Čoraz väčší výskyt bezdrôtových vysielačov a akčných členov vo výrobnom priemysle mal za následok zvýšenie záujmu o techniky riadenia využívajúce neperiodickú aktualizáciu informácií [2, 8]. Základným predpokladom v riadení procesov je stále to, že riadenie sa vykonáva periodickým spôsobom, pričom pre každé nové riadiace signály sú k dispozícii nové namerané údaje. Aby sa však minimalizovala spotreba energie, bezdrôtové vysielače môžu prenášať nové hodnoty len občas a/alebo vtedy, keď dochádza k zásadnej zmene meranej hodnoty. Aby bolo v tejto konštelácii možné účinne využiť bezdrôtovo merané hodnoty, treba navrhnúť spätnoväzbové riadenie tak, aby dokázalo pracovať s hodnotami z bezdrôtových zariadení.
Zaradenie bezdrôtových vysielačov do riadenia predstavuje niekoľko technických výziev a úloh, a to zvlášť v prípade, keď sa majú takto merané hodnoty použiť pri riadení v uzavretej slučke. Namerané hodnoty z bezdrôtových zariadení sú v porovnaní s drôtovými meracími zariadeniami často k dispozícii s podstatne pomalšou frekvenciou (napr. s intervalom 15 sekúnd). Okrem toho namerané hodnoty môžu byť z bezdrôtových zariadení prenášané neperiodickým spôsobom.
Windowed komunikácia, ktorú podporujú niektoré zariadenia s protokolom WirlessHART, je príkladom takéhoto neperiodického prenosu informácií. Pre každú implementáciu bezdrôtových zariadení je takisto dôležité, aby riadenie dokázalo automaticky ošetriť stratu komunikácie takým spôsobom, aby to nijako neovplyvnilo prerušenie riadeného procesu. Splnenie týchto požiadaviek možno dosiahnuť úpravou PID algoritmu tak, aby dokázal korektne pracovať s údajmi, ktoré sa aktualizujú pomaly, neperiodicky a keď dochádza aj k strate komunikácie.
Možnosti, ktoré ponúka PIDPlus [7] ako súčasť riadiaceho systému DeltaV, sú ukážkou úpravy PID algoritmu na riadenie v uzavretej slučke pri použití bezdrôtových vysielačov. V článku sú prezentované podrobnosti, ako možno PID upraviť na spätnoväzbové riadenie s využitím bezdrôtového vysielača. Opíšeme aj správanie PIDPlus pri pomaly sa meniacich, neperiodických zmenách meranej veličiny a pri strate komunikácie.
V nasledujúcej časti sú opísané technické problémy a úlohy riadenia využívajúceho bezdrôtovo merané veličiny. Ďalšia časť článku ponúkne prehľad úprav PID a štruktúru PIDPlus na bezdrôtové riadenie. Štvrtá časť porovnáva výsledky testov pri použití PIDPlus s bezdrôtovým vysielačom vs. PID, ktorý používa drôtovo pripojený vysielač. Záverečná časť článku prezentuje výsledky bezdrôtového riadenia dosiahnuté priamo v reálnej prevádzke na oddeľovacej (stripping) kolóne.
Problémy bezdrôtového riadenia
Zaradenie bezdrôtovej komunikácie do riadenia v uzavretej slučke predstavuje niekoľko technických problémov [6]. Vzhľadom na to, že väčšina bezdrôtových vysielačov je napájaná z batérií, je žiaduce minimalizovať to, ako často sa meraná hodnota sníma a odosiela, aby sa znížila spotreba energie vysielača. Avšak väčšina viacslučkových regulátorov používaných v súčasnosti v DCS systémoch je navrhnutá s 2- a 10-krát vyššou periódou vzorkovania, ako je perióda vzorkovania meranej veličiny, a to z toho dôvodu, aby sa predišlo obmedzeniam pri synchronizácii nameraných hodnôt s riadením. Aby sa minimalizovali zmeny riadenia, platí ďalšie pravidlo, ktoré hovorí, že spätnoväzbové riadenie by sa malo vykonávať 4- až 10-krát rýchlejšie, ako je reakčný čas procesu, t. j. časové konštanty procesu plus oneskorenie procesu. Základným predpokladom pri návrhu klasického PID algoritmu je, že nová nameraná hodnota je k dispozícii pri každom riadiacom zásahu, a preto sa riadenie môže vykonávať periodicky. Na obr. 1 je naznačená aktualizácia meraných hodnôt a riadiace zásahy tak, ako sa zvyčajne vyskytuje v tradičných aplikáciách riadenia pri použití drôtovo pripojených vysielačov.
