Применение самонастраивающихся регуляторов

Настройку контура управления во многих отношениях следует рассматривать как науку и как искусство. Хорошо настроенный контур управления с обратной связью может быстро и безопасно устранить расхождение между технологическим параметром и уставкой, однако установление в контроллере необходимого баланса между скоростью выхода на задание и мягкостью работы требует определенного умения и опыта.

Если расход подаваемой жидкости начинает колебаться, температура содержимого емкости также осциллирует, т.к. холодный поток с переменным расходом смешивается с горячим содержимым. Самонастраивающийся терморегулятор (TIC), сконфигурированный для регулирования температуры в резервуаре, ошибочно предполагает, что эти колебания вызваны его воздействием и перенастраивает себя соответствующим образом.

Если расход подаваемой жидкости начинает колебаться, температура содержимого емкости также осциллирует, т.к. холодный поток с переменным расходом смешивается с горячим содержимым. Самонастраивающийся терморегулятор (TIC), сконфигурированный для регулирования температуры в резервуаре, ошибочно предполагает, что эти колебания вызваны его воздействием и перенастраивает себя соответствующим образом.

К счастью, множество простых методик настройки пропорционально – интегрально – дифференциальных (ПИД) контуров были автоматизированы и встроены в коммерческие регуляторы. Функции «самонастройки» по запросу повторяют операции, выполняемые квалифицированным инженером для настройки контура регулирования во время запуска системы. К тому же регуляторы с самонастройкой «на лету» могут продолжать обновлять константы настройки контуров уже после запуска системы в эксплуатацию.

Хотя оба подхода нашли признание среди специалистов по АСУ ТП, самонастройка «по запросу» пользуется большей популярностью. Питер Веллстид занимает должность профессора системной биологии исследовательского центра SFI Гамильтоновского института в Ирландии и является соавтором главы «Самонастраивающиеся регуляторы» в четвертом издании справочника Instrument Engineers Handbook. Он объясняет: «Я действительно проделал большую работу над теоретической базой самонастраивающихся регуляторов и работал над некоторыми коммерческими продуктами в 80-х и начале 90-х годов. С того времени самонастройка стала ведущим направлением». Многие регуляторы имеют эти функции по умолчанию.

«Продукты, в разработке которых я принимал участие, стали развиваться по двум направлениям. Для настройки стандартных контуров управления они упростились до настройки по запросу с помощью тестового ступенчатого или импульсного дублета, вместо того, чтобы непрерывно адаптироваться к нормальным рабочим данным, – говорит Веллстид. – Для специализированных контуров они тесно приспосабливаются к особенностям работающих систем управления. Я замечаю, что в этом случае почти все компании, предлагающие настройку систем и диагностическое обслуживание для сложных процессов, имеют довольно сложные функции самонастройки, которые применяются уже обученным персоналом компаний. Такой подход больше подходит для предприятий, выпускающих продукцию с высокой стоимостью, и/или там, где низкая квалификация требует сторонних подрядчиков для обслуживания систем регулирования».

Веллстид добавляет, что самонастройка «по запросу» используется чаще, поскольку «инженеры компании-разработчика не проявляют желания работать со сложным математическим и алгоритмическим аппаратом, необходимым для настройки «на лету». Могут использоваться намного более простые алгоритмы. Самонастройка уже считается необходимой функцией даже для базовых модификаций контроллеров регулирования. Конечным пользователям также нравится идея самостоятельного управления процессом перенастройки».

Возникающие проблемы

Лу Гордон, главный специалист по применению технологий в Invensys, соглашается с тем, что внедрение коммерческой технологии самонастройки систем управления было ограничено ее недостатками. «Большинство платформ усовершенствованных систем распределенного управления (DCS) имеют возможности самонастройки. Эти процедуры оценивают текущие рабочие характеристики регулятора и изменяют его константы настройки для достижения желательной переходной характеристики после установки нового значения».

