Немного про ПИД-регуляторы или «велосипед автоматизации». Часть 4
Часть 1. От практики к теории.
Часть 2. Реализация регулятора — от простого к настоящему.
Часть 3. Реализация регулятора — вот теперь регулятор.
Часть 4. Мир развивается, а «велосипед» остается.
Мир развивается, а «велосипед» остается.
На сегодня ПИД-регуляторы являются самым распространенным средством для управления непрерывными технологическими процессами на производстве. Объясняется это не только исторически сложившимся подходом к построению контуров управления. ПИД-регулятор это очень простое устройство, которое легко реализуется на любой аппаратной платформе: механической, пневматической, на аналоговой электронике или на цифровых устройствах.
В большинстве случаев ПИД-регулятор полностью справляется со своей задачей и обеспечивает регулирование технологических параметров с требуемым качеством. Подход к настройке на технологических процессах, метод подбора коэффициентов, универсален и не зависит от объекта автоматизации: подаешь возмущение ступенчатым изменением уставки, смотришь по трендам реакцию контура и подбираешь коэффициенты, чтобы получить нужный «горбик» и сходимый переходной процесс. В большинстве случаев этого достаточно. Такому подходу легко обучить не только инженеров АСУТП, но и специалистов с небольшой инженерной подготовкой, прибористов, слесарей КИП, операторов.
Понятно, что платой за простоту и универсальность будет ограниченность применения на сложных объектах и более низкое качество регулирования по сравнению с другими, более «продвинутыми» методами.
Под сложными объектами можно понимать процессы, где по технологическим причинам формируются контуры с положительной обратной связью. Например, технологическая схема включает в себя несколько последовательно установленных ректификационных колонн и блоки теплообмена для входящих и отходящих от колонн потоков, отходящие потоки нагревают входящие, типовая схема для процессов ректификации. Увеличение отходящего от куба колонны потока влияет на температуру входящего потока, при этом вносится возмущение в процесс ректификации и уменьшается поступление жидкости в кубовую часть колонны — увеличение вывода продукта из куба колонны приводит к уменьшению поступления продукта в куб, это и есть положительная обратная связь. Поддержание технологического режима выполняется несколькими несвязанными контурами регулирования (по уровню в кубовой части, по потокам между колоннами, по распределению потоков на теплообмене, по регулированию температуры байпасами теплообменников и т.д.). Можно потратить часы и последовательно настроить все ПИД-регуляторы, добиться правильного переходного процесса и сходимости в отдельности каждого контура, еще несколько часов наблюдать результаты своего труда, и вроде все сделано хорошо и правильно, но… через два дня тебя вызывают на установку и говорят, что регуляторы «разболтались и не держат». Ситуация знакома многим инженерам АСУТП на производстве. И вроде никто ничего не трогал, и непонятно почему. А просто по технологической схеме есть один или несколько контуров с положительной обратной связью и с большой постоянной времени, и достаточно пройти в системе какому-то возмущению и через десять, двадцать или сорок часов вся система переходит в колебательный режим с нарастающей амплитудой.
Часто, но не всегда, достаточно найти «слабое место» и перевести один регулятор в ручной режим, разорвать положительную обратную связь, и все остальные контуры регулирования «успокаиваются» и все стабильно работает.
Чтобы определить наличие положительных обратных связей, одного знания теории автоматического управления недостаточно. Надо знать технологическую схему и понимать технологический процесс. И вот здесь начинаются сложности. У операторов на установке или технологов вы ничего про «контура с положительной связью» не узнаете, они мыслят совсем другими категориями. В проектных институтах людей, реально понимающих процесс и подходы к построению автоматизации процесса, тоже давно нет, институты мыслят только в рамках 87 постановления правительства «о объеме документации для прохождения экспертизы». Анализ построения технологического процесса и правильного расположения контуров регулирования, наличие положительных обратных связей и взаимного влияния контуров на сегодня не может сделать ни один проектировщик (опять, я говорю про ту отрасль, в которой работаю).
Часто можно встретить регулятор расхода с клапаном после объемного насоса или компрессора (винтовые или поршневые компрессоры, винтовые, плунжерные, мембранные или шестеренчатые насосы) и бесполезно объяснять, что сколько объемная машина проталкивает среды в трубу, столько и будет проходить через клапан, независимо насколько вы его откроете, потому что среда зависнуть в трубе не может. Но логика у проектировщика железная, я нарисовал контур регулирования, а как он будет работать — забота инженеров в эксплуатации. А потом операторы жалуются, что клапан в автомате не работает, и неопытные инженеры убивают много времени, пытаясь «подобрать коэффициенты», но безуспешно. И совсем отчаявшись, в надежде на чудо, прибегают к последнему средству — запускают автонастройку ПИД-регулятора. Но могу вас точно заверить, если при достаточной квалификации невозможно настроить регулятор «в ручную», никакая автонастройка вам не поможет. Надо искать причину в процессе и построении контуров регулирования, а для этого разбирайтесь в технологии, вникайте в особенности технологического оборудования, инженер АСУТП должен понимать процесс не хуже оператора, кроме вас самих никто вам не поможет.
