PT106716A

PT106716A - MONITORING AND OPTIMIZING THE PERFORMANCE OF CONTROLLERS IN THE PRESENCE OF FAULTS IN THE FINAL CONTROL ELEMENTS

Info

Publication number: PT106716A
Application number: PT106716A
Authority: PT
Inventors: Andrey Valerievitch Romanenko; Ana Sofia Ramos Brásio; Natércia Cristina Pires Fernandes; António Alberto Torres Garcia Portugal; Lino De Oliveira Santos
Original assignee: Ciengis Sist S De Controlo Avançado Sa
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2014-06-30
Also published as: PT106716B

Abstract

A PRESENÇA DE FALHAS NOS ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLO LEVA À DETERIORAÇÃO DO DESEMPENHO DOS CONTROLADORES. O DESENVOLVIMENTO DE MÉTODOS CAPAZES DE COMPENSAR ESTAS FALHAS PODEM EVITAR UMA MANUTENÇÃO FREQUENTE, CUSTOSA E MOROSA PERMITINDO PROLONGAR O TEMPO DE VIDA ÚTIL DOS ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLO. A PRESENTE INVENÇÃO DESCREVE UM MÉTODO PARA A MONITORIZAÇÃO E OPTIMIZAÇÃO DO DESEMPENHO DE CONTROLADORES ATRAVÉS DE: DETECÇÃO DE FALHAS NOS ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLO (COMO A FRICÇÃO ESTÁTICA); E DETERMINAÇÃO DE UM NOVO CONJUNTO DE PARÂMETROS DOS CONTROLADORES. O MÉTODO COMEÇA POR SELECCIONAR UM CONJUNTO DE DADOS E DETECTAR FALHAS EVENTUALMENTE PRESENTES NOS ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLO. O MÉTODO PROSSEGUE COM A DETERMINAÇÃO DO MODELO MATEMÁTICO QUE DESCREVE O PROCESSO INDUSTRIAL E AS FALHAS NOS ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLO (CASO DETECTADAS PREVIAMENTE) E, FINALMENTE, DETERMINA O CONJUNTO DE PARÂMETROS DOS CONTROLADORES TENDO EM CONTA CRITÉRIOS DE DESEMPENHO. A PRESENTE INVENÇÃO DESCREVE AINDA UM SISTEMA PARA EXECUÇÃO DO REFERIDO MÉTODO.THE PRESENCE OF FAULTS IN THE FINAL CONTROL ELEMENTS LEADS TO THE DETERIORATION OF THE PERFORMANCE OF THE CONTROLLERS. THE DEVELOPMENT OF METHODS ABLE TO COMPENSATE THESE FAULTS CAN AVOID FREQUENT, COSTLY AND NICE MAINTENANCE ALLOWING TO PROLONG THE USEFUL LIFE TIME OF THE FINAL CONTROL ELEMENTS. The present invention describes a method for the monitoring and optimization of the performance of controllers through: detection of failures in the final control elements (such as static cooling); AND DETERMINATION OF A NEW SET OF CONTROLLER PARAMETERS. THE METHOD BEGINS TO SELECT A DATA SET AND DETECT FAULTS EVENTUALLY PRESENT IN THE FINAL CONTROL ELEMENTS. THE METHOD DEPENDS ON THE DETERMINATION OF THE MATHEMATICAL MODEL DESCRIBING THE INDUSTRIAL PROCESS AND THE FAILURES ON THE FINAL CONTROL ELEMENTS (CASE DETECTED PREVIOUSLY) AND, FINALLY, DETERMINES THE SET OF PARAMETERS OF THE CONTROLLERS ACCOUNTING PERFORMANCE CRITERIA. The present invention further describes a system for the implementation of said method.

