DE10049513B4

DE10049513B4 - Verfahren und System zum Ermitteln von Abstimmparametern für eine Prozesssteuereinrichtung aus einer Robustheitskarte

Info

Publication number: DE10049513B4
Application number: DE10049513A
Authority: DE
Inventors: John A. Gudaz; Yan Zhang; Wilhelm K. Wojsznis
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: DE10049513A1; GB2356266A; JP2001184103A; JP2012164342A; GB0026537D0; US6510353B1; JP5015369B2; GB2356266B; GB2356266A8

Abstract

Verfahren zum Ermitteln von Abstimmparametern für eine Vielzahl von Feldgeräten (44), das die folgenden Schritte enthält: – Ermitteln von Prozessmerkmalen durch mindestens eines der Vielzahl von Feldgeräten (44); – Übertragen der Prozessmerkmale an ein Abstimmsystem; – Erzeugen einer Robustheitskarte (106) mit einer Vielzahl von Robustheitsqualitäten gemäß den Prozesssteuermerkmalen durch das Abstimmsystem, wobei die Robustheitskarte (106) eine Vielzahl von Punkten umfasst, die jeweils einem Satz aus einer Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern zugeordnet sind; – Auswahl einer Robustheitsqualität durch eine Auswahl eines Punkts in der Robustheitskarte (106); – Berechnen eines weiteren Satzes von Abstimmparametern gemäß der Auswahl; – Steuern der Vielzahl von Feldgeräten (44) gemäß dem Satz von Abstimmparametern durch eine Steuereinrichtung (12); wobei der Schritt des Erzeugens der Robustheitskarte (106) den Schritt des grafischen Darstellens zweier oder mehrerer Robustheitsqualitäten einschließt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Erstellen eines Abstimmparameter-Bereichs für mindestens einen der Abstimmparameter; – Variieren einer der Robustheitsqualitäten über einen Robustheitsqualitäts-Bereich; – Variieren des einen der Abstimmparameter über den Abstimmparameter-Bereich an jedem einer ersten Anzahl von ausgewählten Punkten innerhalb des Robustheitsqualitäts-Bereichs; – Ermitteln eines zweiten Abstimmparameters und eine weitere der Robustheitsqualitäten für jeden einer zweiten Anzahl von Punkten innerhalb des Abstimmparameter-Bereichs für jeden der ersten Anzahl von ausgewählten Punkten innerhalb des Robustheitsqualitäts-Bereichs.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Prozeßsteuernetzwerke und im besonderen auf ein System und ein Verfahren zur Ermittlung von Abstimmparametern für eine Prozeßsteuereinrichtung in einem Prozeßsteuersystem, welche auf einer Robustheitskarte basieren.
Prozeßsteuernetzwerke, wie die in chemischen, petrochemischen oder anderen Prozeßen verwendeten, enthielten gewöhnlich eine zentralisierte Prozeßsteuereinrichtung, die mit einer oder mehreren Anlageneinrichtungen, welche zum Beispiel Ventilpositionierer, Schalter, Sensoren (wie Temperatur-, Druck- und Durchflußsensoren) usw. sein können, kommunikativ verbunden war. Diese Anlageneinrichtungen können physische Steuerfunktionen im Prozeß ausführen (wie das Öffnen oder Schließen eines Ventils), Messungen im Prozeß vornehmen, welche zur Steuerung des Betriebs des Prozesses herangezogen werden, oder jede andere gewünschte Funktion im Prozeß ausführen. Prozeßsteuereinrichtungen waren in der Vergangenheit über eine oder mehrere Analogsignalleitungen oder -busse, welche zum Beispiel 4–20 mA-(Milliampere)Signale zu und von den Anlageneinrichtungen übertragen können, mit Anlageneinrichtungen verbunden. Allgemein empfängt die Prozeßsteuereinrichtung Signale, welche über Messungen Aufschluß geben, die von einer oder mehreren Anlageneinrichtungen gemacht wurden, und/oder andere Informationen, welche die Anlageneinrichtungen betreffen, verwendet diese Informationen zur Realisierung einer in der Regel komplexen Steuerroutine und erzeugt dann Steuersignale, welche über die Analogsignalbusse an die Anlageneinrichtungen gesendet werden, um dadurch den Betrieb des Prozesses zu steuern.
Kürzlich machte sich die Prozeßsteuerindustrie daran, in der Prozeßsteuerumgebung anlagenbasierte Digitalkommunikation einzuführen. Beispielsweise hat die Prozeßsteuerindustrie eine Reihe von genormten, offenen, digitalen oder kombinierten digital-analogen Kommunikationsprotokollen, wie das HART^®-, PROFIBUS^®-, WORLDFIP^®-, Device-Net^®- und CAN-Protokoll entwikkelt. Im allgemeinen ermöglichen diese digitalen Kommunikationsprotokolle, mehr Anlageneinrichtungen an einen einzelnen Bus anzuschließen, sie unterstützen umfangreichere und schnellere Kommunikation zwischen den Anlageneinrichtungen und der Steuereinrichtung und/oder sie gestatten Anlageneinrichtungen, mehr und verschiedenartige Informationen an die Prozeßsteuereinrichtung zu senden, wie z. B. Informationen, welche den Status und die Konfiguration der Anlageneinrichtung selbst betreffen. Außerdem ermöglichen diese genormten Digitalprotokolle, Anlageneinrichtungen, die von verschiedenen Herstellern stammen, zusammen innerhalb ein und desselben Prozeßsteuernetzwerks einzusetzen.
Jetzt geht die Prozeßsteuerindustrie auch daran, die Prozeßsteuerung zu dezentralisieren und dadurch Prozeßsteuereinrichtungen zu vereinfachen. Eine dezentralisierte Steuerung erhält man, indem man in der Anlage montierte Prozeßsteuereinrichtungen wie Ventilpositionierer, Sender usw. mittels in der Regel als Funktionsblöcke oder Steuerblöcke bezeichneter Komponenten eine oder mehrere Prozeßsteuerfunktionen ausführen läßt und dann Daten über eine Busstruktur übermittelt, damit andere Prozeßsteuereinrichtungen (oder Funktionsblöcke) diese zum Ausführen anderer Steuerfunktionen verwenden. Zur Realisierung dieser Steuerfunktionen enthält jede Prozeßsteuereinrichtung in der Regel einen Mikroprozessor, der in der Lage ist, einen oder mehrere Funktionsblöcke zu realisieren, und der fähig ist, unter Verwendung eines genormten und offenen Kommunikationsprotokolls mit anderen Prozeßsteuereinrichtungen zu kommunizieren. Auf diese Weise können Anlageneinrichtungen in einem Prozeßsteuernetzwerk untereinander verbunden werden, um miteinander zu kommunizieren und eine oder mehrere Prozeßsteuerfunktionen auszuführen, so daß sie ohne Eingreifen einer zentralisierten Prozeßsteuereinrichtung eine Steuerschleife bilden. Das jetzt von der Fieldbus Foundation vorgestellte volldigitale Zweidraht-Bus-Protokoll, bekannt unter dem Namen FOUNDATION^TM-Fieldbus-(im folgenden ”Fieldbus”-)Protokoll, ist ein offenes Kommunikationsprotokoll, welches von verschiedenen Herstellern stammende Einrichtungen befähigt, zusammenzuarbeiten und über einen genormten Bus miteinander zu kommunizieren, um eine dezentralisierte Steuerung in einem Prozeß auszuführen.
Das Abstimmen eines Steuerblocks oder einer Steuerschleife bzw. eines Regelkreises in einem System nach dem Stand der Technik, bei welchem sich die gesamte Prozeßsteuerroutine (z. B. sämtliche Funktionsblöcke der Steuerroutine) oder Teile davon innerhalb einer oder mehrerer zentralisierter Steuereinrichtungen befinden, ist recht einfach, weil die gesamte Abstimmroutine auch in der zentralisierten Steuereinrichtung gespeichert werden kann. Wenn eine Steuerschleife einer solchen zentralisierten Steuerroutine abgestimmt werden soll, zwingt die separate Abstimmroutine in der zentralisierten Steuereinrichtung den entsprechenden Steuerblock, beispielsweise einen proportional-integrierenden(PI-) oder proportional-integrierend-differenzierenden(PID-)Steuerblock, vordefinierte charakteristische Merkmale des Prozesses oder der Schleife mittels eines Abstimmverfahrens, wie einem mit einer induzierten Schwingung arbeitenden Verfahren, zu ermitteln. Während dieser Phase der Erfassung dynamischer Daten im Verlauf des Abstimmverfahrens sammelt die Abstimmroutine von der Schleife erzeugte Daten, welche im normalen Betrieb an die zentralisierte Steuereinrichtung gesendet werden, und ermittelt aus diesen Daten ein oder mehrere charakteristische Merkmale des Prozesses, wie etwa die Endverstärkung, die Zeitkonstante usw. des Prozesses. Nachdem die gewünschten charakteristischen Merkmale des Prozesses berechnet sind, wendet die Abstimmroutine unter Verwendung der berechneten charakteristischen Merkmale des Prozesses einen Satz von Regeln oder anderen Algorithmen an, um neue Abstimmparameter für den Steuerblock oder die Steuerschleife zu ermitteln. Dieser Schritt des Abstimmverfahrens wird gewöhnlich als Phase der Anwendung von Regeln bezeichnet. Danach sendet die Abstimmroutine die neuen Abstimmparameter an den Steuerblock (oder die Steuerschleife) und das Abstimmverfahren ist abgeschlossen. Weil sich in einem zentralisierten Prozeßsteuersystem sämtliche Steuerfunktionen innerhalb der Steuereinrichtung befinden und weil der Steuereinrichtung sämtliche zur Abstimmung erforderlichen Daten während des normalen Betriebs des Prozesses übermittelt werden, hat die Abstimmroutine direkten Zugriff auf die Steuerblöcke und auf die zum Ausführen der Abstimmroutine notwendigen Daten.
Mit dezentralisierten Kommunikationsprotokollen, in denen Steuerblöcke oder Steuerelemente wie PI-, PID-, Fuzzy-Logic-Steuerblöcke usw. über ein Prozeßsteuernetzwerk verstreut sind, ist es schwieriger, die Steuerblöcke (oder die Steuerschleifen, innerhalb derer diese Blöcke arbeiten) abzustimmen, weil die Steuerblöcke sich entfernt von der zentralisierten Steuereinrichtung (oder von einer anderen Einrichtung) befinden, wo die Abstimmroutine in der Regel gespeichert ist. In einem zur Realisierung der Abstimmung in einer verteilten Prozeßsteuerumgebung verwendeten System nach bekanntem Stand der Technik verbleibt das gesamte Abstimmverfahren innerhalb der zentralisierten Prozeßsteuereinrichtung. Dieses System kann jedoch keine schnelle Abstimmung durchführen, weil es über ein Busnetzwerk (das weitere Kommunikation im Prozeß überträgt) kommunizieren muß, um die während der Abstimmroutine entwickelten Daten zu empfangen, und leider wird die Datenmenge (oder die Geschwindigkeit, mit welcher die Abstimmroutine diese Daten empfangen kann) durch die Beschränkungen des Datendurchsatzes auf dem Bus begrenzt. Außerdem kann die Abstimmroutine die exakten Zeiten, zu denen die Abstimm-Steuersignale an den Steuerblock gesendet werden, um verschiedene Abschnitte des Abstimmverfahrens zu starten, zu stoppen und zu realisieren, nicht genau kontrollieren, weil die Buskommunikation von einer separaten Bussteuereinrichtung und nicht von der Abstimmroutine gesteuert wird. Dies wiederum bedeutet, daß die Abstimm-Steuerroutine keine genaue Kontrolle über den zeitlichen Ablauf des Abstimmverfahrens hat, was zu ungenauen Ergebnissen führen kann.
In einem anderen System nach dem Stand der Technik, das die Abstimmung in einer verteilten Prozeßsteuerumgebung besorgt, befindet sich die gesamte Abstimmroutine in derselben Einrichtung wie der abzustimmende Steuerblock (beispielsweise der PID-Funktionsblock) und ist tatsächlich sogar in die Funktionalität des Steuerblocks integriert. Einerseits ist dieses System in der Lage, den zeitlichen Ablauf des Abstimmverfahrens exakt zu steuern und mit jeder gewünschten Geschwindigkeit Daten zu sammeln (weil die Abstimmroutine nicht über einen Bus mit dem Steuerblock kommunizieren muß), andererseits muß die Abstimmroutine zusammen mit dem Steuerblock und zur selben Zeit wie dieser kompiliert werden, was den mit der Verwendung des Steuerblocks während des normalen Betriebs des Prozesses zusammenhängenden Overhead (z. B. die Zeit-, Verarbeitungs-, Speicheranforderungen usw.) erhöht, selbst wenn die Funktionalität der Automatik-Abstimmroutine während des normalen Betriebs der Steuerschleife relativ selten verwendet wird. Außerdem muß in jeder einzelnen Einrichtung, die einen Steuerblock enthält, eine komplette Automatik-Abstimmroutine untergebracht werden, um das automatische Abstimmen jedes Steuerblocks zu ermöglichen, was nutzlose Redundanz in das Prozeßsteuersystem bringt und die Kosten des Prozeßsteuersystems erhöht.
Außerdem produzieren einige bekannte automatische Abstimmeinrichtungen (bei Verwendung in zentralisierten Steuersystemen oder in verteilten Steuersystemen), basierend auf einem Satz von ermittelten charakteristischen Prozeßmerkmalen, einen Satz von Abstimmparametern für eine spezifizierte Art von Steuereinrichtung, wie beispielsweise eine PID-(proportional-integrierend-differenzierende)Steuereinrichtung, und führen dann eine Simulationsroutine aus, welche das Ansprechverhalten bzw. die Antwort des Prozesses auf bzw. an die Steuereinrichtung simuliert, wenn die Steuereinrichtung die Abstimmparameter verwendet. Diese Simulationsroutine kann zum Beispiel die Steuerung des Prozesses mittels einer Sprungantwort, einer Impulsantwort usw. simulieren, um dem Bediener zu ermöglichen, die Verstärkung, die Ansprechzeit, das Überschwingen, die Schwingung usw., welche bei Verwendung des ermittelten Satzes von Abstimmparametern mit der Steuereinrichtung verknüpft sind, zu beurteilen. Diese Systeme nach bekanntem Stand der Technik können auch ermitteln, ob der in der Steuereinrichtung verwendete Satz von Abstimmparametern zu einer instabilen Steuerschleife führen wird. In einem bekannten System kann die Robustheit der resultierenden Steuereinrichtung als ein Punkt in einer Robustheitskarte, welche zum Beispiel die Verstärkungsreserve als Funktion der Phasenreserve für die Steuerschleife darstellt, aufgetragen werden. Wenn dem Benutzer jedoch die Robustheit der resultierenden Steuereinrichtung nicht gefällt, muß der Benutzer manuell andere Abstimmparameter wählen, welche dann in einer Steuereinrichtung mit einer gewünschten Robustheit resultieren können oder nicht, oder der Benutzer muß einige der zuerst zum Ermitteln des Satzes von Abstimmparametern verwendeten Variablen, wie beispielsweise die Art der zu verwendenden Steuereinrichtung, ändern, um einen neuen Satz von Abstimmparametern zu erhalten. In beiden Fällen kann der Benutzer dennoch nicht einen Satz von Abstimmparametern für eine bestimmte Art von Steuereinrichtung wählen, indem er die gewünschte Robustheit der Steuerschleife angibt, was bedeutet, daß der Benutzer sich mit einer Robustheit zufriedengeben muß, die zu den mittels eines bereitgestellten automatischen Abstimmverfahrens ermittelten Abstimmparametern gehört, oder daß der Benutzer ein kompliziertes manuelles empirisches Verfahren durchführen muß, um einen Satz von Abstimmparametern zu ermitteln, der eine Steuereinrichtung produziert, welche bewirkt, daß eine Steuerschleife eine bestimmte Robustheit hat.
Prozesssteuersysteme und/oder Verfahren zur Steuerung eines Prozesses sind aus der US 4 549 123 A , US 6 330 484 B1 , US 4 602 326 A , US 5 283 729 A , US 5 453 925 A und aus dem Artikel von Kuo B. C. („Digital Control Systems”, zweite A., Sounders College Publishing, Philadelphia, 1992, ISBN 0030329744) bekannt. Des Weiteren wird auf die DE 100 12 258 A1 und die EP 0 628 918 A2 verwiesen.
Ausgehend von der EP 0 628 918 A2 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbessertes Verfahren zum Ermitteln von Abstimmparametern für eine Vielzahl von Feldgeräten anzugeben. Insbesondere soll das Verfahren zu einem robusteren Steueralgorithmus führen sowie die Vorgaben des Benutzers bezüglich der Robustheitsqualität berücksichtigen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung erstellt ein Verfahren zur Ermittlung von Abstimmparametern zur Verwendung beim Abstimmen einer in einer Prozeßsteuerschleife verwendeten Steuereinrichtung eine Robustheitskarte, welche eine Robustheitsqualität (wie beispielsweise Verstärkungsreserve) der Prozeßsteuerschleife grafisch darstellt. Um die Robustheitskarte zu erstellen, ermittelt das Verfahren eine Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern und für jeden einzelnen dieser Sätze einen Wert für die Robustheitsqualität der Prozeßsteuerschleife. Das Verfahren ermöglicht dann einem Benutzer, einen Punkt in der Robustheitskarte auszuwählen, und verwendet mindestens zwei aus der ermittelten Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern, um einen weiteren Satz von Abstimmparametern zu erzeugen, welcher, wenn er zum Abstimmen der Steuereinrichtung verwendet wird, bewirkt, daß die Prozeßsteuerschleife den ungefähren Wert der zum ausgewählten Punkt gehörenden Robustheitsqualität aufweist.
Falls gewünscht, kann der Schritt des Erstellens der Robustheitskarte den Schritt des grafischen Darstellens zweier oder mehrerer Robustheitsqualitäten umfassen, und der Schritt des Ermittelns kann die Schritte des Variierens einer der Robustheitsqualitäten über einen Bereich sowie des Ermittelns eines Satzes von Abstimmparametern (einschließlich zum Beispiel einer maximalen Vorwärtspfadverstärkung) und einer anderen der Robustheitsqualitäten für jeden einzelnen aus einer Anzahl ausgewählter Werte innerhalb des Bereichs umfassen. Falls gewünscht, kann das Verfahren zwischen den mindestens zwei aus der ermittelten Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern interpolieren, um den weiteren Satz von Abstimmparametern zu ermitteln.
