Advanced Process Control

PID-Basisregelungen, Vermaschte Regelungsstrukturen, Softsensoren, Model Predictive Control

Rainer Dittmar

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2017
• ISBN:
  9783110497236
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Chemie- & Biochemietechnik

Advanced Process Control spielt in der Prozessführung eine große Rolle für den wirtschaftlichen Betrieb verfahrenstechnischer Produktionsanlagen. Neben der Optimierung von PID-Basisregelungen und dem Regelgüte-Management werden Fragen der Modellbildung, vermaschte Regelungsstrukturen, die Entwicklung von Softsensoren zur fortlaufenden Berechnung schwer messbarer Qualitätskenngrößen und modellbasierte prädiktive Mehrgrößenregelungen behandelt.

1Einleitung

1.1Prozessautomatisierung

Der Begriff Prozessautomatisierung bezieht sich auf verfahrenstechnische Prozesse, in denen Rohmaterialien durch mechanische, thermische, chemische oder biologische Vorgänge in Zwischen- und Fertigprodukte umgewandelt werden. Die Industriebereiche, in denen Produktionsprozesse dieser Art stattfinden, werden daher auch unter den Namen „Prozessindustrie“ oder „stoffwandelnde Industrie“ zusammengefasst. Dazu gehören u. a. die chemische und petrochemische Industrie, die pharmazeutische Industrie, die Lebensmittelindustrie, die Papier- und Zellstoffindustrie, die Glas- und Keramikindustrie, die Zementindustrie und die Stahlindustrie. Im Gegensatz zu Produkten der Fertigungsindustrie (man denke an technische Konsumgüter, Autos oder Flugzeuge) sind die Produkte der Prozessindustrie weder Träger von Automatisierungsgeräten noch von Regel- und Steueralgorithmen. Die „Produktintelligenz“ ist eingebaut in die chemische, physikalische oder morphologische Struktur der Materialien (Schuler, 2006). Nichtsdestoweniger spielt die Automatisierung in der Prozessindustrie eine große und wachsende Rolle. Sie trägt auf indirekte Weise zum Produktionserfolg und zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen bei.

Automatisierungsziele sind in diesem Bereich die Einstellung und Aufrechterhaltung vorgegebener Werte für Prozessgrößen wie Durchfluss, Temperatur, Druck usw. und die Sicherung einer vorgegebenen Reihenfolge von Produktionsschritten. Darüber hinaus liefert die Prozessautomatisierung Beiträge

–zu einer möglichst effizienten Nutzung der eingesetzten Rohstoffe und Energieträger und damit zur Verringerung der spezifischen Produktionskosten,

–zur Maximierung des Durchsatzes absetzbarer Produkte bei Einhaltung von Anlagen-Nebenbedingungen,

–zu einer genauen und gleichmäßigen Einhaltung vorgegebener Produktspezifikationen und Qualitätsparameter, zur Senkung bzw. Vermeidung von Ausschussproduktion und Nachbearbeitung,

–zur Einhaltung gesetzlicher Auflagen für Umweltschutz, Anlagensicherheit und Produkthaftung,

–zu einer schnelleren und flexibleren Reaktion auf sich ändernde Marktbedingungen hinsichtlich verfügbarer Rohstoffe und Energieträger, aber auch nachgefragter Produkte und Preisentwicklungen.

Die Automatisierungstechnik kann diese Aufgaben nur in Zusammenarbeit mit anderen Fachdisziplinen (u. a. Chemie und Verfahrenstechnik, Maschinen-, Apparate- und Anlagenbau) lösen. Die Automatisierungsfunktionen werden traditionell in verschiedenen Schichten angeordnet, oft als „Hierarche der Automatisierungsfunktionen“ oder „Automatisierungspyramide“ bezeichnet. Eine mögliche Gliederung zeigt Tab. 1.1.

Tab. 1.1: Hierarchie der Funktionen der Prozessautomatisierung.

