TWI437395B - Optimized PID Control Method for Process Equipment System - Google Patents

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Description

製程設備系統之最佳化PID控制方法
本發明係關於一種製程設備系統之最佳化PID控制方法，特別是有關於一種控制製程設備於非連續式製程之製程設備系統之最佳化PID控制方法。
請參閱第1圖為傳統之製程設備系統示意圖，傳統製程設備系統100係於加熱器110中，以蒸氣106加熱冷水108，以產生所要溫度的熱水112。其中，所產生熱水112之方法係藉由操作人員114以手動控制蒸氣閥104調整蒸氣106之流量，並以目視溫度指示錶102進而達到調整加熱器110之加熱速率。然，隨著時代的變遷，為了能夠增加工作的效率，並提升產品的良率，現在工廠也越來越趨向工業自動化的腳步邁進，許多工廠遂以機器來代替人力所能完成的工作，不但能節省時間，對於工作效率也有顯著的提升。
請參閱第2圖，為PID控制器製程設備系統示意圖。於第2圖，製程設備系統200包含自動控制閥202、開關閥204、PID(比例-積分-微分)控制器206、溫度感測器208、以及加熱器210。相較於第1圖之製程設備系統100，第2圖之製程設備系統200係以自動控制閥202、PID控制器206、與溫度感測器208，以取代人工的操作。PID控制器206主要利用設定點SP(Set point)與製程變數PV(Process Value)，如溫度的誤差，藉由溫度感測器208傳送一溫度信號S11至PID控制器206，且經過PID控制器206運算後，輸出控制信號S12至自動控制閥202，以調節製程變數，進而達到控制之目的。
請參閱第3、4圖，其中第3圖係另一具有PID控制器製程設備系統300之示意圖。第4圖為控制第3圖中之製程設備系統300之方法流程圖。製程設備系統300包含最終控制元件302(即控制閥)、開關閥304(或幫浦)、PID控制器306、設備偵測元件308。PID控制器306藉由設定點(Set Point，SP)與製程變數(Process Value，PV)，如溫度、壓力、液位、流量等誤差，藉由設備偵測元件308傳送一偵測信號S13至PID控制器306，且經過PID控制器306運算後，輸出控制信號S14至最終控制元件302，以調節製程變數，以達控制之目的。
傳統之製程設備系統控制方法流程如第4圖所示，首先，啟動開關閥304(步驟401)；手動調整最終控制元件302至所需之位置(步驟402)；再判斷最終控制元件302是否至所需之位置？(步驟403)；若判斷最終控制元件302至所需之位置，則從手動切換至自動，並設定設定值，交由PID控制器306自動控制(步驟404)；PID控制器306判斷開關閥304是否停止？(步驟405)；最後，PID控制器306係強制最終控制元件到安全位置(如0%、100%、或任意位置)(步驟406)。
PID控制器係應用於製程自動化有其極大之貢獻，且使用於連續控制之製程上亦非常適當。但，在非連續式(即批次式)製程上，因為在批次控制的起點，會造成很大之誤差值(SP-PV)，此起始之誤差值，使得PID控制器無法發揮其優點。若使用控制器自動調整，有可能使設備受損，或使不穩定之控制時間增加，造成使用者之困擾。雖然，以上控制器自動調整之控制可節省操作人員之操作，但操作人員卻需被牽制於處理此起始誤差值所造成之問題，因此，仍無法滿足製程控制之需求。
PID控制器很適用於連續控制之製程，但大部分之製程都需要製程之原始供應設備(如幫浦、泵、閥等)，因此，大部分之製程在起始階段皆類同於批次控制，所以任何製程在剛啟動之初都比較困難，也因此許多製程設計多以連續運轉為設計主軸。連續運轉有其優點，但並非所有的製程都可以連續運轉為最佳。因此，要如何改善上述缺失，實為現今業者亟欲所改善之問題。
緣此，本發明之主要目的即是提供一種最佳化PID控制之方法，可解決非連續(批次式)製程控制在啟動過程中，巨大之誤差值造成PID控制迴路無法有效的控制，並使非連續(即批次式)製程享有連續製程控制設備系統之優點。
本發明之另一目的是提供一製程設備系統之最佳化PID控制方法，其適用於具有複數個PID控制器之製程解決設備，以使繁瑣複雜之順序控制變成簡單，且可在短時間內達到原先製程控制的設定與穩定狀態。
本發明之另一目的是提供一製程設備系統之最佳化PID控制方法，可使連續控制之製程設備恢復至批次控制，以達節能減碳之環保要求。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明為達成預定目的所採取之方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
請參閱第5圖，其顯示一製程設備系統500具有一原始供應設備51、一最終控制元件(final control element)52、一製程設備53、一設備偵測元件54、一PID控制器55、以及一PID最佳化模組56。該原始供應設備51經由管路系統57及最終控制元件52連接至製程設備53。原始供應設備51於正常運轉狀態時，最終控制元件52在該PID控制器55之控制之下，使該原始供應設備51經由該最終控制元件52供應料源至製程設備53。
