Nowoczesne oprogramowanie inżynierskie umożliwia nie tylko proste strojenie regulatorów, ale również optymalizację procesu w skali całego zakładu. Dzięki temu właściciel może liczyć na tańszą produkcję.
Jeszcze kilkanaście lat temu sformułowanie ?optymalizacja pętli regulacji? oznaczało indywidualny dobór nastaw wszystkich regulatorów PID w danym zakładzie przemysłowym (tj. członów proporcjonalnych, całkujących oraz różniczkujących).
Jego celem była optymalizacja działania zamkniętych pętli regulacji. Dostrajanie poszczególnych pętli wciąż jest istotnym elementem ich optymalizacji. Jednak dzięki rozwojowi teorii sterowania oraz oprogramowania komercyjnego działanie systemów sterowania całego zakładu może być optymalizowane w celu maksymalizacji rentowności całej instalacji, a nie tylko jej poszczególnych pętli.
Jak podkreśla George Buckbee, wiceprezes ds. marketingu oraz rozwoju produktów w ExpertTune, personel odpowiedzialny za systemy sterowania stosuje oprogramowanie monitorujące oraz nadzorujące wydajność pętli regulacji automatycznej, aby uzyskać mierzalne zyski ekonomiczne.
? Współczesne oprogramowanie optymalizujące pracę systemów automatyki ma na celu przede wszystkim przedstawić zrozumiałe i wymierne wskaźniki wyników finansowych oraz udostępnić narzędzia graficzne, zwracające uwagę użytkowników na najbardziej istotne wskaźniki ekonomiczne ? mówi George Buckbee. ? W ten sposób pomaga skupić swój wysiłek oraz poświęcony czas na obszarach, w których można osiągnąć największą poprawę.
Według dra Alireza Haji-Valizadeh, manadżera ds. rozwoju technologii w ControlSoft współczesne narzędzia monitorujące i diagnozujące działanie pętli regulacji oferują następujące funkcjonalności:
- możliwość zarówno automatycznego, jak ręcznego strojenia i analizy działania wybranej pętli,
- śledzenie działania wszystkich pętli w zakładzie, niezależnie od platformy i jej dostawcy,
- realizację nieinwazyjnej, ciągłej (tzn. online) analizy działania pętli,
- przedstawianie konfigurowalnych wskaźników jakości działania pętli, takich jak: rozkład uchybu regulacji, całka z tego uchybu, stabilność procesu, efekty ekonomiczne,
- dystrybucja raportów dotyczących działania poszczególnych pętli na wszystkie poziomy zarządzania zakładem w całej sieci firmy.
Typowe usprawnienia dzięki optymalizacji pętli regulacji
Eksploatacja, a nawet więcej
Haji Valizadeh zaznacza, że oprogramowanie opracowane przez jego firmę ? InTune w wersji 5.0 ? oferuje wszystkie przedstawione powyżej elementy. Dodatkowo ma również narzędzia służące do lokalizacji niezbędnych prac konserwacyjnych w danej pętli regulacji. Należy do nich:
- prognozowanie, na podstawie normalnego działania pętli regulacji, prac konserwacyjnych,
- lokalizacja tych elementów systemu, których konserwacja przyniesie największe zyski w stosunku do poniesionych nakładów finansowych,
- określenie tych pętli, w których możliwości poprawy są największe,
- ciągłe utrzymanie optymalnej pracy wszystkich pętli w skali całego zakładu.
