Максимальная производительность и эффективность производственного комплекса по большому счету определяется проектом и выбором оборудования. Тем не менее, во многих случаях в производственном процессе не удается реализовать все производственные мощности, изначально заложенные по проекту. В качестве иллюстрации можно привести исследование, выполненное одним из авторов данной статьи, которое показало, что степень загрузки контуров регулирования на крупном целлюлозно-бумажном комбинате составлял от 55% до 76% в разных производственных зонах. Как правило, причина такой низкой производительности обусловлена настройкой системы управления и состоянием полевых приборов, , которые не способны работать в расчетном режиме. Одной из основных причин возникновения подобной ситуации является также и то, что уменьшение численности обслуживающего персонала на многих предприятиях привело к сокращению численности персонала, осуществляющего контроль за процессом и обслуживание КИПиА. Часто возникают ситуации, когда временных и людских ресурсов оказывается едва достаточно для устранения серьезных неполадок, обнаруженных в течение суток, что, в свою очередь, ухудшает качество продукции и ограничивает производственную мощность комплекса.При этом не остается времени на подробное изучение характеристик процесса, необходимое для его диагностики и выявления нарушений режима работы, которые вскоре могут оказаться причинами нарушения всего технологического процесса, если им не будет своевременно уделено надлежащее внимание. Зачастую подобные неполадки не удается обнаружить до тех пор, пока ситуация не станет критической и не отразится на качестве всей выпускаемой продукции. Работа предприятия в таком близком к аварийному режиме приводит к значительному изменению рабочего режима, которое ведет к снижению количества выпущенной на рынок продукции, либо к работе комплекса с производительностью, существенно меньшей его оптимальной производительности, либо к существенным изменениям качества производимой продукции при одновременном снижении производительности производственного комплекса.

Некоторые предприятия осознали серьезность влияния регулирующих и измерительных устройств на работу всего производственного комплекса. В некоторых случаях было увеличено число обслуживающего персонала, а также были приобретены технические средства мониторинга производительности, позволяющие периодически оценивать качество работы контура регулирования и полевого устройства. Однако, это достаточно дорогостоящее решение, и его бывает непросто реализовать в сжатые сроки. Инструментальные надстройки над традиционной распределенной системой управления (РСУ), предназначавшиеся для выявления отклонений от нормального режима работы, зачастую не давали желаемого результата из-за ограничений в скорости доступа к данным, присущих большинству сегодняшних РСУ и ПЛК. Однако, за последние несколько лет появилось новое поколение масштабируемых систем управления процессами и полевых устройств, использующих технологию полевой шины. Технология, используемая в этих системах, обеспечивает надежную основу, позволяющую производить непрерывный мониторинг и отслеживание отклонений от нормального режима работы управляющих устройств и устройств полевой шины. В этой статье обсуждаются способы автоматического определения отклонений от нормального режима работы с использованием этой новой технологии. В качестве примера использования данной возможности рассматривается конкретный пример реализации системы автоматического определения отклонений от нормального режима работы в одной из новейших систем управления.

За последние два года основные производители оборудования автоматизации технологических процессов выпустили новое поколение устройств, основанных на стандарте полевой шины, разработанном Fieldbus Foundation. Для обеспечения совместного использования устройств, выпущенных различными производителями, на одной полевой шине в основу всех устройств положен единый принцип, благодаря которому все измерения, управление и вычисления выполняются с использованием набора стандартных функциональных блоков. Ключевой концепцией, позволяющей распределять функции управления и вычислений между различными устройствами или между полевым устройством и контроллером, является общая реализация режима блока, поддерживаемая каждым из функциональных блоков. Кроме того, каждый вход и выход функционального блока сконструирован таким образом, что он передает атрибут статуса вместе со значением (см. следующий рисунок):
 

Статус, связанный с каждым из выходов функционального блока, дает прямое указание на качество измерения управляющего сигнала. Качество определяется путем описания измерения как доступного для управления (Good, хорошее), сомнительное для возможности использования в стратегии управления (Uncertain, неопределенное) или непригодное для использования в режиме управления (Bad, плохое). Кроме того, статус указывает на то, ограничено ли данное измерение или управляющий сигнал по величине сверху или снизу. Например, если измерение производится вне интервала калибровки, качество измерения может отображаться как Uncertain (неопределенное). Последующие блоки в алогоритмической цепочке могут передать статус Good Limited верхнему блоку управления – это означает, что клапан находится в своем самом верхнем или самом нижнем положении.

