CN105892443B - 用于监控控制回路的运行的诊断装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在自动化系统的结网的控制结构中监控从动或比率控制回路(R、P)的运行的诊断装置。诊断装置(D)包括一个评估装置(AE)和一个数据存储器(DS)，其中分别存储了额定值(SP)和实际值(PV)的一系列数据。通过评估装置(AE)确定用于实际值数据的偏离的第一度量值和用于额定值数据的偏离的第二度量值。根据第一度量值与第二度量值的比例关系，显示一个特征数字(CPIvar、CPIkas)用于评估控制性能，从而让操作员能够评判控制回路的状态。由此能够以有利的方式在自动运行状态下当额定值(SP)波动时对控制回路做出评判。

Description

用于监控控制回路的运行的诊断装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于监控自动化系统的控制回路的运行的诊断装置，以及一种相应的诊断方法。
背景技术
当子设备或组件的正确运行受到监控时，可以提高自动化技术设备的维修和保养。在功能效果下降时，可以有针对性地在设备的正确部位上采取进行维修、保养或故障排除的措施。通常将自动化技术设备的组件在控制回路中相互连接。为了在单个控制回路的功率能力下降时，能够及时地并且有针对性地在设备的正确位置上采取进行保养或控制器优化的措施，当控制回路能够永久性地并且自动化地在其控制性能方面受到监控，可能是有利的。
由EP 1 528 447 B1中已经公知一种用于监控控制回路的运行的诊断方法。在基本上为静态的情况下，也就是在额定值设定很大程度上恒定不变时，将一系列实际值数据的变化确定为随机性特征，并且为了分析控制回路的状态被评估。在根据额定值跳跃激励控制回路的情况下，为了分析控制回路状态，将相对的超调量或瞬态响应也就是控制量的上升时间和稳定时间(Anstiegs-undEinschwingzeit)的百分比，作为决定性的特征进行评估。
然而一般来说，在自动化技术设备中存在许多的不能运用这种公知的监控方法或者运用起来受到的限制很大的控制回路。尤其是当控制器在结网的控制器结构的框架内作为另一个、上一级的控制器的随动控制器通过额定值设定受到驱控。因此这涉及到级联控制式的所有随动控制器，以及比率控制式的所有随动控制器。因为这些控制器从结网的控制器结构中的互联的另一个功能组块中获得它们的额定值，所以该额定值可能不断变化，并且既不存在额定值恒定的时间阶段也不存在纯粹的额定值跳跃，在公知的控制回路运行的监控方法的框架内，可以借助确定随机性特征或决定性的特征来评估这些情况。当额定值在级联式控制的框架内从主控制器获得，那么额定值的波动就和主控制器(Führungsregler)的控制量一样大。如果额定值在比率控制的框架内由比例组块生成，那么比率控制器的额定值通常就是另一个控制回路的与某个恒定的因数相乘的实际值，这个因数在运行时同样也是可变的。因此，下一级的控制回路在公知的方法中大部分情况下都被从监控中排除出去。
发明内容
因此，本发明的基本目的在于，实现一种用于监控控制回路的运行的诊断装置和诊断方法，通过它不仅可以监控单回路的控制回路的状态，还可以监控处于结网结构中的控制回路的状态，正如例如在级联式控制或比率控制中存在的那样。
本发明提出一种用于监控自动化系统的控制回路的运行的诊断装置，具有：数据存储器，在数据存储器中能分别存储控制回路的一系列额定值数据和实际值数据；评估装置，用于借助一系列额定值数据和实际值数据的至少一个截取段确定随机性特征，其中，确定用于实际值数据的偏离的第一度量值作为实际值数据的随动性特征，其特征在于，为了监控结网的控制结构中的随动或比率控制回路的运行，能通过评估装置以类似于确定第一度量值的方式为额定值数据的偏离确定第二度量值作为额定值数据的随机性特征，并且根据第一度量值与第二度量值的比例关系能确定和/或显示特征数字用于评估控制性能。