Уменьшение степени колебательности технологического параметра приводит к получению более однородного продукта и позволяет вести процесс ближе к его границам.

Уменьшение степени колебательности технологического параметра приводит к получению более однородного продукта и позволяет вести процесс ближе к его границам.

Однако, «это – трудная задача, – утверждает он. – Устройство адаптации должно предполагать, что любое наблюдаемое поведение процесса является результатом выполненных им изменений. Это приводит к тому, что такие алгоритмы могут быть легко сбиты с толку циклическими колебаниями, которые вводятся в контур регулирования через взаимодействие с другими переменными».

Гордон лично столкнулся с такой проблемой, пытаясь регулировать одновременно температуру и расход жидкости. «Любые установившиеся колебания расхода вызывали изменения температуры с такой же частотой. Блок самонастройки терморегулятора безуспешно пытался остановить изменение температуры, перенастраивая регулятор, что приводило к еще более худшим результатам. По этим причинам устройства самонастройки должны применяться под строгим контролем и не должны оставаться без наблюдения в течение длительных интервалов времени».

Уменьшение степени колебательности

Другие пользователи добились большего успеха в применении технологии управления с самонастройкой. Например, корпорация Lubrizol использовала возможности самонастройки DeltaV InSight от Emerson Process Management для улучшения показателей производства различных марок топлива и присадок к машинному маслу на своем предприятии в Техасе.

Продукты, содержащие водную, органическую, жидкую, твердую и газовую фазу, производятся партиями с разными физическими и химическими свойствами. «Это на самом деле довольная сложная групповая реакция и достаточно трудно сохранять состав продукта, необходимый клиентам, – говорит Фред Грегори, главный инженер Lubrizol и руководитель группы модернизации производства. – Все, что мы можем сделать для производства более однородного продукт, поможет эффективно конкурировать на рынке».

Устранение перерегулирования может увеличить время, необходимое для выхода параметра процесса на уставку, но это также уменьшает износ исполнительных устройств, используемых в процессе.

Устранение перерегулирования может увеличить время, необходимое для выхода параметра процесса на уставку, но это также уменьшает износ исполнительных устройств, используемых в процессе.

Для уменьшения колебательности контуров регулирования температуры и давления в Lubrizol использовали динамическую настройку InSight, выступая для Emerson в роли полигона для его опытной эксплуатации. «Нам нужно было что-то, способное динамически настраивать систему «на лету» без необходимости запуска самонастройки инженером или оператором», – отмечает инженер по автоматизации Джордж Лин.

Брюс Джонсон, технический менеджер Lubrizol, добавляет: «Мы выбрали InSight благодаря его способности динамически моделировать коэффициент передачи технологической установки, время запаздывания и постоянные времени». В нем используются алгоритмы обучения, встроенные в регулятор. «Инженер больше не должен беспокоиться о конфигурировании новой технологии. Ему нужно только запустить процесс обучения», – утверждает Джон Колдвелл, менеджер по маркетингу продукции Emerson Process Management.

В Lubrizol очень осторожно относились к применению самонастраивающихся регуляторов, так как понимали, что операторы примут новую технологию только при условии, что установка работала без сбоев и снижения производительности. Эфран Фернандес, инженер по автоматизации Lubrizol, отмечает, что «были некоторые сомнения в том, что система может работать без контроля оператора», поэтому в Lubrizol установили функции, позволяющие операторам самим включать или выключать адаптивную технологию управления. Но, по словам Фернандеса, «мы поняли, что необходимости в этом нет».

Фактически, говорит Эрнандес, «практически сразу после того, как во время нашей опытной эксплуатации был начат сбор данных, мы обратили внимание на улучшение в степени колебательности контуров регулирования. Прежде, каждый раз при просмотре архива производственных данных, было заметно, что многие системы регулирования работают некорректно. После того, как мы начали использовать базовый алгоритм настройки, рекомендованный Emerson, все стало выглядеть намного лучше».