Steve Johansen, menadżer ds. zaawansowanych rozwiązań w Honeywell Process Solutions wskazuje LoopScout jako kompletny zestaw oprogramowania służący do zarządzania pętlami regulacji. LoopScout zawiera narzędzia analizujące pracę poszczególnych pętli, diagnozujące pracę zaworów, pakiet strojenia regulatorów oparty na teorii sterowania krzepkiego oraz alternatywne do PID rozwiązania układów regulacji. LoopScout zbiera i zapisuje: dane zawierające wartości sygnałów zmiennych procesowych, wartości zadanych, sygnałów sterujących oraz dane zawierające konfiguracje pętli regulacji z całego zakładu. Następnie generuje raporty podsumowujące działanie każdej z pętli. Narzędzia doradcze prowadzą początkujących operatorów poprzez kolejne zbiory danych ? proponując dodatkowe testy, mające na celu ustalić, czy w danym momencie wymagane są prace konserwacyjne (np. redukcja tarcia w zaworze), dostrojenie nastaw, czy występuje problem z samą strategią sterowania.
? LoopScout rozwinął się do postaci, w której użytkownik nie musi rozumieć podstaw technologii ? twierdzi Johannes. ? Musi jedynie dotrzeć do informacji, która stanowi podstawę do podjęcia odpowiedniej decyzji.
Użytkownik może wybrać kryterium, według którego mają być klasyfikowane i sortowane pętle regulacji. Na przykład: ważność wykrytej awarii, ogólną wydajność każdej pętli (dobra, dostateczna, słaba itd.) lub największe szanse na jej poprawę pod względem wskaźników biznesowych.
John Caldwell, menadżer ds. marketingu systemu DeltaV w Emerson Process Solutions dodaje, że oprogramowanie InSight (pakiet w ramach systemu DeltaV) jest działającym online narzędziem służącym do modelowania procesów. Potrafi dokonać automatycznej identyfikacji procesu bazując na jego codziennej pracy. Na tej podstawie monitoruje wydajność poszczególnych pętli oraz określa, w których mogą występować problemy. Dodatkowo sugeruje użytkownikowi, które pętle mogą zostać dostrojone oraz które wymagają niezbędnych prac konserwacyjnych. Zaznacza też, że rozbudowa systemu w zakresie regulacji adaptacyjnej, zaawansowanej diagnostyki oraz raportowaniu wydajności planowana jest w kolejnej wersji systemu DeltaV, a więc 10.3.
Lepiej, ale nie perfekcyjnie
W wielu dziedzinach inżynierii procesowej można zaobserwować ciągły postęp w wydajności układów regulacji automatycznej. Statystyczny respondent ankiety przeprowadzonej przez Control Engineering w 1996 roku odpowiadał, że około 55% wykorzystywanych pętli regulacji było zamkniętych, tzn. nie było sterowanych ręcznie bądź też otwartych. Blisko połowę pętli, które pracowały jako zamknięte, respondenci sklasyfikowali jako zoptymalizowane. W ostatnim czasie ankieta dotycząca regulatorów PID, przeprowadzona przez Honeywell Process Solutions, wykazała, że 64% pętli pracowało jako zamknięte. Dokładnie połowa z nich zapewniała ?wyśmienitą? lub ?zadowalającą? wydajność.
Pozostawia to nadal duże możliwości do poprawy ich działania, co przedstawiono na wykresie.
Narzędzia służące do optymalizacji pętli regulacji wciąż nie są jednak najlepszym sposobem osiągnięcia poprawy działania regulatora.
Ręczne dostrajanie wciąż potrzebne
Matt Lyles, partner zarządzający w SBL Systems zastosował kiedyś komercyjne oprogramowanie służące do optymalizacji działania pętli regulacji. Jak mówi, nie spełniło ono oczekiwań w stosunku do tej szczególnej pętli, którą chciał dostroić. Lyles podejrzewa, że problem mógł stanowić znaczący czas zwłoki, więc uciekł się do starej i sprawdzonej metody ręcznego strojenia regulatora.
? Znam kilka procesów, w których czas na dostrojenie regulatora jest ograniczony, więc inżynier doświadczony w strojeniu regulatorów jest nieodzowny ? przekonuje przedstawiciel SBL Systems. ? Większość układów regulacji, z którymi miałem do czynienia, nie było jednak bardzo istotnymi elementami procesu. To dawało mi czas na odpowiednie dostrojenie regulatora.
