Regulatory PID czyli nie ma prostej odpowiedzi

Jaka metoda realizacji pętli PID jest najlepsza? Oto najciekawsze opinie naszych czytelników.

Jeśli istnieje jeden wspólny temat automatyków i inżynierów systemów sterowania, to jest nim PID. Regularnie plasuje się on w czołówce najczęściej czytanych artykułów w Control  Engineering i stanowi najbardziej popularną frazę wyszukiwaną na stronie internetowej Control Engineering.

Zainteresowanie regulatorami typu PID nie słabnie na przestrzeni lat z wielu powodów. Jednym z głównych jest fakt, że w przypadku PID nie ma prostych odpowiedzi „tak” i „nie”. Gdy lokalny przedstawiciel firmy Gantner Instruments India T.R. Rajaram zapytał na naszym forum o najlepszą metodę realizacji algorytmu PID, rozgorzała, jak można się było spodziewać, wielka dyskusja. – Chociaż istnieje wiele dedykowanych regulatorów PID – stwierdza autor pytania – wielu ludzi implementuje algorytm PID w sterownikach programowalnych, nie wykorzystuje natomiast dedykowanych regulatorów. Należy zrozumieć dlaczego tak jest i poznać dobre rady innych użytkowników.

Trzy miesiące dyskusji na forum zaowocowało różnymi opiniami użytkowników z całego świata. Ponad cztery tuziny grup użytkowników zaoferowało swoje opinie i sugestie. Chociaż forum nie wypracowało jednoznacznej odpowiedzi, wskazano duże korzyści implementacji PID w PLC – jeśli nie zawsze, to przynajmniej w określonych przypadkach, bo zawsze istnieją pewne wymagania i zastrzeżenia. Najważniejsze z nich zostały przedstawione w tym artykule.

Robert Nadj, starszy inżynier systemów sterowania w Unitedgroup w Sydney w Australii, twierdzi, że tak naprawdę w tym wszystkim chodzi o redukcję kosztów. – Czemu wydawać pieniądze na dedykowany kontroler (i wszystko, co z nim związane: projekt elektryczny, rysunki, okablowanie), jeśli PLC może wykonać to zadanie? – pyta Nadj. – Wprawdzie trzeba wykonać interfejs między regulatorem w PLC a systemami HMI/SCADA, ale zwykle raz wykonany interfejs pętli PID zaimplementowanej w sterowniku programowalnym można wykorzystać wielokrotnie. Standaryzacja jest kluczem sukcesu. Inżynierowie chcą często wiedzieć, co dzieje się w ich pętlach PID. Wykorzystując dedykowany regulator, i tak trzeba tworzyć interfejs między nim a warstwą HMI/SCADA, a to generuje koszty.

Od ponad 20 lat Nadj implementuje regulatory PID w PLC. W tym czasie zastosował dedykowane regulatory tylko w dwóch aplikacjach. – Dedykowany regulator – dodaje – jest wykorzystywany w aplikacjach, które wymagają, aby nieprzerwanie kontrolować dany fragment procesu nawet w przypadku awarii systemu sterowania PLC. Zaawansowane sterowniki PLC, posiadające większą pamięć i szybszy procesor, są w stanie łatwo realizować wiele pętli PID.

– Nie widzę nic złego w realizowaniu algorytmu PID w PLC – przytakuje Widdy Chimba, starszy inżynier systemów sterowania i przyrządów w Lumwana Mining w Republice Zambii. – Nowoczesne PLC są tak dobre, jak systemy DCS, a w niektórych sytuacjach może nawet lepsze. Czas cyklu sterowników programowalnych wykorzystujących szybkie procesory jest niski. Zaimplementowałem algorytm PID w sterownikach wielu producentów i efekt był bardzo dobry. Strojenie takich regulatorów może być prostsze dzięki interfejsowi HMI/SCADA – dodaje i twierdzi tak jak Nadj: – Po co wydawać pieniądze, jeśli wszystko może być realizowane przez PLC.