In einer Ausführungsform simuliert das Verfahren auch die Prozeßsteuerschleife bei Verwendung einer gemäß dem weiteren Satz von Abstimmparametern abgestimmten Steuereinrichtung, und es kann eine zu dem weiteren Satz von Abstimmparametern gehörende dynamische Reserve ermitteln. Falls gewünscht, kann das Verfahren die Robustheitskarte auch als ein Diagramm, bei welchem die Phasenreserve als Funktion der Verstärkungsreserve aufgetragen wird, erstellen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ermittelt ein Verfahren zur Ermittlung eines Satzes von Abstimmparametern zur Verwendung beim Abstimmen einer Steuereinrichtung, welche für den Einsatz in einer Prozeßsteuerschleife angepaßt ist, eine Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern zur Verwendung beim Abstimmen der Steuereinrichtung sowie für jeden einzelnen aus der Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern eine zugehörige Robustheitsqualität, wobei die Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern und die zugehörige Robustheitsqualität einen stabilen Bereich in einer Robustheitskarte definieren. Das Verfahren stellt dann den stabilen Bereich der Robustheitskarte grafisch dar, um die Robustheitsqualität des stabilen Bereichs zu veranschaulichen, und ermöglicht einem Benutzer, einen Punkt in der Robustheitskarte auszuwählen. Das Verfahren verwendet dann mindestens zwei aus der Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern, um einen weiteren Satz von Abstimmparametern zu ermitteln, wobei der erwähnte weitere Satz von Abstimmparametern zu dem ausgewählten Punkt in der Robustheitskarte gehört, so daß die Steuereinrichtung, wenn sie gemäß dem weiteren Satz von Abstimmparametern abgestimmt ist, bewirkt, daß die Prozeßsteuerschleife ungefähr die Robustheitsqualität des ausgewählten Punkts aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Abstimmsystem, welches dafür angepaßt ist, mit einem Prozessor verwendet zu werden, um eine Prozeßsteuerschleife abzustimmen, welche über eine Steuereinrichtung verfügt, die gemäß einem Satz von Abstimmfaktoren abgestimmt werden kann, ein computerlesbares Medium sowie die auf dem computerlesbaren Medium gespeicherte und für die Ausführung auf dem Prozessor angepaßte erste, zweite und dritte Routine. Die erste Routine ist angepaßt, um durch Ermitteln einer Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern zur Verwendung beim Abstimmen der Steuereinrichtung sowie einer zugehörigen Robustheitsqualität für jeden einzelnen der Sätze von Abstimmparametern eine Robustheitskarte zu erstellen, wobei die Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern und die zugehörige Robustheitsqualität einen stetigen Bereich in der Robustheitskarte definieren. Die zweite Routine ist angepaßt, um einem Benutzer zu ermöglichen, einen Punkt in der Robustheitskarte auszuwählen, und die dritte Routine ist angepaßt, um mindestens zwei aus der ermittelten Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern zu verwenden, um einen weiteren Satz von Abstimmparametern zu erzeugen, welcher, wenn er zum Abstimmen der Steuereinrichtung verwendet wird, bewirkt, daß die Prozeßsteuerschleife den ungefähren Wert der zum ausgewählten Punkt gehörenden Robustheitsqualität aufweist.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 ist ein Blockschaltbild eines Prozeßsteuernetzwerks, das verteilte Steuerelemente enthält, welche eine automatische Abstimmeinrichtung verwenden;
2 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer in einer Steuerschleife innerhalb einer verteilten Prozeßsteuerumgebung eingesetzten automatischen Abstimmeinrichtung;
3 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer in einer Steuerschleife innerhalb einer Prozeßsteuerumgebung mit sowohl verteilten als auch zentralisierten Steuerelementen eingesetzten automatischen Abstimmeinrichtung;
4 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer in einer Steuerschleife innerhalb einer Prozeßsteuerumgebung mit zentralisierten Steuerelementen eingesetzten automatischen Abstimmeinrichtung;
5 ist ein Blockschaltbild eines Abstimmautomatik-Funktionsblocks, der als ein Modifizierer-Funktionsblock innerhalb einer Prozeßsteuerumgebung realisiert ist;
6 ist ein Blockschaltbild eines Prozeßsteuersystems mit einer Benutzerschnittstelle, die beispielhalber ein Simulationsschaubild anzeigt, das sich auf den Betrieb der Steuereinrichtung in einem Prozeß, welcher einen ermittelten Satz von Abstimmparametern verwendet, bezieht;
7 ist ein Beispiel einer Simulationsbildschirmanzeige mit einer Robustheitskarte, welche verwendet werden kann, um einen Satz von Abstimmparametern für eine Steuereinrichtung auszuwählen, um eine Steuerschleife mit den gewünschten Robustheitsqualitäten zu schaffen;
8 ist ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Ermittlung einer Robustheitskarte wie derjenigen in 7; und
9 ist ein weiteres Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Schritte beim Ermitteln der Robustheitskarte in 7.
In 1 nun wird ein Prozeßsteuernetzwerk 10 in Form eines Blockschaltbilds veranschaulicht. Das Prozeßsteuernetzwerk 10 umfaßt eine oder mehrere zentralisierte Prozeßsteuereinrichtungen 12 (von denen in 1 nur eine dargestellt ist), die in der Lage ist bzw. sind, eine darin gespeicherte Prozeßsteuerroutine zu realisieren und/oder mit Steuerelementen wie Funktionsblöcken zu kommunizieren, welche sich in Anlageneinrichtungen befinden, die über das Prozeßsteuernetzwerk 10 verstreut sind. Die Steuereinrichtung 12 kann beispielsweise der von Fisher-Rosemount Systems, Inc. vertriebene DeltaV^TM-Regler sein und kann über einen Konzentrator 16 und Ethernet-Verbindungen 18 mit zahlreichen Arbeitsstationen wie Personal-Computern (PCs) 14 verbunden sein. In dieser Konfiguration können die PCs 14 von einem oder mehreren Bedienern oder Benutzern benutzt werden, um mit der Prozeßsteuereinrichtung 12 oder mit den Anlageneinrichtungen zu kommunizieren, um dadurch Informationen über Elemente des Prozeßsteuernetzwerks 10 zu erhalten, um den Zustand der Elemente im Prozeßsteuernetzwerk 10 zu überprüfen oder zu ändern, um Informationen über einzelne Anlageneinrichtungen im Prozeßsteuernetzwerk 10 zu erhalten usw. Wenn die Steuereinrichtung 12 aus einem DeltaV-Regler besteht, kann sie dem Benutzer über einen der PCs 14 eine grafische Darstellung der Prozeßsteuerroutine in der Steuereinrichtung 12 liefern, welche die Funktionsblöcke oder andere Steuerelemente in der Prozeßsteuerroutine sowie die Art und Weise, in der diese Funktionsblöcke untereinander verbunden sind, um die Steuerung des Prozesses zu besorgen, veranschaulicht. Außerdem kann ein Benutzer oder Bediener, falls gewünscht, befähigt sein, die Abstimmung eines oder mehrerer Funktionsblöcke oder Steuerschleifen von einem der PCs 14 aus einzuleiten.
Wie in 1 dargestellt, ist die zentralisierte Steuereinrichtung 12 mit zahlreichen Anlageneinrichtungen verbunden, welche über einen Prozeß verstreut sind (im allgemeinen durch die Bezugszeichen 19 bezeichnet). Die zentralisierte Steuereinrichtung 12 kann über die I/O-Karten 20 und 22, die beliebige Standardtypen sein können, mit typischen Anlageneinrichtungen 26, 28, 30, 32, 34 und 36, welche der zentralisierten Steuerung durch die Steuereinrichtung 12 unterliegen, kommunizieren. Die I/O-Karte 20 kann zum Beispiel eine analoge I/O-Karte sein, welche die Steuereinrichtung 12 mit analogen, über 4–20 mA-Busse 38 kommunizierenden Anlageneinrichtungen 26 und 28 verbindet. Genauso kann die I/O-Karte 22 eine digitale oder kombinierte digital-analoge I/O-Karte sein, die mit digitalen oder gemischt digital-analogen Anlageneinrichtungen kommuniziert, wobei sie zum Beispiel das 4–20 mA-Analogformat oder ein anderes gewünschtes Format verwendet. Natürlich können die Anlageneinrichtungen 26, 28, 30, 32, 34 und 36 beliebige Arten von Anlageneinrichtungen einschließlich Sendern, Sensoren, Ventilpositionierern, Ventilsteuereinrichtungen usw. sein. Für das als Beispiel in 1 dargestellte Prozeßsteuernetzwerk 10 versteht sich, daß die Anlageneinrichtungen 26–36 zu Teilen des Prozesses 19 gehören, der zentralisierter Steuerung durch eine in der Steuereinrichtung 12 gespeicherte Steuerroutine unterliegt.
Die Steuereinrichtung 12 ist auch mit einer Schnittstellenkarte 40 kommunikativ verbunden, die wiederum mit einem Prozeßsteuernetzwerk, in welchem die Prozeßsteuerung in verteilter Art und Weise erfolgt, verbunden ist (oder die ein Teil dieses Prozeßsteuernetzwerks ist). Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform umfaßt der dezentralisierte Prozeßsteuerteil des Prozesses 19 die Schnittstellenkarte 40, einen Bus 42 und zahlreiche an den Bus 42 angeschlossene Anlageneinrichtungen 43, 44, 46, 48 und 50. Die Einrichtung 43 kann beispielsweise ein Sender sein, der irgendeine Prozeßvariable mißt, während die Einrichtung 44 eine Positionierer/Ventil-Einrichtung sein kann, welche den Durchfluß einer Flüssigkeit im Prozeß steuert. Das verteilte Prozeßsteuernetzwerk in 1 kann zum Beispiel ein Fieldbus-Netzwerk sein, welches das Fieldbus-Kommunikationsprotokoll verwendet, und die Schnittstellenkarte 40 kann eine mit dem Fieldbus-Kommunikationsprotokoll verknüpfte verbindungsaktive Ablaufsteuerung sein.
Die in der Steuereinrichtung 12 befindliche zentralisierte Prozeßsteuerroutine empfängt Eingangsgrößen von den Anlageneinrichtungen 26–36 und eventuell 43–50, führt Berechnungen und andere mit der Steuerroutine zusammenhängende Aktivitäten aus und sendet dann über die E/A-Karten 20 und 22 und über die Schnittstellenkarte 40 Befehle an die Anlageneinrichtungen, um irgendeine gewünschte Steuerung des Prozesses 19 zu realisieren. Es ist jedoch anzumerken, daß der dezentralisierte Teil der Prozeßsteuerung im Prozeßsteuernetzwerk 10 (d. h. der in 1 zum Bus 42 gehörende Teil) seine eigene Prozeßsteuerroutine in dezentralisierter Weise in Verbindung mit (oder anstelle) der von der Steuereinrichtung 12 ausgeführten Steuerung realisieren kann. Somit können diese Einrichtungen, während die Steuereinrichtung 12 mit den an den Bus 42 angeschlossenen Einrichtungen 43–50 kommunizieren und sie in gewissem Grade steuern kann, auch Steuerfunktionen oder Funktionsblöcke realisieren, die nicht mit der von der Steuereinrichtung 12 ausgeführten Steuerung zusammenhängen, sondern die stattdessen über die an den Bus 42 angeschlossenen Einrichtungen verstreut sind. In jedem Fall kann die hierin beschriebene automatische Abstimmeinrichtung verwendet werden, um ein beliebiges in einer der Anlageneinrichtungen 26–36 und 43–50 oder in der Steuereinrichtung 12 in 1 befindliches Steuerelement (wie beispielsweise einen Funktionsblock) abzustimmen.
Obwohl der dezentralisierte Teil des Prozeßsteuernetzwerks 10 in der bevorzugten Ausführungsform das Fieldbus-Kommunikations- und Steuerprotokoll verwendet, könnte er genauso jedes andere bekannte oder gewünschte Protokoll und sogar Protokolle, die erst in Zukunft entwickelt werden, verwenden. Allgemein ist das Fieldbus-Protokoll ein volldigitales, serielles, Zweiwege-Kommunikationsprotokoll, das eine genormte physische Schnittstelle für eine Zweidraht-Schleife oder einen Zweidraht-Bus schafft, die bzw. der ”Anlagen”-Einrichtungen bzw. Feldgeräte wie Sensoren, Stellglieder, Gerätesteuereinrichtungen, Ventile usw., welche sich in einer Meßgeräte- oder Prozeßsteuerumgebung, zum Beispiel in einer Fabrik oder in einer Anlage, befinden, miteinander verbindet. Das Fieldbus-Protokoll schafft im wesentlichen ein lokales Netzwerk für Anlageninstrumente (Anlageneinrichtungen) innerhalb eines Prozesses, was diese Anlageneinrichtungen befähigt, Steuerfunktionen an über eine Prozeßanlage verstreuten Orten auszuführen und vor und nach Ausführung dieser Steuerfunktionen miteinander zu kommunizieren, um eine Gesamt-Steuerstrategie zu realisieren. Weil das Fieldbus-Protokoll es ermöglicht, Steuerfunktionen über ein Prozeßsteuernetzwerk zu verteilen, reduziert es die Auslastung der zentralisierten Prozeßsteuereinrichtung 12 oder eliminiert die Notwendigkeit des zentralisierten Prozessors 12 für diese Anlageneinrichtungen oder Bereiche des Prozesses.
Obwohl das Fieldbus-Protokoll ein relativ neues, volldigitales, für den Einsatz in Prozeßsteuernetzwerken entwickeltes Kommunikationsprotokoll ist, versteht es sich, daß dieses Protokoll in der Fachwelt bekannt ist und in zahlreichen Artikeln, Broschüren und Spezifikationen, die unter anderem von der Fieldbus Foundation, einer gemeinnützigen Organisation mit Sitz in Austin, Texas, veröffentlicht und verbreitet wurden und auch bei dieser erhältlich sind, eingehend beschrieben ist. Folglich werden die Einzelheiten des Fieldbus-Kommunikationsprotokolls hierin nicht ausführlich beschrieben.
2 stellt ein Blockschaltbild miteinander verbundener Funktionsblöcke dar, welche eine Steuerschleife bilden, die beispielsweise innerhalb eines Fieldbus-Netzwerks oder einer anderen verteilten Steuerumgebung realisiert werden kann, in der die Funktionsblöcke innerhalb einer Steuerschleife sich in verschiedenen Einrichtungen befinden, die über ein Kommunikationsnetzwerk, wie einen Bus, miteinander verbunden sind. Die in 2 dargestellte Steuerschleife umfaßt einen Analogeingangs-Funktionsblock (AI) 60 (der sich zum Beispiel im Sender 43 in 1 befinden kann), einen PID-Funktionsblock 62 und einen Analogausgangs-Funktionsblock (AO) 64. Beim der als Beispiel gewählten Schleife in 2 befinden sich der PID-Funktionsblock 62 und der Analogausgangs-(AO-)Funktionsblock 64 im Positionierer/Ventil 44 in 1. Die Kommunikationsverbindungen zwischen den Funktionsblöcken 60, 62 und 64 sind in 2 durch Linien dargestellt, welche die Prozeß- und Steuereingänge und -ausgänge dieser Funktionsblöcke verbinden. Somit ist der Ausgang des Analogeingangs-(AI-)Funktionsblocks 60, der ein Prozeßvariablenmeßsignal oder Prozeßparametersignal enthalten kann, über das Fieldbus-Kabel 42 mit dem Eingang des PID-Funktionsblocks 62 kommunikativ verbunden, welcher wiederum einen ein Steuersignal enthaltenden Ausgang besitzt, der mit einem Eingang des Analogausgangs-(AO-)Funktionsblocks 64 kommunikativ verbunden ist. Ein Ausgang des Analogausgangs-(AO-)Funktionsblocks 64, der ein Rückführsignal enthält, das zum Beispiel die Position des Ventils 44 angibt, ist mit einem Steuereingang des PID-Funktionsblocks 62 verbunden. Der PID-Funktionsblock 62 verwendet dieses Rückführsignal zusammen mit dem Prozeßmeßsignal aus dem Analogeingangs-(AI-)Funktionsblock 60 (und eventuell andere Signale oder Sollwerte), um irgendeine gewünschte Steuerung des Analogausgangs-(AO-)Funktionsblocks 64 auszuführen, um dadurch die vom Analogeingangs-(AI-)Funktionsblock 60 gemessene Prozeßvariable zu steuern. Die durch die Linien im Steuerschleifen-Diagramm in 2 angegebenen Verbindungen können intern innerhalb einer Anlageneinrichtung ausgeführt werden, wenn die Funktionsblöcke sich, wie im Falle des AO-Funktionsblocks 64 und des PID-Funktionsblocks 62, innerhalb ein und derselben Anlageneinrichtung befinden.
Eine automatische Abstimmeinrichtung zur Verwendung beim Abstimmen des Steuerelements 62 umfaßt einen im Positionierer/Ventil 44 befindlichen Abstimmautomatik-Funktionsblock 66. Der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 ist mit dem PID-Funktionsblock 62 kommunikativ verbunden und steuert diesen während einer Phase der Erfassung dynamischer Daten im Verlauf eines Abstimmverfahrens, indem er Signale an dessen Eingänge sendet, einen Ausgang verändert usw. Insbesondere während der Phase der Erfassung dynamischer Daten im Verlauf des Abstimmverfahrens veranlaßt eine Steuerelement-Steuereinrichtung 67 (die zum Beispiel ein entweder in Hardware oder in Software realisierter Signalgenerator sein kann) die Steuerschleife, welche die Funktionsblöcke 60, 62 und 64 umfaßt, einen mit einer kontrollierten, induzierten Schwingung arbeitenden Vorgang (oder irgendeinen anderen gewünschten Abstimmvorgang) zu realisieren. Während dieses Vorgangs sammelt eine Datensammeleinheit 68 von dem PID-Funktionsblock 62 (oder einem anderen Teil der Schleife) erzeugte oder an den PID-Funktionsblock 62 (oder einen anderen Teil der Schleife) gesendete Daten und speichert diese Daten vorzugsweise in einem Speicher der Einrichtung 44. Eine charakteristische Prozeßmerkmale ermittelnde Einheit 69 kann dann mittels irgendeines bekannten oder gewünschten Vorgangs aus den gesammelten Daten beliebige gewünschte charakteristische Prozeßmerkmale ermitteln, die beliebige Prozeß-, Schleifen- oder Gerätekenndaten sein können. Danach übermittelt eine Kommunikationseinheit 70 die berechneten charakteristischen Prozeßmerkmale (oder die zum Ermitteln solcher charakteristischen Merkmale erforderlichen Daten) an eine Abstimm-Steuereinrichtung 71, welche sich vorzugsweise in einer der Bediener-Arbeitsstationen bzw. in einem der Bediener-PCs 14 befindet, sich aber auch entfernt von der Einrichtung 44, in welcher sich der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 befindet, in der zentralisierten Steuereinrichtung 12 usw. befinden kann.
Während des Abstimmverfahrens zwingt der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 der Prozeßschleife bestimmte Veränderungen auf und tastet verschiedene in der Prozeßsteuerschleife vorliegende Größen oder Signale ab, um ein oder mehrere charakteristische Prozeßmerkmale des Prozesses oder der Steuerschleife zu ermitteln. Diese charakteristischen Prozeßmerkmale (oder die während des Abstimmverfahren erfaßten Daten) werden an die Abstimm-Steuereinrichtung 71 gesendet, welche sich in einer anderen Einrichtung befindet, damit diese sie zur Benutzerschnittstellen-Unterstützung und beim Entwickeln eines oder mehrerer Sätze von Steuer- oder Abstimmparametern verwendet. Es versteht sich, daß die Verwendung des PID-Funktionsblocks 62 lediglich ein Beispiel darstellt und daß der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 mit irgendeinem anders gearteten Funktionsblock in jeder anderen Steuerschleife verwendet werden könnte. Außerdem kann sich die Abstimm-Steuereinrichtung 71 in irgendeiner anderen Einrichtung einschließlich beispielsweise einer Benutzer- oder Bedienerschnittstelleneinrichtung (z. B. einer Arbeitsstation), einer Steuereinrichtung oder sogar einer anderen Anlageneinrichtung befinden.
Es versteht sich, daß die einzelnen Elemente des Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66 in jeder gewünschten Art und Weise realisiert werden können. In der bevorzugten Ausführungsform zum Beispiel wird jedes dieser Elemente in Software realisiert, die auf dem zu der Einrichtung, in welcher der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 gespeichert ist, gehörenden Prozessor ausgeführt wird. In diesem Fall kann die Steuerelement-Steuereinrichtung 67 eine Folge von zum Kommunizieren mit den Eingängen und Ausgängen und zum Steuern der Eingänge und Ausgänge des PID-Funktionsblocks 62 oder eines anderen abzustimmenden Funktionsblocks zu verwendenden Befehlen sein. Ebenso kann die Datensammeleinheit 68 bestimmte gewünschte, zum Beispiel mit dem PID-Funktionsblock 62 zusammenhängende Signale überwachen und Daten, welche über diese Signale Aufschluß geben, in einem Speicher der Einrichtung 44 speichern. Die charakteristische Prozeßmerkmale ermittelnde Einheit 69 kann in Software realisiert werden, um aus den gespeicherten oder gesammelten Daten ein oder mehrere charakteristische Prozeßmerkmale zu berechnen oder auf andere Weise zu ermitteln, und die Kommunikationseinheit 70 kann mittels des Kommunikationsprotokolls oder des Aufbaus der Einrichtung 44 mit der Abstimm-Steuereinrichtung 71 kommunizieren. Zum Beispiel in einer Fieldbus-Einrichtung kann die Kommunikationseinheit 70 das innerhalb der Einrichtung 44 schon bereitgestellte Kommunikationssystem veranlassen, die charakteristischen Prozeßmerkmale über den Fieldbus-Bus 42 an die Abstimm-Steuereinrichtung 71 zu übermitteln. In der Fieldbus-Umgebung können die einzelnen Einheiten 67, 68, 69 und 70 als ein eigenständiger Fieldbus-Funktionsblock zusammengepackt oder innerhalb des PID-Funktionsblocks 62 bereitgestellt werden. Alternativ könnten einige oder alle der Einheiten 67, 68, 69 und/oder 70 in Software, Hardware oder Firmware in jeder beliebigen anderen Prozeßsteuerumgebung realisiert werden.
