Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Metody pokročilého řízení v systému Simatic PCS 7

Na rozdíl od dosud časté nabídky nástrojů pro pokročilé řízení technologických procesů (APC) jako rozšiřujících modulů základního řídicího systému jsou v současné verzi V7.1 systému pro řízení spojitých technologických procesů Simatic PCS 7 nástroje kategorie APC obsaženy v základní sadě inženýrského softwaru.
 
Výkonnost výrobního zařízení v závodě, provozní náklady, kvalita výsledného produktu atd. nejsou dány jen správnou činností hardwaru. Minimálně stejnou měrou je ovlivňuje také kvalita uživatelského softwaru. Na pomoc při tvorbě a zdokonalování softwaru pro řízení jsou uživatelům různými výrobci nabízeny rozličné nástroje a metody z oblasti tzv. pokročilého řízení (Advanced Process Control – APC). Systém pro řízení spojitých technologických procesů Simatic PCS 7 V7.1 společnosti Siemens se vyznačuje tím, že nástroje kategorie APC jsou součástí již základní sady inženýrských programů, a to v knihovně s označením APL (Advanced Process Library). Nástroje obsažené v této knihovně lze podle jejich hlavní funkce rozdělit do tří skupin, a to na nástroje:
  • pro dohled nad regulačními smyčkami,
  • rozšiřující funkční schopnosti PID řídicí jednotky (regulátoru),
  • pro současnou regulaci několika proměnných.
V článku jsou po skupinách přehledově charakterizovány jednotlivé nástroje kategorie APC nabízené v systému Simatic PCS 7 V7.1 k bezprostřednímu použití.
 

Dohled nad regulačními smyčkami

 
Zkušenost i uskutečněné nezávislé průzkumy ukazují, že významná část regulačních smyček v průmyslových provozech se spojitými technologickými procesy nepracuje tak, jak by pracovat měla či mohla, a že stále existuje značný prostor ke zlepšování jejich fungování (obr. 1). Obecná funkce dohledu nad regulační smyčkou v sobě zahrnuje sledování činnosti smyčky a optimalizaci nastavení regulátoru.
 

Sledování činnosti regulačních smyček – ConPerMon

Nástroj Control Performance Monitoring je určen k nepřetržitému sledování činnosti každé jednotlivé regulační smyčky (kvality regulace). Není totiž v silách operátorů nebo pracovníků údržby, aby neustále sledovali všechny regulační smyčky, za které jsou zodpovědní. Proto byla vytvořena automatická funkce, která nepřetržitě kontinuálně sleduje činnost všech regulačních smyček v provozu. Díky tomu je při poklesu kvality regulace nebo vzniku určitých problémů možné včas naplánovat a vykonat specifické údržbové úkony nebo selektivní změnu nastavení PID regulátoru.
 
Každá sledovaná regulační smyčka je opatřena specifickým funkčním blokem pro sledování její činnosti (blok ConPerMon na obr. 2). Blok sleduje žádané hodnoty a skutečné hodnoty řízené veličiny a hodnoty akční veličiny (z řídicího bloku, např. PID regulátoru), z nichž stanovuje hodnoty ukazatelů výkonnosti regulační smyčky. V závislosti na odchylce od vztažné hodnoty jednotlivého ukazatele, získané např. při uvádění zařízení do provozu, může blok ConPerMon vyvolat varování nebo výstrahu. Ovládací panely všech bloků ConPerMon na zařízení nebo v závodě lze začlenit do operátorského rozhraní, takže je možné včas detekovat, analyzovat a napravit případné nedostatky (obr. 3). Nástroj ConPerMon se s výhodou uplatní ve velkých provozech s mnoha řídicími smyčkami, jako jsou rafinerie apod.
 

