Hoe presteren regelkringen in de praktijk?

Een regelkring die niet goed presteert, geeft zelden een storing. Er gaat geen alarm af en het proces draait door. Daarom weet bijna geen installatie precies hoe het met haar regelkringen gesteld is. Wie het wél heeft gemeten, komt steeds op hetzelfde uit: een groot deel van de regelkringen doet niet wat hij zou moeten doen.

In dit artikel zetten we de belangrijkste onderzoeken op een rij: wat er is gemeten, wat eruit kwam en waar u voorzichtig mee moet zijn.

Wat is een goed presterende regelkring?

Een regelkring presteert goed als hij het proces dicht bij het setpoint houdt, verstoringen snel uitdempt en daarbij niet meer met de klep beweegt dan nodig. Hij staat in automaat en heeft regelruimte over: de output loopt niet tegen 0 of 100%.

De onderzoeken hieronder gebruiken elk hun eigen indeling, maar de signalen waarop ze letten zijn steeds dezelfde:

In hand. De operator heeft de regelaar uitgeschakeld en stuurt zelf.
Tegen een grens. De output staat zo vaak op zijn minimum of maximum dat de regelaar niets meer te regelen heeft.
Slingeren. De proceswaarde oscilleert rond het setpoint, door de tuning, een klep of een andere regelkring.
Meer variatie in plaats van minder. De regelaar maakt het proces onrustiger dan het zonder regelaar zou zijn.

Honeywell (2002): twee derde met duidelijke ruimte voor verbetering

Honeywell beoordeelde 26.000 PID regelaars in de continue procesindustrie, verzameld over twee jaar. Elke regelaar kreeg een van vijf klassen, op basis van zijn variatie en oscillatie ten opzichte van wat voor dat type regeling haalbaar is.

16% uitstekend
16% acceptabel
22% matig
10% slecht
36% open loop: de regelaar stond in hand, of de output liep tegen een grens, gedurende meer dan 30% van de meetperiode

De auteurs concluderen dat maar een derde van de regelaars acceptabel presteerde en twee derde duidelijke ruimte voor verbetering had. Ze noemen ook een oorzaak: een regeltechnicus is doorgaans verantwoordelijk voor twee- tot vierhonderd regelkringen, naast veel ander werk.

Paulonis en Cox (2003): 41% matig of slecht

Eastman Chemical bouwde een systeem om de prestaties van zijn PID regelaars automatisch te beoordelen: flow-, druk-, niveau- en temperatuurregelingen in 40 fabrieken op negen locaties wereldwijd. Van die regelkringen viel 41% in de klassen matig of slecht, met name door problemen met de hardware: de klep, de positioner of de transmitter.

Torres en collega’s (2006): 41% slingert

Tussen juli 2004 en oktober 2005 werden 700 regelkringen doorgelicht bij twaalf bedrijven in Brazilië, in de petrochemie, de papierindustrie, cement, chemie, staal en mijnbouw. Gemiddeld:

41% van de regelkringen slingerde, door de tuning, koppeling met andere kringen, verstoringen of de actuator
24% had een output die het grootste deel van de tijd tegen een grens stond
16% stond in hand
16% had ernstige tuningproblemen
15% van de kleppen had last van stiction of hysterese
14% van de kleppen was flink versleten

ABB (2016): maar een kwart verbetert het proces

Het grootste databestand komt van ABB. Met zijn monitoringsysteem worden dagelijks ongeveer 600.000 PID regelkringen beoordeeld, bij klanten in uiteenlopende industrieën. Over die regelkringen was de verdeling:

30% stond in hand
30% vergrootte de variatie in het proces
15% had een output buiten zijn regelbereik
25% verbeterde het proces

Volgens de auteurs werkt tot drie kwart van de automatisering in een typische installatie daardoor niet zoals ontworpen, vooral omdat de regelingen niet grondig zijn afgesteld.

Wat de onderzoeken samen laten zien

Al in 1993 kwamen de eerste audits op hetzelfde uit. Bialkowski vond in Canadese papierfabrieken dat maar 20% van de regelkringen goed werkte; bij 30% lag het aan de tuning en bij nog eens 30% aan de kleppen. Ender meldde dat 30% van de regelaars in hand stond en 20% nog op de fabrieksinstellingen draaide.

De onderzoeken verschillen in tijd, land en methode, maar het beeld is opvallend stabiel. Een proefschrift uit 2024 vat het zo samen: in verschillende industrieën en op verschillende continenten haalt ongeveer 40% van de regelkringen niet de prestatie die van hem verwacht wordt.

De oorzaken die steeds terugkomen:

Eenmalig afgesteld. Regelaars worden bij de inbedrijfname ingesteld en daarna zelden nog bekeken, terwijl het proces, de belasting en de kleppen veranderen.
Geen tijd. Eén regeltechnicus heeft honderden regelkringen onder zijn hoede. Een kring die geen storing geeft, komt niet op de lijst.
Kleppen en metingen. Een deel van de onrust zit niet in de tuning, maar in een klep die blijft hangen of een meting die niet klopt.
Operators lossen het zelf op. Een kring die lastig doet, gaat in hand. Dat werkt, maar daarna blijft hij vaak zo staan.

