Kuidas programmeerida PLC-loogikat klapi hüstereesi jaoks

Reguleerklapi hüsterees on erinevus klapi asendis sama käsusignaali korral, sõltuvalt sellest, kas klapp avaneb või sulgub. PLC-juhitavates ahelates võib see mehaaniline viivitus põhjustada integraalkomponendi küllastumisele sarnast käitumist ja võnkumist. Praktiline tarkvaraline lahendus on piiratud surnud tsooni (deadband) kasutamine ja kiirust arvestav valideerimine enne reaalset kasutuselevõttu.

Klapi hüsterees ei ole häälestusmüüt. See on mehaaniline mittelineaarsus, mis võib panna hästi struktureeritud PID-ahela halvasti käituma, kuna kontrolleri väljund ja klapi tegelik asend ei kattu enam prognoositaval, suunast sõltuval viisil.

Levinud viga on käsitleda tekkivat võnkumist puhtalt häälestusprobleemina. Mõnikord see nii ongi, kuid sageli mitte. Tööstuskirjanduses viidatud protsessijuhtimise auditid on korduvalt märkinud, et märkimisväärne osa halvasti töötavatest ahelatest on seotud lõplike juhtelementide probleemidega – eriti hõõrdumise, stiktsiooni (stick-slip), lõtku või hüstereesiga –, mitte ainult PID-konstantidega. Need arvud on kasulikud suunavate tõenditena, mitte universaalse tööstusliku seadusena.

OLLA Lab digitaalse kaksiku keskkonnas tehtud baastestimise käigus põhjustas 3% simuleeritud klapi hüstereesi lisamine taseme reguleerimise stsenaariumi korral vaikimisi PID-konfiguratsiooniga umbes ±8% PV (protsessimuutuja) võnkumise 12 minuti jooksul. Metoodika: n=1 stsenaarium, taseme reguleerimise ülesanne, võrdlusaluseks oli sama ahel ilma lisatud hüstereesita ja vaatlusaken oli 12 minutit. See toetab ühte kitsast järeldust: väike mehaaniline viivitus võib destabiliseerida muidu mõistliku ahela. See ei toeta üldist tööstuslikku rikete määra.

See eristus on oluline, sest süntaks ei tähenda veel töökindlust. Rida, mis kompileerub, ei ole veel ahel, mis käitub korrektselt kleepuva klapi korral.

Reguleerklapi hüsterees on maksimaalne erinevus klapi väljundis sama sisendväärtuse korral täieliku kalibreerimistsükli jooksul, välja arvatud ajast sõltuvad mõjud, nagu triiv. See määratlus on kooskõlas ISA terminoloogiaga, mida kasutatakse hüstereesi eristamiseks seotud klapi mittelineaarsustest.

Praktilises juhtimisterminoloogias tähendab hüsterees seda, et PLC võib anda käsu 50%, kuid klapi vars võib avanemisel olla ühes asendis ja sulgumisel teises. Käsk on identne, kuid mehaaniline olek mitte.

Seetõttu ütlevad operaatorid mõnikord, et klapp "valetab" ahelale. See väljend on mitteametlik, kuid probleem on reaalne.

Kuidas erineb hüsterees stiktsioonist ja mehaanilisest surnud tsoonist?

Neid termineid aetakse sageli segamini, mida ei tohiks teha.

| Seisund | Operatiivne määratlus | Tüüpiline ahela sümptom | |---|---|---| | Hüsterees | Erinev klapi asend sama käsu korral sõltuvalt liikumissuunast | Suunast sõltuv nihe ja võnkumine | | Stiktsioon | Staatiline hõõrdumine takistab liikumist kuni jõu kogunemiseni, seejärel klapp hüppab | "Stick-slip" liikumine, saehamba-kujuline võnkumine | | Mehaaniline surnud tsoon | Sisendi muutuse vahemik, mis ei tekita märgatavat klapi liikumist | Viivitatud reaktsioon suunamuutuste või väikeste korrektsioonide korral |

Kasulik eristus on järgmine:

• Hüsterees on teekonnast sõltuv viivitus
• Stiktsioon on paigaltvõtu hõõrdumine
• Surnud tsoon on reageerimata tsoon

Need esinevad sageli koos. Klapid ei pea ebaõnnestuma ükshaaval.

