Angewandte Regelung und Optimierung in der ... - uni-stuttgart
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Alexan<strong>der</strong> Horch<br />
<strong>Angewandte</strong> <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />
3. Zustandsüberwachung von Regelkreisen (2)<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 1
Übersicht <strong>der</strong> letzten Vorlesung + heute<br />
Zustandsüberwachung von Regelkreisen<br />
betrachtet sowohl Performance (‚Symptome‘) wie auch<br />
Zustand (‚Probleme‘)<br />
• Symptome<br />
unnötig große Varianz des Prozesswertes<br />
Kennwerte (Harris – Index, Nulldurchgänge des<br />
Regelfehlers, ...)<br />
• regelmässige Schw<strong>in</strong>gungen des Prozesswertes<br />
Kennwerte (Detektion von Schw<strong>in</strong>gungen)<br />
• Kennwerte (Diagnose von Schw<strong>in</strong>gungen)<br />
• Anlagenweite Störungsanalyse<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 2
Diagnose von ausgeprägten<br />
Schw<strong>in</strong>gungen<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 3
Ursachen für Regelkreisschw<strong>in</strong>gungen<br />
• Möglische Ursachen s<strong>in</strong>d<br />
• Aggressive Regelere<strong>in</strong>stellung<br />
• Nichtl<strong>in</strong>earitäten (statisch, …)<br />
• Aktor-Fehler<br />
• Kopplungen (MIMO)<br />
• Komplexe Dynamic (z.B. Rückführungen von<br />
Stoffströmen)<br />
• Aus Bediener- <strong>und</strong> Instandhaltungssicht – unterscheide zwischen Problemen<br />
• Im Stellglied<br />
• Mit <strong>der</strong> Reglere<strong>in</strong>stellung (aggressiv)<br />
• Die extern erzeugt wurden<br />
• Im Prozess selbst (z.B. Chemie)<br />
Wartrum<br />
Neue<strong>in</strong>stellung<br />
Nachbarschaft untersuchen<br />
Prozessumgebung analysieren<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 4
Schw<strong>in</strong>gungen<br />
Mögliche Ursachen s<strong>in</strong>d ...<br />
Last<br />
Stiktion<br />
F<br />
FC<br />
Oft auch e<strong>in</strong>e Komb<strong>in</strong>ation<br />
mehrerer Fehler gleichzeitg<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 5<br />
Schneller Regler
Zustandsüberwachung<br />
Fehler im Prozess (<strong>in</strong>kl. Stellglied!)<br />
Fehler<br />
Actor Out of Range<br />
Actor Size<br />
Actor Broke<br />
Calibration / FCE Leakage<br />
Intermittant Disturbance<br />
Persistent oscillatory Dist<br />
Beschreibung<br />
Stellglied <strong>in</strong> Sättigung<br />
Stellglied fehldimensioniert<br />
Fehlfunktion im Stellglied<br />
Kalibrierungsfehler / Leckage<br />
Zeitweilige externe Störung<br />
Durchgängige periodische Störung<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 6
Das häufigste Problem für Schw<strong>in</strong>gungen:<br />
‘Perfekte’ Stiktionssignale<br />
Sollwert<br />
SP<br />
Prozeß<br />
Variable<br />
PV<br />
Reglerausgang<br />
CO<br />
Tritt nur auf wenn Regler e<strong>in</strong>en I-Anteil hat.<br />
Zeit<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 7
Stiktionsmuster<br />
Selbst-regulierend vs. Integrierende Strecke<br />
a) Klassisches Stiktionsmuster<br />
Selbst-regulieren<strong>der</strong><br />
Prozeß<br />
(Durchflußregelung)<br />
<br />
b) Nicht-klassisches Muster<br />
Integrieren<strong>der</strong> Prozeß<br />
(Standregelung)<br />
x(t)<br />
x(t)<br />
<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 8
Stiktionsmuster<br />
Selbst-regulierend vs. Integrierende Strecke<br />
Durchflussregelung –<br />
selbst-regulierend<br />
Füllstandsregelung –<br />
<strong>in</strong>tegrierend<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 9
Static friction <strong>in</strong> control valves<br />
