie za nimi nadążyć, szczególnie kiedy trzeba monitorować setki lub tysiące pętli. Nawet jeśli procesem steruje tylko kilka pętli, które udaje się optymalnie nastroić podczas pierwszego uruchomienia, przyjdzie czas, kiedy wszystkie będą wymagać ponownego doboru nastaw ze względu na zużywające się elementy wykonawcze. Zmiany w procesie, w warunkach pracy pętli, a także czynniki ekonomiczne mogą spowodować zmianę dynamiki lub charakteru procesu, co pociąga za sobą konieczność korekty nastaw w pętlach.
Inny punkt widzenia przedstawia Alan Hugo, główny inżynier w Control Arts: ? Zawory mogą się zaciąć, dynamika procesu może się zmienić itd., więc monitorowanie jest zawsze potrzebne. Problemy są często łatwe do usunięcia. Jednak wyzwaniem jest ich odnalezienie.
Pewna korzyść
Howes twierdzi, że przedsiębiorstwa potrzebują zautomatyzowanego systemu monitorowania online, jeśli chcą pracować efektywnie, maksymalizować zyski i być konkurencyjne. Zyski ekonomiczne mogą być znaczące. ? System monitorowania pętli regulacji może zwiększyć dochody lub wielkość produkcji o 25%. W niektórych przypadkach zanotowano rekordowy wzrost o 10% ? dodaje Howes.
Dennis Nash, prezes CEO of Control Station, zgadza się z tym: ? Strojenie pętli PID nie powinno być tylko punktem w corocznym przeglądzie systemu, jednak często jest, gdyż to bardzo przytłaczające zadanie. Po to właśnie stworzono wyspecjalizowane narzędzia do ciągłej analizy pojedynczych pętli PID i ich interakcji z innymi pętlami. Strojenie pętli PID stało się bardzo wyszukane, przekraczając możliwości automatycznego doboru nastaw. Automatyczny dobór nastaw może być jedynie częścią zaawansowanego mechanizmu analizującego zachowanie się pętli PID w warunkach normalnych, ale i nietypowych.
Paul Botzman, menedżer ds. marketingu i sprzedaży w ControlSoft, podsumowuje korzyści płynące ze stosowania monitoringu PID:
? Rozwiązania te dostarczają cennych, usystematyzowanych informacji menedżerom, inżynierom i operatorom, którzy na ich podstawie podejmują optymalne decyzje. Specjalizowane raporty pozwalają skupić uwagę obsługi na problemie i tych fragmentach procesu, które wymagają natychmiastowej reakcji ze względu na możliwość zachwiania wartości produkcji lub z powodu czynników ekonomicznych.
Vance VanDoren jest specjalistą współpracującym z Control Engineering.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE
Monitorowanie pracy pętli regulacji może ograniczyć zmienność procesu
Jednym z głównych celów, jakie próbuje osiągnąć typowy system monitorowania, jest zmniejszenie zmienności całego układu regulacji. Zmienność może być spowodowana złym nastrojeniem pętli, niekontrolowanymi interakcjami między pętlami, zmniejszoną czułością sensorów, zużyciem elementów wykonawczych i interfejsów I/O. Wiele z tych problemów może być zidentyfikowanych i rozwiązanych, jeśli wykorzystuje się odpowiednie narzędzia do monitorowania.
Na obrazku z poprzedniej strony widać, dlaczego ograniczanie zmienności procesu jest tak ważne. Jeśli proces wykazuje mniejsze odchyłki od wartości zadanej, może przebiegać bliżej wyznaczonych limitów alarmowych, w pobliżu których produkcyjność jest zwykle większa. Sedno, jak twierdzi Jim Huff, wiceprezes Technology AT Pasm, to posiadanie wiedzy o procesie i systemie sterowania, odpowiednich narzędzi i co najważniejsze systematycznego podejścia, które będziemy wytrwale stosować.
Analiza częstotliwościowa pomaga optymalizować pętle regulacji
Każde z komercyjnych narzędzi do monitorowania wydajności pętli regulacji procesu wykorzystuje różny aparat matematyczny, ale wiele z nich polega na analizie częstotliwościowej. Wyspecjalizowane narzędzia, identyfikując zmienne, które oscylują z tą samą częstotliwością lub w ten sam sposób, mogą określić, które ze zmiennych są ze sobą sprzężone.
Analiza częstotliwościowa jest szczególnie przydatna do wyszukiwania małych interakcji pomiędzy pętlami i identyfikowania zakłóceń nieznanego pochodzenia. Rozpatrzmy na przykład prosty proces produkcyjny przedstawiony na rysunku. Ciecz trafiająca do zasobnika nr 2 po prawej stronie jest ogrzewana przez zbiornik nr 1 znajdujący się po lewej stronie jesli tylko zbiornik ten jest ogrzewany. System monitorujący pracę regulatorów sterujących grzaniem obu zbiorników powinien być w stanie wykryć tę interakcję na podstawie faktu, że trajektoria temperatury w zbiorniku 2 podąża za temperaturą zbiornika 1.
Bogaty w tę wiedzę inżynier może być w stanie wyeliminować lub chociaż ograniczyć wymianę ciepła przez zastosowanie ekranów ochronnych, inne poprowadzenie rur lub ustalenie takich harmonogramów, w których zbiorniki nigdy nie pracują w tym samym czasie. Wyjście z sytuacji może być tak proste, jak się to wydaje, ale wyłącznie pod warunkiem, że system monitorujący znajdzie niepożądaną interakcję wewnątrz procesu. Odkrycie problemu nie jest zwykle trudne. Znacznie trudniejsze jest znalezienie jego przyczyny.