CN114280969A - 变频驱动器中的控制回路性能监测 - Google Patents

变频驱动器中的控制回路性能监测 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于变频驱动器中的控制回路性能监测的方法。将成组数据输入至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值、成组控制器输入参数和控制器输出。至少部分地基于成组数据来获得来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出。至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定指示控制回路性能的一个或更多个关键性能指标值。至少部分地基于一个或更多个关键性能指标值来调整成组控制器输入参数。

Description

变频驱动器中的控制回路性能监测
技术领域
各种示例性实施方式涉及工业过程控制器以及控制回路性能监测。
背景技术
控制回路可以用在工业控制系统中以将过程变量维持在期望的参考点处，该参考点也可以被称为设置点。控制回路可以包括例如传感器、工业过程控制器和最终控制元件。传感器可以测量过程变量并将测量结果发送至工业过程控制器。然后，工业过程控制器可以操纵最终控制元件，以将过程变量维持在期望的设置点处，即，使测量的过程变量与期望的设置点之间的差异最小化。然而，控制回路可能经历导致过程变量的不良控制的失灵。控制回路性能监测可以用于监测控制回路的性能，检测表现不佳的控制回路，并且帮助诊断控制回路失灵。期望改进控制回路性能监测，以向工业过程控制器提供关于过程的附加信息，并且因此使得能够更精确地控制过程变量。
发明内容
各种示例性实施方式所寻求的保护范围由独立权利要求阐明。本说明书中描述的没有落入独立权利要求的范围之内的示例性实施方式和特征(如果有的话)，将被解释为对理解各种示例性实施方式有用的示例。
根据一方面，提供了一种变频驱动器，该变频驱动器包括用于进行以下操作的装置：将成组数据输入至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值、成组控制器输入参数以及控制器输出；至少部分地基于成组数据来获得来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及至少部分地基于一个或更多个关键性能指标值来调整成组控制器输入参数。
根据另一方面，提供了一种变频驱动器，该变频驱动器包括至少一个处理器和包括计算机程序代码的至少一个存储器，其中，至少一个存储器和计算机程序代码被配置成通过至少一个处理器使变频驱动器进行以下操作：将成组数据输入至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值、成组控制器输入参数和控制器输出；至少部分地基于成组数据来获得来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及至少部分地基于一个或更多个关键性能指标值来调整成组控制器输入参数。
根据另一方面，提供了一种系统，该系统至少包括传感器装置、变频驱动器和马达。传感器装置被配置成：测量与物理过程相关联的过程变量的值；并且将过程变量的测量值发送至变频器。变频驱动器被配置成：从传感器装置接收过程变量的测量值；将成组数据输入至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值、成组控制器输入参数以及控制器输出；至少部分地基于成组数据来获得来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及通过至少部分地基于一个或更多个关键性能指标值调整成组控制器输入参数来调整控制器输出。马达被配置成至少部分地基于经调整的控制器输出经由致动器来调整物理过程。
根据另一方面，提供了一种方法，该方法包括：由变频驱动器将成组数据输入至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值、成组控制器输入参数和控制器输出；由变频驱动器至少部分地基于成组数据获得来一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；由变频驱动器至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及由变频驱动器至少部分地基于一个或更多个关键性能指标值来调整成组控制器输入参数。
根据另一方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括用于使变频驱动器至少执行以下操作的指令：将成组数据输入至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值、成组控制器输入参数和控制器输出；至少部分地基于成组数据来获得来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及至少部分地基于一个或更多个关键性能指标值来调整成组控制器输入参数。
根据另一方面，提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质包括用于使变频驱动器至少执行以下操作的程序指令：将成组数据输入至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值、成组控制器输入参数以及控制器输出；至少部分地基于成组数据来获得来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及至少部分地基于一个或更多个关键性能指标值来调整成组控制器输入参数。
