Analyse von Fehlern in Systemen mit einstufiger Rückkopplungskontrolle

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Im Artikel „Schritte zur Fehlerbehebung und Methoden in Steuerungssystemen mit Einfachrückkopplung“ werden die Schritte sowie Methoden zur Fehlerbehebung erläutert. Changhui Instruments hat in diesem Artikel 16 Beispiele für Fehler im Feld zusammengestellt, um durch die Analyse dieser Beispiele die praktischen Fähigkeiten der Messgerätebediener zu verbessern. Changhui-Instrumente: http://www.yunrunecom.cn
1. Automatisches Niveaumanagementsystem für Lufttrennungsanlagen: Zur Messung des Flüssigkeitsspiegels werden Differenzdrucksender, DCS-Systeme sowie pneumatische Membranregelventile eingesetzt. Zu Beginn des Betriebs sind die Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels sehr groß – dies erfüllt nicht die Anforderungen der Produktion.
Fehlerprüfung und Analyse: Zu Beginn des Betriebs liegt das Problem darin, dass die Kühlenergie im System noch nicht im Gleichgewicht ist. Zudem ist es in den Drucksensoren zu ungleichmäßigen Temperaturen, wodurch sich Gas und Flüssigkeit im Sensor mischen. Dadurch sind die Messwerte stark schwankend. Nach Einrichtung des automatischen Regelsystems werden die Schwankungen noch verstärkt. Fehlerbehebung: Zuerst wird in den Manuellmodus gewechselt, um die Prozesse manuell zu steuern. Anschließend wird die Differenz im Flüssigkeitsspiegel ausgeglichen. Die positiven und negativen Druckleitungen werden von der Turmwand weggeführt, bis Frost entsteht – danach wird das Gerät wieder in Betrieb genommen. Nachdem es eine Weile manuell stabilisiert wurde, wird es auf Automatik umgestellt. Nach den oben beschriebenen Verarbeitungsschritten können die Anforderungen der Technologie im Allgemeinen erfüllt werden, wodurch die Schwankungen gering bleiben. 2. Es handelt sich um ein einfaches Steuerungssystem – sowohl die Abweichungen des Reglers als auch seine Ausgabe sind in Ordnung. Dennoch handelt der PID-Regler weiterhin nach den ursprünglichen Steuerregeln, wodurch der zu steuernde Parameter nicht auf den gewünschten Wert zurückkehrt. Manchmal wirkt der Regler sogar in die entgegengesetzte Richtung. Fehlerprüfung und -analyse: Anhand der Symptome lässt sich feststellen, dass mit dem Messbereich, dem Steuerbereich sowie der Signalübertragung im System keine Probleme vorliegen. Der Fehler könnte im Bereich der Regelventile liegen (Verschiebung des Ventilstabs, Verstopfung der Membran, Defekt am Ventilpositionierer) oder in den Leitungen, über die die Signale vom PID-Regler zum Ventilpositionierer übertragen werden. Es wurde überprüft, dass die Leitung vom Ausgangssignal des PID-Reglers zum Regelventil in Ordnung ist. Bei der Überprüfung des Membrankopfes des Regelventils stellte sich heraus, dass die Gasleitung am Anschluss des Membrankopfes durch Sandkörner verstopft war, wodurch der Controller nicht ordnungsgemäß funktionieren konnte. Fehlerbehebung: Nach der Entstauung kehrt das System in den Normalzustand zurück. 3. Es handelt sich um ein einfaches Steuerungssystem, bei dem der Mitteldruck des Dampfes durch Entlastung über PV108 gesteuert wird. Eines Tages stellte der Bediener fest, dass der Druck sank. Der Ausgangswert des PID-Reglers war in Ordnung, doch die Abweichung ließ sich nicht beseitigen. Fehlerprüfung und -analyse: Anhand der Symptome lässt sich erkennen, dass mit der Übertragung des Signals vom PID-Regler zum Schutzgerät alles in Ordnung ist. Wahrscheinlich liegt das Problem bei der Übertragung des Signals vom Schutzgerät zum Ventilpositionierer bzw. zur Regulierventil. Zuerst wurden der Ventilpositionierer und das Regulierventil überprüft – beides zeigte keine Probleme. Anschließend wurde mit einem Multimeter das Ausgangssignal des Schutzelements gemessen; es wurde kein Signal erkannt. Fehlerbehebung: Durch den Austausch des Ausgangsschutzes kehrt das System wieder in den Normalzustand zurück. 