Description

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DESCRIÇÃODESCRIPTION

Compensação Automática De Falhas Nos Elementos Finais De Controlo Para Melhoramento Do Desempenho De ControladoresAutomatic Compensation for Failures in the Final Elements of Control for Improvement of the Performance of Controllers

Domínio técnico da invenção: A presente invenção está relacionada com um método e sistema de compensação automática de falhas nos elementos finais de controlo para o melhoramento do desempenho de controladores. Técnica anterior:Technical Field of the Invention: The present invention relates to a method and system for automatic fault compensation in the final control elements for improving the performance of controllers. Background Art:

As unidades industriais modernas são compostas por linhas produtivas que podem incluir centenas ou milhares de anéis de controlo. Os anéis de controlo são peças essenciais numa linha produtiva porque assequram o seu bom funcionamento.Modern industrial units are composed of productive lines that can include hundreds or thousands of control rings. Control rings are essential parts in a production line because they ensure their proper functioning.

Manter um nível de desempenho aceitável e seguro dos anéis de controlo é normalmente uma tarefa morosa. Existem diferentes causas do baixo nível de desempenho em anéis de controlo. As oscilações persistentes são as causas que detêm maior atenção das equipas de investigação porque são detec-tadas frequentemente nas unidades industriais devido à sintonização agressiva dos controladores, a interacções entre controladores e a problemas estruturais (causas lineares) ou a falhas nos elementos finais de controlo (causas não-lineares) .Maintaining an acceptable and safe level of performance of control rings is often a time consuming task. There are different causes of the low level of performance in control rings. Persistent oscillations are the causes that have the greatest attention of research teams because they are frequently detected in industrial units due to the aggressive tuning of controllers, interactions between controllers and structural problems (linear causes) or failures in the final control elements (non-linear causes).

As falhas mais comuns nos elementos finais de controlo são fricção estática, histerese, backlash, banda morta e deadzone. De entre estes diferentes problemas nos elementos finais de controlo, a fricção estática (em inglês, stiction) é a falha mais comum e uma das que mais perdura na indústria 2 de processos causando ciclos limite e reduzindo o desempenho dos controladores. A solução para um elemento final de controlo sujeito a fricção estática é a realização da sua manutenção. Contudo, este procedimento nem sempre é passível de ser concretizado num processo industrial em actividade devido a considerações de operação e de segurança, ficando o elemento final de controlo sujeito a fricção estática durante meses até à paragem da produção seguinte. A prática industrial mais comum para lidar com elementos finais de controlo sujeitos a fricção estática consiste na ressintonização manual do respectivo controlador (isto é, na determinação manual de um novo conjunto de parâmetros para o controlador através de regras empíricas habitualmente usadas para o efeito) por forma a diminuir o efeito dos ciclos limite. Contudo, enquanto a oscilação pode diminuir, o desempenho do controlador pode também piorar.The most common faults in the final control elements are static friction, hysteresis, backlash, deadband and deadzone. Among these different problems in the final control elements, static friction (stiction) is the most common failure and one of the longest lasting in process industry 2 causing limit cycles and reducing controller performance. The solution to a final control element subject to static friction is to carry out its maintenance. However, this procedure can not always be carried out in an active industrial process due to operational and safety considerations, with the final control element being subjected to static friction for months until the next production stop. The most common industrial practice for dealing with final control elements subjected to static friction consists in the manual re-tuning of the respective controller (i.e. in manual determination of a new set of parameters for the controller by empirical rules usually used for this purpose) by reduce the effect of the limit cycles. However, while oscillation may decrease, controller performance may also worsen.

