1控制性能監(jiān)控功能塊cpm
控制性能監(jiān)控功能塊（cpm）是pcs7 v7.0版本之后推出的一款用于監(jiān)控控制回路性能的功能塊，它可以評(píng)估控制回路當(dāng)前自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力。更重要的是，它能夠監(jiān)視控制回路的控制性能(cpi)。通過觀察cpi及相應(yīng)參數(shù)，工廠操作員可以直觀的發(fā)現(xiàn)控制回路性能的變化，提早采取措施來預(yù)防自動(dòng)控制回路的控制性能降低。
1.1 為何需要使用cpm功能塊
cpm功能塊可以通過監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)控制回路的數(shù)據(jù)，計(jì)算出控制回路的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，以數(shù)據(jù)的方式幫助操作人員直觀的分析控制回路的控制性能，幫助維護(hù)人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)控制回路參數(shù)的失配或現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備控制性能的衰減，起到提早預(yù)防自動(dòng)控制失效等故障情況的出現(xiàn)。
cpm 可以長(zhǎng)期的監(jiān)控控制回路的性能，并計(jì)算出：
• 穩(wěn)態(tài)特性：當(dāng)控制回路的工作點(diǎn)（設(shè)定值sp）不發(fā)生改變時(shí)，cpm功能塊監(jiān)控控制回路的穩(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；
- 控制變量（mv）的平均值和控制方差；
- 評(píng)估控制回路的穩(wěn)態(tài)過程增益。
• 動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)控制回路的工作點(diǎn)（設(shè)定值sp）變化，控制回路做出階躍響應(yīng)時(shí)，cpm功能塊監(jiān)控控制回路的動(dòng)態(tài)特性，包括：
--- 控制回路的響應(yīng)和穩(wěn)定時(shí)間，衰減比；
--- 超調(diào)量。
合理的應(yīng)用cpm功能塊可以幫助我們分析下列問題：
• 哪些控制回路可以投入閉環(huán)控制；
• 哪些控制回路沒有正常工作；
• 哪些控制回路應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化；
• 哪些現(xiàn)場(chǎng)控制設(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)估控制回路的設(shè)定（sp），被控量（pv）和控制量（mv）。并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出這個(gè)控制回路的控制性能指標(biāo)（cpi）。工作原理如下圖：
圖1-1 cpm功能圖
cpm功能塊會(huì)根據(jù)當(dāng)期控制回路的狀態(tài)來分析不同的性能指標(biāo)。比如：當(dāng)控制回路的工作點(diǎn)是一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值（sp不變），cpm會(huì)根據(jù)控制量和被控量的方差、平均值等來評(píng)估控制回路的穩(wěn)態(tài)特性。當(dāng)控制回路的工作點(diǎn)發(fā)生改變（sp出現(xiàn)階躍），即當(dāng)前的主要控制目標(biāo)是讓被控量快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的切換到新的工作點(diǎn)。這個(gè)時(shí)候cpm就通過統(tǒng)計(jì)并計(jì)算控制回路的超調(diào)，衰減比和穩(wěn)定時(shí)間等來評(píng)估控制回路的動(dòng)態(tài)特性。
當(dāng)控制回路出現(xiàn)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 開始，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功能塊在不同的庫中。以下為各版本pcs 7 cpm功能塊所在的庫：
• 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)應(yīng)一個(gè)pid 功能塊使用。在cpm功能塊的命名上，需要注意必須要與對(duì)應(yīng)的pid功能塊名稱一致。比如，pid功能塊名稱為“tic1101”，那么cpm功能塊的名稱就必須是“tic1001_cpm”。如果不遵循這種命名方式，在上位監(jiān)控畫面中，cpm的操作面板就無法自動(dòng)的加載與這個(gè)控制回路相關(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cfc 編輯器，從功能庫中拖入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)行順序。
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）：
圖2-2 指定ob
從庫中拖入cpm功能塊，并根據(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就可以在畫面中使用cpm功能，無需額外組態(tài)。畫面中會(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cpm的操作面板。
