ISA Mentor Program 的關(guān)鍵資源 Mark Darby 提出的以下問題旨在就如何改進(jìn)PID控制回路性能監(jiān)控展開對話。 

 

Mark Darby 是石化、煉油和石油和天然氣行業(yè)的顧問，他在以下領(lǐng)域提供過程控制服務(wù)：效益研究、項(xiàng)目實(shí)施和技術(shù)評估/開發(fā)。此前，他曾在 Setpoint 和 AspenTech 擔(dān)任多個(gè)技術(shù)和管理職位。Mark 還曾擔(dān)任休斯頓大學(xué)化學(xué)工程系的講師。他與休斯頓大學(xué)和楊百翰大學(xué) (BYU) 的化學(xué)工程系合作，并在德克薩斯理工大學(xué)化學(xué)工程系的外部顧問委員會(huì)任職。 

 

馬克達(dá)比的問題 

              對所有組件和方面（包括：測量、非常終控制元件、過濾、更新率、調(diào)整、干擾和交互）進(jìn)行全面控制回路監(jiān)控的工作流程、技術(shù)和解決方案以及應(yīng)該涉及的人員是什么？區(qū)分短期和長期問題可能是適當(dāng)?shù)摹?nbsp;

 

米歇爾·魯爾的回答 

              我建議使用專門的軟件或在歸檔軟件或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用簡單的測量來進(jìn)行不同級別的監(jiān)控。報(bào)告應(yīng)以每個(gè)類別的特定格式自動(dòng)發(fā)送給適當(dāng)?shù)娜恕９に嚬こ處熜枰獙σ粋�(gè)區(qū)域和前五個(gè)有問題的循環(huán)進(jìn)行評分。過程控制工程師應(yīng)該收到有問題的回路或設(shè)備的清單。非常后，經(jīng)理應(yīng)該收到每個(gè)區(qū)域的分?jǐn)?shù)或顏色編碼的條形圖。 

 

關(guān)鍵是選擇不同指標(biāo)的簡單統(tǒng)計(jì)。例如： 

 

              1、95% 或更多時(shí)間對應(yīng)于某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)百分比，

              2、一組循環(huán)在選定邊界內(nèi)的平均時(shí)間百分比，

              3、異常循環(huán)的百分比等。 

 

基本指標(biāo)： 

 

              1、以非常高模式循環(huán)

                            （1）（自動(dòng)/手動(dòng)、級聯(lián)/自動(dòng)/手動(dòng)、遠(yuǎn)程/本地/手動(dòng)等）

              2、回路未飽和（PV 和 CO）

                            （1）Min<Actual PV<Max AND Min<CO<Max

                                             非常小值、非常大值可以是正常操作定義的變送器/閥門限值或范圍

                            （2）PV信號正常

                                             低于某個(gè)值的噪聲

                                             在非常后 x 分鐘內(nèi)檢測到 PV 運(yùn)動(dòng)（未凍結(jié)）

                           （3） 循環(huán)不在警報(bào)中 

循環(huán)行為指標(biāo)： 

 

              1、CO信號正常

                            （1）未檢測到粘/滑循環(huán)

                            （2）未檢測到振蕩

                            （3）沒有靜摩擦（使用功率譜分析和高級統(tǒng)計(jì)存在特殊功能）

                            （4）過程增益在限制范圍內(nèi)

              2、檢測到循環(huán)交互

              3、操作員活動(dòng)異常

                            （1）SP 變化的計(jì)算

                            （2） 模式變化的計(jì)算

              4、PV和CO異常統(tǒng)計(jì)

              5、每天閥門行程

              6、每天換氣閥

              7、時(shí)間百分比閥在正常范圍內(nèi)

              8、SP、PV、CO統(tǒng)計(jì) 

 

運(yùn)營指標(biāo)： 

 

              1、設(shè)定點(diǎn)活動(dòng)

                            二級級聯(lián)循環(huán)

                            級聯(lián)系統(tǒng)中的獨(dú)立或主回路

              2、操作員活動(dòng)（每班擊鍵次數(shù)）

              3、每天的模式變化

              4、關(guān)鍵變量統(tǒng)計(jì)

              5、報(bào)警管理指標(biāo) 

 

一個(gè)區(qū)域的主管和工藝工程師的報(bào)告示例： 

 

              正常運(yùn)行的循環(huán)百分比

                            95% 或更多時(shí)間的指數(shù)組合

                            例如：

                                          循環(huán)不在警報(bào)中 AND

                                          循環(huán)不振蕩 AND

                                          以非常高模式循環(huán) AND

                                          PV 未飽和 AND

                                          CO 不飽和和

                                          未檢測到閥門問題（指數(shù)組合）和

                                          SP 活動(dòng)低于上述限制和

                                          模式更改超過限制 

 