Outros métodos para a compensação da fricção estática baseiam-se na adição de sinais à ordem do controlador especialmente adaptados para o ajuste da variável controlada [Patente US 7797082 B2], e também na adição de blocos ao controlador PID nominal [Mohammad, Μ. A. and Huang, B. (2012) . Journal of Process Control, 22(9):1800-1819]. Contudo, estes métodos de adaptação não são conhecidos pelo controlador PID nominal e, consequentemente, afectam negativamente o seu desempenho global em anel fechado. Além disso, os sinais adicionados podem promover instabilidade e/ou desgaste adicionais nos elementos finais de controlo. O trabalho de Farenzena e Trierweiller [Farenzena, M. and Trierweiler, J. O. (2010) . Proceedings of the International Symposium on Dynamics and Control of Process Systems, pages 3 791-796] sugere algumas regras de ressintonização para diferentes dinâmicas e cenários de oscilação na presença de fricção estática. Contudo, estas regras são baseadas em critérios de tentativa e erro.Other methods for static friction compensation are based on the addition of signals to the controller order specially adapted for adjusting the controlled variable [US Patent 7797082 B2], and also on adding blocks to the nominal PID controller [Mohammad, Μ. A. and Huang, B. (2012). Journal of Process Control, 22 (9): 1800-1819]. However, these adaptation methods are not known by the nominal PID controller and therefore adversely affect their overall closed ring performance. In addition, the added signals may promote additional instability and / or wear in the final control elements. The work of Farenzena and Trierweiller [Farenzena, M. and Trierweiler, J. O. (2010). Proceedings of the International Symposium on Dynamics and Control of Process Systems, pages 3 791-796] suggests some rules of re-tuning for different dynamics and oscillation scenarios in the presence of static friction. However, these rules are based on trial and error criteria.

Descrição das figuras: A FIG. 1 ilustra o diagrama de blocos de um anel de controlo. A FIG. 2 mostra o diagrama de fluxo do método de compensação automática de falhas para melhoramento do desempenho de controladores PID. A FIG. 3 ilustra a interacção do sistema de compensação automática de falhas para melhoramento do desempenho de controladores com a fábrica.DESCRIPTION OF THE DRAWINGS: FIG. 1 shows the block diagram of a control ring. FIG. 2 shows the flow diagram of the automatic fault compensation method for improving the performance of PID controllers. FIG. 3 illustrates the interaction of the automatic fault compensation system for improved performance of controllers with the factory.

Descrição pormenorizada da invenção: A presente invenção permite compensar automaticamente as falhas nos elementos finais de controlo melhorando o desempenho de controladores presentes em instalações fabris. Um anel de controlo industrial integra o controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID), o elemento final de controlo, e o processo industrial como representado na FIG. 1. De acordo com o valor de referência que possui (variável de referência, SP), o controlador emite uma ordem (variável manipulada, OP) que vai ser executada pelo elemento final de controlo originando a resposta do processo industrial (variável controlada, PV). 0 método desenvolvido permite melhorar o desempenho dos controladores PID na presença de falhas, de forma completamente automática e sem recorrer à alteração da configuração do anel de controlo. Para tal, a ressintonização do controlador (isto é, a determinação de um novo conjunto de parâmetros para o controlador) é feita tendo em consideração a existên- 4 cia de falhas no elemento final de controlo, ao contrário do que acontece nos métodos existentes até ao momento. Desta forma, os elementos finais de controlo que integram os anéis de controlo aos quais o método vai ser aplicado (anéis de controlo alvo) sofrem acções menos agressivas com consequente redução da variabilidade da variável controlada introduzida pela existência de falhas nos elementos finais de controlo.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION: The present invention provides for automatically compensating for failures in the final control elements by improving the performance of controllers present in manufacturing plants. An industrial control ring integrates the Proportional-Integral-Derivative (PID) controller, the final control element, and the industrial process as shown in FIG. 1. According to the reference value (SP), the controller issues an order (manipulated variable, OP) that will be executed by the final control element, resulting in the industrial process response (controlled variable, PV ). The developed method allows to improve the performance of PID controllers in the presence of failures, completely automatically and without resorting to changing the setting of the control ring. To this end, the re-intonation of the controller (i.e. determination of a new set of parameters for the controller) is done taking into account the existence of failures in the final control element, unlike in existing methods until to the moment. In this way, the final control elements that comprise the control rings to which the method is to be applied (target control rings) undergo less aggressive actions with consequent reduction of the variability of the controlled variable introduced by the existence of failures in the final control elements.

