DE112012000548T5

DE112012000548T5 - Verfahren zum Analysieren und Diagnostizieren von Grossprozessautomatisierungs-Regelsystemen

Info

Publication number: DE112012000548T5
Application number: DE112012000548T
Authority: DE
Inventors: Robert Trent Garverick; Timothy Andrew Mast; Kevin Dale Starr
Original assignee: ABB Inc USA
Current assignee: ABB Inc USA
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2013-11-21
Also published as: AU2012209207A1; BR112013018425A2; US20130030555A1; GB2502209A; JP2014507721A; CN103403638A; WO2012103125A9; WO2012103125A1; RU2013139442A; AU2012209207B2; US8489209B2; JP6076914B2; GB201312503D0; RU2607237C2; CN103403638B

Abstract

Ein Verfahren wird bereitgestellt zum Analysieren und Diagnostizieren eines Großprozessautomatisierungs-Regelsystems mit einer Vielzahl von Regelschleifen. Bewertungen für vordefinierte Leistungskennzahlen (KPIs) werden automatisch für Regelungs-, Prozess- und Signalabschnitte jeder Regelschleife erzeugt. Die automatisch erzeugten Bewertungen der vordefinierten KPIs können in einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) eines Computers angezeigt werden. Ein Benutzer kann die automatisch erzeugten Bewertungen der vordefinierten KPIs ändern. Unterschiedliche Datenansichten können auch in der GUI angezeigt werden. Die Datenansichten enthalten Zeitreihentrends für eine gemessene Prozessvariable, eine Conrollerausgabe, einen Controllersollwert und einen Fehler, als auch Controllerparameter-Gruppierungsansichten in zweidimensionalen und dreidimensionalen Diagrammen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Industriecontroller und im Besonderen ein Evaluieren der Leistungsfähigkeit von Industriecontrollern.
Industrieprozesscontroller (hier im Nachfolgenden einfach ”Controller”) haben viele unterschiedliche Ausgestaltungen und werden in vielen unterschiedlichen Anwendungen verwendet. Controller können in einem Steuerraum montiert sein oder können ein Teil eines verteilten Regelsystems sein. Controller sind zum Aufrechterhalten einer Prozessvariablen bei einem erwünschten Referenzpunkt entworfen, der als ein Sollwert bekannt ist. Prozessvariablen können ein Durchfluss, ein Druck, eine Temperatur, eine Konsistenz, eine Geschwindigkeit, ein Strom, ein Pegel, pH etc. sein. Ein konventionelles Beispiel, wie ein Controller physikalisch in einem Industrieprozess angeschlossen sein kann, ist in dem funktionalen Blockdiagramm von 1 gezeigt. In diesem Beispiel hat ein Controller eine Ausgabe, die in einen Druck umgewandelt wird, um ein Stellglied zu bewegen, das in diesem Beispiel ein Stellventil ist. Eine Bewegung des Stellventils veranlasst eine Änderung des Durchflusses von Material durch ein Rohr. Ein Instrument (so wie ein Sender mit einem Sensor) misst einen einfachen Differenzialdruck bzw. Druckunterschied in dem Rohr und überträgt ein die Messung darstellendes Stromsignal zurück an den Controller. Diese Anordnung ist eine Regelschleife in einer ihrer einfachsten Formen.
Eine Regelschleife, so wie die oben beschriebene, kann ein Problem erfahren, das in einer schlechten Regelung der Prozessvariablen resultiert. Das Problem kann mit dem Stellglied, dem Sensor, Abstimmungsparametern des Controllers oder etwas anderem sein. Falls die Regelschleife isoliert ist oder nur eine von einer Handvoll von Regelschleifen ist, kann ein erfahrener Regelungsingenieur üblicherweise innerhalb einer vernünftigen Zeitspanne die Regelschleife analysieren und bestimmen, was das Problem ist. In einer großen Industrieanlage ist es jedoch nicht unüblich, Hunderte von Regelschleifen mit Hunderten von Controllern zu haben. In solch einer Industrieanlage ist es gelinde gesagt schwierig, zu bestimmen, welche Regelschleifen Probleme erfahren, besonders wenn ein Problem in einer Regelschleife sich nachteilig auf andere Regelschleifen auswirken kann.
Auf Grundlage des Vorhergehenden gibt es einen Bedarf in der Technik für ein Verfahren zum Unterstützen eines Regelungsingenieurs, eine Vielzahl von Regelschleifen zu überwachen und irgendeine dieser Regelschleifen, die Probleme erfahren, zu identifizieren und diagnostizieren. Die vorliegende Erfindung ist auf solch ein Verfahren gerichtet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Analysieren von einer oder mehreren einer Vielzahl von Regelschleifen eines Regelsystems, das betriebsfähig zum Steuern eines Prozesses ist. Die Regelschleifen haben jeweils einen Controller, ein Stellglied und eine Messvorrichtung zum Versorgen des Controllers mit einer Messung einer Prozessvariablen, die durch den Controller gesteuert bzw. geregelt wird. In Übereinstimmung mit dem Verfahren wird eine Auswahl einer der Regelschleifen zur Analyse von einem Benutzer empfangen. Eine Bewertung wird erzeugt für eine vordefinierte Leistungskennzahl (KPI, Key Performance Indicator) für jeden von ersten, zweiten und dritten Abschnitten der ausgewählten Regelschleife. Der erste Abschnitt ist bezogen auf den Controller der ausgewählten Regelschleife, der zweite Abschnitt ist bezogen auf den Prozess und das Stellglied der ausgewählten Regelschleife, und der dritte Abschnitt ist bezogen auf die Messung der Prozessvariablen der ausgewählten Regelschleife. Wenigstens zwei unterschiedliche Typen von Steuerdaten der ausgewählten Regelschleife werden anzeigt, in einem einzelnen Schirm einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) des Computers. Die Typen von Steuerdaten werden aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus der Messung der Prozessvariablen, einer Ausgabe des Controllers, einem Sollwert des Controllers, einem Proportionalabstimmungsparameter des Controllers, einem Integralabstimmungsparameter des Controllers und einem Fehler, der die Differenz zwischen dem Sollwert des Controllers und der Messung der Prozessvariablen ist. Die erzeugten Bewertungen der vordefinierten KPIs für die ausgewählte Regelschleife werden in dem einzelnen Schirm der GUI des Computers angezeigt. Eine unterschiedliche Bewertung für eine der KPIs für die ausgewählte Regelschleife wird von einem Benutzer empfangen. Die empfangene unterschiedliche Bewertung der einen der vordefinierten KPIs für die ausgewählte Regelschleife wird in dem einzelnen Schirm der GUI des Computers anstelle der erzeugten Bewertung für die eine der vordefinierten KPIs für die ausgewählte Regelschleife angezeigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser mit Hinsicht auf die folgende Beschreibung, beigefügten Ansprüche und begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden.
1 ist eine schematische Darstellung einer konventionellen Regelschleife.
2 ist ein Blockdiagramm einer Regelschleife.
3 ist ein schematisches Diagramm eines Prozessregelsystems, mit dem ein Überwachungssystem der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann.
4 ist ein Blockdiagramm eines Schnittstellensystems, eines Datensystems und eines Schleifenanalyseprogramms zur Verwendung mit dem Prozessregelsystem.
5 ist eine schematische Darstellung eines Schirmlayouts einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) des Schleifenanalyseprogramms.
6 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Controllerdatengruppierungsansicht.
7 zeigt ein Teilstück einer anderen Anzeige in der GUI, die eine Controllerdatengruppierungsansicht hat, und in der ein Zoom-Merkmal veranschaulicht ist.
8 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI, die eine Controllerdatengruppierungsansicht für einen Controller hat und Zeitserientrends zeigt.
9 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI, die eine Controllerdatengruppierungsansicht für den Controller von 8 hat und Leistungsspektrumtrends zeigt.
10 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Tabellenansicht numerischer Verfahren.
11 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Controllervergleichsansicht.
12 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Controllereigenschaftansicht.
13 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer kombinierten Prozess- und Numerische-Daten-Ansicht.
14 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Zweidimensionale-Daten-Gruppierungsansicht.
15 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Dreidimensionale-Daten-Gruppierungsansicht.
16 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Zweidimensionale-Controllerparameter-Gruppierungsansicht.
17 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI, die eine Zweidimensionale-Controllerparameter-Gruppierungsansicht hat, schematisch zeigend, wie ein Benutzer auf zusätzliche Daten von der Ansicht zugreifen kann.
18 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Dreidimensionale-Controllerparameter-Gruppierungsansicht.
19 zeigt das Regelschleifenblockdiagramm von 2, das in drei Bereiche aufgeteilt ist.
20 zeigt Datentrends eines Controllers mit einer signifikanten Totzone.
21 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Controllerdatengruppierungsansicht für einen Controller mit einer selbstregulierenden Wellenformkombination.
22 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Controllerdatengruppierungsansicht für einen Controller mit Quantisierung.
23 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer Controllerdatengruppierungsansicht, eine unzureichende Datensammlungsabtastrate für einen Controller zeigend.
24 ist ein schematisches Flussdiagramm, das zeigt, wie das Schleifenanalyseprogramm genutzt werden kann, um eine Regelschleife manuell, automatisch und auf eine kombinierte Weise zu analysieren.
25 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer kombinierten Prozess- und Numerikansicht und einer KPI-Box.
26 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer KPI-Gruppierung einer ersten Ebene.
27 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer KPI-Gruppierung einer zweiten Ebene.
28 zeigt ein Teilstück einer Anzeige in der GUI mit einer KPI-Gruppierung einer dritten Ebene.
29 zeigt einen gedruckten Bericht für Controller, die Probleme in Haupt-KPIs in dem Regelbereich haben.
30 zeigt einen gedruckten Bericht für Controller, die Probleme in Haupt-KPIs in dem Prozessbereich haben.
31 zeigt einen gedruckten Bericht für Controller, die Probleme in Haupt-KPIs in dem Signalformungsbereich haben.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es sollte beachtet werden, dass in der detaillierten Beschreibung, die folgt, identische Komponenten dieselben Bezugszeichen haben ungeachtet davon, ob sie in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Es sollte auch beachtet werden, dass, um die vorliegende Erfindung klar und prägnant aufzuzeigen, die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, und gewisse Merkmale der Erfindung zu einem gewissen Ausmaß in schematischer Form gezeigt sein können.
Während der Bereich einer Prozessregelung ziemlich ausgedehnt ist, wobei viele unterschiedliche Regelschleifen genutzt werden, können nahezu alle industriellen Einzelregelschleifenanwendungen mit einem Blockdiagramm dargestellt werden, so wie es in 2 gezeigt ist. In diesem Diagramm ist der Prozess 10 irgendein Industrieprozess mit einer Variable, die durch einen Sensor 12 gemessen werden kann, der in direktem oder indirektem Kontakt mit dem Prozess 10 ist. Der Sensor 12 ist ein Messwandler, der eine physikalische Eigenschaft (Variable) des Prozesses 10 in ein Signal umwandelt, das übertragen werden kann. Dieses Signal (welches den Wert der Prozessvariablen darstellt) wird als ein gemessener Wert bzw. Messwert (MV) bezeichnet und wird an einen Controller 14 durch einen Sender übertragen. Ein Sollwert (SP, Set Point) ist ein erwünschter Wert des MV und wird zur Regulation verwendet. Die Differenz zwischen dem SP und dem MV wird als der Fehler (E) bezeichnet. Das Ziel des Controllers 14 ist typischerweise, E zu minimieren. Eine Ausgabe des Controllers 14 wird an ein Stellglied (FCE, Final Control Element) 16 übertragen, welches in den Prozess 10 gekoppelt ist und betriebsfähig ist, den Prozess 10 und im Besonderen die Variable zu beeinflussen.