Barry Payne, konsultant ds. kontroli procesów w Barry D. Payne & Wspólnicy również ma mieszane odczucia w stosunku do oprogramowania zarządzającego układami regulacji automatycznej.
? Zauważyliśmy, że oprogramowanie strojące regulatory może być przydatne, jeżeli pętla regulacji pracuje poprawnie, a osoba, która go używa, wie, jaka powinna być ?normalna? odpowiedź procesu ? mówi Payne.
Trzeba pamiętać, że w niektórych sytuacjach oprogramowanie strojące regulator (a przynajmniej to dostarczane przez większych producentów DCS-ów) może dać nieprzewidywalne i bardzo często błędne rezultaty. Jest to prawdopodobne, jeśli na daną pętlę regulacji mają wpływ niemierzalne zakłócenia w czasie albo jedno lub więcej urządzeń wykonawczych nie działa poprawnie.
Barry Payne jako przykład podaje zaimplementowany w systemie DCS automatyczny tuner nastaw regulatora, który rozpoznał bardzo małe wzmocnienie modelu procesu. Spowodowane to było jednak nie dynamiką tego szczególnego procesu, lecz nieprawidłowym działaniem urządzenia wykonawczego.
? Osoba z doświadczeniem w strojeniu tak prostej pętli szybko zorientowałaby się, że w układzie wystąpiło uszkodzenie ? mówi Payne. ? Oprogramowanie służące do automatycznego strojenia może być przydatnym narzędziem, ale tylko w połączeniu z wiedzą ekspercką w doborze nastaw dla każdej szczególnej aplikacji.
Nasz rozmówca dodaje, że nie jest to droga na skróty dla osób z małym doświadczeniem w strojeniu pętli regulacji automatycznej oraz wykrywaniu i usuwaniu usterek.
Vance VanDoren
Artykuł pod redakcją Marcina Stachury, doktoranta w Instytucie Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej
Optymalizacja pracy układów regulacji automatycznej
Oprogramowanie optymalizujące pętle regulacji jest dostępne w bardzo wielu rozwiązaniach. Niektóre z nich pomyślane są jako uniwersalne narzędzia, a inne jako wspomagające tylko wybrane platformy.
PCS7 PID Tuner, Siemens Energy & Automation
Opcja dla sterowników PCS7 w kilku zdefiniowanych krokach wspomaga użytkownika w doborze optymalnych parametrów dla regulatorów PID, PI oraz P.
BESTune, BESTune.com
Oprogramowanie pozwala ustalić, czy nastawy regulatorów PID w całym zakładzie są dobrane optymalnie oraz jak duże mogą być korzyści w przypadku ich dostrojenia.
Automation Studio, B&R Automation
Funkcja autotuning dobiera optymalne nastawy regulatorów w wieloosiowych systemach ACOPOS. Doświadczonym operatorom umożliwia również ręczny dobór nastaw regulatorów w poszczególnych pętlach.
Control Performance Monitor, Matrikon
Aplikacja monitoruje, identyfikuje, diagnozuje oraz proponuje środki zaradcze ? w celu poprawy działania układu regulacji na wszystkich poziomach zakładu. Oprogramowanie oferuje: monitoring, dobór nastaw oraz możliwości modelowania procesu w obrębie jednej platformy.
Loop-Pro Product Suite, Control Station
Intuicyjne moduły służące do modelowania procesów oraz doboru nastaw regulatorów ułatwiają sterowanie za pomocą regulatorów PID, dzięki czemu użytkownicy mają możliwość optymalizacji pracy instalacji oraz poprawy wydajności krytycznych elementów procesu.
Protuner, Techmation
System składający się ze specjalistycznych urządzeń oraz oprogramowania zapisuje oraz analizuje dane zaczerpnięte z testów dynamicznych ? w celu wykrywania i usuwania usterek, strojenia oraz optymalizacji działania wybranej pętli oraz złożonych wielowymiarowych układów regulacji automatycznej.