Ebene	Automatisierungsfunktion	Zeithorizont
Unternehmens- Leitebene	Planung und Scheduling, Supply Chain Management, längerfristige Produktionsplanung, Kostenanalyse, andere betriebswirtschaftlich orientierte Funktionen	Tage...Monate
Betriebs- Leitebene	Online-Prozessoptimierung mit theoretischen Prozessmodellen (Real Time Optimization – RTO) – statische Arbeitspunktoptimierung Trajektorien-Optimierung für An- und Abfahrprozesse sowie Umsteuerungsvorgänge – dynamische Optimierung Koordinierung von MPC-Regelungen Regelgüte-Management (CPM) Prozessdiagnose und Statistical Process Control (SPC) Alarm- und Event-Management Asset Management von Feldgeräten Erweiterte Protokollierung und Betriebsdaten-Archivierung (Prozess- und Labor-Informationssysteme) Rezeptur-Erstellung und – verwaltung Kurzfristige Produktionsplanung	Stunden... Tage
Prozess- Leitebene II	Model Predictive Control (mit integrierter lokaler Arbeitspunktoptimierung) Modellgestütztes Messen (Softsensoren) Rezeptur- und Ablaufsteuerungen	Minuten... Stunden
Prozessleit- Ebene I	Vermaschte Regelungen (Kaskaden-, Verhältnis-, Split-Range-, Override-, Entkopplungs-Regelung, Störgrößenaufschaltung, Gain Scheduling usw.) PID-Basisregelungen inkl. Selbsteinstellung auf Anforderung Schutz- und Verriegelungsfunktionen Registrieren/Protokollieren, Generierung von Alarmen/Meldungen Bedienen und Beobachten	< 1Sekunde... Sekunden
Feldebene	Erfassung und Beeinflussung von Prozessgrößen mit (zunehmend intelligenten) Mess- und Stelleinrichtungen	< 1Sekunde

In der Tabelle sind auch die Zeithorizonte angegeben, in denen diese Aufgaben gelöst werden. Die in diesem Buch besprochenen Advanced-Control-Strategien sind durch Fettdruck hervorgehoben. Die Funktionen der Unternehmensleitebene und betriebswirtschaftlich orientierte Funktionen der Betriebsleitebene werden häufig auch mit den Begriffen „Manufacturing Execution Systems (MES)“ und „Enterprise Resource Planning (ERP)“ bezeichnet.

Die in Tab. 1.1 gezeigte Hierarche der Automatisierungsfunktionen findet ihre Entsprechung in der hierarchischen Struktur moderner digitaler Automatisierungssysteme oder Prozessleitsysteme (PLS), vgl. (De Prada, 2015). In Abb. 1.1 ist die Architektur eines Prozessleitsystems vereinfacht beispielhaft dargestellt.

Abb. 1.1: Architektur eines Prozessleitsystems.

Auf der unteren Ebene finden sich als „Prozessnahe Komponenten“ (PNK) bezeichnete Mikrorechner mit Prozessperipherie, an die Sensoren und Aktoren angeschlossen sind. Das geschieht alternativ

–auf konventionelle Art und Weise, z. B. über 4...20mA-Analogsignale, evtl. überlagert durch die Übertragung weiterer Geräte-Informationen über eine HART-Schnittstelle,

–durch Ankopplung der Feldgeräte an Remote-I/O-Systeme, die ihrerseits über Busanschaltung mit dem PLS verbunden werden,

–über direkte Ankopplung „smarter“ Sensoren und Aktoren über einen Feldbus, z. B. Profibus PA oder Foundation Fieldbus oder

–durch drahtlose Informationsübertragung, z. B. über Wireless HART.

PLS-Hersteller bieten auch Komponenten zur Realisierung sicherheitsgerichteter Steuerungsfunktionen an. In vielen Fällen werden diese jedoch über gerätetechnisch getrennte Sicherheitssysteme spezialisierter Hersteller realisiert, von denen dann ausgewählte Informationen an das PLS übertragen werden. Auf den prozessnahen Komponenten (PNK) werden die Funktionen der Messwertverarbeitung inkl. Generierung von Alarmen und Meldungen, der PID-Basisregelungen und vermaschten Regelungen, und der Binärsteuerung (Verknüpfungs- und Ablaufsteuerungen) implementiert. Diese werden mit Hilfe herstellerspezifischer Programmbaustein-Bibliotheken auf dedizierten PCs (Engineering-Komponenten, EK) konfiguriert und parametriert.

