PID,APC

理解APC改进的矩阵

与传统的基于模型的控制(MPC)和实时优化相比,更加敏捷的工具正在帮助多变量控制在高级过程控制和其他应用中变得更加有效。过程工程师、操作人员、DCS和APC工程师以及其他过程操作和优化的利益相关者都可以从理解矩阵中受益。

艾伦·克恩 9月1日,2021年
礼貌:APC性能LLC

学习目标

  • 了解控制器(单回路或多变量)连接和方向。
  • 审查所有过程交互的理论矩阵与操作矩阵设计和设计提示。
  • 检查点火加热器控制的APC示例。

未来几十年过程控制活动的主要方面(很可能)是多变量控制。这是流程自动化进程中的下一个逻辑步骤。更好的工具使先进过程控制(APC)方法可用于更多的应用。

经过几十年的多变量控制活动,传统的多变量控制范式 - 基于模型的控制(MPC)和实时优化 - 从未进化成多变量控制核心能力的过程行业需求。很明显,仍有待完成的工作(“APC缺少的公制“)需要更多的敏捷工具(”多变量控制为核心竞争力”)。

现代多变量控制范式将把早于MPC时代的持久的单环过程控制原则与MPC时代涌现的关键多变量控制经验教训相结合(表1)。对于控制工程师来说,了解幸存下来的核心多变量控制原则和经验教训将非常重要。其中最主要的是矩阵的概念,因为它在多变量控制中的作用,也因为它在有效的过程操作、约束管理和过程优化的更大画面中的作用。

表:现代多变量控制范式结合了传统的单环过程控制原则,这些原则将MPC时代预先利用来自MPC时代出现的关键多变量控制课程。礼貌:APC性能LLC

表:现代多变量控制范式结合了传统的单环过程控制原则,这些原则将MPC时代预先利用来自MPC时代出现的关键多变量控制课程。礼貌:APC性能LLC

高级过程控制连接、方向

关于任何控制器,无论是单回路还是多变量控制器,首先要了解的是它的连接和方向。

在单回路控制中,“连接”是指哪个变送器(或其他过程测量)和哪个阀门(或其他最终控制元件)连接到控制器。这些通常显示在管道和仪表图纸(P&ID)、控制系统图形以及许多其他类型的工艺文件中。每个上下文可能包括额外的控制器细节,但控制器的连接始终是一目了然掌握控制器角色所需的最低信息,即哪个变量由哪个阀门(或哪个“手柄”)控制。

矩阵图为多变量控制器提供了同样的信息(图1)。它显示了哪些操纵变量(mv)与哪些受控变量(cv)相连接,哪些mv可以用于约束控制,哪些cv可以优化。在单回路控制中,这是理解任何多变量控制器在过程操作中的作用的起点。

图1:矩阵图显示了多变量控制器的连接和方向,该控制器包括操作团队所有成员所需的基本信息,以协作约束控制和优化目标。加号或减号表示用于控制和优化目的的每个操纵可变/控制变量(MV / CV)连接的控制方向。礼貌:APC性能LLC

图1:矩阵图显示了多变量控制器的连接和方向,该控制器包括操作团队所有成员所需的基本信息,以协作约束控制和优化目标。加号或减号表示用于控制和优化目的的每个操纵可变/控制变量(MV / CV)连接的控制方向。礼貌:APC性能LLC

了解APC中的控制操作

下一个最重要的信息是控制方向,这是过程增益的标志。例如,如果单回路控制器输出或多变量控制器MV增加,受控变量的响应是增加还是减少?

在单回路控制中,这也被称为控制动作(分别是反向或直接)。在多变量控制中,它也称为增益方向(分别为正或负)。了解控制方向对于理解利用每个MV/CV连接进行控制和优化的可能性、局限性和竞争利益是必要的。

控制方向是过程模型最持久的方面。单回路控制器在其使用寿命内可能会多次重新调谐,但其控制方向不会改变——这是过程设计和控制器连接的基本结果。MPC的经验还表明,其他模型方面,如动态定时和增益幅度,可能会频繁改变,但增益方向永远不会改变。

连接和方向一起定义了控制器的基本力学和功能。其余的是调整。控制工程师通常对其他控制器详细信息感兴趣,但是在矩阵图的方便形式中,连接和方向,包括操作团队所有成员所需的基本信息,以有效地在多变量约束管理和过程优化中进行协作。

矩阵图延伸超出APC应用程序

在MPC时代,矩阵图经常被隐藏起来,主要是APC工程师感兴趣的。经验表明,矩阵图是一种有效的工具,可以简明地描绘任何过程操作的多变量性质。这使得矩阵图成为整个操作团队的主要兴趣,包括过程工程师、操作人员、分布式控制系统(DCS)和APC工程师,以及所有其他过程操作和优化利益相关者。

矩阵图已被证明是最有效和最适合的工具之一,以便在管理过程约束和实现流程优化时将所有这些利益相关者带到同一页面中。

在现代多变量控制范式中,矩阵图的起源发生了变化。它们不是源自APC项目,而是源自过程工程师,也称为生产或运营工程师,他们通常在指导日常运营以提高可靠性和优化方面发挥主导作用。

流程工程师还可以使用矩阵图作为具有操作团队的其余部分的通信和讨论工具。从过程工程师开发的工作草图开始,矩阵图可以逻辑地迁移到过程手册,培训材料,操作程序,控制系统图形,并最终进入自动化的多变量控制器(图2)。并非偶然,随着矩阵图的发展,它变得精制并在使用中被证明,因此在运营团队中被批准,然后才能部署为在线控制器。