Optimalizace parametrů PID regulátorů – PID Tuner

Mnoho regulátorů je v běžném provozu nastavováno metodou pokus-omyl nebo s použitím heuristických pravidel. Derivační složka je přitom často zcela zanedbána. Pro určité standardní regulační smyčky, jako je řízení průtoku kapalin pomocí proporcionálního ventilu, existují empirické hodnoty pro standardní sady parametrů. Při pomalých regulačních pochodech (např. řízení teplot) zabere optimalizace metodou pokus-omyl příliš mnoho času, neboť zjištění odezvy na skokovou změnu vstupu může trvat i mnoho hodin.
 
Z uvedeného důvodu se regulátory stále častěji navrhují s počítačovou podporou a optimální hodnoty jejich parametrů se určují experimentálně (obr. 4). Nejprve je třeba získat dynamický model řízené soustavy (procesu). Soustava se vybudí skokovou změnou akční veličiny nebo požadované hodnoty řízené veličiny. Z naměřených hodnot se poté určí parametry dynamického modelu soustavy. V systému Simatic PCS 7 se k tomu používá integrovaný nástroj PID tuner, který nejen spočítá optimální hodnoty sady parametrů PID regulátoru, ale nabízí uživateli také možnost výběru mezi dvěma variantami regulátoru, a to:
  • s optimální kompenzací vlivu poruchy,
  • s optimálním sledováním požadované hodnoty bez překmitu.

Rozšíření PID regulace

Skupina s obecným názvem „rozšíření PID regulace“ zahrnuje různé metody řízení využívající vhodnou kombinaci PID regulátoru s dalšími standardními funkčními bloky. Standardní knihovna inženýrské stanice systému PCS 7 V7.1 obsahuje vedle jiných běžných postupů také metody popsané v dalším textu, které již obvykle řadí do kategorie APC, a to včetně vzorových řešení.
 

Selektorová regulace (override control)

Selektorová regulace se vyznačuje společným akční členem sdíleným dvěma regulátory nebo i jejich větším počtem (obr. 5). O tom, který z regulátorů má přístup k akčnímu členu, se rozhoduje podle aktuálního stavu řízené soustavy. Typicky se selektorová regulace použije např. u plynovodu v případě, kde se jedním regulačním ventilem řídí tlak i průtok. Hlavním úkolem řídicí jednotky je dosáhnout určitého průtoku, zároveň však musí být z bezpečnostních důvodů udržován v určitým mezích i tlak. Jako další příklady použití této metody lze uvést např. parní kotel, u kterého se reguluje tlak páry a současně také hladina vody, nebo kompresor, kde se reguluje dodávané množství a zároveň musí být sledován i tlak.
 

Přepínání sad hodnot parametrů regulátoru (PID gain scheduling) – GainSched

V reálném světě je mnoho soustav z různých důvodů nelineárních. Je-li taková soustava udržována v blízkosti jednoho stálého pracovního bodu, lze v jeho okolí provést linearizaci a pro soustavu s takto linearizovanou přenosovou funkcí použít lineární PID regulátor. Jestliže je ale nelineární soustava provozována v několika různých provozních bodech či se chová skutečně výrazně nelineárně, nelze při konstantních hodnotách parametrů regulátoru očekávat dostatečně kvalitní odezvu soustavy na řídicí zásahy v celém požadovaném pracovním rozsahu.
 
Jedním z možných a zároveň nejjednodušším řešením uvedeného problému je použít metodu známou jako přepínání zesílení, popř. přepínání hodnot parametrů PID regulátoru (obr. 6). S použitím vhodného nástroje (např. PID tuner v systému PCS 7) lze uskutečnit vhodné experimenty v jednotlivých pracovních bodech soustavy. Ty poskytnou sady hodnot parametrů PID regulátoru pro zvolené pracovní body. Známé sady hodnot lze v systému PCS 7 vložit do speciálního funkčního bloku GainSched, který do použitého PID regulátoru zavede vždy sadu hodnot jeho parametrů právě příslušnou aktuálnímu pracovnímu bodu soustavy.
 