4. Ein bestimmtes Gerät verfügt über einen einfachen Steuerkreis (DCS-Steuerungssystem, PID-Regler). Nach dem Umstellen auf Automatikmodus reagiert der Regler nicht. Fehlerprüfung und -analyse: Die Ursachen dafür, dass der Regler nicht reagiert, können darin liegen, dass es Probleme mit der Konfiguration des DCS-Systems gibt oder dass die Selbstjustierparameter des Reglers falsch eingestellt sind. Es wurde überprüft, dass die Konfiguration des DCS vollständig korrekt ist, doch bei der Überprüfung der P-, I- und D-Parameter des Controllers wurden Unstimmigkeiten festgestellt. Fehlerbehebung: Nach der korrekten Einstellung der PID-Parameter funktioniert es wieder normal. http://www.yunrun.com.cn/News/UploadFiles_5183/201511/2015111714330696.jpg KI-gesteuerte Regler der Serie YR-GAD: 5. Einzelkreis im Yokogawa DCS-System – es tritt ein OOP-Fehleralarm auf. Fehleranalyse: OOP steht für offener Eingang. Mögliche Ursachen sind eine unterbrochene Verbindung zur Sensorelektrode oder ein Eingangssignal des Sensors, das unter 4 mA oder über 20 mA liegt. 6. Einzelkreissystem des Yokogawa DCS – Analyse von OOP-Fehlern ； OOP steht für offener Ausgang, was möglicherweise auf locker angebrachte Verbindungen zurückzuführen ist. 7. Es handelt sich um ein Einzugskreis-Steuerungssystem. Bei Automatikbetrieb lässt es sich trotz langer Einstellzeit nicht stabil in Betrieb nehmen. Durch Hinzufügen von Störungen zeigt das System eine Rückkehrtendenz; außerdem sind der Regelzyklus sowie die Regelamplitude in Ordnung. Dennoch ist keine Stabilisierung möglich. Fehleranalyse: Anhand der Symptome lässt sich erkennen, dass die Einstellparameter dieses Systems geeignet sind. Der Grund für die mangelnde Stabilität liegt also nicht bei den Parametern. Fehlerbehebung: Analysieren Sie den Schaltkreis erneut, um die richtige Einstellung des PID-Reglers in Bezug auf Rückkopplung und Vorwärtsregelung zu gewährleisten, sodass das System eine negative Rückkopplung aufweist und nach dem Einbetten ordnungsgemäß funktioniert. 8. Es gibt eine Steuerungsanlage, die seit vielen Jahren unter normalen Bedingungen in Betrieb ist. Die Bedingungen haben sich nicht verändert, doch die Steuerungseffizienz wird immer schlechter. Fehlerprüfung und Analyse: Da die Anlage ursprünglich einwandfrei funktionierte, deuten dies auf normale Parameter hin. Die allmählich schlechter werdende Leistung deutet darauf hin, dass bestimmte Bedingungen die Steuerung beeinflussen. Bei der Überprüfung der Regulierventile stellte sich heraus, dass die Ventilkerne stark abgenutzt waren. Fehlerbehebung: Nach der Reparatur des Ventils funktionierte es wieder einwandfrei. 9. In dem DCS-System handelt es sich um einen Steuerkreis, der ursprünglich einwandfrei funktionierte. Später kam es aufgrund eines defekten Signalwegs dazu, dass der AO-Signalweg ausgetauscht werden musste. Danach war es nicht mehr möglich, die Öffnungsgrad der Ventile vor Ort zu steuern. Fehlerprüfung und Analyse: Da der Fehler durch den Austausch des Signalwegs entstand, wurde mit dieser Stelle als Ausgangspunkt für die Analyse des Problems begonnen. Da der AO-Kartenkanal ausgetauscht und neu installiert wurde, kann der Steuerpunkt den ursprünglichen Kanal nicht finden, weshalb eine Steuerung nicht möglich ist. Fehlerbehebung: Nach dem erneuten Installieren des entsprechenden Steuerpunkts kann eine normale Steuerung wieder gewährleistet werden. 10. Das Steuerungssystem für den Flüssigkeitsstand im Dampfkessel funktionierte ursprünglich einwandfrei. Plötzlich traten jedoch erhebliche Schwankungen auf. Es wurde auf manuelle Steuerung umgestellt. Bei der Fehleranalyse stellte sich heraus, dass die Betriebsbedingungen nicht mehr denen entsprachen, unter denen das System ursprünglich funktionierte. Es war daher notwendig, die Parameter neu einzustellen. Fehlerbehebung: Durch erhöhte Steuerungsintensität konnten die Störungen überwunden werden, sodass alles wieder normal funktioniert. 