Miks hüsterees päris klappides tekib?

Hüsterees tuleneb tavaliselt lõpliku juhtelemendi mehaanikast, mitte PLC-instruktsioonist endast.

Levinud põhjustajad on:

• Tihendite hõõrdumine
• Ajami ühenduslüli lõtk
• Tihendite takistus
• Positsioneeri probleemid
• Võlli või varre kulumine
• Puudulik hooldus või saastumine
• Valesti valitud või aladimensioneeritud klapikoostud

PLC avastab probleemi alles pärast seda, kui protsess hakkab valesti käituma.

Hüsterees põhjustab PID-võnkumist, rikkudes eeldatava seose kontrolleri väljundi ja protsessi reaktsiooni vahel. Kontroller usub, et väike väljundi korrektsioon peaks tekitama väikese klapi liikumise. Klapp ei reageeri proportsionaalselt.

Rikke muster on tavaliselt järjestikune, mitte müstiline.

Hüstereesist tingitud võnkumise 3 etappi

1. Käsu viivitus PID-väljund muutub, kuid klapp ei liigu piisavalt või ei liigu üldse, sest hõõrdumine või suunaline viivitus neelab korrektsiooni.
2. Integraalkomponendi küllastumisele sarnane kuhjumine Viga püsib, seega integraalkomponent jätkab väljundnõude akumuleerimist. Kontroller tegutseb olemasolevate tõendite põhjal.
3. Mehaaniline ülereguleerimine (overshoot) Kui hõõrdumine on ületatud, liigub klapp akumuleeritud integraaljõu suhtes liiga kaugele ja protsessimuutuja ületab soovitud väärtuse. Tsükkel kordub vastupidises suunas.

See on üks põhjus, miks ahela võnkumine võib üle elada mitu ümberhäälestamise katset. Kui lõppelement on mittelineaarne, võivad puhtamad võimendustegurid (gain) anda vaid puhtama pettumuse.

Miks on integraalkomponent tavaliselt esimene süüdlane?

Integraalkomponent on mõeldud püsivea kõrvaldamiseks. See on kasulik, kui lõplik juhtelement reageerib proportsionaalselt. See on vähem kasulik, kui klapp ignoreerib väikeseid käske seni, kuni koguneb piisav jõud.

Kui hüsterees on olemas:

• väikesed vead püsivad kauem,
• integraalkomponent jätkab akumuleerimist,
• väljundi muutused muutuvad agressiivsemaks,
• ja klapp vabaneb lõpuks liiga suure salvestatud korrektsiooniga.

See ei ole klassikaline integraalkomponendi "windup" väljundi küllastumise mõttes, kuid praktikas on see sellega tihedalt seotud: integraalkomponent jätkab surumist, kuna ahel ei näe oodatud protsessi reaktsiooni.

Mida trendiandmetest otsida?

Trendiandmed on tavaliselt selgemad kui argumendid.

Otsige:

• Korduvat võnkumist ümber seadeväärtuse vaatamata konservatiivsele häälestusele
• Kontrolleri väljundi sujuvat liikumist, samal ajal kui PV reageerib viivitatud hüpetega
• Erinevat reaktsiooni klapi avanemisel ja sulgumisel
• Väikesi väljundi muutusi ilma PV reaktsioonita, millele järgneb järsk korrektsioon
• Parem näiline stabiilsus manuaalrežiimis kui automaatrežiimis

Kui CV (juhtmuutuja) näeb tsiviliseeritud välja ja PV on ebajärjekindel, kontrollige klapi käitumist enne häälestuslehe ümberkirjutamist.