Stiction (static friction) – classification of methods<br />
Detektionspr<strong>in</strong>zipien<br />
• Analyse <strong>der</strong> Signalform im<br />
Zeitbereich<br />
• Analyse von Nichtl<strong>in</strong>earitäten<br />
NL<br />
• Fehlererkennung <strong>und</strong> –isolation<br />
(FDI)<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 10
Beispiel: Typisches Problem – gekoppelte Kreise<br />
Differentialdiagnose<br />
AC<br />
Produkt 2<br />
not o.k.<br />
Konzentrationskreis<br />
A<br />
Produkt 1<br />
o.k.<br />
Durchflußkreis<br />
FC<br />
F<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 11
Beispiel: Typisches Problem – gekoppelte Kreise<br />
Differentialdiagnose<br />
Konzentrationsregelung<br />
Durchflußregelung<br />
Zeit [s]<br />
Zeit [s]<br />
Welcher Kreis verursacht die Schw<strong>in</strong>gungen?<br />
Diagnosis:<br />
stiction<br />
no stiction<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 12
Diagnose mittels Kreuzkorrelation<br />
Motivation 1(2)<br />
Def<strong>in</strong>ition<br />
praktische Berechnung<br />
Prozesswert y(t)<br />
Reglerausgang u(t)<br />
Prozesswert y(t)<br />
Reglerausgang u(t)<br />
Kreuzkorrelation r uy (lag)<br />
Kreuzkorrelation r uy (lag)<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 13<br />
Stiktion - ungerade<br />
nicht Stiktion - gerade
Diagnose mittels Kreuzkorrelation<br />
Motivation 2(2)<br />
Kreuzkorrelation idealer Stiktionssignale<br />
Approximation<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 14
Beispiel: Typisches Problem – gekoppelte Kreise<br />
Diagnose mittels Kreuzkorrelation<br />
Konzentrationskreis<br />
Durchflußkreis<br />
Diagnose:<br />
Stiktion<br />
Ke<strong>in</strong>e Stiktion<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 15
Externe Störungen / Nichtl<strong>in</strong>earitäten<br />
Eckste<strong>in</strong> <strong>der</strong> Differentialdiagnose<br />
• Sehr wichtige Diagnose<br />
• Basiert auf mehreren Kennwerten!<br />
• Nichtl<strong>in</strong>earitäten, Schw<strong>in</strong>gungen, Tun<strong>in</strong>g<br />
Problem, Schw<strong>in</strong>gungscharakterisierungen<br />
Intern generiert<br />
Extern generiert<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 16
Alternative Methode zur Differentialdiagnose<br />
Entspr<strong>in</strong>gt das Signal e<strong>in</strong>em l<strong>in</strong>ear / nicht/l<strong>in</strong>earen Ursprung?<br />
L<strong>in</strong>ear generiert<br />
Gr<strong>und</strong>idee:<br />
„Bei Signalen, die von nicht-l<strong>in</strong>earen<br />
Systemen erzeugt wurden, ist die<br />
Bikohärenz ungleich Null. Bei<br />
Signalen aus l<strong>in</strong>earen Systemen ist<br />
dies nicht <strong>der</strong> Fall.“<br />
• Diese Idee lässt sich <strong>in</strong> quantifizierbare<br />
Kennwerte umsetzen.<br />
• Die Nichtl<strong>in</strong>earitätsanalyse ist sehr<br />
hilfreiches Konzept <strong>in</strong> <strong>der</strong> automatischen<br />
Generierung verschiedener Diagnosen.<br />
Nicht-l<strong>in</strong>ear generiert<br />
Higher-or<strong>der</strong> statistics<br />
Bikohärenz ist the squared, normalized bi-spectrum [0,1].<br />
The bispectrum can be used to search for nonl<strong>in</strong>ear <strong>in</strong>teractions.<br />
The Fourier transform of the autocorrelation function (2nd or<strong>der</strong> cumulant), is the traditional power spectrum.<br />
The Fourier transform of the third-or<strong>der</strong> cumulant is called bispectrum or bispectral density.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 17
Stiktion im <strong>in</strong>neren Kreis e<strong>in</strong>es Kaskadenregelers<br />