根据另一方面，提供了一种非暂态计算机可读介质，该非暂态计算机可读介质包括用于使变频驱动器至少执行以下操作的程序指令：将成组数据输入至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值、成组控制器输入参数以及控制器输出；至少部分地基于成组数据来获得来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及至少部分地基于一个或更多个关键性能指标值来调整成组控制器输入参数。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述各种示例性实施方式，在附图中：
图1示出了系统的简化架构；
图2示出了根据示例性实施方式的示意性框图；
图3至图9示出了根据一些示例性实施方式的流程图；
图10示出了根据示例性实施方式的设备。
具体实施方式
以下实施方式是示例性的。尽管说明书可能在文本的若干个位置引用“一”、“一个”或“一些”实施方式，但是这并不一定意味着每个这样的引用均指相同的(一个或多个)实施方式，或者特定特征仅适用于单个实施方式。不同实施方式的单个特征也可以被组合以提供其他实施方式。
各种示例性实施方式可以适用于包括处理系统和/或工业制造相关的过程和/或用于技术过程的系统的工业工厂中的至少部分自动化的任何过程，从而提供关于一个或更多个装置(装备)和/或关于一个或更多个过程的多个变量的不同的测量/感测值。示例的非限制性列表包括发电厂、纸浆和造纸厂、制造厂、化学加工厂、电力传输系统、采矿和矿物加工厂、油气系统、数据中心、船舶和运输车队系统。
下面使用单个单元、模型、装备和存储器来描述不同的实施方式和示例，而不将实施方式/示例限于这样的解决方案。可以使用被称为云计算和/或虚拟化的概念。虚拟化可以允许单个物理计算装置来托管虚拟机的一个或更多个实例，所述虚拟机作为独立计算装置显现并操作，使得单个物理计算装置可以以动态方式创建、维护、删除或以其他方式管理虚拟机。装置操作也可以分布在多个服务器、节点、装置或主机之间。在云计算网络装置中，计算装置和/或存储装置提供共享的资源。一些其他技术进步例如软件定义网络(SDN)可能使以下描述的功能中的一个或更多个迁移至任何对应的抽象概念或设备或装置。因此，所有的词语和表达应该做宽泛地解释，并且它们旨在说明而不是限制示例性实施方式。
图1示出了根据示例性实施方式的系统。应该注意，图1示出了仅示出了一些元件和功能实体的简化的系统架构，所有这些元件和功能实体都是逻辑单元，所述逻辑单元的实现方式可能与所示出的不同。图1中所示的连接是逻辑连接；实际的物理连接可能不同。对于本领域技术人员而言明显的是，系统还包括其他功能和结构。应当理解，在通信中使用或用于通信的功能、结构、元件和协议与示例性实施方式无关。因此，此处无需更详细地对其进行讨论。
参照图1，变频驱动器VFD 102经由第二连接112连接至马达103。第二连接112可以是电连接，例如电力线缆。变频驱动器102用于通过改变马达输入频率和电压来控制马达速度和扭矩。马达103可以是通过交流电流AC驱动的电动马达。马达103用于经由机械连接113操作致动器104，例如泵、风扇或压缩机。致动器104影响诸如管道内的液体流动的物理过程105，该物理过程105由诸如流量传感器的传感器装置101感测即测量。物理过程也可能受到干扰的影响，干扰可以借助于干扰变量来测量和补偿。物理过程也可以被称为工业过程。传感器装置101测量与物理过程相关联的一个或更多个过程变量值，例如流量、压力、温度、稠度、速度、电流、水平或pH。换言之，传感器装置101可以包括换能器，该换能器将过程105的物理特性(即过程变量)转换成表示可以发送的过程变量的值的信号。传感器装置101可以与物理过程105直接或间接接触。传感器装置101被配置成由被包括在传感器装置101中的发送器经由第一连接111将测量的过程变量值发送至变频驱动器102。第一连接111可以是有线电连接，即线缆，或者无线连接，例如蓝牙、Wi-Fi或Li-Fi(光保真)连接。变频驱动器102被配置成经由第一连接111从传感器装置101接收测量结果。变频驱动器还可以被配置成将接收到的测量结果存储在变频驱动器102的内部存储器中，或者存储在诸如云数据库的外部存储器中。
变频驱动器102可以包括或连接至过程控制器102-1，例如比例-积分-微分PID控制器。过程控制器也可以被称为闭环控制器。过程控制器可以是硬件装置，或者它可以是在基于微处理器的装置中实现的软件代码。过程控制器可以被配置成向变频驱动器102发送控制信号。过程控制器可以控制动态工业过程，在该动态工业过程中，例如应用至马达103的速度和/或扭矩必须根据工业过程的需要而变化。换言之，过程控制器可以允许变频驱动器自动地控制致动器以匹配与传感器测量结果相比较的预定义设置点，例如以维持某个恒定流量。
变频驱动器102可以例如在变频驱动器的内部存储器中存储关于控制参数设置的信息，例如，诸如控制器增益的参数的当前值、斜坡时间、输出频率、输出电压、输出功率、马达速度、马达扭矩、马达电流、马达轴功率(即马达轴处的估计的机械功率)、马达数据、限制、磁化设置和/或信号滤波设置。变频驱动器102还可以存储在变频驱动器的操作期间记录的内部技术信息，例如，关于关键性能指标的信息，例如负载电流直方图、转矩脉动、扭矩与速度曲线和/或功率与速度曲线、温度、电压以及/或者诸如谐振频率和/或负载惯量的其他信息。变频驱动器102可以配备有短程无线电接口，例如蓝牙或Wi-Fi，或者配备有一些其他无线通信接口，例如Li-Fi。无线通信接口可以被包括在变频驱动器102中，或者例如被包括在变频驱动器102的控制面板中。