Степень колебательности была уменьшена на 25 % и составила 50 %. Это не только улучшило однородность продукции, но и позволило увеличить скорость протекания реакции, что, в свою очередь, привело к повышению производительности установки.

Регулирование температуры

В гораздо меньших масштабах самонастраивающиеся регуляторы использовались для регулирования температуры электрической печи для выдувания стекла и установки для его отжига. Ричард Хантродс, инженер-химик, ставший художником по стеклу, пришел к выводу, что ПИД-регулятор серии Fuji Electric PXR без какой-либо ручной настройки прекрасно справляется как с задачей поддержания необходимой температуры, так и с задачей линейного увеличения или уменьшения температуры в соответствии с его спецификациями.

Хантродс заменил стандартный ПИДрегулятор, который был не в состоянии поддерживать необходимые уставки на различных стадиях процесса варки, выдувания и отжига. «Новому регулятору потребовалось некоторое время на самонастройку, что вызвало у меня некоторые опасения. В начале настройки температура печи упала почти до 996°С и только после этого регулятор резким воздействием вернул ее на уставку 1010°С».

Однако, уже после одного дня работы «вы можете наблюдать, что регулятор постепенно выходит на правильные настройки, – отмечает Хантродс. – После первоначального включения часто происходило перерегулирование температуры, поскольку уставка через каждые несколько минут скачком увеличивалась в направлении конечной температуры. Но к моменту достижения этой температуры отклик регулятора не превышал нескольких градусов.

Самонастраивающийся регулятор также доказал способность подавлять возникающие возмущения. Хантродс отмечает, что «одна из проблем при выдувании стекла связана с необходимостью открывания печи через каждые десять минут для взятия порции стекла. Важное значение имеют рабочие характеристики печи после закрытия двери. Необходимо очень короткое время отклика. Также температура сильно падает при добавлении в печь холодных стеклянных деталей».

Но как только регулятор нашел правильный набор констант, температура после возмущения асимптотически выходит на уставку без перерегулирования или замедления. Это свело к минимуму время отклика на изменение температуры и снизило эксплуатационные расходы Хантродса.

«Нагревательные элементы работают вблизи своей предельной мощности, поэтому кривая ПИД-регулирования должна быть оптимизирована для предотвращения перерегулирования – объясняет Хантродс. – Регулятор Fuji знает, какую мощность необходимо приложить и на протяжении какого интервала времени вместо того, чтобы включать полную мощность при открывании двери. Это действительно увеличивает срок службы оборудования. Нагревательные элементы, которые раньше работали не больше нескольких месяцев, сейчас функционируют уже третий год».

Использование при отжиге

Хантродс также использует самонастраивающийся регулятор Fuji в установке для отжига с целью поддержания рабочей температуры на уровне 493°С. В конце рабочего дня он начинает снижать температуру на 37°С в час вплоть до комнатной.

В отличие от печи, установка отжига не проходит через пошаговое нагревание, поэтому ее характеристика выхода на уставку 493°С очень грубая. Но поскольку регулятор отвечает на последующие температурные возмущения всякий раз, когда дверь открывается, перерегулирование устраняется. «Результирующий отклик изменяется очень быстро, но без перерегулирования, – говорит Хантродс. – Настройка также занимает немного времени».

Хантродс сообщает, что сталкивался с условиями, которые, казалось, вводили контроллер Fuji в замешательство. «Однажды возникла ситуация, когда нагревательные элементы фактически не нагревали печь». Также наблюдались незатухающие колебания, которые пришлось останавливать вручную, выключив и включив регулятор.

В целом, тем не менее, Хантродс считает, что стоит вкладывать деньги в самонастраивающиеся регуляторы. В дополнение к большей эффективности и более низким эксплуатационным расходам, они позволяют сохранить время и усилия, ранее затрачиваемые на ручную настройку ПИДрегуляторов. Он говорит, что предпочитает тратить это время на выдувание стекла.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *