Transcript Blockschaltbild eines PID-Regler

Marktanalyse von Tools zum Reglertuning
mit Ausrichtung auf die Anwendung
während der Anlageninbetriebnahme.
Referent: Martin Arens
Fachbereich Elektrotechnik
Fh-Trier
Gliederung des Vortrags
 Wie kam das Thema dieser Diplomarbeit zustande?
 Begriffserklärung
 Anforderungen an die Optimierungsprogramme
 Regler und Regelstrukturen in der Praxis
 Welche Regler stellt das PLS zur Verfügung
 Datenaustausch zwischen PLS und Optimierungsprogramm
 Die am Markt verfügbaren Programme, bzw. deren Unternehmen
 Vergleichkriterien der Programme
 Ergebnis des Vergleiches
 Vorgang der Optimierung beim Programm Rapid
 Der Benefit von Optimierungsprogrammen
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Wie kam das Thema dieser Diplomarbeit zustande?
 Projekt
 Pharmazeutische Anlage der Firma Boehringer Ingelheim
 Honeywell stellt das Prozessleitsystem Experion PKS®
 Honeywell und Lang & Peitler
• Implementierung der verfahrentechnischen Vorgaben
• zuständig für die Inbetriebnahme auf der Softwareseite
 In der Anlage existieren ca. 800 Regler
 Einstellung der Regelkreise
 Der Inbetriebnehmer benötigt Erfahrung mit der Einstellung von Reglerparametern
 Vorgehensweise bei der Einstellung von Parameter
• Sprungantwort betrachten
• Parameter ändern
 Der D-Anteil ist nur sehr schwer von Hand einzustellen
 Aufgaben der Diplomarbeit
 Vergleich von Programmen zur Parametereinstellung
 Einsatz während der Inbetriebnahme
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Begriffserklärung (1)
Der Regelkreis:
w
e
z
GR(S)
y
G (s)
x
Nomenklatur:
e
w
x
y
z
: Regelabweichung, e  w  x
: Führungsgröße
: Regelgröße
: Stellgröße
: Störgröße
G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke
GR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers
s
: Laplaceoperator
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Begriffserklärung (2)
Sprungantwort:
Reaktion der Regelgröße auf eine sprunghafte Änderung der Führungsgröße.
c(t)
Mpt
1,0 + d
Mg
ü
Tr : Anstiegszeit, die Zeit bis zum erstmaligen
erreichen des Wertes Mg*(1-ε)
Ts : Ausregelzeit, die Zeit bis zum endgültigen
verharren innerhalb des Todbandes
M0 : Wert der Regelgröße vor dem Sprung
Mg : Wert der Führungsgröße nach einem
Sprung
Mpt : Wert für die maximale Regelgröße
ü : Überschwingweite
d : Definiert die Breite des Todbandes um
die Führungsgröße
ε : Definiert den Wert der Regelgröße,
um die Anstiegszeit zu ermitteln.
1,0  d
Mg *( 1-ε)
M0
Ts
t
Tr
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Anforderungen an das Optimierungsprogramm
Regler und Reglerstrukturen in der Praxis
 Standardregler
 Zwei- und Dreipunktregler
 P-, PI-, PD- und PID-Regler
 Verschaltungen von Standardreglern
 Kaskadenschaltung
 Störgrößen- und Hilfsgrößenaufschaltung
 Split-Rang-Regelungen
 Feedforward Regelung
 Weitere Regelstrukturen und Reglerkonzepte
 Fuzzy Control
 Smith Predictor
 Zustandstraumregelung
 Adaptive bzw. Predictive Regler
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Anforderungen an das Optimierungsprogramm
Welche Regler stellt das PLS zur Verfügung
 Das Prozessleitsystem, PLS
 Prozessleitsystem Experion PKS® von der Firma Honeywell
Unternehmensleitebene
ERP
Produktionsleitebene
MES
Prozessleitebene
PLS
Feldebene
SPS / Apparatesteuerung
 Reglerstrukturen des PLS
 Standart PID-Regler
 PID-Regler, bei dem der D-Anteil von der Regelgröße abhängt
 PID-Regler, bei dem der D-Anteil und P-Anteil von der Regelgröße abhängt
 I-Regler
 P-Regler
 Alle vorher genannten Regler können auch als Feedforward realisiert werden
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Anforderungen an das Optimierungsprogramm
Datenaustausch zwischen PLS und Optimierungsprogramm
 OPC
 Objekt Linking and Embedding for Process Control
 Standart zum Datenaustausch zwischen Industriesteuerungen und Anwenderprogrammen
 Datenaustausch erfolgt über die COM-Schnittstelle.
 OPC-Server und OPC-Client
 Für die Inbetriebnahme geeignet, da direkter Datenzugriff möglich ist
 Import von ASCII-Dateien
 American Standard Code for Information Interchange
 128 bzw. 256 Zeichen,
 Daten werden durch unterschiedliche Separatoren getrennt
• Tabulatoren
• Kommata
• Leerzeichen
• Semikolon
 Zur Verarbeitung von archivierten Daten geeignet
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Anforderungen an de Optimierungsprogramme
Daraus resultieren folgende Anforderungen
 Datenaustausch über eine OPC-Schnittstelle
 Berechnung der Parameter für unterschiedliche Regelstrukturen
 Integrierendes Verhalten
 Selbstregulierendes Verhalten
 Berechnung der Parameter für einen
 P-Regler
 PI-Regler
 PID-Regler
 Sollte einen Feedforward Algorithmus berechnen können
 Festlegung der Art der Optimierung
 Führungs- oder Störgrößenänderung
 Optimierungsverfahren
 Angaben zur Ausregelzeit oder Überschwingweite
 Simulationsumgebung um die Ermittelten Parameter zu testen
 Einfache Bedienbarkeit für den Inbetriebnehmer
 Möglichst in kurzer Zeit bestmögliche Parameter berechnen
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Die am Markt verfügbaren Programme, bzw. deren Unternehmen
PROTUNER™
TOPAS
RSTune
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Vergleichskriterien der Programme
 Datenakquisition
 Optimierungseigenschaften der Programme
 Vergleich von berechneten Parametern
 simulierten Regelstrecken
 Daten von einer realen Anlage
 Simulatoren der Programme
 Handhabung der Programme
 Dokumentation der Optimierung
 Preis
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Vorläufiges Ergebnisse des Vergleichs
 Vorteile
 Einfache Bedienbarkeit des Programms
 Viele Möglichkeit die Optimierung zu beeinflussen
 Kann verschiedene Berechnung von Parametersätzen miteinander vergleich
 Datenakquisition über Exceltabellen möglich
 Übersichtlicher Report
 Konnte alle simulierten Regelstrecken identifizieren
 Die Parameter der simulierten Strecken entsprachen fast immer den,
welche ein gutes Regelverhalten erzeugen
 Nachteile
 Kann immer nur drei Signale über OPC aufzeichnen
 Bietet dem Benutzer viele Möglichkeiten in die Modellbildung und Optimierung einzugreifen
• größerer Zeitaufwand
• Kenntnisse über die Parametrierungsmöglichkeiten
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Funktionsweise der Optimierung beim Programm Rapid (1)
 Eingabe der allgemeinen Angaben über den Regelkreis
 Festlegung der Reglerstruktur
 Definition der Messbereiche
 Führungs- oder Störgrößenänderungen
 Festlegung der Abtastzeit
 Datenakquisition
 Regel-, Stell- und Führungsgröße
 OPC: Messstellenbezeichnung F-1311-761.PIDA.PV
 Import von Daten aus einer Datei
• Text-, Excel-Dateien, Matlab-Files und Access-Datenbanken
• Zuordnung der Spalten, aus der Datei
 Akquirierte Daten können geändert werden
 Identifikation der Regelstrecke
 generiert automatisch ein Modell 1. oder 2. Ordnung
 Totzeit, Pole und Nullstellen können angepasst werden
 Suchfunktion für komplexere Modelle
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Funktionsweise der Optimierung beim Programm Rapid (2)
 Berechnung der Regelparameter
 Vorgabe der Überschwingweite
 Optimierung nach einem Gütemaß
 Berechnung streckenspezifischer Daten
• Anstiegszeit
• Ausregelzeit
• Überschwingweite
 Simulation von Führungs- und Störgrößen
 Robustheit der Parameter kann verändert werden
 Gegenüberstellung von unterschiedlichen Parametersätzen
 Modell Bewertung
 Mit neuen Parametern einen Sprung in der realen Anlage erzeugen
 Erneutes Aufzeichnen dieser Daten
 Vergleich Modell und reale Regelstrecken
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Der Benefit eines Optimierungsprogramms
 Lang und Peitler
 Beschleunigung der Inbetriebnahme
 Verkauf von zusätzlicher Engineering Leistung
 Kundenzufriedenheit kann steigen
 Anlagenbetreiber
 Verbesserte Regeleigenschaften
• kürzere Ausregelzeiten
• Schneller Abarbeitung von Schrittketten
• Schnellere Produktion möglich
 geringerer Verschleiß von Stellgliedern
• größere Wartungsintervalle
 Sparen von Ressourcen
15
Vielen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit!
16
Blockschaltbild eines PID-Regler
w
G (s)
x
G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke
w
: Führungsgröße
x
: Regelgröße
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Auswahl geeigneter Regler für den Einsatz in der Praxis
Regler
mit Ausgleich
Streckenverhalten
P
I
PI
Proportional
-
++
++
-
++
1. Ordnung
++
+
++
+
++
2. Ordnung
+
+-
++
/
++
n. Ordnung
+-
-
++
+
++
PTuTg
+
-
++
+
++
dominante Totzeit
-
++
++
-
+
++
-
++
+
++
-
-
-
++
-
++
-
++
/
++
Integral
ohne
Ausgleich
Doppelt Integral
ohne Verzugszeit
mit Verzugszeit
+
-
++
PD PID
/
++
++
++
/
: ungeeignet für Regelung, da Instabilität
: nur bedingt einsetzbar,
ausreichendes Ergebnis
: geeignet für eine Regelung
: gut geeignet für eine Regelung
: am besten geeignete Regler
für dieses Problem
: keine Informationen in der
Literatur gefunden
PTuTg : Proportionales (P) Streckenverhalten mit
Verzugszeit (Tu) und Ausgleichzeit (Tg)
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Blockschaltbild einer Kaskadenschaltung
z
w
GR(S)1
wH
GR(S)2
y
G (s)
x
xH
G(s)
GR(s)1
GR(s)2
w
x
y
z
xH
wH
:
:
:
:
:
:
:
:
:
Übertragungsfunktion der Strecke
Übertragungsfunktion des ersten Reglers
Übertragungsfunktion des zweiten Reglers
Führungsgröße
Regelgröße
Stellgröße
Störgröße
Hilfsregelgröße
Hilfsführungsgröße, Führungsgröße des Hilfsreglers
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Blockschaltbild eines Regelkreise mit Störgrößenaufschaltung
z
GZ(s)
w
x
GR(S)
G(s)
GR(s)
Gz(s)
x
y
z
w
y
G (s)
: Übertragungsfunktion der Strecke
: Übertragungsfunktion des Reglers
: Übertragungsfunktion der Störung
: Regelgröße
: Stellgröße
: Störgröße
: Führungsgröße
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Blockschaltbild eines Regelkreise mit Hilfsgrößenaufschaltung
z
w
GR(S)
y
G (s)
x
xH
G(s)
GR(s)
x
y
z
w
xH
: Übertragungsfunktion der Strecke
: Übertragungsfunktion des Reglers
: Regelgröße
: Stellgröße
: Störgröße
: Führungsgröße
: Hilfsregelgröße
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Blockschaltbild einer Feedforward-Regelung
Feedfor
ward
w
G(s)
GR(s)
x
y
z
w
GR(S)
z
y
G (s)
x
: Übertragungsfunktion der Strecke
: Übertragungsfunktion des Reglers
: Regelgröße
: Stellgröße
: Störgröße
: Führungsgröße
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Blockschaltbild eines Smith Predictors
w
GR(S)
G (s)
G(s)
GR(s)
x
w
Tt
G (s)
e
-Tt*s
x
e -Tt*s
: Übertragungsfunktion der Strecke
: Übertragungsfunktion des Reglers
: Regelgröße
: Führungsgröße
: Totzeit
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Standart PID-Regler (EQA)
w
Übertragungsfunktion:
G(s)
w
x
T1
T2
a
a * T2
G (s)
x