图2示出了根据示例性实施方式的用于变频驱动器中的控制回路性能监测的示意性框图。变频驱动器包括嵌入式PID控制器201和内置控制性能监测系统。
将过程变量的测量值210、用户定义的设置点211(即过程变量的目标值)以及成组PID输入参数212作为输入提供给PID控制器201。过程变量可以是例如流量或任何其他物理量。在本文中，流量可以是指例如液体或气体通过截面或表面边界的流量。例如，可以从传感器装置接收过程变量的测量值。例如，用户定义的设置点和PID输入参数可以存储在被包括在变频驱动器中的驱动器参数系统上并且从驱动器参数系统获得。也可以被称为控制器输入参数的成组PID输入参数可以包括诸如比例控制器增益(表示为kP)、积分时间(表示为kI)和微分时间(表示为kD)的参数。
比例增益、积分时间和微分时间也可以被称为整定参数，其可以用于调整PID控制器输出。换言之，成组PID输入参数可以在PID控制器201中经受整定，即调整。过程变量的测量值与设置点之间的差可以被称为误差。PID控制器201的目的可以是通过调整PID输入参数来使误差最小化。PID控制器201例如向由变频驱动器控制的马达提供输出213，以调整过程变量。PID控制器输出213可以包括例如应用于马达的速度和/或扭矩。马达可以例如经由影响物理过程的诸如泵的致动器连接至与过程变量相关联的物理过程。PID控制器输出在本文中也可以被称为控制动作。
由PID控制回路使用的PID算法的拉普拉斯域定义例如可以被定义为：
Figure BDA0003282402590000061
其中，kP是比例控制器增益，kI是以秒为单位的积分时间，kD是以秒为单位的微分时间，并且e是误差，即，过程变量的测量值与设置点之间的差。
还将过程变量的测量值210、设置点211、PID输入参数212和PID控制器输出值213作为输入提供给被包括在控制性能监测模块202中的一个或更多个控制回路性能监测算法202-1、202-2、202-3。可以进一步将成组算法参数214和成组驱动器参数215作为输入提供给一个或更多个控制回路性能监测算法。一个或更多个控制回路性能监测算法可以分析例如PID控制器输出和过程变量的多个测量值的时间趋势，所述PID控制器输出和过程变量的多个测量值可以连续地或以预定义的时间间隔提供给控制回路性能监测算法。
成组驱动器参数215可以包括例如PID控制器输出的最小限制、PID控制器输出的最大限制、指示PID控制器是否被启用的参数和/或指示PID控制器输出是否被冻结的参数。在本文中，冻结是指将PID控制器输出保持在启用冻结之前其所具有的值处。例如，当需要在不停止过程的情况下对提供关于过程的反馈的传感器装置进行维修时，可以使用冻结。因此，一个或更多个控制回路性能监测算法可以使用成组驱动器参数例如来检测PID控制器是否被启用、最小限制或最大限制是否被触发、以及/或者PID控制器输出是否被冻结。在没有这种基于成组驱动器参数的检测能力的情况下，一个或更多个控制回路性能监测算法可能测量被禁用或冻结的PID控制器的性能，并且因此，一个或更多个控制回路性能监测算法可能在这种情况下生成不正确的输出值。
可以直接使用一个或更多个控制回路性能监测算法的原始输出216，或者它们可以有助于一个或更多个控制回路性能监测关键性能指标KPI值的计算。可以将一个或更多个控制回路性能监测算法的原始输出216、成组KPI权重218和/或成组KPI缩放参数217作为输入提供给KPI计算模块203。然后，可以对来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的原始输出216进行加权，以例如通过将算法输出与相关联的KPI权重值相乘来提供关键性能指标值。不同的KPI权重值可以用于不同的算法输出，以使一个控制回路性能监测算法的输出优先于来自一个或更多个其他控制性能监测算法的输出。替选地，可以通过使用KPI缩放参数将来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的原始输出216转换为介于0％至100％之间的缩放值，并且然后，可以将权重值应用于缩放值。作为非限制性示例，权重可以是0与1之间的值。例如，成组KPI权重和成组KPI缩放参数可以是预定义的，或者由用户定义。
KPI的状态和/或值可以用于指示与控制回路相关联的问题或失灵的存在。KPI本质上可以是布尔值，例如不良/优良、是/否或有问题/无问题，其中，不良、是和有问题可以指示问题的存在。替选地，KPI的值可以用于指示作为KPI基础的控制方面的质量或问题的大小(magnitude)，并且KPI的值可以基于比例，例如0％至100％，其中，例如，0％可以指示最好的质量，而100％可以指示例如最差的质量，即最大的问题。KPI可以是例如点KPI、数据窗口统计分析KPI、持久性KPI和/或时间趋势变换KPI。
点KPI可以将测量值与预定义阈值进行比较。如果测量值超过阈值，则KPI的状态例如可以从无问题变为有问题，并且可以生成动作。例如，可以生成和通告警报。
数据窗口统计分析KPI可能会使用某个时间窗口上的数据，并且将其映射到统计结果。统计映射的示例可以包括均值、众数、中值、最大值、最小值、标准偏差、方差、协方差和斜率。一旦确定了针对窗口尺寸的统计值，则可以以与点KPI类似的方式使用统计结果。例如，如果计算了数据集窗口的变异性(variability)并且标准偏差在预定义阈值以上，则KPI的状态改变并且触发对应的动作。
持久性KPI可以用于避免可能在点KPI的情况下发生的误报(false positive)。误报可以被定义为超过其阈值但与实际问题无关的KPI。例如，噪声尖峰、机器关闭或生产变化可能引起误报。持久性KPI可以应用于点KPI。例如，持久性KPI可以指示在用户定义的分析窗口中超过点KPI阈值的次数的计数。作为另一示例，持久性KPI可以指示对期间超过阈值的时间的评估。