In einer weiteren Ebene sind Anzeige- und Bedienkomponenten (ABK) angeordnet, die eine Bedienerschnittstelle für die Anlagenfahrer in einer zentralen Messwarte bereitstellen. Die grafischen Oberflächen für die Bedienung und Beobachtung werden ebenfalls mit Hilfe von Engineering-Komponenten projektiert. In dieser Ebene sind oft auch Server integriert, in dem alle Prozessdaten gesammelt, verwaltet und archiviert werden. Komponenten in übergeordneten Schichten können auf diese Datenbanken über eine OPC-Schnittstelle zugreifen. OPC ist die Abkürzung für „Open Platform Communication“ (früher „OLE for Process Control“), eine standardisierte Software-Schnittstelle für den Datenaustausch zwischen Anwendungen unterschiedlicher Hersteller in der Automatisierungstechnik.

In der dritten Ebene finden sich u. a. dedizierte Rechner für Aufgaben des Asset Managements (zentrale Feldgeräteverwaltung), des Alarm- und Eventmanagements, der Anlagensimulation (z. B. für Operator-Trainingssysteme (OTS)), der Automatisierung von Blending- und Verladeprozessen, dermodellbasierten Mehrgrößenregelung (Model Predictive Control, MPC) als Herzstück der Advanced-Process-Control-Funktionen, und in selteneren Fällen der betriebswirtschaftlichen Arbeitspunktoptimierung (Real-Time Optimization, RTO). In dieser Ebene können auch Rechner und Applikationen für das Regelgüte-Management und die Prozessdiagnose angeordnet sein. In der obersten Ebene sind schließlich Rechner zu finden, die Daten und Funktionen für betriebswirtschaftliche Aufgaben der Produktionsplanung und – abrechnung bereitstellen. Die Langzeitarchivierung und Analyse von Prozessdaten geschieht in „Historians“ oder „Prozessdaten-Informations- und Management-Systemen“ (PIMS), bezogen auf Labordaten in „Labordaten-Management- und Informationssystemen (LIMS)“.

Die Informationen innerhalb und zwischen den Systemen werden durch unterschiedliche Bussysteme übertragen. Eine zunehmende Rolle spielt dabei die IT-Sicherheit: der Schutz vor unberechtigten Zugriffen auf Daten und vor Eingriffen in das PLS oder direkt in die Produktionsprozesse.

Mit dem Begriff „Prozessführung“ bezeichnet man „die Gestaltung und Beherrschung des Verhaltens eines Prozesses durch zielgerichtete technische Maßnahmen (z. B. Verfahrenstechnik, Automatisierungstechnik und andere technische Disziplinen) sowie durch die Tätigkeit der Anlagenfahrer“ (Schuler, 1999). Prozessführung ist also ein sehr weit gefasster Begriff und nicht mit Regelungstechnik oder Prozessoptimierung gleichzusetzen. „Advanced Process Control“ ist ein wichtiges Teilgebiet der Prozessführung (Krämer & andere, 2008), (Hagenmeyer & Piechottka, 2009).

Verfahrenstechnische Prozesse weisen Merkmale und Besonderheiten auf, die ihre Beherrschung aus automatisierungstechnischer Sicht schwierig gestalten. Zu diesen Merkmalen gehören (Schuler, 1992), (Rhinehart, Darby, & Wade, 2011):

–Nichtlinearität der Zusammenhänge zwischen Stell- und Regelgrößen in einer engen Umgebung des Arbeitspunkts (z. B. pH-Wert-Regelung) oder beim Betrieb der Anlage in einem weiten Arbeitsbereich,

–Komplizierte Prozessdynamik durch große Totzeiten (im Verhältnis zu den Verzögerungszeitkonstanten), Inverse-Response-Verhalten, integrierendes oder instabiles Streckenverhalten, unterschiedliche Dynamik für verschiedene Prozessgrößen einer Prozesseinheit,

–Instationäres Prozessverhalten: bei Batch-, Fed-Batch- und zyklischer Anlage...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhalt
• Verzeichnis der Abkürzungen
• 1 Einleitung
• 2 Einfache mathematische Modelle verfahrenstechnischer Regelstrecken
• 3 PID-Basisregelungen
• 4 Erweiterte Regelungsstrukturen
• 5 Softsensoren
• 6 Modellbasierte prädiktive Regelung mit linearen Modellen
• 7 MPC-Regelungen mit nichtlinearen Modellen (NMPC)
• Literaturverzeichnis
• Verzeichnis der Quellen von Abbildungen
• Stichwortverzeichnis