EP4185928A1 - Position controller self-assessment for digital twin - Google Patents

Position controller self-assessment for digital twin

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Publication number
EP4185928A1
EP4185928A1 EP21735658.3A EP21735658A EP4185928A1 EP 4185928 A1 EP4185928 A1 EP 4185928A1 EP 21735658 A EP21735658 A EP 21735658A EP 4185928 A1 EP4185928 A1 EP 4185928A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
simulation
control
signal
simulation parameter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21735658.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian FIEBIGER
Baihua SUN
David Wagner-Stürz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samson AG
Original Assignee
Samson AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samson AG filed Critical Samson AG
Publication of EP4185928A1 publication Critical patent/EP4185928A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B15/00Systems controlled by a computer
    • G05B15/02Systems controlled by a computer electric
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]

Definitions

  • the invention relates to a control device for a process engineering plant, such as a chemical plant, for example a petrochemical plant, a power plant, a food processing plant or the like.
  • a process engineering plant such as a chemical plant, for example a petrochemical plant, a power plant, a food processing plant or the like.
  • the field device module is set to a field device to be simulated from a group of predetermined field devices, as a result of which associated field device-specific design parameters are defined.
  • the field device-specific design parameters can be present as reference simulation parameters.
  • reference simulation parameters relating to a field device can be defined on a data sheet in order to provide interested experts, such as users or research institutions, with field device-specific design parameters for a field device module.
  • the simulation of the digital image of the process engineering system can be used as the basis for determining of optimal operating sizes. For example, error minimization of a control signal, reduction of levels, falling below or exceeding a threshold value can be specified as boundary conditions.
  • a critical operating state can be specified as a boundary condition, for example cavitation, noise level or the like.
  • boundary conditions can be defined by a safety factor of the field device, for example by an amount of air consumed during operation.
  • the field device-specific design parameters on which the field device model is based define a possible parameter range for which a specific, for example optimal, parameter can be determined in order to meet one or more boundary conditions. Based on the simulation result, a concrete, physical field device can be selected or dimensioned in order to use it in a real process plant.
  • Deviating system conditions can exist, for example, if virtual operating parameters for the simulation environment were selected based on idealized assumptions that do not correspond to real operating conditions, or if a simulation environment based on values from another system was used to design a system, which does not due to significantly different environmental conditions are transferrable. It is also conceivable that the theoretical operating conditions on which a simulation environment is based differ from the operating conditions that are actually set by a system operator.
  • a process control system may include multiple process controllers communicatively attached to at least one host or operator workstation.
  • the process controller can receive signals from field devices from the process control system and generate control signals that are transmitted to the field devices to control process operation.
  • Field devices can be, for example, valves, valve positioners, switches, and transmitters (e.g., temperature, pressure, and flow sensors).
  • the process control can be linked to a process model.
  • Process models can be used to dictate tuning parameters of PID (proportional/integral/derivative) control routines using adaptive control methods, where the tuning of a PID (or other) controller updates as a result of changes in the process model and/or a user-selected tuning rule can be.
  • PID proportional/integral/derivative
  • DE 102006046870 Ai proposes to use a data collection function with routines for automatically collecting, collecting or otherwise manipulating operational status data and a model identification module that generates statistical data collection from pre-configured parameters used in a simulation environment to calculate on their basis parameters for to determine a control loop setting.
  • a series of process models is to be generated as a process model history in order to provide a representation of an online performance of a control loop.
  • the process models shall be generated by a routine embedded in the control routine of the process controller.
  • a new process model is to be generated triggered by an event, for example a setpoint change or a Disturbance.
  • WO 2019/012121 A describes a method for providing and executing self-optimizing functions for a field device.
  • a set of functions can form a system model that is set up to learn the characteristics of a technical system.
  • an error in the comparison between observed target values and expected target values can be calculated using model execution software that compares the target values with each other.
  • an estimated target value can be calculated based on input variables and model parameters, and an error in the comparison between the true target value and the predicted value can be measured using a loss function.
  • Calculations for training, ie for updating the model parameters can be specified with the aid of a back calculation partial graph. This should be applicable to a wide variety of industrial systems.
  • a control device for a process plant, such as a chemical plant, for example a petrochemical plant, a power plant, for example a solar thermal power plant, a food processing plant, for example a brewery, or the like.
  • the control device includes a control valve for setting a process fluid flow of the process plant.
  • a binary open/close valve, for example, or a valve with a variably adjustable flow width can be referred to as a control valve.
  • the control device also includes a particularly pneumatic actuator for actuating the control valve and control device electronics for providing a pneumatic open-loop and/or closed-loop control signal for the pneumatic actuator as a function of a control variable.