Бывают случаи, когда процесс имеет явно выраженную положительную обратную связь с очень малой постоянной времени и разорвать эту связь невозможно. Столкнувшись с таким случаем, колонна разделения двух жидкостей с очень близкой температурой кипения, паровым ребойлером в качестве подогревателя куба, теплообменник входящего и отходящего потока, все это охвачено несколькими контурами регулирования. У ребойлера разная характеристика при повышении и понижении теплопроизводительности. Из-за теплообменника между потоками любое изменение расхода приводило к резкому изменению температуры продукта на входе в колонну и объема жидкости, поступающего в куб, при этом ребойлер перегревал куб, что усугубляло ситуацию. Помучившись с настройками регуляторов и проанализировав ситуацию стало понятно, что ПИД-регуляторы здесь бессильны. Никакого регулирования не было. Операторы управляли колонной «вручную», одновременно подруливая несколькими клапанами, упреждая возмущения и вылавливая точку равновесия. В поисках решения я обратился к регуляторам на нечеткой логике.
Про альтернативы ПИД-регуляторам.
Несколько слов про регуляторы на нечеткой логике, в очень примитивном изложении, настоящих специалистов в этой области прошу меня не пинать. Вариантов построения нечетких регуляторов бесконечное множество с самыми разными функциями и алгоритмами, в качестве примера я расскажу о том, с которым работал.
Когда операторы ведут «вручную» технологический процесс, можно услышать такие фразы:
— что с уровнем?
— растет
— сильно?
— нет, потихоньку
-, а что с температурой?
— завалилась, сейчас выравнивается
— что-то медленно выравнивается, добавь немного печь, и если начнет расти давление, приоткрой клапан с емкости в топливную, если не будет справляться, приоткрой клапан на факел.
Во всем этом «процессе управления» нет ни одного четкого значения переменных или указания корректирующего воздействия, содержащего конкретные цифровые значения. При этом и отображение процесса на мониторе станции оператора и перемещение исполнительных устройств имеют точные цифровые значения.
Т.е. сначала цифровые значения переменных процесса оператором переводятся в нечеткие переменные. Нечеткой переменной может быть как само значение, так и скорость его изменения, направление изменения, нахождение в какой то части шкалы и т.д. Потом из комбинаций нечетких переменных строятся правила, правил может быть бесконечное множество, поэтому правила строятся для значимых комбинаций и в конце может быть правило по умолчанию. Потом в зависимости от «сработавших» правил формируется нечеткое решение, которое по определенному алгоритму переводится в точное цифровое значение.
В нечеткий регулятор можно завести любое количество переменных процесса, обозначить алгоритмы перевода физических переменных в нечеткие переменные, сформировать любое количество комбинаций и правил, формировать нечеткие решения и одновременно определять управляющее воздействие на разные исполнительные устройства. Этот регулятор может делать тоже самое, что делают операторы, удерживая режим колонны.
Обратившись за помощью к другу профессору в ВУЗе, привлек к работе несколько дипломников. Сначала смоделировали колонну с учетом теплового и материального баланса, добились сходимости модели с реальным объектом, потом реализовали два варианта управления: с ПИД-регуляторами и с нечетким регулятором. Сформировав полторы сотни правил, научили регулятор управлять моделью колонны. Можно было переходить к реализации на реальном объекте, но как руководитель, отвечающий за работу автоматизации на заводе, я начал оценивать все последствия внедрения. Поведение реального объекта в любом случае будет отличаться от модели, значит не исключены ошибки в работе регулятора и потребуется доводить алгоритм на действующем объекте. Значит надо найти инженеров АСУТП, которые смогут разобраться с регулятором, с правилами и алгоритмами, которые уже сформированы, смогут при необходимости откорректировать или добавить свои, и главное, которые достаточно хорошо понимают технологический процесс, чтобы обеспечить необходимую надежность регулятора и максимально исключить фатальные ошибки в управлении процессом. Готовых специалистов необходимого уровня не было, одного-двух инженеров АСУТП можно было бы научить, но тогда стабильная работа установки будет зависеть от этих специалистов, и заменить их при необходимости не получится. На производстве целесообразно использовать решения, доступные инженеру средней квалификации, нефтеперерабатывающий завод не место для экспериментов. Оценив все производственные факторы, сложность синтеза и поддержания нечеткого регулятора, я отказался от его практического внедрения. Остались ПИД-регуляторы в ручном управлении операторами (операторы даже средней квалификации достаточно быстро натренировались и вполне успешно рулили колонной).
Нечеткие регуляторы по сравнению с ПИД-регуляторами имеют гораздо больше возможностей для качественного управления любым процессом, сложность построения безгранична, но и затраты на синтез регулятора и требования к квалификации инженера гораздо выше. Если с задачей успешно справляется ПИД-регулятор, то синтезировать нечеткий регулятор ради единичного внедрения нерационально. Нечеткие регуляторы сейчас широко применяются в тиражируемых решениях, от холодильников и кондиционеров, до автомобилей и летательных аппаратов.
Думаю, что кто-нибудь делал попытки использовать в управлении технологическим процессом нейронные сети, обучаемые чипы, искусственный интеллект и прочие «высокотехнологичные решения», но реального полноценного внедрения на действующих сложных производствах эти технологии пока не получили. По тем же причинам.
На непрерывных технологических процессах нефтеперерабатывающих и других аналогичных производствах по прежнему используются ПИД-регуляторы, и будут еще долго использоваться.
И еще раз, не верьте в чудеса, алгоритм автонастройки также не понимает и не видит технологического процесса и всех паразитных связей с большой постоянной времени. Он сделает тоже самое, что и вы, подаст ступеньку и по переходному процессу попробует рассчитать коэффициенты, если получится. И надо учитывать ограничения оборудования, например, чтобы не перегрузить насос или не раздавить теплообменник. В любом случае опытный инженер с пониманием процесса настраивает регуляторы лучше любых алгоритмов (или понимает, что этот регулятор настроить невозможно).