此外，本发明提出一种用于监控自动化系统的控制回路的运行的诊断方法，包括以下步骤：
在数据存储器中分别存储控制回路的一系列额定值数据和实际值数据，
通过评估装置借助一系列额定值数据和实际值数据的至少一个截取段相应确定随机性特征，其中，确定用于实际值数据的偏离的第一度量值作为实际值数据的随机性特征，
其特征在于以下步骤，
以类似于确定第一度量值的方式确定用于额定值数据的偏离的第二度量值作为额定值数据的随机性特征，并且
根据第一度量值与第二度量值的比例关系确定和显示特征值，用于评估控制性能。
本发明的优点是，除了监控单回路的控制回路，它还使得能够监控具有多个控制器的结网结构中的下级的控制回路，正如例如在级联式控制或比率控制中那样。在此，有利地在非侵入式诊断的意义内仅仅使用在常规进程运行中出现的数据。在自动化技术设备上运行的流程不因为诊断受到影响，并且能够在进行诊断时不受干扰地继续进行。在自动化运行时迄今例如用于进行诊断的主控制器被手动操作，从而通过手动干涉为一个随动控制器获得一个额定值恒定的时间阶段或者额定值跳跃，并且为了能够在下级的控制回路中利用公知的随动或决定性特征对其进行分析，所以在有利的方法中不再需要中断自动化运行。这尤其是通过在对控制回路的分析中引入用于额定值数据的偏差的度量值、优选地是其变化的度量值，作为随机性特征。这种评估能够以特别明显的方式通过操作员实现，因为基于用于实际值数据的偏差的度量值和用于额定值数据的偏差的度量值的比例确定一个特征数字。利用这种特征数字大幅度简化了例如对额定值和实际值的方差的比较。当随动控制器以理想的方式工作，并且能够成功地让实际值很好地追随额定值，那么两个方差近似相等，并且比例值大致等于1。相反地，当实际值的方差大于额定值的方差时，随动控制器自身会在控制回路中不平稳，也就是说，它很可能设置得不好。这导致比例关系和特征数字的相应变化。于是所述新的方法也允许诊断具有永久变化的额定值的控制回路。从而也能够以简单的方式将随动控制器从级联式或比率控制引入控制回路监控中。有利地避免了困难在这种控制回路中保持不被发现，或者因为这种控制回路的故障评估而产生导致错误的报告。
因为设备操作员的注意力在级联式控制中倾向于集中在主控制器上而不是随动控制器上，并且因为随动控制回路的不平稳的情况在主控制回路上不一定会被发现，特别是随动控制回路大部分情况下设计得比主控制器快得多，所以迄今随动控制回路上恶化情况保持不被发现的风险实际上很严重。即使随动控制回路的不平稳的情况没有明显地影响到主控制量，却有可能导致以下缺点，例如控制机构的损耗更快或者能量消耗更高，因为用于主控制量的控制机构在级联式控制中直接由随动式控制器并且不是由主控制器驱控。
计算第一个特征数字CPIvar在此有以下优点，即，它们的值以非常明显并且容易理解的方式给操作者留下关于控制回路状态的印象。对于控制性能良好的控制回路，示出的CPIvar的值是100％。在这种情况下，实际值的方差小于额定值的方差。所以随动控制器就成功地让实际值追随了额定值。如果额定值具有超出封闭的控制回路的带宽以外的高频的信号成分，也就是说随动控制器不能足够迅速地追随它，那么实际值的方差小于额定值的方差。这种情况下在大部分情况下完全不必担心，因此同样也显示良好。然而，当实际值的方差大于额定值的方差时，随动控制器自身会在控制回路中不平稳，也就是说它估计设置的不好。与之关联的控制回路状态的恶化有利地通过特征数字CPIvar的值表示，这个值相应地小于100％。
在计算公式中为特征数字CPIvar使用的因数s是灵敏度因数，它可以通过操作员设置成参量，并且在诊断装置中初始化为值s＝1。例如为了更加严格地评估，这个因数s可以由操作员输入向上校正。为了利用预先调整数值s＝1(这对于操作员非常明显可见)通过显示特征量CPIvar就已经能够获得对控制回路性能的、对于大部分情况都合适的评估结果，这个公式除了灵敏度因数s还包含另一个因数0.5，这个因数在灵敏度因数s的另一次初始化中当然可以省去。