Perante um anel de controlo de que, à partida, se desconhece se contém ou não elementos finais de controlo com falhas, o método da reivindicação 1 consiste na seguinte sequência de passos (FIG. 2): i. Seleccionar um conjunto de dados operacionais que contenham informação dinâmica relativos aos anéis de controlo alvo composto por: valores de referência (SP); valores da variável manipulada (OP) ; valores da variável controlada (PV). ii. Detectar falhas eventualmente existentes nos elementos finais de controlo dos anéis de controlo alvo. iii. Se nenhuma falha for detectada nos elementos finais de controlo, proceder à modelização matemática do processo industrial e à determinação dos parâmetros do modelo criado com base nas técnicas/estratégias habituais de modelização de processos. iv. Em caso de detecção de falhas em elementos finais de controlo, proceder à modelização matemática do processo industrial bem como à modelização matemática das falhas e à determinação dos parâmetros dos modelos criados, recorrendo a técnicas habituais de identificação de sistemas . v. Usar os modelos obtidos no passo anterior para determinar um novo conjunto de parâmetros para os controladores PID. 5Before a control ring which is initially unknown whether or not it contains faulty control end elements, the method of claim 1 consists of the following sequence of steps (FIG. 2): i. Select a set of operational data containing dynamic information concerning the target control rings composed of: reference values (SP); values of the manipulated variable (OP); values of the controlled variable (PV). ii. Detect any faults that may exist in the final control elements of the target control rings. iii. If no failure is detected in the final control elements, proceed to the mathematical modeling of the industrial process and to determine the parameters of the model created based on the usual techniques / strategies of process modeling. iv. In case of failure of final control elements, proceed to the mathematical modeling of the industrial process as well as to the mathematical modeling of failures and to the determination of the parameters of the created models, using the usual systems identification techniques. v. Use the templates obtained in the previous step to determine a new set of parameters for the PID controllers. 5

Primeiramente, o método descrito selecciona um conjunto de dados operacionais relativos aos anéis de controlo alvo que contém informação dinâmica suficiente para a sua utilização. Esse conjunto é composto por: valores de referência (SP), valores da variável manipulada (OP) e valores da variável controlada (PV) . A variável controlada pode consistir, por exemplo, no nivel de um tanque, na temperatura de um per-mutador de calor ou no caudal de uma corrente. A variável manipulada consiste na posição da parte móvel do elemento final de controlo (ou seja, da parte móvel da válvula de controlo).First, the method described selects a set of operational data relating to the target control rings containing sufficient dynamic information for their use. This set consists of: reference values (SP), values of the manipulated variable (OP) and values of the controlled variable (PV). The controlled variable may consist, for example, of the level of a tank, the temperature of a heat exchanger or the flow rate of a stream. The manipulated variable consists of the position of the movable part of the final control element (i.e., the movable part of the control valve).

Após a obtenção dos dados, averigua-se a existência de falhas nos elementos finais de controlo. Por exemplo, a averiguação de fricção estática pode realizar-se através da análise dos padrões qualitativos típicos presentes nos dados recolhidos.After obtaining the data, it is verified the existence of faults in the final control elements. For example, the static friction check can be performed by analyzing the typical qualitative patterns present in the collected data.