  • a manipulated variable can preferably be an analog manipulated signal or a digital manipulated signal.
  • An analog control signal can be a 4..20 mA signal, for example.
  • a digital control signal can be a pulse width modulated control signal according to the HART protocol, for example.
  • the actuator electronics can include digital and/or analog electronic components.
  • the actuator electronics can include, for example, a data carrier with commands stored thereon and/or a data carrier with parameters or the like stored thereon.
  • the actuator electronics have a signal receiving interface for receiving the manipulated variable.
  • An actuator electronics can include a computing device.
  • the actuating device electronics can comprise a data carrier with commands stored thereon, the commands, when they are executed by one or more processors of the computing device, setting up the computing device to carry out a control function, a regulation function and/or a simulation function.
  • the actuator electronics can have a memory structure which provides data in order to specify at least one simulation parameter and/or at least one simulation structure with regard to the actuator.
  • the memory structure can be specified in the form of an array, a table or a matrix and can specify a large number of parameters and/or structures, in particular a history at different times of certain, in particular similar, simulation parameters and/or simulation structures.
  • the memory structure can be addressed via a first index to retrieve a simulation parameter.
  • the data of the memory structure can alternatively or additionally defined as functional data and, for example, define an entry point of a function that generates the respective simulation parameters when called. Further configurations of the memory structure are conceivable and can be adapted to a hardware or software structure of the actuating device electronics, the field device and/or a simulation environment.
  • the actuator electronics have a computing device that is set up to determine at least one simulation parameter that characterizes a signal response of the actuator to a received manipulated variable.
  • the actuator electronics also have a signal output interface for outputting the at least one simulation parameter.
  • the actuator electronics can be set up to output at least one simulation parameter by means of the signal output interface of the actuator electronics.
  • the signal response of the actuator can be defined, for example, as a mathematical function which, depending on at least one manipulated variable and depending on at least one or more predetermined simulation parameters, for example a reference simulation parameter, a historical simulation parameter or the like, determines a result which, for example, leads to a Operating size of the process plant, in particular the actuator, correlates.
  • An operating variable such as a controlled variable
  • An operating variable can in particular denote the position of the control valve, for example a control width of a valve member relative to a valve seat, a control position of a lifting rod, for example relative to a reference point of the housing, such as a yoke or a lantern of the control valve, and/or a control position of the pneumatic actuator .
  • An operating variable can be the pneumatic control and/or regulation signal from the actuator electronics for the pneumatic actuator, in particular a pneumatic pressure in a control chamber of the pneumatic actuator and/or a supply line of the actuator.
  • the simulation parameter determined by the electronic control unit can be referred to as a realistic simulation parameter.
  • the simulation parameter can preferably correspond to an actually measured signal response of the actuator to a received manipulated variable.
  • a control device that is set up to emit a newly determined simulation parameter by means of a signal output interface makes it possible to provide a control room or central computer unit of a process engineering system that is superordinate to the control device.
  • the control room or other computer unit performs a simulation with one or more realistic simulation parameters using a virtual representation of the process plant, parts of the process plant, or the actuator.
  • a virtual representation of the simulation can be used so that the simulation is based on realistic simulation data and not on hypothetical simulation parameters, which lead to simulation results that deviate significantly from realistic signal responses.
  • the virtual representation of a simulated plant or parts thereof can implement better simulation results with regard to the optimized design of the plant and its components, for example to provide optimal manipulated variables with regard to a process of the process plant to the actuator.
  • the actuator electronics have at least one data memory for the at least one simulation parameter, the data memory having at least one stored reference simulation parameter for the at least one simulation parameter and/or the data memory being set up to store a plurality of historical simulation parameters determined at different times.
  • a reference simulation parameter can, for example, be a simulation parameter which corresponds to information on a data sheet and/or which characterizes the behavior of a typical actuator of a specific type under ideal conditions.
  • an ideal parameter determined according to DE 102018133428 Ai can be defined as a reference simulation parameter in a range of design parameters of an actuator family.
  • a simulation parameter determined in particular under ideal conditions on a test bench with the specific control valve of the control device can be referred to as a reference simulation parameter.
  • a reference parameter can be distinguished from a realistic simulation parameter in particular by the fact that a realistic simulation parameter the actuator in question is or was determined when used, in particular when used properly, in the process plant, whereas a reference simulation parameter outside of the process plant to be considered may have been determined purely theoretically, in particular before the actuator in question was put into operation for the first time.
  • a reference simulation parameter can have been calculated using only a theoretical mathematical model, in particular under ideal conditions.