作为第一特征数字CPIvar的附加或者替选，通过诊断装置可以显示一个第二特征数字CPIkas，它的计算基于实际值和额定值从扫描步骤到各下一个步骤的平均变化量。当第一特征数字CPIvar仅仅观察额定值和实际值的在各个观察到的截取段中包含的数据的值的方差，而基于对第二特征数字CPIkas的计算将扫描的各个时间步骤中的变化相互比较。如果实际值围绕着额定值波动，却相比额定值的这个值范围具有小的振幅，那么这在一系列的额定值和实际值数据被观察的截取段的宽度较大时，在仅仅观察第一特征量CPIvar时不太明显或者根本不明显，因为尽管如此方差还是差不多。这种不希望出现的情况下就可以轻易地通过操作员在观察第二特征数字CPIkas时发现。
因此，有利的是通过诊断装置不仅显示第一特征数字CPIvar还显示第二特征数字CPIkas，因为观察两个特征量使得能够特别可靠地评估控制回路的状态。
在此如下地选择每次观察的截取段的宽度，也就是被观察的一系列中的额定值或实际值数据的数量N，即，使得一方面能够轻易地发现控制回路状态的变化，并且另一方面提供足够的数据用于评估。
诊断装置能够以由EP 1 528 447B1中公知的诊断装置一样的方式有利地构造成软件-功能组块，这个功能组块可以被接在带有控制回路的功能组块的功能系统的图像操作界面中，并且可以为了运行诊断装置被加载到自动化设备中。在一个用于在自动化技术设备的操作及观察设备上实现人-机-端口的所谓的面板(Faceplate)上，就显示了两个计算得到的特征数字CPIvar和CPIkas。只要想要，在这个操作和观察系统上就可以通过操作员改变参量，例如灵敏度因子s，输入参考值，用于在一个或两个特征数字低于预设的极限值时发出警报等等。
以特别有利的方式可以将所述新的用于监控控制回路运行的诊断装置应用到基于云的控制回路监控的软件环境中。这类软件环境例如是西门子公司的基于数据的远程服务“control performance analytics"。来自客户设备的数据借助软件部门收集、积累并且发送给西门子服务操作中心，在那里它们被存储在一个远程服务计算器上。在那里，它借助不同的“数据分析"软件-应用程序被半自动地进行评估。必要时，可以为了这种远程服务由特别培训的专家基于这个数据库高效工作。数据分析的结果可以显示在远程服务计算机的显示器上，并且/或者提供在一个共享网点上，从而让终端客户，也就是自动化技术设备的操作者能够例如在浏览器中观察到它们。
诊断方法于是优选地应用在软件中或者软件/硬件的组合中，所以本发明也涉及一种具有可以通过计算机执行的程序编码指令的计算机程序，用来实施所述诊断方法。在这种背景下，本发明还涉及一种计算机程序产品，尤其是数据载体或者存储媒介，包括能够由计算机执行的、这类计算机程序。这种计算机程序正如上述的那样预先保存在自动化设备的一个存储器中，或者加载到其中，从而在自动化设备运行时自动地对控制回路的运行进行监控，或者所述计算机程序可以在基于云监控控制回路的情况下预先保存在一个远程服务计算机的存储器中，或者可以加载到其中。
附图说明
下面借助示出了本发明的实施例的附图更详尽地阐述本发明以及构造方案和优点。
图中示出：
图1示出了具有诊断装置的级联式控制系统，
图2示出了具有诊断装置的比率控制系统，以及
图3示出了具有额定值和实际值的变化曲线的时间图表。
在附图中，相同的部件具有相同的附图标记。
具体实施方式
