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      如何提高PID控制器中的操作员信任度?

      来源: 作者: 发布日期:2020-12-08

       以下技术讨论是一个偶尔展示 ISA导师计划的系列的一部分,该计划由 行业顾问Greg McMillan撰写,许多过程控制书籍的作者,2010 ISA Life Achievement Award获奖者以及Solutia,Inc.(现为Eastman)退休的高级研究员;В。Greg将发布ISA Mentor计划的问题和回应,并由计划参与者提供帮助。 

       
            Danaca Jordan是ISA Mentor计划的创始成员,并担任ISA专业发展部副总裁。在ISA之外,Danaca是一家大型特种化学品公司的数字制造卓越中心工程师,在该公司她负责推动针对制造数据的企业范围的数字化转换实施。
       
      达纳卡·乔丹的问题
            随着我们的控制器变得越来越复杂,有什么选择可以将幕后发生的事情传达给必须信任控制器的操作员?
       
      丹·沃伦的答案
            有趣的问题。而我有很多经验。对我来说,这是简单的教育。但是教育和例子必须遵循人们会理解的路线。试图解释复杂的算法或数学是没有用的,但是有时我们却很容易陷入困境。
       
            我听到的关于烟雾,镜子或黑匣子系统的参考文献远远超出您的想象。因此,我会尽力使用日常生活中的示例-例如说开车。另外,尽管大多数机构都喜欢进行小组培训,但我发现一对一的培训更为有效。这样,个人就可以集中注意力,提出问题,而不会对提出问题或澄清陈述感到尴尬或尴尬。另外,我会尽可能多地在工厂现场发言。这样,我使自己尽可能地平易近人。但是在解释时,我还要确保我们在安全的位置。
       
      另外,非常好不要使事情变得太复杂。保持简单,并一次选择一个方案。 
       
      米歇尔·鲁尔的答案
      一些基本原则:
       
            说明目的和目标;不是引擎盖下的东西,而是它的作用
            与运营商合作;总是为您的项目增加额外的时间进行一对一培训
            日常生活中的使用示例:空调,汽车驾驶等
            用上面的方法训练教练员
            设计用户界面,并提供提示,以解释违反直觉的行为的目的
            例如,如果您向操作员添加了一个不寻常的功能,请在人机界面(HMI)上对其进行解释或添加一个额外的元素来对其进行解释
                  (1)例如,SP过滤器,添加一条虚线,显示发送到PID控制器(http://www.nextstopsoweto.com/xianshi/119.html)的内容
                  (2)例如,如果调整了液位回路以吸收变化,则将显示SP的箭头替换为允许范围 
            花时间与操作员一起玩耍
       
      彼得·摩根的答案
            在提供控制解决方案时,将操作员既视为合作伙伴又是客户,这一点很重要-因为他们可以分享对过程行为的见解;毕竟是说了算,做完了之后,操作员必须接受解决方案。
       
            从事运营商提供解决方案-尤其是对于操作界面和其他HMI规定-虽然具有实际的好处,可以增加运营商在自动化系统和有助于建立一个信任信赖关系的经营者和控制专家之间。
       
      尼克·桑德的答案
            首先要花时间与运营商建立关系。在我们的内部培训班中,本节的标题为“甜甜圈的力量”。例行地与他们共度时光,只是为了登记入住。
       
      对于现有的控制回路,请监视和评估性能。如果操作员不信任控制器,则可能有充分的理由(例如调整或调整阀门尺寸)。与运营商联系,以找出他们认为的问题以及可能提出的解决方案。
       
      对于新的控制回路,请将回路功能与操作员如何手动执行操作相关联。良好的控制回路使操作员的生活更轻松。如果他们看到了,他们将有动力去接受它。跟踪循环的性能和效用并跟踪问题。
       
      并遵循调优和其他修改的非常高规则-除非您计划在星期六工作,否则请不要在星期五进行更改。
       
      帕特·迪克森的答案
            当某事不起作用或不符合期望时,信任就会丧失。我们知道,不幸的是,有很多循环从未得到很好的调整或没有得到维护。非常好的解决方案是修复它们。在其他情况下,某些操作可能会达到控制工程师的期望,而不是操作员的期望。这是交流的一种情况,以了解操作员所看到的内容,他们如何看待它并寻求共同点。 
       
            该问题询问控制器变得越来越复杂。并没有专门说PID控制更为复杂。它应该没有过去那么复杂。当然,增加了新功能,可以使控制工程师的配置更加复杂,但是对于操作员而言,PID的复杂性应该不会更高。与过去相比,他们实际上应该能够更好地可视化面板和趋势。
       
            我怀疑所引用的更复杂的控制器是具有前馈,级联或预测控制的高级循环。如果在多输入多输出(MIMO)控制器中具有大型矩阵,那么为什么它更复杂是可以理解的。特别是当优化器根据操作员可能不理解的标准来移动事物时,这可能会变得充满挑战。在这种情况下,从控制器中获得良好的性能,同时花费时间与操作员达成共识,比单循环执行的任务要艰巨得多,但是相同的补救措施也可以。
       
      非常后,需要对运营商应该知道的内容有合理的期望。解释算法和配置可能没有帮助。因此,我认为操作员无需了解幕后情况。他们的场景需要对他们有意义。  
       
      格雷格·麦克米兰的答案
            由于对过程动力学的基本了解很少,并且随着形式和结构的变化,比例,积分和微分模式的基本作用也很少,因此这是一个挑战。非常重要的是,我们还有设定权重因子和超前滞后的许多其他功能,以及级联,前馈,比率和倍率控制等策略。ISA 5.9技术报告“ PID算法和性能”有一个粗略的草稿,自动化工程师可以使用它来提高自己的速度,这是至关重要的一步,因为大多数PID控制器的调节和需求都不理想, PID未充分利用。
       