一個(gè)區(qū)域過程控制工程師的報(bào)告示例；對于每個(gè)元素，時(shí)間百分比： 

 

              需要注意的循環(huán)百分比

                            振蕩循環(huán)列表

                            存在閥門問題的回路列表

                            有發(fā)射器問題的環(huán)路列表 

 

如果工廠正在使用軟件來監(jiān)督過程控制回路和控制策略，則此類報(bào)告已配置好，用戶可以修改這些報(bào)告。報(bào)告可以發(fā)送給經(jīng)理、主管、過程工程師、計(jì)劃人員、過程控制工程師和儀器技術(shù)人員。為避免數(shù)字過多，報(bào)告應(yīng)提供“摘要數(shù)字”，例如，正常運(yùn)行的循環(huán)百分比，其中“正常運(yùn)行”由方程式和指標(biāo)集定義。 

 

報(bào)告的頻率因每個(gè)角色而異。報(bào)告應(yīng)限于非常簡潔的形式，非常好少于一頁，但帶有超鏈接以供挖掘和分析。 

 

              經(jīng)理：每月一次，每周一次，除非統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)低于一定數(shù)量

              工藝工程師：每周和每天

              過程控制工程師/儀表技術(shù)員：每天 

 

主要困難是確保人們采取行動(dòng)。如果報(bào)告足夠簡單，則結(jié)果可用于計(jì)算年度獎(jiǎng)金，例如，對于流程工程師，平均年度績效（正常運(yùn)行中循環(huán)的百分比）。 

 

尼古拉斯·桑茲的回答 

上面 Michel Ruel 提供的指標(biāo)列表非常好。挑戰(zhàn)在于專注于能夠帶來真正好處的改進(jìn)行動(dòng)。 

 

使用軟件工具更容易跟蹤收益。一個(gè)好的軟件工具將使用過程數(shù)據(jù)（PV、SP、OP）和事件數(shù)據(jù)（警報(bào)、模式、OP 或 SP 更改等操作）。結(jié)合這些數(shù)據(jù)可以指出有好處的循環(huán)與沒有好處的循環(huán)。例如，如果反應(yīng)器進(jìn)料流量控制回路經(jīng)常是手動(dòng)的，并且操作員經(jīng)常改變輸出，那么解決回路問題可能會(huì)有好處。另一方面，如果回路是僅在停機(jī)期間使用的氮?dú)獯祾吡髁炕芈罚�并且回路處于手�?dòng)狀態(tài)而操作員未更改輸出，則在回路上工作可能沒有什么價(jià)值。出于這個(gè)原因，有一種方法來對循環(huán)的價(jià)值進(jìn)行分類是很有幫助的，如果軟件工具具有此功能，則更有幫助。 

 

如果發(fā)現(xiàn)正確的循環(huán)存在問題，則可以針對不同的受眾以幾種不同的方式使用數(shù)據(jù)。非常重要的機(jī)會(huì)列表有利于運(yùn)營、維護(hù)和技術(shù)團(tuán)隊(duì)審查和制定計(jì)劃。關(guān)鍵指標(biāo)的趨勢有助于管理層了解整體績效是變好還​​是變壞。指標(biāo)可能包括具有良好性能的關(guān)鍵循環(huán)的百分比、解決關(guān)鍵循環(huán)問題的時(shí)間或循環(huán)在列表中停留的時(shí)間，以及解決的關(guān)鍵循環(huán)問題的數(shù)量或捕獲的業(yè)務(wù)價(jià)值。 

 

路易斯·納瓦斯·古茲曼的回答 

我的 Control Talk 文章“控制系統(tǒng)診斷的結(jié)構(gòu)化方法”，介紹了用于情景分析的控制系統(tǒng)級別，同時(shí)考慮了ANSI/ISA-18.2-2016、過程工業(yè)報(bào)警系統(tǒng)管理和ANSI/ISA -95 IEC 62264 企業(yè)控制系統(tǒng)集成。應(yīng)該了解當(dāng)前情況，分析您的需求，實(shí)施新措施，并確保對每一層進(jìn)行充分的診斷。 

 

格雷格麥克米蘭的回答 

Michel、Nick 和 Luis 提供的診斷非常廣泛，值得努力實(shí)施。必須注意識別由停機(jī)、啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換、批處理操作和程序自動(dòng)化設(shè)置的PID控制器模式和輸出，以免產(chǎn)生錯(cuò)誤診斷。 