T2 s
1
X  K * L1 (1 +
+
) * ( X  W )
T1 s 1 + a * T2 s


: Übertragungsfunktion der Strecke
: Führungsgröße
: Regelgröße
: Nachstellzeit
: Vorhaltezeit
: Konstanter Faktor kleiner eins
: T0 Zeitkonstante
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PI D-Regler (EQB)
w
Übertragungsfunktion:
G(s)
w
x
T1
T2
a
a * T2
G (s)
x


T2 s
1
1
X  K * L1 (1 +
+
) * X  (1 +
) * W )
T1 s 1 + a * T2 s
T1 s


: Übertragungsfunktion der Strecke
: Führungsgröße
: Regelgröße
: Nachstellzeit
: Vorhaltezeit
: Konstanter Faktor kleiner eins
: T0 Zeitkonstante
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I PD-Regler (EQC)
w
Übertragungsfunktion:
G(s)
w
x
T1
T2
a
a * T2
G (s)
x


T2 s
1
1
X  K * L1 (1 +
+
) * X  ( ) * SPPs)
T1 s 1 + a * T2 s
T1 s


: Übertragungsfunktion der Strecke
: Führungsgröße
: Regelgröße
: Nachstellzeit
: Vorhaltezeit
: Konstanter Faktor kleiner eins
: T0 Zeitkonstante
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Datenakquisition
Programme
Control Station
Loop Optimizer
Protune
Rapid
Topas
TuneWizard
OPC
Verbindung
--ja
ja
ja
--ja
ASCII
Dateien
ja
ja
ja
ja
ja
ja
Excel
Tabellen
------ja
-----
Matlab
Dateien
------ja
-----
ACCESS
Datenbank
------ja
-----
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Vergleich bei simulierten Strecken
Reglerparameter Einheit
RaPID
Protune
Control
Station
Loop
Optimizer
Tune
Wizard
TOPAS
Verstärkung
-
1.94
2.05
1.98
0.26
1.23
4.10
Nachstellzeit
min
0.35
0.34
0.34
0.20
0.23
0.32
Vorhaltezeit
min
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
Anstiegszeit
s
19.5
18.0
19.0
120.5
26.0
10.5
Ausregelzeit
s
29.5
32.0
32.0
140.5
74.0
80.5
Überschwingweite
%
1.9
4.2
3.1
0.2
8.5
53.8
statistische Werte
Übertragungsfunktion der Strecke:
1
Gs  
* e 5*s
20 * s + 1
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Vergleich bei Simulierten Strecken
SP [l/min]
15
10
Anstiegszeit = 19.5 s
Ausregelzeit = 29.5 s
5
Überschw ingw eite = 1.9 %
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
25
OP [%]
20
15
10
K = 1.96
I = 0.35 min
D = 0 min
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
t [s]
29
Preise der Programme
Programme
Control Station
Loop Optimizer
Protune
Rapid
Topas
TuneWizard
Komplettes
Programmpaket
895 $
6,300 €
6.375 $
3,300 €
2,000 €
7.500 $
Optimierungsumgebung
Downlaod im
Internet
495 $
3,800 €
30
Vielen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit!
31