Der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 und insbesondere die Steuerelement-Steuereinrichtung 67 können während des Abstimmverfahrens jedes gewünschte Abstimmverfahren, z. B. jedes beliebige prozeßgekoppelt-offene oder prozeßgekoppelt-geschlossene Verfahren verwenden. Ebenso kann der Abstimmautomatik-Funktionsblock 67 jede gewünschte Variable einschließlich beispielsweise des Ausgangs des Analogausgangs-(AO-)Funktionsblocks 64, des Sollwerts des PID-Funktionsblocks 62, des Ausgangs des Analogeingangs-(AI-)Funktionsblocks 60 usw. messen, um die gewünschten charakteristischen Prozeß- oder Schleifenmerkmale zu ermitteln. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 so konfiguriert, daß er ein mit einer kontrollierten, induzierten Schwingung arbeitendes Verfahren verwendet, um die gewünschten charakteristischen Prozeßmerkmale zu ermitteln. In einer solchen Konfiguration beaufschlagt die Steuereinrichtung 67 des Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66 einen Steuereingang des PID-Funktionsblocks 62 mit einem Rechtecksignal, das einen wählbaren Spitze-Spitze-Wert von 2d hat und um den Wert des vor Einleitung der induzierten Schwingung an den PID-Funktionsblock 62 gesendeten Steuersignals zentriert ist. Als Antwort auf ein solches Rechtecksignal kommt es in der Steuerschleife in 2 zu einer induzierten Schwingung, und der Ausgang des Analogeingangs-(AI-)Funktionsblocks 60 (d. h. die Prozeßvariable) schwingt mit einer Spitze-Spitze-Amplitude 2a und einer Periode T_u. Aus der Amplitude a der Prozeßvariablen und der Amplitude des Rechtecksignals kann die Endverstärkung K_u des Prozesses entsprechend folgender Gleichung hergeleitet werden: K_u = 4d / πa
Die Endperiode T_u des Prozesses kann als gleich der Periode der Schwingung der Prozeßvariablen berechnet werden. Der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 kann natürlich andere Daten messen und andere gewunschte charakteristische Prozeßmerkmale einschließlich beispielsweise der Verzögerungszeit T_d und der Grund-Zeitkonstante des Prozesses ermitteln.
Nach dem Berechnen solcher charakteristischen Prozeßmerkmale übermittelt der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 diese charakteristischen Merkmale an die Abstimm-Steuereinrichtung 71, welche aus den Größen K_u und T_u einen vorläufigen Satz von Steuer- oder Abstimmparametern einschließlich beispielsweise der Proportionalverstärkung K_p (oder Kp), der Integrationszeitkonstante T_i (oder Ti) und der Differentiationszeitkonstante T_d (oder Td) des PID-Steuerungs-Funktionsblocks 62 ermittelt. Falls jedoch gewünscht, kann der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 die erforderlichen Daten erfassen, diese Daten speichern und die gespeicherten Daten über einen Bus in Nicht-Echtzeit an die Abstimm-Steuereinrichtung 71 übermitteln; in diesem Fall kann die Abstimm-Steuereinrichtung 71 die gewünschten charakteristischen Prozeß- oder Schleifenmerkmale in jeder gewünschten Weise berechnen.
Ungeachtet der obigen Erörterung versteht es sich, daß der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 jede gewünschte Routine zur Erfassung dynamischer Daten einschließlich beliebiger der zahlreichen für PI-, PID-, Fuzzy-Logic- oder anders geartete Steuerelemente enthaltende Steuerschleifen bekannten Routinen realisieren kann. Zum Beispiel kann der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 ein mit einer kontrollierten, induzierten Schwingung arbeitendes Verfahren wie ein in der US 4 549 123 A beschriebenes Hägglund-Åström-Relais-Abstimmverfahren, dessen Offenbarung hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme hierin eingeschlossen wird realisieren. Bei dem Relais-Abstimmverfahren bringt der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 die (aus den Funktionsblöcken 60, 62 und 64 bestehende) Prozeßschleife mittels beispielsweise einer nichtlinearen Rückkopplungsfunktion in Eigenschwingung und mißt die Antwort der Prozeßschleife, um die gewünschten charakteristischen Prozeßmerkmale wie Endverstärkung und Endperiode zu ermitteln.
Alternativ kann der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 den Aufbau irgendeiner der in einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung, Seriennr. 08/105,899, mit dem Titel ”Method and Apparatus for Fuzzy Logic Control with Automatic Tuning” eingereicht am 11. August 1993, deren Offenbarung ausdrücklich durch Bezugnahme hierin eingeschlossen wird, beschriebenen Abstimmeinrichtungen einschließen. Zum Beispiel kann der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 (insbesondere die Berechnungseinrichtung 69 für die charakteristischen Prozeßmerkmale) ein modellanpassendes Abstimmverfahren durchführen, in welchem eine Prozeßvariable einer Signaturanalyse unterzogen wird, um aus einer Vielzahl von gespeicherten mathematischen Modellen das Modell auszuwählen, das den Prozeß oder die Schleife am genauesten charakterisiert. Die charakteristischen Prozeßmerkmale der Prozeßschleife werden dann aus dem ausgewählten Modell ermittelt.
Des weiteren kann der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 die charakteristischen Prozeßmerkmale der Schleife mittels eines mit Mustererkennung arbeitenden Prozeßcharakterisierungsverfahrens ermitteln, wie z. B. in der US 4 602 326 A offenbart, dessen Offenbarung hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme hierin eingeschlossen wird. Bei dem mit Mustererkennung arbeitenden Abstimmverfahren werden die charakteristischen Prozeß- oder Schleifenmerkmale ermittelt, indem beobachtet wird, wie eine Prozeßvariable auf eine Störung des Prozesses reagiert. Das Muster der infolge der Störung des Prozesses produzierten Prozeßvariablen wird dann analysiert, um die gewünschten charakteristischen Prozeß- oder Schleifenmerkmale zu ermitteln.
Des weiteren kann der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 jedes beliebige Signaleinspeisungsverfahren zur Ermittlung der charakteristischen Merkmale eines Prozesses (z. B. einer Schleife) verwenden, wie zum Beispiel das in der US 5 283 729 A offenbarte Verfahren. Jedoch kann jedes beliebige andere gewünschte Abstimmverfahren verwendet werden, und die Abstimmautomatik-Steuereinrichtung 66 ist nicht auf die Verwendung mit den spezifischen, hierin beschriebenen oder erwähnten Abstimmverfahren beschränkt.
Ebenso kann die Abstimm-Steuereinrichtung 71 jedes gewünschte Verfahren zur Ermittlung von Abstimmparametern aus den vom Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 berechneten oder gesammelten charakteristischen Prozeß- oder Schleifenmerkmalen (oder Rohdaten) verwenden. Beispielsweise kann die Abstimm-Steuereinrichtung 71 jedes beliebige der in der US 5 748 467 A , dessen Offenbarung hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme hierin eingeschlossen wird, beschriebenen oder erwähnten Abstimmparameter-Berechnungsverfahren verwenden, einschließlich beispielsweise der IMC-Abstimmung (IMC = Internal Model Control), der Cohen-und-Coon-Abstimmung, der Ziegler-Nichols-Abstimmung oder der modifizierten Ziegler-Nichols-Abstimmung, um nur ein paar zu nennen.
Im allgemeinen speichert die Abstimm-Steuereinrichtung 71 einen oder mehrere Sätze von Regeln (z. B. einen Fuzzy-Logic-Regelsatz, eine neuronale Netzwerk-Konfiguration bzw. einen entsprechenden Regelsatz oder einen beliebigen Satz linearer oder nichtlinearer Algorithmen), welche sie verwendet, um entsprechend der Art des abzustimmenden Funktionsblocks Abstimmparameter wie Verstärkung und Zeitkonstante zu ermitteln. Des weiteren kann die Abstimm-Steuereinrichtung 71 (die mit einer beliebigen Anzahl verschiedener Abstimmautomatik-Funktionsblöcke in verschiedenen Einrichtungen kommunizieren kann) verschiedene Sätze von Abstimmparameter-Berechnungsregeln für verschiedene Arten von Steuerblöcken oder -schleifen speichern und somit zur Abstimmung einiger oder aller der PID-, PI-, Fuzzy-Logic- oder anderen Steuerelemente in einem Prozeßsteuersystem verwendet werden. Weil die Abstimm-Steuereinrichtung 71 viele verschiedene, mit verschiedenen Arten von Steuerelementen zu verwendende Sätze von Regeln speichern kann und beim Berechnen der neuen, auf den vom Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 ermittelten dynamischen charakteristischen Prozeßmerkmalen basierenden Abstimmparameter jeden geeigneten Satz von Regeln anwenden kann, muß sich in einem beliebigen Prozeßsteuernetzwerk nur eine einzige Abstimm-Steuereinrichtung 71 befinden.
Nachdem die Abstimm-Steuereinrichtung 71 die neuen Abstimmparameter ermittelt hat, übermittelt sie diese Parameter über den Bus 42 an das entsprechende Steuerelement, wie etwa den PID-Funktionsblock 62 in 2. Falls gewünscht, kann die Abstimm-Steuereinrichtung 71 die Abstimmparameter an den Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 übermitteln, der dann diese Parameter an den PID-Funktionsblock 62 übermitteln kann.
Mittels des oben beschriebenen getrennten Funktionsaufbaus, bei dem die während der Phase der Erfassung dynamischer Daten im Verlauf der Abstimmung ausgeführten Funktionen von den während der Regelanwendungsphase der Abstimmung ausgeführten Funktionen getrennt sind, ist die automatische Abstimmeinrichtung in der Lage, die zeitliche Einteilung des Betriebs der Steuerschleife während der Phase der Erfassung dynamischer Daten im Verlauf des Abstimmverfahrens auf eine sehr genaue Weise zu steuern. Des weiteren ist diese automatische Abstimmeinrichtung in der Lage, so viele Daten zu erkennen und zu speichern, wie nötig sind, um die charakteristischen Prozeßmerkmale der abzustimmenden Steuerschleife genau zu ermitteln, weil die Datenkommunikation über einen Bus nicht in Echtzeit erfolgt. Weil die mit der Ermittlung neuer, auf charakteristischen Prozeß- oder Schleifenmerkmalen (welche sehr stark beteiligt sein können) basierender Abstimmparameter zusammenhängenden, Regeln anwendenden Funktionen nicht in der zur Steuerung der Schleife verwendeten Einrichtung oder von dem zur Steuerung der Schleife verwendeten Funktionsblock ausgeführt werden, brauchen diese Funktionen auch nicht in die arbeitende Schleife codiert zu werden. Dies wiederum reduziert den Gemeinkostenaufwand der Schleife im Vergleich zu Systemen, bei denen sich die gesamte Abstimmroutine innerhalb des abzustimmenden Steuerblocks befindet.
In 3 ist eine weitere automatische Abstimmeinrichtung zur Verwendung in einer Umgebung, die sowohl in zentralisierter als auch in dezentralisierter Weise realisierte Steuerblöcke oder Steuerfunktionen enthält, dargestellt. In diesem Beispiel befinden sich der Analogeingangs-(AI-)Funktionsblock 60 und der Analogausgangs-(AO-)Funktionsblock 64 in der zentralisierten Steuereinrichtung 12 in 1, von welcher sie auch ausgeführt werden; diese kommuniziert mit einer Sender-Einrichtung und einer Ventil/Positionierer-Einrichtung (welche eine beliebige der Einrichtungen 26, 28, 30, 32, 34 oder 36 in 1 sein kann), um die Eingangs- und Ausgangsgrößen dieser Funktionsblöcke zu erhalten. Jedoch ist der PID-Funktionsblock 62 in der Positionierer/Ventil-Einrichtung 44 im dezentralisierten Fieldbus-Netzwerk in 1 gespeichert, von welcher er auch realisiert wird; er kommuniziert über die Fieldbus-Verbindung 42 und die Schnittstellenkarte 40 in 1 mit der zentralisierten Steuereinrichtung 12.
Bei dieser Ausführungsform umfaßt die zentralisierte Steuereinrichtung 12 einen Schatten-PID-Funktionsblock 72 (durch einen gestrichelten Block dargestellt), welcher die mit dem PID-Funktionsblock 62 zusammenhängenden Eingangs- und Ausgangsgrößen und andere Daten spiegelt und mit dem Analogeingangs-(AI-)Funktionsblock 60 und dem Analogausgangs-(AO-)Funktionsblock 64 kommuniziert, als ob der PID-Funktionsblock 62 in der zentralisierten Steuereinrichtung 12 gespeichert wäre und von dieser realisiert würde. Insbesondere sendet der Schatten-PID-Funktionsblock 72, wenn er über Verbindungen Eingangsgrößen vom Analogeingangs-(AI-)Funktionsblock 60 und vom Analogausgangs-(AO-)Funktionsblock 64 empfängt, diese Eingangsgrößen sofort an den eigentlichen PID-Funktionsblock 62 innerhalb des Positionierers/Ventils 44. Die Kommunikation zwischen dem Schatten-PID-Funktionsblock 72 und dem eigentlichen PID-Funktionsblock 62, in 3 durch eine gestrichelte Linie dargestellt, erfolgt mittels des zur Anlageneinrichtung 44 gehörenden Kommunikationsprotokolls, welches in diesem Fall das Fieldbus-Protokoll ist. Der eigentliche PID-Funktionsblock 62 führt dann seine auf den empfangenen Eingangsgrößen basierenden Steuerfunktionen auf normale Weise aus, als ob der Analogeingangs-(AI-)Funktionsblock 60 und der Analogausgangs-(AO-)Funktionsblock 64 Fieldbus-Funktionsblöcke innerhalb des Fieldbus-Netzwerks wären.
Ebenso ist der Schatten-PID-Funktionsblock 72 so konfiguriert, daß er regelmäßige Aktualisierungen der Ausgangsgrößen des eigentlichen PID-Funktionsblocks 62 und anderer über dessen Zustand Aufschluß gebender Daten empfängt und solche Daten zu entsprechenden Zeiten über Verbindungen innerhalb der Steuereinrichtung 12 an den Analogeingangs-(AI-)Funktionsblock 60 und an den Analogausgangs-(AO-)Funktionsblock 64 übermittelt. Auf diese Weise scheint es dem Analogeingangs-(AI-)Funktionsblock 60 und dem Analogausgangs-(AO-)Funktionsblock 64, daß die PID-Steuerfunktion in der zentralisierten Steuereinrichtung 12 bereitgestellt wird. Diese Blöcke können mit dem Schatten-PID-Funktionsblock 72 auf die gleiche Weise kommunizieren wie diese Blöcke mit irgendeinem anderen von der zentralisierten Steuereinrichtung 12 ausgeführten Funktionsblock kommunizieren. Die Einzelheiten bezüglich der Realisierung eines Schatten-Funktionsblocks sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, sondern sind in der U.S.-Patentanmeldung, Seriennr. 09/151,084, mit dem Titel ”A Shadow Function Block Interface for Use in a Process Control Network”, eingereicht am 10. September 1998, die auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen ist, ausführlich beschrieben.
Bei der Ausführungsform in 3 befindet sich der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 innerhalb des Positionierers/Ventils 44 und kommuniziert mit dem bzw. steuert den eigentlichen PID-Funktionsblock 62, wie bezüglich 2 beschrieben, um ein Abstimmverfahren zu realisieren. Ähnlich wie der PID-Funktionsblock 62 hat der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 einen Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76, der sich in der Steuereinrichtung 12 befindet. Der eigentliche Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 kommuniziert mit dem Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 und sendet Daten (wie berechnete charakteristische Prozeß- oder Schleifenmerkmale) an den Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 und empfängt Befehle oder andere Daten vom Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76. Wie bei der Ausführungsform in 2 ist die Abstimm-Steuereinrichtung 71 der automatischen Abstimmeinrichtung in der Arbeitsstation oder im PC 14 gespeichert und wird von der Arbeitsstation oder vom PC 14 realisiert, könnte sich aber stattdessen auch in der Steuereinrichtung 12 oder in einer anderen gewünschten Einrichtung befinden. Die Abstimm-Steuereinrichtung 71 kommuniziert mit dem Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76, um zum Beispiel ein Abstimmverfahren einzuleiten, vom Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 entwickelte charakteristische Prozeß- oder Schleifenmerkmale zu empfangen oder vom Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 gesammelte oder über dessen Zustand Aufschluß gebende Daten zu empfangen.
Wenn bei der Ausführungsform in 3 eine Abstimmung erfolgen soll, empfängt die Abstimm-Steuereinrichtung 71 einen Befehl (z. B. von einem Benutzer oder einer weiteren Steuereinrichtung im Prozeßsteuernetzwerk) zum Einleiten der Abstimmung. Die Abstimm-Steuereinrichtung 71 sendet dann einen Befehl zum Einleiten der Abstimmung an den Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76, welcher diesen Befehl an den eigentlichen Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 sendet. Als Antwort auf diesen Befehl beginnt der eigentliche Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 ein Abstimmverfahren wie eines der oben bezüglich der Ausführungsform in 2 beschriebenen, sammelt während des Abstimmverfahrens von der Schleife erzeugte Daten und berechnet oder ermittelt dann auf andere Weise ein oder mehrere gewünschte charakteristische Prozeßmerkmale. Der eigentliche Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 übermittelt dann diese charakteristischen Merkmale (oder die gesammelten Daten) an den Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76, welcher diese Informationen an die Abstimm-Steuereinrichtung 71 sendet.
Alternativ kann der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 oder die Abstimm-Steuereinrichtung 71 den Zustand des Schatten-PID-Funktionsblocks 72 verändern (was den Zustand des eigentlichen PID-Funktionsblocks 62 verändert), indem er bzw. sie den eigentlichen PID-Funktionsblock 62 zwingt, den eigentlichen Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 aufzurufen oder auf andere Weise mit ihm zu kommunizieren, um dadurch das Abstimmverfahren zu realisieren. In diesem Fall kann der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 bei der Veränderung des Zustands des PID-Funktionsblocks 62 initialisiert oder automatisch installiert werden.
In beiden Fällen ermittelt die Abstimm-Steuereinrichtung 71 mittels eines beliebigen gewünschten Abstimmparameter-Berechnungsverfahrens neue, auf den empfangenen Daten (wie den berechneten charakteristischen Schleifen- oder Prozeßmerkmalen) basierende Abstimmparameter. Die Abstimm-Steuereinrichtung 71 sendet dann solche Abstimmparameter an den Schatten-PID-Funktionsblock 72 (oder irgendeinen anderen gewünschten Funktionsblock), und der Schatten-PID-Funktionsblock 72 sendet diese neuen Abstimmparameter an den eigentlichen PID-Funktionsblock 62, wo sie während des normalen Betriebs der Schleife vom PID-Funktionsblock 62 verwendet werden.
Es versteht sich, daß die Verwendung des Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblocks 76 zwar wünschenswert, aber nicht notwendig ist; stattdessen könnte die Abstimm-Steuereinrichtung 71 direkt mit dem Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 kommunizieren, um einen Abstimmvorgang zu realisieren. Außerdem könnte die Funktionalität des Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66, obwohl die Ausführungsformen der 2 und 3 diesen als einen vom PID-Funktionsblock 62 getrennten Funktionsblock darstellen, stattdessen in den PID-(oder anderen Steuer-)Funktionsblock 62 integriert sein, statt einen separaten Funktionsblock zu bilden.