  • Historical simulation parameters were determined in particular by the actuator electronics at a point in time in the past. Historical simulation parameters can preferably be identified by, in particular, sequential numbering, a date and/or time stamp or the like in order to differentiate between the various historical simulation parameters and from the current realistic simulation parameter. The identification of the historical simulation parameters can in particular be unambiguous with regard to the chronological sequence of the historical simulation parameters recorded one after the other. A continuous, ascending numbering can be sufficient for this. Historical simulation parameters are determined in particular when the actuator in question is used, in particular when the actuator in question is used properly in the process plant. For example, historical simulation parameters can be determined regularly, at predetermined times and/or predetermined events, and stored in the data memory of the actuator electronics as historical simulation parameters.
  • the actuator electronics of the actuator can determine realistic simulation parameters at regular time intervals, for example hourly, daily, weekly, monthly or the like (initially as a current realistic simulation partner) and simultaneously or subsequently stored as historical simulation parameters.
  • Historical simulation parameters can be generated by the actuator electronics, for example, when realistic simulation parameters are regularly recorded when the actuator performs a particularly specific diagnostic function, particularly a partial stroke test and/or a full stroke test.
  • the computing device can be set up to calculate a virtual signal response of the actuator based on a received manipulated variable and at least one historical simulation parameter and/or at least one reference simulation parameter and to compare the calculated virtual signal response with a signal from the actuator, in particular using sensors to compare the detected signal response.
  • the actuating device comprises an internal controller or an internal control corner, which in particular can comprise a forward section made up of a valve position controller or controllers, an actuator and a control valve.
  • the valve position control and/or regulation is preferably implemented by the actuator electronics, in particular its computing device.
  • the actuator electronics can be set up to map a manipulated variable supplied to it onto a pneumatic control signal for the pneumatic actuator.
  • the actuator actuates the control valve so that it assumes a valve position.
  • the spatial valve position can be defined, for example, by an angle of rotation or a linear position.
  • the position of the control valve can be detected by a suitable position sensor and made available to the control device electronics, for example as a scalar position value.
  • the actuator electronics can include at least one, in particular two, additional function blocks.
  • the computing device of the actuator can be configured such that the computing device includes a first calculation module, which can be referred to as a simulation module, for a simulation to determine a virtual signal response based on a reference simulation parameter and/or at least one historical simulation parameter and the received manipulated variable .
  • the computing device can be set up in such a way that it has a second calculation module, which can be referred to as an adaptation module, for determining a realistic, for example updated or adapted, simulation parameter with regard to the actuator.
  • the computing device can be designed to carry out a simulation module based on a gray box model.
  • a so-called gray box model can be used to numerically approximate the behavior of the inner forward system or inner open-loop or closed-loop control system for converting the manipulated variable in a signal response
  • Gray box model the manipulated variable can be supplied to the actuator electronics.
  • the simulation with the gray box model would then generate a virtual output value (a virtual signal response) that provides an approximation for the output value or signal response of the real actuator.
  • the gray box model determines the virtual signal response taking into account at least one historical simulation parameter or one reference simulation parameter.
  • the real signal response can be detected by a sensor, for example a valve position sensor, of the actuator.
  • the adaptation module implemented by the computing device can be set up to adapt the simulation module, for example the gray box model, in order to reduce a deviation, in particular a numerical difference, between the virtual signal response and the real signal response.
  • the adjustment module can be set up to determine at least one current and/or realistic simulation parameter by recalculating a simulation parameter or by determining an updated realistic simulation parameter based on a reference simulation parameter or a historical simulation parameter in such a way that the Computing device with the simulation module on the basis of the updated simulation parameter determined by the adaptation module achieves a better approximation, for example a smaller deviation, in particular a smaller numerical difference between the real signal response and the virtual signal response.
  • the computing device is set up to detect a deviation, in particular a difference, between the recorded real signal response and the modeled virtual signal response in terms of time, amplitude and/or rate of change and to determine a current simulation parameter based on the deviation.
  • the actuator electronics can use a number of historical simulation parameters from a data memory and/or a number of real signal responses determined in a chronological sequence.
  • the actuator in particular the computing device of the actuator, can be set up to generate a series of virtual signal responses to be determined with a simulation module as a function of a series of received manipulated variables and to record a series of real signal responses as a function of the same received manipulated variables.
  • the adaptation module of the computing unit can be set up to compare a series of virtual signal responses and real signal responses recorded in a chronological sequence, depending in particular on the same manipulated variables in the time dimension, in order to determine, for example, whether the real signal response in the time dimension is faster or slower than the virtual signal response, and based on the result of this comparison to update at least one simulation parameter.
  • the simulation module can expect a faster virtual signal response with regard to a change in a manipulated variable, for example a response to a step signal, than the corresponding real signal response indicates. This can be the case, for example, when the dynamic coefficient of friction of the control valve differs statically compared to an initial value or an ideal value.