Die häufigste Einzelregelschleife ist eine PID-Regelschleife. Es gibt drei übliche Formen einer PID-Regelschleife: Standard, Parallel und Klassisch. Zur Einfachheit der Beschreibung und nicht zur Beschränkung wird nur die Standard-PID-Regelschleife diskutiert werden. Die Laplace-Bereich-Definition für den durch eine Standard-PID-Regelschleife verwendeten Standard-PID-Algorithmus ist wie folgt: U = P(e + 1 / I(s) + D(s)) Wobei:

P: den Proportional-Controller-Verstärkungsgrad darstellt
I: die Integralzeit in Sekunden darstellt
D: den Vorhaltverstärkungsgrad bzw. Derivativverstärkungsgrad in Sekunden darstellt
e: den Fehler = SP – MV darstellt

Unterschiedliche Hersteller von PID-Controllern haben unterschiedliche Definitionen und Namen für die Proportional-, Integral- und Derivativterme. ”Verstärkungsgrad” und ”Zeit” sind Beispiele dieser. Da die Proportional-, Integral- und Derivativterme im Allgemeinen als ”Abstimmungsparameter” bezeichnet werden, werden die Begriffe Proportional-, Integral- und Derivativabstimmungsparameter in den Absätzen verwendet werden, die folgen; es wird verstanden, dass diese Begriffe so gemeint sind, dass sie den Proportional-Controller-Verstärkungsgrad, die Integralzeit und den Derivativverstärkungsgrad als auch die anderen Proportional-, Integral- und Derivativterme enthalten, die von anderen Herstellern verwendet werden.
Eine Regelschleife kann in einem automatischen Modus oder einem manuellen Modus betrieben werden. In einem manuellen Modus nimmt der Operator Einstellungen für das FCE vor. Im automatischen Modus nimmt der Controller Einstellungen für das FCE vor.
Das Ziel einer Regelschleife ist üblicherweise, den Fehler zu minimieren. Dabei wird eine Regulation durchgeführt mittels Nachführen der gemessenen Variable auf den Referenzsollwert durch automatische Controller-Einstellungen des FCE. Die Größe der automatischen Einstellungen wird durch die Festlegungen bestimmt, die mit den Parametern verknüpft sind, die als proportional, integral und derivativ bezeichnet werden. Das Mittel zum Bestimmen der Proportional-, Integral- und Derivativ-Parameter wird häufig als Abstimmung bezeichnet.
Ein Controller in einer Regelschleife kann eine Hardwarevorrichtung sein oder kann ein in einer Mikroprozessor basierten Vorrichtung implementierter Softwarecode sein. In dem letzteren Fall kann der Controller in der Form eines Funktionsblocks sein. Wie es bekannt ist, ist ein Funktionsblock ein zusammengepackter Block von Softwarecode, der ein oder mehr Eingänge und ein oder mehr Ausgänge enthält und betriebsfähig ist zum Durchführen von einem oder mehreren vorbestimmten Algorithmen oder Funktionen. Funktionsblöcke sind angepasst, um miteinander verbunden zu sein, um ein Funktionsblockdiagramm zu erschaffen, das ein Softwareprogramm ist, das betriebsfähig ist zum Steuern einer oder mehrerer Regelschleifen eines Prozesses. Merkmale eines Funktionsblocks enthalten eine Datenaufbewahrung zwischen Ausführungen, Einkapselung und Informationsverstecken. Jedes Mal, wenn ein Funktionsblock aufgerufen wird, wird eine separate Kopie des Funktionsblocks im Speicher erstellt, wodurch erlaubt wird, dass Daten in dem aufgerufenen Funktionsblock aufbewahrt werden. Eine Einkapselung erlaubt eine Sammlung von Softwarecodeelementen, die als eine Entität handzuhaben sind, und ein Informationsverstecken schränkt den externen Zugriff auf Daten und Algorithmen innerhalb der eingekapselten Elemente ein. Eine Einkapselung und ein Informationsverstecken verhindern eine unbeabsichtigte Modifizierung von Softwarecode oder Überschreiben interner Daten, wenn Code von einer vorherigen Regellösung kopiert wird.
Eine Vielzahl von Funktionsblockcontrollern (und verknüpften Regelschleifen) kann in einer Mikroprozessor-basierten Vorrichtung realisiert sein, die selbst häufig als ein Controller bezeichnet wird. Um einer Verwirrung vorzubeugen, werden Mikroprozessor-basierte Vorrichtungen, die ein oder mehrere Softwarecontroller laufen lassen, hier als ein ”Regelmodul” bezeichnet werden. Außerdem wird ein Funktionsblockcontroller lediglich als ein ”Controller” bezeichnet werden.
Mit Verweis auf 3 ist dort eine schematische Zeichnung eines Beispiels eines Regelsystems gezeigt, mit dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. Dieses Beispiel ist DCS 20, welches eine Schleife oder einen Ring 22 enthält, die/der ein oder mehr Netzwerkkabel 24 umfasst, mit denen eine Vielzahl von Knoten 26, 28, 30, 32, 34 verbunden sind. Jeder Knoten enthält eine elektronische Vorrichtung oder eine Vielzahl elektronischer Vorrichtungen, die mit dem Ring 22 zur Kommunikation mit anderen Knoten auf dem Ring 22 verbunden ist/sind. Jeder Knoten hat eine eindeutige Adresse auf dem Ring und ist mit dem Ring 22 durch eine Terminierungseinheit bzw. Abschlusseinheit (TU, Termination Unit) 38 verbunden. Obwohl nur ein Ring in 3 gezeigt ist, sollte es erkannt werden, dass das DCS 20 eine Vielzahl von Ringen enthalten kann. In einer Ausführungsform ist der Ring 22 ein unidirektionales Hochgeschwindigkeits-Serielle-Daten-Netzwerk, das mit einer 10-Megahertz- oder 2-Megahertz-Kommunikationsrate arbeitet.
Die Knoten 26, 30 umfassen Prozessregeleinheiten (PCUs) 40 bzw. 42. Wie es unten in größerem Detail beschrieben werden wird, umfasst jede PCU 40, 42 ein Netzwerkkommunikationsverwalter-(NCM, Network Communication Manager)Modul 45 und ein oder mehrere Regelmodule 60 zum Steuern bzw. Regeln eines Prozesses oder Unterprozesses in einer Industrieanlage, so wie ein Elektrizitätswerk, eine Papierfabrik oder eine Chemie- oder Herstellungsfabrik. Das NCM-Modul 45 überwacht die Regelmodule für abgehende Daten zur Packung und lenkt und liefert ankommende Daten an die Regelmodule. Jedes Regelmodul kann redundant sein, und eine PCU kann ein redundantes NCM-Modul 45 enthalten, das an dem Netzwerk auf einer zweiten TU 38 angefügt ist. Jeder der Knoten 26, 30 ist mit dem Ring 22 durch eine TU 38 und ein oder mehrere NCM-Module 45 verbunden.
Die Knoten 28, 32 umfassen Computerschnittstelleneinheiten (CIUs, Computer Interface Units) 44 mit damit verbundenen Operatorarbeitsstationen bzw. Operatorworkstations 46 bzw. 48. Jede Arbeitsstation 46, 48 umfasst einen Prozessor und zugehörigen Speicher als auch einen Monitor zum Anzeigen einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI, Graphical User Interface), durch die Operatoren die Prozesse und Unterprozesse in der Anlage überwachen und manuell steuern können. Jede Arbeitsstation 46, 48 ist mit dem Ring 22 durch eine CIU 44 und eine TU 38 verbunden. Die CIU 44 kann separat von einer Arbeitsstation oder in eine Arbeitsstation integriert sein, aber ist ein Teil des DCS 20. Für die Einfachheit der Veranschaulichung sind die mit den Arbeitsstationen 46, 48 verknüpften CIUs 44 mit den Arbeitsstationen 46, 48 integriert. Ein Schnittstellensystem 54 läuft auf dem Prozessor der Arbeitsstation 48.
Die ECU 42 umfasst eine Vielzahl von Regelmodulen 60, die mit einem Kommunikationsbus 62 verbunden sind, der ein System einer seriellen Kommunikation mit einem Ethernet-artigen Protokoll sein kann. Jedes Regelmodul 60 enthält ein oder mehrere Softwarecontroller (zum Beispiel Funktionsblockcontroller) zum Steuern bzw. Regeln einer oder mehrerer Schleifen der Industrieanlage. Diese Controller können Standard-PID-Controller sein. Die Controller nutzen Betriebswerte, die von Feldvorrichtungen durch ein oder mehrere I/O-Subsysteme 64 empfangen worden sind. Jedes einzelne Regelmodul 60 oder redundante Regelmodul 60 Paar kann ein separates I/O-Subsystem 64 haben. Ausgaben von den Controllern in den Regelmodulen 60 werden an die Regelvorrichtungen der Feldvorrichtungen durch das I/O-Subsystem 64 übertragen. Das I/O-Subsystem 64 enthält eine Vielzahl von I/O-Modulen 66, die mit einem I/O-Bus 68 verbunden sind. Die Regelmodule 60 sind auch mit dem I/O-Bus 68 verbunden, um die Betriebswerte von den I/O-Modulen 66 zu empfangen.
Im Allgemeinen hat die PCU 40 eine Konfiguration ähnlich zu der PCU 42, d. h. die PCU 40 hat eine Vielzahl von Steuermodulen 60, einen Kommunikationsbus und I/O-Subsystem(e) 64.
Mit Blick auf 4 ist das Schnittstellensystem 54 betriebsfähig zum Versorgen einer verbundenen Softwareanwendung mit Daten von dem DCS 20. In einer in 4 gezeigten Ausführungsform kann das Schnittstellensystem 54 eine Softwareanwendungsschnittstelle (API) 80, einen Systemdatenzugriffs-(SDA, System Data Access)Server 82 und einen OPC-Server 84 umfassen. Die API 80 ist eine Schnittstelle einer unteren Ebene, die einen Satz von 'C'-Sprache-Subroutinen umfasst, die einen Zugriff auf einen Maschinensprachen-Befehlssatz in einer CIU 44 bereitstellen. Jede CIU 44 ist aus einem oder mehreren Hardwaremodulen zusammengesetzt, die eine Mikroprozessor-basierte Vorrichtung (so wie Arbeitsstation 46 oder 48) oder eine PCU (zum Beispiel PCU 40 oder 42) mit einer Schleife (zum Beispiel Schleife 22) verbinden. Der SDA-Server 82 ist betriebsfähig, auf eine gesteuerte bzw. geregelte Weise, zum Übertragen von Datenanforderungen an und zum Empfangen von Datenantworten von Modulen in dem DCS 20 durch eine zugehörige CIU 44 und die API 80. Der SDA-Server 82 kann den Datenfluss durch einen Drosselungsmechanismus steuern, der die ausstehenden Datenanforderungen an das DCS 20 begrenzt, und erzwingt eine maximale Anforderungsrate. Außerdem kann der SDA-Server 82 ein Topologiemodell nutzen, das automatisch erzeugt wird zur Laufzeit, um zu bestimmen, ob eine Datenanforderung an ein bestimmtes Modul in dem DCS 20 gültig ist und durch das Modul unterstützt wird. Eine Webserver-Anwendung 83 kann bereitgestellt sein, um den SDA-Server 82 mit irgendeinem Web-Client mit Verwendung von Simple Object Access Protocol (SOAP) zu verbinden. Der OPC-Server 84 ist betriebsfähig zum Publizieren von Daten von dem SDA-Server 82 via OPC UA und unterstützt Verbindungen mit Verwendung beider TCP und HTTP OPC UA Kommunikationsstapelspeicher. Der OPC-Server 84 kann Lesevorgänge und Funktionsaufrufe (wo erforderlich zum Durchführen einer Operation) durchführen und Subskriptionen bereitstellen.
Daten von dem DCS 20 und im Besonderen Daten mit Bezug zu Regelschleifen (Controllern) in den Regelmodulen 60 werden durch das Schnittstellensystem 54 gesammelt und können in einer Datenbank 90 auf einem Computer gespeichert werden. Ein Datenakquisitionsprogramm 92, das auf demselben oder unterschiedlichen Computer läuft, kann zum Sammeln dieser Daten und Speichern dieser in der Datenbank 90 genutzt werden. Daten von der Datenbank 90 und/oder Daten direkt von dem Datenakquisitionsprogramm 92 werden durch ein Schleifenanalyseprogramm 94 genutzt, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verkörpert ist, um die Regelschleifen zu überwachen und irgendeine dieser Regelschleifen, die Probleme erfahren, zu identifizieren und zu diagnostizieren.