Vorzugsweise besitzt der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 Attribute, die mit denen des Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66 der Fieldbus-Einrichtung identisch sind. In einer Ausführungsform jedoch brauchen die Fieldbus-Standardattribute STRATEGY, ALERT KEY, MODE BLK und BLOCK ERR im Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 nicht vorhanden zu sein, obwohl sie im eigentlichen Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 vorhanden sind. Auch der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 braucht für den Benutzer nicht direkt sichtbar zu sein, weil er von der Abstimm-Steuereinrichtung 71 nur während der Identifikationsphase (d. h. der Phase der Erfassung dynamischer Daten) des Abstimmvorgangs verwendet wird, um die Steuerung zu initialisieren und die Kommunikation zwischen der Abstimm-Steuereinrichtung 71 und dem Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 zu besorgen. Nichtsdestoweniger stehen die Parameter des Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblocks 76 der Abstimm-Steuereinrichtung 71 und der Abstimm-Benutzerschnittstellenanwendung zur Verfügung und werden von diesen verwendet; falls gewünscht, können sie an eine Benutzeranwendung übermittelt werden. Des weiteren wird der Fieldbus-PID-Funktionsblock 62 vorzugsweise so abgeändert, daß er den Startindex des Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66 enthält, welcher auch zur Verwendung durch den Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 zur Verfügung steht. Dies ermöglicht, daß der PID-Funktionsblock 62 vom Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 gesteuert wird.
Informationen bezüglich charakteristischer Prozeßmerkmale können zum Beispiel in einem Fieldbus-Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 sowie im Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 als Attribute enthalten sein, genauso wie andere zu irgendeiner anderen Art von Fieldbus-Funktionsblock gehörende Attribute. Der Durchschnittsfachmann weiß, daß verschiedene Attribute im eigentlichen Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 sowie im Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 bereitgestellt werden können, je nach der von den verschiedenen Abstimmungsarten verwendeten Art und je nach den verschiedenen Aspekten des Systems, in welchem die automatische Abstimmeinrichtung sich befindet. Einige beispielhafte charakteristische Prozeßmerkmale oder Informationen, die von einem Abstimmautomatik-Funktionsblock bereitgestellt werden können, sind nachfolgend definiert:
T_IPGAIN – Integrationsprozeßverstärkung – Die Änderungsgeschwindigkeit einer Prozeß-Ausgangsgröße bei einem Einheitssprung der Eingangsgröße;
T_UGAIN – Endverstärkung – Der Wert der ausschließlich proportionalen Steuereinrichtungs-Verstärkung, bei welchem eine Schleife gerade noch stabil ist, d. h. an der Grenze zwischen Stabilität und Instabilität liegt;
T_UPERIOD – Endperiode – Die Periode der Schwingung einer Schleife, wenn ihre Steuereinrichtungs-Verstärkung auf die Endverstärkung des Prozesses eingestellt ist;
T_PSGAIN – Statische Prozeßverstärkung – Das Verhältnis der Veranderung in der Prozeß-Ausgangsgröße zur Veränderung in der Prozeß-Eingangsgröße;
T_PTIMEC – Prozeß-Zeitkonstante – Die Zeitdauer zwischen dem Moment, in dem ein System beginnt, auf einen Sprung der Eingangsgröße zu antworten, und dem Moment, in dem es 63 Prozent seines endgültigen, stationären Wertes erreicht; und
T_PDTIME – Prozeß-Verzögerungszeit – Die Länge der Zeit zwischen dem Moment, in dem eine Steuermaßnahme erfolgt, und dem Moment, in dem der Prozeß beginnt, auf diese Maßnahme zu antworten.
Diese Attribute werden im Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 berechnet, wenn ein Abstimmtest abgeschlossen ist, und werden dann an die Abstimm-Steuereinrichtung 71 in beispielsweise der Arbeitsstation 14 übermittelt, welche eine oder mehrere dieser Informationen bezüglich charakteristischer Prozeßmerkmale oder eines oder mehrere dieser Attribute verwendet, um Abstimmparameter wie Verstarkung, Integrationszeit (Kehrwert der Rückstellung) und Differentiationszeit (Geschwindigkeit bzw. Rate) für z. B. eine PI-, PID- oder Fuzzy-Logic-Steuereinrichtung zu ermitteln. Bei einer Ausführungsform können die oben aufgeführten Attribute Gleitkomma-Daten sein, in einem nichtflüchtigen Speicher als statische Daten gespeichert sein und als Nur-Lese-Daten abgerufen werden. Auch kann jedes der oben aufgeführten Attribute in Ansicht 1 und 3 des Fieldbus- oder des DeltaV-Protokolls verfügbar gemacht werden. Es versteht sich, daß die Ansichtenliste im Fieldbus- oder im DeltaV-Protokoll die Parameter definiert, welche aufgrund einer einzigen Anforderung (d. h. einer Ansicht) von Informationen vom Funktionsblock geliefert werden. Somit kann der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 sich mittels einer Ansichtsanforderung die neuesten Werte für eine große Zahl der vom Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 bereitgestellten Attribute verschaffen.
Außerdem versteht es sich, daß die oben aufgeführten Attribute oder charakteristischen Prozeßmerkmale mit einer möglichen Realisierung einer automatischen Abstimmeinrichtung verknüpft sind und daß es andere Attribute und Informationen gibt, die von anderen automatischen Abstimmeinrichtungen geliefert werden können, welche konfiguriert sind, auf andere Weisen zu arbeiten. Solche anderen Informationen bezüglich charakteristischer Prozeßmerkmale können alle gewünschten Arten von Verstärkungen wie Endverstärkung, statische Verstärkung und Integrationsverstärkung, Zeiten wie Endperiode, Totzeit und Differentiationszeit, alle mit dem Prozeß zusammenhängenden Zeitkonstanten und andere gewünschte Informationen umfassen.
Es versteht sich außerdem, daß die genaue Art der realisierten automatischen Abstimmung nicht von Bedeutung ist, und die oben angeführte Liste stellt lediglich ein Beispiel dar, das einige Arten von Informationen bezüglich charakteristischer Prozeßmerkmale enthält, die der Abstimm-Steuereinrichtung 71 verfügbar gemacht werden können, um der Abstimm-Steuereinrichtung 71 zu ermöglichen, einen oder mehrere Abstimmparameter zu ermitteln. Falls gewünscht, kann die Abstimm-Steuereinrichtung 71 jede beliebige Art von PID-, Fuzzy-Logic-, neuronalem Netzwerk-Prozeß usw. verwenden, um Abstimmparameter wie Steuereinrichtungs-Verstärkung, Rückstellung, Geschwindigkeit usw. aus Eingangsgrößen wie Endverstärkung, Endperiode und Totzeit zu ermitteln.
In einer Ausführungsform schreibt die Abstimmautomatik-Anwendung (d. h. die Abstimm-Steuereinrichtung 71) in ein TUNSKI-Attribut des Schatten-PID-Funktionsblocks 72, um anzugeben, daß die automatische Abstimmung auf dem zugehörigen Funktionsblock innerhalb der Fieldbus-Einrichtung (d. h. dem eigentlichen PID-Funktionsblock 62) auszuführen ist. Als Antwort auf diese Attributveränderung wird in der zentralisierten Steuereinrichtung 12 eine Instanz des Schatten-Abstimmautomatik-Blocks 76 erstellt. (Nebenbei schreibt die Abstimm-Steuereinrichtung 71 auch in das TUNSKI-Attribut, um anzugeben, wann die automatische Abstimmung abgeschlossen ist, was bewirkt, daß der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 verworfen wird.) Nachdem der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblocks 76 erstellt ist, wird der Zustand des zugehörigen Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66 in der Fieldbus-Einrichtung gelesen. Wenn der Zustand des Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66 frei ist (T_Request = 0), dann kann die Abstimmung vonstatten gehen. Wenn aber das T_Request-Attribut nicht 0 ist, dann ist die Abstimmung in der Fieldbus-Einrichtung aktiv. In diesem Fall wird die Abstimmanforderung nicht beantwortet, und die Instanz des Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblocks 76 wird gelöscht, um dadurch die automatische Abstimmung zu stoppen.
Wenn ein Abbild des Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblocks 76 erstellt wird, widerspiegeln dessen statische und dynamische Attribute diejenigen des Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66. Diese Werte werden von der Abstimmautomatik-Anwendung (d. h. der Abstimm-Steuereinrichtung 71) abgerufen, als ob ein PID-Funktionsblock in der zentralisierten Steuereinrichtung 12 abgestimmt würde. Somit leitet der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 ein Schreiben dieses Attributwerts in den zugehörigen Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 ein, wenn die Abstimmautomatik-Anwendung 71 einen neuen Wert in ein Attribut des Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblocks 76 schreibt. Ebenso erhält der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 regelmäßig die dynamischen Attributwerte (Ansicht 3 im Fieldbus-Protokoll) des Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66, wenn der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 in einer Fieldbus-Einrichtung aktiv arbeitet. Weil der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 als ein Funktionsblock definiert ist, erfolgt der Zugriff auf diese Ansicht auf die gleiche Weise wie in anderen Blöcken. Die als Antwort auf die Ansichtsanforderung gelieferten dynamischen Attributwerte werden dann im Schattenblock 76 verwendet, um dessen dynamische Attributwerte zu aktualisieren. Wenn die Fieldbus-Schnittstellenkarte 40 (in 1) eine Veränderung in einem statischen Attributwert bemerkt, fordert sie vom Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 sämtliche statischen Attribute (Ansicht 4) an. Die als Antwort auf diese Anforderung empfangenen statischen Werte werden dann verwendet, um die Attribute des Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblocks 76 zu aktualisieren.
Außerdem kann diese Vorlagen-Information, wenn eine Einrichtung innerhalb einer mit der zentralisierten Steuereinrichtung 12 verknüpften Einrichtungsbibliothek einen PID-Funktionsblock enthält, ein zum PID-Funktionsblock gehörendes statisches Attribut umfassen, welches den Objektwörterbuchindex für den Start des damit verknüpften Abstimmautomatik-Funktionsblocks innerhalb der Einrichtung, z. B. innerhalb des Positionierers/Ventils 44 in 3 definiert. Allgemein muß nur ein Abstimmautomatik-Funktionsblock in einer Einrichtung vorhanden sein, welche einen oder mehrere PID-Blöcke (und/oder andere Steuerblöcke) enthält. Jedoch wird der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 vorzugsweise nicht als ein Block in der Einrichtungsvorlage definiert und erscheint folglich nicht in der Bibliothek. Nichtsdestoweniger wird der Index des Abstimmautomatik-Funktionsblocks 66 vom Schatten-Abstimmautomatik-Block 76 verwendet, wenn der Schatten-Abstimmautomatik-Funktionsblock 76 von der zentralisierten Steuereinrichtung 12 erstellt wird. Auf diesem Index basierend wird in der Fieldbus-Schnittstellenkarte 40 für den Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 ein Proxy eingerichtet. Auf diese Weise werden die Abstimmautomatik-Attribute in der entfernten (z. B. Fieldbus-)Einrichtung nur abgerufen, wenn die automatische Abstimmeinrichtung-Anwendung aktiviert ist und der zugehörige PID-Funktionsblock 62 zur Abstimmung ausgewählt wurde. Wenn der PID-Funktionsblock 62 in der entfernten Einrichtung lauft, dann ist die Beziehung des PID-Funktionsblocks zum Abstimmautomatik-Funktionsblock in dieser Einrichtung bekannt. Wenn der PID-Funktionsblock in der zentralisierten Steuereinrichtung 12 läuft, dann wird der Abstimmautomatik-Block zu Beginn der automatischen Abstimmung vom PID-Block instantiiert.
In 4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform den Fall, in welchem der eigentliche Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 sich in der Steuereinrichtung 12 befindet und zum Abstimmen eines ebenfalls in der Steuereinrichtung 12 befindlichen PID-Funktionsblocks 62 verwendet wird. Diese Konfiguration kann verwendet werden, wenn beispielsweise ein Steuerblock abgestimmt werden soll, der eine nicht-programmierbare bzw. nicht intelligente Einrichtung oder irgendeine andere Einrichtung steuert, deren Betrieb von Steuer-Funktionsblöcken, die von der zentralisierten Steuereinrichtung 12 ausgeführt werden, gesteuert wird. Es versteht sich, daß die Abstimm-Steuereinrichtung 71 auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform in 3 arbeitet, abgesehen davon, daß die Abstimm-Steuereinrichtung 71 direkt mit dem eigentlichen Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 kommuniziert, der wiederum mit dem eigentlichen PID-Funktionsblock 62 kommuniziert, die beide in der Steuereinrichtung 12 gespeichert sind.
Natürlich könnte der Abstimmautomatik-Funktionsblock, falls gewünscht, in der Benutzerschnittstelle oder in der Arbeitsstation 14 auf jede übliche oder bekannte Art und Weise bereitgestellt werden, um die automatische Abstimmung einer Prozeßsteuerschleife durchzuführen. Bei einer Ausführungsform wird der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 als ein Modifizierer-Funktionsblock in der entfernten (z. B. Fieldbus-)Einrichtung oder in der Steuereinrichtung 12 bereitgestellt. Allgemein ist ein Modifizierer-Funktionsblock ein Funktionsblock, der den Algorithmus eines Original- oder Basis-Funktionsblocks (wie der PID-Funktionsblock 62) modifiziert, ohne selbst Bestandteil des Original- oder Basis-Funktionsblocks zu sein.
Das Konzept eines Modifizierer-Funktionsblocks wird anhand 5, die einen Basis- oder Original-Funktionsblock 78 darstellt, welcher in diesem Beispiel der PID-Funktionsblock 62 in 2, 3 und 4 sein kann, ausführlich beschrieben. Es versteht sich, daß der Basis- oder Original-Funktionsblock 78 einen Algorithmus 80 umfaßt, der Codezeilen oder andere Arten von Code, welche von einem Prozessor realisiert werden, enthalt. An einem oder mehreren Punkten des in 5 dargestellten Codes, wie an den Punkten 82 und 84, ist im Algorithmus 80 ein Unterbrechungs- oder Verzweigungspunkt gesetzt. Einer oder beide dieser Verzweigungspunkte 82 und 84 können verwendet werden, um im Algorithmus 80 erweiterte Leistungsfähigkeit bereitzustellen, wie beispielsweise die von einem Modifizierer-Funktionsblock 90 mit einem Algorithmus 94 bereitgestellte erweiterte Leistungsfähigkeit.
Allgemein werden die Verzweigungspunkte 82 und 84 zusammen mit beliebigen anderen gewünschten Verzweigungspunkten im Basis-Funktionsblock 78 eingerichtet, wenn dieser erstellt wird. Jedoch kann der Inhalt des Verzweigungspunkts nach dem Kompilieren des Basis-Funktionsblocks 78 so verändert werden, daß er einen Zeiger entweder auf den Modifizierer-Funktionsblock 90 oder auf eine andere Codezeile im Basisalgorithmus 80 enthält. Zu Anfang ist der Zeiger am Unterbrechungspunkt 82 so eingestellt, daß er auf die nächste Codezeile im Algorithmus 80 zeigt oder den Algorithmus 80 veranlaßt, mit der nächsten Codezeile im Algorithmus 80 fortzufahren und folglich ohne die erweiterte Leistungsfähigkeit zu arbeiten. Wenn jedoch dem Basis-Funktionsblock 78 etwas erweiterte Leistungsfähigkeit oder Funktionalität hinzugefügt werden soll, wird der Zeiger an einem oder mehreren Verzweigungspunkten (z. B. am Punkt 82) so eingestellt, daß er den Algorithmus 80 veranlaßt, den Algorithmus 94 im Modifizierer-Funktionsblock 90 aufzurufen oder auf andere Weise die Steuerung an diesen zu übergeben, sobald der Algorithmus 80 diesen Verzweigungspunkt erreicht. Der Zeiger 82 kann, falls gewünscht, eine die Adresse des Modifizierer-Funktionsblocks 90 angebende Adresse im Speicher speichern oder aus irgendeiner bzw. irgendeinem anderen zur Übergabe der Steuerung an den Modifizierer-Funktionsblock 90 verwendeten Verzweigungseinrichtung oder -verfahren bestehen.
Wenn die Steuerung an den Modifizierer-Funktionsblock 90 übergeben wird, werden bestimmte vordefinierte Daten an den Modifizierer-Funktionsblock 90 gesendet oder diesem verfügbar gemacht, welche der Modifizierer-Funktionsblock 90 während der Ausführung des Algorithmus 94 verwendet oder verändert. Diese Daten werden über eine feste oder vordefinierte Schnittstelle bereitgestellt, die in 5 als Schnittstelle 96 dargestellt ist. Die Schnittstelle 96 enthält in der Regel beliebige zur Verwendung durch den Modifizierer-Funktionsblock 90 erforderliche Parameter- oder Datenwerte (oder Zeiger darauf, wie Adressen), die angeben, wohin im Basisfunktionsblock 78 die Steuerung zurückzugeben ist, und/oder beliebige andere vom Modifizierer-Funktionsblock 90 zur Übernahme der Steuerung, zur Ausführung und zur Rückgabe der Steuerung an den Basis-Funktionsblock 78 benötigte Daten oder Informationen. Bei Übernahme der Steuerung realisiert der Modifizierer-Funktionsblock 90 seinen auf die über die Schnittstelle 96 gelieferten Daten einwirkenden Algorithmus 94 und gibt, sobald er fertig ist, die Steuerung an den Punkt im Algorithmus 80 des Basis-Funktionsblocks zurück, welcher sofort an dem Unterbrechungs- oder Verzweigungspunkt fortfährt (in Ausführungsrichtung), von dem die Steuerung abgegeben wurde. Der Modifizierer-Funktionsblock 90 liefert bestimmte Daten über die Schnittstelle 96 (welche dieselbe oder eine andere Schnittstelle als die bei Übergabe der Steuerung an den Modifizierer-Funktionsblock 90 verwendete sein kann) zurück, welche dann vom Algorithmus 80 im Basis-Funktionsblock 78 verwendet werden.
Obwohl in 5 zwei Verzweigungspunkte 82 und 84 dargestellt sind, könnten auch einer, drei oder irgendeine andere Anzahl von Verzweigungspunkten im Original-Funktionsblock 80 enthalten sein, um an einem oder mehreren Punkten im Algorithmus 80 erweiterte Leistungsfähigkeit bereitzustellen. Außerdem können die Verzweigungspunkte im Basis-Funktionsblock 78 so eingerichtet werden, daß sie verschiedene Teile oder Unterroutinen des Algorithmus 94 im Modifizierer-Funktionsblock 90 aufrufen, um dadurch in verschiedenen Teilen des Basisalgorithmus 80 verschiedene erweiterte Funktionen bereitzustellen. Diese Funktionalität kann notwendig sein, um im Basis-Funktionsblock 78, welchem an verschiedenen Punkten im Basisalgorithmus 80 möglicherweise verschiedene Leistungsfähigkeiten hinzugefügt werden müssen, eine völlig neue Funktionalität wie das Abstimmen zu realisieren. Natürlich können im Basisalgorithmus 80 verschiedene Verzweigungspunkte eingerichtet werden, um dieselben oder verschiedene Teile eines einzigen Modifizierer-Funktionsblocks aufzurufen oder um verschiedene Modifizierer-Funktionsblöcke aufzurufen.