图2:矩阵图的成因在现代多变量控制范例中发生变化,其中矩阵设计以操作团队协作开头,最终可以部署为自动多变量控制器。礼貌:APC性能LLC

图2:矩阵图的成因在现代多变量控制范例中发生变化,其中矩阵设计以操作团队协作开头,最终可以部署为自动多变量控制器。礼貌:APC性能LLC

多变量约束控制和优化始终是几乎所有流程操作的固有方面,无论是由操作团队手动进行的还是借助自动多变量控制器进行。但在MPC时代之前,行业缺乏有效的工具和最佳实践,以实际和简洁的格式捕获和分享这种关键的操作信息。将矩阵带入过程自动化的主流词典可能最终被证明是MPC时代的最重要贡献(不是模型或优化器:查看“APC商店的变化”)。

理论与操作矩阵设计,所有过程相互作用

在传统的MPC实践中,矩阵设计通常包括通过全面的工厂步骤测试确定的所有MV/CV过程交互作用。每一个过程交互,无论多么小或在使用中有潜在的问题,都成为矩阵中的一个连接。但从一个经验丰富的过程操作的角度来看,对于各种约束控制和优化目的而言,通常知道更有限数量的MVs是有效的,并在操作中得到证明。而其他许多则是已知的有问题的,并根据经验和各种工艺和设备的操作考虑在操作中加以避免。

这是理论和运营矩阵设计之间的区别(参见“操作矩阵设计”)。与流程和操作人员的讨论通常会很容易地揭示哪些是哪些-特别是如果每个人都了解矩阵图的基础!

操作矩阵设计通常导致多个较小,更小的矩阵设计,而不是一个大矩阵,这是MPC的理论方法中的常见实践。例如,过程工程师和控制台运营商通常可以根据经验和知识直接解释,没有植物测试,MV用于使用哪些限制和优化目标。流程工程师和控制台运营商将很少提及(或制裁)以上任何一个目的超过两三个手柄;通常它是一两个。由于基质从该削减的剖视变得较少,因此在无效或有问题的手柄中,它变得更容易分成更小和更可管理的部件。这反映在图2中,其(以5×8的矩阵大小)较小,密集小于典型的MPC矩阵设计(通常具有数十个变量和数百个模型)。

操作矩阵设计技巧

在操作矩阵设计中,一个很好的经验法则是,如果在任何一个矩阵列中有三个以上的模型(或连接),则需要进一步审查。这没有确切的理由,但经验表明,工业过程和设备操作的现实往往具有最终效果,即对于任何一个目标,超过两个或三个有用手柄的情况很少(多个“平行手柄”的情况除外,如加热器通道平衡)。不良因素回路指标也可用于帮助识别现有的手动多变量控制实践,这些实践已在正在进行的操作中确立。

APC示例:意外情况下的多变量控制

例子:随着多变量控制作为核心能力和更高效可靠的控制算法,多变量控制可以从监控层迁移到基层中。这带来了重要的性能和可靠性改进,尤其是控制器冗余和高执行速度。

冗余意味着问题“如果apc关闭或不可用什么?”不再需要成为一个复杂因素。相反,小型快速的APC应用程序可以设计为在基层中连续运行,就像其他基础层单环或高级监管控制(ARC)一样。

高执行速度意味着底层的多变量控制器可以将快速受控变量(cv)与慢速受控变量(cv)结合起来。常规的APC在管理级别通常执行30或60秒,只能适应相应的慢CVs,但许多过程变量的响应速度比这快得多。底层的APC可以在1到5秒内执行,因此它可以在一个多变量控制矩阵设计中组合快速和缓慢的CVs。

发射加热器控制,行业最常见的多变量控制应用之一,提供了一个例子(图3)。

图3:用于加热器控制的该矩阵设计包括燃料气体,牵线和平衡。此应用程序可以在冗余控制层运行,具有快速执行速度,使其可以适应快速和缓慢控制的变量。在更少的多变量控制中,矩阵包括增益方向而不是详细的动态模型。礼貌:APC性能LLC

图3:用于加热器控制的该矩阵设计包括燃料气体,牵线和平衡。此应用程序可以在冗余控制层运行,具有快速执行速度,使其可以适应快速和缓慢控制的变量。在更少的多变量控制中,矩阵包括增益方向而不是详细的动态模型。礼貌:APC性能LLC

在过去,快速或临界CV(例如燃烧器压力)需要保留在基层中,而CV较慢的CV(例如过量氧气或通过平衡)通常在监控水平的传统模型的多变量控制器中实现。此拆分方案是实现,维护和操作的复杂性,并且妥协性能。使用APC在基层中,整个多变量控制应用程序可以在一个组合的矩阵中实现,具有显着的可靠性和性能改进。

艾伦G。克恩,P.E。,业主和顾问在吗APC性能有限公司. 马克T编辑。内容经理Hoske,控制工程, CFE Media and Technology,mhoske@cfemedia.com.

关键词:矩阵,高级过程控制(APC)

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艾伦肯尼斯
作者生物:Allan Kern, p.e.,是APC Performance LLC的所有者。他拥有超过30年的先进过程控制(APC)经验,并撰写了许多关于成本效益APC解决方案的论文。他发明了一种固有的自适应控制算法和一种无模型的多变量控制方法。他是怀俄明大学(University of Wyoming) 1981年化学工程毕业生,拥有控制系统工程和化学工程的专业工程许可证。