时间趋势变换KPI可以利用数据窗口的数学分析。可以对数据窗口应用一系列变换，例如傅立叶级数、自相关和/或直方图。时间趋势变换可以将窗口的基于时间的数据转换到新的域，这可以使得能够检测可能隐藏在原始时间趋势中的细节。例如，可能在时间趋势中难以检测到具有纯音振荡性质的时间趋势。然而，如果将该时间趋势转换成傅立叶级数，则可以更容易地检测振荡问题的幅度和频率。
可以将KPI输出219(即，关键性能指标)和/或一个或更多个控制回路性能监测算法的原始输出提供给一个或更多个系统204，例如参数系统和/或事件/警报系统。在参数系统中，KPI输出和/或一个或更多个控制回路性能监测算法的输出可以例如在图形用户接口中显示给用户，作为与变频驱动器和/或其PID控制器相关联的附加参数。在事件/警报系统中，KPI输出和/或一个或更多个控制回路性能监测算法的输出可以用于例如基于预定义阈值水平来触发警告或警报，从而实现基于PID性能的变化的预测性维护。此外，可以将KPI输出和/或一个或更多个控制回路性能监测算法的输出例如经由变频驱动器的现场总线连接提供给一个或更多个外部系统，例如分布式控制系统、DCS和/或监督控制和数据获取SCADA系统。因此，例如，可以将物理过程、马达或致动器的问题或失灵指示给外部系统，例如DCS或SCADA系统。
可以将来自一个或更多个控制回路性能监测算法的原始输出216和/或KPI输出219作为输入提供给阈值检测模块205。如果阈值检测模块205例如通过检测到KPI输出超过或在预定义阈值以下而检测到次优控制回路性能，则阈值检测模块205可以向PID整定模块206提供次优控制回路性能的指示。
一旦检测到次优控制回路性能，则可以由PID整定模块206向用户或操作员建议自动或引导式PID控制器整定。替选地，可以在没有用户参与的情况下自动地执行PID控制器整定。在PID控制器整定中，对PID输入参数进行调整，这导致产生用于控制马达的经调整的PID控制器输出，以提高控制回路性能。
PID整定模块206可以例如通过使用齐格勒-尼科尔斯整定方法或其他技术来整定PID控制器。可以通过将积分和微分增益设置为零来执行齐格勒-尼科尔斯整定方法。然后，将比例增益例如从零增大，直到它达到极限增益，在该极限增益处，控制回路的输出具有稳定且一致的振荡。然后，使用极限增益和振荡周期以根据所使用的控制器类型和期望的行为来设置比例、积分和微分增益。
图3示出了根据示例性实施方式的流程图。参照图3，将成组数据输入301至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法。成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值、成组控制器输入参数和控制器输出。例如，可以从传感器装置接收过程变量的测量值。例如，目标值(即设置点)可以是预定义的，或由用户输入。控制器输出可以从诸如PID控制器的控制器获得。控制器输出可以包括例如应用于与变频驱动器连接的马达的速度和/或扭矩。
然后，至少部分地基于成组数据来获得302来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出。至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定303一个或更多个关键性能指标值，其中，一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能。例如，一个或更多个关键性能指标值可以指示与控制回路性能相关联的质量、失灵或者问题的大小。
至少部分地基于一个或更多个关键性能指标值来调整304成组控制器输入参数。
图3的过程可以是迭代的，使得该过程在步骤304之后返回至步骤301。
图4示出了根据另一示例性实施方式的流程图。参照图4，将成组数据输入401至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法。成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值(即设置点)、成组控制器输入参数和控制器输出。然后，至少部分地基于成组数据来获得402来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出。至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定403一个或更多个关键性能指标值。
可以将一个或更多个关键性能指标值和/或来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出例如在图形用户接口中显示404给用户，作为与变频驱动器和/或其控制器相关联的一个或更多个附加参数。
可以将信息提供405给一个或更多个外部系统，例如，DCS或SCADA系统。该信息可以包括例如一个或更多个关键性能指标值和/或来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出。
将一个或更多个关键性能指标值与预定义阈值进行比较406，以评估407控制回路性能是否为次优的。如果控制回路性能被评估为次优(407：是)，则通过调整408成组控制器输入参数来对控制器进行整定，以调整控制器输出并因此提高控制回路性能。例如，可以向用户建议自动或引导式控制器整定，或者可以在没有用户参与的情况下自动地执行控制器整定。该过程可以是迭代的，使得其在步骤407之后返回至步骤401。
如果控制回路性能被评估为最优(407：否)，则过程可以返回至框401并从那里继续进行。换言之，如果控制回路性能被评估为最优，则不调整控制器输出。