Der/die Computer mit dem Datenakquisitionsprogramm 92, der Datenbank 90 und dem Schleifenanalyseprogramm 94, die darauf laufen/gespeichert sind, können sich alle in derselben Industrieanlage wie das DCS 20 befinden und können sich nah zu dem DCS 20 befinden. In solch einer Ausführungsform kann das Datenakquisitionsprogramm 92 kontinuierlich Daten von dem DCS 20 in der Datenbank 90 sammeln und speichern, und das Schleifenanalyseprogramm 94 kann zu sämtlichen Zeiten verfügbar sein, um solche Daten zu analysieren, wie sie von dem Datenakquisitionsprogramm 92 empfangen werden und/oder von der Datenbank 90 abgerufen werden. Alternativ können der/die Computer mit dem Datenakquisitionsprogramm 92, der Datenbank 90 und dem Schleifenanalyseprogramm 94, die darauf laufen/gespeichert sind, sich bei einem Standort befinden, der entfernt von der Industrieanlage und dem DCS 20 ist, so wie ein Fernservicezentrum. In dieser Ausführungsform kann das Datenakquisitionsprogramm 92 mit dem Schnittstellensystem 54 über ein Kommunikationsnetzwerk, so wie ein Weitbereichsnetzwerk (WAN, Wide Area Network) oder das Internet, verbunden sein. Darüber hinaus kann das Datenakquisitionsprogramm 92 lediglich Daten von dem DCS 20 in der Datenbank 90 für eine begrenzte Zeitspanne, so wie 12 oder 24 Stunden, sammeln und speichern. In noch einer anderen Ausführungsform können das Datenakquisitionsprogramm 92 und die Datenbank 90 auf einen tragbaren Computer geladen sein, der mit dem Schnittstellensystem 54 verbunden ist, um Daten für eine begrenzte Zeitspanne zu sammeln, nach der der tragbare Computer von dem Schnittstellensystem 54 getrennt und dann zu dem entfernten Standort transportiert wird, wo er mit dem Computer mit dem darauf laufenden Schleifenanalyseprogramm 94 verbunden wird.
Die Daten, die von dem DCS 20 gesammelt werden, können in der Datenbank 90 in einem Datenmodell gespeichert sein, worin Daten auf Grundlage der Controller gespeichert sind. Jeder Controller hat fünf Attribute oder Subklassen: Prozess (Engl.: Prozess), Setup, Kritizität (Engl.: Criticality), Abschnitt (Engl.: Section) und Nutzung (Engl.: Utilization), in denen Daten mit Bezug zu dem Controller gespeichert sind. Daten für einen Sollwert, gemessenen Wert und eine Steuerausgabe werden unter der Prozess-Subklasse gespeichert. Beschreibung, Controllerabstimmungsparameter, Ausgabegrenzen, Sollwertgrenzen und Ausführungsrate werden unter der Setup-Subklasse gespeichert. Die Kritizität-Subklasse enthält hoch, medium und niedrig; die Abschnitt-Subklasse enthält Gruppe und Prozess; und die Nutzung-Subklasse enthält Modus (automatisch oder manuell). Das Datenmodell erleichtert eine Datenverwaltung und ermöglicht einen schnellen Datenabruf. Darüber hinaus erlaubt das Datenmodell eine optimale Verwendung objektorientierter Programmierungstechniken.
Es sollte erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung mit dem DCS 20 oder dazu ähnlichen Regelsystemen beschränkt ist. Das Schleifenanalyseprogramm 94 kann verwendet werden zum Überwachen und Diagnostizieren von Regelschleifen in anderen unterschiedlichen Arten von Regelsystemen. Es sollte ferner erkannt werden, dass das Schleifenanalyseprogramm 94 Daten nutzen kann, die von einem Regelsystem erhalten worden sind durch andere Mittel als das Schnittstellensystem 54, das Datenakquisitionsprogramm 92 und die Datenbank 90. Das DCS 20, das Schnittstellensystem 54, das Datenakquisitionsprogramm 92 und die Datenbank 90 sind nur ein Beispiel eines Regelsystems und eines Datenakquisitionssystems, mit dem das Schleifenanalyseprogramm 94 verwendet werden kann.
Das Schleifenanalyseprogramm 94 ist in einem Speicher in einem Computer 100 gespeichert und wird durch einen Prozessor des Computers 100 ausgeführt. Das Schleifenanalyseprogramm 94 hat eine graphische Benutzerschnittstelle (GUI) 102, die betriebsfähig ist zum Erzeugen und Anzeigen einer großen Anzahl von Datenansichten auf einem Monitor 104 des Computers 100. Durch Visualisierung erlauben die Datenansichten einem Operator, die Leistungsfähigkeit einer großen Anzahl von Controllern manuell zu analysieren und zu bestimmen, falls es irgendwelche Probleme gibt. Der Operator kann durch die Ansichten navigieren und Information davon abrufen mit Verwendung einer oder mehrerer Schnittstellenvorrichtungen, so wie eine Tastatur, Maus, Trackball und unserem Touch-Screen. In den folgenden Abschnitten sollte verstanden werden, dass, wenn ein Verweis auf Begriffe mit manipulativen Aktionen, so wie ”ausgewählt”, ”angeklickt”, ”gezogen” etc., in dem Kontext der GUI 102 gemacht werden, die Aktionen durch einen Operator mit Verwendung der Schnittstellenvorrichtung(en) durchgeführt werden.
Die GUI 102 präsentiert eine Information einem Benutzer durch ein Schirmlayout 101, das schematisch in 5 gezeigt ist. Das Schirmlayout 101 enthält ein Graphikfenster 106, ein erstes Auswahlfenster 108 und ein zweites Auswahlfenster 110.
Ein erster Typ einer Datenansicht, der/die erzeugt und angezeigt werden kann durch das Schleifenanalyseprogramm 94, ist eine Controllerdatengruppierungsansicht, die Trends für einen Controller vergleicht. Ein Teilstück einer ersten Anzeige 112 mit einer Controllerdatengruppierungsansicht ist in 6 gezeigt. Eine Registerkarte 114 des Graphikfensters 106 ist ausgewählt worden, um Trends in dem Graphikfenster 106 anzuzeigen, und eine Registerkarte 116 des ersten Auswahlfensters 108 ist ausgewählt worden, um eine Liste von Controllern anzuzeigen. Mit den so ausgewählten Registerkarten 114, 116 veranlasst die Auswahl eines Controllers (so wie FIC81220), dass zwei Trends für den Controller automatisch erzeugt und zusammen in dem Graphikfenster 106 angezeigt werden. Die zwei Trends werden angezeigt, so dass Y-Achsen der zwei Trends aufeinander gestapelt sind, wie in 6 gezeigt. Die Daten, die trendiert werden (bzw. für welche ein Trend gebildet wird), werden durch einen Benutzer ausgewählt mittels Anklicken von zwei oder mehr Auswahlboxen bzw. Auswahlkästchen 118 für den gemessenen Wert (MV), Sollwert (SP), Fehler (Error) bzw. Controllerausgabe (Out) in dem Graphikfenster 106. In der ersten Anzeige 112 sind die Auswahlkästchen 118 für SP, MV und Out ausgewählt worden. Somit ist der obere Trend für MV und SP, und der untere Trend ist für Out. In 6 ist SP (Sollwert) die im Wesentlichen gerade Linie, die sich durch das schwingende MV (gemessener Wert) erstreckt, was angibt, dass der Sollwert sich nicht geändert hat während der Trendperiode. Es sollte beachtet werden, dass in 6 das erste Auswahlfenster 108 über dem Graphikfenster 106 nur für die Einfachheit der Veranschaulichung gezeigt ist.
Anstelle eines Anzeigens des gemessenen Wertes und des Sollwertes in dem oberen Trend kann ein Fehler in dem oberen Trend angezeigt werden. Dies wird bewerkstelligt durch Auswählen des Fehler-Auswahlkästchens 118 anstelle der SP- und MV-Auswahlkästchen 118.
In einen Datenbereich innerhalb des oberen und unteren Trends kann gezoomt werden durch Eintragen des Datenbereichs in Boxen 120, 122 in dem Graphikfenster 106. Dieses Zoommerkmal ist in 7 veranschaulicht, die ein Teilstück einer anderen Anzeige 126 mit einer Controllerdatengruppierungsansicht zeigt. Vor einem Zoomen in einen bestimmten Datenbereich enthält Box 120 ”0” und enthält Box 122 ”12739”. Somit haben die angezeigten Trends einen normalen Datenbereich von 0–12739. In einen kleineren Datenbereich von beispielsweise 100–1600 wird gezoomt durch Eintragen von ”100” in Box 120 und Eintragen von ”1600” in Box 122. Die Trends für diesen kleineren Datenbereich füllen die Trendboxen 112, 114, wodurch die Trends für den Datenbereich wirksam vergrößert werden. Der hinein gezoomte Datenbereich ist in Box 128 lediglich für veranschaulichende Zwecke gezeigt. In andere Datenbereiche innerhalb des normalen Datenbereichs kann gezoomt werden durch Bewegen eines Scrollbalkens 130, wodurch der hinein gezoomte Datenbereich entlang der x-Achse bewegt wird. Die Breite des Datenbereichs wird jedoch bei 1500 bleiben, wenn sie nicht durch Eintragen eines unterschiedlichen Wertes in wenigstens eine der Boxen 120, 122 geändert wird.
Die Daten der Trends können analysiert werden mit Nutzung von Analysewerkzeugen, zugreifbar durch eine Drop-Down-Analysebox 130. Mit Verweis auf 8 und 9 enthalten die zur Auswahl durch die Analysebox 130 verfügbaren Werkzeuge: ”Zeitreihe”, ”Differenz”, ”Leistungsspektrum”, ”Amplitudenspektrum”, ”Autokorrelation”, ”Histogramm” und ”Lokale Variabilität”. In 8 ist ein Teilstück einer Anzeige 132 mit einer Controllerdatengruppierungsansicht gezeigt, während in 9 ein Teilstück einer anderen Anzeige 134 einer Controllerdatengruppierungsansicht gezeigt ist. In der Anzeige 132 wird das Zeitreihenwerkzeug verwendet zum Anzeigen von Trends für einen Controller FIC1002G. Das Zeitreihenwerkzeug ist das normale (Vorgabe) Werkzeug, das veranlasst, dass ein Wert (0–100%) vom SP/MV/Fehler, Out (Y-Achse) gegenüber der Zeit (X-Achse) gezeichnet bzw. geplottet wird. In der Anzeige 134 wird das Leistungsspektrumwerkzeug verwendet zum Anzeigen von Trends für den Controller FIC1002G. Das Leistungsspektrumwerkzeug misst die Leistung von SP/MV/Fehler, Out und plottet sie (Y-Achse) gegenüber der Frequenz (X-Achse). Eine Auswahl eines Analysewerkzeugs in der Analysebox 130 veranlasst unmittelbar, dass die durch das ausgewählte Analysewerkzeug erschaffenen Trends automatisch in dem Graphikfenster 106 angezeigt werden.
Die Daten der Trends können, um Rauschen zu entfernen, mit Verwendung entweder eines Exponentialfilters oder eines Blackman-Filters gefiltert werden. Die Auswahl einer Nicht-Verwendung eines Filters oder einer Verwendung des Exponentialfilters oder des Blackman-Filters wird durch eine Drop-Down-Filterbox 136 gemacht. Ein Auswählen eines Filters durch die Filterbox 136 veranlasst automatisch, dass die Daten der Trends gefiltert werden.