在實際應用時，原始供應設備51可以是例如泵、幫浦、或開關閥(On-off value)，最終控制元件52可為一膜閥(Diaphragm Valve)，製程設備53可為一容置槽(或管線)，料源可為熱水、蒸氣、紙漿...等，設備偵測元件54可為一溫度感測元件、壓力感測元件...等。
PID控制器55藉由設定點SP(Set Point)與製程變數PV(Process Value)，如溫度、壓力、液位、流量等的誤差，藉由設備偵測元件54傳送偵測信號S1至PID控制器55，經過PID控制器55運算後，輸出控制信號S2至最終控制元件52，以達PID控制之目的。
PID最佳化模組56係電連接於PID控制器55與原始供應設備51之間，並配置有一參數資料記憶體58。該參數資料記憶體58中可儲存至少一筆控制參數值581、一安全設定值582、一回復參數值583。原始供應設備51與最終控制元件52之數量並不限於本實施例之一個，亦可為一個以上。
請同時參考第5、6圖，對本發明之方法流程圖作一說明。首先，當原始供應設備51於正常運轉狀態時(步驟601)，PID最佳化模組56可以透過一原始供應設備狀態信號S3而檢測出原始供應設備51是否由運轉狀態轉為停止狀態(步驟602)。若檢測出該原始供應設備51呈停止狀態(例如停止供料)，則該PID最佳化模組56將該最終控制元件52在該停止狀態當時之控制參數S4儲存到參數資料記憶體58中(步驟603)作為控制參數值581。
控制參數值581的取得亦可以由PID控制器55在停止狀態當時所輸出至最終控制元件52的輸出控制信號S2作為該控制參數值581。
此時，PID最佳化模組56可強制將該最終控制元件52控制位在一預設的安全設定值582(步驟604)。將最終控制元件52控制位在安全設定值582之目的是用以防止製程設備53在停止後造成製程設備系統500之誤動作或危險。而安全設定值582可由系統內定或由使用者依據應用需求自訂其安全位置，例如，如果最終控制元件52是一閥件的話，可設定將最終控制元件52控制位在0%(停止或關閉)或100%(全開)的位置。
PID最佳化模組56會持續檢測原始供應設備狀態信號S3之狀態，以判斷原始供應設備51是否再度由該停止狀態回復到該運轉狀態(步驟605)。當PID最佳化模組56檢測出該原始供應設備51再度回復到該運轉狀態時，則該PID最佳化模組56由該參數資料記憶體58中讀取該控制參數值581(步驟606)。
接著，該PID最佳化模組56控制該最終控制元件52以安全設定值582啟始(步驟607)，並以回復參數值583及儲存在該參數資料記憶體58中之控制參數值581，使該最終控制元件52回復至先前停止狀態前的位置(步驟608)，並將控制迴路復原至原先的控制狀態。
回復參數值583可以使PID控制器55以一預定的速率(%/秒)或設定的一段時間(秒)內，使最終控制元件52恢復至原始供應設備51位停止前之原始位置。
請參考第7圖，係顯示本發明較佳實施例之進一步系統示意圖。PID控制器55藉由設定點SP與製程變數PV(如溫度、壓力、液位、流量等)的誤差值551，以及回授的偵測信號S1，經過PID處理單元552運算後，再經由一自動/手動切換單元553、輸出單元554、輸出切換單元555而輸出控制信號S2至最終控制元件52。當自動/手動切換單元553的位置設定在自動位置553a時，可執行上述自動控制的功能，而當設定在手動位置553b時，可由一手控信號產生器556產生手動控制信號，再經由輸出單元554、輸出切換單元555而輸出手動的控制信號S2至最終控制元件52。
PID最佳化模組56中主要包括有一設備狀態信號檢測單元561、一信號擷取路徑單元562、一安全控制單元563、一PID最佳化參數誤差比較單元564、一及閘單元565、一路徑切換單元566、一參數資料記憶體58。
當原始供應設備51於正常運轉狀態時，由PID控制器55正常執行PID控制的功能。而當原始供應設備51由運轉狀態轉為停止狀態時，會由設備狀態信號檢測單元561檢測出，且此時信號擷取路徑單元562會切換至路徑位置562a，故此時PID控制器55中的輸出單元554在當時所輸出之控制參數S4會經由信號擷取路徑單元562被儲存到參數資料記憶體58中作為控制參數值581。
此時，PID最佳化模組56可透過一安全控制單元563中所預設的安全設定值582、路徑切換單元566、再經輸出切換單元555，而將該最終控制元件52控制位在一預設的安全設定值582，例如將最終控制元件控制位在0%(停止或關閉)或100%(全開)的位置。
當PID最佳化模組56檢測到原始供應設備由停止狀態回復到運轉狀態時，則PID最佳化參數誤差比較單元564依據參數資料記憶體58中的控制參數值581控制最終控制元件52，且PID最佳化模組56控制該最終控制元件52以安全設定值582啟始，並以預設的回復參數值583，使該最終控制元件52回復至先前停止狀態前的位置，並將控制迴路復原至原先的控制狀態。
