CPM功能塊使用入門(mén)

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯CPM功能塊使用入門(mén) 1掌握性能監(jiān)控功能塊CPM 掌握性能監(jiān)控功能塊（CPM）是PCS7 V7.0版本之后推出的一款用于監(jiān)控掌握回路性能的功能塊，它可以評(píng)估掌握回路當(dāng)前自動(dòng)調(diào)整的力量。更重要的是，它能夠監(jiān)視掌握回路的掌握性能(CPI)。通過(guò)觀看CPI及相應(yīng)參數(shù)，工廠操作員可以直觀的發(fā)覺(jué)掌握回路性能的變化，提早實(shí)行措施來(lái)預(yù)防自動(dòng)掌握回路的掌握性能降低。 1.1 為何需要使用CPM功能塊CPM功能塊可以通過(guò)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)掌握回路的數(shù)據(jù)，計(jì)算出掌握回路的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，以數(shù)據(jù)的方式關(guān)心操作人員直觀的分析掌握回路的掌握性能，關(guān)心維護(hù)人員準(zhǔn)時(shí)的發(fā)覺(jué)掌握回路參數(shù)的失配或

2、現(xiàn)場(chǎng)掌握設(shè)備掌握性能的衰減，起到提早預(yù)防自動(dòng)掌握失效等故障狀況的消失。 CPM 可以長(zhǎng)期的監(jiān)控掌握回路的性能，并計(jì)算出： 穩(wěn)態(tài)特性：當(dāng)掌握回路的工作點(diǎn)（設(shè)定值SP）不發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，CPM功能塊監(jiān)控掌握回路的穩(wěn)態(tài)特性，包括： - 被控變量（PV）的平均值，方差和被控變量的標(biāo)準(zhǔn)差；- 掌握變量（MV）的平均值和掌握方差；- 評(píng)估掌握回路的穩(wěn)態(tài)過(guò)程增益。 動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)掌握回路的工作點(diǎn)（設(shè)定值SP）變化，掌握回路做出階躍響應(yīng)時(shí)，CPM功能塊監(jiān)控掌握回路的動(dòng)態(tài)特性，包括： - 掌握回路的響應(yīng)和穩(wěn)定時(shí)間，衰減比；- 超調(diào)量。合理的應(yīng)用CPM功能塊可以關(guān)心我們分析下列問(wèn)題： 哪些掌握回路可以投入閉環(huán)掌握； 哪

3、些掌握回路沒(méi)有正常工作； 哪些掌握回路應(yīng)當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化； 哪些現(xiàn)場(chǎng)掌握設(shè)備可能需要進(jìn)行維護(hù)。 1.2 CPM功能塊工作原理 CPM功能塊動(dòng)態(tài)的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和評(píng)估掌握回路的設(shè)定（SP），被控量（PV）和掌握量（MV）。并依據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出這個(gè)掌握回路的掌握性能指標(biāo)（CPI）。工作原理如下圖：圖1-1 CPM功能圖 CPM功能塊會(huì)依據(jù)當(dāng)期掌握回路的狀態(tài)來(lái)分析不同的性能指標(biāo)。比如：當(dāng)掌握回路的工作點(diǎn)是一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值（SP不變），CPM會(huì)依據(jù)掌握量和被控量的方差、平均值等來(lái)評(píng)估掌握回路的穩(wěn)態(tài)特性。當(dāng)掌握回路的工作點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)變（SP消失階躍），即當(dāng)前的主要掌握目標(biāo)是讓被控量快速、精確和穩(wěn)定的切換到新的工作點(diǎn)。這個(gè)

4、時(shí)候CPM就通過(guò)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算掌握回路的超調(diào)，衰減比和穩(wěn)定時(shí)間等來(lái)評(píng)估掌握回路的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)掌握回路消失故障的時(shí)候，比如偏差超出設(shè)定上限時(shí)。CPM會(huì)在上位運(yùn)行畫(huà)面中產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信息。2 CPM功能組態(tài) 2.1 CPM安裝從PCS 7 V7.0 SP1 開(kāi)頭，PCS 7就集成了CPM功能塊，不需要額外安裝。在不同版本的PCS 7 下CPM功能塊在不同的庫(kù)中。以下為各版本PCS 7 CPM功能塊所在的庫(kù)： PCS 7 V7.0 ：APC Library； PCS 7 V7.1 ：Standard Library； PCS 7 V8.0 ：AP Library。 2.2 CPM組態(tài) 一個(gè)CPM功能塊對(duì)