Ein zweiter Typ einer Datenansicht, der durch das Schleifenanalyseprogramm 94 erzeugt und angezeigt werden kann, ist eine Tabellenansicht, die die Anwendung numerischer Verfahren auf Daten der Controller zeigt. In 10 ist ein Teilstück einer Anzeige 140 mit einer Tabellenansicht numerischer Verfahren gezeigt. Die Anzeige 140 enthält eine Tabelle 141 mit Registerkarten für die unterschiedlichen Daten, nämlich: MV, SP, Out, Fehler und Schleifenleistungsfähigkeitsmonitor-(LPM, Loop Performance Monitor)Daten, die unten diskutiert werden. Die Tabelle 141 wird in dem Graphikfenster 106 gezeigt. Die numerischen Verfahren, die angewendet werden, enthalten Standardabweichung, den Koeffizient der Variation (CoV), Maximum, Minimum, Mittel, Durchschnitt und Bereich. Ein Auswählen einer Registerkarte in der Tabelle 141 für bestimmte Daten veranlasst die Tabelle 141, Reihen und Spalten zu zeigen, wobei jede Reihe für einen unterschiedlichen Controller ist, und jede Spalte für ein unterschiedliches numerisches Verfahren ist, das auf die bestimmten Daten eines Controllers angewendet wird. Die Controller können auf Grundlage der verschiedenen Daten (MV, SP, Out, Fehler und LPM) sortiert sein. Somit kann nur eine Gruppe von Controllern für LPM-Daten gezeigt sein, kann eine andere unterschiedliche Gruppe von Controllern für MV nur gezeigt sein usw..
Die LPM-Daten werden durch numerische Verfahren produziert, die durch Standardsoftwareroutinen durchgeführt werden, die in einer LPM-Bibliothek oder Datenbank gespeichert sind, die mit dem Schleifenanalyseprogramm 94 verknüpft ist/sind. Die Standard-LPM-Daten-Softwareroutinen enthalten LPM:01, LPM:02, LPM:03 und LPM:04, die in 10 gezeigt sind. LPM:01 berechnet den mittleren Regelfehler, SP – PV; LPM:02 berechnet die Standardabweichung des normalisierten Regelfehlers; LPM:03 berechnet die Standardabweichung des Regelfehlers in Technikeinheiten; und LPM:04 berechnet den Mittlere-Prozessvariable-Strom-Betriebspunkt. Manche andere Standardsoftwareroutinen enthalten LPM:13, was den Prozentanteil von Abtastwerten bestimmt, wo die Schleife (Controller) im automatischen Modus ist; LPM:14, was den Prozentanteil von Abtastwerten bestimmt, in denen die Schleife gesättigt ist; LPM:17, was die Verhältniszahl von Sollwertkreuzungen bzw. Sollwertdurchgängen (Engl.: set point crossings) und allen Abtastwerten bestimmt; und LPM:19, was die Verhältnisbewegung von SP und PV berechnet.
Die LPM-Bibliothek enthält auch Standardsoftwareroutinen, die LPM-Daten analysieren, um vielfältige Leistungsfähigkeitsindikatoren (Ergebnisse) für eine Regelschleife (Controller) zu bestimmen. Manche der Standard-LPM-Ergebnisroutinen enthalten: H01, was bestimmt, ob die Gesamtleistungsfähigkeit annehmbar ist; H02, was bestimmt, ob es ein Gesamtabstimmungsproblem gibt; H03, was bestimmt, ob die Regelschleife schwingt; H04, was bestimmt, ob der SP schwingt; H05, was bestimmt, ob es eine signifikante externe Störung gibt; H06, was bestimmt, ob es eine signifikante Nichtlinearität gibt; H07, was bestimmt, ob es eine Ventilhaftreibung gibt; P01, was bestimmt, ob es einen annehmbaren Harris-Index gibt; P02, was bestimmt, ob es einen annehmbaren SP-Kreuzungsindex gibt; und P03, was bestimmt, ob eine Variabilität zufällig ist.
Die Controller können auf Grundlage eines Controllertyps, Prozessbereichs, Kritizität und benutzerspezifischer Sortierungskriterien sortiert sein.
Ein dritter Typ einer Datenansicht, die durch das Schleifenanalyseprogramm 94 erzeugt und angezeigt werden kann, ist eine Controllervergleichsansicht, die Trends für zwei unterschiedliche Controller zeigt. In 11 ist ein Teilstück einer Anzeige 148 mit einer Controllervergleichsansicht gezeigt, worin Trends eines Controllers FIC81303 verglichen werden mit Trends eines Controllers FIC81220. Die Trends werden in dem Graphikfenster 106 gezeigt. Die Trends für jeden Controller enthalten einen MV/SP-Trend und einen Out-Trend. Ein bestimmter Controller (zum Beispiel FIC81303) kann gegen irgendeinen der anderen Controller in dem DCS 20 verglichen werden. Somit kann ein Benutzer die Leistungsfähigkeit eines Controllers mit allen anderen Controllern auf eine schnelle visuelle Weise vergleichen und dadurch ähnliche Wellenformen, das heißt Leistungsfähigkeitscharakteristika, erfassen. Solch eine Erfassung kann die Identifizierung eines Problems, das sich auf mehr als einen Controller auswirkt, erleichtern.
Ein vierter Typ einer Datenansicht, der/die erzeugt und angezeigt werden kann durch das Schleifenanalyseprogramm 94, ist eine Controllereigenschaftansicht. In 12 ist ein Teilstück einer Anzeige 152 mit einer Controllereigenschaftansicht gezeigt. Ein Benutzer kann schnell eine Information mit Bezug zu einem Sollwert eines ausgewählten Controllers visualisieren. Genauer genommen werden aktuelle numerische Werte von MV, SP und Out gezeigt, zusammen mit den Ober- und Untergrenzen für MV, SP und Out. Außerdem werden die numerischen Werte der Abstimmungsparameter (proportional, integral und derivativ) des Controllers gezeigt, als auch der Auto-Status des Controllers, das heißt ob der Controller in einem automatischen Modus ist. Das Betrachten der Controllereigenschaftansicht, während des Betrachtens von Prozessdaten, hilft einem Benutzer beim Bestimmen, ob ein Problem regelungs- oder prozessbezogen ist.
Mit Verweis auf 13 ist ein Teilstück einer Anzeige 156 mit einem fünften Typ einer Datenansicht gezeigt, der/die durch das Schleifenanalyseprogramm 94 angezeigt werden kann. Der fünfte Typ einer Datenansicht ist eine kombinierte Prozess- und Numerische-Daten-Ansicht. Wie gezeigt, hat eine Numerische-Daten-Ansicht zwei Trendboxen 158, 160, die über einer Tabelle numerischer Verfahren 162 angeordnet sind. Auf dieselbe Weise wie eine Controllerdatengruppierungsansicht werden die Daten, die trendiert werden, ausgewählt durch einen Benutzer mittels Anklicken von zwei oder mehr Auswahlkästchen für MV, SP, Fehler bzw. Out in Graphikfenster 106. In 13 sind die Auswahlkästchen für SP, MV und Out ausgewählt worden für einen Controller 11AJ182. Somit ist der obere Trend in Trendbox 158 für MV und SP des Controllers 11AJ182, und der untere Trend in Trendbox 160 ist für Out des Controllers 11AJ182. Die Tabelle numerischer Verfahren 162 zeigt die Anwendung numerischer Verfahren auf Daten des Controllers und enthält Registerkarten für die unterschiedlichen Daten, nämlich: MV, SP, Out, Fehler und LPM. Die numerischen Verfahren, die angewendet werden, enthalten Standardabweichung CoV, Kurtosis, Maximum, Minimum, Mittel, Durchschnitt, Bereich etc.. Ein Auswählen einer Registerkarte für bestimmte Daten zeigt eine Tabelle an, die Spalten unterschiedlicher numerischer Verfahren enthält, die auf die bestimmten Daten angewendet werden. In 13 werden die numerischen Verfahren auf MV des Controllers 11AJ182 angewendet.
Ein sechster Typ einer Datenansicht, der/die erzeugt und angezeigt werden kann durch das Schleifenanalyseprogramm 94, ist eine Datengruppierungsansicht, die erlaubt, dass zwei Datentypen gegeneinander in einem zweidimensionalen Diagramm bzw. Plot gezeichnet werden oder drei Datentypen gegeneinander in einem dreidimensionalen Diagramm gezeichnet werden. Auf eine zweidimensionale Datengruppierungsansicht wird zugegriffen mittels Anklicken der Registerkarte 164 des Graphikfensters 106, während auf eine dreidimensionale Datengruppierungsansicht zugegriffen wird mittels Anklicken der Registerkarte 165 des Graphikfensters 106. Eine Datengruppierungsansicht enthält ein Plotfenster 168 und ein Trendfenster 170 (gezeigt in 14). Eine Datengruppierungsansicht ist besonders nützlich zum Erfassen und Analysieren einer Linearität, Hysterese und Haftreibung. Hysterese tritt auf, wenn das Bewegungsausmaß eines Stellgliedes (FCE) in Ansprechen auf denselben Befehl von einem Controller (hinsichtlich der Größe) unterschiedlich ist in unterschiedlichen Bewegungsrichtungen. Haftreibung tritt auf, wenn ein Controller einem Aktuator befiehlt, ein FCE zu bewegen, aber das FCE nicht reagiert, bis eine zusätzliche Kraft aufgebracht wird durch den Aktuator und dann das FCE sich zu weit bewegt bzw. überschießt.
Mit Verweis auf 14 ist nun ein Teilstück einer Anzeige 166 mit einer zweidimensionalen Datengruppierungsansicht gezeigt. In dem Plotfenster 168 gibt es ein zweidimensionales Diagram von MV versus Out eines Controllers FIC1002G. Das Trendfenster 170 zeigt die Trends von MV und Out von Controller FIC1002G an, wobei die Zeit die X-Achse ist, MV auf der linken Seite der Y-Achse ist, und Out auf der rechten Seite der Y-Achse ist. Der Versatz zwischen dem Out und MV, gezeigt in dem Plotfenster 168 und dem Trendfenster 170, zeigt ein nicht-lineares Problem, das wahrscheinlich einen Bezug zu einer Hysterese in dem mit dem Controller FIC1002G verknüpften Aktuator hat.
In 15 ist ein Teilstück einer Anzeige einer dreidimensionalen Datengruppierung gezeigt. Das Plotfenster 168 zeigt ein dreidimensionales Diagramm von MV, Out und SP eines Controllers LIC1401, wobei MV auf der X-Achse ist, Out auf der Y-Achse ist, und SP auf der Z-Achse ist. Das Trendfenster 170 zeigt die Trends von Fehler und Out von Controller LIC1401, wobei die Zeit auf der X-Achse ist, Fehler auf der linken Seite der Y-Achse ist, und Out auf der rechten Seiten der Y-Achse ist. Das Donut-förmige Diagramm in dem Plotfenster 168 gibt Haftreibung und Hysterese in dem mit dem Controller LIC1401 verknüpften Aktuator an.
Ein siebter Typ einer Datenansicht, der/die erzeugt und angezeigt werden kann durch das Schleifenanalyseprogramm 94, ist eine Controllerparameter-Gruppierungsansicht, die für eine Vielzahl von Controllern erlaubt, dass zwei Eigenschaften jedes Controllers gegeneinander in einem zweidimensionalen (XY) Diagramm gezeichnet werden oder drei Eigenschaften jedes Controllers gegeneinander in einem dreidimensionalen Diagramm (XYZ) gezeichnet werden. Auf eine zweidimensionale Controllerparameter-Gruppierungsansicht wird zugegriffen mittels Anklicken einer Registerkarte 173 des Graphikfensters 106, während auf eine dreidimensionale Controllerparameter-Gruppierungsansicht zugegriffen wird mittels Anklicken einer Registerkarte 175 des Graphikfensters 106. Eine Controllerparameter-Gruppierungsansicht ermöglicht einem Benutzer, rasch zu bestimmen, ob das Gesamtregelsystem 20 gut oder schlecht arbeitet. Die Nützlichkeit einer Controllerparameter-Gruppierungsansicht basiert auf der Nützlichkeit der Direkte-Synthese-(Lambda)Abstimmungstechnik. In dieser Abstimmungstechnik werden die Dynamiken eines Controllers an die dominanten Dynamiken des Prozesses angepasst. Beispielsweise haben die meisten Durchflussregelschleifen eine von 5 bis 20 Sekunden reichende Zeitkonstante. Gemäß dem Direkte-Synthese-Abstimmungsansatz sollte der Integral-Abstimmungsparameter eines Standard-PID-Controllers für eine Durchflussregelschleife auch von 5 bis 20 Sekunden sein. Darüber hinaus sollte der Proportional-Abstimmungsparameter 1 oder geringer sein. Gemäß der Direkte-Synthese-Abstimmungstechnik, falls die meisten der PID-Controller in den Durchflussregelschleifen einen Integral-Abstimmungsparameter in dem Bereich von 5–20 Sekunden und einen Proportional-Abstimmungsparameter von 1 oder geringer haben, arbeitet dann das Regelsystem 20 wahrscheinlich gut. Eine Controllerparameter-Gruppierungsansicht erlaubt, dass dieses schnell in einer Einzelansicht ermittelt wird.