Режим блока устройства полевой шины составляют четыре атрибута, которые могут оказаться очень полезны при исследовании работы управляющего блока. Когда управляющий блок изначально конфигурируется, его атрибут “Normal” (нормальный) параметра режима определяется исходя из расчетного (штатного) режима работы. Во время нормальной работы оператор устанавливает "целевой" атрибут режима таким образом, чтобы включить или отключить автоматическое управление ивручную управлять значением уставки и выходного значения блока. Блок отображает свой действительный режим работы в атрибуте "текущий", , который зависит от "целевого" режима, а также от статуса входных сигналов в блок управления. Сравнивая атрибуты "текущего" режима и нормального режима, можно определить, находится ли функциональный блок в расчетном режиме.

Осуществляя непрерывный мониторинг статуса и режима, поддерживаемых функциональными блоками полевой шины, можно автоматически определить следующие ненормальные состояния блоков управления и функциональных блоков ввода-вывода.

• Существует условие, которое может влиять на точность измерений, либо измеренная величина не передается с выходным значением блока.
• Управление ограничено условиями в последующих функциональных блоках.
• Блок не работает в расчетном режиме

Однако, для того чтобы точно определить максимальные и вероятные стандартные отклонения, необходимо, чтобы отбор данных быстрого процесса выполнялся с такой скоростью, которую не поддерживают сетевые средства большинства сегодняшних РСУ. Поэтому применение данной технологии с типичными РСУ ограничено анализом медленных контуров управления или требует специально выделенных средств, поддерживающих высокую скорость сбора данных. Использование полевой шины предоставляет производителю встроить данные вычисления в функциональные блоки ввода-вывода и управления в полевом приборе для поддержки анализа управления процессом. Применение данного подхода позволяет точно оценивать управление даже самыми быстрыми процессами.

Для поддержки устройств полевой шины в однородной с ними среде следует изменить основную архитектуру систем управления процессом. Система управления DeltaV была разработана с самого начала компанией Fisher-Rosemount Systems для полной поддержки архитектуры полевой шины. Эта система показывает, каким образом как можно использовать архитектуру полевой шины для автоматизации контроля за нештатными состояними функций управления или ввода-вывода. В данной системе функциональные блоки применяются для устройств полевой шины, а также для обработки обычных аналоговых и цифровых сигналов в контроллере. Поэтому статус и режим функционального блока поддерживаются одинаковым образом в системе управления и обработке ввода-вывода и могут использоваться для обнаружения аномального режима работы канала измерения или исполнительного механизма, а также ограничений управления или отличия рабочего режима от проектного. Для возможности оценки производительности системы управления для полевых устройств, а также для контроллера, в каждый функциональный блок ввода-вывода и управления, встроены вычисления максимальных и вероятных стандартных отклонений. Пример вычислений для контроллера приведен на следующем рисунке:
 

Применение статистической оценки эффективности работы блока управления Как известно, статистика играет важную роль при оценке эффективности модуля управления. Максимальное снижение колебаний процесса, которое теоретически может быть достигнуто системой управления, выражается в величине стандартного отклонения для управления с минимальным отклонением, Slq. Эта величина вычисляется на основании известных значений максимального Stot, и вероятного Scap  стандартного отклонения по приведенной далее формуле.   Оценка индекса неустойчивости для управляющего контура, позволяющая определить, насколько близка эффективность управления к управлению с минимальным отклонением, основывается на величине полного стандартного отклонения и стандартного отклонения для управления с минимальным отклонением Для точного определения максимального и вероятного стандартного отклонения измерение параметров процесса должно выполняться как минимум в четыре раза быстрее чем временная константа процесса, как показано на следующем рисунке.

Кроме того, эти дополнительные параметры включены во все устройства полевой шины Fisher-Rosemount. Поэтому, основная информация, позволяющая обнаружить неисправности в обработке ввода-вывода или управлении, включена в систему управления и измерения. Программный продукт DeltaV Inspect, являющийся стандартным компонентом системы управления, предоставляет доступ к данной информации и возможность автоматической идентификации ситуации сбоя или ошибки, когда режим работы системы отличен от нормального. Данный, представленный для рассмотрения в бюро патентов, подход к обнаружению отклонений от нормального режима работы предназначен для автоматического определения, какие функциональные блоки в настоящий момент используются в системе управления и работает без дополнительных настроек со стороны пользователя системы. Благодаря этому снимаются затраты на разработку и проектирование данной функции во вновь проектируемых объектах.