Seguidamente, procede-se à modelização matemática do processo industrial e das falhas recorrendo, por exemplo, a modelos de espaço de estados, de funções de transferência ou de redes neuronais. A determinação dos parâmetros do modelo (isto é, a identificação dos sistemas "processo" e "falhas") é feita através da minimização do quadrado da diferença entre os dados operacionais industriais recolhidos in loco (PV) e as correspondentes previsões do modelo matemático criado, de acordo com a prática corrente para identificação de sistemas. 0 presente método ressintoniza então os controladores PID dos anéis de controlo alvo tomando em consideração o facto de existirem falhas nos elementos finais de controlo. Para tal, e recorrendo aos modelos do processo e das falhas previamente criados, actualiza os parâmetros do controlador PID levando a cabo a minimização numérica da soma ponderada de: 6 • desvio da variável controlada (PV) relativamente ao seu valor de referência (SP) , J\, e • desgaste a que ficam sujeitos os elementos finais de controlo que integram os anéis de controlo alvo (e que é quantificado pelo grau de movimentação das partes móveis desses elementos) , J2, originando a função objectivo que se pretende minimizar mNext, we proceed to the mathematical modeling of the industrial process and the failures using, for example, state space models, transfer functions or neural networks. The determination of the model parameters (that is, the identification of the systems " process " and " failures ") is done by minimizing the square of the difference between the industrial operating data collected in loco (PV) and the corresponding model predictions created in accordance with current practice for system identification. The present method then resynthesizes the PID controllers of the target control rings taking into account the fact that there are failures in the control end elements. To do this, and using the process models and previously created faults, it updates the PID controller parameters by performing the numerical minimization of the weighted sum of: • deviation of the controlled variable (PV) from its reference value (SP) (And which is quantified by the degree of movement of the movable parts of those elements), J2, giving rise to the objective function that is to be minimized m

J = Σ [?i-Mysp.í*ή) + ^2^2(¾) , (D i=l onde m é o número de pontos de simulação, ySPij é a variável de referência (SP) associada ao instante iAt, y; é o vector das variáveis controladas associado ao instante iAt, u,; é o vector das variáveis manipuladas associado ao instante iAt, At é o intervalo de amostragem na simulação, e gi e φ são os pesos associados a J\ e J2, respectivamente.(D i = l where m is the number of simulation points, ySPij is the reference variable (SP) associated with the instant iAt is the vector of the manipulated variables associated with the instant iAt, At is the sampling interval in the simulation, and gi and φ are the weights associated with J \ and J2 , respectively.

Os novos parâmetros do controlador PID são então determinados resolvendo o problema matemático minimizar J(y,u,pc) (2a)The new PID controller parameters are then solved by solving the mathematical problem minimizing J (y, u, pc) (2a)

Pc sujeito a (2b) y = /(y,u,pp) (2c) U = h(y, ySp,Pc) (2d) yL < y < yu (2e) uL < u < uu (2 f)Pc subject to (2b) y = / (y, u, pp) (2c) U = h (y, ySp, Pc) (2d) yL < and < yu (2e) uL < u < uu (2f)

Pl < Pc < Pu (2g) g(pc) < 0, (2h) onde y é o vector das variáveis controladas, u é o vector das variáveis manipuladas, pc é o vector de parâmetros do contro- 7 lador, y é a derivada temporal da variável y, /( ) é o conjunto de funções que representam o modelo do processo industrial e o modelo das falhas, pp é o vector de parâmetros do modelo do processo e, caso seja detectada falha, do modelo da falha, h( ) é a função do controlador PID definida a priori pelo seu fornecedor, ySP é a variável de referência (SP) , e g( ) é o conjunto de funções que representa condições características do processo industrial e que reforça critérios adicionais do problema (por exemplo, limitações de overshoot ou de razão de decaimento, limitações operacionais associadas ao processo) . Os subscritos L e u referem-se a inferior (lower) e superior (upper), respectivamente. 0 problema (2) resolve-se através de uma técnica de optimização matemático não-linear como, por exemplo, a programação quadrática sequencial (SQP, sequential quadratic programming).Pl < Pc < Pu (2g) g (pc) < 0, (2h) where y is the vector of the controlled variables, u is the vector of the manipulated variables, pc is the vector of parameters of the controller, y is the time derivative of the variable y, / functions that represent the industrial process model and the failure model, pp is the parameter vector of the process model and, if fault is detected, the fault model, h () is the function of the PID controller defined a priori by its supplier, ySP is the reference variable (SP), eg () is the set of functions that represents characteristic conditions of the industrial process and which reinforces additional criteria of the problem (eg, overshoot or decay ratio limitations, associated operational limitations to the process). The subscripts L and u refer to lower and upper, respectively. The problem (2) is solved by a nonlinear mathematical optimization technique such as sequential quadratic programming (SQP).