  • the adaptation module can identify whether the rate of change assumed as a simulation parameter for the virtual image corresponds to the rate of change actually present or whether there is a significant deviation.
  • the real spring constant and the spring constant assumed as a simulation parameter can be unequal, which manifests itself in the fact that a corresponding difference can be seen between the rate of change of a virtual signal response related to the operating variable setting position and the corresponding real signal response.
  • a deviation, in particular a difference, between a detected real signal response and a virtual signal response can take place with the aid of a comparison of a number of historical real and virtual signal responses.
  • the actuator electronics can be set up to emit a current simulation parameter using the signal output interface if the actuator electronics detects a deviation, in particular a difference, when comparing a current simulation parameter with a historical simulation parameter or a reference simulation parameter.
  • the Actuating device electronics can be set up to only output a current simulation parameter when a deviation, in particular a difference, was found between the current simulation parameter and a historical simulation parameter or a reference simulation parameter. In this way, it can be ensured that the actuator promptly communicates changed simulation parameters to a remote computer, such as a central computer of a process engineering plant, so that the virtual mapping of the actuator can take place in a simulation environment with realistic simulation parameters. If necessary, it can be achieved that, for example, a small bandwidth available for data transmission is only slightly loaded by the delivery of updated simulation parameters.
  • the at least one simulation parameter is selected from a list comprising dead time, discretization, static control and/or regulation deviation (e.g. proportional gain in (gain)), characteristic curve and/or gradient (e.g. time constant) or proportionality factor between a manipulated variable, such as an input current , and an operating variable, such as a setting position).
  • Discretization can describe a difference in time direction and/or amplitude direction between a prevailing static initial operating value, for example a stationary actual valve position, and another operating value that is as close as possible, for example as a result of static friction and system inertia, based on the initial operating value.
  • a simulation parameter can describe, for example, the P (proportionality), I (integration) and/or D (differentiation) factor of a PID controller, such as a PID control module implemented by a computing device.
  • a P-controller can be characterized by one or a few factors, or only one P-factor.
  • a two-point controller and/or a three-point controller can be characterized by a characteristic curve which characterizes the corresponding control response depending on the value or a development of a manipulated variable relative to a first and/or second threshold value.
  • simulation parameters are made available for different controller ranges corresponding to the different controller types.
  • a characteristic is characterized as, for example, tabular correlations between input values (manipulated variables) and output values (operating variables).
  • the actuator electronics can be set up so that the pneumatic control signal is provided as a function of a manipulated variable according to a control and/or regulation structure, with the actuator electronics being set up to have at least one Submit simulation parameters with respect to a particular modified control and / or regulation structure.
  • a simulation parameter may designate the control and/or regulation structure(s) that the subject actuator electronics utilize according to a predetermined classification.
  • a first name can be predetermined for a PID controller structure, a second name for a PI controller structure, a third name for a P controller structure, and a fourth name for a two-point controller structure.
  • the signal output interface and the signal receiving interface are connected to a common signal transmission line, in particular a 4..20 mA line, the signal receiving interface being set up to receive the manipulated variable via the signal transmission line and being the signal output interface is set up to output the at least one simulation parameter by means of the signal transmission line.
  • the actuating device set up in this way can use existing communication means of the process engineering system in a simple manner in order to communicate updated simulation parameters to a computer remote from the actuating device.
  • the signal output interface includes a display unit, such as an LCD display, for the optical output of the at least one simulation parameter.
  • the actuator can be set up to react to a user specification, in particular on the actuator, for example by control buttons of the Actuating device to optically output at least one or more current realistic simulation parameters on a display unit of the actuating device. If the actuator has not yet recorded any realistic simulation parameters, it can be set up to output reference simulation parameters stored by means of the display unit in response to an operator command.
  • the output interface is set up to output the at least one simulation parameter, in particular a plurality of simulation parameters, with a data transmission rate of no more than 1200 bit/s, in particular no more than 600 bit/s or no more than 300 bit/s .
  • the disclosure relates to a process plant, such as a chemical plant, a power plant, a food processing plant or the like, with a plurality of actuators designed as set out above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a process engineering system with a plurality of actuators
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the signal curves of an actuating device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of an actuating device according to the invention
  • Figure 4 is a schematic view of an exemplary implementation of a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a process engineering system with a plurality of field devices, at least one of which can be designed as an actuator 1 according to the invention.
  • the process engineering installation 100 includes a technical control infrastructure for monitoring and controlling a technical process.
  • Process engineering system 100 includes a control system with a control station computer 101 and a process computer 103.
