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发表于 2011/4/29 10:12:31

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消除过程控制的不稳定性

        有时候,工厂里就像有一群小鬼在作祟,搅得你痛苦不堪。几乎所有东西都拒绝按照设定自动运行而你又找不出个中原因。引起过程控制系统不稳定原因是什么,你又该如何从源头上克服它呢?Exper-Tune分管市场和产品开发的副总裁George Buckbee工程师说:“干扰可能来自于任何地方:一场暴风雨、原材料的变动或是设备故障。真正要命的是,干扰可能会蔓延至工厂的每个角落。虽然大多数系统都有一定的容错能力,但干扰始终挥之不去。”
        有时候,干扰的流动性使人们很难透过现象看到本质,因为两者乍一看似乎没什么关联。正因为如此,我们才需要开展真正的调查工作。幸运的是,你可以借助许多工具简化工作。

        “真正的问题是干扰可能会蔓延到工厂的每个角落。”

        一旦你确信过程控制的基本原理不存在问题,那么问题就可能来自于以下四个方面:
        ●  过程设计和控制策略;
        ●  硬件选择和设计规模;
        ●  设备故障; 
        ●  易变性。
        这些问题往往会交织在一起,而我们要做的就是将问题和症状分离开,从而便于分析。
        设计和策略
        控制策略这一问题往往会被用户忽视。事实上,即使是一套全新的控制系统在安装完成之后,也不能保证会按照既定方案对过程实施控制。如果控制系统架构无法保证所有回路都能自动运行,那么基本的控制策略就是错误的。为了弥补系统中的薄弱环节,操作人员不得不对一些回路实施人工控制。这种情况其实不难被发现,因为一些操作人员会把回路控制得更出色。
        控制策略还可能存在其他一些更细节的问题,这些问题同样会造成麻烦。例如,一些连续过程可能会出现波动。当你着手查找原因时,你会发现整个问题是由一个个独立的小问题构成的,你必须作合适的补偿。Control Station的工程方案总监Bob Rice博士提供了一起案例:“在一家水泥厂里,不同的储料罐会有10到15分钟的进料时间,于是储料罐在装满与倒空两种状态之间会形成循环波动。这种波动可能会影响整个工厂。由于这是一种批量操作,你无法将它完全消除。为了将波动降至最低,你必须尽早处理它。虽然你不可能对系统作频繁的校准,但是至少应该知道问题的源头。然后知道改动哪些东西是最可能减轻波动的。我们需要发现问题的根源以及最经济的解决办法。”

       “你最终的控制对象的变化速度必须比干扰更快。”

        有时候,波动的根源很难被发现。定位问题的关键在于找到受其影响到每个对象。Buckbee说:“当你发现某些东西表现出连续性循环时,关键问题是需要掌握干扰的来源以及所有受影响的对象——在相同频率或周期下的波动。这可是一条重大线索。如果你想知道波动周期,那么可以采用傅里叶变换,将工厂中各种信号的频率分解出来,并且根据波动频率进行分类。‘如果我发现了一个周期为6分钟的循环信号干扰了我的最终生产,那么我需要寻找其他周期同为6分钟的循环。于是,只要你对过程控制有基本的了解,就能够快速锁定干扰的源头。’在所有周期为6分钟的循环中,处于生产过程最上游的那个是你首先需要关注的。”
        进行这类分析的挑战在于需要认识到波动的源头可能会超出你的预期,而且不总是在过程的上游。Invensys Operations Management的方案开发总监Tom Kinney引用了一起案例:“在West Coast的一家精炼厂里,硫化催化裂化器(FCC)的主反应器温度控制始终在循环。无论他们对反应器和换能器采用何种调节,循环始终没有消失。我们采用了一些分析工具和技术,最终发现问题出在主分馏器的末端。分馏器里充满水蒸汽,压力的变化会滞后,从而造成温度的变化。我们发现主分馏器末端有一个阀门定位器是1955年安装的,没有经过校准,这就是引起问题的原因。”
        硬件选择
        过程工业的现状之一是:几乎没有哪条生产线只生产同一种产品,也没有哪条生产线的产量是符合最初设计规模的。受经济利益趋使,工厂所有者总是会让生产线超负荷作业。这样做会使得一些正常生产过程中不易被察觉的缺陷得到充分暴露。
        Rice经过观察后表示:“我还没有看到那个过程是完全符合设计规模的。有些过程在投运伊始可能符合设计规模。但是两周之后,产量就会被要求翻倍。又有时候,用户会选用一个功率很大的泵,但从来不在最大功率下使用它。这两种情况都是不可取的。如果设备超负荷运行,就会接近使用极限;如果设备低负荷运转,就会造成浪费。你控制的余地就会很有限。”