借助图1和2表示的、处于结网结构中的控制回路的实例一个是级联式控制系统(图1)，另一个是比率控制系统(图2)。需要监控的控制回路由控制器R和进程P组成，其中，控制器R在级联式控制的情况下被称为随动控制器，在比率控制的情况下被称为比率控制器。在级联式控制的情况下，控制器R根据图1从主控制器R1那里获得它的额定值SP，主控制器是外部的控制回路的用于控制进程P1的控制量PV1的组成部分，其中给外部的控制回路设定额定值SP1。进程P的控制量PV在下面也被称为实际值。在图2中所示的比率控制的实例中，额定值SP由比例组块VB提供，该比例组块计算它作为另一个控制回路的实际值PV2和比例值V的比值。另一个控制回路的实际值PV2连接在根据图2所示的比例组块VB上，该控制回路又由一个控制器R2和一个进程P2构成，其中，为另一个控制回路预设为额定值SP2。在图1和2中所示的结网的结构中，因此控制器R作为随动控制器或比率控制器从另一个控制回路获得它的额定值SP。在自动运行状态中，因此额定值预设不断地变化，并且既不存在额定值恒定的时间阶段，也不存在纯粹的额定值控制，所以由控制器R和该进程组成的下级控制回路的控制性能无法利用传统的评估方法进行分析。
通过诊断装置D现在就根据图1和2除了实际值PV以外还将额定值SP引入评估当中。为此，一系列的额定值和实际值数据存放到数据存储器DS中。借助这一系列的数据，评估装置AE计算出用于实际值数据的偏离的第一度量值，并且以类似确定第一度量值的方式计算出用于额定值数据的偏离的第二度量值。借助两个度量值的比例计算出第一特征数字CPIvar和第二特征数字CPIkas，并且为了控制性能的评估而显示出来。特征数字CPIvar是根据以下公司计算的，
其中，引用实际值数据的方差var(PV)作为第一度量值，并且引用额定值数据的变量var(SP)作为第二度量值，作为用于相应的数据的偏离的度量值。当控制器R理想地运行，并且成功地让实际值PV很好地追随额定值SP时，这两个方差var(PV)和var(SP)大致一样大。根据用于CPIvar的计算公知，得到大约100％的值。相反地，当实际值PV的方差var(PV)大于额定值SP的方差var(SP)时，控制器R显然会在由控制器R和进程P构成的控制回路中不平稳。这通过第一特征数字CPIvar的值显示，相应于控制回路性能恶化，这个值小于100％。当控制回路情况恶化到一定程度，应该显示出第一特征数字CPIvar的更弱或更强的变化时，通过改变初始化为值1的灵敏度因数s，使用者可以相应地控制他的期望。
在计算第二特征数字CPIkas时，计算从扫描步骤到各下一个步骤的平均变化作为额定值或实际值数据的偏离量的度量值。因此，公式是：
其中，值N反应了每次观察到的数据范围的长度。因此，利用第二特征数字CPIkas观察较小时间段内的变化。如果实际值PV围绕着额定值SP波动，但是相比额定值SP的值范围具有较小的振幅，那么相比第一特征数字CPIvar，在第二特征数字CPIkas的变化上能够更加明显地看出故障情况。通过观察这两个特征数字CPIvar和CPIkas能够以有利的方式避免了困难在这种控制回路中保持不被发现，或者因为这种控制回路的故障评估而产生导致错误的报告。
如果控制器R是具有死区(Totzone)的控制器，那么通过操作员额外地或者作为替选地通过诊断装置D激活对第三特征数字CPIDb的计算。死区的任务是让由控制器R产生的控制信号安静，只要控制量、也就是实际值PV处于围绕着额定值SP的死区Db内。较小的、仍然处于死区内的控制偏差于是无法通过控制器R控制平衡，以减少例如机械控制机构的磨损和能量消耗。因此，一种特别有说服力的用于评估具有死区的控制器的标准是时间占比
t(|SP–PV|<Db)，
其中，控制量PV在死区Db内，参照时间占比t(AK)，它在自动运行状态AK下具有恒定的额定值。用于第三特征数字CPIDb的计算公式是：