  • Process engineering system 100 includes active field devices 111 and passive field devices 113 connected to process computer 103.
  • Active field devices 111 are field devices, such as the control device 1, which are provided for intervening in the technical process when the process plant 100 is in operation. Active field devices 111 include regulated and/or unregulated (controlled) control valves, shut-off valves and pumps.
  • Passive field devices 113 do not intervene in the technical process.
  • Examples of passive field devices 113 are sensors. Sensors 113 can, for example, determine operating variables with regard to the process engineering system, in particular with regard to a process fluid and/or an auxiliary energy fluid, such as pneumatic air, of the technical system 100 .
  • a sensor 113 can, for example, detect a pressure, for example a static or dynamic pressure, a temperature, a flow rate, for example a volume flow or a flow rate, of the process fluid or an auxiliary energy fluid as an operating variable of the process engineering system.
  • the operating behavior of individual field devices 111, 113, in particular the actuating device 1, interacts with the media and parts and components of the process technology Plant 100 and can be viewed as part of the process 104 implemented in the process plant.
  • the operating program can be controlled by user input, for example.
  • the process engineering system 100 can include a number of passive field devices, in particular sensors 113, measuring transducers and/or state sensors, such as contact sensors, in order to observe the effect of the active control devices 111 on the process 104.
  • the sensors 113 can be used to record an actual state of the process plant.
  • a sensor 113 can transmit at least one measured value to the process computer 103 as a controlled variable y.
  • a manipulated variable u can be transmitted to an active field device, such as the actuating device 1 shown here as an example, in order to transmit a specification to the field device with regard to a setting to be carried out.
  • a manipulated variable u can be transmitted to an active field device 1 by control center computer 103 in order to ensure that actuating device 1 affects process 104 in such a way that the at least one controlled variable y is transmitted according to one of control center computer 101 and process computer 103 Reference variable w adjusted, in particular it is adjusted to it.
  • Such a procedure can generally be referred to as process regulation.
  • the control device m 1 implements an active control device that includes a control valve 3 for setting a process fluid flow, a pneumatic actuator 5 for actuating the control valve 3 and control device electronics 7 for transmitting a pneumatic control signal to the pneumatic actuator 5 .
  • the actuator electronics 7 are set up to adjust the pneumatic control signal for the pneumatic actuator 5 depending on the at least one received manipulated variable u. With An inflow or outflow of process fluid in the process plant 100 can be controlled by the actuating device 1 .
  • a manipulated variable u can qualitatively and/or quantitatively specify the type, intensity, point in time and/or duration of an effect, also for the process engineering system, by a specific active field device. It is conceivable that an actuator can act on the process 104 in a number of different ways and correspondingly different manipulated variables u can be made available to the actuator.
  • a signal transmission line 107 is provided for the transmission of the manipulated variable u from the process computer 103 to the actuating device 1 .
  • the signal transmission line 107 can in particular be implemented as a 4 to 20 mA or 0 to 20 mA line in order in particular to provide a manipulated variable as a 4 to 20 mA current signal from the process computer 103 to the actuating device 1 .
  • the control electronics 7 of the actuating device 1 can be set up, for example, to provide a pneumatic control signal for the pneumatic actuator 5 as a function of the amplitude of the manipulated variable, in particular proportional to the amplitude of the 4 to 20 mA signal.
  • the pneumatic control signal for the pneumatic actuator can be a pressure or a volume flow, for example.
  • the position controller 1 can have an optical display unit 77, for example in the form of an LCD display, on which a simulation parameter can be output.
  • the control station computer 101 and/or the process computer 103 or another computer system not shown in detail can be set up to carry out a simulation that represents a virtual image 140 of the process system 100 or of parts or components of the process system.
  • An example of such a simulation can be a method for designing a field device station as described in DE 10 2018 133428 Ai.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram that shows the function of the process computer 103 and its interaction with the process 104 in terms of the process technology would represent 100.
  • the process computer 103 includes a process controller 130 which receives at least one reference variable w from a control station computer 101 and at least one controlled variable y from at least one sensor 113 with regard to the process 104 from the process engineering system 100 . Based on a deviation between reference variable w and controlled variable y, process control 130 determines a manipulated variable u, which is transmitted by process computer 103 to at least one component in the process engineering system, such as actuator 1 .
  • a process computer 103 usually processes a large number of controlled variables y in order to transmit a corresponding large number of manipulated variables to a large number of components, generally active control devices 111, in the process 104.
  • active control devices 111 In the present exemplary illustration, only a single active actuating device 111 is referred to in a simplified manner.
  • their individual active field devices 111 could each use an individual set of controlled variable, manipulated variable, controller parameters, model controlled variable, model parameters, etc., with the different variables, parameters, etc. by a common index related to the active actuator, such as 1, 2, 3, ... i. can be designated.