 

我對指示循環(huán)運(yùn)行情況及其面臨的挑戰(zhàn)的診斷特別感興趣。我開發(fā)了一個(gè)用于數(shù)字孿生仿真的 DeltaV 模塊，用于計(jì)算正常運(yùn)行期間的峰值誤差和積分誤差，以顯示 PID 抑制負(fù)載干擾的能力�？梢愿鶕�(jù)操作模式和條件重置塊。該模塊還捕獲過沖和下沖，并計(jì)算設(shè)定點(diǎn)變化的上升時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間。 

 

此外，該模塊計(jì)算通信次數(shù)，這對于無線發(fā)射器的電池壽命可能很重要。一個(gè)很好的擴(kuò)展是捕獲與峰值誤差相對應(yīng)的非常終控制元件的峰值運(yùn)動(dòng)，以指示干擾的大小，并將抖動(dòng)計(jì)算為 PID 輸出中大于死區(qū)和分辨率的反轉(zhuǎn)非常終控制元件，它對磨損很重要，并且表明噪音過大。 

 

非常后，我很想看到識別極限環(huán)并計(jì)算其周期和幅度的能力，無論它是由死區(qū)還是分辨率引起的。在我對 2 月份 ISA 導(dǎo)師計(jì)劃博客的回答中，能夠在線衡量過程能力和效率線，“可以做些什么來增加 PID 控制的創(chuàng)新？”，通過顯示對底線的影響，極大地增加了診斷的動(dòng)力。溫度、pH 和成分控制回路通常對底線的影響非常大，因此應(yīng)更密切地監(jiān)測。 

 

非常容易估計(jì)的參數(shù)是總回路死區(qū)時(shí)間，即過程變量開始以正確方向響應(yīng)控制器設(shè)定值或手動(dòng)輸出變化所需的時(shí)間。然后可以分析當(dāng) PID 處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)不存在的衰減振蕩周期的原因。 

 

在第六版 2019，第 7 章 - 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識問題解答提供以下內(nèi)容： 

 

              “總環(huán)路死區(qū)時(shí)間可用于根據(jù)以下簡單的經(jīng)驗(yàn)法則來提供指導(dǎo)，以確定臨界頻率（非常終周期）和觀察到的振蕩源。本指南適用于使用標(biāo)準(zhǔn)或系列形式的 PID 控制器時(shí)不占主導(dǎo)地位的回路。如果不需要嚴(yán)格控制，可以放寬第 2 項(xiàng)。然而，一個(gè)非常大的濾波器或測量滯后會(huì)導(dǎo)致振蕩。

 

              1、干擾振蕩周期 2x => 10x 死區(qū)時(shí)間可能會(huì)發(fā)生共振

              2、PID 執(zhí)行率和過濾時(shí)間應(yīng)分別 < 0.2x 和 0.1x 死區(qū)時(shí)間

              3、振蕩周期 < 4x 死區(qū)時(shí)間表示 PID 速率時(shí)間過大

              4、振蕩周期 < 5x 死區(qū)時(shí)間表示 PID 增益太大

              5、振蕩周期 5x => 10x 死區(qū)時(shí)間表示復(fù)位時(shí)間太快

              6、振蕩周期 > 10x 死區(qū)時(shí)間表示閥門和 VSD 問題（死區(qū)、分辨率限制、緩慢的行程或速率限制，以及較差的執(zhí)行器和定位器靈敏度）。如果積分分量分別超過 1 個(gè)和 2 個(gè)，則分辨率極限和死區(qū)可能會(huì)導(dǎo)致極限循環(huán)（恒定幅度振蕩）。積分組件可能是由于控制器和定位器中的積分作用以及過程中的積分作用（例如，液位）。

              7、接近或超過 40 倍死區(qū)時(shí)間的振蕩周期表明 PID 增益對于接近積分、積分和失控過程來說太低了。”

 

有關(guān) PID 性能的更多信息，請參閱 ISA Mentor Program 網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)系列“ PID 選項(xiàng)和解決方案”、Control Talk 專欄、“隱藏的 PID 揭示，第 4 部分”，以及2014 年調(diào)整和控制回路性能第四版一書。 

 

喬治巴克比的答案 

我將討論一些尚未討論的問題。 

 

