Статья журнала "Промышленные АСУ и контроллеры" №9 2004 г:
"Гаечный ключ" для наладчика САР
И.Г. ВАРЛАМОВ, Л.П. СЕРЕЖИН, Б.В. ФИЛИМОНОВ (ЗАО "НПО Техноконт")
 "Гаечный ключ" для наладчика САР. (pdf, 875 Кб) - версия статьи для сохранения на компьютер.
Для просмотра PDF-файла не нужно ничего, кроме самого файла и бесплатной программы Acrobat Reader
"... мне за державу обидно!"
(таможенник П. Верещагин, к/ф "Белое солнце пустыни")
Рассматривается разработанный предприятием НПО "Техноконт", специализированный программный продукт - «P.I.D. – expert. Станция инженерного сопровождения САР». Формулируются ответы на вопросы: что дает этот программный инструмент наладчику в достижении эффективности его работы, и как оценить и оформить эту эффективность?
The paper presents «P.I.D. – expert» - an engineering support station software for automatic control systems. It answers the questions: how a control system adjuster can benefit from this software and how to measure and document the efficiency improvement.
Эта статья носит не проблемный, а описательный характер. Ее цель познакомить читателя с новым программно-инструментальным явлением на рынке средств автоматизации - «P.I.D. – expert. Станция инженерного сопровождения САР». Статья предназначена для инженеров-наладчиков САР - специалистов, которые в силу специфики своей работы хорошо знают технологию, знают особенности реализации САР на этой технологии, умеют ставить себе задачу на текущую наладку САР и, главное, хотят добиться от функций регулирования максимума возможного. Специалисты такого уровня на предприятиях бесценны. Из уважения к ним в данной статье величать мы их будем с большой буквы - Инженер-наладчик. Эта статья предназначена и специалистам-разработчикам АСУТП фирм - "системных интеграторов". Если она заставит их задуматься, на сколько системы, которые они разрабатывают и сдают в эксплуатацию, функционально наполнены и эксплуатируемы, то появление ее не напрасно.
Правильно спроектированная, реализованная и налаженная САР на базе ПИД регулирования может успешно решать 99 % существующих на предприятиях проблем непрерывного управления технологическими объектами. Но регулирование - дело тонкое! И требует внимания, а без должного внимания поле регулирования в АСУТП сегодня заполонил сорняк под названием "слабонастроенный ПИД регулятор", т.е. регулятор, от которого толку никакого, но формально какие-то действия разработчиков и эксплуатационного персонала он обозначает. Технологи недовольны - вручную лучше получается. Да, за державу обидно!
Каковы причины такой запущенности? Их очень много. Можно их перечислять, но зачем? От попадания в "черный список" они не исчезнут.
В силу специфики настоящей статьи обозначим только две причины. Первая - перегруженность Инженера-наладчика на предприятии. Он один, а контуров за сотню - объективно низкая производительность труда. Вторая - отмена стандартов в области реализации ПИД регуляторов. Это - "свобода" разработчикам, которая не радует эксплуатацию - своеобразные формы представления, плохое документирование, полное отсутствие понятных методик настройки. К чему-то приспособиться по жизни можно, к чему-то нельзя. Слабое понимание реализации порождает осторожность в действиях эксплуатации и, как следствие, вырастает очередной слабый регулятор.
Специалисты НПО "Техноконт" поставили перед собой трудную задачу - возродить традиции качественного ПИД регулирования. В первую очередь, считаем необходимым обеспечение Инженера-наладчика современным специализированным инструментом, с возможностью его применения к различным реализациям ПИД регулятора. Это должно повысить производительность и эффективность его труда. Регуляторы должны работать "по ниточке". Регуляторы должны зарабатывать! А сделать это может только хорошо "вооруженный" специалист - Инженер-наладчик.
«P.I.D. – expert» - это не "программка" расчета оптимальных настроек регулятора. «P.I.D. – expert» - это автоматизированное рабочее место Инженера-наладчика, на которого возложено эффективное ведение "хозяйства" САР на предприятии. «P.I.D. – expert» - это сложная программная система.
«P.I.D. – expert» в архитектуре АСУТП представляет собой удаленный сетевой АРМ с односторонним доступом в информационное поле системы. Это - АРМ Инженера-наладчика. Это только его АРМ, обеспечивающий ему требуемый объем и качество информации, а также информационную независимость (Рисунок 1. Интеграция в архитектуру АСУ ТП).