5、應(yīng)一個(gè)PID 功能塊使用。在CPM功能塊的命名上，需要留意必需要與對(duì)應(yīng)的PID功能塊名稱(chēng)全都。比如，PID功能塊名稱(chēng)為“TIC1101”，那么CPM功能塊的名稱(chēng)就必需是“TIC1001_cpm”。假如不遵循這種命名方式，在上位監(jiān)控畫(huà)面中，CPM的操作面板就無(wú)法自動(dòng)的加載與這個(gè)掌握回路相關(guān)的趨勢(shì)。 2.2.1 程序組態(tài)CPM功能塊的組態(tài)步驟：打開(kāi)CFC 編輯器，從功能庫(kù)中拖入PID功能塊，并且將該功能塊聲明為下一個(gè)功能塊的插入點(diǎn)，確保PID功能塊和CPM功能塊的執(zhí)行挨次。圖2-1 指定插入位置 由于“PIDConL”功能塊在兩個(gè)OB中均有調(diào)用，所以還需要指定在哪個(gè)OB塊下定義為插入點(diǎn)（如下圖）：

6、圖2-2 指定OB 從庫(kù)中拖入CPM功能塊，并依據(jù)PID功能塊的名字命名：圖2-3 CPM功能塊命名 連接PID功能塊和CPM功能塊，引腳連接見(jiàn)如下表格。 表2-1 PCS 7 V7.0與PCS 7 V7.1 CPM功能塊連線 表2-2 PCS 7 V8.0 CPM功能塊 2.2.2 OS 組態(tài)在AS部分完成CPM組態(tài)后，僅需要編譯OS就可以在畫(huà)面中使用CPM功能，無(wú)需額外組態(tài)。畫(huà)面中會(huì)分別生成PID和CPM兩個(gè)功能塊的塊圖標(biāo)，PID操作面板上集成有按鈕可以快捷打開(kāi)CPM的操作面板。圖2-4 通過(guò)PID面板打開(kāi)CPM面板3 CPM功能使用步驟本節(jié)以組態(tài)一個(gè)單回路閉環(huán)掌握（PID）為例，介紹如何

7、組態(tài)、激活和評(píng)估CPM功能塊。示例組態(tài)流程均基于PCS 7 V8.0 Update 1版本。 3.1 CPM組態(tài)從“PCS 7 AP Library V80 Control ”中拖出ConPerMon（FB1805）和PIDConL（FB1874），分別命名為T(mén)IC201和TIC201_cpm。CPM功能塊需要獵取所監(jiān)視的PID回路的PV、SP和MV，并通過(guò)“Loopclose”引腳來(lái)獲得當(dāng)前掌握回路的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)狀態(tài)，并將評(píng)估結(jié)果通過(guò)CPI引腳返回給PID功能塊，并將數(shù)值顯示到PID的掌握面板上。引腳連接方式見(jiàn)下圖：圖3-1 CFC中的程序組態(tài) 組態(tài)完成后分別進(jìn)行AS編譯、下載和OS編譯，相應(yīng)

8、層級(jí)畫(huà)面上會(huì)生成相應(yīng)的PID功能塊和CPM功能塊的圖標(biāo)，PID功能塊的操作面板上有按鈕可以快捷打開(kāi)對(duì)應(yīng)CPM功能塊面板。 3.2 整定PID通過(guò)CPM監(jiān)控回路的動(dòng)態(tài)特性，評(píng)估回路PID參數(shù)設(shè)置是否合理CPM功能塊可以評(píng)估回路的動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)掌握回路的設(shè)定值發(fā)生階躍變化的時(shí)候，被控變量能否快速、精確和穩(wěn)定地做出響應(yīng)。這個(gè)特性反映出了P（比例增益）、I（積分時(shí)間）和D（微分時(shí)間）這三個(gè)參數(shù)的設(shè)置是否合理。下圖為一個(gè)典型的階躍響應(yīng)曲線圖：圖3-2 典型的階躍相應(yīng)曲線 當(dāng)SP發(fā)生變化時(shí)，可以從以下幾個(gè)特性來(lái)評(píng)估PID參數(shù)設(shè)置是否合理： Absolute overshoot（OverAbso）

