Nauka sterowania proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (PID) może stanowić trudność, ale zdobyte doświadczenie będzie przydatne w innych dziedzinach. W tym artykule dowiesz się o sześciu najpopularniejszych przyczynach nieprawidłowo działającej pętli PID.
Wydajność pętli PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkującej) jest często pomijana po uruchomieniu systemu i uznaniu go za sprawny. Często nie myśli się o tych pętlach jako o obiektach do ciągłego doskonalenia. Funkcjonują one prawidłowo i dlatego są często ignorowane, dopóki coś nie wymknie się spod kontroli. Takich incydentów jest niewiele i nie poświęca się im zbyt wiele uwagi. Jednak incydenty operacyjne są często odpowiedzialne za jakość produktu i tempo produkcji i mogą mieć znaczny wpływ na wydajność operacyjną. Istnieją pewne inżynierskie i matematyczne praktyki dostrajania pętli, ale wiele do powiedzenia ma również doświadczenie i zrozumienie, jak dostroić rzeczy w oparciu o konstrukcję i reakcję pętli. Pierwsze kilka razy może być wyzwaniem, ale to ciężko zdobyte w jednej aplikacji doświadczenie może posłużyć inżynierom w innych przypadkach. Integratorzy systemów zazwyczaj mają do czynienia tylko z parametrami dostrajania pętli podczas rozruchu. Po uruchomieniu systemu sterowania to, co dzieje się z parametrami dostrajania pętli i ogólną wydajnością pętli, jest nieznane. Zawsze zastanawiamy się, czy operatorzy przełączają pętle na sterowanie ręczne (lub nawet wyłączają), aby samodzielnie sterować systemem? Czy operatorzy, kiedy czują, że mają lepszą kontrolę nad procesem, dostrajają pętlę do swoich właściwych parametrów? Czy reaktywność pętli zmniejsza się z czasem z powodu degradacji sprzętu i warunków rzeczywistych? I wreszcie, czy początkowy projekt procesu systemu zawsze uwzględnia wszystkie fazy i tryby pracy, w których alternatywne parametry dostrajania PID byłyby lepsze od oryginalnych?
Korygowanie nieoptymalnej wydajności PID
Pętle regulacyjne często są ustawiane i dostrajane początkowo, a następnie zapominane lub ignorowane, chyba że dzieje się coś poważnego. Jeśli nie dzieje się nic poważnego, brak uwagi poświęcanej wydajności pętli sprzyja powstawaniu z czasem problemów jakościowych oraz znacznych strat wydajności i niespójności operacyjnej. To właśnie często przyczynia się do manualnej interwencji, ponieważ sytuacja nie jest na tyle zła, aby powodować oczywiste problemy, ale wciąż na tyle nieoptymalna, aby operatorzy próbowali ją nieco poprawić. Istnieje wiele powodów, dla których pętla może „cierpieć” z powodu nieoptymalnej wydajności. Jednym z nich jest mechaniczne zużycie lub awaria. Pętle zawierają wiele fizycznych komponentów, które ulegają zużyciu i awariom. Może się zdarzyć, że te elementy nie są poddawane proaktywnej konserwacji. Niezależnie od tego, czy użytkownicy stosują harmonogram planowanej konserwacji zapobiegawczej, czy też harmonogram konserwacji predykcyjnej opartej na analizie stanu, zadania proaktywne i wymiana zużytych części są ważne dla optymalnego działania pętli regulacyjnych.
Sześć najpopularniejszych przyczyn nieprawidłowo działającej pętli PID
Niezależnie od tego, czy chodzi o zastosowanie smaru w celu zapobieżenia fizycznemu oporowi, czy wymianę siłownika, który nie porusza się tak szybko, jak powinien, każdy element musi działać prawidłowo, aby logika sterowania mogła sprawnie działać. Gdy pętla PID nie działa prawidłowo:
1. Przyjrzyj się najpierw stanowi mechaniki. Łatwiej jest ponownie dostroić niż przekonstruować zawór sterujący, ale podstawowy problem pozostanie i będzie się pogłębiał.