Praktiline tarkvaraline leevendus on integraalkomponendi panuse summutamine või külmutamine, kui reguleerimisviga on määratletud tolerantsivahemikus, mis on väiksem kui protsessi häirepiir, kuid piisavalt suur, et vältida klapi hõõrdumise tagaajamist.

See ei paranda klappi. See muudab kontrolleri käitumist nii, et see lõpetab asjatute mikrokorektsioonide väljastamise piirkonnas, kus klapp tõenäoliselt puhtalt ei reageeri.

Mida surnud tsooni loogika operatiivselt teeb?

Surnud tsooni loogika ütleb kontrollerile:

• kui protsessi viga on väga väike,
• ja klapi mehaaniline ebatäiuslikkus on tõenäoliselt suurem kui korrektsiooni kasu,
• siis ärge jätkake selle väikese vea integreerimist.

See on võtmeeraldus:

• Surnud tsoon ei ole laiskus
• Surnud tsoon on kontrollitud keeldumine mehaanilise müra võimendamisest

### Structured Text näide: integraalkomponendi külmutamine hüstereesi vahemikus

Error := SP - PV; AbsError := ABS(Error);

IF AbsError < Deadband_Limit THEN Integral_Enable := FALSE; ELSE Integral_Enable := TRUE; END_IF;

DeltaCV := CV_Command - CV_Last;

IF DeltaCV > CV_RateLimit THEN CV_Command_Limited := CV_Last + CV_RateLimit; ELSIF DeltaCV < -CV_RateLimit THEN CV_Command_Limited := CV_Last - CV_RateLimit; ELSE CV_Command_Limited := CV_Command; END_IF;

IF Integral_Enable THEN PID_Integral_Mode := TRUE; ELSE PID_Integral_Mode := FALSE; END_IF;

CV_Out := CV_Command_Limited; CV_Last := CV_Out;

See on pseudo-implementatsioon, mitte tarnijaspetsiifiline instruktsioonide komplekt. Tegelik juurutamine sõltub PLC platvormist, PID-ploki struktuurist, skaneerimistsüklist ja sellest, kas kontroller võimaldab integraalkomponendi hoidmist, nihke jälgimist või välist lähtestamist.

Pseudo-ladder loogika kontseptsioon

Ladder-loogika implementatsioon sisaldab tavaliselt:

- hargnevat loogikat, mis kas:

• lahutusplokki `SP - PV` jaoks
• absoluutväärtuse plokki
• võrdlusplokki `ABS(Error) < Deadband_Limit` jaoks
• sisemist bitti, nagu `INT_HOLD`
• keelab integraalkomponendi akumuleerimise, või
• suunab PID-ploki hoidmis- või külmutusrežiimi
• valikulist kiiruse piirajat väljundkäsu muutusele skaneerimistsükli või sekundi kohta

Täpne mehhanism on vähem oluline kui juhtimise eesmärk: lõpetada integreerimine piirkonnas, kus klapp ei suuda proportsionaalset korrektsiooni pakkuda.

Kuidas valida surnud tsooni väärtust?

Surnud tsoon peaks põhinema vaadeldud mehaanilisel käitumisel ja protsessi tolerantsil, mitte esteetilisel eelistusel.

Kaitstav algmeetod on:

• hinnata efektiivset hüstereesi või reageerimata piirkonda trendiandmete või klapi testimise põhjal,
• teisendada see käitumine ekvivalentseks reguleerimisveaks või väljundvahemikuks,
• seada surnud tsoon piisavalt suureks, et vältida asjatut korrektsiooni,
• seejärel kontrollida, kas toote kvaliteet, taseme stabiilsus, rõhu reguleerimine või energiatõhusus jäävad vastuvõetavaks.

Liiga väike – ahel võngub endiselt. Liiga suur – olete lihtsalt nimetanud halva juhtimise strateegiaks.

Miks peaks piirama ka väljundi kiirust?