Данные о статусе и режиме работы поступают к пользователю только в случае изменения значений этих параметров. Таким образом, при нормальном режиме работы для доступа к этим данным не возникает никакой дополнительной нагрузки на коммуникационные магистрали. Значения вероятного и максимального стандартного отклонения отправляются пользователю раз в минуту или каждые 100 циклов выполнения блока – в зависимости от того, какой из периодов больше. Поскольку данные параметры учитывают динамику процесса, отпадает необходимость частого сканирования параметров, что традиционно и препятствовало использовать данные статистических измерений при оценке эффективности управления. Схема потока информации в системе управления и доступ многих пользователей к обрабатываемой информации представлена ниже.
 

Значения статуса и режима автоматически обрабатываются для определения количества времени, выраженного в процентах, в течение которого система работала в нештатном режиме на протяжении текущего и предыдущего часа, смены или суток. Если количество времени, выраженное в процентах, превосходит заданный предел для данного условия, то условие отмечается как сбойное, и модуль, который содержит функциональный блок, будет отображен в интерфейсе DeltaV Inspect. Глобальные пределы устанавливаются со значением по умолчанию, равным 1%. Также вероятное и полное стандартное отклонение, обеспечиваемое функциональными блоками управления и ввода-вывода, обрабатываются, чтобы вычислить индекс неустойчивости для каждого управляющего блока и блока ввода-вывода за час, за смену и за сутки. Если среднее значение превосходит предел нестабильности для данного функционального блока, тогда модуль, содержащий этот блок, будет отображаться как аномальный. Поскольку нестабильность управляемого или контролируемого параметра в большой степени определяется динамикой процесса, то предел нестабильности вычисляется для каждого функционального блока. Чтобы избавиться от необходимости задавать пределы для каждого параметра нестабильности, в качестве линии отсчета для этих пределов может быть задана вычисленная нестабильность, к которой по запросу пользователя добавляется смещение. Отдельные пределы после этого можно отрегулировать, чтобы настроиться на условия, которые не отражены в текущих величинах, используемых при задании предела нестабильности.

Для отображения состояния ненормального функционирования для измерительных или регулирующих устройств в систему включен специальный дисплей интерфейса. В любой момент времени данный интерфейс может использоваться не более чем пятью операторскими или инженерными станциями. Данные структурируются таким образом, чтобы в любой момент времени можно было оценить общее состояние системы управления, и затем представить пользователю возможность получитьданные об уровне эффективности работы всех функциональных блоков . На следующем рисунке представлен вид экрана для указанного интерфейса.
 
 

Диапазон времени и типы блоков, отображаемые на дисплее операторской или инженерной станции, можно выбирать при помощи кнопки фильтра. В области, где отображается суммарная статистика управления, можно просмотреть усредненную эффективность и коэффициент использования всех блоков управления в системе. Коэффициент использования, равный 100%, указывает на то, что в течение выбранного периода времени все блоки управления работают в штатном режиме. Коэффициент эффективности, равный 100%, указывает на то, что нестабильность всех блоков управления снижена до минимума, которого позволяет достигнуть ваша технологическая установка. Число модулей в системе управления, которые содержат один или несколько блоков, работающих в аномальном режиме, отображаются в форме столбиковой диаграммы. Эти модули также отображаются в списке на экране. Неисправные модули помечены значком . После того как будет выбран отдельный модуль, отдельные блоки ввода-вывода и блоки управления для этого модуля представлены в списке с указанием доли времени в процентах, в течение которого модуль находился в этом состоянии, а также среднюю нестабильность для данного модуля. Таким образом пользователь имеет возможность легко и быстро определить, какие измерительные приборы, клапаны и модули управления требуют его внимания.

По мере добавления новых модулей в систему управления новые модули автоматически регистрируются и включаются в обработку программой-"инспектором" DeltaV. Таким образом, данная функция системы всегда отражает последнюю информацию. Преимущества, которые предприятие получает от даннойфункции, определяются масштабом системы управления и технологического процесса. Экономия, возможная благодаря автоматическому обнаружению неисправностей, составляет преимущество для большинства предприятий. В любом случае, функциональность, предоставляемая "инспектором" DeltaV, осуществит перелом в методах и средствах технической поддержки систем управления и КИПиА.

• Joseph P. Shunta, “Achieving World Class Manufacturing through Process Control”, (Достижение стандартов качества продукции мирового уровня при помощи управления процессом) 1995, Prentice Hall PTR (ISBN 0-13-309030-2)
• Web-страница DeltaV Inspect: http://www.easydeltav.com/