«P.I.D. – expert» обеспечивает работу Инженера-наладчика со следующими типами САР (Рисунок 2. Типы САР: одноконтурная, каскадная, многосвязная, с опережающим импульсом).
«P.I.D. – expert» принимает к расчету регуляторы со следующими передаточными функциями:
Подавляющее большинство представленных на рынке реализаций передаточной функции ПИД регулятора, включая даже экзотические, прямо или с некоторой предварительной подготовкой, можно привести к представленному перечню. При встраивании ядра «P.I.D. – expert» в универсальные и специализированные ПТК для АСУТП эта привязка выполняется автоматически.
Автоматизированный сбор и ввод исходной информации
Исходная информация - графики изменения технологических параметров, участвующих в работе различных САР прямо или косвенно. По каждому регулятору необходимо иметь следующую информацию:
SP - задание
PV - регулируемая переменная (это единственный параметр, без которого работа «P.I.D. – expert» невозможна)
CO - положение регулирующего органа
VS-1 ... VS-n - вспомогательные переменные, на основании поведения которых можно судить о представительности исходной информации по данному контуру. Например, состояние ключа "ручной/автомат".
«P.I.D. – expert», обслуживающий одну или несколько АСУТП, всегда работает с архивной информацией. Вопрос только когда и кем этот архив создан - минуту назад или месяц, снят с системного сервера или создан собственными усилиями.
Внешние архивы, созданные системными серверами и SCADA-системами.
Требования к внешним архивам со стороны «P.I.D. – expert»:
- возможность конвертации в стандартные форматы, например в DBF;
- представительность по составу;
- отсутствие предварительной статистической обработки параметров, например, усреднения при архивации;
- дискретность формирования архива должна удовлетворять Инженера-наладчика.
Как показывает имеющийся у нас опыт, более чем в половине случаев рассмотрения приемлемости использования при настройке регуляторов внешних архивов результат отрицателен. Причина этого понятна - создавались эти архивы не для целей настройки регуляторов.
Текстовый файл. Это уже более специализированное, а значит более интересное для «P.I.D. – expert» решение по представлению исходной информации. Как правило, у Инженера-наладчика есть возможности влиять на структуру и содержание такого архива. Это популярная в среде Инженеров-наладчиков форма представления исходной информации для работы «P.I.D. – expert» (Рисунок 4. Пример текстового файла для передачи данных в «P.I.D. – expert»).
ОРС-технология. Самым удобным и эффективным вариантом получения исходной информации является возможность использовать в качестве архиватора встроенный в «P.I.D. – expert» ОРС-клиент, который являясь полноправным абонентом в сетевом информационном пространстве ОРС-переменных производства, настраивается Инженером-наладчиком под свои задачи, имеет встроенный "просмотрщик" графиков архивируемых переменных как в реальном времени, так и поднимая их из уже созданного им специализированного архива «P.I.D. – expert». Это идеальный вариант подготовки исходной информации для «P.I.D. – expert».
Исходная информация в «P.I.D. – expert» Инженером-наладчиком распределяется по контурам регулирования с привязкой по функциональности (SP, PV, CO и т.д.). В разных контурах один и тот же технологический параметр может иметь различную функциональность. Производится паспортизация контуров регулирования.
Оценка эффективности функционирования САР
 И до, и после производства настройки регулятора «P.I.D. – expert» предоставляет возможность производить оценку эффективности функционирования регулятора за некоторый временной интервал (смена, день, сутки и т.д.). Наличие такой оценки позволяет Инженеру-наладчику сделать вывод о целесообразности производства перенастройки регулятора, если это и так не очевидно, а также получить материал для оценки, выполненной им работы по перенастройке регулятора (Рисунок 5. Гистограмма распределения).
- Для оценки эффективности выбран очень простой показатель, справедливый для 99 % всех САР - среднемодульное отклонение регулируемой переменной от задания - главный в оценке показатель. Задача Инженера-наладчика, по возможности, минимизировать этот параметр, но в условиях схожей динамики.