当时间占比t(AK)过小时，这对于控制器参量化和死区Db的尺寸大小确定的组合而言意味着，只能不完全地达成死区Db的真正目的、也就是让控制信号安静，这是因为控制偏差过于频繁地离开死区Db。因此，或者这个死区Db太狭窄，或者控制性能太不稳定。在显示了这类故障情况以后，操作员可以对控制器R的设置做出相应的改变，从而消除这个故障情况。
图3示出了用于根据图1所示的级联式控制中的控制器R的实际值PV和额定值SP的变化曲线30和31，该控制器不是最佳地设置的。在图3中的时间图表的横坐标上，无度量尺寸地标出了以秒为单位的时间t，在纵坐标上标出了实际值PV和额定值SP。较长的一系列额定值和实际值数据的所示截取段包括大约500个数据对。借助实际值PV的变化曲线30显示出，明显存在不是来自于额定值SP、肯定有其他起因的波动。这种波动尤其是通过值为60％的第二特征数字CPIkas发现。如果计算出第一特征数字CPIvar超过整个范围宽度，那么就得到接近100％的值，从而表示没有问题，因为额定值和实际值在观察的时间范围内的方差几乎一样。这个实例表示，优选地应该将第一和第二特征量一起显示给操作员。对于两个特征数字的聚集提供一个最小值：当控制器借助这一个或者另一个特征数字发现不行，也就是说最小值低于特定的极限值，那么就向操作员指明了控制回路中可能有问题。

Claims (7)

1.一种用于监控自动化系统的控制回路的运行的诊断装置，具有：数据存储器(DS)，在所述数据存储器中能分别存储控制回路的一系列额定值数据和实际值数据；评估装置(AE)，用于借助所述一系列额定值数据和实际值数据的至少一个截取段确定随机性特征，其中，确定用于实际值数据的偏离的第一度量值作为所述实际值数据的随动性特征，其特征在于，为了监控结网的控制结构中的随动或比率控制回路的运行，能通过所述评估装置(AE)以类似于确定所述第一度量值的方式为额定值数据的偏离确定第二度量值作为所述额定值数据的随机性特征，并且根据所述第一度量值与所述第二度量值的比例关系能确定和/或显示特征数字用于评估控制性能。
2.根据权利要求1所述的诊断装置，其特征在于，两个度量值是实际值(PV)的数据的或额定值(SP)的数据的方差var(PV)、var(SP)，并且第一特征数字CPIvar根据以下公式计算出：
当并且
CPIVar＝100％,当
其中，s是初始化为值1、可以由所述诊断装置的操作员改变的灵敏度因数。
3.根据权利要求1或2所述的诊断装置，其特征在于，两个度量值是所述实际值数据或所述额定值数据从一个扫描步骤到各下一个扫描步骤的平均变化量，并且根据以下公式计算第二特征数字CPIkas：
其中，N是用到评估中的所述扫描步骤的次数。
4.根据权利要求1或2所述的诊断装置，其特征在于，至少所述数据存储器(DS)和评估装置(AE)通过软件应用在用于对控制回路进行远程诊断的远程服务计算机上。
5.根据权利要求3所述的诊断装置，其特征在于，至少所述数据存储器(DS)和评估装置(AE)通过软件应用在用于对控制回路进行远程诊断的远程服务计算机上。
6.一种用于监控自动化系统的控制回路的运行的诊断方法，包括以下步骤：
在数据存储器(DS)中分别存储控制回路的一系列额定值数据和实际值数据，
通过评估装置(AE)借助所述一系列额定值数据和实际值数据的至少一个截取段相应确定随机性特征，其中，确定用于实际值数据的偏离的第一度量值作为所述实际值数据的随机性特征，
其特征在于以下步骤，
以类似于确定所述第一度量值的方式确定用于额定值数据的偏离的第二度量值作为所述额定值数据的随机性特征，并且
根据第一度量值与第二度量值的比例关系确定和显示特征值，用于评估控制性能。
7.一种计算机存储介质，在所述计算机存储介质上存储具有能通过计算机执行的程度编码指令的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时实施根据权利要求6所述的方法。
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