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Special Report 特別企劃 Tech Notes 技術專文 New Visions 新象新知 LOHAS Column 樂活園地
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圖三、改裝智慧型定位器的測試圖 圖五、由統計分析圖看控制穩定性對生產的影響 定值的控制變異數比較大，為避免落於規格值以下， 圖七、多重步進反應測試圖
Fisher 2" ED / 667(40) / DVC5010 E Tuning Product New Process 一般設定值會高於規格值，可是設定越高，需要的能
Input Tvl Open Loop Step Test at 164 gpm, 30 psid in the 2" Test Loop Flow Specification Set Point
(%) (%) Friction ≈ 35 lbs P supply =35 psig (%) 量及操作成本較高。因此，若控制回路改善，控制變 • Step Response
•Step Response
55 55 75 Process 異數可以降低，不但產品品質較一致，也有足夠空間 • Performance Step Test
Set Point
•Performance Step Test
BETTER CONTROL WITH FIELDVUE • Step Test Overlay
調整控制設定值。此時，藉由設定值調整，一方面可 •Step Test Overlay
50 50 70
Flow Rate Impact of Move
reduced process 以節省能量成本，產品品質也可以提升。
process set point
45 45 65 variability closer to
I/P Input Signal Increase Increase in Increase in product Reduce Reduce in
in Scrap Energy & Quality spec. in Scrap Energy & ● 保養性
40 40 60 Costs Feedstock Costs Feedstock
Costs
Costs
Overshoot (%)
試著思考現實工廠另一層面的保養問題： Overshoot (%)
Dead Time
Feedstock and Scrap Costs Productivity Product Quality Dead Time
35 35 Stem Travel 55 a. 工廠年度歲修，所有控制閥到底有哪一些要拆 T63/T86
T63/T86
Error
修，哪一些不用拆修？靠經驗和事件決定是否 Error
30 30 50 Gain
拆修？有否隱藏問題不知道而沒拆修？ Gain
Max. Dead Band
0.5% Steps 1% Steps 2% Steps 5% Steps 10% Steps 圖六、控制變異性改善對生產操作的影響 Max. Dead Band
25 25 45 Page 3
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 b. 拆修的控制閥發現沒問題（或找不到問題）又
Data File: (95)07191046
Time (seconds) Upper Limit 裝回去？歲修時沒有拆修的控制閥，開俥沒多
2-sigma range PROCESS VARIABLE Setpoint Optimal setpoint 2-sigma 久就壞了？會不會有“該拆的沒拆，不該拆的 控制閥的反應性、靈敏性、精確性，影響這個控
range
拆了”的感嘆？
50%。請參考圖三，設定開度(I/P Input Signal)與閥 2-sigma range Constraint c. 如何驗證控制閥整修、調適(Tuning)、校正一 制回路，而操作人員也只能從製程值的反應結果來調
整控制閥輸出命令。假如控制閥的反應性能夠又快、
Constraint
(spec. limit)
軸的實際開度(Stem Travel)幾乎完全一致，相對流量 Lower Limit (spec. limit)
2-sigma 又穩、又準，這個控制回路就會容易調適，而且比較
range 切OK？
就非常穩定(Flow Rate)，所以回路控制也比較容易
穩定。所以定位器設計診斷命令，將設定開度、實際
調適，製程控制也就相對穩定。 Reduced Process Variability Provides the 控制閥保養，最主要的問題在於機械部份，當這
Opportunity for Setpoint Change, hence 開度、時間三個變數構成一個圖，稱為步進反應測試
由於控制閥比較精準，所以應用在圖一的回路控 Increased Profit 個閥還在現場，保養人員如何判斷這個閥是否該拆
Increased Profit
圖(Step Response Test Graph)。不過，大多數廠家
制上，控制的PV（Process Value，製程值）就可獲 修，尤其拆裝一個閥需要的人力、機械吊裝設備、時
設計單一步進測試，也就是由某一開度到另一開度進
得非常明顯的改善，請參考圖四的壓力PV值，由改 間，會因閥的尺寸大小而不同，當工廠產能越大，控