y, r<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400<br />
In diesem Fall verr<strong>in</strong>gert die<br />
Stiktion die Regelkreisperformance,<br />
aber führt nicht zu<br />
Oszillationen.<br />
42<br />
40<br />
u<br />
38<br />
36<br />
34<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400<br />
Innere Kreise von Kaskaden<br />
(=Sollwertbewegung) können sehr<br />
elegant mit SP-PV Plots analysiert<br />
werden.<br />
Automatische Evaluierung ist jedoch<br />
schwierig.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 18
Ventil Stiktion<br />
Phasenplot zur Diagnose<br />
SP vs. PV Plot<br />
Automatische Auswertung über Kennwerte schwierig ohne<br />
signifikante Vorverarbeitung. Ansatz über Mustererkennung<br />
o<strong>der</strong> visuelle Überwachung ist meist erfolgreicher.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 19
Weitere Gründe für Regelkreisschw<strong>in</strong>gungen<br />
Totband im Stellglied<br />
Totband filter s<strong>in</strong>d sehr beliebt <strong>in</strong> vielen Firmen, aber können<br />
negativen Effekt auf die Regelgüte haben.<br />
Der e<strong>in</strong>zige Gr<strong>und</strong> für Totbän<strong>der</strong> ist es, die Last <strong>der</strong> CPU zu<br />
reduzieren. Wenn mögliche, sollten alle Totbän<strong>der</strong> entfernt<br />
werden!<br />
E<strong>in</strong>ige Detektionsmethoden für Stiktion verwechseln diese<br />
evtl. mit langen Totbän<strong>der</strong>n.<br />
Schw<strong>in</strong>gung wg. zu grossem Totband<br />
86<br />
86<br />
D - Totband<br />
Es gibt noch weitere Probleme<br />
y, r<br />
84<br />
82<br />
y, r<br />
84<br />
82<br />
80<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400<br />
D=0<br />
80<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400<br />
8<br />
18<br />
u<br />
6<br />
u<br />
16<br />
4<br />
14<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 20<br />
2<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 20<br />
12<br />
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Wie <strong>der</strong> Ingenieur mit Stiktion umgehen kann<br />
Lösung 1: Regelkreis öffnen (manualer Modus)<br />
• Verbessert die Performance schlagartig (vermeidet negative Effekte)<br />
• Der Nutzen <strong>der</strong> Rückführung wird nicht realisiert<br />
• Wenn erlaubt, e<strong>in</strong>e exzellente Diagnosemethodik<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 21<br />
Automatik<br />
Manuell
Wie <strong>der</strong> Ingenieur mit Stiktion umgehen kann<br />
Lösung 2: Der “Knocker”<br />
• (Cf. Häggl<strong>und</strong>, 1997)<br />
Idee: Addiere e<strong>in</strong>e Pulssequenz zu <strong>der</strong> Stellgrösse um die “stick” Phase zu<br />
überw<strong>in</strong>den.<br />
knocker<br />
k(t)<br />
controller<br />
u(t)<br />
+<br />
process<br />
k(t)<br />
u(t)<br />
Standard function <strong>in</strong> control systems<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 22
Wie <strong>der</strong> Ingenieur mit Stiktion umgehen kann<br />
Lösung 3: Rücksetzen <strong>der</strong> Integralzeit<br />
• (cf. En<strong>der</strong>, 1993 )<br />
Idea: Realisierung e<strong>in</strong>es P-dom<strong>in</strong>anten Reglers für kle<strong>in</strong>e Regelfehler.<br />
Ansonsten PI.<br />
Jedoch ke<strong>in</strong>e permanente Lösung<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 23
Zusammenfassung<br />
• Basisregelungen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie s<strong>in</strong>d zu e<strong>in</strong>em großen Teil nicht optimal<br />
e<strong>in</strong>gestellt.<br />
• Die Überwachung von Basisregelungen ist Voraussetzung für jede gehobene<br />