熟習該項技術者應瞭解上述圖式中說明之實施例之描述僅為舉例，對於熟習該項技術者許多變化顯而易見。雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
藉由上述之本發明實施例可知，本發明確具產業上之利用價值。本發明利用一製程設備系統之最佳化PID控制方法，以解決具有一PID控制器之製程設備於非連續(即批次式)製程的起始點會造成很大誤差值，以使非連續(即批次式)製程享有連續控制之優點，確實符合專利要件，爰依法提出申請。
100．．．製程設備系統
102．．．溫度指示錶
104．．．蒸氣閥
106．．．蒸氣
108．．．冷水
110．．．加熱器
112．．．熱水
114．．．操作人員
200．．．製程設備系統
202．．．自動控制閥
204．．．開關閥
206．．．PID控制器
208．．．溫度感測器
210．．．加熱器
300．．．製程設備系統
302．．．最終控制元件
306．．．PID控制器
308．．．設備偵測元件
310．．．製程設備
500．．．製程設備系統
51．．．原始供應設備
52．．．最終控制元件
53．．．製程設備
54．．．設備偵測元件
55．．．PID控制器
551．．．誤差值
552．．．PID處理單元
553．．．自動/手動切換單元
553a．．．自動位置
553b．．．手動位置
554．．．輸出單元
555．．．輸出切換單元
556．．．手控信號產生器
56．．．PID最佳化模組
561．．．設備狀態信號檢測單元
562．．．信號擷取路徑單元
562a．．．路徑位置
563．．．安全控制單元
564．．．PID最佳化參數誤差比較單元
565．．．及閘單元
566．．．路徑切換單元
57．．．管路系統
58．．．參數資料記憶體
581．．．控制參數值
582．．．安全設定值
583．．．回復參數值
S11．．．溫度信號
S12．．．控制信號
S13．．．偵測信號
S14．．．控制信號
S1．．．偵測信號
S2．．．控制信號
S3．．．原始供應設備狀態信號
S4．．．控制參數
第1圖係顯示傳統之製程設備系統示意圖；
第2圖係顯示具有PID控制器之製程設備系統示意圖；
第3圖係顯示具有PID控制器製程設備系統之示意圖；
第4圖係顯示控制第3圖中之製程設備系統之方法流程圖；
第5圖係顯示本發明製程設備系統之最佳化PID控制方法之製程設備系統示意圖；
第6圖係顯示本發明控制第5圖中之製程設備系統之方法流程圖；
第7圖係顯示本發明較佳實施例之進一步系統示意圖。

Claims (5)

  1. 一種製程設備系統之最佳化PID控制方法，係於一製程設備系統中包括有至少一原始供應設備、至少一最終控制元件、一製程設備、一PID控制器、一PID最佳化模組，其中該PID最佳化模組配置有一參數資料記憶體，並電連接於該PID控制器，該原始供應設備經由管路系統及該最終控制元件連接至該製程設備，且該原始供應設備於運轉狀態時，該最終控制元件在該PID控制器之控制之下，使該原始供應設備經由該最終控制元件供應料源至該製程設備，該方法包括下列步驟：(a)該PID最佳化模組檢測該原始供應設備是否由該運轉狀態轉為停止狀態；(b)若檢測出該原始供應設備呈停止狀態，則該PID最佳化模組將該最終控制元件在該停止狀態當時之控制參數值儲存在該參數資料記憶體中；(c)該PID最佳化模組檢測該原始供應設備是否再度由該停止狀態回復到該運轉狀態；(d)當檢測出該原始供應設備再度回復到該運轉狀態時，則該PID最佳化模組由該參數資料記憶體中讀取該控制參數值；(e)該PID最佳化模組控制該最終控制元件以一回復參數值及儲存在該參數資料記憶體中之控制參數值，使該最終控制元件回復至該停止狀態前的位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製程設備系統之最佳化PID控制方法，其中步驟(a)中，若該PID最佳化模組判斷該原始供應設備係在運轉狀態，則該PID最佳化模組繼續判斷該原始供應設備是否轉為停止狀態。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製程設備系統之最佳化PID控制方法，其中步驟(c)中，若該PID最佳化模組判斷該原始供應設備係在停止狀態，則該PID最佳化模組繼續判斷該原始供應設備是否轉為運轉狀態。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製程設備系統之最佳化PID控制方法，其中在步驟(b)之後，該PID最佳化模組更包括將該最終控制元件控制位在一預設的安全設定值之步驟，且在步驟(e)中，該PID最佳化模組會控制該最終控制元件以該安全設定值啟始。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製程設備系統之最佳化PID控制方法，其中該回復參數值係預設在該參數資料記憶體中。
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