图5示出了根据另一示例性实施方式的流程图，其中可以通过检测例如由诸如泵的致动器的磨损和撕裂引起的不良控制性能或控制性能的变化来检测物理过程、马达或致动器的问题。换言之，可以至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来检测与由变频驱动器控制的马达或负载例如泵相关联的失灵。
参照图5，将成组数据输入501至被包括在变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法。成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值(即设置点)、成组控制器输入参数和控制器输出。然后，至少部分地基于成组数据来获得502来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出。至少部分地基于来自一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出来确定503一个或更多个关键性能指标值。
然后，将一个或更多个关键性能指标值例如与预定义阈值进行比较以检测504关键性能指标值是否指示马达或负载的问题或失灵。例如，如果一个或更多个关键性能指标值指示大量的振荡，则可以检测到问题或失灵，例如泵撕裂。
如果未检测到失灵(504：否)，则该过程可以返回至框501并从那里继续进行。
如果检测到失灵(504：是)，则可以触发505警报或警告并且例如将警报或警告指示给用户和/或较高级别的工业控制系统，例如DCS系统。
变频驱动器可以用于控制多个马达和/或负载，例如泵。如果负载是泵，则这可以被称为多泵操作。例如，如果使用变频驱动器来控制多个泵，则可以使用一个或更多个关键性能指标值来检测不同泵之间的差异，并且这些差异可以是一个或更多个泵的磨损(即劣化)的一个可能指标。因此，可以基于对诸如泵撕裂的失灵的检测来调整506多泵操作。例如，如果检测到其中一个泵出现失灵，则可以使失灵泵停止或减速，并且可以调整其他泵以补偿停止/减速的泵。
图6示出了根据一个或更多个控制回路性能监测算法中的第一控制回路性能监测算法的示例性实施方式的流程图。第一控制回路性能监测算法可以用于PID操作模式监测，即确定或记录PID操作模式(例如手动操作时间)相对于变频驱动器的总操作时间的分数。手动操作时间是指控制回路处于手动模式的时间，其中用户对最终控制元件(例如，马达)进行调整。高比率的手动操作时间可以指示PID控制器的次优参数化。在自动模式下，PID控制器自动地对最终控制元件进行调整。可以例如基于PID控制器输出来确定手动操作时间。也可以例如基于指示当前操作模式的驱动器参数来确定操作模式。
参照图6，一个或更多个控制回路性能监测算法中的第一控制回路性能监测算法接收601成组数据作为输入。成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值(即设置点)、成组控制器输入参数和控制器输出。第一控制回路性能监测算法至少部分地基于输入至第一控制回路性能监测算法的成组数据来确定602第一输出，该第一输出指示手动操作时间相对于变频驱动器的总操作时间的分数。
图7示出了根据一个或更多个控制回路性能监测算法中的第二控制回路性能监测算法的示例性实施方式的流程图。第二控制回路性能监测算法可以用于超出范围(out ofrange)监测，即，将PID控制器输出与PID控制器输出的最小限制和/或最大限制进行比较。频繁达到输出修整(即PID控制器输出的最小限制和/或最大限制)可以指示次优的控制回路操作。
参照图7，一个或更多个控制回路性能监测算法中的第二控制回路性能监测算法接收701成组数据作为输入。成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值(即设置点)、成组控制器输入参数和控制器输出。第二控制回路性能监测算法至少部分地基于输入至第二控制回路性能监测算法的成组数据来确定702第二输出，该第二输出指示控制器输出达到预定义的最小限制和/或预定义的最大限制的次数。
图8示出了根据一个或更多个控制回路性能监测算法中的第三控制回路性能监测算法的示例性实施方式的流程图。第三控制回路性能监测算法可以用于检测与PID控制器输出相关联的振荡。在本文中，振荡是指响应信号(即，测量的过程变量)围绕设置点的波动。例如，过程变量可能在第一时刻处超过设置点，在接着的第二时刻处在设置点以下，并且然后在接着的第三时刻处再次超过设置点。换言之，第三控制回路性能监测算法可以测量相对于设置点的最大过冲，以及对响应信号与设置点的交叉进行计数的数字。用于第三控制回路性能监测算法的成组算法参数可以包括例如信号采样率，以在过冲时对与设置点的交叉进行计数。用于第三控制回路性能监测算法的成组算法参数还可以包括例如设置点与响应信号之间的阈值，其用于终止测量，即，当响应达到设置点周围的某个阈值(例如，0.01)并且停留在阈值内达预定义的时间段(例如，0.2秒)时停止对交叉(crossing)进行计数。振荡的PID控制器输出可以指示次优控制器整定性能。例如，可能由于差的整定设置、致动器故障或外部干扰而在过程变量中引入正弦振荡。此外，一些控制回路可能包括非线性元件，例如故障阀，并且因此，引起过程变量和PID控制器输出的时间趋势的非线性。非线性干扰可能规律地和重复地影响过程变量，但它可能包含较高的频率分量，并且因此，这些非线性振荡可以与正弦振荡区分开。
参照图8，一个或更多个控制回路性能监测算法中的第三控制回路性能监测算法接收801成组数据作为输入。成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值(即设置点)、成组控制器输入参数和控制器输出。第三控制回路性能监测算法至少部分地基于输入至第三控制回路性能监测算法的成组数据来确定802第三输出，该第三输出指示与控制器输出相关联的振荡的数量。