11. Die Niveausteuereinheit einer bestimmten Anlage ist ein Einzugskreissystem. Während der Lastanpassung stellte sich heraus, dass das Niveau unstabiler war und starke Schwankungen aufwies. Fehlerprüfung und Analyse: Bei der Überprüfung wurde festgestellt, dass die Öffnungsgrad des Niveauregulierventils LV0405 nur 7 % betrug. Der Ventilstand änderte sich ständig. Bei geringem Öffnungsgrad neigt das Regulierventil dazu, zu surrern. Zudem war die Ausgabe des Positioniersystems instabil – daher war auch das Regulierventil instabil. Fehlerbehebung: Nachdem der Regelventil auf 15 % geöffnet wurde, funktionierte das Ventil wieder normal. Allerdings kann bei zu hohem Wert die Flüssigkeitsebene nicht stabil gehalten werden. Nur durch die Begrenzung mit den Handventilen vor und nach der Verwendung wird eine ordnungsgemäße Steuerung gewährleistet. 12. In einem Steuerungssystem für den Flüssigkeitsspiegel in einer petrochemischen Anlage führte eine verringerte Last dazu, dass die Öffnungsrate der Ventil LV402 nur 5 % betrug. Dadurch entstanden Vibrationen und der Flüssigkeitsspiegel blieb instabil. Fehleranalyse: Bei geringer Öffnungsrate neigen Regelventile sehr leicht zu Vibrationen. Diese Vibrationen wiederum beeinflussen den Ventilpositionierer, wodurch die Ausgabe unstabil wird – somit ist auch die Selbstregulierung nicht möglich. Fehlerbehebung: Schließen Sie die vordere oder hintere Durchflussregelventil etwas enger, um den Durchfluss zu begrenzen. Wenn der Ventilstand bei 15 % liegt, verschwinden die Vibrationen und auch der Ventilpositionierer wird stabil – dadurch kann der Automatikbetrieb wieder normal funktionieren. 13. Ein einfaches Niveausteuersystem (DCS-System mit PID-Regler; die Steuerventile sind pneumatisch betriebene Ventile) kann nicht in den Automatikbetrieb übergehen. Fehlerprüfung und Analyse: Die Hauptgründe für das Versagen beim Übergang in den Automatikbetrieb sind fehlerhafte Parameter des Reglers, Probleme am zu steuernden Objekt oder Mängel an den Steuerventilen. Bei der Überprüfung dieser Fehlerstellen stellte sich heraus, dass die Steuerventile stark undichten. Schon bei einer geringen Öffnungsweite der Ventile fließt eine große Menge Flüssigkeit. Fehlerbehebung: Nach der Bearbeitung der Innenteile des Regelventils verschwand das Problem. 14. Ein Beispiel für einen Fehler im Dampfdrucksteuerungssystem: a) Der Druckwert in den Dampfleitungen wird auf dem papierlosen Aufzeichnungsgerät plötzlich auf Null gesenkt, während der Sicherheitsventil auslöst – dies ist auf ein Problem mit dem Messgerät zurückzuführen. Wenn es zu einem Defekt zwischen dem Druckübertragungsrohr und den Aufzeichnungsgeräten kommt, ändert sich die Öffnungsgrad der Regulierventile plötzlich, wodurch der Dampfdruck stark ansteigt. Das papierlose Aufzeichnungsgerät reagiert jedoch nicht darauf. In solchen Fällen kann man zunächst auf die manuelle Steuerung der Regulierventile umschalten, um anschließend den Defekt zu beheben. b. Wenn der Druck im Dampfleitungsnetz auf dem papierlosen Aufzeichnungsgerät nicht über dem eingestellten Wert liegt, tritt der Sicherheitsventil in Aktion. Die Bediener können anschließend die entsprechenden Messgeräte überprüfen. Wenn die Temperaturen an allen Stellen normal sind, dann ist das Sicherheitsventil nicht richtig eingestellt ； Wenn die Temperaturwerte an den verschiedenen Stellen steigen, dann liegt der gemessene Druckwert unter dem tatsächlichen Druck. c. Die Druckschwankungen sind zwar groß, aber langsam; in der Regel sollte man die Ursache im Prozess selbst suchen. d) Wenn die Druckschwankungen in Form von schnellen Schwingungen auftreten, müssen die Ursachen in der Einstellung der Parameter sowie am Messgerät selbst gesucht werden. e) Veränderungen wie Last, Rückfluss des Zutatstoffs, Temperatur usw. sowie unsachgemäße Bedienung können alle zu Veränderungen des Drucks im Inneren der Anlage führen. Die Ursachen müssen in den Prozessabläufen gesucht werden. f. Man sollte sich der üblichen Druckschwankungen jedes Messgeräts bewusst sein, unterscheiden können, ob es sich um abnormale oder normale Bedingungen handelt, und dabei auch andere Prozessparameter heranziehen können, um eine Entscheidung zu treffen. 