  • the process computer 103 can carry out a simulation 140 using a virtual representation of a process plant, parts of the process plant or components of the process plant.
  • the simulation calculation 140 can, for example, process the actual reference variable w and/or the realistic control variables y obtained from the real process engineering system.
  • the simulation 140 can include a virtual image 141 of the actuator 1 in question.
  • the simulation 140 carried out with the process computer 103 determines a model controlled variable y which is intended to correlate with the real controlled variable y.
  • the data path for the transmission of simulation parameters z from the actuator 1 to a reference model 140 can correspond to an existing data path 107 between the process computer 103 and the actuator 1 .
  • the process computer 103 also includes an adaptation logic 150 which has at least one model controlled variable as input values y, receives at least one manipulated variable u corresponding thereto.
  • the adaptation logic 150 can be set up to determine at least one controller parameter p and impose this on the process controller 130 in order to improve the process controller 130 using an optimization function.
  • the controller parameter p can be determined by the adaptation logic 150 based on a deviation between the real controlled variable y and the model controlled variable y, with the aim that the process controller 130 will in future generate a manipulated variable u with the control parameter p specified by the adaptation logic 150, so that the real controlled variable y has a smaller deviation from the model controlled variable y.
  • the actuator 1 from the process 104 can send at least one realistic simulation parameter Q to the process computer 103 .
  • the process computer 103 can adapt the virtual representation 141 of the actuating device 1 based on the realistic simulation parameters u.
  • the reference model 140 is adjusted in the sense of improving the reference model 140 by approximating the simulated behavior of the reference model 140 to the real behavior of the process 104.
  • a process computer 103 can be equipped, for example, with a simulation module 140 and an adaptation logic 150 in order to be able to adapt the controller 130 to changed environmental conditions of the process plant 100 .
  • a simulation module 140 and an adaptation logic 150 in order to be able to adapt the controller 130 to changed environmental conditions of the process plant 100 .
  • an optimal regulation 130 for a process 104 in a process engineering installation 100 at high ambient temperatures in summer may require other process parameters p than at low ambient temperatures in winter.
  • a process that exhibits behavior that experiences a dependency on absolute time can generally be referred to as a non-time-varying process.
  • Non-time-variable processes exist, for example, when process situations that begin in exactly the same state develop systematically differently depending on the absolute point in time at which they began.
  • a control station computer 101 can be configured to specify a command variable w that has low dynamics over a long period of time. If the configuration of the control station computer 101 is changed such that the reference variable is subjected to high dynamics for a short period of time, it may be useful or even necessary to adapt the parameters of the controller 130 in stable process control of the process 104 .
  • a controller 130 configured as a PID controller
  • its P, I and/or D components of the means of the adaptation logic 150 can be adapted to a changed dynamic behavior of the command variable w.
  • More fundamental changes could be a change from a first controller structure, for example a PID controller structure, to a second controller structure, for example a two-point controller structure or a three-point controller structure, or vice versa.
  • a first controller structure for example a PID controller structure
  • a second controller structure for example a two-point controller structure or a three-point controller structure, or vice versa.
  • the simulation module 140 or reference model of the process computer 103 includes a virtual image 141, which can be referred to as a digital twin with respect to the physical actuator 1 in the process engineering system 100.
  • the virtual image 141 of the actuator 1 can be implemented as a submodel within a more complex reference model, the reference model 140 being able to virtually depict the entire process plant 1 or part of the process plant 100 within which the actuator 1 is located.
  • the reference model 140 can include multiple sub-models for different active field devices 111 .
  • a submodel relating to an active field device 111 can be implemented by a deterministic calculation formula in a digital processing unit in a processing arrangement of the process computer 103 .
  • a submodel can be implemented as a so-called gray box model.
  • a virtual representation 141 of a real, active field device 111, in particular the actuator 1, can be used as a deterministic calculation be realized formula that maps the time course of a quantified manipulated variable u to an operating variable y, for example an absolute control position or a relative control position (for example corresponding to a 0-100% scale with regard to an opening width of the control valve).
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the control device 1 according to the invention.
  • the main components of the control device 1 are a control valve 3 for setting a process fluid flow, an actuator 5 for actuating the control valve 3 and control device electronics 7 for providing a control signal, in particular a pneumatic control signal s, in Dependence on a manipulated variable and
  • the actuator electronics 7 can be set up, for example, as digital position controller electronics with a computing unit 70 for executing at least one program or module, in particular a plurality of programs or modules.
  • the computing unit can include a processor 75, a signal receiving interface 71, a memory 76 and a signal output interface 73 as essential components.