– Jeśli jednak PLC steruje choćby umiarkowanie złożonym procesem, zastosowanie dedykowanego regulatora może być lepsze – przyznaje Jon Martin, starszy inżynier systemów sterowania w CBW Automation w Denver w USA. – Wykorzystując PLC, musisz mieć na uwadze czas cyklu oraz – co jest jeszcze trudniejsze – czas zaktualizowania danych. Jeśli w systemie jest coś, co może wpłynąć na czas cyklu, możesz być zaskoczony, jak wolno działa twój PLC. Można sobie z tym poradzić, ale w takiej konfiguracji PLC nie będzie realizował algorytmu PID w satysfakcjonujący sposób. Dedykowany regulator pracuje równolegle do PLC i nie zakłóca jego pracy.

Jeszcze inną wersję przedstawia Nico de Vos, inżynier projektu w TASK24 w Holandii. Sugeruje kombinację obu rozwiązań, szczególnie dla pętli wymagających szybkiego sterowania lub krytycznych procesów, które muszą pozostać sterowane, nawet gdy system DCS jest wyłączony. – Podłączenie dedykowanego regulatora do sterownika PLC przynosi wiele korzyści – twierdzi i wymienia: – odporna regulacja w dedykowanym regulatorze; regulacja PID pracująca poprawnie z całym systemem; możliwość określania wartości zadanej przez HMI/SCADA. Mniej krytyczne pętle PID mogą być realizowane przez PLC. Kombinacja obu rozwiązań może pomóc osiągnąć cel i może być bardziej ekonomiczna.
DCS – pomoc czy udręka?
– Duża część z zadań przydzielanych wcześniej do systemów DCS jest teraz realizowana przez sterowniki programowalne – twierdzi David Richardson, starszy inżynier oprogramowania w Alliant Technologies  w Louisville w USA. – A to, co było realizowane w prostych PLC (jedna lub dwie pętle sterowania oraz obsługa wejść/wyjść cyfrowych)  przeniesiono do dedykowanych regulatorów.

Richardson z sukcesem wykorzystywał systemy mieszane. Zadaniem PLC była obsługa wejść/wyjść analogowych i nadzór nad regulatorami dedykowanymi. – To było bardzo pomocne, gdy była konieczność wyłączenia PLC, ale głównym motywem był fakt, że dedykowane regulatory zapewniały wysoką rozdzielczość oraz wysokonapięciowe wejścia analogowe ogólnego przeznaczenia, których nie miał PLC.

– Rozważania dotyczące pętli PID rozpoczynają się od ustalenia, gdzie realizowane jest sterowanie procesem – stwierdza Barett Davis, właściciel The AutoMate w St. Louis w USA. – Wiele napędów ma wbudowane pętle PID – twierdzi. – Jeśli procesem steruje napęd, właściwym wyborem jest wykorzystanie wbudowanych pętli PID, a nie stosowanie dodatkowych zewnętrznych urządzeń. Jeśli konieczna jest możliwość zaawansowanej konfiguracji pętli PID, wtedy należy zastosować zewnętrzny regulator – dedykowany lub umieszczony w PLC.

Według Davisa wiele systemów DCS jest zbyt drogich, a większość pętli PID ma dynamikę większą niż proces, sensory i mechanizmy wykonawcze. – Zbudowałem system regulacji ciśnienia wody w oparciu o pompy o mocy 150 KM, których maksymalna wydajność 380 litrów/min mogła być osiągnięta w 200 ms. Regulator PID realizowany przez napęd sterował tak, że czas ustalania odpowiedzi na skok jednostkowy wartości zadanej wynosił mniej niż jedną sekundę – stwierdza. – Ten PID pracował znakomicie głównie dlatego, że układ miał prawidłową konstrukcję, a medium nie było ściśliwe. Sterowanie procesami nie wiąże się zwykle z taką dynamiką. Szybko wykonywane pętle PID są stosowane głównie do kontroli maszyn, a w nich rzadko można spotkać systemy DCS.

Kompromis
Korzyści z implementacji pętli PID w PLC są niezaprzeczalne dla najbardziej doświadczonych automatyków. Jednym z nich jest inżynier aplikacji Delmar Schmidt, pracujący w Melfi Technologies w Houston w USA, koordynujący wymianę dedykowanych regulatorów PID w systemach pomiarowych produktów sypkich na te zaimplementowane w PLC.

