考虑控制回路的新方法

来源：PlantServices.com Loop assessment, performance analysis and diagnostics have received considerable attention in recent years. Surveys have reported significant room for improvement in plant operations if an effective loop maintenance policy is adopted. One multi-industry loop audit survey reported that only about 32% of loops have acceptable or excellent performance. According to another survey, many industries are adopting some form of condition-based maintenance (CbM) as a predictive maintenance policy. Plant-wide maintenance practices have adapted to an ever-increasing demand for productivity. Industry needs a set of guidelines and strategies that leverage technological developments and maintenance productivity tools to increase overall production efficiency. 这种策略对厂级回路性能监视和诊断非常有效。 近年来，回路评估，性能分析和诊断已经得到大量注意。调查显示: 如果采用有效的回路维护策略, 在工厂运行中回路有重大的改进空间。一个多回路的审计调查显示: 仅有32%的回路有可接受的极好的性能。根据另一项调查，许多工业正在采用某种形式的基于条件的维护（CBM）作为预测性维护方法。厂级维护应用已经适应逐渐增加的生产力要求。工业需要一套指导方针和策略，利用技术开发和维护生产力工具来增加总的生产效率。 回路评估=预测性维护 预测性维护要求使用过程诊断和性能分析, 从而用最大投资回报在高优先级组件上集中维护资源，在回路出现无法忍受的故障之前，非计划性停机的机会是非常高的。即使供应商和研究学术人员已经开发指标评估回路性能，仍有以下问题： ·低性能在何处暗示一个问题？ ·哪个有问题的回路提供改进的最大空间？ ·哪个有问题的回路能提供最大投资汇报（ROI）？ 答案也许会改变预测性维护工具或评估指标的选择。考虑评估一个回路的过程值的自动联系分析，这种分析是仅能评估或离线测量的评估指标。这些活动通常需要最昂贵的维护资源——专家工程。让工程师使用离线软件工具评估回路性能是一个现实的应用，在厂级基础上，能证实这个应用是极端昂贵的。预测性维护的关键是在没有使用工程成就的情况下确定提供最大的投资回报的有问题的回路。工业已经用在线阀值和阀值违反计划来确定有问题的回路，努力定义经济的关键业绩指标(KPI)，这种指标能联系回路性能指标并分配最关键回路的优先级。但是，为厂级回路评估和分级一些高级评估指标能确定有问题的回路，这些回路展示最大的维护投资回报。 作为控制器的回路 传统上，术语回路是指单被控过程、它的反馈控制器和相关的设备。虽然开拓单回路性能和诊断它的故障非常好，但是对厂级性能分析来说不恰当。预测性维护策略应： ·自动确定有问题的回路，这种回路体现在厂级范围最好的改进机会。 ·用进一步的测试和分析来隔离回路故障。 ·为故障和性能改进提供修补措施。 参考回路作为自动化架构和作为厂级架构的组件能帮助设计一个有效的预测性维护策略。 大多数制造厂是自动化的，系统组件能按下列架构组织： ·主过程； ·设备级：传感器、执行机构、通讯设备； ·控制级：算法，例如PID、IMC和MPC； ·系统级：PLC、DCS和PC中的自动化程序； ·监视级：HMI、配方管理、报警管理、优化引擎。 ·用户级：生产操作员和工程师。 这种组织是基于系统层的逻辑深度，在操作员(最高级)和低层过程重要性(最底级)之间下降。例如，引进过程中的一个变化，首先操作员在HMI级别改变设定点范围。