Mit Verweis auf 16 ist nun ein Teilstück einer Anzeige 174 mit einer zweidimensionalen Controllerparameter-Gruppierungsansicht gezeigt. Für eine Vielzahl von Controllern wird der Integral-Abstimmungsparameter (Y-Achse) jedes Controllers gegen den Proportional-Abstimmungsparameter (X-Achse) des Controllers in einem Graphen aufgezeichnet. Wie gezeigt, ist ein eindeutiges Merkmal der zweidimensionalen Controllerparameter-Gruppierungsansicht, dass sie eine Visualisierung der Anzahl von Controllern erlaubt, die dieselben Proportional- und Integral-(PI)Abstimmungsparameterwerte haben. Genauer genommen ist für einen bestimmten Satz von PI-Abstimmungsparameterwerten (XY-Koordinaten) ein Punkt gezeigt mit einer Größe (Durchmesser), die direkt proportional zu der Anzahl von Controllern ist, die den Satz von PI-Abstimmungsparameterwerten (XY-Koordinaten) gemeinsam nutzen. Mit anderen Worten wächst für einen bestimmten Satz von PI-Abstimmungsparameterwerten (XY-Koordinaten) die Punktgröße mit der Anzahl von Controllern, die den Satz von PI-Abstimmungsparameterwerten (XY-Koordinaten) haben. Wie schematisch in 17 gezeigt, erscheint, falls ein Benutzer links klickt (mit einer Maus oder einer anderen Zeigevorrichtung) auf einen vergrößerten Punkt, ein Popup-Fenster in dem Graphikfenster 106, das eine Liste sämtlicher der Controller zeigt, die durch den vergrößerten Punkt dargestellt werden. Falls ein Benutzer rechts auf die Liste von Controllern klickt, erscheint in dem Graphikfenster 106 eine Controllervergleichsansicht für sämtliche der Controller in der Liste, wobei die Trends sämtlicher der Controller angezeigt werden.
Ein anderes Merkmal der zweidimensionalen Controllerparameter-Gruppierungsansicht ist, dass sie die Anzeige eines benutzerdefinierten Zielbereichs in dem Graphen erlaubt, in dem die PI-Abstimmungsparameterwerte der Controller erwartungsgemäß (wunschgemäß) sich befinden. In 16 wird ein Zielbereich angezeigt, der durch einen Proportional-Abstimmungsparameter von ungefähr .1 bis ungefähr 1 und einen Integral-Abstimmungsparameter von ungefähr 4 bis ungefähr 10 abgegrenzt wird, was in Übereinstimmung mit der Direkte-Synthese-Abstimmungstechnik ist. Wie gezeigt, hat eine beträchtliche Anzahl von Controllern PI-Abstimmungsparameterwerte, die außerhalb dieses Zielbereichs sind, wodurch eine relativ schlechte Gesamtregelung des Steuersystems 20 angegeben wird.
Mit Verweis auf 18 ist nun ein Teilstück einer Anzeige 176 mit einer dreidimensionalen Controllerparameter-Gruppierungsansicht gezeigt. Für eine Vielzahl von Controllern ist der Proportional-Abstimmungsparameter jedes Controllers auf der X-Achse gezeichnet, ist der Integral-Abstimmungsparameter des Controllers auf der Y-Achse gezeichnet und ist der Fehler (Variationskoeffizient) des Controllers auf der Z-Achse gezeichnet. Wie gezeigt, haben diese Controller mit schlechten PI-Abstimmungsparametergruppierungen zumeist große Fehler.
Die oben beschriebenen Datenansichten erlauben eine manuelle Analyse von Controllern durch Visualisierung. Diese manuelle Analyse kann verwendet werden, um Bewertungen (Zustände und/oder Werte) von Leistungskennzahlen (KPIs) der Controller zu erzeugen. Der Zustand der KPI wird verwendet zum Angeben des Vorliegens eines Problems und ist in seiner Natur boolesch (zum Beispiel kein Problem/Problem, gut/schlecht, nein/ja), wobei ein ”Problem”, ”schlecht” oder ”ja” das Vorliegen eines Problems angibt. Der Wert einer KPI kann verwendet werden zum Angeben der Qualität des der KPI zugrundeliegenden Regelungsaspektes oder der Größe eines Problems und kann auf einer Skala bzw. in einem Maßstab, so wie 0–100%, verwendet werden, wobei 0% die beste Qualität angibt und 100% die schlechteste Qualität (größtes Problem) angibt. Zusätzlich zum Bereitstellen für eine manuelle Erzeugung von KPI-Bewertungen stellt das Schleifenanalyseprogramm 94 auch eine automatische Erzeugung von KPI-Bewertungen und eine Kombination oder hybride Erzeugung von KPI-Bewertungen bereit, welche eine manuelle Erzeugung und eine automatische Erzeugung von KPI-Bewertungen beide nutzt. KPIs fallen im Allgemeinen in eine von vier Kategorien: Punkt, Datenfenster-Statistische-Analyse, Fortdauer und Zeittrendtransformierte.
Eine Punkt-KPI vergleicht einfach eine Messung mit einer Schwelle, und falls die Messung die Schwelle überschreitet, ändert sich der Zustand der KPI, so wie von kein Problem zu Problem, und eine Aktion wird erzeugt, zum Beispiel wird ein Alarm erzeugt und verkündet.
Eine Datenfenster-Statistische-Analyse-KPI verwendet ein Fenster von Daten (eine Menge statistisch relevanter Daten) und bildet sie in ein statistisches Ergebnis ab. Beispiele eines statistischen Abbildens enthalten: Mittel(wert), Modus, Median, Maximum, Minimum, Standardabweichung, Varianz, CoV und Steigung. Sobald der statistische Wert bestimmt worden ist für die Fenstergröße, wird dann das statistische Ergebnis verwendet, ganz wie das Punkt-KPI-Verfahren. Falls beispielsweise die Variabilität eines Datensatzfensters berechnet wird und die Standardabweichung über einer Schwelle ist, ändert sich dann der Zustand des KPI und eine entsprechende Aktion wird getriggert bzw. ausgelöst.
Eine Fortdauer-KPI wird genutzt zum Vermeiden falscher Positiver, die mit einer Punkt-KPI auftreten können. Eine falsche Positive ist definiert als eine KPI, die ihre Schwelle überschreitet, aber aus einem Grund, der keinen Bezug zu einem tatsächlichen Problem hat. Eine Störsignalimpulsspitze, eine Maschinenaußerbetriebsetzung, eine Produktionsänderung etc. kann eine falsche Positive veranlassen. Häufig wird eine Fortdauer-KPI auf eine Punkt-KPI angewendet. Eine Fortdauer-KPI kann auf eine Anzahl von Arten realisiert werden. Ein Typ einer Fortdauer-KPI ist einfach eine Zählung der Anzahl von Zeiten, die eine Punkt-KPI-Schwelle überschritten wird in einem benutzerdefinierten Analysefenster. Ein anderer Typ einer Fortdauer-KPI ist eine Evaluierung der Zeit, bei der eine Schwelle überschritten wird.
Eine Zeittrendtransformierte-KPI nutzt eine mathematische Analyse eines Datenfensters. Häufig wird eine Reihe von Transformationen auf ein Datenfenster angewendet. Diese Transformationen können die Fourierreihe, Autokorrelationen, Histogramme etc. enthalten. Eine Zeittrendtransformierte wandelt das Zeitfenster auf Grundlage von Daten in eine neue Domäne um. Die neue Domäne (bzw. Bereich) lässt zu, dass Details, die in dem originalen Zeittrend versteckt gewesen sein können, einfacher erfasst werden. Beispielsweise kann ein Zeittrend, der eine pure Tonschwingungsnatur hat, in einem Zeittrend schwierig zu erfassen sein. Falls jedoch dieser Zeittrend in die Fourierreihe umgewandelt wird, dann können die Amplitude und die Frequenz des Schwingungsproblems einfach erfasst werden.
Das Schleifenanalyseprogramm 94 erleichtert eine manuelle Erzeugung von KPI-Bewertungen und eine Hybriderzeugung von KPI-Bewertungen mittels Nutzen vordefinierter Schleifenprobleme oder Themen, die in drei unterschiedliche Bereiche bzw. Gebiete einer typischen Regelschleife klassifiziert sind, nämliche Regelung, Prozess und Signalformung. Im Allgemeinen betrifft der Regelungsbereich die Operation des Controllers 14, betrifft der Prozessbereich die Operation des FCE 16 und die Bedingung oder den Zustand des Prozesses 10, und betrifft der Signalformungsbereich die Bedingung bzw. Beschaffenheit des MV-Signals, das dem Controller 14 bereitgestellt wird. Die Beschaffenheit des MV-Signals ist abhängig von der Operation des Sensors 12, der den MV misst, der Operation von Signalformungsvorrichtungen, so wie A/D-Wandlern und Filtern, der Beschaffenheit des Signalübertragungsmediums (zum Beispiel Verdrahtung) und eines Umgebungsrauschens. Mit Verweis auf 19 ist nun das Schleifenblockdiagramm von 2 in drei Bereiche aufgeteilt. Manche der gemeinsam festgestellten Fragestellungen in den drei Bereichen werden in den folgenden Abschnitten bekannt gemacht.
In dem Regelungsbereich sind die Problemthemen diese, die den Fehler weg von null halten. Solche Themen können involvieren: Abstimmungsparameter; Typ des verwendeten Regelungsalgorithmus; Setupparameter mit Bezug zu hohen und niedrigen Bereichen für Sollwert, Ausgabe und Prozessvariable; Anzahl verwendeter Dezimalstellen; Controllerausführungsrate; Regeltotzonen (bzw. Regelunempfindlichkeitsbereiche); zusätzliche Freiheitsgrade, so wie Nicht-Linearitäts-Kompensationsoptionen: Abstimmungsparameter-Scheduling, ”Beta”-Faktor und adaptive Regelung; Daten außerhalb des Bereichs: Abwickeln bzw. Aufziehen (Engl.: wind-up), Schleife ist aus (manuell); Versatz vom Sollwert; Ausgabeänderungsrate; Sollwertänderungsrate; und Filtern.
In dem Prozessbereich sind die Problemthemen diese, die veranlassen, dass der Prozess sich auf Wegen verändert, die nicht konsistent mit dem Stellglied (FCE) sind. Solche Themen können involvieren: Störungen, die kräftiger als das FCE sind; Prozessnaturänderungen; Prozess-Nichtlinearität (zum Beispiel Oberfläche vs. Pegel in einem horizontalen Zylindertank); FCE-Themen: Haftreibung, Nachlauf, Hysterese, Auflösung (hinsichtlich Zeit, Impulsbreite), FCE-Größe, FCE-Typ, Differenzdruckabfall über FCE, Kavitation, Strahleinschnürung, Nockenprobleme, Antriebsprobleme; Aktuatorprobleme; und Prozess außerhalb des Bereichs.
In dem Signalformungsgebiet sind die Problemthemen diese, die veranlassen, dass die tatsächliche Prozessvariable und die gemessene Prozessvariable unterschiedlich sind. Solche Themen können involvieren Abtastzeit; Filtern; Quantisierung; Totzonen; Komprimierung; Kompensation; Kalibrierung; Sättigung; Dezimalstellen; tote Signale; Impulsspitzen (bzw. Spikes); Ausreißer; Nicht-Gaußsches Rauschen; Rauschbursts; und Quadratwurzelextraktion.