Smithův prediktor pro procesy s velkým dopravním zpožděním

Dopravní zpoždění v regulační smyčce se projevuje tak, že řízená veličina začne na změnu akční veličiny reagovat až po uplynutí určité doby. Takovými soustavami jsou např. pásový dopravník při řízení zatížení pásu nebo chemický reaktor při řízení teploty vsádky pomocí horké páry nebo studené, popř. teplé vody. Seřídit standardní PID regulátor trvá u těchto procesů dlouho a navíc je nutné přistoupit na různé kompromisy, takže ve výsledku není regulace nijak zvlášť kvalitní.
 
Výrazně větší kvality regulace lze dosáhnou při použití tzv. Smithova prediktivního regulátoru (Smithův prediktor), který je založen na znalosti modelu řízené soustavy (obr. 7). Principem je rozložení řízené soustavy na dvě části. Těmi jsou soustava bez dopravního zpoždění a samotné dopravní zpoždění. Na reálné soustavě je ovšem měřitelná pouze řízená veličina ovlivněná dopravním zpožděním θ. Z modelu soustavy (který se stane součástí regulátoru) je však možné odhadnout virtuální hodnotu výstupní veličiny neovlivněnou zpožděním, která se zavede do regulátoru. Samotný regulátor lze tudíž navrhnout pro soustavu bez dopravního zpoždění, takže může být nastaven mnohem přesněji. Pro kompenzaci nepředvídaných poruch se odhadne hodnota řízené veličiny ovlivněná zpožděním v modelu, která se porovná s naměřenou skutečnou hodnotou řízené veličiny. Rozdíl je pak zaveden zpět do regulátoru.
 
Je nutné upozornit na skutečnost, že kvalita regulace při použití Smithova prediktoru velmi závisí na kvalitě modelů, jinými slovy: musí být známa doba zpoždění.
 

Dynamická kompenzace poruchy (lead-lag feedforward control)

U soustav významně ovlivňovaných známými poruchami, které jsou měřitelné, lze zvolit metodu dopředné kompenzace poruchy (obr. 8). V těchto případech se uplatňuje následující strategie: „Dopředně řídit co nejvíce (vše, co dopředu známe a je zachyceno v modelu) a zpětnovazebně řídit pouze tolik, kolik je třeba (zbytek včetně chyb modelu a neměřitelných poruch).“
 
Příklady použití tohoto způsobu řízení jsou tyto úlohy:
  • řízení teploty v průmyslových pecích: na vstupu do pece existuje jako poruchová veličina průtočné množství vstupujícího materiálu; naměřená hodnota je dopředně přiváděna na výstup regulátoru teploty; vliv různých průtoků na teplotu pece je předvídatelný a lze ho kompenzovat změnou výkonu topení,
  • řízení polohy hladiny v bubnovém parním kotli změnou množství přiváděné vody: měřitelnou poruchou je odběr páry z kotle kolísající podle spotřeby páry v závodě,
  • řízení teploty v destilační koloně.

Řízení několika proměnných a Model Predictive Control (MPC) – ModPreCon

Jestliže u jedné soustavy existuje několik akčních a řízených veličin, které se vzájemně ovlivňují, jde o řízení několika proměnných (Multi-Input-Multi-Output – MIMO). Vliv každé z řídicích veličin na každou z řízených veličin je popsán příslušnou částečnou přenosovou funkcí G (obr. 9). Další podrobnosti o řízení v prostředí MIMO lze nalézt např. v [1] a dále ve specializované literatuře. Pro použití metody MIMO v praxi má velký význam koncept prediktivního řízení s použitím modelu, jemuž je proto věnována následující podkapitola.
 

Princip prediktivního řízení

Princip prediktivního řízení s použitím modelu (Model Predictive Control – MPC) je ukázán na obr. 10. Regulátor při prediktivním řízení sleduje chování řízené soustavy a ukládá jeho historii. Jelikož regulátor obsahuje interní dynamický model soustavy se všemi jejími vazbami, může předvídat, kam se soustava (její řízená proměnná) bude v určité době (horizont predikce) ubírat za předpokladu, že do soustavy nebude zasahováno (předpověď tzv. volného chování). Při predikci lze brát v úvahu i vliv měřitelných poruch.
 