PI Control Monitor, OSIsoft
Cztery podstawowe sygnały ? wartości procesowej, wartości zadanej, sygnału sterującego oraz binarnego sygnału włącz/wyłącz ? są monitorowane ? w celu powiadomienia operatora w przypadku awarii systemu.
ControlWizard oraz TuneWizard, Plant Automation Services
ControlWizard zapewnia: nieinwazyjną identyfikację uszkodzeń, lokalizację mało wydajnych pętli regulacji oraz elementów wymagających prac konserwacyjnych, a ponadto poprawia jakość produktu. TuneWizard zapewnia: akwizycję danych pomiarowych, diagnostykę procesu oraz zaworów, identyfikację procesu, dostrajanie regulatorów, symulacje procesu oraz raportowanie.
RSLoop Optimizer, Rockwell Automation
Narzędzia optymalizacyjne analizują i stroją regulatory PID w sterownikach Allen-Bradley PLC-5, SLC 500 oraz Logix ? stabilizując pracę procesu, poprawiając zdolność produkcyjną oraz maksymalizując sprawność.
ControlMonitor, Model ID oraz PID Tuning, Control Arts
ControlMonitor automatyzuje zadanie identyfikacji pętli regulacji, na które warto zwrócić uwagę. Dostarcza szczegółowe raporty dotyczące pętli, które nie pracują poprawnie wraz z proponowanymi środkami zaradczymi. Dzięki pakietom Model ID oraz PID Tuning można utworzyć dynamiczne modele procesu oraz szybko dobrać najlepsze nastawy regulatora PID.
Control Loop Assistant, Lambda Controls
Narzędzia optymalizujące regulację procesu zawierają: oprogramowanie optymalizujące nastawy regulatorów, urządzenia akwizycji danych oraz oprogramowanie analizujące zebrane dane pomiarowe.
ControlStation, Control Station Technologies
Modułowy zestaw oprogramowania zawiera: narzędzia dobierające nastawy regulatorów PID, analizujące dane, narzędzia służące do modelowania, symulacji oraz projektowania układów sterowania.
Aprom, PiControl Solutions
Oprogramowanie, działające w trybie online, oblicza ponad 25 wskaźników kryterialnych dla każdej pętli regulacji, a następnie wyznacza jedną ?notę? z zakresu 0-100, przedstawiającą ogólną skuteczność działania wybranej pętli.
Pitops-PID, Artcon
Process Identification and Controller Tuning Optimizer Simulator dobiera nastawy wszystkich regulatorów PID dla obiektów o stałych czasowych, począwszy od rzędu milisekund aż do kilku godzin.
Tune-Plus, Givens Control Engineering
Tuner analizuje dane testowe oraz proponuje nastawy regulatorów, opierając się na metodach Lambda oraz specyfikacji użytkownika dotyczącej szybkości regulacji.
TOPAS, ACT
Oprogramowanie umożliwia użytkownikowi: dobór nastaw, optymalizację oraz modyfikację podstawowych oraz zaawansowanych algorytmów regulacji tak, aby uzyskać lepsze osiągi w krótszym czasie.
U-Tune PID Tuning Package, Contek Systems
Algorytmy doboru nastaw regulatorów zostały opracowane z myślą o instalacjach, w których występują duże szumy pomiarowe oraz zakłócenia. Dają użytkownikowi bezpośredni dostęp do fazy identyfikacji procesu.
Windows Servo Design Kit, Galil Motion Control
Oprogramowanie wykorzystuje charakterystykę częstotliwościową układu zamkniętego, w celu testowania oraz doboru nastaw regulatorów PID, optymalizując wydajność systemów sterowania firmy Galil.
Optimize IT Loop Performance Manager, ABB
Oprogramowanie wspomaga inżynierów oraz operatorów procesu w czasie rozruchu instalacji, diagnostyki procesu oraz konserwacji pętli regulacji na systemach ABB oraz konkurencji.