- Среднее значение регулируемой переменной - сложный в оценке качества параметр. Унифицированного применения ему разработчики не нашли. Но может быть специфика вашего регулирования придаст ему вес.
- Гистограмма распределения значений регулируемой переменной за оценочный временной интервал. Предназначена для наглядного образного отображения событийности процесса регулирования. Гистограмма - наглядная информация к размышлению для Инженера-наладчика. Очень важная информация в гистограмме - распределение значений регулируемого параметра в зоне его максимальных выбегов. Эта информация позволяет сделать вывод о возможности изменения задания регулятору в лучшую сторону. Изменение задания в лучшую сторону на некоторую величину - единственная возможность определить прямую экономическую эффективность работ по настройке регулятора. За изменением заданий легко различаются конкретные цифры в рублях, которые Инженер-наладчик может с гордостью отнести на свой вклад в благосостояние родного предприятия. Да и донести эти цифры до руководства полезно - и свой статус повысить, и статус службы вкупе с руководством.
Не было ли за оценочный период времени изменения задания регулятору? Что в форме гистограммы неестественно? Может быть были отключения регулятора, большие возмущения и т.д.? Почему нет симметричности? В идеале, Гистограмма должна быть "небоскребом" у столба задания без "пристроек" и отдельных "построек".
Оценки по исполнительному органу:
- Количество реверсов регулирующего органа.
- Суммарный "ход" регулирующего органа.
- Гистограмма положения регулирующего органа (распределения выхода регулятора).
Если технология, технологическое оборудование, система регулирования правильно спроектированы, правильно смонтированы и правильно эксплуатируются, то поведение регулирующего органа при оценке эффективности функционирования САР не должно вызывать раздражения - поведение его штатно и естественно. Но если что-то в этом порядке нарушено, то лучшим индикатором является, именно, вышеприведенные показатели 4,5,6. Все вместе они являются отличным материалом для анализа ситуации и для принятия правильного решения по поиску компромиссов в настройках. Хотя компромиссы - это признак слабости. Лучше устранить первопричины.
Расчет настроек
Главное:
- «P.I.D. – expert» работает с замкнутыми системами регулирования.
- «P.I.D. – expert» обсчитывает переходные процессы, возникшие в результате смены задания регулятору или, что особенно важно, возникшие в результате близких к ступенчатым возмущениям по нагрузке.
- «P.I.D. – expert» определяет настройки, соответствующие минимальному времени регулирования (времени переходного процесса).
- «P.I.D. – expert» работает с САР, в которых объект регулирования может быть как с самовыравниванием, так и без.
 Почему выбранный критерий - минимальное время регулирования? Потому что задача регулирования - ликвидировать последствия возмущения за минимальное время с минимальными ошибками, а время регулирования компромиссно близко в своем минимуме к наилучшим значениям таких критериев как динамическая ошибка (выбег) и степень колебательности, а также обеспечивает гарантированный запас по устойчивости, чего не скажешь о других вышеназванных критериях. Упрощенное графическое представление позиционирования этих критериев приведено на рисунке 6. Критерии качества переходного процесса. Как показали проведенные исследования, минимизация этого показателя позволяет получить практически апериодические переходные процессы (перерегулирование не более 5 % от выбега). Выбег этих процессов обычно несущественно превосходит выбег процессов, оптимальных по этому показателю. Существенными преимуществами этого показателя качества является также его относительно более высокая чувствительность к изменению параметров системы, сравнительно меньшее число реверсов исполнительного механизма.
В «P.I.D. – expert» применены 2 альтернативных метода расчета настроек:
- метод преобразования переходного процесса;
- метод расчета настроек регулятора с предварительным определением параметров объекта.
Здесь и в дальнейшем приносим извинения читателям этой статьи за отсутствие подробного описания примененных алгоритмов поиска оптимальных настроек. Это закрытая информация. Упрощенная функциональная схема расчетов настроек приведена на рисунке 7. Схема блока - Инструменты настройки.
 Метод 1. Реализован в составе «P.I.D. – expert» средствами известной инструментальной программы настройки ПИ регуляторов - "АБВ"1
(1 Авторы считают уместным не согласиться с информацией, изложенной г-ном Гибшманом Е.А. в статье "Реализация оптимальных режимов эксплуатации систем регулирования в АСУТП" (Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. №6) о том, что программа АБВ работает "...не с реальными объектом, а автономно с его идеализированной линейной моделью...". Программа АБВ не работает с моделью вообще!).
