Carl-Fredrik Lindberg, ABB Corporate Research. Automation Scandinavia, 2016-04-12 Trådlös kommunikation i industrin - ett PiiA-projekt
Trådlös reglering Tidigare och nuvarande PiiA-projekt Control & Communications grupperna på ABB Corporate Research hade tidigare ett Vinnova projekt (WiComPI) tillsammans med Signals and Systems Group på Uppsala Universitet, Network Control Group på KTH och Iggesund, Holmen AB. Nu är vi med i ett nytt Vinnova projekt (Advancing System Integration in Process Industry, ASIPI) med samma deltagare, förutom några nya doktorander ASIPI projektet är avsett att ge överlägsna och innovativa trådlösa automationslösningar som bygger på Ny datainsamling och sensor kommunikationsteknik Förbättrade protokoll och routing Feltolerant reglering Effektiv systemintegration Month DD, Year Slide 2
Trådlös kommunikation Introduktion Allt fler produkter innehåller trådlös kommunikation Ökar produktens användarvänlighet och flexibilitet Ger ny funktionalitet, m.m. Inom industriella styrsystem är det än så länge mycket ovanligt med trådlös kommunikation, framförallt p.g.a. höga krav på tillförlitlighet Med trådlös kommunikation i styrsystemen Behöver man inte installera signalkablar Enklare och flexiblare att installera nya givare och ställdon Month DD, Year Slide 3
Reglering idag Korskopplingsrum Givare I/O I/O Control System Ställdon Idag går mätsignaler från processen genom långa signalkablar till styrsystemet i korskopplingsrummet Där beräknas styrsignaler som sen skickas till ställdonen genom långa signalkablar Month DD, Year Slide 4
Trådlös reglering I framtidens styrsystem kan signalerna skickas trådlöst istället för i signalkablar Detta öppnar upp nya möjligheter: Enklare och snabbare installation av givare och ställdon för Test (t.ex. prova olika placeringar av givare, prova en ny givare, m.m.) Diagnostik (mäta t.ex. temperatur, vibrationer, spänning, m.m.) Förbättrad reglering (kompletterande givare, givare i bättre position, m.m.) Ev. enklare konfigurering/engineering av styrsystemet med trådlösa enheter Lägre installationskostnader eftersom inga signalkablar behöver dras fram Ev. kan energy harvesting användas och då behövs inte heller matningskablar Month DD, Year Slide 5
Periodisk sampling Dagens reglerteknik och styrsystem är normalt enbart designade för periodisk sampling D.v.s. mäta, beräkna styrsignal och skicka ut styrsignalen till ställdonet exakt varje sekund (eller med en annan samplingstid) Om mätsignaler eller styrsignaler förloras eller fördröjs så har vi inte längre periodisk sampling Då försämras reglerprestandan och i värsta fall blir processen instabil Month DD, Year Slide 6
Förlorade eller fördröjda sampel Förlorade sampel kan inträffa när man t.ex. råkar ställa något stort i vägen mellan sändare och mottagare som bryter kommunikationen. Fördröjda sampel inträffar när kommunikationen inte fungerar första gången, men kommer igång efter en eller flera omsändningar. Om kommunikationen bryts kan en lösning vara att systemet försöker få fram signalen via en annan rutt istället. Month DD, Year Slide 7
Sampla så sällan som möjligt I en stor fabrik kan det finnas tusentals givare och ställdon. Eftersom bandbredden är begränsad och några givare kan vara batteridrivna och därför behöver spara energi Därför är det viktigt att sampla så sällan som möjligt utan att förlora reglerprestanda En utmaning då man samplar sällan är att ett förlorat sampel har större påverkan jämfört med om man samplar ofta. Month DD, Year Slide 8
Trådlös reglering Händelsestyrd sampling, kan minska antalet sampel Ett sätt att designa händelsestyrd sampling är att sampla när mätsignalen har ändrats Δ enheter Detta ger automatiskt snabbare sampling när signalen förändras Dock genererar stora steg fler sampel än små vilket inte behövs En time-out för att sampla behövs när signalen inte rör sig så mycket. Hur välja Δ och time-out? Har stor påverkan på antalet sampel T s Δ Δ T s Month DD, Year Slide 9
Trådlös reglering Händelse styrd sampling, kan få signalen att fastna Om inte mätsignalen rör sig Δy då skapas ingen ny samplingshändelse ingen ny styrsignal skapas då medför att mätsignalen når inte bör-värdet Kan lösas genom att införa en time-out som beror av reglerfelet (ref. - mätvärde) Month DD, Year Slide 10
Trådlös reglering Samplingstiden påverkar reglerprestandan Step responses with periodic sampling with different sampling intervals, lam=2.5 Step responses with periodic sampling with different sampling intervals, lam=15 1 0.8 r y (T S =4) y (T S =2) y (T S =0.2) 1 0.9 0.8 0.7 r y (T S =8) y (T S =4) y (T S =0.2) 0.6 0.6 0.5 0.4 0.4 0.3 0.2 0.2 0 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 time [s] Month DD, Year Slide 11 Resultat för snabb tuning Snabbare stegsvar med längre samplingstid 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time [s] Resultat för långsam tuning Snabbare stegsvar med kortare samplingstid Reglerprestandan förändras när samplingstiden ändras, då man använder samma PI-parametrar Kan lösas genom att PI parametrarna räknas om beroende på vilken samplingstid som används