9、：記錄的是在SP發(fā)生階躍，PV自動(dòng)跟隨SP過(guò)程中，超出設(shè)定值的最大量。假如這個(gè)值過(guò)高，一般來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為PID參數(shù)設(shè)定中比例增益K（P）可能設(shè)置的過(guò)高； Overshoot：超調(diào)比例，計(jì)算公式為：overabso/stepheight（設(shè)定值SP的變化量），比較合理的指標(biāo)應(yīng)當(dāng)是小于15%； Settling time：調(diào)整時(shí)間，記錄的是從SP階躍信號(hào)產(chǎn)生到PV的超調(diào)小于ToleHiPv（PV震蕩允許的范圍）的時(shí)間；即從PV自調(diào)開(kāi)頭到回路穩(wěn)定這個(gè)過(guò)程所用的時(shí)間。這個(gè)值越小說(shuō)明回路的響應(yīng)越快。 Settling ratio：這是rise time（從PV自整定開(kāi)頭到PV第一次到達(dá)設(shè)定值的時(shí)間）與s

10、ettle time的比值，一般建議這個(gè)比值小于25%，即settle time的時(shí)間不超出rise time的4倍，假如超出，那么可以適當(dāng)?shù)脑黾臃e分（I）的作用，即調(diào)小積分時(shí)間Ti。 本例中，我們將TIC201的設(shè)定值由120調(diào)整為190，PID回路階躍響應(yīng)的特性參數(shù)可以在CPM操作面板上獲得： 圖3-3 設(shè)定開(kāi)頭點(diǎn)和操作模式 從參數(shù)可知，階躍響應(yīng)的最大超調(diào)量為10左右，超調(diào)量只有SP變化量的10%，屬于可接受范圍。而整定時(shí)間為97s，比較緩慢，結(jié)合參數(shù)與性能考慮，我們可以適當(dāng)增加比例作用（增大比例系數(shù)）和增加積分作用（減小積分時(shí)間）。 3.3 監(jiān)控閉環(huán)掌握回路工作狀態(tài) 初始化CPM功能塊，

11、監(jiān)控回路穩(wěn)態(tài)特性 當(dāng)掌握回路自整定結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后（此時(shí)回路必需保持為自動(dòng)狀態(tài)），可以對(duì)CPM功能塊進(jìn)行初始化，這個(gè)過(guò)程會(huì)獵取為之后計(jì)算CPI（掌握性能指標(biāo)）和被控量方差等靜態(tài)特性所必需的參考值。CPM功能塊評(píng)估回路是否進(jìn)入穩(wěn)態(tài)主要是看動(dòng)態(tài)特性視圖中的自整定狀態(tài)是否處于0階段：圖 3-4：動(dòng)態(tài)特性中的四個(gè)階段：0:預(yù)備階段 1:上升階段 2:超調(diào)階段 3:穩(wěn)定階段 推舉回路投入自動(dòng)后等待一段時(shí)間，軟件會(huì)自己判定當(dāng)前回路是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。也可以通過(guò)操作面板上的“cancel eval”按鈕來(lái)停止計(jì)算，手動(dòng)干預(yù)使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)評(píng)估階段。 3.4 初始化CPM步驟步驟1：設(shè)定時(shí)間軸（time win