Väljundi kiiruse piirangud vähendavad agressiivseid käsumuutusi, mis võivad halvendada hõõrdumisega seotud käitumist või tekitada järske "breakaway" sündmusi.

Praktikas aitab kiiruse piiramine:

• siluda kontrolleri väljundi üleminekuid,
• vähendada korduvaid suunamuutusi seadeväärtuse lähedal,
• vähendada pinget kleepuvatel mehaanilistel elementidel,
• muuta trendide diagnoosimist lihtsamaks.

See ei asenda hooldust. See on tarkvarapoolne piirang, mis võib muuta kahjustatud või suure hõõrdumisega ahela hallatavamaks, kuni riistvara on parandatud.

Juhtimisstrateegia on simulatsioonivalmis, kui insener suudab loogikat tõestada, vaadelda, diagnoosida ja karastada realistliku protsessikäitumise vastu enne, kui see jõuab reaalsesse protsessi.

See määratlus on operatiivne, mitte dekoratiivne.

Simulatsioonivalmis klapi juhtimise rutiin peaks võimaldama inseneril:

• vaadelda erinevust kästud CV ja simuleeritud klapi liikumise vahel,
• sisestada mehaanilist viivitust, hüstereesi või viivitatud reaktsiooni,
• jälgida PV, SP, CV ja sisemisi juhtimisolekuid koos,
• testida ebanormaalseid tingimusi ilma seadmeid või protsessi ohtu seadmata,
• muuta loogikat ja võrrelda enne-ja-pärast käitumist sama vea korral.

See on tõeline areng süntaksist töökindluseni. Tehased ei alusta tööd idealiseeritud diagrammide põhjal.

Jah, kui digitaalse kaksiku valideerimine on kitsalt määratletud ja ausalt kasutatud.

Selles artiklis tähendab digitaalse kaksiku valideerimine seda, et insener saab sisestada simuleeritud mehaanilise viivituse või suunast sõltuva klapi reaktsiooni kontrolleri väljundi ja protsessi tagasiside vahele, ning seejärel jälgida, kas juhtimisloogika püsib selles degradeerunud seisundis stabiilsena.

See on kasulik test. See ei ole SIL-nõue, vastuvõtutest ega asendus välitingimustes kasutuselevõtule.

Kuidas see OLLA Lab keskkonnas välja näeb?

OLLA Lab on siin kasulik piiratud valideerimiskeskkonnana.

Insener saab platvormi kasutada, et:

• luua või üle vaadata ahelat juhtiv ladder-loogika,
• käivitada loogika simulatsioonirežiimis,
• jälgida muutujaid, analoogväärtusi ja väljundi käitumist muutujate paneelil,
• võrrelda kontrolleri nõudlust simuleeritud seadme olekuga,
• sisestada hüstereesi või viivitust esindav rikketingimus,
• muuta surnud tsooni või väljundi piiramise loogikat,
• käivitada stsenaarium uuesti samades tingimustes.

Siin muutub OLLA Lab operatiivselt kasulikuks. See võimaldab inseneridel harjutada kõrge riskiga kasutuselevõtu ülesannet, mis oleks kallis, aeglane või ohtlik reaalprotsessis.

Miks mitte testida seda otse tehases?

Kuna kleepuva klapi tahtlik võnkuma ajamine reaalprotsessis võib tekitada välditavaid riske.

Sõltuvalt teenusest võib see risk hõlmata:

• lekkeid või ülevoolu,
• ebastabiilset reaktori või paagi käitumist,
• häireid ja väljalülitusi,
• toote kvaliteedi kadu,
• tarbetut klapi kulumist,
• operaatori sekkumist, mis varjab algset juhtimisprobleemi.

Reaalsed tehased on halvad kohad "vaatamiseks, mis juhtub", kui vastus võib hõlmata puhastusaruandeid.