Trådlös reglering Omsändning av datapaket ger bättre reglering (men ökad kommunikation) Nedan simulering med 50% förluster av datapaket och olika max gräns på antalet omsändningar (retry limits, rl) Step responses for periodic sampling, model #8, 50% package loss, and different retry limits 5 4 3 2 1 Periodisk sampling set-point rl=0 rl=1 rl=2 rl=3 1.5 1 Händelsestyrd sampling Step responses for event based sampling, model #8, 50% package loss, and different retry limits 2 set-point rl=0 rl=1 rl=2 rl=3 0 0.5-1 -2 0-3 -4 0 50 100 150 200 250 time [s] -0.5 0 50 100 150 200 250 time [s] Month DD, Year Slide 12 Händelsestyrd sampling genererar automatiskt nya samplingstillfällen när signalen förändras, vilket inte periodisk sampling gör Med fler omsändningar har periodisk sampling liknande prestanda som händelsestyrd sampling, för ungefär samma kommunikation
Trådlös reglering Forskning i regler-delen av WiComPI projektet I WiComPI projektet forskade vi i huvudsak på hur man kan sampla så sällan som möjligt utan att förlora reglerprestanda Vi utvärderade: Periodisk sampling Händelsestyrd (event-triggered) sampling Själv-triggad (self-triggered) sampling. Tidpunkten för nästa sampel beräknas. Wired control was assumed here in the WiComPI project Month DD, Year Slide 13
Trådlös reglering Några slutsatser från en stor simuleringsstudie i WiComPI projektet Icke-periodiskt sampling är inte signifikant bättre än långsam periodisk sampling Finns också en avvägning mellan hur mycket tid man kan lägga på regulatortrimning och kostnader för idrifttagning Omsändning av förlorade sampel har stor påverkan Dock konsumerar omsändningar bandbredd Den trådlösa kommunikationen ser potentiellt ut att ha större påverkan än valet av samplingsmetod Felrättande algoritmer Bättre routing Fler antenner Month DD, Year Slide 14
Trådlös reglering Utvärderar bl.a. två olika reglerstrukturer i ASIPI-proj. Dagens reglerstruktur, men med trådlös kommunikation både från givare och till ställdon Centralt styrsystem Alternativ reglerstruktur med lokala regulatorer på ställdonen och trådlös kommunikation Centralt system Router / Gateway Router / Gateway Router / Gateway Router / Gateway Ställdon trianglar Givare cirklar Ställdon trianglar Givare cirklar Month DD, Year Slide 15
Fördelar & nackdelar med de olika reglerstrukturer Samma struktur som i dag, men trådlös kommunikation i stället för trådad Fördel: Samma reglerstruktur som i dag, men med trådlös kommunikation. Mycket kan återanvändas. Nackdelar: Behöver trådlös kommunikation med både givare och ställdon Behöver utveckla strategi för fördröjd eller förlorad kommunikation med både sensor och ställdon Kan vara långa avstånd mellan den centrala regulatorn, givarna och ställdonen Struktur med lokala regulatorer Fördelar: Lokala regulatorn placerad på ställdonet, regulatorn har alltid kontakt med ställdonet Ofta korta avstånd mellan givare och ställdon vilket gör kommunikationen säkrare Nackdelar: Nytt styrsystem med ingenjörsverktyg m.m. måste utvecklas för den lokala regulatorstrukturen. Behöver implementera reglerstrategi för fördröjd eller förlorad kommunikation mellan ställdon och sensorer och centrala systemet. Flervariabel reglering blir svårare Month DD, Year Slide 16
Några utmaningar i ASIPI projektet Utveckla strategi för fördröjd eller förlorad kommunikation Kan kanske lösas genom att använda ett Kalman filter för att estimera fördröjda eller förlorade sampel m.h.a. process modell och närliggande signaler. Modellen kan sen även användas för regulatordesign. Modellen kan i vissa fall identifieras från loggade data. Icke-periodisk sampling måste kunna hanteras och att signalerna inte samplas vid samma tidpunkt. Month DD, Year Slide 17
Några utmaningar i ASIPI projektet Det ska: Vara enkelt att lägga till nya givare i styrsystemet Krävas kort ingenjörstid Fungera någorlunda väl även om kommunikationen med en givare eller ställdon bryts Minst ha samma funktionalitet som dagens system Month DD, Year Slide 18
Trådlös reglering Sammanfattning Allt fler produkter innehåller idag trådlös kommunikation Trådlös kommunikation ökar användarvänlighet, flexibilitet, ger ny funktionalitet Inom industriella styrsystem är det än så länge mycket ovanligt med trådlös kommunikation, framförallt p.g.a. höga krav på tillförlitlighet Med trådlös kommunikation i styrsystemen skulle det bli enklare och flexiblare att installera nya givare och ställdon för tester, diagnostik, förbättrad reglering, m.m. Lägre installationskostnader eftersom inga signalkablar behövs I PiiA projekt har vi bl.a. studerat: Olika metoder på hur man kan sampla så sällan som möjligt utan att förlora reglerprestanda. Hur olika reglerstrukturer skulle kunna förbättra tillförlitligheten med trådlös reglering Hur man kan reducera problemen med fördröjd eller förlorad kommunikation Month DD, Year Slide 19