首先，必須配置控制回路監(jiān)控系統(tǒng)以了解過程上下文和回路狀態(tài)。如果設(shè)備處于離線狀態(tài)或處于其他一些異常狀態(tài)，則循環(huán)性能指標(biāo)意義不大。每個(gè)單獨(dú)的控制性能指標(biāo)或診斷可能取決于單元的狀態(tài)或回路的狀態(tài)。例如，當(dāng)回路處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，監(jiān)控與設(shè)定值的偏差通常沒有意義。將監(jiān)控系統(tǒng)配置為具有正確的邏輯以提供質(zhì)量指標(biāo)和診斷非常重要。如果跳過這一步，那么你會(huì)有很多數(shù)字，但它們很難解釋。 

 

其次，指標(biāo)和診斷之間存在差異。指標(biāo)（關(guān)鍵績效指標(biāo)或 KPI）有助于跟蹤一段時(shí)間內(nèi)的績效、向管理層報(bào)告進(jìn)度以及選擇重點(diǎn)領(lǐng)域。增加經(jīng)濟(jì)權(quán)重可以極大地幫助這一點(diǎn)。知道 20% 的關(guān)鍵循環(huán)處于手動(dòng)模式是非常有用的信息。它有助于管理層確定優(yōu)先級，但工程師或技術(shù)人員需要更多信息才能采取行動(dòng)。為什么手動(dòng)循環(huán)？簡單地將循環(huán)返回到自動(dòng)模式將是一個(gè)巨大的錯(cuò)誤！ 

 

另一方面，診斷用于查明和解決特定問題。一些指標(biāo)可用于驅(qū)動(dòng)診斷。例如，如果一小時(shí)內(nèi)的非常大 PV 等于一小時(shí)內(nèi)的非常小 PV，則傳感器可能損壞。尼克關(guān)于專注于行動(dòng)的評論是這個(gè)對話中非常重要的一點(diǎn)之一。診斷應(yīng)推動(dòng)具體行動(dòng)以進(jìn)行改進(jìn)。使用指標(biāo)來管理程序，并使用診斷來推動(dòng)日常行動(dòng)。 

 

非常后，我將回到馬克非常初關(guān)于工作流程的問題。為了從控制回路性能監(jiān)控中獲得價(jià)值，我們需要考慮如何將這些信息整合到每日、每周、每月和停機(jī)計(jì)劃工作流程中。定義標(biāo)準(zhǔn)工作流程以及角色和職責(zé)可以明確期望，并使流程在組織中保持不變。以我的經(jīng)驗(yàn)，跳過工作流程規(guī)劃的網(wǎng)站通常依賴于單個(gè)冠軍的行動(dòng)，并且收益往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而消失�；〞r(shí)間開發(fā)和記錄工作流程的站點(diǎn)往往會(huì)在長期內(nèi)持續(xù)提供改進(jìn)。 

 

馬克達(dá)比的后續(xù)行動(dòng) 

一些后續(xù)的想法： 

 

應(yīng)定期監(jiān)測和檢查所有回路（有或沒有專用監(jiān)測系統(tǒng)），但有些回路通常對工藝單元的正常運(yùn)行更為重要，因此具有更高的監(jiān)測優(yōu)先級。 

 

例如，蒸餾系統(tǒng)中的溫度控制器和壓力控制器。從我的 MPC 工作中，我在查看 MPC 的行為之前抽查這些以確保它們的行為正確。此外，溫度控制器通常會(huì)顯示可能源自上游的干擾的影響。在有意義的時(shí)間段內(nèi)設(shè)置這些關(guān)鍵循環(huán)（SP、PV、CO）的專用趨勢有助于快速了解性能并確定是否需要進(jìn)行額外的分析或故障排除。這些循環(huán)也是其性能（因此，調(diào)整）對于非常小化對構(gòu)圖控制的干擾非常重要的循環(huán)。這些可以很容易地使用上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基準(zhǔn)測試。衡量干擾抑制的一種有用方法是評估回路恢復(fù)到測量的干擾，如進(jìn)給率， 

 

啟動(dòng)循環(huán)改進(jìn)活動(dòng)（可以成為工作流程的關(guān)鍵部分）的一個(gè)好方法是根據(jù)循環(huán)狀態(tài)通過服務(wù)因素來定位循環(huán)。這背后的假設(shè)是，如果控制回路運(yùn)行良好（根據(jù)操作員的行為判斷），它將大部分時(shí)間保持在正常模式。給定的循環(huán)可能沒有一種正常模式。它可能是基于條件的（例如吞吐量大�。�，因此將需要條件邏輯。然后可以使用指定回路重要性（基于安全性或經(jīng)濟(jì)性）和低服務(wù)系數(shù)的組合來確定回路的優(yōu)先級以供進(jìn)一步調(diào)查，從而可能進(jìn)行重新調(diào)整、測量改進(jìn)、閥門改進(jìn)或回路重新配置。