Im anfänglichen Verkaufszustand kann der Basis-Funktionsblock 78 lediglich mit den Verzweigungspunkten 82 und 84 (und mit irgendwelchen anderen gewünschten Verzweigungspunkten) ausgestattet sein, welche es ermöglichen, erweiterte Leistungsfähigkeit von Modifizierer-Funktionsblöcken zu einem späteren Datum für den Benutzer bereitzustellen. Wenn der Benutzer die mit einem Modifizierer-Funktionsblock oder mit Modifizierer-Funktionsblöcken zusammenhängende Funktionalität nicht zu realisieren braucht oder nicht realisieren will, braucht der Benutzer nur einen Nullwert oder irgendeine andere Angabe an den Verzweigungspunkten im Basisalgorithmus 80 zu speichern, damit der Algorithmus 80 fortfährt, ohne einen Modifizierer-Funktionsblock aufzurufen. Wenn eine Leistungsfähigkeit eines Modifizierer-Funktionsblocks hinzugefügt werden soll, werden die Werte oder Zeiger an einem oder mehreren Verzweigungspunkten im Basisalgorithmus 80 verändert, um den Basisalgorithmus 80 zu veranlassen, bei Erreichen des Verzweigungspunkts den entsprechenden Modifizierer-Funktionsblock aufzurufen. Dies ist in der Regel möglich, ohne den Basis-Funktionsblock 78 neu zu kompilieren. Danach wird der Modifizierer-Funktionsblock 90 aufgerufen, sobald der Basisalgorithmus 80 den Verzweigungspunkt erreicht. Wenn er aufgerufen wird, realisiert der Modifizierer-Funktionsblock 90 seinen Algorithmus 94, um die Funktionalität des Algorithmus 80 im Basis-Funktionsblock 78 zu erweitern oder zu verändern. Wenn jedoch die erweiterte oder neue Funktionalität nicht mehr erwünscht ist, z. B. am Ende eines Abstimmverfahrens, können die Verzweigungspunkte rückgesetzt werden, um den Basis-Funktionsblock 78 daran zu hindern, den Modifizierer-Funktionsblock 90 aufzurufen.
Auf diese Weise kann der Basis-Funktionsblock 78 zu Anfang ohne die erweiterte Leistungsfähigkeit verkauft werden, was den mit diesem Funktionsblock zusammenhängenden Dokumentationsaufwand und Overhead reduziert. Der Basis-Funktionsblock 78 kann jedoch erweitert werden, indem lediglich der Einrichtung, in welcher der Basis-Funktionsblock 78 gespeichert ist, ein entsprechender Modifizierer-Funktionsblock 90 hinzugefügt wird und die Zeiger im Algorithmus 80 des Basis-Funktionsblocks 78 verändert werden. Dies ermöglicht es, Basisfunktionsblöcke zu einem späteren Datum zu erweitern oder zu verändern, ohne einen gesamten neuen Basis-Funktionsblock realisieren zu müssen und ohne den Basis-Funktionsblock 78 neu kompilieren zu müssen, was das Erweitern des Basis-Funktionsblocks 78 erleichtert. Außerdem können verschiedene Modifizierer-Funktionsblöcke für den gleichen Basis-Funktionsblock entwickelt werden, was dem Benutzer noch mehr Auswahlmöglichkeiten hinsichtlich der Erweiterung des Systems gibt. Dies versetzt auch Funktionsblock-Anbieter in die Lage, mit relativer Leichtigkeit verschiedene Versionen oder Erweiterungen eines Modifizierer-Funktionsblocks zu liefern. Außerdem muß der Algorithmus 80 des Basis-Funktionsblocks 78 nicht verändert werden, um zusätzliche Leistungsfähigkeit bereitzustellen, wenn ein Block dafür ausgelegt ist, eine genormte Schnittstelle zu Modifizierer-Blöcken zu unterstützen. Ebenso wird Unterstützung für zusätzliche Funktionalität nur insoweit benötigt, wie es durch während der Konfiguration gesetzte Blockattribute oder durch eine kundenspezifische Anwendung wie die hierin beschriebene Abstimmanwendung angegeben ist. Dies hat reduzierte Speicher- und CPU Anforderungen zur Folge, wenn die von einem Modifizierer-Funktionsblock bereitgestellten Leistungsmerkmale während des normalen Betriebs des Prozesses nicht erforderlich sind. Es versteht sich, daß der Basis-Funktionsblock bei Verwendung von Modifizierer-Funktionsblöcken unverändert bleibt, abgesehen von der Tatsache, daß er in der Lage sein muß, den Modifizierer-Funktionsblock aufzurufen, d. h. daß er einen oder mehrere rücksetzbare Verzweigungspunkte enthalten muß.
Bei Verwendung in einer Fieldbus-Umgebung läuft der Modifizierer-Funktionsblock 90 (in diesem Fall der Abstimmautomatik-Funktionsblock 66) im selben Ausführungszeitrahmen ab wie der Basis-Funktionsblock (z. B. der PID-Funktionsblock 62). Außerdem braucht der Modifizierer-Funktionsblock 90 für einen Benutzer nicht als ein Funktionsblock im System sichtbar zu sein, weil er lediglich den Algorithmus 80 eines Basis-Funktionsblocks 78 verändert. Falls jedoch gewünscht, kann die Benutzerschnittstelle der Abstimmautomatik-Anwendung sich mittels des bekannten OPC-Protokolls vom Modifizierer-Funktionsblock 90 Informationen verschaffen. Des weiteren ist es einfacher, den Code eines Basis-Funktionsblocks 78 zu verändern, indem man lediglich den Code des Modifizierer-Funktionsblocks 90 verändert, welcher dem System leichter hinzugefügt und leichter aus dem System gelöscht werden kann als der Basis-Funktionsblock 78. Dies beschleunigt in hohem Maße die Entwicklung fortschrittlicher Steuermöglichkeiten und bedeutet, daß ein Kunde dem Basis-Funktionsblock nur Overhead hinzuzufügen braucht, wenn dieser Kunde eine besondere Anwendung hat, welche diese Leistungsmerkmale nutzt. Das heißt, der Kunde kann den Overhead des Systems reduzieren, indem er den Modifizierer-Funktionsblock nicht verwendet und nicht kompiliert, wenn die zusätzliche, vom Modifizierer-Funktionsblock bereitgestellte Funktionalität nicht benötigt wird.
Obwohl die vorliegende Beschreibung auf die Realisierung und Verwendung einer automatischen Abstimmeinrichtung mit einem einzigen Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 und einer einzigen Abstimm-Steuereinrichtung 71 gerichtet ist, versteht es sich, daß die automatische Abstimmeinrichtung eine einzige oder mehrere Abstimm-Steuereinrichtungen 71 und/oder mehrere Abstimmautomatik-Funktionsblöcke 66, die sich in verschiedenen Einrichtungen befinden, umfassen kann. Außerdem versteht es sich, daß ein einziger Abstimmautomatik-Funktionsblock 66 verwendet werden kann, um die Phase der Erfassung dynamischer Daten mehrerer verschiedener Steuerblöcke innerhalb derselben Einrichtung zu realisieren, und daß somit eine Einrichtung mit zwei oder mehr Steuerblöcken dennoch nur einen Abstimmautomatik-Funktionsblock zu haben braucht. Ebenso kann die gleiche Art von Abstimmautomatik-Funktionsblock mit verschiedenen Arten von Steuerblöcken (wie PI-, PID- und Fuzzy-Logic-Steuerblöcken) verwendet werden, weil für Schleifen, welche jede dieser verschiedenen Arten von Steuerelementen enthalten, die gleichen Verfahren zur Erfassung dynamischer Daten verwendet werden können. Abstimmautomatik-Funktionsblöcke können auch mit einem beliebigen externen Prozeßsteuerungs-Kommunikationsprotokoll (außer dem Fieldbus-Protokoll) realisiert werden, und sie konnen verwendet werden, um mit jeder beliebigen Art von Funktionsblock einschließlich solcher Funktionsblöcke, die irgendeinem der verschiedenen vom Fieldbus-Protokoll speziell identifizierten und unterstützten Funktionsblöcke ähnlich oder mit diesem identisch sind, zu kommunizieren. Überdies sei, obwohl der Abstimmautomatik-Funktionsblock hierin als ein Fieldbus-”Funktionsblock” beschrieben wird, darauf hingewiesen, daß die Verwendung des Ausdrucks ”Funktionsblock” hierin nicht auf das beschränkt ist, was das Fieldbus-Protokoll als einen Funktionsblock bezeichnet, sondern vielmehr jede beliebige andere Art von Block, Programm, Hardware, Firmware usw. einschließt, die mit einer beliebigen Art von Steuersystem und/oder Kommunikationsprotokoll zusammenhängt und zur Realisierung irgendeiner Steuerfunktion verwendet werden kann. Und wenn auch Funktionsblöcke in der Regel die Form von Objekten in einer objektorientierten Programmierumgebung annehmen, muß dies nicht der Fall sein; sie können stattdessen aus anderen logischen Einheiten bestehen, die zur Ausführung besonderer Steuerfunktionen (einschließlich Eingabe- und Ausgabefunktionen) in einer Prozeßsteuerumgebung verwendet werden.
Allgemein kann jedes beliebige der oben beschriebenen oder jedes beliebige andere Abstimmverfahren verwendet werden, um einen Satz von Abstimmparametern für eine Steuereinrichtung in einem Prozeßsteuersystem zu erzeugen. Jedoch kann der erzeugte Satz von Abstimmparametern unbefriedigend ausfallen, wenn diese zum Beispiel nicht in einer Prozeßsteuerschleife resultieren, welche die gewünschten Robustheitsqualitäten aufweist. Obwohl einige bekannte Abstimmverfahren bestimmte Robustheitsqualitäten wie die Phasenreserve und die Verstärkungsreserve für eine resultierende Steuerschleife berechnen und diese Schleife als einen Punkt in einer Robustheitskarte auftragen können, kann der Benutzer nicht einen bestimmten gewünschten Satz von Robustheitsqualitäten angeben und automatisch einen Satz von Abstimmparametern ermitteln lassen, welcher in einer Steuerschleife mit den gewünschten Robustheitsqualitäten resultiert.
In 6 simuliert eine Routine 100, die in einer Verarbeitungseinrichtung 102 (welche einer der Hostrechner oder eine der Arbeitsstationen 14 in 1 sein kann) gespeichert sein kann, eine Prozeßsteuerschleife mit einem ermittelten Satz von Abstimmparametern für eine von deren Steuereinrichtungen, erzeugt eine Robustheitskarte für die Steuerschleife und ermöglicht einem Benutzer, durch Auswählen von Punkten in der Robustheitskarte weitere Sätze von Abstimmparametern für die Steuerschleife zu erzeugen. Während das in 6 dargestellte Prozeßsteuersystem den Prozessor 102 (mit zugehörigem Speicher) und eine mit der Steuereinrichtung 12, welche wiederum mit den Anlageneinrichtungen 43, 44 und 45 (in 1) verbunden ist, verbundene Benutzerschnittstelle 103 umfaßt, könnte die Routine 100 in jedem beliebigen anderen Prozeßsteuersystem mit verteilten oder zentralisierten Steuerfunktionen verwendet werden. Außerdem kann die Routine 100 mit einer Abstimm-Steuereinrichtung, wie der Abstimm-Steuereinrichtung 71, und einem zugehörigen Abstimmautomatik-Block (nicht gezeigt) verwendet werden, oder sie kann getrennt und entfernt von einer Abstimmroutine verwendet werden.
Wie oben gesagt, bietet die Routine 100 weitere Kontrolle in einem automatischen Abstimmverfahren und ermöglicht speziell einem Benutzer, gewünschte Robustheitsqualitäten für eine Steuerschleife auszuwählen und die Abstimmparameter zu erhalten, welche zumindest annähernd in einer Schleife mit den gewünschten, automatisch ermittelten Robustheitsqualitäten resultieren. Wenn sie mit einem automatischen Abstimmverfahren verwendet wird, kann die Routine 100 einem Benutzer ermöglichen, die Antwort eines von dem automatischen Abstimmverfahren ermittelten Satzes von Abstimmparametern für das Prozeßsteuersystem zu simulieren und dann diese Abstimmparameter basierend auf gewünschten Robustheitsqualitäten zu verändern.
Insbesondere kann die Routine 100 die von einer Prozeßcharakterisierungsroutine (wie derjenigen im Block 66 in 2–4) oder von irgendeiner anderen Prozeßcharakterisierungsroutine ermittelten Prozeßparameter verwenden, um den Prozeß zu simulieren, und sie kann eine Steuereinrichtung von der vom Benutzer ausgewählten Art oder Form (z. B. PID, PI, Fuzzy-Logic usw.) mit den von der automatischen Abstimmroutine 71 ermittelten Abstimmparametern verwenden, um die Steuerung des Prozesses durch die Steuereinrichtung als Antwort auf beispielsweise einen Sprung oder einen Impuls im Eingang (wie eine Sollwertänderung) zu simulieren. Die Routine 100 kann dann die Antwort der Steuerschleife in einem Diagramm wie dem rechts in 6 gezeigten ausgeben, in welchem die Prozeßvariablen-Ausgangsgröße PV, der Sollwert SP und die Steuereinrichtungs-Ausgangsgröße OUT als Funktion der Zeit aufgetragen sind, um zum Beispiel Überschwingen, Schwingung, Ansprechzeit usw. der Schleife zu veranschaulichen. Die Simulationsgrafik in 6 veranschaulicht die Antwort der Prozeßsteuerschleife auf eine Störung, könnte aber stattdessen die Antwort der Schleife auf eine Sollwertänderung (wie in der Anzeige in 7 ausgeführt) oder auf eine Änderung irgendeiner anderen gewünschten Variablen veranschaulichen. Wie in 6 gezeigt, kann die Grafik oder Anzeige auch die Abstimmparameter (wie die Verstärkung, die Rückstellung und die Geschwindigkeit) für die Steuereinrichtung, für welche die Simulationsgrafik erzeugt wurde, darstellen.
Die Routine 100 kann auch eine Robustheitskarte oder -grafik wie die in 7 dargestellte Robustheitskarte 106 anzeigen.
Die Anzeige in 7 ist der Anzeige in 6 ähnlich, abgesehen davon, daß die Anzeige in 7 die Simulation einer Sollwertänderung darstellt und die Robustheitskarte 106 umfaßt, in welcher die Phasenreserve (y-Achse) als Funktion der Verstärkungsreserve (x-Achse) für die Prozeßsteuerschleife aufgetragen ist. Ein stabiler Bereich 107 (d. h. ein Bereich, in dem die Steuerschleife stabil ist) ist in der Robustheitskarte 106 durch Schraffur veranschaulicht, obwohl stattdessen irgendein anderes gewünschtes Verfahren zur Veranschaulichung des stabilen Bereichs (oder des Bereichs, der für einen Benutzer von Interesse ist) verwendet werden könnte. Zum Beispiel kann die Robustheitskarte 106 die verschiedenen Bereiche der Stabilität und Instabilität mittels verschiedener Farben, Schattierungen usw. angeben. Die Robustheitskarte 106 in 7 veranschaulicht auch die Robustheitsqualitäten der simulierten Steuerschleife (die eine Steuereinrichtung mit den angezeigten Abstimmparametern enthält) als einen Punkt in der Robustheitskarte. Ein solcher Punkt ist als ein Dreieck 194 in 7 dargestellt.
Entsprechend der Erfindung ermittelt die Routine 100 eine Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern zur Verwendung beim Abstimmen der ausgewählten Steuereinrichtung sowie die entsprechenden Robustheitsqualitaten der Steuerschleife, welche eine mittels dieser Abstimmparameter abgestimmte Steuereinrichtung enthält, um den stabilen Bereich 107 in der Robustheitskarte 106 zu erstellen oder zu identifizieren. Danach kann die Routine 100 einem Benutzer ermöglichen, einen Punkt auf der Robustheitskarte 106 auszuwählen, und aus dem ausgewählten Punkt und den gespeicherten Abstimmparametern für andere Punkte auf der Robustheitskarte 106 einen weiteren Satz von Abstimmparametern ermitteln, welcher eine Steuereinrichtung von der ausgewählten Art erzeugt, was in einer Steuerschleife resultiert, welche die zu dem ausgewählten Punkt gehörenden Robustheitsqualitäten aufweist. Die Routine 100 kann dann unter Verwendung des neuen Satzes von Abstimmparametern eine Simulation ausführen, um dem Benutzer zu ermöglichen, die charakteristischen Merkmale dieser neuen Steuereinrichtung zu beurteilen. Eine solche Simulation wird im Bereich ”Simulationsantwort” der Anzeigen in 6 und 7 dargestellt. Der Benutzer kann dann die Schritte des Auswählens eines Punktes in der Robustheitskarte 106, um einen neuen Satz von Abstimmparametern zu ermitteln, und des Beurteilens der Simulation der mittels der neu ermittelten Abstimmparameter abgestimmten Steuereinrichtung (oder Steuerschleife) wiederholen, bis der Benutzer einen Satz von Abstimmparametern erhalten hat, der eine Steuerschleife mit der besten Mischung aus Robustheits- und Antwortqualitäten schafft. Auf diese Weise kann der Benutzer schnell und einfach einen Satz von Abstimmparametern auswählen, welcher den Anforderungen des Benutzers am besten gerecht wird, ohne zahlreiche empirische Versuche durchführen zu müssen, um den zu verwendenden Satz von Abstimmparametern zu erraten.
8 zeigt ein allgemeines Ablaufdiagramm 110 mit den Schritten, die verwendet werden können, um eine Robustheitskarte zur Auswahl eines Satzes von Abstimmparametern für eine Prozeßsteuerschleife zu erzeugen und zu verwenden. In einem ersten Schritt 120 führt der Benutzer ein Prozeßcharakterisierungsverfahren, wie etwa ein beliebiges der oben erörterten Verfahren, bezüglich der automatischen Abstimmeinrichtung in den 1–5 durch. Natürlich ist darauf hinzuweisen, daß die Routine 100 in verteilten Steuersystemen wie dem hierin beschriebenen sowie in zentralisierten oder genormten Steuersystemen, in welchen alle Aktivitäten von einer Host-Einrichtung, einer Steuereinrichtung oder einer Anlageneinrichtung ausgeführt werden, verwendet werden kann. In jedem einzelnen dieser Fälle braucht die Routine 100 nur die während der Prozeßcharakterisierungsphase beispielsweise eines automatischen Abstimmverfahrens oder eines anderen Verfahrens ermittelten Prozeßparameter abzurufen.
In einem Schritt 122 wählt der Benutzer die Struktur der zur Steuerung des Prozesses zu verwendenden Steuereinrichtung oder Steuerroutine aus. Der Schritt 122 ist punktiert dargestellt, um anzuzeigen, daß diese Auswahl vor dem Erzeugen der Robustheitskarte jederzeit stattfinden kann und somit durchgeführt werden könnte, bevor die charakteristischen Prozeßmerkmale ermittelt werden. In einer Ausführungsform unterläßt es die Routine 100, die vom System verwendete Steuereinrichtungs-Struktur in dem automatischen Abstimmverfahren, für welches die charakteristischen Prozeßmerkmale ermittelt wurden, zu verwenden. In dem hierin beschriebenen Beispiel wird vorausgesetzt, daß eine PID-Steuereinrichtung verwendet wird, um einen Prozeß erster Ordnung plus Totzeit zu steuern, obwohl die hierin beschriebenen Verfahren bei Verwendung anderer Arten von Prozeßen und/oder Steuereinrichtungen angewendet werden können. Natürlich kann die PID-Steuereinrichtung eine von vielen verschiedenen Strukturen wie eine proportionale (P), eine integrierende (I) oder eine differenzierende (D) Steuereinrichtung oder irgendeine Kombination aus diesen wie eine PI-, eine PD-, eine ID- oder eine PID-Steuereinrichtung annehmen. Jede dieser Steuereinrichtungen kann jede beliebige gewünschte oder bekannte Form haben. Bekanntlich kommt die Verwendung einer nur differenzierenden (D) Steuereinrichtung bei Prozeßsteuersystemen jedoch selten vor.
Allgemein ist ein PID-Steueralgorithmus ein rückgekoppelter Steueralgorithmus, der eine gewichtete Kombination aus proportionalen, integrierenden und differenzierenden Vorgängen verwendet und mit einer Prozeßvariable pv und einem Sollwert sp arbeitet, um die Prozeßvariable zu steuern. Jeder der proportionalen, integrierenden und differenzierenden Vorgänge hat einen abstimmbaren Wichtungsfaktor. Eine allgemeine Form des PID-Steueralgorithmus läßt sich mathematisch beschreiben als: Out(t) = Kp·p(t) + (1/Ti)·∫e(t)dt + Td·d'(t) wobei:

Out(t): = Ausgangsgröße des Steueralgorithmus;
Kp: = Wichtungsfaktor des proportionalen Vorgangs;
P(t): = Variable, auf welche der proportionale Vorgang angewendet wird;
e(t): = Fehler, berechnet als e(t) = sp(t) – pv(t);
Ti: = Kehrwert des Wichtungsfaktors des integrierenden Vorgangs;
d(t): = Variable, auf welche der differenzierende Vorgang angewendet wird;
d'(t): = Ableitung nach der Zeit von d(t); und
Td: = Wichtungsfaktor des differenzierenden Vorgangs.

P(t) kann berechnet werden als: p(t) = b·sp(t) – pv(t) wobei:

sp(t): = Sollwert oder Zielarbeitspunkt des Steueralgorithmus;
pv(t): = Prozeßvariable oder gemessene Variable; und
b: = ein Wichtungsfaktor, welcher den auf den Sollwert angewendeten proportionalen Vorgang bestimmt (normalerweise eingeschränkt auf den Bereich zwischen Null und Eins).

Ebenso kann d(t) berechnet werden als: d(t) = g·sp(t) – pv(t) wobei:

g: = ein Wichtungsfaktor, welcher den auf den Sollwert angewendeten differenzierenden Vorgang bestimmt (normalerweise eingeschränkt auf den Bereich zwischen Null und Eins).

Natürlich kann der PID-Steueralgorithmus mittels verschiedener Formen realisiert werden, und die Ermittlung der Abstimmfaktoren für den auf Robustheitsqualitäten basierenden PID-Steueralgorithmus kann unter Verwendung eines beliebigen PID-Steueralgorithmus oder eines beliebigen Subsets bzw. einer beliebigen Teilmenge des PID-Steueralgorithmus mit einer beliebigen Kombination aus proportionalen, integrierenden oder differenzierenden Vorgängen angewendet werden. Ein Beispiel einer anderen Form des PID-Steueralgorithmus ist: Out(t) = Kp·(p(t) + (1/Ti)·∫e(t)dt + Td·d'(t))
In diesem Fall wird der Proportional-Wichtungsfaktor Kp auf alle Terme der PID-Steuereinrichtung angewendet. Ebenso kann der PID-Algorithmus so konfiguriert oder realisiert werden, daß er spezifisch ermittelt, welche Terme zu verwenden sind, wobei er tatsächlich Teilmengen der PID-Steuereinrichtung erzeugt. Zu den Beispielen solcher PID-Teilmengen oder -Strukturen gehören:
P + D – nur der proportionale und der differenzierende Term sind zu verwenden;
P + I – nur der proportionale und der integrierende Term sind zu verwenden;
I + D – nur der integrierende und der differenzierende Term sind zu verwenden;
P – nur der proportionale Term ist zu verwenden;
I – nur der integrierende Term ist zu verwenden; und
D – nur der differenzierende Term ist zu verwenden.
Die Wahl der zu verwendenden PID-Struktur bestimmt die Einstellung der Wichtungsfaktoren b und g. Natürlich können die PID-Eingangsgrößen sp(t) und pv(t) auch mittels einer Vielzahl von mathematischen Verfahren gefiltert werden, was in einer Veränderung der Variablen, auf welche die PID-Maßnahmen angewendet werden, resultiert.
Nachdem wie in 8 gezeigt die Form und Struktur der PID-Steuereinrichtung (oder einer anderen Steuereinrichtung) ermittelt ist, ermittelt ein Block 124 einen Satz von Abstimmparametern zur Verwendung beim Abstimmen des PID-Steueralgorithmus oder eines anderen Steueralgorithmus. Natürlich können diese Abstimmparameter auf jede beliebige gewünschte Weise ermittelt werden, wie mittels der hierin beschriebenen Abstimm-Steuereinrichtung 71. Diese Abstimmparameter können einem Benutzer an der Benutzerschnittstelle 103, wie der in 6 dargestellten, in welcher die Verstärkung (Kp), die Rückstellung (Ti) und die Geschwindigkeit (Td) dargestellt sind, gezeigt werden. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Block 126 dem Benutzer ermöglichen, eine Simulationsaktivität für den ermittelten Satz von Abstimmparametern auszuwählen. Zum Beispiel kann an der Benutzerschnittstelle eine Simulations-Schaltfläche angezeigt werden, und der Benutzer kann diese Schaltfläche auswählen, um den Betrieb der Steuerschleife unter Verwendung einer Steuereinrichtung mit den ermittelten Abstimmparametern simulieren zu lassen. Natürlich kann der Benutzer in der Lage sein, eine Simulationsaktivität in irgendeiner anderen gewünschten Weise einzugeben.
Wenn die Simulationsaktivität ausgewählt ist, führt ein Block 128 eine Simulationsroutine aus, welche die Prozeßsteuerschleife mit einem Prozeß, wie etwa dem von den in Schritt 120 ermittelten charakteristischen Prozeßmerkmalen charakterisierten, einer Steuereinrichtung von der in Schritt 122 ausgewählten Form und Struktur und den in Schritt 124 ermittelten Abstimmparametern simuliert. Die Simulationsroutine oder der Block 128 kann jede beliebige gewünschte oder bekannte Gleichung oder jedes Verfahren verwenden, um die Antwort der Prozeßsteuerschleife beispielsweise auf einen Sprung, einen Impuls oder irgendeine andere gewünschte Änderung in einer der Steuer- oder Prozeßvariablen, wie zum Beispiel dem Sollwert, zu simulieren. Der Block 128 kann ein Diagramm ähnlich den in 6 und 7 dargestellten erzeugen, um den Betrieb der Steuerschleife durch Darstellung der Antwort auf die Änderung in der Steuer- oder Prozeßvariablen zu veranschaulichen, oder er kann den Betrieb der Steuerschleife auf jede andere gewünschte Weise simulieren. Verfahren zum Simulieren eines Prozesses unter Verwendung der charakteristischen Prozeßmerkmale sowie der Form und Struktur der Steuereinrichtung sind bekannt und brauchen hierin nicht weiter beschrieben zu werden. Jedoch kann ein bevorzugtes Verfahren zur Simulation der die abgestimmte Steuereinrichtung enthaltenden Steuerschleife unter Verwendung der modifizierten Z-Transformationen für den Prozeß und die entsprechend dem ermittelten Satz von Abstimmparametern abgestimmte Steuereinrichtung durchgeführt werden. Die Verwendung der modifizierten Z-Transformationen ist in der Fachwelt bekannt; sie ist zum Beispiel in Kuo, ”Digital Control System”, 2. Auflage, Saunders College Publishing (1992), dargelegt. Jedoch könnten die diskreten Gleichungen (oder Differentialgleichungen) für den Prozeß und die Steuereinrichtung (welche je nach der Art der verwendeten Steuereinrichtung und des verwendeten Prozesses unterschiedlich ausfallen) verwendet werden, um die Steuerschleife zu simulieren, was bekannt ist.
Als nächstes kann ein Benutzer in der Lage sein, die Robustheit der mittels der entsprechend den ermittelten Abstimmparametern abgestimmten Steuereinrichtung erzeugten Steuerschleife auszuwählen oder zu beurteilen, um den in Block 120 charakterisierten Prozeß zu steuern. (Natürlich können die ermittelten Abstimmparameter andere Parameter als die tatsächlich zum Abstimmen der Steuereinrichtung verwendeten Parameter sein, solange die zum Abstimmen der Steuereinrichtung verwendeten Parameter direkt aus den ermittelten und gespeicherten Abstimmparametern berechnet werden können). Ein Block 130 erzeugt eine Robustheitskarte oder ein Diagramm wie die Karte 106 in 7 auf eine Weise, welche im folgenden beschrieben ist. Die Robustheitskarte kann die Form eines Diagramms annehmen, welches die Phasenreserve als Funktion der Verstärkungsreserve veranschaulicht, obwohl genausogut andere Robustheitsqualitäten oder -maße wie Totzeitreserve, dynamische Reserve (im folgenden beschrieben) oder irgendein anderes Maß für Stabilität, verwendet werden könnten. Auch könnte die Robustheitskarte, falls gewünscht, nur eine Robustheitsqualität oder drei oder mehr Robustheitsqualitäten grafisch darstellen. Bekanntlich ist die Phasenreserve der Wert der Totzeit oder Phase, welcher dem Prozeß oder der Steuereinrichtung hinzugefügt werden kann, bevor die Steuerschleife instabil wird, während die Verstärkungsreserve das Verhältnis der maximalen Verstärkung, die verwendet werden kann, bevor die Steuerschleife instabil wird, zur aktuellen Verstärkung der Steuerschleife (welche sowohl die Verstärkung der Steuereinrichtung als auch die des Prozesses umfaßt) ist. Allgemein ermittelt der Block 130 einen signifikanten Bereich (der eine Linie oder eine Fläche sein kann) von Robustheitsqualitäten, was in einer stabilen Steuerschleife resultiert, die in der Robustheitskarte angezeigt wird, und berechnet dann iterativ eine Anzahl von Sätzen von Abstimmparametern (für die vom Benutzer ausgewählte Struktur und Form der Steuereinrichtung) an in bestimmten Abständen angeordneten Punkten im stabilen Bereich der Robustheitskarte. Die ermittelten Abstimmparameter können dann in Verbindung mit den Robustheitsqualitäten der später zu verwendenden Steuerschleife gespeichert werden. Falls gewünscht, können die Robustheitspunkte (und die zu diesen Punkten gehörenden Abstimmparameter) verwendet werden, um eine Gleichung geschlossener Form zu produzieren, die das Verhalten der Abstimmparameter im stabilen Bereich (d. h. in der auf der Robustheitskarte angezeigten Linie oder Fläche) beschreibt. Alternativ können an in bestimmten Abständen angeordneten Stellen im gesamten stabilen Bereich der Robustheitskarte Robustheitskarten-Punkte ausgewählt und die Abstimmparameter für diese Punkte ermittelt werden. Die ausgewählten Robustheitspunkte (oder Abstimmparameter-Punkte) können in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen oder in irgendeinem anderen gewünschten Muster angeordnet sein.
In einem Block 132 werden die Robustheitsqualitäten der Steuerschleife ermittelt, und die Robustheit der Steuerschleife wird als ein Punkt auf der Robustheitskarte aufgetragen. Die Berechnung der Robustheitsqualitäten (wie die Phasenreserve und die Verstärkungsreserve) einer Steuerschleife, welche eine mittels eines ermittelten Satzes von Abstimmparametern abgestimmte Steuereinrichtung enthält, ist in der Fachwelt bekannt und wird deshalb hierin nicht beschrieben. Als nächstes ermöglicht ein Block 134 dem Benutzer, einen neuen Punkt auf der Robustheitskarte auszuwählen, beispielsweise indem er auf den gewünschten Robustheitspunkt zeigt (zum Beispiel mittels einer Maus, einer Tastatur, eines Lichtgriffels, eines Berührungsbildschirms usw.) und den Punkt anklickt oder auf andere Weise auswählt. Der Block 134 ermittelt dann die Robustheitsqualitäten am ausgewählten Punkt (z. B. die Phasenreserve und die Verstärkungsreserve des ausgewählten Punkts).
Ein Block 136 berechnet dann die Abstimmparameter des ausgewählten Punkts, indem er auf eine beliebige gewünschte Weise zwischen beispielsweise den nächstgelegenen Robustheitspunkten interpoliert, für welche im Block 130 Abstimmparameter berechnet wurden, um die Abstimmparameter zu ermitteln, die dann eine Steuerschleife mit ungefähr der ausgewählten Robustheit produzieren. Bei Durchführung der Interpolation kann jedes beliebige gewünschte Interpolationsverfahren, wie etwa Geradeninterpolation, Flächeninterpolation usw., verwendet werden. Diese Interpolationsverfahren sind in der Fachwelt bekannt und werden deshalb hierin nicht weiter beschrieben. Allgemein jedoch kann die Interpolation durch Ermitteln der zwei, vier usw. nächstgelegenen Punkte in der Robustheitskarte, für welche in Schritt 130 Abstimmparameter ermittelt und gespeichert wurden, durch Abrufen der tatsächlich ermittelten Abstimmparameter für jeden dieser Punkte und durch auf dem Abstand (der Fläche usw.) zwischen dem ausgewählten Robustheitspunkt und den nächstgelegenen Robustheitspunkten, für welche Abstimmparameter ermittelt wurden, basierendes Interpolieren zwischen den Abstimmparameter-Punkten erfolgen. Die Interpolation kann unnötig sein, wenn Gleichungen geschlossener Form für die Robustheitskarte ermittelt wurden; in diesem Fall können die Gleichungen geschlossener Form verwendet werden, um den Satz von Abstimmparametern zu berechnen, der in einer Schleife mit den ausgewählten Robustheitsqualitäten resultiert.
Nachdem der neue Satz von Abstimmparametern für den ausgewählten Punkt in der Robustheitskarte ermittelt ist, kann ein Block 138 die Steuerschleife oder die Steuereinrichtung mittels dieser neuen Abstimmparameter auf die gleiche Weise simulieren, wie der Block 128 die Steuerschleife simulierte. Als nächstes geht die Steuerung an den Block 132 über, und die tatsächliche Robustheit der Steuerschleife mit den neuen Abstimmparametern kann ermittelt und auf der Robustheitskarte aufgetragen werden. Danach, in Block 134, kann der Benutzer, falls gewünscht, einen neuen Robustheitspunkt auswählen, um die Schritte 136, 138 und 132 zu wiederholen, bis der Benutzer einen Satz von Abstimmparametern herausgefunden hat, welcher den besten Satz von Robustheitsqualitäten und Prozeßsteuerqualitäten, der von der Simulationsroutine ermittelt wurde, ergibt. Dieses Verfahren ermöglicht dem Benutzer, basierend auf gewünschten Robustheitsqualitäten schnell und einfach eine beliebige Anzahl von Abstimmparametern für eine ausgewählte Struktur und Form einer Steuereinrichtung zu ermitteln und die mittels jedes einzelnen der Sätze von Abstimmparametern erzeugten Steuerqualitäten der Steuereinrichtung zu beurteilen. Wenn einige der ausgewählten Abstimmparameter eine instabile oder gerade noch stabile Steuerschleife produzieren, kann dies natürlich auf der Robustheitskarte durch Verwendung verschiedener Farben, durch Auftragen von charakteristischen Merkmalen, Blinklichtern, Alarmen usw. gezeigt werden.
Obwohl anhand 8 beschrieben wurde, wie einem Benutzer ermöglicht wird, mittels einer grafischen Robustheitskarte gewünschte Robustheitsqualitäten auszuwählen, versteht es sich, daß der Benutzer irgendein anderes Verfahren zum Auswählen von Robustheitsqualitäten, wie etwa das Eingeben der gewünschten Robustheitsqualitäten über eine Tastatur usw., verwenden könnte.
In 9 veranschaulicht eine Routine oder ein Ablaufdiagramm 150 die Schritte, die realisiert werden können, um in Block 130 in 8 eine Robustheitskarte wie die Karte 106 in 7 zu erzeugen. Allgemein verwendet die Routine 150 zum Erzeugen der Robustheitskarte die Form und Struktur der PID-Steuereinrichtung (einschließlich der vom Benutzer angegebenen anwendbaren PID-Eingangsfilterparameter und PID-Abstimmparameter), die identifizierten Prozeßparameter und die Information, ob der Prozeß ein integrierender Prozeß ist oder nicht (was vom Benutzer jederzeit angegeben werden kann, bevor die erste Robustheitsinitialisierung durchgeführt wird), die von der automatischen Abstimmeinrichtung berechneten oder anschließend vom Benutzer vor der Robustheitsinitialisierung eingegebenen PID-Abstimmparameter und das vom Benutzer angegebene Abstimmverfahren. Natürlich kann die Routine 150 in einem Prozessor 102 gespeichert und ausgeführt werden, der mit einer Benutzerschnittstelle, einer Steuereinrichtung oder irgendeiner anderen gewünschten, einen Prozessor und einen Speicher beinhaltenden Einrichtung verbunden ist. Die Routine 150 kann zum Beispiel von derselben Einrichtung wie oder einer anderen Einrichtung als derjenigen Einrichtung, welche den hierin beschriebenen automatischen Abstimmvorgang, Prozeßcharakterisierungsvorgang oder Simulationsvorgang durchführt, ausgeführt werden.
Ein Block 152 der Routine 150 wandelt vorzugsweise die identifizierten Prozeßparameter in modifizierte Z-Transformations-Darstellungen um, so daß die Totzeiten, welche nicht Vielfache des Abtastintervalls der Steuerschleife sind, genau behandelt werden können. Die Umwandlung vom Zeitbereich (oder von Laplace-Transformations-Gleichungen) in modizierte Z-Transformationen kann mittels jeder beliebigen bekannten Technik durchgeführt werden und wird deshalb hierin nicht beschrieben. Falls gewünscht, könnten jedoch stattdessen die Zeitbereichs- oder Frequenzbereichs-Gleichungen verwendet werden.
Als nächstes ermittelt ein Block 154 den Bereich beispielsweise der Integrations- und Differentiations-Wichtungsfaktoren, welche unter Nutzung der Robustheitskarte aufgetragen werden, und ermittelt dadurch die charakteristische Form der Robustheitskarte (d. h. ob der stabile Bereich ein Volumen, eine Fläche, eine Linie usw. ist). Wenn die Robustheitskarte ein Volumen ist, kann sie in manchen Fällen ein n-dimensionales Volumen sein, wobei n größer als drei sein kann. Allgemein bestimmt die Struktur der PID-Steuereinrichtung die Beschaffenheit des stabilen Bereichs der Robustheitskarte. Beispielsweise wenn die Struktur der Steuereinrichtung P + D oder I + D oder I ist, dann ist der stabile Bereich im Robustheitsplan gewöhnlich eine Linie. Wenn die Steuereinrichtung die Struktur P + I hat, dann ist der stabile Bereich auf der Robustheitskarte gewöhnlich eine Fläche. Wenn die Steuereinrichtung die Struktur P + I + D hat, dann kann der stabile Bereich der Robustheitskarte ein Volumen sein. Im Falle, daß die Steuereinrichtung die Struktur P + I + D hat, kann die Routine 150 eine Scheibe des Volumens ermitteln, und diese Scheibe kann in einem zweidimensionalen Diagramm grafisch dargestellt werden, um das Verstehen und die Nutzung der Robustheitskarte zu erleichtern. Falls gewünscht, kann jedoch der gesamte stabile Bereich auf eine dreidimensionale Weise beispielsweise mittels einer dreidimensionalen grafischen Darstellung, einer Anzahl von zweidimensionalen grafischen Darstellungen oder irgendeines anderen gewünschten Verfahrens in der Robustheitskarte angezeigt werden.
Der Bereich der zu verwendenden Integrations- und Differentiations-Wichtungsfaktoren in der Robustheitskarte kann auf jede gewünschte Weise ermittelt werden. Beispielsweise können diese Bereiche eingestellt oder festgelegt, vom Benutzer eingegeben oder auf der Struktur der PID-Steuereinrichtung und auf den charakteristischen Prozeßmerkmalen basierend berechnet werden. Ein Verfahren zur Berechnung der Bereiche der Differentiations- und Integrations-Wichtungsfaktoren für einen Totzeitprozeß mit einem Pol oder für einen integrierenden Prozeß mit Totzeit ist nachfolgend angegeben. Bekanntlich hängen Pole und Nullstellen für einen Prozeß mit den Übertragungsfunktionen des Prozesses zusammen, deren Zeitabhängigkeiten gewöhnlich als komplexe Werte (Werte mit Real- und Imaginärteil) ausgedrückt werden müssen. Ein Beispiel hierfür ist die allgemeine Losung des Polynoms n-ten Grades (in Laplace-Schreibweise) a0 + a1·s1 + ... an·sn. Eine Übertragungsfunktion, welche ein solches Polynom entweder im Zähler oder im Nenner beinhaltet, kann komplexe oder reelle Pole und Nullstellen haben. Für eine PID in Reihenform (die immer in die oben angegebene allgemeine Form umgewandelt werden kann) kann das folgende Verfahren verwendet werden, bei welchem der Block 154 die Information, ob der Prozeß ein integrierender oder ein nicht-integrierender Prozeß ist, nutzt.