图9示出了根据一个或更多个控制回路性能监测算法中的第四控制回路性能监测算法的示例性实施方式的流程图。一个或更多个控制回路性能监测算法中的第四控制回路性能监测算法可以用于通过确定测量的过程变量与过程变量的设置点的时间差进行的响应时间检测。在本文中，时间差是指设置点变化与响应达到改变的设置点或设置点周围的预定义阈值所花费的时间之间的时间间隔。高过冲(即，高时间差)可以指示次优控制回路性能。换言之，第四控制回路性能监测算法可以测量例如当设置点改变时响应朝向设置点收敛的时间。在本文中，响应是指由控制动作引起的过程变量的经调整值，即PID控制器输出。用于第四控制回路性能监测算法的成组算法参数可以包括例如用于终止测量的在响应与设置点之间的阈值。换言之，如果响应保持在阈值内达预定义时间段，则可以认为响应收敛至设置点。用于第四控制回路性能监测算法的成组算法参数还可以包括例如最大延迟。
参照图9，一个或更多个控制回路性能监测算法中的第四控制回路性能监测算法接收901成组数据作为输入。成组数据至少包括过程变量的测量值、过程变量的目标值(即设置点)、成组控制器输入参数和控制器输出。第四控制回路性能监测算法至少部分地基于输入至第四控制回路性能监测算法的成组数据来确定902第四输出，该第四输出指示过程变量收敛至目标值所花费的测量收敛时间。
下面提供了KPI计算的示例。例如，第三控制回路性能监测算法可以用于检测振荡的数量，而第四控制回路性能监测算法可以用于确定例如以秒为单位的收敛时间。然后，将检测到的振荡的数量和收敛时间作为输入提供给KPI计算模块。首先，KPI计算模块可以缩放由算法提供的值。例如，可以对第三控制回路性能监测算法的输出进行缩放，使得与设置点的没有交叉是100％，而5个或更多个交叉是0％。也可以对第四控制回路性能监测算法的输出进行缩放，使得1秒或以下的收敛时间为100％，而10秒或以上为0％。其次，可以通过使用权重来平衡不同控制回路性能监测算法的输出。例如，可以将值为0.5的权重应用至每个算法的缩放值，以获得介于0％与100％之间的经平衡的KPI。换言之，在这种情况下，每个算法的缩放值可以乘以0.5。然而，如果期望使一种算法的输出优先于另一种算法的输出，则可以对算法输出应用不同的权重。例如，可以对收敛时间的缩放值应用0.6的权重，并且可以对振荡的数量的缩放值应用0.4的权重，以使收敛时间优先于振荡的数量。
由一些示例性实施方式提供的技术优势可以是它们可以使得能够在变频驱动器的固件内进行控制回路性能监测。因此，一些示例性实施方式可以使得能够在不需要任何外部硬件和/或软件系统用于控制回路性能监测的情况下在变频驱动器内进行控制回路性能监测。此外，一些示例性实施方式可以例如向用户提供关于次优PID参数化的本地装置内反馈，从而防止不必要的装备磨损，例如由于PID控制器输出的振荡而引起的马达磨损，以及/或者能量损失。一些示例性实施方式还可以提供用于自动地设置或调整PID参数的自动整定机制，这可以提高过程性能。此外，一些示例性实施方式可以向变频驱动器提供关于它所控制的过程和/或装备的附加信息。例如，一些示例性实施方式可以使得变频驱动器能够检测控制回路中的传感器装置的磨损或失灵。一些示例性实施方式可以用于向较高级别的系统(例如，DCS)和/或相同级别的系统(例如，多泵配置中的并行PID控制器)提供PID质量属性的反馈，从而实现跨控制回路的全系统监测。此外，一些示例性实施方式可以提供系统的较高鲁棒性和/或可靠性，因为控制回路性能监测不依赖于可能最终失效或经历失灵的外部系统。
图10示出了根据示例性实施方式的设备1000，该设备1000可以是诸如变频驱动器的设备或者被包括在变频驱动器中的设备。设备1000包括处理器1010。处理器1010解译计算机程序指令并处理数据。处理器1010可以包括一个或更多个可编程处理器。处理器1010可以包括具有嵌入式固件的可编程硬件，并且可以替选地或另外地包括一个或更多个专用集成电路ASIC。
处理器1010耦接至存储器1020。处理器被配置成从存储器1020读取数据以及向存储器1020写入数据。存储器1020可以包括一个或更多个存储器单元。存储器单元可以是易失性的或非易失性的。应当注意，在一些示例性实施方式中，可以存在一个或更多个非易失性存储器的单元和一个或更多个易失性存储器的单元，或者替选地，可以存在一个或更多个非易失性存储器的单元，或者替选地，可以存在一个或更多个易失性存储器的单元。易失性存储器可以是例如RAM、DRAM或SDRAM。非易失性存储器可以是例如ROM、PROM、EEPROM、闪存、光学存储装置或磁存储装置。通常，存储器可以被称为非暂态计算机可读介质。存储器1020存储由处理器1010执行的计算机可读指令。例如，非易失性存储器存储计算机可读指令，并且处理器1010使用易失性存储器临时存储数据和/或指令来执行指令。
计算机可读指令可能已经被预先存储至存储器1020，或者，替选地或另外地，计算机可读指令可以经由电磁载波信号由设备接收以及/或者可以从诸如计算机程序产品的物理实体复制。计算机可读指令的执行使设备1000执行上述的功能。
在本文档的上下文中，“存储器”或“计算机可读介质”可以是任何非暂态介质或装置，其可以包含、存储、传递、传播或传输指令以供指令执行系统、设备或装置例如计算机使用或与指令执行系统、设备或装置例如计算机结合使用。
设备1000还包括或连接至输入单元1030。输入单元1030包括用于接收输入的一个或更多个接口。一个或更多个接口可以包括例如一个或更多个按钮和/或一个或更多个触摸检测单元。此外，输入单元1030可以包括：外部装置可以连接至的接口，以及/或者用户可以用来向设备1000输入一个或更多个输入的用户接口。
设备1000还可以包括输出单元1040。输出单元可以包括或连接至能够呈现视觉内容的一个或更多个显示器，例如发光二极管LED显示器、液晶显示器LCD或硅上液晶LCoS显示器。