Současně regulátor může také „vyzkoušet“ (simulovat), jak budou v budoucnu působit různé strategie manipulace se soustavou prostřednictvím dostupných akčních veličin (v rámci tzv. horizontu řízení). Jako výsledek se získá odhad tzv. budoucnosti s řízením. S využitím optimalizačního algoritmu lze nalézt nejlepší řídicí strategii a zajišťující optimální budoucí trajektorii chování soustavy. Postup je podobný jako při hře v šachy: virtuálně jsou „zahrány“ různé kombinace budoucích tahů a je vyhodnocován jejich účinek.
 
Optimalizační problém je propočítáván pro celý horizont predikce on-line v každé periodě vzorkování, avšak do soustavy je zaváděn pouze první prvek každé vypočítané série pohybu akční veličiny. S následujícím vzorkem je časový horizont posunut a celá optimalizace se provádí znovu (princip posouvajícího se horizontu).
 

Blok ModPreCon a jeho využití

K použití metody MPC je v systému Simatic PCS 7 V7.1 obsažen funkční blok ModPreCon (obr. 11).
 
Typickými příklady využití metod MIMO, a tudíž i prediktivního řízení obecně, zejména bloku ModPreCon, jsou např. úlohy v chemickém průmyslu, jako je řízení kvality produktů při jejich výrobě v destilačních kolonách nebo v chemických reaktorech, dále řízení teploty několika sousedících teplotních zón sklářské vany, řízení teploty v rotačních pecích a v mlýnicích v cementárnách atd.
 

Závěr

 
Všechny funkce uvedené v článku jsou v podobě předdefinovaných funkčních bloků doprovázených průvodci k dispozici v řídicím systému Simatic PCS 7 V7.1 v knihovně APL. Jejich používání nevyžaduje od uživatele žádné expertní znalosti problematiky pokročilých metod řízení. Veškeré bloky mají svou vizualizační část k zobrazení potřebných panelů v rámci operátorského rozhraní na operátorské stanici.
 
Metody kategorie APC jsou velmi důležitým nástrojem ke zlepšení výkonu technologického zařízení, nejen co se týče kvality produktu, a tudíž produktivity a ekonomiky výroby, ale i z hlediska dostupnosti technologického zařízení, rychlosti reakce na změny i bezpečnostních a popř. také environmentálních aspektů. Systémy řízení s použitím metod náležejících do kategorie APC lze v současné době realizovat za rozumnou cenu. Je tomu tak díky jejich integraci do systému typu DCS v podobě standardních funkčních bloků a předdefinovaných šablon v grafickém editoru CFC, které jsou k dispozici v knihovně APL systému Simatic PCS 7.
 
Literatura:
[1] –: Simatic PCS 7 APC-Portfolio. White paper, Siemens, Sector Industry, Siemens AG, October 2008.
[1] –: Enhance operational eficiency with Advanced Process Control (APC). Siemens, Sector Industry, Siemens AG, 2008.
 
Odkazy na internet:
 
Ing. Jan Kváč, Siemens, s. r. o.
 
Obr. 1. Potenciální prostor ke zlepšování činnosti regulačních smyček (zdroj: Control Engineering, May 2008)
Obr. 2. Sledování činnosti regulační smyčky s použitím bloku ConPerMon
Obr. 3. Zobrazení ukazatelů kvality činnosti regulační smyčky v systému Simatic PCS 7 V7.1
Obr. 4. Optimalizace parametrů PID regulátoru
Obr. 5. Selektorová regulace se dvěma regulátory
Obr. 6. Přepínání sad hodnot parametrů PID regulátoru
Obr. 7. Smithův prediktor
Obr. 8. Dynamická kompenzace poruchy
Obr. 9. Řízení několika proměnných
Obr. 10. Princip prediktivního řízení (červená – předpověď volného chování, tj. bez řízení, zelená – budoucnost s řízením, tj. plánovaná optimální trajektorie, nc– horizont řízení, np– horizont predikce)
Obr. 11. Ovládací panely bloku ModPreCon (standardní zobrazení, ikona bloku, zobrazení parametrů)