  • actuator electronics 7 includes at least one control and/or regulation interface with at least one control and/or regulation signal output 74 for delivering the control signal s, in particular pneumatic, to actuator 5, in particular pneumatic a position sensor 13 or another sensor (not shown in detail) is set up to receive at least one device control variable, for example an x.
  • the actuating device electronics 7 are set up to generate the control signal s as a function of a manipulated variable u supplied to it and a device controlled variable x supplied.
  • the computing unit 70 can implement a control and/or regulation module or program 30 with the aid of a processor 75 and a memory 76 .
  • the computing device 70 of the actuating device 1 can be set up to detect a manipulated variable u and a device controlled variable x or a differential value calculated by a differential element between device controlled variable x and manipulated variable u using a control and/or regulation function 30 stored in the memory 76 of the arithmetic unit 70 to carry out a routine which determines the control signal s.
  • the control signal s can be transmitted to the actuator 5 by the actuator electronics 7 with the control and/or regulation output 74 .
  • the control and/or regulation output 74 can comprise an electropneumatic converter for providing a pneumatic control signal.
  • the output 74 can be set up to provide an electrical control signal for an electrical actuator, for example an electric motor, as an analog or digital electrical signal, for example a PWM signal (not shown in more detail).
  • the actuator 5 actuates the control valve 3, for example by means of a control rod or control shaft.
  • the control position of the control valve 3 can be detected by a position sensor x and reported to the control device electronics 7 as a device control variable x.
  • the device controlled variable x can describe an absolute or relative position of the control valve 3 .
  • the actuating device electronics 7 are also set up to determine at least one simulation parameter Q relating to the actuating device 1 .
  • the computing device 70 of the actuator electronics 7 can have a number of functions or modules, in particular simulation modules 40 and an adaptation module 50 .
  • Computing device 70 is set up to implement a simulation module 40, which receives a manipulated variable u as an input value in order to calculate a virtual signal response x based on at least one simulation parameter Q, which corresponds to a real signal response in the form of a device controlled variable x.
  • the computing unit 70 is set up to implement a mathematical deterministic determination of a virtual signal response x by specifying the manipulated variable u as an input value for the deterministic function as a variable.
  • the deterministic function implemented with the simulation module 40 includes as a simulation parameter Q, for example, a dead time, a discretization and a characteristic curve which defines a correlation on the one hand between the manipulated variable on the other hand and the virtual device control value calculated as a virtual signal response x, which corresponds to a real device control value x .
  • the simulation module 40 implemented by the computing device 70 of the actuating device 1 can be designed to correspond to or be identical to a virtual representation 141 of the physical actuating device in a reference model 140, which is implemented in the process computer 103.
  • the actual actuator 1 is designed to use its own computing device 70 to implement a virtual twin of itself in order to carry out a self-check with regard to the model behavior, ie the virtual signal response x image or digital twin 141 of the actuator 1 and the real signal responses x of the real actuator 1 in response to the same manipulated variable u.
  • the computing device 70 is also set up to detect a deviation between the virtual signal response x and the real signal response x, for example by means of an adaptation module 50 . Based on a discrepancy between the virtual signal response x and the real signal response x, the adaptation module 50 can generate updated or corrected simulation parameters Q.
  • the at least one simulation parameter Q calculated with the adjustment module 50 can optionally be stored as a historical parameter QH in the memory 76 of the computing device 70 and/or can be output using a network interface or other signal output interface 73 via a signal transmission line 107.
  • Such an actuator 1 can use a virtual twin of itself to determine whether the interaction of the real actuator 1 with its environment match the interactions between the virtual image 141 of the actuator 1 in a simulation environment 140. Based on deviations between the real behavior of the actuator and the behavior of its virtual image 141, the computing device can adapt the simulation parameters Q, which define the virtual image, in order to achieve a more realistic virtual image. Since the actuating device 1 is also set up to emit the information relating to the simulation parameters using a signal output interface 73 , the information relating to updated simulation parameters can also be transmitted to other models, for example a reference model 140 implemented on a process computer 103 .
  • a reference model 140 in particular the virtual image 141 of the actuator 1 used therein, can carry out a more realistic simulation, which can be used, for example, to determine optimized manipulated variables u for controlling the actuator, in order to make a process 104 faster, more efficient, safer, for example, according to selected optimization criteria and/or more stable to regulate.
  • An adaptation module 50 is implemented by the processor 75 and the memory 76 by the processing unit 70 , for example.
  • the adjustment module 40 can, for example, interpret a numerical difference or other deviation between a virtual signal response x and a real signal response x as a criterion for the quality of the simulation implemented by the simulation module 40 .
  • the adjustment module 50 can be referred to as a calculation module for adjusting the simulation parameters Q.
