开环响应测试改进流程

关键字 过程控制与仪表 校准 教育 循环控制器 过程控制阀 栏: 三步循环调优

根据一项行业调查，四分之三的过程控制回路的运行效率低于峰值。可能降低过程效率的条件包括控制阀选择不当、通径或校准不当;不稳定:高于或低于设定值的不稳定或振荡;对变化的环境反应迟钝;或者是这些因素的组合。大约一半的回路问题与控制阀性能有关，其他问题主要是由于控制器调优不良。

许多生产工程师，甚至过程控制工程师，都没有意识到有一种方法可以直接从控制室评估各个控制回路的运行情况。开环响应测试是三步评估程序的一部分，使工厂或炼油厂人员能够通过确定工艺时间常数、工艺增益和工艺死时间来定义工艺。使用这些值，可以计算和应用新的控制器设置。由此产生的循环性能的改进将导致对流程的更好的整体控制和生产率的提高。

瓦肯化学公司的四英寸之一。蝶阀显示有8%的死区。大死区产生了不切实际的控制器调谐设置;然而，applygin高增益强制输出信号变化足以驱动阀门快速通过死区，从而减少整体设置时间。计划对该阀门进行维护和增加一个定位器。

在线回路评估

即使是经验丰富的工程师也经常惊讶地发现，从分布式控制系统(DCS)控制台执行的一个操作控制回路的简单测试可以揭示有关过程的许多信息。

可以评估工厂中选定的过程，并且可以使用从测试结果中计算的值来调整环路控制器。应用于“实时”过程控制的技术最大限度地降低了扰乱工厂操作的可能性。

用户可以调优控制器以最小化或消除过程变量超调，并产生可预测的过程变量设置时间。

当使用计算机模拟时，现场设备运行完美无缺，但在现实生活中，即使是最调谐的控制器，也可能会出现阀门卡住或位置不当的情况。在活的植物循环中工作可以建立用户的信心，因为课堂教学可以在实践过程中应用。

使用DCS操作员界面，可以通过三个步骤验证、测试和优化控制循环。

第一步是检查阀门或最终控制设备，包括定位器和其他附件，以确保其运行良好。阀门死区检查可以确定阀门是否充分工作。如果阀门反应不正常，必须对维护工作进行评估，特别是对那些对工厂运行有重大影响的阀门。不太重要的阀门可以测试和调整，即使阀门运行不正常，意识到环路性能不会优化。

第二步是开环响应测试，确定工艺时间常数、工艺增益和工艺死时间。这些值用于计算连接到该阀门或最终控制设备的控制器的新增益和重置设置。在进行测试之前，评估信号滤波值和采样率设置，以确保准确的测试结果。

第三步使用在第二步中收集的数据来计算新的循环调优值。

这个三步过程很简单，但是如果重复第二步和第三步，效果会更好。在第二个系列测试之后，循环调优如何影响稳定性和稳定时间就变得很明显了。

一个经常被问到的问题是，“自动调优怎么样?”许多自动调优产品都可以简化调优，但这些算法并不总是能达到最佳结果。三步法使业绩目标的实现更具可预测性和可靠性。完全依赖于自动调优，尤其是那些不断偏离设定值的循环，是不推荐的。

现场经验

Vulcan Chemical Co. (Wichita, Kan.)的生产工程师测试和调整了三个操作回路，结果如表“开环响应测试”所示。

在操作条件和测试时存在的阀门位置上取得了记录在案的结果。其他条件和/或阀门位置可能会产生不同的结果，因此建议进行一系列开环测试，以在预期工作范围内获得最佳性能。

Vulcan氯碱厂生产工程师兼卓越运营主管Rod Graf说，我们正在实施卓越运营计划，旨在提高该厂以及威斯康辛州爱德华港和路易斯安那州盖斯马的其他工厂的生产效率。显然，控制系统的稳定性对我们工厂的整体卓越运行非常重要。”

对于Vulcan来说，生产效率意味着“更接近边缘”，需要优化每个控制循环。当一个过程中发生太多的变化或大的波动时，必须为产品提供一个相当大的缓冲以满足规格要求。当超调消除和变化减少时，它有助于每个设施实现其性能目标。

格拉夫说:“我们需要能够稳定这些循环，以优化我们的流程。”“有时候，我们会对现有的条件感到自满。测试循环的改变让我们更好地理解了控制系统是如何工作的，以及我们如何影响这个过程。现在，当我们开始卓越运营计划的稳定阶段时，我们将知道要寻找什么以及如何纠正可能存在的循环性能问题。这项技术对我们来说绝对有实用价值，它让我们更有信心有能力做出改变。”

单个回路的稳定性可以优化控制系统，并对整个过程有积极的影响。消除单个循环中的问题有助于提高生产效率，这就是开环测试如此有价值的原因。

然而，当变化对整体运营产生积极影响时，真正的回报才会到来。选择一个可测量的标准来记录开环测试和闭环控制器调优的好处是个好主意。不同工厂的标准可能不同，并取决于操作目标。它可以是提高吞吐量、减少停机时间、提高质量、节省更多的资金或任何经济或性能因素。通过建立有意义的标准，在循环更改之前和之后进行测量，并比较结果，您可以充分实现在线循环评估的好处。

Fisher-Rosemount教育服务公司(马歇尔敦，Ia.)在现场进行“过程控制III”课程，在现场工厂循环中进行实践课程，以“证明”这些过程改进是可能的。Vulcan工程师参加了为期三天的课程

开环响应测试

资料来源:Control Engineering，数据来自Fisher-Rosemount
	找到控制器设置		修改控制器设置
过程描述	获得	重置(重复/分钟)	获得	重置(重复/分钟)	沉降时间(分钟)	修正沉降时间(分钟)
温差	０．７５	0.3	2.5	0.8	10 - 15	5
水压力	0．5	1．0	1．5	1．0	10	4
水流	0.7	1.3	0.2	8.3	3 - 4	1

三步循环调优

步骤1:检查阀门或最终控制装置，包括定位器和其他附件。

步骤2:开环响应测试确定工艺时间常数、工艺增益和工艺死时间。

步骤3:计算新的循环调优值。

必要时重复。

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