Исходная информация - график переходного процесса и значения настроек регулятора, при которых этот процесс получен.
Суть Метода 1 - используются алгоритмы, представляющие собой формализацию поведения опытного наладчика регуляторов. Опытные наладчики обычно исправляют настройки, наблюдая за изменением переходного процесса. Алгоритмы метода стремятся изменить настройки таким образом, чтобы привести форму переходного процесса к процессу с минимальным временем регулирования (Рисунок 8. График переходного процесса и значения старых и новых настроек регулятора).
 Несомненные достоинства Метода 1:
- не требуется информация о положении регулирующего органа;
- можно обсчитывать переходные процесс колебательного характера (до автоколебаний) и не ждать окончания этого переходного процесса;
- не надо думать о размерности настроек;
- возможен упрощенный съем переходного процесса по нескольким характерным точкам.
Условные слабости Метода 1:
- нет возможности рассчитывать настройки П, ПИД регуляторов;
- нет возможности промоделировать результат расчета - результат можно увидеть только установив настройки в регулятор.
 Метод 2. Исходная информация - график переходного процесса и соответствующий ему график поведения регулирующего органа (Рисунок 9. График переходного процесса регулятора разряжения в топке котла: PV и CO).
Суть Метода 2 можно описать следующей формулировкой: это оптимизация параметров модели объекта с учетом характеристик переходного процесса. Имея вход объекта (СО) и выход объекта (РV) «P.I.D. – expert» некоторыми оптимизационными процедурами определяет модель объекта, выход которой максимально возможно близок к реальному измеренному значению. Оценить качество идентификации объекта «P.I.D. – expert» предоставляет непосредственно Инженеру-наладчику "на глаз", для чего на экране отображаются две кривые: выход реального объекта (измерения) и выход модели объекта (Рисунок 10. Идентификация объекта).
Оптимальные значения настроек регулятора находятся с помощью поисковых процедур в ограниченном диапазоне их изменения. Начальные значения для поиска вычисляются с помощью специально разработанных приближенных зависимостей между параметрами объекта, настройками, шагом дискретности. Поиск оптимальных решений осуществляется в заданных границах от этих начальных значений.
Несомненные достоинства Метода 2:
- возможность дальнейшего моделирования переходного процесса с изменением настроек;
- получение параметров модели объекта, что нелишне.
 Очень условные слабости Метода 2: для расчетов нужен законченный переходный процесс.
Моделирование переходного процесса
Итак, вы получили настройки, соответствующие минимальному времени регулирования. Это хорошая исходная точка для дальнейшего возможного творчества.
Будучи специалистом, Инженер-наладчик хотел бы знать:
- как будет выглядеть переходный процесс при возмущении по нагрузке, если исходный для расчетов процесс был следствием изменения задания?
- как качественно оценить переходный процесс с новыми настройками регулятора в сравнении с исходными?
- в каких пределах можно изменять настройки регулятора, чтобы не потерять устойчивость системы?
- можно ли дополнительно минимизировать, например, выбег, и чем при этом придется пожертвовать?
 Ответы на эти вопросы дает моделирование! В моделировании пользователю предоставляется возможность задать любые настройки регулятору (например, те, которые установлены в регуляторе на данный момент) и сравнить получившийся переходный процесс с переходным процессом при оптимизированных «P.I.D. – expert» настройках. Независимо от того, что служило причиной исходного переходного процесса, моделируется сразу 2 случая: процесс при возмущении по нагрузке и по заданию. Оба процесса отображаются в виде графиков регулируемой переменной и выхода регулятора (Рисунок 11. Моделирование переходного процесса).