圖2-4 通過pid面板打開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)控制（pid）為例，介紹如何組態(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tic201和tic201_cpm。cpm功能塊需要獲取所監(jiān)視的pid回路的pv、sp和mv，并通過“l(fā)oopclose”引腳來獲得當(dāng)前控制回路的開環(huán)、閉環(huán)狀態(tài)，并將評(píng)估結(jié)果通過cpi引腳返回給pid功能塊，并將數(shù)值顯示到pid的控制面板上。引腳連接方式見下圖：
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)層級(jí)畫面上會(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對(duì)應(yīng)cpm功能塊面板。
3.2 整定pid
通過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)控制回路的設(shè)定值發(fā)生階躍變化的時(shí)候，被控變量能否快速、準(zhǔn)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)特性來評(píng)估pid參數(shù)設(shè)置是否合理：
• absolute overshoot（overabso）：記錄的是在sp發(fā)生階躍，pv自動(dòng)跟隨sp過程中，超出設(shè)定值的最大量。如果這個(gè)值過高，一般來說，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)該是小于15%；
• settling time：調(diào)節(jié)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)開始到回路穩(wěn)定這個(gè)過程所用的時(shí)間。這個(gè)值越小說明回路的響應(yīng)越快。
• settling ratio：這是rise time（從pv自整定開始到pv第一次到達(dá)設(shè)定值的時(shí)間）與settle 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，如果超出，那么可以適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)積分（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)定開始點(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)）和增強(qiáng)積分作用（減小積分時(shí)間）。
3.3 監(jiān)控閉環(huán)控制回路工作狀態(tài)
初始化cpm功能塊，監(jiān)控回路穩(wěn)態(tài)特性
當(dāng)控制回路自整定結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后（此時(shí)回路必須保持為自動(dòng)狀態(tài)），可以對(duì)cpm功能塊進(jìn)行初始化，這個(gè)過程會(huì)獲取為之后計(jì)算cpi（控制性能指標(biāo)）和被控量方差等靜態(tài)特性所必須的參考值。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:準(zhǔn)備階段 1:上升階段 2:超調(diào)階段 3:穩(wěn)定階段
推薦回路投入自動(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)。也可以通過操作面板上的“cancel eval”按鈕來停止計(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 window）
cpm運(yùn)算的核心是評(píng)定控制目標(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決定了cpm統(tǒng)計(jì)方差的采樣周期，cpm所在ob運(yùn)行組決定了采樣頻率，這兩個(gè)數(shù)據(jù)的設(shè)定不會(huì)影響計(jì)算的精度，卻決定了cpm能否有效的反映當(dāng)前控制回路的特性。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，具體應(yīng)根據(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功能塊需要滿足以下幾個(gè)條件：
• 控制回路處于自動(dòng)狀態(tài)；
• 回路處于穩(wěn)定狀態(tài)（自整定過程結(jié)束）；
• time window設(shè)置完成。
如果不滿足以上幾點(diǎn)條件，操作面板會(huì)有如下提示，當(dāng)所有條件都滿足，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)，所以一定要在控制對(duì)象達(dá)到最佳工況時(shí)進(jìn)行初始化！
注意：關(guān)于初始化的相關(guān)介紹也可以通過cpm的在線幫助獲得，選中cpm功能塊點(diǎn)f1，見“conpermon > functions”。
3.5 評(píng)估cpm中的參數(shù)
在cpm面板的標(biāo)準(zhǔn)視圖中，可以獲得閉環(huán)控制回路的穩(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 控制性能參數(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)下的工作情況。初始后cpi為100%，理想狀態(tài)下這個(gè)數(shù)值應(yīng)該保持在100%左右，當(dāng)cpi值過低（比如低于75%）時(shí)，則應(yīng)對(duì)造成數(shù)值降低的原因進(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 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)因?yàn)樯a(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值出現(xiàn)波動(dòng)，相對(duì)于控制目標(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的比值因?yàn)榉帜傅脑黾佣∮?00%，這就反映出當(dāng)前控制回路的穩(wěn)定狀況。所以cpi的數(shù)值越高越好，如果出現(xiàn)大于100%的情況，則說明這個(gè)時(shí)候的實(shí)時(shí)方差要小于參考方差。而如果cpi小于70%，那么就要考慮一下是何原因造成方差過大，控制回路是否處于穩(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，如果這個(gè)值過大，一般情況下建議減小pid控制回路的比例作用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。