        “许多工厂没有测量环境温度,并提交控制系统。”

        生产规模还不是唯一的问题。控制设备的类型和工作模式必需与过程的性质以及可能出现的干扰相匹配。Rice补充说:“如果干扰信号的频率高于控制器的输出频率,那么你是无法将它消除的。(例如,一个过程的波动周期为5秒,而你的阀门、泵或是其他的控制部件的时间常数是20秒。)最终受控对象的变化速率必须比干扰更快,否则你复原的永远是干扰信号。”
        设备故障
        那些没有工作的设备也给为系统添乱。如果工厂没有及时得到维护,那么生产方面的缺陷将会逐渐显现,甚至干扰到那些没有正常工作的设备。如何对工厂进行基本的维护不在本文的讨论范围之内,但是如果你的设备一直在工作,那么你将很难确定一台压力传感器是否寿终正寝了或是一台控制阀是否会卡死。操作人员面对这类问题往往只能挠头了。
        过程控制顾问Herman Storey说:“如果你希望生产过程保持稳定,那么控制系统必须发挥作用。智能诊断技术会帮上很大的忙,通过它你至少可以知道问题出在哪里。否则,要实现同样的目的必然耗费大量人力。过程中,最有可能引起故障的原因是——污垢堵塞管道、催化作用减弱以及机械设备疲劳或失效。”Storey 指出,这些情况虽然为人们所共知,但是很少公司能够充分运用资产管理软件,即使他们知道这样做能够带来巨大利益。
        与此同时,控制系统厂商正致力于如何让操作人员在希望利用诊断信息的时候看到它们。Rockwell Automation的plant PAX 系统市场部经理Ben Mansfield解释了一套新型诊断系统的操作方式。他说:“我们将会在系统的上层通过一个小图标向你显示一些报警和异常信息以及设备配置错误的信息。如果你点击进去,该图标不会消失,而是会向操作员显示另一个界面。我可能会看到一条低流量报警。最终,我能够在界面中看到某个过程变量超出范围之类的信息。我还可以从设备内部获得更多更细节的诊断信息——例如空气管道是否发生了堵塞。采用传统系统时,我们看到的只是输出电流为22mA或3.5mA,却看不到出现问题的原因。今天,随着仪表技术的发展,我们有幸获得一些额外的诊断信息。HMI能够直接为操作人员指出问题所在。”
        这种高级诊断功能除了播报设备本身的状态之外,还能够为你提供大量关于过程的信息。一台流量计能够检测出管道堵塞以及管道中的双向流动性,只待你有能力去利用这些信息。
        易变性
        过去几年中,流程工业中易变性的概念最初出现在原材料供应上。以石油行业为例,由于原材料供应不能完全按照计划而且价格可能过高,炼油过程必须因此进行调整。许多情况下,那些对生产过程影响较大的供应源会被替换掉,从而对控制提出了新的要求。针对原材料变化,工厂必须借助合适的仪表发现过程中的缺陷。于是,控制方案中可以加入一些合适的修正策略。
        易变性也可能是内部因素引起的。这些因素中,工厂的公用系统由于交叉连接了多个单元,无疑是首当其冲的。Buckbee说:“干扰可能首先出现在锅炉给水过程中,然后蔓延到后续流程,最终影响到工厂内每一个能源使用者。公用系统的特点是被工厂内多个部分所公用,因此一旦某个在线单元喷出蒸汽,就会引起连锁反应,干扰到工厂中的其他部分。”
        许多公用系统的问题,诸如蒸汽管压力之类的,是显而易见的。但许多更细节的问题可能出现在你意想不到的地方。如果某人始终徘徊在问题出现的地方查找源头,那么他/她可能永远无法成功。Kinney提醒说:“有时候,我们专注于过程的一个部分,而问题其实出在另一个部分。在蒸汽、冷凝、冷却之类的公用系统中,问题往往是全局性的、波及工厂的许多部分。当你面对一套出现问题的就地控制时,你可能无法第一眼看到一个直接的或清晰的连接。”