Все графики моделируемого переходного процесса совмещены с соответствующими графиками процесса, оптимального с точки зрения времени регулирования. В сравнении этих переходных процессов вам помогут некоторые контрольные цифры, сопровождающие каждый из них:
| Наименование |
Регулятор |
| Оптимальный |
Моделируемый |
| Время переходного процесса |
271 |
893 |
| Выбег |
3,69 |
3,72 |
| Перерегулирование |
0,07 |
1,91 |
| Общий ход регулирующего органа |
13,69 |
34,18 |
| Количество реверсов регулирующего органа |
4 |
15 |
Эффектный отчет
Выполнив работу по наладке регулятора на высоком уровне, Инженер-наладчик может кроме самоудовлетворения ничего более и не получить. Это значит, что в работе не поставлена точка - нет отчета. Отчет в нашем представлении должен быть эффектным и иметь статус "ценного" документа на предприятии, т.к. он фиксирует завершение данного энерго- и ресурсосберегающего мероприятия или мероприятия, направленного на улучшение качества выпускаемой продукции. Отчет должен убеждать и нести в себе сильную аргументацию. Отчет должен мотивировать руководство на дальнейшие конструктивные шаги в области совершенствования САР и т.д. По своему внешнему статусу отчет является главной составной частью «P.I.D. – expert».
Разработчики понимают, что, сколько существует предприятий, столько может быть и оптимальных форм отчетов и готовы работать над каждым индивидуально. Но надо с чего-то начать. «P.I.D. – expert» в настоящее время предлагает следующую информацию для размещения в отчете::
- По разделу "Оценка эффективности" за отчетный период:
- среднемодульное отклонение регулируемой переменной от задания;
- среднее значение регулируемой переменной;
- среднее значение регулируемой переменной за предыдущий отчетный период;
- прямой экономический эффект по изменению среднего значения регулируемой переменной;
- гистограмма распределения регулируемой переменной;
- гистограмма распределения положения регулирующего органа;
- количество реверсов исполнительного органа;
- суммарный ход регулирующего органа.
- По разделу "Расчет настроек":
- рассчитанные настройки;
- исходные настройки;
- график моделирования процесса с рассчитанными настройками;
- параметры модели объекта;
- график аппроксимации объекта.
- При сравнительном моделировании:
- сравнительные графики моделируемых переходных процессов;
- сравнение по времени переходного процесса;
- сравнение по величине выбега;
- сравнение по перерегулированию;
- сравнение по общему ходу регулирующего органа;
- сравнение по количеству реверсов регулирующего органа.
Все персонифицировано, привязано к месту и времени, обозначения параметров соответствуют их проектно-технологическим именам и псевдонимам. Нужные места можно выделить и снабдить комментариями.
Заключение
Любая современная АСУТП должна иметь в своем составе АРМ инженера сопровождения САР. Сейчас это уже аксиома. К сожалению, огромное количество специалистов, которым положено выжимать качество из систем регулирования, предпочитают это делать лежа на печи, и чтобы по щучьему велению они сами настраивались. Почему? Это тема отдельной статьи! Выпуская на рынок «P.I.D. – expert» мы ставим своей целью дать импульс к формированию другого - трудового - отношения инженера-наладчика к своим обязанностям. Наша задача сделать его труд более эффективным за счет вооруженности, как инструментарием, так и методологически.
«P.I.D. – expert» поднимает его статус. «P.I.D. – expert» дает ему шанс. А для тех, кого и раньше можно было величать Инженером-наладчиком САР с большой буквы, «P.I.D. – expert» это просто "гаечный ключ", без которого раньше как-то обходились подручными средствами, но наша жизнь постоянно меняется. Да и к хорошему быстро привыкаешь. А для остальных это поступок! Авторы статьи стояли "над душой" инженера, налаживающего сложный контур регулирования на экспериментальной энергосберегающей технологии. Перенастраивать контур он не хотел - на "удовлетворительно с плюсом" регулятор работал. Уговорили.
В результате двухдневной битвы с особенностями регулятора, с божьей помощью и с помощью «P.I.D. – expert» инженеру удалось добиться настройки, которая позволила снизить задание регулятору, что одно дало экономический эффект 1 доллар в час по затрачиваемым энергоресурсам. Мало? Но ведь этого доллара до проведения работ не было, а сейчас он есть! И стал этот инженер, в глазах своих и окружающих, Инженером. Хотите 1 доллар в час? Настраивайте, господа!
Илья Геннадьевич Варламов - руководитель департамента САР,
Леонид Павлович Сережин - генеральный директор,
Борис Викторович Филимонов - руководитель департамента маркетинга ЗАО НПО "Техноконт".
Телефон: (495) 652-91-60,
факс: (495) 652-9130.
E-mail:
http://technocont.ru
|