械組成，如何線上檢知機械問題是保養人員的難題。 行單一步進測試，診斷結果就會比較失真，因為控制
善前的1%變化，穩定到只有0.25%變化。 制閥的尺寸越大，相對也越重，拆裝工程就越浩大。
所以在控制性及維護保養這兩大部份是極大的挑戰： 加上工廠並非只有一個控制閥，而是數十個、數百 閥是一直在連續變動控制，尤其是控制系統回路放在
自動控制，設定開度一直在調整，實際開度也必須動
圖四、控制回路的改善前後性能比較 ● 控制性 個，甚至上千個。在工廠年度歲修有限的人力、物 態跟得上，控制動作才有意義。所以測試命令必須多
4 times improvement 力、時間，是否能對所有控制閥進行“必要的”保養
試著思考底下的工廠問題是否是因為控制閥控制 重步進，而且步進要由小到大的變化，才能看小變化
檢修工作，這就成了保養單位的一大挑戰。如果能夠
性不佳所引起：
Flow 的步進動作是否實際反應（靈敏性），大變化的步進
在控制閥拆修前就先診斷問題，不需要拆修的就可
a. 工廠花了鉅資購買APC (Advanced Process 命令是否會動作太慢，定位器增益值調整太小，控制
以現場處理，有機械問題必須拆修的再進行拆修工
Control)軟體或系統，但是否未上線使用，或 閥作動時間常數(Time Constant)太大。但也有可能
作。整修完控制閥，也可利用診斷功能驗證整修、校
者使用並不穩定？ 增益值調太大，就可以看出是否發生overshoot。再
正、調適等保養工作，這樣的保養方式就更有效率，
b. 控制閥控制變異性大，DCS控制迴路PID不易調
Pressure 1.0% 0.25% 者，還可以看出設定開度與實際開度是否有很明顯的
Set Point 甚至可以訂定為保養標準作業程序(SOP – Standard
試？ 偏差（精確性）。由圖七的反應動作，由小變到大，
Operation Procedure)。
Competitor’s FIELDVUE c. 控制閥控制不穩定，產品品質不佳，產能無法 控制閥作動反應是否良好，可以看出定位器增益值
Competitor’s Positioner
Neles ND800 Positioner
DVC5000 提升？ 所以，利用智慧型定位器來診斷控制閥問題，成 (Gain)調整好壞。
了新的解決方案。
因控制閥定位器改善，使控制的變異性由1%降為0.25%， 控制閥主要三個組成－定位器、驅動器及閥體。
● 動態誤差帶測試
控制穩定，產品品質穩定，發生異常跳車的機率也降低。 某些控制閥不採用定位器，而是傳統的I/P轉換器(I/
智慧型定位器與控制閥診斷 (Dynamic Error Band Test – DEB Test)：
P Transducer)，相對的控制性因為沒有開度回饋，
把控制閥由關到開，由開到關，進行一次全行程
控制性會比定位器差。而I/P轉換器將控制系統電流 智慧型定位器的基本設計，就是加裝微處理器
由控制的角度來看，一旦控制的穩定性提高， 開關測試，並把設定開度當橫軸，實際開度當縱軸畫
信號4-20mA轉換為氣動的氣壓值信號，但因控制閥 (Microprocessor) ，並將閥實際開度(Travel Position)
相對的品質分布就比較集中；因此控制的設定值就 成一個分析圖，這就是動態誤差帶測試圖，這是看整
的機械摩擦特性，在閥開與關的兩個方向承受不同的 回饋給定位器參考。此實際開度會與設定開度
不需要抓太大的前置量，由圖五的統計關係圖表來 個控制閥的整體性能，含定位器、驅動器及閥體。在
摩擦力，而且其關係也非線性，所以採用智慧型定位 (Setpoint)作比較，將誤差值再計算並調整輸出氣
說明生產與控制值的關係，可以用最小的投入量 這個測試圖中，每一設定開度值會有兩個實際開度
器，藉由微處理器的計算修正功能，可以改善此部份 壓，進行開度修正。此微處理器的開度修正動作，就
（設定值）獲得最大的產出值。所以控制閥性能的 值，一個是由關到開，一個是由開到關。這兩個實際
問題。再者，智慧型定位器內部有增益值(Gain)可調 宛如PID回路控制一般，所以控制閥的開度控制會更
改進，對整體工廠的生產效能有著決定性的影響。 開度差異值稱為誤差帶(Error Band)，主要原因是整
整，調整好壞也就影響這個控制閥的作動性，增益值 加精準，操作人員在控制室看到設定開度50%，外面
調得太大也會導致控制閥作動不穩。因此控制系統下 實際的閥開度也應該是50%。在此，四個重要變數就 個控制閥的內部阻力形成，控制閥由接受設定開度命
控制閥的控制性與保養性： 令到實際開度移動，中間有許多電子與機械的作動元
設定開度給控制閥，控制閥真實開度是否依命令動作 構成控制閥診斷的重要依據－設定開度、實際開度、
控制閥在整個工廠控制扮演關鍵的角色，因為大 （校正好壞），多快才開到設定開度（增益值調整好 輸出氣壓、時間。針對這些重要變數，就可以組成非 件，每一組件都有或多或少的延遲（稱為內阻力）。
但因為是定位器，開度誤差值會在下一次開度的運算
部份控制閥被設計來執行回路控制。而控制閥除定位 壞），這些都會影響控制回路的控制性。 常有用的診斷工具圖：
中修正，因此控制閥可以到達設定的要求開度。本測
器之外，閥體(Valve Body)及驅動器(Actuator)是機 參考圖六，一般控制分佈曲線見左半部，因為設
● 多重步進反應測試(Multi-step Response Test) 試圖就是要看開度計算修正前的內阻力特性，同時也
NEW FAB TECHNOLOGY JOURNAL http://nfjournal/ July 2011