Ak by sa tento prístup aplikoval aj na bezdrôtový prenos s 2- až 10-násobnou periódou vzorkovania, spotreba energie by bola enormná. Spomalenie vykonávania riadiacich zásahov s cieľom znížiť spotrebu energie pri vysielaní môže spôsobiť nestabilitu riadenia, keď je proces charakterizovaný častými nemerateľnými náhodnými poruchami. Spotrebu energie možno v ideálnom prípade minimalizovať prenosom meranej veličiny len vtedy, keď je to potrebné na vykonanie riadiaceho zásahu, ktorý upraví nemerateľné náhodné poruchy alebo zmeny žiadanej hodnoty.
V technickom popise protokolu HART7 sú uvedené príklady komunikačných techník, ktoré môžu využívať bezdrôtové zariadenia. Tento technický popis prijatý aj ako medzinárodná norma IEC 62591 definuje päť spôsobov začatia prenosu správ. Dva z nich sa veľmi dobre hodia aj pre aplikácie riadenia:
- Spojitý spôsob – zariadenie „sa zobudí“ v presne nastavených aktualizačných periódach, nasníma aktuálnu hodnotu meranej veličiny a následne ju odošle.
- Window – zariadenie „sa zobudí“ v presne nastavených aktualizačných periódach, nasníma aktuálnu hodnotu meranej veličiny a následne, ak bola prekročená určitá „spúšťacia“ hodnota, ju aj odošle.
Komunikácia window je pre aplikácie riadenia preferovanou komunikačnou metódou, a to najmä preto, lebo pre rovnakú periódu aktualizácie vždy vyžaduje nižšiu spotrebu energie ako spojitá komunikácia. Ak si teda zvolíme komunikáciu window, bude sa nová hodnota prenášať len vtedy, keď:
- veľkosť rozdielu medzi novou nameranou hodnotou a poslednou odosielanou nameranou hodnotou je väčší ako zadaná spúšťacia hodnota,
- čas od posledného prenosu hodnoty nameranej veličiny prekročí maximálnu periódu aktualizácie.
Z toho vyplýva, že nameraná hodnota sa prenáša len tak často, ako je to potrebné na vykonanie riadiaceho zásahu upravujúceho nemerateľné náhodné poruchy alebo ako reakcia na zmenu žiadanej hodnoty. Metóda window vyžaduje nastavenie maximálnej periódy aktualizácie a spúšťacej hodnoty. Perióda aktualizácie by vo všeobecnosti nemala byť dlhšia ako jedna štvrtina reakčného času procesu. Mohla by sa použiť aj pomalšia perióda aktualizácie, a to v tom prípade, ak nie je nevyhnutné okamžite reagovať na odchýlku procesu.
V ďalšom pokračovaní sa budeme zaoberať štruktúrou algoritmu PIDPlus pre bezdrôtové riadenie.
Literatúra
[1] Aström, K. J. – Hägglund, T.: názov? In: Advanced PID Control, ISA, 2006, s. 85 – 86.
[2] Aström, K. J.: Event based control. In: Analysis and Design of Nonlinear Control Systems, Springer Verlag, 2007, s. 127 – 147.
[3] Blevins, T. – Nixon, M.: názov? In: Control Loop Foundation – Batch and Continuous Processes, ISA, s. 267, 270, 393.
[4] Blevins, T.: PID Advances in Industrial Control. IFAC Conference on Advances in PID Control PID´12, 2012.
[5] Han, S. – Zhu, X. – Aloysius, K. M. – Nixon, M. – Blevins, T. – Chen, D.: Control over WirelessHART Network. 36th Annual Conference of th IEEE Industrial Electronics Society, 2010.
[6] Shinskey, F. G.: The Power of External Reset Feedback Control. 2006, s. 53 – 63.
[7] Siebert, F. – Blevins, T.: WirelessHART Succefully Handles Control. Chemical Process. 2011.
[8] Rabi, M. – Johansson, K. H.: Event-triggered strategies for industrial control over wireless networks. In: Proceedings of 4th Annual International Conference on Wireless Internet, Maui, Hawai, USA, 2008.
Zdroj: Blevins, T. – Nixon, M. – Zielinski, M.: Using Wireless Measurements in Control Applications. Prvýkrát publikované na ISA Automation Week 2013. Autori sú zo spoločnosti Emerson Process Management. International Society of Automation (ISA) Copyright © 2013. Translated and published by permission. All rights reserved.