优化工厂控制性能

Much of industry recognizes that optimized controller performance increases plant efficiency. There are now case studies in every industry showing the benefit of continual assessment and diagnoses of controller performance. But how do you get started with performance monitoring? 很多行业都认识到优化控制器性能可以增加工厂效率。现在，各个行业的研究案例都显示控制器性能连续评估和诊断的好处。但是，性能监视怎样入门？ 步骤1：建立运行关键性能指标（Key Performance Indicator---KPI） 选择恰当的关键性能指标可能是实施过程中最关键的阶段。个人和公司对评估他们的方式做出反应,因此KPI的选择决定公司的行为。选择的KPI必须解决下述问题： 1） 选择的KPI必须反映公司的商业目标。如果要求降低由于非计划维护造成的停机时间， 需要选择反映传感器和阀的条件的KPI；如果目标是降低能源消耗，应考虑反映存在循环或可变性的KPI。 2） 仅考虑选择宽范围的KPI性能监视系统，从而满足公司的需要。 表1 简单KPI的例子 3） 选择可理解的，可实现的KPI也是成功的关键。例如，在性能监视的开始阶段，通常的状况是在自动控制系统中在自动或正常模式下，具有非常差百分率极少数的控制器的自动化系统是常见的工作在自动或正常模式下，高百分率的具有某种限制输出的控制器也是常见的。大部分控制器的输出处在某种极限状态.控制器花在正常模式而不是极限模式下的时间百分率对KPI来说是极好的第一选择。 步骤2：为实现KPI，要确定每个股东项目参与者的角色 一旦选择KPI，认识到每个人或公司在实现改进措施中的角色是非常重要的。以上引用KPI的案例非常清晰的说出工厂中每个功能角色是怎样参与到改进选择的KPI。让我们看一下控制器运行在极限情况下的时间百分率以及下列功能角色是怎样改进措施的。在我们的例子中，我们看看过程设计、仪表维护和控制设计。在我们的高极限案例中，以特定控制器为目标，它有在限制条件下高百分率的运行时间。 过程设计通过查看过程流程图、产品原料、产品规范和设备来决定是否有改变，这些改变可能导致这部分过程变成瓶颈，对工厂总体吞吐量来说，瓶颈意味着重要的限制。性能措施和分配到这个控制器的优先级的结合将会在优先级列表的控制器上产生立竿见影的效果，这些控制器的性能问题将影响工厂性能。 仪表人员和维护人员能在最新时间查看这个控制器是否已经在现场维护，评估是否完成正确的定位校准以及阀的密封面是否正确。 控制工程师能查看控制器上下游和控制器调节的性能，确保调节对工厂的运行节点没有太大的冲击。最终，过程控制工程师和过程工程师能查看控制器的设定点来确保在控制器中使用正确的设定点。 步骤3：选择并安装KPI软件包，并报告股东项目参与者 你选择的性能监视系统必须允许你设计出对公司所有股东项目参与人员都可用的KPI报表。KPI报表必要的因素如下： 1）必须包括或广泛使用通过工业标准OPC采集数据的历史数据库。历史数据库提供这些必要的用途： （1） 历史数据库采集并存储工厂原始数据，并通过性能监视计算这些数据的KPI值。 （2） 历史数据库允许查看过程数据的实时趋势或历史趋势，从而对有问题的区域进行进一步分析。 （3） 性能监视在历史数据库存储KPI值。这种方式记录的KPI历史值允许后期比较。例如，这解答了问题——“我现在该怎样比较3个月前的数据？”。 2）性能监视必须允许容易批量设置和组态，也必须允许容易，快速地设定工厂KPI基线。建立连接和通信后，设置高达500个连续过程回路的基准需要4天，这意味着不需要4天就能完成： （1） 监视控制器地址输入，经济性的回路优先级，回路KPI值离线或在线地址，采样间隔和任何其他的关于所有500个控制回路的设置。 （2） 单元运行和工厂的设置。 （3） 500个回路的关键值设置和回路健康总体定义 3）必须允许把完全不同的KPI结合成一个表示回路健康的总体KPI值。总体回路健康数量对快速确定需要注意的控制器是必要的。它也是单元运行、工厂现场和整个公司的健康架构的基础。 