2. Należy również przyjrzeć się logice sterownika PID. Istnieje wiele podejść do programowania i technik, które można połączyć z algorytmem PID, aby poprawić działanie pętli.
„Każdy element musi działać prawidłowo, aby logika sterowania mogła sprawnie działać.”
Na przykład użytkownik może korzystać z pętli, która znajduje się w znacznej odległości od wartości zadanej w stosunku do potencjalnej zmiany zmiennej procesowej. W takim przypadku korzystne może być ręczne sterowanie pętlą z dużą mocą wyjściową, dopóki nie znajdzie się ona w określonym zakresie. Kiedy to nastąpi, użytkownicy przełączają pętlę w tryb automatyczny i pozwalają algorytmowi przejąć kontrolę.
3. Innym korzystnym elementem, gdy pętla PID nie działa prawidłowo, jest ustawianie alarmów. Ustawienie alarmów dotyczących zbyt długiego czasu potrzebnego do osiągnięcia wartości zadanej lub zbyt dużej wariancji przy wartości zadanej może pomóc w sygnalizowaniu problemów w czasie rzeczywistym i/lub wywołać dodatkowe interwencje programowe. Jest to przydatne w celu zminimalizowania czasu reakcji, gdy musimy wykonać niektóre z reaktywnych czynności konserwacyjnych.
4. Filtrowanie sygnału to również może być powód nieprawidłowo działającej pętli. Podczas rozruchu użytkownicy są zainteresowani tym, aby pętla kontrolowała i reagowała prawidłowo. Może nie być oczywiste, że szumy lub inne drobne wahania zmiennej procesowej powodują, że odpowiedź pętli jest rozedrgana. Reakcją odruchową byłoby przestrojenie pętli w celu zapewnienia tłumionej odpowiedzi, ale można sobie z tym lepiej poradzić poprzez filtrowanie sygnału zmiennej procesowej (PV).
5. Przyjrzyj się algorytmowi PID. Upewnij się, że sterowanie nie rozciąga możliwości pętli. Jeśli parametry dostrajania są ustawione zbyt agresywnie, użytkownicy ryzykują, że spowodują problemy fizyczne w procesie. Na przykład, użytkownik może powodować uderzenia wodne poprzez zbyt szybkie zamykanie lub otwieranie zaworów. Może to doprowadzić do uszkodzenia innych elementów w systemie.
6. Może się zdarzyć, że pętla musi działać w przypadku różnych zmiennych scenariuszy pracy. Podczas gdy wartość zadana może się nie zmieniać, w procesie mogą dziać się inne rzeczy, które wpływają na pętlę w danym czasie, takie jak sezonowe lub zależne od produktu zmiany lepkości. Może to oznaczać konieczność posiadania różnych zestawów parametrów dostrajania, które można zaimplementować w zależności od okoliczności. Biorąc pod uwagę obecny postęp w technologii danych i ich analizy, mamy możliwości rozwiązania tego problemu. Z przechwytywania danych i ich przechowywania łatwo jest zebrać informacje pętli i mieć wiedzę na temat działania pętli. Poprzez agregację danych, możliwe jest zidentyfikowanie zmian i spadków wydajności, które nie są tak widoczne przy monitorowaniu pętli w czasie rzeczywistym. Coraz więcej producentów chce wykorzystywać uczenie maszynowe (ML) do oceny wydajności krytycznych dla procesu pętli w czasie. Ocena ta daje dobry wgląd w usprawnienie operacji i pozwala dowiedzieć się, co dzieje się z systemem, gdy nikt nie patrzy. To podejście przynosi korzyści w postaci ustrukturyzowanej i fachowej obrony w walce z pogarszającą się wydajnością pętli sterowania.
Brian Fenn jest dyrektorem operacyjnym w firmie Avanceon, będącej partnerem merytorycznym CFE Media.