Sildistatud meedia kontseptsioon

Visuaal: Poolitatud ekraanipilt, mis näitab OLLA Lab muutujaid ja simuleeritud klapi käitumist. Alt-tekst: OLLA Lab digitaalse kaksiku simulatsiooni ekraanipilt, mis võrdleb sujuvat PLC juhtmuutuja väljundit viivitatud, hüppava mehaanilise klapi kolviga, illustreerides reguleerklapi hüstereesi.

Õige väljund on kompaktne insenertehniliste tõendite kogum, mitte ekraanipiltide galerii.

Kasutage seda struktuuri:

Sõnastage vastuvõetav juhtimiskäitumine mõõdetavates terminites: stabiliseerumisvahemik, võnkumise piir, ülereguleerimise tolerants, häirepiir või taastumisaeg.

1. Süsteemi kirjeldus Määratlege ahel, protsessi eesmärk, klapi roll ja juhtimisarhitektuur.
2. Õige käitumise operatiivne määratlus
3. Ladder-loogika ja simuleeritud seadme olek Näidake juhtimisloogikat, asjakohaseid silte ja eeldatavat seost CV, klapi asendi ja PV vahel.
4. Sisestatud rikkejuhtum Dokumenteerige simuleeritud hüsterees, stiktsioon või viivitus ja kuidas see sisestati.
5. Tehtud muudatus Salvestage rakendatud surnud tsoon, integraalkomponendi hoidmine, kiiruse piirang või muu loogikamuudatus.
6. Õppetunnid Selgitage, mis muutus, mis paranes ja mis vajab endiselt välikontrolli või mehaanilist hooldust.

See tõendusmaterjali vorm on veenvam, kuna see säilitab põhjuslikkuse. Igaüks saab postitada trendi. Vähem inimesi suudab selgitada, miks see muutus.

Tehniline arutelu hõlmab instrumenteerimist, juhtimisteooriat ja funktsionaalset valideerimist.

Kasulikud viited on:

• ISA terminoloogia ja klapi jõudluse määratlused hüstereesi, surnud tsooni ja seotud kalibreerimiskäitumise kohta
• IEC 61508 elutsükli ranguse, valideerimise ja ohutusega seotud süsteemide piiratud väidete laiema distsipliini jaoks
• exida juhised ja protsessijuhtimise usaldusväärsuse kirjandus tarkvaralise käitumise ja riistvara rikete mehhanismide praktiliste eristuste jaoks
• IFAC ja protsessijuhtimise väljaanded mittelineaarsete ajamite mõjude, stiktsiooni kompenseerimise ja ahela jõudluse halvenemise kohta
• Tööstuslikud tarnijate ja auditite väljaanded firmadelt nagu Emerson ja EnTech, kui need on selgelt kvalifitseeritud väliuuringutena, mitte universaalsete statistikana

Peamine toimetamisreegel on lihtne: kasutage standardeid määratluste jaoks, kirjandust mehhanismide jaoks ja sisemisi simulatsiooniandmeid ainult piiratud vaatluste jaoks.

Surnud tsooni loogika on leevendus, mitte vabastus.

Enne juurutamist kontrollige:

• klapp on üle vaadatud või vähemalt diagnoositud kui tõenäoline panustaja,
• surnud tsoon ei varja kvaliteedi seisukohalt kriitilist viga,
• häired ja väljalülitused jäävad asjakohaseks,
• operaatori ootused on uuendatud,
• väljundi kiiruse piiramine ei tekita vastuvõetamatut aeglust,
• juhtimise eesmärk vastab endiselt protsessi riskile.

Stabiilne ahel võib ikkagi olla vale. Vaikne rike on ikkagi rike, lihtsalt paremate kommetega.

- IEC 61508 Funktsionaalse ohutuse ülevaade - exida Funktsionaalse ohutuse ja automatiseerimise ressursid - Åström & Hägglund, *Advanced PID Control* (ISA) - Skogestad (2003), PID häälestusreeglid00062-8) - Tao et al. (2019), Digitaalne kaksik tööstuses