这改变了PLC中的一些数据，把它编译进设定点在PID方程式中的变化。这样的一个变化，依赖过程变量的当前值，能导致控制器的输出变化，这种变化修改影响过程阀的打开。 我们建议扩展回路的观点从而集成所有六个等级。正像一个例子所说，考虑一个反应器的控制回路。按照这种扩展的观点，反应、温度传感器、加热元素、设备网络、PID算法、PLC程序、PLC和PC系统和程序、相关的配方管理程序，根据HMI现场和与反应交互的操作员是功能回路组件。 这种观点扩展了以上概念，例如回路故障模式，回路评估指标和回路性能监视。表1在架构的每级上都列举了一些回路故障模式或有问题的属性。更重要的是，基于一些故障行为的观测，人们可论证地为整个工厂设计更有效的回路维护策略。 表1故障模式 评估指标的分析 为最大化在维护上的回报，我们需要利用新技术，使用自动的、正式的回路评估方法，在线而不是离线完成分析，完成基于优先级和过程危险程度的维护，并最终在有改进的最大空间的地方实施这种方法。 许多回路问题出现在自动化架构的最低级。首先，问题在漂移、性能恶化和相应等级的评估指标中自己出现。当问题向上扩散时，它们影响更高级的性能指标。因此，更高级的评估指标的恶化能在更低级的架构等级上暗示更严重的问题。事实上，更高级的评估指标能帮助确定有问题的回路，修理回路能在维护成就上提供更好的回报。 考虑过程干扰。虽然过程干扰是一个问题，但是如果它比传感器的分辨率更小，它是可忽略不计的。当干扰量增加时，过程传感器能探测到它。因此，导致从低级到高级的问题扩散。如果干扰持续以致更严重，不能完全抑制调节控制。进一步增加的干扰可能在系统级产生回路相互作用，并把回路送到报警区。 低级的问题的严重性影响监视级的评估指标。假定调节控制不能抑制永久的、严重的干扰——可能来自慢的控制器调节——仿真操作员反应，这种假定是合理的。 操作员可能把控制器置于手动模式并做过量的调整，试图再生快速的、抑制干扰的控制器。那改变了这种等级的架构的评估指标（回路在手动模式下运行时间的百分比）。 另一个例子，考虑到在回路监视级别实施的配方。一个次优配方通常浪费原材料和能量。如果配方和低层的材料和能量余量有冲突——在监视级别的一种故障模式——各种控制器会相互冲突，每个控制器都试图保持自己的设定点。控制器冲突能把问题扩散到更低级。也可能是操作员通过实验和偏差改变设定点从而删除冲突，降低用户级别评估指标的行为，这种指标测量由操作员导致的平均数量的变化。明显，配方矛盾提供节省材料和能量的机会。因此，更高等级的评估指标恶化在预测性维护上提供最大的回报。 作为最终例子，考虑阀的迟滞问题——在等级1中的故障模式。建立好的步骤测试决定一个阀是否体现迟滞，但是在大范围完成它们是不现实的。阀运动范围的1%以下的迟滞，在大多数情况下是可以忽略不计的。然而，严重的迟滞问题表示更多的维护投资回报的潜能。 线性控制器，例如PID，不能抑制迟滞，这种迟滞自我展示在设定点附近永久波动。因此这能显著地降低三级的更高的调节控制评估指标（设定点穿越的平均值）。如果迟滞变得不能忍受时，操作员可把回路切换到手动模式，因此降低四级的评估指标。 有效的策略确定在维护成就上提供更好回报的回路能从更高级的性能指标开始，并移动到低级性能指标。换句话说，维护成就应集中在回路上，这些回路在更高等级的评估指标中展示问题和缺陷。 可用的工具使用移动窗口平均方案为更高等级回路架构定义和评估一套充足的评估指标，根据被评指标产生回路分级报告。这些生产力工具在最小人力专家的要求下能支持预测性维护策略。 在调节和设备级定义的评估指标，包括标准偏差、过程变化性、干扰、噪声带宽和最优回路质量指标，也用于决定维护的需要和制定维护行动的优先级。 反过来分析 一旦确定有问题的回路，隔离评估指标失效的根本原因非常重要。这个步骤叫做故障诊断，有效的回路故障诊断过程能从隔离低级的故障模式启动,然后转移到高级故障模式。它暗示解决二级故障模式，例如，传感器被干扰、阀滞后和阀静态阻力大，并转移到三级故障模式，例如PID调节，通过增加恰当的抑制干扰、多输入和多输出系统的策略来修补。 回路相互作用。 这种颠倒故障隔离过程是必要的, 因为许多低级的故障会在更高级评估中出现。虽然不是首选的，但是,在这个阶段可以使用一些插入回路测试程序来诊断回路的主故障模式。 关于作者 Alireza Haji-Valizadeh是位于美国俄亥俄州Highland Heights地区的 ControlSoft公司的技术开发经理，更多详情，请联系：440-443-3900.