12、dow）CPM運(yùn)算的核心是評(píng)定掌握目標(biāo)的方差，而方差是一段時(shí)間內(nèi)實(shí)際值與目標(biāo)值之差的平方的平均數(shù)。Time window打算了CPM統(tǒng)計(jì)方差的采樣周期，CPM所在OB運(yùn)行組打算了采樣頻率，這兩個(gè)數(shù)據(jù)的設(shè)定不會(huì)影響計(jì)算的精度，卻打算了CPM能否有效的反映當(dāng)前掌握回路的特性。一般建議這里設(shè)置為20倍積分時(shí)間或10倍微分時(shí)間，詳細(xì)應(yīng)依據(jù)不同工藝狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。Time window設(shè)置方式如下圖所示：圖 3-5 時(shí)間窗口設(shè)置 示例中我們將CPM功能塊的計(jì)算周期參數(shù)time window設(shè)置為120s 步驟2：點(diǎn)擊操作面板中的“initialize”按鈕，初始化CPM 功能塊。初始化CPM功能塊需要滿意

13、以下幾個(gè)條件： 掌握回路處于自動(dòng)狀態(tài)； 回路處于穩(wěn)定狀態(tài)（自整定過(guò)程結(jié)束）； Time window設(shè)置完成。 假如不滿意以上幾點(diǎn)條件，操作面板會(huì)有如下提示，當(dāng)全部條件都滿意，初始化按鈕會(huì)變成可操作狀態(tài)，點(diǎn)擊后初始化完成： 圖 3-6 初始化條件不具備 點(diǎn)擊“initialize”按鈕后，CPM功能塊會(huì)抓取當(dāng)前狀態(tài)下的PV值、MV值和ER值作為之后評(píng)估這個(gè)回路自調(diào)狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，所以肯定要在掌握對(duì)象達(dá)到最佳工況時(shí)進(jìn)行初始化！留意：關(guān)于初始化的相關(guān)介紹也可以通過(guò)CPM的在線關(guān)心獲得，選中CPM功能塊點(diǎn)F1，見(jiàn)“ConPerMon Functions”。 3.5 評(píng)估CPM中的參數(shù)在CPM面板的標(biāo)準(zhǔn)視

14、圖中，可以獲得閉環(huán)掌握回路的穩(wěn)態(tài)特性。穩(wěn)態(tài)特性反應(yīng)了回路投入自動(dòng)后的工作狀態(tài)，通過(guò)分析穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)，可以對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)判。標(biāo)準(zhǔn)視圖如下圖：圖 3-7 標(biāo)準(zhǔn)視圖 CPI 掌握性能參數(shù)：CPI參數(shù)用數(shù)值的方式直觀的反應(yīng)了一個(gè)PID回路在自動(dòng)狀態(tài)下的工作狀況。初始后CPI為100%，抱負(fù)狀態(tài)下這個(gè)數(shù)值應(yīng)當(dāng)保持在100%左右，當(dāng)CPI值過(guò)低（比如低于75%）時(shí)，則應(yīng)對(duì)造成數(shù)值降低的緣由進(jìn)行分析，防止事故的發(fā)生。CPI評(píng)定的核心是方差計(jì)算。方差是實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與期望數(shù)據(jù)之差的平方的平均數(shù)，在我們的CPM模塊中，實(shí)際測(cè)量值指的是PV值，期望數(shù)據(jù)是回路中設(shè)定的SP。CPM中計(jì)算出的方差是：在time

15、window時(shí)間內(nèi)，記錄n個(gè)PV值與PV_Ref差的平方的累加的平均數(shù)，“PV StdDev”是方差開(kāi)根號(hào)后的值，這個(gè)值反映了在時(shí)間窗口內(nèi)，PV與PV_Ref的偏差，這個(gè)值越小，說(shuō)明工藝越穩(wěn)定。CPI為參考方差與實(shí)時(shí)方差的比值。初始化CPM功能塊的時(shí)候，會(huì)記錄一個(gè)方差值作為參考方差。當(dāng)實(shí)時(shí)方差等于參考方差時(shí)，CPI=100%。隨著長(zhǎng)期持續(xù)的生產(chǎn)，會(huì)由于生產(chǎn)工藝波動(dòng)，外界干擾增加或者生產(chǎn)設(shè)備的不穩(wěn)定等各種因素使PV值消失波動(dòng)，相對(duì)于掌握目標(biāo)值的差值就會(huì)增加，相應(yīng)的，實(shí)時(shí)方差也會(huì)增加。這時(shí)CPI的比值由于分母的增加而小于100%，這就反映出當(dāng)前掌握回路的穩(wěn)定狀況。所以CPI的數(shù)值越高越好，假如消失