            所有这些导致对PID的合理缺乏信心。具有简单动态过程仿真的数字孪生系统可以帮助自动化工程师建立其知识基础并改进现有的PID控制器。一些简单的场景可用于提供一些动手学习,以增加对PID控制的知识和欣赏。通过启动过程和基于状态的控制,PID模式,输出和设定值的变化可以使操作员在启动和过渡期间需要什么以及如何处理异常操作方面进行大量输入,以使他们的非常佳操作和知识自动化。“控制对话”列“持续改进流程”描述了这些机会。
       
            这些概念和操作类似于补料分批控制中需要执行的操作。测试和培训对于确保PID控制器可以处理所有类型的情况至关重要。通过再次寻求操作员输入,获得的可重复性可以实现持续改进。我们可以将操作员的角色提升为监督控制中的一员,并且可以作为可以随着实践而加速发展的持续改进的源泉。数字双胞胎在培训和嵌入操作员知识方面的优势已广为人知。我们只需要睁开双眼,开阔思路,将仿真视为在自动化系统成功中扮演重要角色的每个人的持续学习经验。我们不应该小看 操作员学习概念的能力以及他们对自动化系统和过程正在做的事情的更好理解的欣赏。
       
            显示过程效率和容量的在线过程度量标准可以帮助操作员实现过程控制改进所带来的好处,即PID不在非常高模式下的后果。要确保输入与输出同步,没有反向响应以及信噪比良好,将面临一些挑战。移动平均线有助于解决这些问题。这些指标通常应通过用于操作员培训的模型在数字孪生系统中开发和测试。
       
            在控制室中花费尽可能多的时间并与操作员成为好朋友对建立关系和互惠互利的对话有很大帮助。带来食物帮助(例如,po'boys在路易斯安那州工作良好)。如果他们共享厨房里的一些菜,您就会知道自己“很好”。我特别喜欢美国印第安人的食物。
       
            人们很难意识到,直到一个完整的循环停滞时间之后,才能在流程响应中看到现在完成的动作,而且变化速度可能非常慢,尤其是对于接近真实的流程而言。这在操作员试图手动控制过程以及他们对PID正在做什么的担忧中起着重要作用。
       
            在两个控制室中,我曾让操作员说PID出现问题,因为在采用分段范围控制的反应堆加热中,当温度低于设定值时冷却剂阀打开。如果操作员可以看到趋势并意识到由于停滞时间而需要打开冷却液阀,他们将不会抱怨;侄髦钡轿露壬辽瓒ǖ阋陨喜糯蚩淙醇练,但这太迟了,可能会导致有害的潜在的不安全超调。比例动作和派生动作提供了所需的预期动作。由于这个和其他原因,复位动作通常太大,而获​​得动作太小。面板上的数字显示加剧了对所需预期动作的了解。
       
            我认为,一个特别有效的信心构建者将是由自动化工程师建立的明智趋势,该趋势将清楚显示斜率,并通过一个停滞时间块包括预测值,这些预测值将从当前值发展到至少一个停滞时间,直至未来。预测值只是一个斜率乘以添加到当前值的时间增量。斜率是死区时间块的输入减去输出除以块死区时间?樗狼奔淇梢源幼芑仿匪狼奔淇荚黾,以提供更好的信噪比和斜率识别,以实现缓慢的变化速率。设定值微小变化的响应中的死区时间很容易识别,准确的值对于斜率和预测值并不重要。
       
            可以检测到振荡,并确定可能的来源,以纠正问题并减少混乱,信心不足和虚构的解决方案,这会分散精力,浪费时间。从一些简单的观察中,可以得到自动化工程师的一些修复和指导。
       
      如果手动发生振荡,则是由于另一个环路振荡或噪音引起的
      如果自动振荡的振幅是恒定的,则它们是极限周期,很可能是由阀或变频器的死区或分辨率引起的
      如果汽车中的振荡正在衰减,则很可能是由于调谐
      如果振荡周期接近死区时间的四倍,则振荡很可能是由于比例作用过多
      如果振荡周期是空载时间的5到10倍,则很可能是由于积分作用过多
      如果该周期远大于死区时间的10倍,而死区时间是在四个停滞时间内没有减速的斜坡过程,则比例作用太小,积分作用太大;在许多情况下,只需尝试大幅减少积分作用即可确认问题
      对于前馈或比率控制,对这些控制动作的响应发生在试图纠正的过程响应之前或之后,与之相反,前馈或比率控制动作分别来得太早或太晚。解决此问题可增强操作员的信心。
       
      覆盖控制会使操作员和工程师感到困惑。一些计算会有所帮助。在非常后一次批次或非常后一次班次中选择每个控制器的时间可以显示控制器及其过程变量,这些变量极大地限制了过程性能,可能会导致一些更好的设定值或更好的设备或操作条件。同样,可以显示一个预测的PV,此时每个超控控制器都将被怀疑接管。
       
      如果您有一个具有高保真实时仿真的数字孪生,并与实际工厂的相同设定值同步运行,则可以选择暂时运行比实时运行更快的速度,以查看将要发生的情况。这也可以脱机使用,以便对PID控制器在不同情况下的工作方式以及操作员如何花更多的时间思考改进而不是处理瞬间变化而获得更大的信心。
       

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