        有时候,公司节约能耗以及提高蒸汽利用率的方案会带来新的问题。这些方案本身可能是高效的,能够有效减少资源损耗,但它们可能会带来副作用。例如,一个单元可能会利用另一个单元废弃的热能。这样做在提升效率的同时也将两个原本独立的过程联系在了一起,从而为干扰的传播提供了途径。过程之间的交叉越多,问题传播的途径也越多。Buckbee补充说:“人们对交互式操作有基本的了解,但是在热能的循环利用和再利用方面解决好这一问题是很困难的。就现代流程的复杂程度而言,很难从整体上把干扰的来源弄明白。你可能会惊讶于许多工厂没有测量环境温度并且将他输送到控制系统中。对于那些位于海湾地区的石油天然气以及石油化学品工厂而言,雷电和暴风雨是对生产过程最大的干扰。转瞬之间,温度、气压都会改变,雨点会击打在那些非绝缘的过程单元上。如此重大的问题逼着你必须从源头上把它解决掉。如果你还一个劲咒骂原材料的供应为什么随天气而变化,那么你只是在浪费时间。”
        正确的工具
        有两类工具可以方便你寻找问题:过程仿真以及回路表现、互动分析。它们都会对你的诊断以及解决方案测试提供重要的参考。
        通过回路性能和过程互动工具,采用数学分析的方法,判断回路的动作以及过程的不同部件甚至是整个工厂采取了怎样的连接。这些连接并非显而易见,但是它们为干扰以及循环的传播提供了路径。
        Buckbee回忆了一起为用户服务的案例。他说:“在一家位于Alabama的塑料工厂里,一位用户试图寻找氢气压力不稳定的原因。过程互动工具将问题锁定在了冷却塔的温度方面。用户认为,冷却远在工厂的另一个部分,距离出问题的地方足有一英里。但是,当他查看了设计图纸之后,发现两者确实有联系。在对冷却塔内风扇的控制策略作了一番简单的修正后,用户发现,不仅氢气回路得到了稳定,工厂中许多原先由于冷却塔温度变化引起的不稳定现象都被很好地消除了。如果不借助这类分析工具,他可能需要花上几周时间才能把问题弄明白。”
        当你认为已经找到了问题的根源或者想要验证解决方案是否有效时,过程仿真平台可以帮助你在动手之前测试你的理论。它还能帮助你对基本的控制策略进行梳理,确认这样的策略是否适用于你的工厂。如果问题在这一层面就已经出现了,那么你其他任何的修改都是徒劳的。
        一次有效的过程仿真就像是在玩“如果是”的游戏,只为了摸透整套系统。这种方法一般是用来培训操作人员的,但是你可以固定一台阀门或者故意让一台仪表出现故障来观察最终的影响。有时候,这样做可以辅助提供解决方案。
        Reaz Kabir是Honeywell Process Solutions的仿真业务主管。他见证了仿真器被逐步应用于开工前的测试。他说:“仿真器虽然还没有成为标配,但是使用率越来越高。2008年,我们接触了一家规模很大、要求很高的化工厂。他们的问题是,产品纯度无法达到客户要求的99.8%。尽管他们作了很多努力,但是依然无法满足要求。在采用仿真器仅一天后,他们被要求提高一座蒸馏塔的回流率。这样一个简单的方案在解决问题的同时对产量没有造成任何影响。在这之前,他们已经花了一个多月时间尝试修正错误。”
        正确的资源
        有了解决问题的工具后,公司必须学会正确使用它们。这里不需要多少创新性,而是需要提供培训以及保证有能力的人员被充分利用了。正如Storey所言:“你应该让相关人员、组织、管理层都说一句‘我们都准备好了,随时准备用这玩意儿。’,然后再开工。我们不可避免会多花些钱,但却能够获得更多的技术。如今,我们的工具在不断改进,但相关人员要做的事一点也没简化。我们的机会更多了、设备的可靠性更好了,但能够驾驭这些技术和资源的能力却少了。从技术角度而言,我们能做的远比我们所做的多。从经济和资源角度看,问题并没有变简单。”

系统分类: PLC与PAC   |   用户分类: 无分类   |   来源: 无分类

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