4）如果工厂后期转换到不同的KPI，必须允许追溯计算前2年总体回路健康历史。 5）KPI值必须包括： （1） 探测振荡回路，并诊断振荡的原因。 （2） 根源诊断确定工厂级振荡的来源。 （3） 探测振荡回路和欠调谐回路。 （4） 过程模型识别恰当的工厂数据。 6）根据工厂连续性建模，应允许批量调节变化。 7）必须包括容易实现的和可用的报表接口。按照今天的技术，这意味着通过浏览器接口和Email，应能应用这种结果。 8）基于浏览器的报表应包括： （1） 根据总体健康和经济因素，需要注意回路优先级列表。 （2） 能分类回路及其KPI值的报表，能追溯到各个回路KPI历史值。 （3） 现场、工厂和单元运行健康概貌报表。 （4） 可在以前历史时间窗口查看所有以上可用的报表。 （5） KPI历史报表和KPI值曲线图。 （6） 报表显示做出的所有PID调节变化。 （7） 订阅email报告。 （8） 当关键KPI或回路需要注意时，能用email提醒。 9）必须包括一个高级PID优化软件，用于优化PID回路。PID优化必须包括一套完全的工具用于纠正发现的问题，包括： （1） 特别推荐阀滞后和静态阻力。 （2） 线性化分析包括线性过程的特点表现器(characterizer)的设计。 （3） 控制器的离线仿真响应负载、设定点变化和过程噪声。仿真应允许前后响应的比较。 图1高级PID优化软件 从左到右显示： ① 建模； ② 鲁棒性比较； ③ 性能比较概貌； ④ 当前PID调节和新PID调节； ⑤ 最优PID调节和最优过滤器； ⑥ 仿真响应负载，翻转比较。 4）揭示冲击调节和变得不稳定的回路之间的交替换位的鲁棒图。鲁棒图应允许前后比较响应。 5）以几种用“单调节值”响应的方式优化PID调节，就像“安全因数”调整一样。 6）最优PV过滤决定。最优过滤将降低阀磨损而不降低性能。 步骤4：培训 一旦安装并组态根据选择的KPI提供报表和诊断的性能监视系统，集中进行必需的培训以得到最大的性能监视能力是非常重要的。对每个KPI来说，有几个其他的诊断方法帮助进一步理解问题的根源。一旦找到恰当的根源，就能集中纠正发现的问题。 培训应集中在以下领域： 1）网络浏览器接口（Web Browser Interface） 每个股东项目参与人员需要历史数据库和诊断中的不同信息和图形。培训应鼓励每种用户定制显示与特定任务或工作职能最密切的信息接口。性能监视系统应支持定制创建显示工厂性能的报表和图形。培训小组用户（3-4人）怎样使用网络接口不应超过2-3小时。 2）历史趋势和实时趋势 在许多案例中，来自性能监视的网络浏览器接口的诊断需要通过额外的分析支持，这些分析使用历史数据库和嵌入式调节器分析软件。应实施历史趋势子系统培训以便用户能在需要时选择数据，添加笔，生成X-Y图从而确定初始诊断。这种类型的培训一般限制到极少数用户，这些用户是具有自动化系统和过程控制原理的专家。需要实施额外的培训使这些专家做涉及建模和仿真，光谱分析和交叉参考等额外分析。有资格的培训讲师在3-5天的短期班完成这部分性能监视的培训。 3）运行更接近规范，增加利润 通过大量比例的可变性，设定点偏离目标。一旦降低可变性，设定点能更接近规范极限。根据改进那个过程的KPI的过程，图2说明了移动目标更接近极限的概念。 图2 更好的控制允许运行的系统更接近规范 图2中14位置的虚线是过程变量（PV）的规范极限。超过极限将生产次品。工厂运行到这个极限越接近，节省的能量越多。在图2中前1000秒，没有优化控制器，在1000秒后，优化了控制器。由于更好的控制，在1200秒位置，人员有设定点上升的信心。这个新设定点更接近能量节省中的规范结果。 4）使用性能监视系统典型的结果 一旦完全安装性能监视系统以及培训的用户和公司开始集中在选择的KPI，就能测量结果。一般在开始的1-2个月，自动运行的控制器数量将会增长200-300%。有限制的控制器数量将会降低50%。KPI将会改进50-75%。 安装完全版的性能监视系统，投资回报周期（ROI）一般是3个月或更少，完全集成调节器分析仪（tuner analyzer）的性能监视系统，投资回报周期一般是12-18个月。 下列典型工厂的性能改进方法是从很多现场收集的。 表2 性能改进方法 注：X2表示2倍。 一旦公司把性能监视作为改进工厂性能的方法以及用选择的KPI实现以上方法，工厂处于驱使过程更接近极限从而进一步改进赢利性的位置。 <