设备1000还可以包括连接单元1050。连接单元1050实现到外部网络和/或设备的有线和/或无线连接。连接单元1050可以包括可以集成至设备1000或者设备1000可以连接至的一个或更多个接收器以及一个或更多个天线。连接单元1050可以包括为设备1000提供无线通信能力的集成电路或成组集成电路。替选地，无线连接可以是硬连线专用集成电路ASIC。
应当注意，设备1000还可以包括图10中未示出的各种部件。各种部件可以是硬件部件和/或软件部件。
如在本申请中使用的，术语“电路”可以指代以下中的一个或更多个或者全部：
a.仅硬件电路实现(例如仅模拟和/或数字电路的实现)；以及
b.硬件电路和软件的组合，例如(如可适用的话)：
i.模拟和/或数字硬件电路与软件/固件的组合，以及
ii.具有软件的硬件处理器(包括一起工作以使诸如移动电话的设备执行各种功能的数字信号处理器、软件和存储器)的任何部分，以及
c.硬件电路和/或处理器，例如微处理器或微处理器的一部分，其需要软件(例如，固件)以进行操作，但是当不需要软件以进行操作时，软件可以不存在。
电路的这种定义适用于该术语在本申请中包括在任何权利要求中的所有使用。作为进一步的示例，如本申请中所使用的，术语“电路”还涵盖仅硬件电路或处理器(或多个处理器)或者硬件电路或处理器及其(或它们的)随附软件和/或固件的一部分的实现。例如并且在适用于特定权利要求元素的情况下，术语“电路”还涵盖用于移动装置、蜂窝网络装置或者其他计算或网络装置的基带集成电路或处理器集成电路。
本文中描述的技术和方法可以通过各种手段来实现。例如，这些技术可以以硬件(一个或更多个装置)、固件(一个或更多个装置)、软件(一个或更多个模块)或其组合来实现。对于硬件实现，示例性实施方式的设备可以在一个或更多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理装置(DSPD)、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计成执行本文中所述的功能的其他电子单元或其组合内实现。对于固件或软件，可以通过执行本文中所述的功能的至少一个芯片组的模块(例如，过程、功能等)来执行该实现。可以将软件代码存储在存储器单元中并由处理器执行软件代码。存储器单元可以在处理器内或在处理器外部实现。在后一种情况下，如本领域所公知的，存储器单元可以经由各种手段通信地耦接至处理器。此外，本文中描述的系统的部件可以由其他部件重新布置和/或补充，以便于实现关于其描述的各个方面等，并且这些部件不限于在给定附图中阐述的精确配置，如本领域技术人员将理解的。
对于本领域技术人员而言将明显的是，随着技术进步，可以以各种方式来实现本发明的构思。实施方式不限于上述的示例性实施方式，而是可以在权利要求的范围内变化。因此，所有的词语和表达应该被宽泛地解释，并且它们旨在说明而不是限制示例性实施方式。

Claims (15)

1.一种用于控制回路性能监测的变频驱动器，所述变频驱动器包括至少一个处理器和包括计算机程序代码的至少一个存储器，其中，所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置成通过所述至少一个处理器使所述变频驱动器进行以下操作：
将成组数据输入至被包括在所述变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，所述成组数据至少包括过程变量的测量值、所述过程变量的目标值、成组控制器输入参数以及控制器输出；
至少部分地基于所述成组数据来获得来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；
至少部分地基于来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，所述一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及
至少部分地基于所述一个或更多个关键性能指标值来调整所述成组控制器输入参数。
2.根据权利要求1所述的变频驱动器，其中，通过对从所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的至少一个获得的所述输出应用权重值来确定所述一个或更多个关键性能指标值。
3.根据权利要求1所述的变频驱动器，其中，通过将从所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个获得的所述输出转换为介于0％至100％之间的缩放值，并且对所述缩放值应用权重值，来确定所述一个或更多个关键性能指标值。
4.根据权利要求1所述的变频驱动器，其中，所述成组控制器输入参数至少包括与被包括在所述变频驱动器中的比例-积分-微分控制器相关联的比例控制器增益、积分时间和微分时间；并且
其中，所述控制器输出至少包括应用于与所述变频驱动器连接的马达的速度和/或扭矩，其中，所述控制器输出由所述比例-积分-微分控制器来提供。
5.根据权利要求4所述的变频驱动器，其中，所述成组数据还包括指示所述比例-积分-微分控制器是否被启用的第一驱动器参数、指示所述控制器输出是否被冻结的第二驱动器参数、指示所述控制器输出的预定义最小限制是否被触发的第三驱动器参数以及/或者指示所述控制器输出的预定义最大限制是否被触发的第四驱动器参数。
6.根据权利要求1或2所述的变频驱动器，其中，还使所述变频驱动器进行以下操作：
通过所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的第一控制回路性能监测算法来确定第一输出，所述第一输出指示手动操作时间相对于所述变频驱动器的总操作时间的分数；