Die vorhergehende Liste zeigt, dass es eine Unzahl von Faktoren gibt, die bewirken können, dass die Leistungsfähigkeit einer Regelschleife sich verschlechtert. In der vorliegenden Erfindung sind diese Faktoren in ein strukturiertes Format vorbestimmter Haupt-KPIs gruppiert und angeordnet, was eine manuelle Erzeugung von KPI-Bewertungen und eine hybride Erzeugung von KPI-Bewertungen erleichtert. Das strukturierte Format kann die Form der folgenden Tabelle annehmen:

REGELUNG	PROZESS	SIGNALFORMUNG
C1: Statische Ausgabe	P1: FCE aus Bereich	S1: Quantisiert
C2: Schwingender Sollwert	P2: FCE-Größe	S2: Übermäßiges Rauschen
C3: Totzone	P3: FCE-Problem	S3: Impulsspitzen
C4: Versatz	P4: FCE-Leckage	S4: Aussteigen bzw. Schritt-aus (Step out)
C5: Überregelung	P5: Intermittierende Störung	S5: Komprimierung
C6: Langsam-Regelung	P6: Beständige Störung	S6: Übergefiltert
C7: FCE-Arbeitsweg	P7: Fragwürdig	S7: Abtastrate
C8: Langsame Aktualisierungsrate		S8: Kein Signal
C9: Fragwürdig		S9: MV aus Bereich
		S10: Fragwürdig

Tabelle 1

Bewertungen der vorhergehenden Haupt-KPIs können alle manuell erzeugt werden. Die meisten der Bewertungen der Haupt-KPIs können auch automatisch erzeugt werden. Eine kurze Beschreibung der Haupt-KPIs wird in den folgenden Abschnitten bekanntgemacht.
C1 gibt übermäßige Perioden einer manuellen Regelung in dem Datensatz an. Eine manuelle Regelung wird nicht von einer Moduskennzeichnung gefolgert, die verfügbar sein kann oder nicht. Anstelle dessen wird diese Haupt-KPI von dem Out-Signal gefolgert.
C2 gibt ein schwingendes Sollwertsignal an. Ein schwingendes Sollwertsignal bedeutet, dass der Sollwert durch eine Kaskade, Verhältnis- oder Störgrößenaufschaltungsanordnung getrieben wird.
C3 gibt an, dass ein Controller eine signifikante Totzone (bzw. Unempfindlichkeitsbereich) hat, wodurch die Leistungsfähigkeit des Controllers sich verringert. C3 wird nur manuell (visuell) bestimmt. Wie in 20 gezeigt, bewegt sich die Controllerausgabe (Out) nur, wenn der gemessene Wert (MV) außerhalb der Totzone ist. Es wird mit anderen Worten der Fehler bestimmt, null zu sein, wenn er innerhalb der Totzone ist. Eine Controllertotzone kann durch den Controller selbst oder durch die Auflösung eines Aktuators verursacht sein, das heißt dass der Aktuator nicht klein genug bewegt werden kann. In dieser letzteren Situation kann eine Totzone nützlich sein, weil der Fehler als null erachtet werden sollte, wenn Korrekturen kleiner als die kleinste mögliche Aktuatoränderung angefordert werden.
C4 gibt einen Nicht-null-Regelfehler an, den ein Controller nicht entfernen kann. Typischerweise gibt dies ein Problem in dem Controller an, höchstwahrscheinlich eine fehlende Integralaktion.
C5 gibt an, dass eine Regelschleife (Controller) zu eng abgestimmt ist, was zu einem klaren schwingenden Verhalten in der Controllerausgabe (Out) führt. Eine Überregelung tritt auf, wenn die Regelungsfestlegungen zu aggressiv sind und eine Störungsunterdrückung in einer starken unterdämpften Antwort resultiert. Diese Bedingung kann verursacht werden durch ein zu großes Ausmaß eines Proportional-Abstimmungsparameters und ein zu kleines Ausmaß eines Integral-Abstimmungsparameters.
C6 gibt an, dass eine Regelschleife (Controller) zu träge bzw. schleppend abgestimmt ist, was zu einer höheren als erforderlichen Variabilität mit starker Autokorrelation und langen Perioden führt, wo SP und MV abweichen. Diese Bedingung kann verursacht werden durch ein zu kleines Ausmaß eines Proportional-Abstimmungsparameters und ein zu großes Ausmaß eines Integral-Abstimmungsparameters.
C7 gibt eine Überschuss-FCE-Bewegung an, die zu Verschleiß und einer Leistungsfähigkeitsverschlechterung nach einer Zeitspanne führen kann. Diese Bedingung kann verursacht werden durch ein übermäßiges Rauschen in dem MV oder ein zu hohes Ausmaß eines Derivativ-Abstimmungsparameters. Der MV kann gefiltert werden durch ein kleines Filter (zum Beispiel eines, das 5 bis 10-mal kleiner als die Prozesszeitkonstante ist) oder durch Verstimmen des Controllers, um die Derivativkomponente zu entfernen oder zu reduzieren.
C8 gibt an, dass der Controller im Vergleich zu der Natur der Störungen und den Prozessdynamiken zu langsam läuft.
C9 ist eine Sammelkategorie für Situationen, wo etwas falsch ist mit der Regelung, aber die Situation nicht in irgendeine der anderen Regelungs-(C)Kategorien passt. C9 wird nur manuell (visuell) bestimmt.
P1 gibt an, dass die Controllerausgabe gesättigt ist. Diese Bedingung tritt typischerweise auf, wenn die Störungsenergie größer als die verfügbare Korrektivaktion ist. Der Controller versucht ein ”Aufziehen” (Engl.: windup) oder Drücken des FCE jenseits seiner Hardwarebeschränkungen. Üblicherweise ist die Störungsenergie einfach zu groß, oder ist das FCE (zum Beispiel Ventil) zu klein, oder ist das FCE gebrochen.
P2 gibt an, dass das FCE größtenteils über 90% und unter 10% seines Betriebsbereichs arbeitet. Falls dies so ist, ist das FCE entweder unter- oder überdimensioniert. Dies an sich bedeutet nicht ein ernsthaftes Problem, sondern gibt ein Verbesserungspotential an.
P3 gibt ein FCE-bezogenes Problem an, das in einem zyklischen Verhalten von MV und Out resultiert. Zwei unterschiedliche Wellenformkombinationen (in den Trends) werden diese Angabe bereitstellen: selbstregulierend und nicht-selbstregulierend. In dieser Hinsicht sollte beachtet werden, dass ein selbstregulierender Prozess ein Prozess ist, der ein Bewegen mit einer einzelnen Schrittänderung eines Aktuators stoppt. Ein nicht-selbstregulierender Prozess ist einer, der sich in einer Integrierweise als ein Ergebnis einer Schrittänderung in einem Aktuator bewegt. Ein Behälter bzw. Tank mit einer festen Ausgabe und einem gesteuerten Eingang ist ein Beispiel eines nicht-selbstregulierenden Prozesses. Die selbstregulierende Wellenformkombination ist eine Rechteckwelle und eine Dreieckwelle in dem Out. Die nicht-selbstregulierende Wellenform ist eine Dreieckwelle in sowohl dem MV als auch dem Out. Eine Ventilhaftreibung und ein Hysteresethema treten typischerweise als eine selbstregulierende Wellenformkombination auf. Ein Teilstück einer Anzeige 180 einer Controllerdatengruppierungsansicht, eine selbstregulierende Wellenformkombination zeigend, ist in 21 gezeigt. Wie gezeigt, ist dort eine Rechteckwelle in MV und eine Dreieckwelle in Out.
P4 gibt einen Sensorkalibrierungsfehler oder eine FCE-Leckage an. Eine Wellenformkombination (in den Trends), die diese Angabe bereitstellt, ist ein null Out und ein MV, der still vorhanden ist oder sich bewegt. Ein null Out bedeutet, dass das FCE nicht arbeitet (zum Beispiel ist das Ventil geschlossen). In dem Fall eines Ventils hat das Ventil, falls das Ventil geschlossen ist und der MV noch vorhanden ist oder sich bewegt, gebrochene Dichtungen bzw. Verschlüsse oder ist nicht korrekt kalibriert.
P5 gibt eine nicht-periodische Störung an. Es kann beispielsweise eine nicht-periodische Störung verursacht werden durch einen Abfall des Eingangsdrucks aufgrund eines großen Bedarfs anderswo in dem Prozess, so wie er während eines Säuberungszyklus oder eines Spülungszyklus auftreten kann. Eine nicht-periodische Störung kann auch durch einen Energieversorgungsstromstoß, einen fehlerhaften Sender oder eine schlechte Erdung verursacht werden.
P6 gibt eine extern getriggerte periodische Variabilität von MV an, die durch von Laständerungen kommenden Schwingungen verursacht wird.
P7 ist eine Sammelkategorie für Situationen, wo irgendetwas mit dem Prozess falsch ist, aber die Situation nicht in eine der anderen Prozess-(P)Kategorien passt. P7 wird nur manuell (visuell) bestimmt.
S1 gibt Datensätze an, wo der MV stark quantisiert ist. Eine Quantisierung wird üblicherweise in Zusammenhang gebracht mit schlechten A/D-Wandlern oder A/D-Wandlern, die eine zu geringe Auflösung haben. Das Hauptthema ist der Einfluss auf das FCE. Eine Quantisierung ist ähnlich aber nicht dasselbe wie eine Totzone für den MV. Obwohl eine Quantisierung gelöschte Bandbereiche in dem MV verursacht, bewegen sich diese Bandbereiche nicht wie eine Totzone für den MV. Ein Teilstück einer Anzeige 184 einer Controllerdatengruppierungsansicht, eine Quantisierung zeigend, ist in 22 gezeigt. Wie gezeigt, gibt es saubere bzw. gelöschte Bänder in dem MV. Ein Differenztrend und ein Histogramm sind gute Werkzeuge zum weiteren Visualisieren dieses Problems.
S2 stellt eine Angabe eines Überschussrauschens in dem MV bereit.
S3 gibt an, dass ein Datensatz entweder durch einzelne Ausreißer oder Impulsspitzen oder mehrfache nachfolgende Ausreißer beschädigt ist. Die Impulsspitzen können in dem MV und/oder dem Out sein. Impulsspitzen können durch kurze temporäre Signalverluste (zum Beispiel eine Leistungsspannungsspitze etc.), Lufteinschlüssen in einem Magnetflussmessgerät, leitfähiges Material in einem Magnetflussmessgerät, Probleme eines elektrischen Kontakts, lose Verbindungen und elektrische Impulsspitzen auf Signalen verursacht werden.
S4 gibt Kalibrierungsschritte oder unnatürliche schrittweise Störungen an, die der Controller versuchen kann zu steuern. Ein Trend, der diese Bedingung bzw. Beschaffenheit angibt, ist eine Schrittänderung in dem MV, die schneller ist als das, was möglicherweise mit den ”normalen” Dynamiken des Prozesses auftreten würde. Diese Beschaffenheit ist schlecht, weil der Controller versuchen kann, die (Phantom-)Schrittänderung zu korrigieren, was ein echtes Problem verursachen kann.
S5 gibt Daten an, die durch ein Datenbankkomprimierungsverfahren komprimiert worden sind. Häufig sind Anlagengeschichtsschreiber (englisch: plant historians) ausgestaltet zum Komprimieren von Daten, falls der MV sich nicht um ein spezifisches Ausmaß ändert. Wenn komprimierte Daten rekonstruiert werden, resultiert häufig eine Interpolation der Stellen in nicht-glatten Trends. Komprimierte Daten und/oder daraus rekonstruierte Daten sollten nicht zur Regelung verwendet werden.
S6 gibt an, dass ein Filter starker erster Ordnung zu dem MV hinzugefügt worden ist, was bewirkt, dass sein Signal sehr glatt, das heißt zu glatt, ist. Das Filter kann in dem Sender, der Signalleitung, in einer Analogeingabe-Schaltungsanordnung oder in dem Controller sein. Filter, die zu groß sind, können bewirken, dass Pegel instabil werden und Störungen sich viel später in dem MV zeigen, als wann sie eigentlich auftreten.