0 sistema de compensação automática de falhas nos elementos finais de controlo para melhoramento do desempenho de controladores PID é constituído por um módulo de compensação automática de falhas, um módulo de comunicação, e uma interface gráfica. No módulo de compensação automática de falhas está implementado o método acima descrito sendo executado periodicamente e/ou quando é detectada degradação do desempenho dos controladores PID. Os dados operacionais que lhe são necessários chegam através de um módulo que estabelece a comunicação bidireccional com o Sistema de Controlo Industrial da fábrica. 0 novo conjunto de parâmetros dos controladores PID é registado na base de dados do sistema e, opcionalmente, enviado de volta ao Sistema de Controlo Industrial através do módulo de comunicação. A configuração do sistema de compensação automática de falhas é realizada através da interface gráfica de que o sistema dispõe. A 8 interface permite ainda a visualização de dados operacionais e dos resultados encontrados pelo método de compensação automática de falhas. A interacção do sistema de compensação automática de falhas nos elementos finais de controlo para melhoramento do desempenho de controladores PID com a fábrica é ilustrada na FIG. 3. 0 sistema de compensação automática de falhas (1) comunica com o Sistema de Controlo Industrial (2) que, por sua vez, interage directamente com o processo industrial (3) .The automatic fault compensation system in the final control elements for improving the performance of PID controllers consists of an automatic fault compensation module, a communication module, and a graphical interface. In the automatic fault compensation module the above described method is implemented, being executed periodically and / or when performance degradation of the PID controllers is detected. The necessary operational data comes through a module that establishes bi-directional communication with the factory's Industrial Control System. The new parameter set of PID controllers is recorded in the system database and optionally sent back to the Industrial Control System via the communication module. The configuration of the system of automatic compensation of failures is realized through the graphical interface that the system has. The 8 interface also allows the visualization of operational data and the results found by the method of automatic compensation of failures. The interaction of the automatic fault compensation system in the final control elements for improving the performance of PID controllers with the plant is illustrated in FIG. 3. The automatic fault compensation system (1) communicates with the Industrial Control System (2) which, in turn, interacts directly with the industrial process (3).

Coimbra, 25 de Novembro de 2014.Coimbra, November 25, 2014.

Claims

A method of automatic fault compensation in the final control elements for improving the performance of controllers characterized by: a. Select a set of dynamic operational data related to the target control rings composed of: reference values (SP), manipulated variable values (OP) and values of the controlled variable (PV); B. Find fault in the control end elements that integrate the target control rings; W. Proceed to the mathematical modeling of the industrial process and the final elements of control subject to failure, determining the parameters of the models through the numerical minimization of the square of the difference between the industrial operational data collected in loco (PV) and the corresponding predictions of the mathematical model created; d. Determine new parameters for the controllers that integrate the target control rings by performing the numerical minimization of the deviation of the controlled variable (PV) relative to its reference value (SP) and the wear to which the final control elements integrating the rings control quantified by the degree of movement of the moving parts of these elements.

An automatic fault compensation system in the final control elements for improving the performance of controllers for carrying out the method of claim 1, characterized in that it contains: An automatic fault compensation module in the control end elements where it is implemented the method of claim 1; • A bidirectional communication module between the automatic fault compensation module in the final control elements and the factory's Industrial Control System allowing the acquisition of operational data and the change of the parameters of the controllers; • A graphical interface to configure the automatic fault compensation system and display operational data and results. Coimbra, November 25, 2014.