注意：這里不選取sp值作為pv參考值是考慮到如果因?yàn)樵O(shè)計(jì)、干擾等不確定因素的影響，pv值無法完全等于sp值，但是這個(gè)偏差又是可以接受的情況。理想情況下，pv參考值是應(yīng)該等于sp值的。
在最理想的狀態(tài)下，這個(gè)值應(yīng)該是0，也就是pv值相對(duì)于pv參考值（pv_ref）完全沒有偏差。如果被控變量標(biāo)準(zhǔn)偏差值增長(zhǎng)到超出合理范圍（排除干擾或工況波動(dòng)所帶來的偏移），可以從以下兩個(gè)方面考慮：
1）現(xiàn)場(chǎng)的工藝狀況發(fā)生了較大的改變，已經(jīng)超出了當(dāng)前pid參數(shù)或者控制回路的控制能力。
2）現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)節(jié)裝置是否工作正常，比如閥門不動(dòng)作或者與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接的信號(hào)線出了問題。
• “er mean value”偏差平均值：偏差（sp-pv）在time window時(shí)間段內(nèi)的平均值，這個(gè)數(shù)值理想狀態(tài)下應(yīng)該為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)的工作能力。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控制在目標(biāo)值需要的mv開度為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)的控制能力下降，這時(shí)將pv控制在目標(biāo)值需要的mv開度為b。如果b遠(yuǎn)大于a，則可認(rèn)為控制回路的控制能力下降。
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，通過分析過程穩(wěn)態(tài)增益的變化，可以判斷現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制能力是否有衰減。如果這個(gè)數(shù)值發(fā)生較大的變化時(shí)，建議及時(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cpm
cpm功能塊的所有評(píng)估依據(jù)都是建立在工況不變（控制對(duì)象的模型不發(fā)生變化）這個(gè)前提下的。如果因?yàn)樵O(shè)備狀態(tài)或者負(fù)荷改變使工況有了較大的變化，例如重新調(diào)整了設(shè)定值sp，以之前標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估已經(jīng)失去了參考價(jià)值（如：cpi會(huì)遠(yuǎn)低于或遠(yuǎn)高于100%，但并非是因?yàn)榭刂苹芈繁旧淼脑颍＿@個(gè)時(shí)候我們建議您重新初始化cpm功能塊。
3.7 通過概率分布圖（scatter plot）評(píng)估設(shè)備狀態(tài)
概率分布圖是一個(gè)二維散點(diǎn)圖，縱軸是cv（controlled value），也就是pv值。橫軸是mv值。圖中記錄的每一個(gè)點(diǎn)代表的是每一個(gè)閥門開度對(duì)應(yīng)的過程值，采樣頻率等于cpm所在功能塊的執(zhí)行周期。根據(jù)閥門的曲線特性以及可控區(qū)間的線性原則，理想情況下，記錄的點(diǎn)應(yīng)該是呈橢圓狀分布于這個(gè)二維圖中。
圖3-8 概率分布圖
如果現(xiàn)場(chǎng)控制單元的出現(xiàn)非線性工作情況，如條件裝置受到額外的摩擦力影響或者其它的干擾。采樣點(diǎn)的分布可能會(huì)出現(xiàn)如下圖所示的情況，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該及時(shí)檢查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
圖3-9 概率分布圖
綜合上面的幾個(gè)監(jiān)控參數(shù)可以看出，通過簡(jiǎn)單的cpm組態(tài)，我們可以獲得關(guān)于控制回路非常豐富的信息，這些信息可以反映控制回路控制的穩(wěn)定性，更重要的是，通過一些參數(shù)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，可以判斷出現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)改變對(duì)控制狀態(tài)產(chǎn)生的影響，對(duì)故障提前做出預(yù)判，大大降低自動(dòng)化控制出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。
4 cpm功能塊擴(kuò)展應(yīng)用
cpm功能塊除了可以監(jiān)控pid單回路，也可以結(jié)合各種較為復(fù)雜或先進(jìn)控制方案使用，監(jiān)控自動(dòng)控制的質(zhì)量。關(guān)于cpm功能結(jié)合復(fù)雜控制的實(shí)現(xiàn)方式可以參考pcs 7下的示例項(xiàng)目。