S7 gibt an, ob die Datensammlungs-Abtastrate zweckgemäß (das heißt schnell genug) für die Analyse und Regelung ist. Häufig ist die Abtastrate der Analogeingabe-Schaltungsanordnung langsamer als die PID-Abtastrate, was in einem Grenzzyklus resultiert, wo es vielfache Korrekturen für denselben gibt. Ein diese Beschaffenheit angebender Trend ist ein MV-Trend, der sich jeden Abtastwert ändern sollte, aber anstelle dessen eine große Anzahl von Flachstellen hat (Halteglied nullter Ordnung). Eine unzureichende Datensammlungs-Abtastrate tritt häufig mit Auto-Tunern auf, die bei gestatter Berechnung einer Abtastrate häufig große Abtastzeiten auswählen. Ein Teilstück einer Anzeige 186 einer Controllerdatengruppierungsansicht, eine unzureichende Datensammlungs-Abtastrate zeigend, ist in 23 gezeigt. Wie gezeigt, gibt es eine signifikante Anzahl von Flachstellen. S7 wird nur manuell (visuell) bestimmt.
S8 gibt an, dass es kein Signal gibt, wie durch einen konstanten MV belegt. Der Grund dafür, dass es kein Signal gibt, kann eine unterbrochene Signalleitung, ein defekter Sender sein, oder der OPC-Server 84 kann inkorrekt konfiguriert sein.
S9 gibt einen MV in Sättigung (in geöffneter oder geschlossener Schleife) an, wie dadurch belegt, dass der MV über oder unter die Ober- und Unter-Sollwertgrenzen des Controllers geht.
S10 ist eine Sammelkategorie für Situationen, wo etwas mit dem Signal falsch ist, aber die Situation nicht in eine der anderen Signal-(S)Kategorien passt. S10 wird nur manuell (visuell) bestimmt.
Wie oben bekannt gemacht, können viele der Bewertungen der Haupt-KPIs automatisch erzeugt werden. Diese automatische Erzeugung wird durch eine mathematische Funktionseinheit 190 und eine Regelfunktionseinheit 192 des Schleifenanalyseprogramms 94 durchgeführt (siehe 24). Die mathematische Funktionseinheit 190 nimmt sämtliche der Datengruppen für die Controller (SP, MV, Out), die durch das Datenakquisitionsprogramm 92 akquiriert und in der Datenbank 90 gespeichert wurden, und wendet mathematische Formulierungen (Mittel(wert), Standard, Abweichung, Versatz (englisch: skew) etc.) darauf an. Diese mathematischen Formulierungen werden durch gespeicherte Softwareroutinen durchgeführt, die durch die mathematische Funktionseinheit 190 ausgeführt werden. Die mathematische Funktionseinheit 190 führt auch die LPM-Softwareroutinen auf den Datengruppen aus. Die Ergebnisse der durch die mathematische Funktionseinheit 190 durchgeführten Berechnungen werden in einer Matrix oder numerischen Oberfläche 194 platziert, auf die dann durch die Regelfunktionseinheit 192 eingewirkt wird, um die Bewertungen der Haupt-KPIs zu erzeugen. Die Regelfunktionseinheit 192 führt gespeicherte Softwarealgorithmen aus, die nach vorbestimmten Beziehungen zwischen den Ergebnissen der numerischen Verfahren, den LPM-Daten und den LPM-Ergebnissen gucken. Die Bewertung einer Haupt-KPI wird in einer KPI-Box 198 angegeben, die in dem zweiten Auswahlfenster 110 angezeigt wird. Wie am besten in 25 gezeigt, enthält die KPI-Box 198 eine Liste sämtlicher der Haupt-KPIs. Auf gegenüberliegenden Seiten jeder Haupt-KPI befindet sich eine Auswahlbox und eine Schweregradbox zum Angeben des Zustands bzw. des Wertes der Haupt-KPI. Eine Auswahl bzw. ein Ankreuzen in einer Auswahlbox gibt an, dass es ein Problem in der zugehörigen Haupt-KPI gibt. Der Schweregrad des Problems (auf einer Skala von 0–100%, wobei 100% das schwerste ist), wird in der entsprechenden Schwergradbox angezeigt.
Mit Verweis auf 24 ist nun ein schematisches Flussdiagramm 200 gezeigt, das zeigt, wie das Schleifenanalyseprogramm 94 verwendet werden kann, um eine Regelschleife (Controller) manuell, automatisch und in einer kombinierten oder hybriden Weise zu analysieren. Der manuelle Prozess beginnt mit Schritt 202, in dem ein Benutzer eine oder mehrere Datenansichten (so wie eine Steuerdatengruppierungsansicht) betrachtet, um Bewertungen der Haupt-KPIs zu erzeugen. Im Schritt 204 bestimmt der Benutzer die Zustände der Haupt-KPIs, das heißt ob es irgendwelche Probleme gibt, und falls dies so ist, platziert er eine Auswahl bzw. ein Kreuz in der/den Auswahlbox(en) für die Haupt-KPI(s) mit einem Problem in der KPI-Box 198. Im Schritt 206 bestimmt der Benutzer den Wert (Schweregrad) irgendeiner Haupt-KPI mit einem Problem und gibt den Schweregrad in der/die Schweregradbox für die Haupt-KPI in die/der KPI-Box 198 ein. Somit beginnt der manuelle Prozess mit Schritt 202 und schreitet zu Schritt 204 und dann zum Schritt 206.
Der automatische Prozess beginnt mit der mathematischen Funktionseinheit 190, die die gespeicherte Softwareroutine im Schritt 208 ausführt, um die mathematischen Formulierungen auf den in der Datenbank 90 gespeicherten Datengruppen durchzuführen. Im Schritt 210 wird die numerische Oberfläche 194 mit den Ergebnissen der mathematischen Formulierungen bestückt. Im Schritt 212 agiert die Regelfunktionseinheit 132 auf die numerische Oberfläche 194, um Bewertungen der Haupt-KPIs zu erzeugen, und trägt sie in die KPI-Box 198 ein. Somit beginnt der automatische Prozess mit Schritt 208 und schreitet zu Schritt 210 und dann zu Schritt 212.
Sobald der automatische Prozess vollständig ist, kann ein Benutzer die Daten durchsehen, um alles oder einen Teil der Ergebnisse des automatischen Prozesses zu bestätigen oder zu verwerfen. Falls beispielsweise der automatische Prozess bestimmt, dass es ein Problem in einer bestimmten Haupt-KPI gibt, kann der Benutzer eine oder mehrere Datenansichten betrachten, um zu erkennen, ob es dort wirklich ein Problem in der bestimmten Haupt-KPI gibt (d. h. die Diagnose eines Problems ist korrekt). Beispielsweise kann der Benutzer die Trends in Trendboxen 158, 160 und die Daten in der Tabelle numerischer Verfahren 162 einer kombinierten Prozess- und Numerik-Ansicht betrachten, so wie es in 22 gezeigt ist. Die Daten in der Tabelle numerischer Verfahren 162 können das Teilstück der numerischen Oberfläche 194 (LPM-Ergebnisse) mit Bezug zu der Regelschleife sein. Falls der Benutzer nicht visuell ein Problem erfasst, oder der Benutzer glaubt, dass ein unterschiedliches Problem vorhanden ist (das heißt ein Problem in einer anderen Haupt-KPI), kann der Benutzer die Bewertung der Haupt-KPI, die durch den automatischen Prozess erzeugt worden ist, überschreiben und eine Information manuell eintragen, von der der Benutzer glaubt, dass sie korrekt ist. Es sollte erkannt werden, dass in dem oben beschriebenen Szenario ein hybrides KPI-Erzeugungsverfahren durchgeführt worden ist. Die automatischen Prozessschritte von 208–210–212 sind durchgeführt worden, und dann sind die manuellen Prozessschritte von 202–204–206 durchgeführt worden.
Zusätzlich zum oder als ein Teil von einem Verifizieren der Ergebnisse des automatischen Prozesses sollte ein Benutzer eine oder mehrere Datenansichten betrachten und analysieren, um zu bestimmen, ob es irgendwelche Probleme in den Haupt-KPIs gibt, die nur manuell (visuell) bewertet werden können, so wie C3, C8, C9, P7, S6, S7 und S10.
Mit Verweis auf 25 ist nun ein Teilstück einer Anzeige 220 für einen Controller 11AJ227 gezeigt, der betriebsfähig zum Regeln eines Ventils ist. Die Anzeige 220 enthält eine kombinierte Prozess- und Numerik-Ansicht und eine KPI-Box 198. Wie gezeigt, wird die KPI-Box 198 in dem zweiten Auswahlfenster 110 angezeigt, während die kombinierte Prozess- und Numerik-Ansicht in dem Graphikfenster 106 gezeigt wird. Diese kombinierte Prozess- und Numerik-Ansicht ist ähnlich zu der in 13 gezeigten mit der Ausnahme, dass die ”LPM-Ergebnisse”-Registerkarte ausgewählt worden ist, was veranlasst, dass das Teilstück der numerischen Oberfläche 194 mit Bezug zu dem Controller 11AJ227 die Tabelle numerischer Verfahren 162 bestückt. SP/MV- und Out-Trends sind in den Trendboxen 158 bzw. 160 gezeigt. Die Bewertungen der Haupt-KPIs sind automatisch erzeugt worden, und wie gezeigt gibt nur der Zustand einer Haupt-KPI ein Problem an, nämlich P3: FCE-Problem. Das Problem wird angegeben durch eine Auswahl bzw. ein Kreuz in der Auswahlbox neben P3. Dieses Problem wird bestätigt durch die LPM-Ergebnisse, die in der Tabelle numerischer Verfahren 162 bekannt gemacht sind, als auch das klare schwingende Verhalten, das in den SP/MV- und Out-Trends in den Trendboxen 158, 160 gezeigt ist. Wie oben hinsichtlich der LPM-Ergebnisse bekannt gemacht, gibt H01 an, dass eine Gesamtleistungsfähigkeit nicht annehmbar ist; H03 gibt an, dass die Regelschleife schwingt; H06 gibt eine signifikante Nicht-Linearität an; H07 gibt eine Ventilhaftreibung an; P01 gibt an, dass der Harris-Index nicht annehmbar ist; P02 gibt an, dass der SP-Kreuzungsindex nicht annehmbar ist; und P03 gibt an, dass die Variabilität nicht beliebig bzw. zufällig ist.
Die oben beschriebene Analyse einer Regelschleife (Controller) kann durch eine Regelschleife für sämtliche der Regelschleifen in dem DCS 20 getan werden. Obwohl die Merkmale des oben beschriebenen Schleifenanalyseprogramms 94 erlauben, dass dieses eher rasch durchgeführt wird, nimmt der Prozess immer noch eine signifikante Zeit in Anspruch. Ein anderes Merkmal des Schleifenanalyseprogramms 94 ist, dass es logische Gruppierungen der Bewertungen der Haupt-KPIs für sämtliche der Regelschleifen des DCS 20 bereitstellt, was zügige Übersichten sämtlicher Regelschleifen bereitstellt. Diese Gruppierungen sind in einer hierarchischen Struktur angeordnet und können in dem Graphikfenster 106 mittels Anklicken der Registerkarte 224 betrachtet werden. Auf einer oberen oder ersten Ebene wird die Gesamtanzahl von Regelschleifen (Controllern) mit einer Fragestellung (Problem) bestimmt und analysiert. Außerdem wird für jeden Regelschleifenbereich (das heißt Prozess, Regelung und Signalformung) die Gesamtanzahl von Regelschleifen mit einer Fragestellung in dem Regelgruppenbereich bestimmt, angezeigt und graphisch illustriert mit einem Balken bzw. Symbolleiste. In der nächsten oder zweiten Ebene wird für jede Haupt-KPI in einem ausgewählten Kontrollgruppenbereich die Gesamtanzahl von Regelschleifen mit einer Fragestellung in der Haupt-KPI bestimmt, angezeigt und graphisch illustriert mit einem Balken bzw. Symbolleiste. In einer dritten Ebene werden für eine ausgewählte Haupt-KPI des ausgewählten Regelgruppenbereichs die Controller mit einer Fragestellung in der Haupt-KPI individuell gelistet, und ein Schweregrad der Fragestellung für jeden Controller wird bestimmt, angezeigt und graphisch illustriert mit einem Balken bzw. Symbolleiste.