(1) Wenn der Prozeß ein integrierender Prozeß ist und die Steuereinrichtung die Struktur P + D hat, dann gilt:

Der Integrations-Wichtungsfaktor (1/Ti) wird auf Null gesetzt. Td = a·DT wobei:

DT: = Totzeit des Prozesses; und
a: = eine abstimmbare Konstante (vorzugsweise mit einem Wert von ungefähr 0,5).

Hier wird der Differentiations-Wichtungsfaktor auf eine Konstante gesetzt, und dem Proportional-Wichtungsfaktor wird zugestanden, sich beim Entwickeln der Robustheitskarte in gewisser Weise zu ändern. In diesem Fall ist der resultierende stabile Bereich der Robustheitskarte eine Linie. Falls gewünscht, könnte jedoch dem Differentiations-Wichtungsfaktor zugestanden werden, sich zwischen zwei Werten zu ändern, was darin resultieren würde, daß der stabile Bereich in der Robustheitskarte aus einer Fläche bestünde. Weil die differenzierende Komponente jedoch in den meisten P + D-Steuereinrichtungen eine solch kleine oder unbedeutende Rolle spielt, ist es mathematisch und rechentechnisch einfacher, den Differentiations-Faktor auf eine Konstante (oder auf Null) zu setzen.

(2) Wenn der Prozeß ein integrierender Prozeß ist und die Steuereinrichtung die Struktur P + I oder P + I + D hat, dann gilt:

Td = a·DT

RV1Ti = b/Integrationsverstärkung

b: = eine abstimmbare Konstante mit einem Wert, der in der Regel ungefähr 10 beträgt;
Ti: = Kehrwert von Ki; und
RV1Ti: = Bereichswert 1 von Ti.

RV2Ti = c/Integrationsverstärkung

c: = eine abstimmbare Konstante mit einem Wert, der in der Regel ungefähr 5 beträgt; und
RV2Ti: = Bereichswert 2 von Ti.

Es versteht sich, daß die Integrationsverstärkung eines der von der Prozeßcharakterisierungsroutine ermittelten charakteristischen Prozeßmerkmale ist. Hier wird der Wert von Ti für jede dieser Steuereinrichtungen zwischen den zwei Bereichswerten RV1Ti und RV2Ti variiert. Somit ist der Stabilitätsbereich des Robustheitsplans für jeden dieser Fälle eine Fläche, weil sowohl dem Integrations-Wichtungsfaktor als auch dem Proportional-Wichtungsfaktor zugestanden wird, sich beim Ermitteln der Robustheitskarte zu ändern. Dem Differentiations-Wichtungsfaktor könnte in einer PID-Steuereinrichtung zugestanden werden, sich zu ändern, was darin resultieren würde, daß der Stabilitätsbereich aus einem Volumen bestünde. Um den Stabilitätsbereich als einen zweidimensionalen Bereich darzustellen und weil die differenzierende Komponente bei der Auswahl der Abstimmparameter für eine P + I + D-Steuereinrichtung gewöhnlich eine geringere Rolle spielt, wird der Differentiations-Wichtungsfaktor in diesem Beispiel jedoch auf einen konstanten Wert gesetzt.
Allgemein ist es nicht sinnvoll oder führt zu einer instabilen Steuerung, wenn für einen integrierenden Prozeß eine ausschließlich integrierende I-Steuereinrichtung oder eine ausschließlich differenzierende D-Steuereinrichtung oder eine I + D-Steuereinrichtung verwendet wird. Deshalb kann eine Kontrolle durchgeführt werden, um dem Benutzer mitzuteilen, daß diese Wahl einer Steuereinrichtungs-Struktur in einem integrierenden Prozeß vermieden werden sollte. Ebenso könnte eine rein proportionale (P-)Steuereinrichtung verwendet werden; in diesem Fall werden der Differentiations- und der Integrations-Wichtungsfaktor auf Null gesetzt, und dem Proportional-Wichtungsfaktor wird zugestanden, sich mit der Veränderung der Robustheitsqualität zu ändern, was einen Stabilitätsbereich auf der Robustheitskarte ergibt, der aus einer Linie besteht.

(3) Wenn der Prozeß ein nicht-integrierender Prozeß ist und die Steuereinrichtungtruktur P + D ist, dann gilt:

Der Integrations-Wichtungsfaktor (1/Ti) wird auf Null gesetzt. Td = 0
Hier wird wieder der Differentiations-Wichtungsfaktor auf Null (oder igendeine andere Konstante) gesetzt, und dem Proportional-Wichtungsfaktor wird zugestanden, sich beim Ermitteln der Robustheitskarte in gewisser Weise zu ändern. In diesem Fall ist der resultierende stabile Bereich der Robustheitskarte eine Linie. Falls gewünscht, könnte jedoch dem Differentiations-Wichtungsfaktor zugestanden werden, sich zwischen zwei Werten zu ändern, was darin resultieren würde, daß der stabile Bereich in der Robustheitskarte aus einer Fläche bestünde. Weil die differenzierende Komponente jedoch in den meisten P + D-Steuereinrichtungen eine solch kleine Rolle spielt, ist es mathematisch und rechentechnisch einfacher, den Differentiations-Wichtungsfaktor auf eine Konstante zu setzen.

(4) Wenn der Prozeß ein nicht-integrierender Prozeß ist und die Steuereinrichtungtruktur I + D oder I ist, dann gilt:

Td = 0

Weil Td auf Null (oder eine andere Konstante) gesetzt ist, besteht der Bereich der Stabilitat hier aus einer Linie. Dem Integrations-Wichtungsfaktor (1/Ti) wird jedoch zugestanden, sich zu ändern, und er wird basierend auf dem für die Karte gewählten Wert der Robustheitsqualität ermittelt. In anderen Worten, weil der Bereich der Stabilität in der Robustheitskarte für diesen Fall eine Linie ist und weil der Proportional-Wichtungsfaktor auf Null gesetzt ist, gibt es für jeden einzelnen Wert der Robustheitsqualität, z. B. die Verstärkungsreserve oder die Phasenreserve, nur einen Ti-Wert, und folglich ist es nicht erforderlich, einen Bereich für die Variation von Ti zu definieren, da Ti vollständig von der in der Robustheitsqualität durchgeführten Variation abhängt.

(5) Wenn der Prozeß ein nicht-integrierender Prozeß ist und die Struktur P + I oder P + I + D ist, dann gilt: RV1Ti = Max(0,5·DT, τ) RV2Ti = f1(DT, τ, RV1Ti) RV1Td = Min(0,5·DT, τ) RV2Td = f2(DT, RV1Td) wobei τ die Zeitkonstanten-Darstellung des einzigen Pols des Prozesses ist.

Die Funktionen f1 und f2 können offline in Abhängigkeit von der Totzeit, einer oder mehreren der charakteristischen Prozeßmerkmale wie der Zeitkonstante τ und dem anderen Bereichswert ermittelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wurde eine Anzahl von Simulationen ausgeführt, um die Beziehungen zwischen DT und τ zu ermitteln, welche Werte von Ti und Td ergaben, die (bei Verwendung eines Integrals des Absolutfehlerverfahrens) die beste Störantwort-Unterdrückung produzierten. In diesem Fall wurden die Terme f1() und f2() heuristisch als Linien ermittelt, welche für höhere Verstärkungsreserven einen integrierten Absolutfehler ergeben, der beim oder nahe dem Minimum für einen Prozeß erster Ordnung plus Totzeit liegt, und diese Terme können aufgestellt werden als: f1() = (0,1754 + 0,1·DT/(RV1Ti + DT))·(RV1Ti + DT) f2() = 0,85·(RV1Td)
Die Bereichswerte der Faktoren Td und Ti konnten jedoch auf irgendeine andere Weise ermittelt werden, um zur Verwendung beim Erstellen der Robustheitskarte einen brauchbaren Bereich zu bestimmen, innerhalb dessen die Prozeßsteuerschleife stabil ist.
Es versteht sich, daß, basierend auf der Steuereinrichtungs-Struktur und dem Prozeß, aus diesen Gleichungen für jeden der Proportional- und Integrations-Wichtungsfaktoren ein einzelner Wert oder ein Wertebereich ermittelt wird. Es versteht sich jedoch, daß die zum Ermitteln des Bereichs von Ti und Td in den obigen Gleichungen bereitgestellten grundlegenden Verfahren und Funktionen nicht von besonderer Bedeutung sind. Wichtig ist vielmehr, einen Bereich der Robustheitskarte zu ermitteln, für welchen die sich letzten Endes ergebenden Kombinationen aus Ti und Td brauchbar (z. B. stabil) sind.
Nachdem der Block 154 Bereiche für die Integrations- und Differentiations-Wichtungsfaktoren ermittelt hat, erzeugt ein Block 156 die Daten für die Robustheitskarte. Der Block 156 kann ein iteratives Verfahren durchführen, das eine der Robustheitsqualitäten (z. B. die Verstärkungsreserve) variiert und die andere der Robustheitsqualitäten (z. B. die Phasenreserve) und den anderen der Abstimmparameter (z. B. den Proportional-Wichtungsfaktor Kp oder die maximale Vorwärtspfadverstärkung) für jede der ausgewählten Verstärkungsreserven und, falls notwendig, für jeden Satz von Ti- und Td-Werten in den dafür in Block 154 erstellten Bereichen ermittelt. Somit können die Werte von Ti und Td für jede ausgewählte Verstärkungsreserve zwischen den dafür erstellten Bereichswerten iterativ variiert werden, um in jedem der ausgewählten Verstärkungsreserve-Intervalle eine Anzahl von Robustheitspunkten zu produzieren. Wenn nur ein Wert entweder von Ti oder von Td ermittelt wird, dann wird natürlich dieser Wert in jeder iterativen Berechnung für eine bestimmte Verstärkungsreserve verwendet. Wenn sowohl für den Wert von Ti als auch für den Wert von Td ein Bereich zur Verfügung steht, kann der erste konstant gehalten werden, während der zweite zwischen den zwei Bereichen für diese Variable schrittweise verändert wird. Danach wird der erste um einen Schritt verändert und der zweite erneut über den zugehörigen Bereich schrittweise verändert und so weiter, bis die erste Variable über ihren gesamten Bereich verändert worden ist. Dieser Prozeß kann für jeden ausgewählten Wert der Verstärkungsreserve (oder Phasenreserve) wiederholt werden.
So wird in einer Ausführungsform ein Bereich von Verstärkungsreserven ausgewählt, und dieser Bereich wird in eine Anzahl von Schritten unterteilt, z. B. 10, 100, 1000 usw. Für jede der ausgewählten Verstärkungsreserven, d. h. für die Verstärkungsreserve bei jedem der Schritte im Verstärkungsreserve-Bereich, wird der Satz von Wichtungsfaktoren Ti und Td zwischen den für diese Faktoren ausgewählten Bereichen variiert, und bei jedem Satz von Ti, Td und Verstärkungsreserve werden die Phasenreserve und der Proportionalverstärkungs-Wichtungsfaktor Kp (oder alternativ die maximale Vorwärtspfadverstärkung, welche für die Zwecke der Erfindung einen Abstimmparameter darstellt, aus welchem der Kp-Faktor ermittelt werden kann) berechnet und gespeichert. Wenn nur einer der Wichtungsfaktoren Ti und Td zwischen zwei Werten variiert und der andere auf Null oder auf eine Konstante gesetzt wird, dann produziert die iterative Berechnung eine Fläche in der Robustheitskarte mit zahlreichen Punkten bei jedem der ausgewählten Verstärkungsreserve-Werte. Wenn jedoch die Wichtungsfaktoren Ti und Td beide zwischen zwei Werten variiert werden, dann wird ein Volumen erzeugt, wenn diese Faktoren zwischen den zwei Bereichen für jeden der verschiedenen Verstärkungsreserve-Werte variiert werden. Um eine zweidimensionale grafische Darstellung zu erstellen und Berechnungen einzusparen, kann eine Scheibe aus diesem Volumen auf der Robustheitskarte angezeigt werden, indem einer der Wichtungsfaktoren Ti und Td konstant gehalten wird oder alternativ die Werte von Ti und Td zusammen variiert werden. Zum Beispiel kann der erste Satz von Ti- und Td-Werten der minimale Wert jedes der Ti- und Td-Bereiche sein. Anstatt den Ti-Wert auf seinem Minimum zu halten und den Td-Wert zwischen seinem minimalen und maximalen Wert zu variieren, kann der nächste Satz von Ti- und Td-Werten (für dieselbe Verstärkungsreserve) jedoch der minimale Ti-Wert plus 10 Prozent (oder ein anderer Prozentsatz) des Ti-Bereichs und der minimale Td-Wert plus 10 Prozent (oder ein anderer gewünschter Prozentsatz) des Td-Bereichs sein. Auf diese Weise werden die Werte von Ti und Td zusammen über ihren jeweiligen Bereich variiert, wodurch die Anzahl von für die Robustheitskarte ermittelten Punkten reduziert wird und Robustheitspunkte innerhalb einer Fläche anstatt innerhalb eines Volumens der Robustheitskarte berechnet werden.
Die Phasenreserve und die maximale Vorwärtspfadverstärkung, welches in der Fachwelt bekannte Begriffe sind, können bei jedem Iterationsschritt wie folgt berechnet werden. Für jede Kombination aus Ti und Td zwischen den oben unter Verwendung einer Schrittgröße, welche für die Werte von Ti und Td gleich oder unterschiedlich sein kann (und welche für diese Variablen getrennt oder zusammen variiert werden kann), berechneten Bereichswerten (einschließlich der Bereichswerte) wird die maximale Vorwärtspfadverstärkung herausgefunden. Um die maximale Vorwärtspfadverstärkung herauszufinden, findet der Block 156 zuerst die Frequenz heraus, bei welcher – bei Kp = 1 und statischer Prozeßverstärkung = 1 – die kombinierte Phasenverschiebung der PID-Steuereinrichtung und des Prozesses 180 Grad beträgt und welche als Phasenschnittfrequenz bezeichnet wird. Diese Berechnung kann durchgeführt werden, indem die modifizierte Z-Transformations-Darstellung des Prozesses und der PID-Steuereinrichtung in die Frequenzbereichs-Darstellung umgewandelt wird und die Frequenz iterativ verändert wird, bis die kombinierte Phasenverschiebung der PID-Steuereinrichtung und des identifizierten Prozesses 180 Grad beträgt. Bei dieser Frequenz kann die maximale Vorwärtspfadverstärkung, bei welcher die Steuerschleife instabil wird, berechnet werden als: Maximale Vorwärtspfadverstärkung = 1/(|PID(ω₁₈₀)|·|Prozeß(ω₁₈₀)|) wobei:

|PID(ω₁₈₀)|: = dynamische Verstärkung der PID-Steuereinrichtung bei der Phasenschnittfrequenz; und
|Prozeß(ω₁₈₀)|: = dynamische Verstärkung des Prozesses bei der Phasenschnittfrequenz.

Die Berechnung der dynamischen Verstärkung des Prozesses ist bekannt und wird deshalb hierin nicht weiter beschrieben.
Als nächstes berechnet der Block 156 für jede Verstärkungsreserve zwischen der minimalen Verstärkungsreserve und der maximalen Verstärkungsreserve (einschließlich der maximalen und der minimalen Verstärkungsreserve) die Phasenreserve, wobei die zum Auswählen der Werte zwischen der minimalen und der maximalen Verstärkungsreserve verwendete Schrittgröße willkürlich oder vom Benutzer vorgegeben sein kann. Um die Phasenreserve bei jedem beliebigen Verstärkungsreserve-Wert (und bei den aktuell verwendeten Werten von Ti und Td) zu ermitteln, findet der Schritt 156 zuerst die Frequenz heraus, bei welcher die kombinierte Verstärkung der PID-Steuereinrichtung und des Prozesses Eins (1) beträgt und welche als Durchtrittsfrequenz bezeichnet wird. Die Durchtrittsfrequenz kann ermittelt werden, indem die oben erwähnte Frequenzbereichs-Darstellung verwendet wird und die Frequenz verändert wird, bis die kombinierte Verstärkung Eins (1) beträgt. In diesem Fall beinhaltet die kombinierte Verstärkung die maximale Vorwärtspfadverstärkung/Verstärkungsreserve. Bei der Frequenz, bei welcher die kombinierte Verstärkung Eins (1) beträgt, kann die Phasenreserve berechnet werden als: Phasenreserve = ∠PID(ω₁) + ∠Prozeß(ω₁) + 180 wobei:

∠PID(ω₁): = Phasenverschiebung der PID-Steuereinrichtung in Grad bei der Durchtrittsfrequenz; und
∠Prozeß(ω₁): = Phasenverschiebung des Prozesses in Grad bei der Durchtrittsfrequenz.