通过所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的第二控制回路性能监测算法来确定第二输出，所述第二输出指示所述控制器输出达到所述预定义最小限制和/或所述预定义最大限制的次数；
通过所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的第三控制回路性能监测算法来确定第三输出，所述第三输出指示与所述控制器输出相关联的振荡的数量；以及/或者
通过所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的第四控制回路性能监测算法来确定第四输出，所述第四输出指示所述过程变量收敛至所述目标值所花费的测量收敛时间。
7.根据权利要求1或2所述的变频驱动器，其中，还使所述变频驱动器进行以下操作：
至少部分地基于来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出来调整所述成组控制器输入参数。
8.根据权利要求1或2所述的变频驱动器，其中，还使所述变频驱动器进行以下操作：
向用户显示所述一个或更多个关键性能指标值和/或来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出。
9.根据权利要求1或2所述的变频驱动器，其中，还使所述变频驱动器进行以下操作：
至少部分地基于所述一个或更多个关键性能指标值和/或来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出来触发警告或警报。
10.根据权利要求1或2所述的变频驱动器，其中，还使所述变频驱动器进行以下操作：
向一个或更多个外部系统提供所述一个或更多个关键性能指标值和/或来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出。
11.根据权利要求1或2所述的变频驱动器，其中，还使所述变频驱动器进行以下操作：
至少部分地基于所述一个或更多个关键性能指标值和/或来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出来检测与由所述变频驱动器控制的马达或负载相关联的失灵。
12.根据权利要求1或2所述的变频驱动器，其中，还使所述变频驱动器进行以下操作：
至少部分地基于所述一个或更多个关键性能指标值和/或来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出来调整多个马达和/或泵。
13.一种系统，至少包括传感器装置、变频驱动器和马达，
其中，所述传感器装置被配置成：
测量与物理过程相关联的过程变量的值；以及
将所述过程变量的值发送至所述变频驱动器；
其中，所述变频驱动器被配置成：
从所述传感器装置接收所述过程变量的值；
将成组数据输入至被包括在所述变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，所述成组数据至少包括所述过程变量的值、所述过程变量的目标值、成组控制器输入参数以及控制器输出；
至少部分地基于所述成组数据来获得来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；
至少部分地基于来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，所述一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及
通过至少部分地基于所述一个或更多个关键性能指标值调整所述成组控制器输入参数来调整所述控制器输出；
其中，所述马达被配置成：
至少部分地基于由所述变频驱动器调整的所述控制器输出经由致动器来调整所述物理过程。
14.一种用于变频驱动器中的控制回路性能监测的方法，所述方法包括：
由所述变频驱动器将成组数据输入至被包括在所述变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，所述成组数据至少包括过程变量的测量值、所述过程变量的目标值、成组控制器输入参数以及控制器输出；
由所述变频驱动器至少部分地基于所述成组数据获得来所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；
由所述变频驱动器至少部分地基于来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，所述一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及
由所述变频驱动器至少部分地基于所述一个或更多个关键性能指标值来调整所述成组控制器输入参数。
15.一种计算机可读介质，包括指令，所述指令在由被包括在变频驱动器中的一个或更多个处理器执行时，使所述变频驱动器至少执行以下操作：
将成组数据输入至被包括在所述变频驱动器中的一个或更多个控制回路性能监测算法，其中，所述成组数据至少包括过程变量的测量值、所述过程变量的目标值、成组控制器输入参数以及控制器输出；
至少部分地基于所述成组数据来获得来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的输出；
至少部分地基于来自所述一个或更多个控制回路性能监测算法中的每一个的所述输出来确定一个或更多个关键性能指标值，其中，所述一个或更多个关键性能指标值指示控制回路性能；以及
至少部分地基于所述一个或更多个关键性能指标值来调整所述成组控制器输入参数。
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