26 zeigt ein Teilstück einer Anzeige 226, das/die eine Erste-Ebene-KPI-Gruppierung zeigt. Die Gesamtanzahl von Regelschleifen (Controllern) mit einer Fragestellung (339) wird oben links angezeigt. Unterhalb dieses Gesamten ist ein Balkendiagramm 227, das die Gesamtanzahl von Regelschleifen mit einer Fragestellung in dem Prozessbereich (209), die Gesamtanzahl von Regelschleifen mit einer Fragestellung in dem Regelungsbereich (145) und die Gesamtanzahl von Regelschleifen mit einer Fragestellung in dem Signalformungsbereich (127) zeigt. Ein Anklicken des Regelungsbereichs veranlasst, dass eine Zweite-Ebene-KPI-Gruppierung angezeigt wird, welche die Haupt-KPIs in dem Regelungsbereich ist, wie in 27 gezeigt. In dieser Anzeige (bezeichnet durch das Bezugszeichen 228) wird die Gesamtanzahl von Regelschleifen (Controllern) mit einer Fragestellung in dem Regelungsbereich (145) oben links angezeigt. Unterhalb dieses Gesamten ist ein Balkendiagramm 229, das die Gesamtanzahl von Regelschleifen mit Problemen in den unterschiedlichen Haupt-KPIs in dem Regelungsbereich zeigt (C1–C7). Das Balkendiagramm 229 zeigt, dass 65 Controller eine Fragestellung in C1 (statische Ausgabe) haben, 56 Controller eine Fragestellung in C6 (Langsam-Regelung) haben, 13 Controller eine Fragestellung in C5 (Überregelung) haben, 10 Controller eine Fragestellung in C4 (Versatz) haben und 3 Controller eine Fragestellung in C2 (sich ändernder Sollwert) haben. Wie gezeigt, sind die Balken (für die unterschiedlichen Haupt-KPIs) in der Reihenfolge der Haupt-KPIs mit der größten Anzahl von Controllern, die einer Fragestellung ausgesetzt sind, angezeigt, von der größten zu der geringsten. Ein Anklicken von C5 (Überregelung) veranlasst, dass eine dritte Ebene von KPI-Gruppierungen angezeigt wird, welche die Regelschleifen (Controller) sind, die Überregelungsfragestellungen haben, wie in 28 gezeigt. In dieser Anzeige (bezeichnet durch das Bezugszeichen 230) wird die Gesamtanzahl von Controllern mit einer Überregelungsfragestellung (13) oben links angezeigt. Unter diesem Gesamten wird ein Balkendiagramm 232 angezeigt, das die Controller bzw. die Schweregrade ihrer Überregelungsfragestellungen zeigt. Ein Anklicken von einem der gelisteten Controller (zum Beispiel 19AJ103) veranlasst, dass Trends für den Controller angezeigt werden unter dem Balkendiagramm 232, wie gezeigt.
Das Schleifenanalyseprogramm 94 erlaubt einem Benutzer, die Haupt-KPIs auf Grundlage von einem oder mehreren der folgenden zu sortieren: (1.) Schleifentyp: Durchfluss, Druck, Pegel, Konsistenz etc.; (2.) Priorität: hoch, medium und niedrig; (3.) Schleifen ausschließen, die im manuellen Betrieb oder Indikatoren sind; (4.) Gesamtleistungsfähigkeitseinschätzung; (5.) Prozessbereiche; (6.) Controllergruppierungen; und (6.) Benutzerspezifizierte statistische Ergebnisse. Eine Voreinstellungssortierung wird auf Grundlage einer normalisierten Variabilität in dem Regelungsfehler getan. Ein Benutzer ruft Sortieroperationen der Haupt-KPIs durch eine Filtersymbolleiste in dem Graphikfenster 106 auf.
Gedruckte Berichte für die Haupt-KPIs können durch das Schleifenanalyseprogramm 94 produziert werden. Solche Berichte können für Ziellösungen für die am schlechtesten laufenden Regelschleifen verwendet werden. Das Schleifenanalyseprogramm 94 erlaubt eine große Flexibilität hinsichtlich der Typen von Berichten, die erzeugt werden können. 29–31 zeigt drei Berichte 240, 242 bzw. 244, die erzeugt werden können. Die Berichte 240–242 sind für Haupt-KPIs, die gefiltert worden sind, um nur Controller mit hoher Priorität zu zeigen. Jeder der Berichte 240–244 ist in der Form einer Tabelle, wobei die Controller in Reihen angeordnet sind und die Haupt-KPIs in Spalten angeordnet sind. Der Bericht 240 zeigt die Controller, die Fragestellungen (Probleme) in den Haupt-KPIs (C1–C9) in dem Regelungsbereich haben, der Bericht 242 zeigt die Controller, die Fragestellungen (Probleme) in den Haupt-KPIs (P1–P7) in dem Prozessbereich haben, und der Bericht 244 zeigt die Controller, die Fragestellung (Probleme) in den Haupt-KPIs (S1–S10) in dem Signalformungsbereich haben. Es sollte erkannt werden, dass Berichte erzeugt werden können, die dieselben wie die Berichte 240–244 sind, außer dass die Berichte sämtliche der Controller mit Fragestellungen (nicht nur diese, die als Controller mit hoher Priorität bezeichnet sind) zeigen. In diesen Berichten können die Controller farbcodiert sein, um ihre Priorität (hoch, medium, niedrig) zu zeigen.
Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung der vorhergehenden beispielhaften Ausführungsform(en) die vorliegende Erfindung vielmehr nur veranschaulichen soll, als dass sie erschöpfend ist. Der Fachmann wird erkennen, dass gewisse Hinzufügungen, Löschungen und/oder Modifizierungen der Ausführungsform(en) des offenbarten Gegenstands gemacht werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Durch einen Computer durchgeführtes Verfahren zum Analysieren einer oder mehrerer von einer Vielzahl von Regelschleifen eines Steuersystems, das betriebsfähig zum Steuern eines Prozesses ist, wobei die Regelschleifen jeweils einen Controller, ein Stellglied und eine Messvorrichtung zum Versorgen des Controllers mit einer Messung einer Prozessvariablen haben, die durch den Controller gesteuert wird, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen, von einem Benutzer, einer Auswahl einer der Regelschleifen zur Analyse; Erzeugen einer Bewertung für eine vordefinierte Leistungskennzahl (KPI) für jeden von ersten, zweiten und dritten Abschnitten der ausgewählten Regelschleife, wobei der erste Abschnitt bezogen ist auf den Controller der ausgewählten Regelschleife, der zweite Abschnitt bezogen ist auf den Prozess und das Stellglied der ausgewählten Regelschleife, und der dritte Abschnitt bezogen ist auf die Messung der Prozessvariablen der ausgewählten Regelschleife; Anzeigen, in einem einzelnen Schirm einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) des Computers, von wenigstens zwei unterschiedlichen Typen von Steuerdaten der ausgewählten Regelschleife, wobei die Typen von Steuerdaten ausgewählt werden aus der Gruppe, die besteht aus der Messung der Prozessvariablen, einer Ausgabe des Controllers, einem Sollwert des Controllers, einem Proportionalabstimmungsparameter des Controllers, einem Integralabstimmungsparameter des Controllers und einem Fehler, der die Differenz zwischen dem Sollwert des Controllers und der Messung der Prozessvariablen ist; Anzeigen, in dem einzelnen Schirm der GUI des Computers, der erzeugten Bewertungen der vordefinierten KPIs für die ausgewählte Regelschleife; Empfangen, von einem Benutzer, einer unterschiedlichen Bewertung für eine der KPIs für die ausgewählte Regelschleife; und Anzeigen, in dem einzelnen Schirm der GUI des Computers, der empfangenen unterschiedlichen Bewertung der einen der vordefinierten KPIs für die ausgewählte Regelschleife anstelle der erzeugten Bewertung für die eine der vordefinierten KPIs für die ausgewählte Regelschleife.
Verfahren von Anspruch 1, wobei die Steuerdaten in der Form von Zeitreihentrends angezeigt werden.
Verfahren von Anspruch 2, wobei ein erster der Zeitreihentrends für den Sollwert des Controllers ist, und ein zweiter der Zeitreihentrends für die Ausgabe des Controllers ist.
Verfahren von Anspruch 2, wobei ein dritter der Zeitreihentrends für die Messung der Prozessvariablen ist.
Verfahren von Anspruch 1, wobei jede der Bewertungen der vordefinierten KPIs einen Zustand umfasst, der ein Problem oder kein Problem angibt.
Verfahren von Anspruch 5, wobei die Bewertung jeder vordefinierten KPI mit einem Zustand, der ein Problem angibt, ferner einen Wert umfasst, der einen Schweregrad des Problems angibt.
Verfahren von Anspruch 5, wobei die vordefinierte KPI für den ersten Abschnitt ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus einer Überregelung, Unterregelung, übermäßigen manuellen Regelung, einem schwingendem Sollwert, signifikanter Totzone in dem Controllers, Nicht-null-Regelfehler, Überschussbewegung des Stellgliedes, Langsamausführung des Controllers und unbekanntem Regelproblem.
Verfahren von Anspruch 7, wobei die vordefinierte KPI für den zweiten Abschnitt ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus einer gesättigten Ausgabe des Controllers, Operation des Stellgliedes größtenteils in äußeren Teilstücken seines Betriebsbereichs, zyklisches Verhalten der Messung der Prozessvariablen und der Ausgabe des Controllers, einem Kalibrierungsfehler in der Messvorrichtung oder einer Leckage in dem Stellglied, einer nicht-periodischen Störung in dem Prozess, extern getriggerten periodischen Variabilität in der Messung der Prozessvariablen und unbekanntem Prozessproblem.
Verfahren von Anspruch 8, wobei die vordefinierte KPI für den dritten Abschnitt ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus der Messung der Prozessvariablen, die quantisiert wird, einem übermäßigen Rauschen in der Messung der Prozessvariablen, Ausreißern in der Messung der Prozessvariablen und/oder Ausgabe des Controllers, unnatürliche Schrittänderungen in der Messung der Prozessvariablen, Datenkomprimierung, Überglättung der Messung der Prozessvariablen, unzweckmäßige Abtastrate für die Messung der Prozessvariablen, keine Messung der Prozessvariablen, Sättigung in der Messung der Prozessvariablen und unbekanntem Messproblem.
Verfahren von Anspruch 1 mit ferner einem Erzeugen von Bewertungen für eine Vielzahl von KPIs für jede von ersten, zweiten und dritten Abschnitten der ausgewählten Regelschleife.
Verfahren von Anspruch 1, wobei die Steuerdaten angezeigt werden in der Form eines zweidimensionalen Diagramms von zwei unterschiedlichen Datentypen gegeneinander.
Verfahren von Anspruch 11, wobei ein erster der Datentypen die Messung der Prozessvariable ist, und ein zweiter der Datentypen die Ausgabe des Controllers ist.
Verfahren von Anspruch 1, wobei die Steuerdaten in der Form eines dreidimensionalen Diagramms von drei unterschiedlichen Datentypen gegeneinander angezeigt werden.
Verfahren von Anspruch 13, wobei ein erster der Datentypen die Messung der Prozessvariablen ist, ein zweiter der Datentypen die Ausgabe des Controllers ist, und ein dritter der Datentypen der Sollwert des Controllers ist.
Verfahren von Anspruch 1 mit ferner einem Durchführen numerischer Verfahren auf einem der Typen von Steuerdaten und einem Anzeigen der Ergebnisse davon in einer Tabelle in dem einzelnen Schirm der GUI des Computers, wobei die numerischen Verfahren eine Standardabweichung, ein Mittel, einen Durchschnitt, ein Maximum und ein Minimum umfassen.