16、大于100%的狀況，則說(shuō)明這個(gè)時(shí)候的實(shí)時(shí)方差要小于參考方差。而假如CPI小于70%，那么就要考慮一下是何緣由造成方差過(guò)大，掌握回路是否處于穩(wěn)定狀態(tài)了。 Overshoot 超調(diào)量被控變量PV值相對(duì)于設(shè)定值SP值的最大偏移量。動(dòng)態(tài)視圖和標(biāo)準(zhǔn)視圖中均有對(duì)超調(diào)量的監(jiān)控，假如這個(gè)值過(guò)大，一般狀況下建議減小PID掌握回路的比例作用P值。PV standard dev 被控量實(shí)時(shí)方差在CPM功能塊初始化的時(shí)候，功能塊會(huì)記錄當(dāng)前的PV值作為標(biāo)準(zhǔn)PV參考值，實(shí)際PV值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)PV的平方差值的平均數(shù)開(kāi)根號(hào)后為實(shí)時(shí)方差。 其中： 為PV的實(shí)時(shí)值； 為PV的標(biāo)準(zhǔn)參考值。 留意：這里不選取SP值作為PV參考值是考慮

17、到假如由于設(shè)計(jì)、干擾等不確定因素的影響，PV值無(wú)法完全等于SP值，但是這個(gè)偏差又是可以接受的狀況。抱負(fù)狀況下，PV參考值是應(yīng)當(dāng)?shù)扔赟P值的。 在最抱負(fù)的狀態(tài)下，這個(gè)值應(yīng)當(dāng)是0，也就是PV值相對(duì)于PV參考值（PV_Ref）完全沒(méi)有偏差。假如被控變量標(biāo)準(zhǔn)偏差值增長(zhǎng)到超出合理范圍（排解干擾或工況波動(dòng)所帶來(lái)的偏移），可以從以下兩個(gè)方面考慮：1）現(xiàn)場(chǎng)的工藝狀況發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)超出了當(dāng)前PID參數(shù)或者掌握回路的掌握力量。2）現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)整裝置是否工作正常，比如閥門(mén)不動(dòng)作或者與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接的信號(hào)線出了問(wèn)題。 “ER mean value”偏差平均值：偏差（SP-PV）在time window時(shí)間段內(nèi)的

18、平均值，這個(gè)數(shù)值抱負(fù)狀態(tài)下應(yīng)當(dāng)為0。 “Stead state gain”穩(wěn)態(tài)增益。 在初始化CPM功能塊時(shí)，功能塊會(huì)記錄當(dāng)時(shí)的PV和MV作為PVref和MVref。穩(wěn)態(tài)增益的計(jì)算公式如下； 計(jì)算這個(gè)數(shù)據(jù)的意義在于可以利用這個(gè)參數(shù)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作力量。假設(shè)CPM初始化的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于最佳工作狀態(tài)。將PV掌握在目標(biāo)值需要的MV開(kāi)度為A，隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的老化或工況變化（如換熱器的換熱壁上沉積雜質(zhì)），執(zhí)行機(jī)構(gòu)的掌握力量下降，這時(shí)將PV掌握在目標(biāo)值需要的MV開(kāi)度為B。假如B遠(yuǎn)大于A，則可認(rèn)為掌握回路的掌握力量下降。當(dāng)CPM初始化的時(shí)候，功能塊會(huì)記錄下當(dāng)時(shí)的“steadstatGain”數(shù)值，通過(guò)分析過(guò)程穩(wěn)態(tài)增益的變化，可以推斷現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的掌握力量是否有衰減。假如這個(gè)數(shù)值發(fā)生較大的變化時(shí)，建議準(zhǔn)時(shí)檢查現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)設(shè)備或考慮工藝條件是否有較大變化。 3.6 當(dāng)工況發(fā)生較大變化時(shí)，重新初始化CPMCPM功能塊的全部評(píng)估依據(jù)都是建立在工況不變（掌握對(duì)象的模型不發(fā)生變化）這個(gè)前提下的。假如由于設(shè)備狀態(tài)或者負(fù)荷轉(zhuǎn)變使工況有了