Anwendung.<br />
• Für die großflächige Überwachung s<strong>in</strong>d strikte Regeln e<strong>in</strong>zuhalten.<br />
• Wenn Sprungversuche möglich s<strong>in</strong>d, kann direkt auf Designgrößen zugegriffen<br />
werden.<br />
• Verschlechterte <strong>Regelung</strong> äußert sich <strong>in</strong> Form erhöhter Varianz des Regelfehlers –<br />
regelmässig o<strong>der</strong> periodisch.<br />
• Das Benchmark für erreichbare Reglerperformance ist e<strong>in</strong>e relative Größe.<br />
• Es exisitiert ke<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>heitliche Theorie zur Reglerüberwachung.<br />
• Man kann Phänomene zuverlässig erkennen.<br />
• Diagnosen lassen sich bisher nur teilweise zuverlässig erkennen.<br />
• Reglerüberwachung ist e<strong>in</strong> kont<strong>in</strong>uierlicher Prozess.<br />
• Jede Überwachungsmethode kann durch reale Daten irregeführt werden.<br />
• Lieber ke<strong>in</strong>e Aussage als e<strong>in</strong>e falsche.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 24
Literature<br />
• M.Paulonis and J.Cox. A practical approach for large-scale controller performance<br />
assessment, diagnosis, and improvement. Journal of Process Control 13 (2003)<br />
155–168.<br />
• A.Horch, Condition Monitor<strong>in</strong>g of Control Loops, PhD Thesis, Royal Institute of<br />
Technology, Stockholm, Sweden, 2000.<br />
• Harris, T.J. (1989). Assessment of control loop performance. Canadian Journal of<br />
Chem. Eng., 67(10), 856-861.<br />
• N.Thornhill, T. Häggl<strong>und</strong>, Detection and diagnosis of oscillation <strong>in</strong> control loops,<br />
Control Eng Pract, 1997, Vol:5, Pages:1343-1354.<br />
• M.Jelali, B.Huang. Detection and Diagnosis of Stiction <strong>in</strong> Control Loops: State of the<br />
Art and Advanced Methods. In Spr<strong>in</strong>ger Series Advances <strong>in</strong> Industrial Control,<br />
Spr<strong>in</strong>ger 2009.<br />
• A. Ordys, D.Uduehi and M. Johnson: Process Control Performance Assessment:<br />
From Theory to Implementation (Advances <strong>in</strong> Industrial Control), Spr<strong>in</strong>ger 2007.<br />
• Swanda, A.P. and D.E. Seborg (1999). Controller performance assessment based<br />
on setpo<strong>in</strong>t response data. In: Proceed<strong>in</strong>gs of the American Control Conference,<br />
3863-3867.<br />
• Q<strong>in</strong>, S.J. (1998). Control performance monitor<strong>in</strong>g, a review and assessment.<br />
Computers and Chemical Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g 23, 173-186.<br />
• T.Häggl<strong>und</strong> (1997). Stiction compensation <strong>in</strong> control valves. ECC 1997.<br />
• D. B. En<strong>der</strong>. “Process control performance: Not as good as you th<strong>in</strong>k.” Control<br />
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g, 40:10, pp. 180–190, 1993.<br />
© A.Horch<br />
WS 2011/12 | Slide 25
Kontakt<br />
Dr. Alexan<strong>der</strong> Horch<br />
Automation Department<br />
ABB Forschungszentrum<br />
Segelhofstrasse 1 K<br />
CH-5405 Baden-Dättwil<br />
Phone: +41 58 58 68107<br />
Mobile: +41 79 58 38 222<br />
Email: alexan<strong>der</strong>.horch@ch.abb.com<br />
L<strong>in</strong>ks<br />
Jobs, Praktikum, Masterarbeiten: www.abb.com/careers<br />
ABB Technologie: www.abb.com<br />
About ABB Technology<br />
Forschungszentrum Schweiz:<br />
http://www.abb.ch/cawp/chabb123/bd361b8e73968949c1257337002e0d88.aspx<br />
Forschungszentrum Deutschland:<br />
http://www.abb.de/forschung<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 26
Change language