15. Ein Beispiel für einen Fehler im Niveausteuersystem: a) Auf dem Lichtkolbenregler zeigt sich, dass der Niveaum Wert auf das Maximum oder Minimum steigt. In diesem Fall sollte man zunächst mit der Tabelle vergleichen. Wenn das Primärmessgerät in Ordnung ist, liegt ein Defekt am Sekundärmessgerät vor. Sind die Anzeigen eins und zwei übereinstimmend, so wird über den manuell bedienbaren Regelventil geprüft, ob sich der Flüssigkeitsspiegel verändert hat. Veränderungen sind in der Regel auf Prozessgründe zurückzuführen, während kein Wandel in der Regel auf Probleme mit den Messgeräten beruht. b) Bei Geräten mit negativer Migration neigen die Anzeigenwerte zum Maximum – es sollte an einen Leck auf der Seite mit negativem Druck gedacht werden. Wenn der Druck im Gaszustand direkt auf die Seite mit negativem Druck übertragen wird, sinkt der Anzeigewert des Instruments auf ein Minimum. In diesem Fall sollte man davon ausgehen, dass der Flüssigkeitsspiegel im Sammelbehälter auf der Seite mit negativem Druck zu hoch ist. c. Die hohe Frequenz der Schwankungen der angezeigten Werte kann in der Regel auf eine falsche Einstellung der Parameter oder auf Oszillationen des Primärmessgeräts zurückzuführen sein. Wenn die Schwankungen langsam sind, liegt das in der Regel an den Betriebsbedingungen. d. Falls vermutet wird, dass das Messgerät einen falschen Pegel anzeigt, kann das System in den Manuellmodus umgeschaltet werden. Dann können die Prozess- und Messtechniker gemeinsam mit einem kalibrierten Druckmesser den Druck im Gasphasenbereich messen, um eine Analyse durchzuführen. 16. Ein Beispiel für einen Fehler im Temperatursystem. Es handelt sich um ein Steuerungssystem für die Temperatur von Schweröl. Das Schweröl wird durch einen Wärmeaustauscher erhitzt – dabei wird Dampf verwendet. Durch Anpassung der Öffnungsgrad der Dampfventile ändert sich die Temperatur des Schweröls nur langsam. Bei automatischer Steuerung treten jedoch starke Temperaturschwankungen auf. Fehleranalyse: Wenn sich die Menge des Dampfs ändert, ändert sich die Temperatur des Schweröls nicht deutlich – das deutet darauf hin, dass es Verzögerungen im Messsystem gibt. Nach Überprüfung des Thermoelementmesssystems stellte sich heraus, dass dort keine Probleme vorliegen. Daher ist es möglich, dass das Wärmetransferystem defekt ist. Um die latente Wärme des Dampfes voll auszunutzen, muss der Mitteldruckdampf in Wasser kondensiert werden und anschließend regelmäßig über einen Entwässerer abgeleitet werden. Dampf und Schweröl tauschen über einen Wärmeaustauscher Wärme aus, und dieser Wärmeaustauschprozess benötigt eine gewisse Zeit. Die Temperatur des Dampfes bei mittlerem Druck beträgt 280 °C. Nach der Erwärmung liegt die Temperatur des Schweröls bei 150 °C. Wenn sich die Temperatur des Heisdampfes allmählich von 280 °C auf einen Wert nähert, der dem Temperaturwert des Schweröls nach dem Wärmetausch von 150 °C entspricht, erreicht der Wärmetausch fast ein Gleichgewicht – aufgrund von Wärmebarrieren besteht jedoch noch eine gewisse Temperaturdifferenz. Zu diesem Zeitpunkt ist der Heisdampf noch nicht vollständig zu Flüssigkeit kondensiert; er nimmt weiterhin Platz im Wärmetauscher ein. Selbst wenn die Regulierventile geöffnet werden, kann kein neuer Dampf zugeführt werden – falls überhaupt, dann nur in geringen Mengen. Dadurch erreicht die Temperatur des Dampfs, der zur Wärmeübertragung verwendet wird, nicht den geplanten Wert von 280 °C (obwohl die Temperatur des zugeführten Dampfs 280 °C beträgt), sondern schwankt zwischen 280 °C und der Temperatur, bei der der Dampf zu Wasser kondensiert. Da die Temperatur des Dampfes, der tatsächlich für den Wärmetausch verwendet wird, unter dem geplanten Wert liegt, verlängert sich die Zeit des Wärmetauschs. Dies führt zu einer Verzögerung bei der Temperaturmessung. Eine große Messverzögerung wiederum führt zu Instabilität im System. Fehlerbehebung: Für dieses System wurden die PID-Parameter des intelligenten Temperaturreglers eingestellt: Die Differentialwirkung wurde erhöht, eine angemessene Integrationswirkung hinzugefügt sowie die Proportionalwirkung verstärkt. Die Werte lauten P=50%, Ti=5 Min., Td≈1,5 Min. Das Ergebnis ist zufriedenstellend.