In der Regel ergeben die Terme ∠PID(ω₁) + ∠Prozeß(ω₁) einen negativen Winkel, und folglich subtrahiert die Phasenreserven-Berechnung diese Winkel von 180 Grad. Jedoch ist darauf zu achten, daß in Situationen, in welchen einer oder beide der Terme ∠PID(ω₁) + ∠Prozeß(ω₁) positiv sind, die richtige Subtraktion von 180 Grad durchgeführt wird.
Nachdem die maximale Vorwärtspfadverstärkung und die Phasenreserven für jeden Satz von Ti, Td und Verstärkungsreserve herausgefunden sind, kann die Robustheitskarte gezeichnet werden. Das heißt, nach Variieren der Werte von Ti und Td zwischen ihren jeweiligen Bereichen für jeden der ausgewählten Verstärkungsreserve-Werte und nach Ermitteln der Phasenreserve und der maximalen Vorwärtspfadverstärkung bei jeder der Kombinationen aus Ti, Td und Verstärkungsreserve werden die Daten für die Robustheitskarte ermittelt, und dann kann die Robustheitskarte angezeigt werden. Die für jeden Punkt in der Robustheitskarte gespeicherten Informationen (d. h. für jede Kombination von Ti, Td und Verstärkungsreserve) können die maximale Vorwärtspfadverstärkung und die Phasenreserve sein. Falls gewünscht, kann jedoch die Proportionalverstärkung (welche direkt aus dem maximalen Vorwärtspfadverstärkungs-Wert berechnet werden kann) zusätzlich zur oder anstelle der maximalen Vorwärtspfadverstärkung gespeichert werden.
Wenn der Robustheitsplan eine Fläche ist, wird die maximale und minimale Phasenreserve für jeden Wert der Verstärkungsreserve zum Beispiel mittels einer einfachen Min/Max-Suchfunktion an jedem der gespeicherten Punkte, welcher den Wert der Verstärkungsreserve hat, herausgefunden. Die senkrechte Achse der Robustheitskarte kann die Phasenreserve sein und hat vorzugsweise einen Bereich einschließlich des Maximums der maximalen Phasenreserve bei den verschiedenen Verstärkungsreserven und des Minimums der minimalen Phasenreserve bei den verschiedenen Verstärkungsreserven. Der Satz der minimalen Phasenreserven bei den verschiedenen Verstärkungsreserven definiert eine Linie, welche eine untere Stabilitätsgrenze ist, wie sie zum Beispiel von der Linie 190 in 7 definiert wird, während der Satz der maximalen Phasenreserven bei den verschiedenen Verstärkungsreserven eine Linie definiert, welche eine obere Stabilitätsgrenze ist, wie sie zum Beispiel von der Linie 192 in 7 definiert wird. Die Fläche zwischen diesen Linien ist der Stabilitätsbereich, welcher die Punkte beinhaltet, für welche die PID-Steuereinrichtungs-Abstimmparameter (Ti, Td und maximale Vorwärtspfadverstärkung) ermittelt wurden.
Um die zu Anfang berechneten oder aktuell aktiven Abstimmparameter auf dem Robustheitsplan zu plazieren, werden die Phasenreserve und die Verstärkungsreserven, die zu der Schleife mit einer Steuereinrichtung mit diesen Abstimmparametern gehören, mittels eines beliebigen bekannten Verfahrens ermittelt. Die berechnete Phasenreserve und die berechnete Verstärkungsreserve sind die Koordinaten zum Plazieren eines diese Abstimmparameter darstellenden Symbols auf dem Robustheitsplan. Ein solcher Punkt ist in 7 als Dreieck 194 dargestellt.
Falls gewünscht, kann die Routine 150 die Totzeitreserve und die dynamische Reserve für den anfänglichen Satz von Abstimmparametern oder für einen ausgewählten Satz von Abstimmparametern berechnen. Bekanntlich ist die Totzeitreserve ein Multiplikator, welcher, wenn er auf die identifizierte Prozeß-Totzeit angewendet wird, bewirkt, daß die Steuerschleife instabil wird (z. B. die zusätzliche Totzeit, welche der Steuerschleife hinzugefügt werden kann, bevor die Steuerschleife instabil wird). Die Totzeitreserve kann direkt aus der Phasenreserve und der Durchtrittsfrequenz berechnet werden; diese Berechnung ist in der Fachwelt bekannt.
Die dynamische Reserve, welche ein hierin geprägtes Konzept darstellt, ist ein Multiplikator, welcher, wenn er auf alle dynamischen Elemente der identifizierten Prozeßsteuerschleife (wie Zeitkonstanten und Totzeit, d. h. tatsächlich Pole und Nullstellen plus Totzeit des Prozesses) angewendet wird, bewirkt, daß die Steuerschleife für diese Werte der dynamischen Elemente instabil wird. Die dynamische Reserve für einen ausgewählten Satz von Abstimmparametern wird berechnet, indem die Verstärkungsreserve und die Phasenreserve für den ausgewählten Satz von Abstimmparametern herausgefunden werden und dann der auf die dynamischen Elemente angewendete Multiplikator iterativ verändert wird, bis die Phasenverschiebung bei der Durchtrittsfrequenz 180 Grad erreicht oder bis die Verstärkungsreserve bei der Phasenschnittfrequenz unter Eins (1) sinkt. Der Wert des Multiplikators bei Eintreten einer dieser Bedingungen ist die dynamische Reserve. In manchen Fällen kann es mehr als eine zu einer bestimmten Prozeßsteuerschleife gehörende dynamische Reserve geben.
Natürlich kann die Routine 100, wie oben erwähnt, die Leistung der anfänglichen Abstimmparameter mittels irgendeines bekannten oder gewünschten Verfahrens simulieren. Nachdem die Robustheitskarte initialisiert und erstellt ist, braucht die Robustheitskarte für die Schleife nicht neu gezeichnet zu werden, solange die identifizierten Prozeßparameter oder die Struktur der Steuereinrichtung sich nicht ändern.
Während eines Simulationsverfahrens kann der Benutzer mittels der Robustheitskarte Abstimmparameter auswählen. Zum Beispiel kann der Benutzer PID-Abstimmparameter aus der Robustheitskarte auswählen, indem er einen Punkt im stabilen Bereich (d. h. für welchen Abstimmparameter ermittelt wurden) anklickt. Wenn die Robustheitskarte eine Linie ist, dann ist der Bereich, für welchen es Abstimmparameter gibt, einfach der Bereich auf dieser Linie. Wenn der Benutzer auf die Robustheitskarte klickt, kann die Routine 100 die ausgewählten, zu dem ausgewählten Punkt gehörenden Phasenreserve- und Verstärkungsreserve-Koordinaten liefern. Die Phasenreserve- und Verstärkungsreserve-Koordinaten werden als Eingangsgrößen für die Interpolationsroutine 136 (8), welche die PID-Abstimmparameter aus den gespeicherten, oben erzeugten Abstimmparametern berechnet, verwendet. Natürlich kann die Interpolationsroutine je nach der Menge der gespeicherten Informationen und je nachdem, ob die Robustheitskarte eine Linie oder eine Fläche ist oder nicht, unterschiedlich ausfallen. Zum Beispiel kann das Interpolationsverfahren, wenn die Robustheitskarte eine Linie ist, ein Zweipunkt-Verfahren sein, und wenn die Robustheitskarte eine Fläche ist, kann das Interpolationsverfahren ein Vierpunkt-Verfahren sein. Natürlich kann das Interpolationsverfahren lineare oder nichtlineare Interpolationsverfahren verwenden. Nachdem die Interpolation durchgeführt ist, können die berechneten PID-Abstimmparameter dem Benutzer angezeigt werden. Wie oben erwähnt, kann dann eine Simulation unter Verwendung der neu ausgewählten Abstimmparameter und der identifizierten Prozeßparameter ausgeführt werden, und die Antwort von pv(t), out(t) und sp(t) kann als ein Trend dieser Variablen als Funktion der Zeit grafisch dargestellt werden, wie in 6 und 7 gezeigt. Ebenso können Totzeitreserve und dynamische Reserve für die ausgewählten Abstimmparameter berechnet und für den Benutzer bereitgestellt werden.
Es versteht sich, daß die Routine 100 bei der Simulation eine mathematisch genaue Darstellung der vom Benutzer ausgewählten PID-Steuereinrichtungs-Struktur und eine modifizierte Z-Transformation des Prozesses verwendet. Der Benutzer wählt die Antwortart aus, die er simulieren will (Sollwertantwort, Störantwort usw.), so daß diese Antwortart, wenn die Simulation eingeleitet wird, durch Verändern der erforderlichen Simulationsvariable(n) simuliert wird. Die mathematischen Ausgangsgrößen der Simulation sind die Werte von sp(t), out(t), pv(t) bei den Abtastintervallen der Steuerschleife. Diese Ausgangsgrößen werden dann als Funktion der simulierten Zeit grafisch dargestellt und liefern ein Trenddiagramm, wie in 6 und 7 gezeigt. Das Einleiten der Simulation kann durch Auswählen eines Punkts in der Robustheitskarte geschehen, was dem Benutzer ermöglicht, zum Auswählen einer zu simulierenden Steuereinrichtung Stabilitätsqualitäten zu verwenden, was dadurch dem Benutzer gestattet, basierend auf Stabilitäts- oder Robustheits-)qualitäten Abstimmparameter auszuwählen und die mit den ausgewählten Abstimmparametern zusammenhängende Steuerantwort sofort zu sehen. Mittels der kombinierten Robustheitskarte und der Simulations-Leistungsfähigkeiten kann der Benutzer neue Abstimmpunkte auswählen, bis der Benutzer die beste gewünschte Kombination aus Antwort- und Stabilitätsmerkmalen erhält.
Obwohl die Robustheitskarte als durch Ermitteln eines Bereichs für zwei der Abstimmparameter (Td und Ti) und Variieren der Verstärkungsreserve zwecks Berechnung der resultierenden Phasenreserve und maximalen Vorwärtspfadverstärkung erzeugt beschrieben wurde, könnte die Phasenreserve (oder eine andere Robustheitsqualität) variiert und die Verstärkungsreserve berechnet werden. Ebenso könnte der Bereich für verschiedene der Abstimmparameter statt für Ti und Td erstellt und auch verwendet werden, solange eine Veränderung einer der Robustheitsqualitäten verwendet wird, um einen oder mehrere Abstimmparameter und die andere der Robustheitsqualitäten zu berechnen.
Obwohl der hierin beschriebene Robustheitsplan-Generator und der hierin beschriebene Simulator vorzugsweise in Software realisiert werden, welche zum Beispiel in einer Steuereinrichtung, einer Benutzerschnittstelle oder einer anderen Prozeßsteuereinrichtung gespeichert ist, können sie nach Wunsch alternativ oder zusätzlich in Hardware, Firmware usw. realisiert werden. Wenn sie in Software realisiert sind, können der Robustheitsplan-Generator und der Simulator der vorliegenden Erfindung in jedem computerlesbaren Speicher, wie z. B. auf einer Magnetplatte, einer Laserplatte, einer optischen Platte oder einem anderen Speichermedium, im RAM oder ROM eines Computers, einer Steuereinrichtung, einer Anlageneinrichtung usw. gespeichert werden. Ebenso kann diese Software mittels jedes bekannten oder gewünschten Übermittlungsverfahrens, beispielsweise auch über einen Kommunikationskanal, wie etwa eine Telefonleitung, das Internet usw., an einen Benutzer oder eine Einrichtung übermittelt werden.
Auch wenn der Robustheitsplan-Generator und der Simulator der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Prozeßsteuernetzwerk, das Prozeßsteuerfunktionen auf eine dezentralisierte oder verteilte Weise mittels eines Satzes von Fieldbus-Einrichtungen realisiert, ausführlich beschrieben werden, versteht es sich, daß der Robustheitsplan-Generator und der Simulator der vorliegenden Erfindung mit Prozeßsteuernetzwerken verwendet werden können, die mittels anderer Arten von Anlageneinrichtungen und Kommunikationsprotokollen einschließlich Protokollen, die auf anderen als analoge und/oder digitale Kommunikation unterstützenden Zweidraht-Bussen und Protokollen beruhen, Steuerfunktionen ausführen. Zum Beispiel können diese Einrichtungen in jedem beliebigen Prozeßsteuernetzwerk verwendet werden, welches dem HART-Kommunikationsprotokoll, dem PROFIBUS-Kommunikationsprotokoll usw. oder irgendeinem anderen Kommunikationsprotokoll, das gegenwärtig existiert oder möglicherweise in Zukunft entwickelt wird, entsprechende Einrichtungen verwendet.

Claims

Verfahren zum Ermitteln von Abstimmparametern für eine Vielzahl von Feldgeräten (44), das die folgenden Schritte enthält: – Ermitteln von Prozessmerkmalen durch mindestens eines der Vielzahl von Feldgeräten (44); – Übertragen der Prozessmerkmale an ein Abstimmsystem; – Erzeugen einer Robustheitskarte (106) mit einer Vielzahl von Robustheitsqualitäten gemäß den Prozesssteuermerkmalen durch das Abstimmsystem, wobei die Robustheitskarte (106) eine Vielzahl von Punkten umfasst, die jeweils einem Satz aus einer Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern zugeordnet sind; – Auswahl einer Robustheitsqualität durch eine Auswahl eines Punkts in der Robustheitskarte (106); – Berechnen eines weiteren Satzes von Abstimmparametern gemäß der Auswahl; – Steuern der Vielzahl von Feldgeräten (44) gemäß dem Satz von Abstimmparametern durch eine Steuereinrichtung (12); wobei der Schritt des Erzeugens der Robustheitskarte (106) den Schritt des grafischen Darstellens zweier oder mehrerer Robustheitsqualitäten einschließt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Erstellen eines Abstimmparameter-Bereichs für mindestens einen der Abstimmparameter; – Variieren einer der Robustheitsqualitäten über einen Robustheitsqualitäts-Bereich; – Variieren des einen der Abstimmparameter über den Abstimmparameter-Bereich an jedem einer ersten Anzahl von ausgewählten Punkten innerhalb des Robustheitsqualitäts-Bereichs; – Ermitteln eines zweiten Abstimmparameters und eine weitere der Robustheitsqualitäten für jeden einer zweiten Anzahl von Punkten innerhalb des Abstimmparameter-Bereichs für jeden der ersten Anzahl von ausgewählten Punkten innerhalb des Robustheitsqualitäts-Bereichs.
Verfahren zum Ermitteln von Abstimmparametern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Ermittelns des zweiten Abstimmparameters den Schritt des Ermittelns des zweiten Abstimmparameters als eine maximale Vorwärtspfadverstärkung umfasst.
Verfahren zum Ermitteln von Abstimmparametern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Variierens eines der Abstimmparameter den Schritt des Variierens eines Integrations-Wichtungsfaktors oder eines Differentations-Wichtungsfaktors über den Abstimmparameter-Bereich einschließt.
Verfahren zum Ermitteln von Abstimmparametern nach Anspruch 1, ferner enthaltend den Schritt des Simulierens der Prozesssteuerschleife bei Verwendung einer entsprechend dem weiteren Satz von Abstimmparametern abgestimmten Steuereinrichtung (12).
Verfahren zum Ermitteln von Abstimmparametern nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Ermitteln einer zu dem weiteren Satz von Abstimmparametern gehörenden dynamischen Reserve einschließt.
Verfahren zum Ermitteln von Abstimmparametern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erzeugens der Robustheitskarte (106) den Schritt des Erzeugens einer Robustheitskarte (106), welche Phasenreserve und Verstärkungsreserve aufträgt, einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein grafisches Darstellen des stabilen Bereichs der Robustheitskarte (106), um die Robustheitsqualität des stabilen Bereichs zu veranschaulichen; ein Verwenden von mindestens zwei Sätzen von Abstimmparametern, um den weiteren Satz von Abstimmparametern zu ermitteln, wobei der weitere Satz von Abstimmparametern zu dem ausgewählten Punkt in der Robustheitskarte (106) gehört und wobei die Steuereinrichtung (12), wenn sie gemäß dem weiteren Satz von Abstimmparametern abgestimmt ist, bewirkt, dass die Prozesssteuerschleife ungefähr die Robustheitsqualität des ausgewählten Punkts aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner enthaltend den Schritt des Simulierens der Prozesssteuerschleife bei Verwendung einer entsprechend dem weiteren Satz von Abstimmparametern abgestimmten Steuereinrichtung (12).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des grafischen Darstellens des stabilen Bereichs der Robustheitskarte (106) den Schritt des Auftragens der Phasenreserve als Funktion der Verstärkungsreserve einschließt.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch: ein Interpolieren zwischen den mindestens zwei Sätzen von Abstimmparametern, um den weiteren Satz von Abstimmparametern zu ermitteln.
Prozesssteuernetzwerk zur Realisierung einer Gesamt-Steuerstrategie bei der Steuerung eines Prozesses, umfassend: – ein Abstimmsystem mit einer Anzeigevorrichtung und einer Eingabevorrichtung, – eine Vielzahl von Feldgeräten (44), wobei mindestens eines der Feldgeräte (44) eine Datensammeleinheit (68) und eine Prozessmerkmalsermittlungseinheit (69) umfasst, wobei die Datensammeleinheit (68) während eines Abstimmverfahrens Daten sammelt und die Prozessmerkmalsermittlungseinheit (69) aus den gesammelten Daten charakteristische Prozessmerkmale ermittelt; – ein Netzwerk, wobei die Feldgeräte (44) und das Abstimmsystem über das Netzwerk miteinander verbunden sind und miteinander kommunizieren; wobei das Abstimmsystem eine Robustheitskarte (106) mit einer Vielzahl von Robustheitsqualitäten gemäß den Prozessmerkmalen erstellt, wobei das Abstimmsystem dazu angepasst ist, eine Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern zu bestimmen, die jeweils einem Punkt auf der Robustheitskarte (106) zugeordnet sind; wobei das Abstimmsystem die Robustheitskarte (106) mittels der Anzeigevorrichtung anzeigt; wobei das Abstimmsystem gemäß einer Auswahl einer Robustheitsqualität eines Benutzers einen weiteren Satz von Abstimmparametern bestimmt und die Feldgeräte (44) demgemäß konfiguriert, wobei das Abstimmsystem zur Erzeugung der Robustheitskarte (106) dazu angepasst ist, – einen Abstimmparameter-Bereich für mindestens einen der Abstimmparameter zu erstellen, – eine der Robustheitsqualitäten über einen Robustheitsqualitäts-Bereich zu variieren, – den einen der Abstimmparameter an jedem einer ersten Anzahl von ausgewählten Punkten innerhalb des Robustheitsqualitäts-Bereichs über den Abstimmparameter-Bereich zu variieren und – einen zweiten Abstimmparameter und eine weitere der Robustheitsqualitäten für jeden einer zweiten Anzahl von Punkten innerhalb des Abstimmparameter-Bereichs für jeden der ersten Anzahl von ausgewählten Punkten innerhalb des Robustheitsqualitäts-Bereichs zu bestimmen.
Prozesssteuernetzwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die eine der Robustheitsqualitäten die Verstärkungsreserve und die andere der Robustheitsqualitäten die Phasenreserve ist.
Prozesssteuernetzwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmsystem dafür angepasst ist, den zweiten Abstimmparameter als eine maximale Vorwärtspfadverstärkung zu ermitteln.
Prozesssteuernetzwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmsystem dafür angepasst ist, den einen der Abstimmparameter durch Auswählen eines Wertes für einen Integrations-Wichtungsfaktor oder für einen Differentiations-Wichtungsfaktor zu ermitteln.
Prozesssteuernetzwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmsystem dafür angepasst ist, zwischen den mindestens zweien aus der ermittelten Vielzahl von Sätzen von Abstimmparametern zu interpolieren.
Prozesssteuernetzwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmsystem dafür angepasst ist, die Prozesssteuerschleife bei Verwendung einer entsprechend dem weiteren Satz von Abstimmparametern abgestimmten Steuereinrichtung (12) zu simulieren.
Prozesssteuernetzwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmsystem dafür angepasst ist, eine zu dem weiteren Satz von Abstimmparametern gehörende dynamische Reserve zu ermitteln.
Computerlesbarer Speicher mit Instruktionen zur Ausführung auf mindestens einem Prozessor, wobei die Instruktionen beim Ausführen auf dem Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.