Waar u voorzichtig mee moet zijn

Deze cijfers zeggen veel over regelkringen in het algemeen, maar niets over uw installatie in het bijzonder. Een paar kanttekeningen:

Definities verschillen. "Open loop" betekent bij Honeywell in hand óf tegen een grens. De klassen matig en slecht zijn bij elk onderzoek anders afgebakend. Tel de percentages daarom niet bij elkaar op en vergelijk ze niet één op één.
De data komt deels van leveranciers. Honeywell en ABB verkopen zelf software voor het bewaken van regelkringen. Hun cijfers zijn gepubliceerd en getoetst, maar ze hebben er ook belang bij dat het probleem zichtbaar is.
Niet alles in hand is fout. Sommige regelaars staan bewust in hand, bijvoorbeeld een bypass die alleen bij het opstarten wordt gebruikt.
Oudere meetperiodes. De onderzoeken lopen van 1993 tot 2016. Dat het beeld in die periode nauwelijks veranderde, zegt wel iets: betere besturingssystemen lossen het niet vanzelf op.

Hoe weet u hoe het bij uw regelkringen zit?

Dat begint met kijken naar de trenddata die u al heeft. Zet per regelkring de PV, het setpoint en de output naast elkaar en let op de signalen hierboven: hoe vaak staat hij in hand, loopt de output tegen een grens, slingert de PV?

Voor een eerste indruk kunt u de quickscan doen: twaalf vragen over de signalen van een onrustige regeling. Wilt u het per regelkring onderbouwd zien, dan laat de gratis PID Performance Scan uit uw eigen trenddata zien welke kringen onrustig zijn en waardoor.

Veelgestelde vragen

Hoeveel regelkringen staan gemiddeld in hand?

Dat verschilt per onderzoek en per installatie. ABB vond bij ongeveer 600.000 regelkringen dat 30% in hand stond, Torres en collega’s kwamen bij 700 regelkringen op 16%. Honeywell telde 36% als "open loop", maar daar vallen ook regelaars onder waarvan de output tegen een grens staat.

Waarom zetten operators een regelaar in hand?

Meestal omdat de regeling in automaat niet doet wat ze verwachten: hij slingert, reageert te traag of grijpt te hard in bij een lastwissel. In hand hebben ze het proces wel onder controle. Het probleem is dat de kring daarna vaak in hand blijft, ook als de oorzaak allang verholpen had kunnen worden.

Is dit bij moderne DCS-systemen nog steeds zo?

De onderzoeken laten weinig verbetering zien tussen 1993 en 2016, terwijl besturingssystemen in die periode veel krachtiger werden. Een modern DCS maakt het makkelijker om data te verzamelen, maar de instellingen van een regelaar passen zich niet vanzelf aan als het proces verandert.

Ligt slecht regelgedrag altijd aan de tuning?

Nee. In de onderzoeken komen kleppen met stiction of slijtage, verkeerd gedimensioneerde kleppen en meetproblemen steeds terug als oorzaak. Daarom is het belangrijk om eerst vast te stellen waar de onrust vandaan komt, voordat de instellingen worden aangepast. Hoe u dat in de trend herkent, leest u in PID regelaar uitgelegd.

Bronnen

Desborough, L. en Miller, R. (2002). Increasing customer value of industrial control performance monitoring: Honeywell’s experience. AIChE Symposium Series 98(326).
Starr, K.D., Petersen, H. en Bauer, M. (2016). Control loop performance monitoring: ABB’s experience over two decades. IFAC-PapersOnLine 49(7), 526-532.
Paulonis, M.A. en Cox, J.W. (2003). A practical approach for large-scale controller performance assessment, diagnosis, and improvement. Journal of Process Control 13, 155-168. Cijfers zoals samengevat door Jelali (2010).
Torres, B.S., de Carvalho, F.B., de Oliveira Fonseca, M. en Filho, C.S. (2006). Performance assessment of control loops: case studies. IFAC ADCHEM, Gramado. Cijfers zoals samengevat door Jelali (2010) en Yağcı en Arkun (2020).
Jelali, M. (2010). Control System Performance Monitoring. Habilitationsschrift, Universität Duisburg-Essen. Bevat ook de samenvatting van Bialkowski (1993) en Ender (1993).
Yağcı, M. en Arkun, Y. (2020). An integrated application of control performance assessment and root cause analysis in refinery control loops. IFAC-PapersOnLine 53(2), 11650-11655.
Yağcı, M. (2024). Control Performance Analysis with Industrial Scale Applications. Proefschrift, Åbo Akademi.

Hoe presteren regelkringen in de praktijk? Dit zegt het onderzoek