– Użytkownicy końcowi wymagają rozwiązań opartych na PLC, które mogą sami diagnozować. Linie produkcyjne pracują przez 24 godziny na dobę 7 dni w tygodniu, więc nie ma żadnego akceptowalnego momentu na awarię regulatora dedykowanego. Wsparcie producenta dla typowego PLC jest znacznie dłuższe niż dla regulatora dedykowanego – zaznacza. – Przemysł PLC rozwinął się w ogromnym stopniu i producenci oferują funkcjonalne, szybkie i niedrogie platformy. Z punktu widzenia kosztów lepiej jest zastosować podrzędną jednostkę PLC z zaimplementowanym regulatorem PID taśmociągu i ograniczyć tym samym obciążenie nadrzędnego sterownika lub systemu DCS.

William Grissom, inżynier specjalista w Aerojet w Sacramento w USA pracował z wieloma regulatorami PID. Podczas jednego z wdrożeń współpracownicy przynieśli mu najszybszy dedykowany regulator PID, jaki mogli znaleźć. Grissom wspomina: –Konfiguracja przez menu podobne do tego z odtwarzacza kaset wideo była poplątana, a dokumentacja po prostu słaba. Testy ujawniły wewnętrzne opóźnienie wynoszące 52 ms i stałą czasową wynoszącą 60 ms – znacznie więcej niż deklarowane 20 ms czasu reakcji. To nie było tak proste rozwiązanie, jak myśleli, nie było też tak tanie (koszt 1500 dolarów).

W innej aplikacji wykorzystał kontroler PAC do sterowania PID dwoma systemami o nieco mniejszych wymaganiach. Konfiguracja bloków była prosta – jak twierdzi – ale wymagała wiedzy inżynierskiej do konfiguracji reszty systemu. Grissom przyznaje, że koszt systemu był znacznie większy (5000 dolarów), ale jego funkcjonalność była ograniczona jedynie pomysłowością programistów.

Jego rozumowanie jest następujące: – Dedykowane regulatory PID osiągają czasy reakcji rzędu 1 ms. CPU sterownika programowalnego może wykonywać cztery niezależne pętle regulacji zawierające wiele pętli PID. Można wstrzymać kod programu sterowania, nie zatrzymując przy tym pętli regulatorów. Nawet tanie sterowniki lub starsze modele PLC umożliwiają takie operacje, a ich czas odpowiedzi wynosi mniej niż 20 ms i kosztują mniej niż dedykowane regulatory PID.

Rozwiązanie hybrydowe
Przedstawione przykłady i doświadczenia użytkowników wskazują, że dzisiejsze PLC i DCS to systemy hybrydowe. Prezes Top Control w Quebec w Kanadzie Michel Ruel twierdzi: – Większość nowych systemów DCS oferuje funkcjonalność PLC, a większość PLC możliwości systemów DCS. Zasadniczą różnicę stanowi fakt, że w systemach DCS wszystko jest już zaprogramowane – trzeba to tylko skonfigurować. Sterowniki programowalne muszą być programowane przez użytkownika, niektóre z funkcji trzeba dopiero opracować. Jeśli jednak wszystko jest zrobione dobrze, rezultaty są podobne.

– Sterowniki programowalne – ostrzega Ruel – wymagają większego nakładu programistycznego, a ich programiści muszą mieć nadzór. Sugeruje opracowanie metafunkcji, aby ustandaryzować funkcje PID. Metabloki powinny także obsługiwać błędy powstałe w PLC. Sterowniki oferują różne wersje algorytmów PID (często zaczerpnięte z poprzednich modeli). Programiści muszą wybrać najlepszy algorytm i dobrać odpowiednie zmienne. – Bądź pewny, że tworzysz rozwiązanie uniwersalne – podkreśla Ruel. – Jeśli każda pętla PID będzie inna, będziesz musiał analizować jej kod źródłowy za każdym razem, gdy będziesz stroił regulator lub poszukiwał błędów.

Jeanine Katzel jest redaktorem 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