  • the adaptation module 50 can be set up to adapt the simulation model selected in the exemplary situation, for example a gray box model, in such a way that a numerical difference between the virtual signal response and the real signal response x is reduced, in particular reduced to a minimum.
  • a number of optimization methods, for example iterative optimization methods, which can be implemented by the calculation module 50 are known to those skilled in the art.
  • the simulation module 40 can be defined by a structural description of a virtual image or model of the actual actuator 1 and a set of simulation parameters o.
  • the structural description can be understood as an abstract model (e.g. as a modeled PID controller) that by a set of model parameters is specified with regard to the actuator 1 in question.
  • the available simulation parameters Q can be provided as reference simulation parameters 0R, wherein reference simulation parameters G R can be provided, for example, type-specifically with regard to the control valve in question as a factory setting or by means of a data sheet.
  • the model description of the control and/or regulation structure itself can be viewed as a simulation parameter.
  • a model of a control and/or regulation structure can be described or identified by one or more parameters.
  • One or more simulation parameters that identify or describe a modeled control and/or regulation structure are stored in a memory 76 of the computing device 70 of the actuating device 1 and can be sent via a signal output interface 73 to a higher-level simulation computer, such as the process computer described here as an example 103, are transmitted.
  • the computing device 70 can preferably be implemented as a digital computing unit.
  • the computing device 70 can be divided schematically into a processor 75, a memory 76 and a network interface 73, which acts as a signal output interface.
  • the arithmetic unit can also have at least one signal receiving interface 71 .
  • the signal receiving interface 71 and/or the signal output interface 73 can include an analog/digital converter and/or a digital/analog converter.
  • control and/or regulation module 30 as well as the simulation module 40 and the adaptation module 50 are related to the primary effect of the actuating device 1, i.e. the causal linkages between manipulated variable u and controlled variable or real signal response specified in the context of process control x.
  • the actuator 1 can have other secondary effects relevant to the process 104, which must be taken into account for the open-loop and/or closed-loop control module 30 and/or the simulation module 40 in order to be able to achieve optimized process control.
  • a secondary effect of the actuator 1 relates to noise development or other emissions from the actuator 1 .
  • a heat input from the actuating device 1 into the process 104 can be relevant as a secondary effect.
  • the waste heat from an actuating device 1 driven by an electric actuator can be relevant to the energy consumption of an air conditioning system or its Potential to comply with a specific temperature specification at a given point of a technical installation 100.
  • the manipulated variable u and/or the device controlled variable x can relate to a temperature.
  • the air consumption of the actuator 1 can be a secondary effect.
  • the air consumption of the actuator 1 can be relevant as an operating parameter, in particular depending on a desired change in the primary effect. It is conceivable that an operating parameter relates to the air consumption of the actuator 1.
  • a relatively high air consumption of the actuator 1 can lead to an effect, for example a fluctuation, on the compressed air supply for other actuators as well. Such a change can result in an interaction that affects the operating behavior of the actuating device 1 under consideration or other active field devices in the process plant 100 .
  • compressed air for operating pneumatic actuators of the control devices can be provided to a number of active field devices m, as shown in FIG.
  • the actuator has a particularly high consumption of compressed air, for example in the case of a compressed air leak or because the pneumatic actuator 5 of the actuator is large, possibly too large, and requires a high volume of compressed air, this can result in the available pressure in the pressure supply systems Volume or pressure drops to an actual value below an ideal value for which the field devices 111 are designed.
  • This can result, for example, in a control device 5 in the real process engineering system 100 achieving a slower signal response x than is expected based, for example, on ideal reference simulation parameters OR, or that the control valve does not have the required closing force for safe movement if the compressed air supply is too low of the control valve 3 is able to provide in a closed state.
  • the measurement of a compressed air flow over time at a throttle point could be recorded as the signal response x.
  • Another alternative for a consideration with a simulation model 40 could relate to the statistical service life up to the next maintenance time Release of combustible drive gases, the withdrawal of electrical power from an electrical supply device (electrical auxiliary power) or access to the bandwidth of a digital signal transmission line 107 in particular.
  • the simulation model 3 of the actuator 1 or the virtual image 141 of the actuator 1 can alternatively or in addition to a primary effect of the Actuator 1 consider one or more other signal responses.
  • a model for simulating the exemplary actuating device can be implemented, for example, as a so-called gray box model.
  • Figure 4 shows an example of a schematic gray box model with respect to an actuator 1 with a pneumatic actuator 5.
  • the gray box model generally has the reference numeral 400.
  • the gray box model can by the computing device 70 of the actuator 1 and / or by a Arithmetic arrangement of the process computer 103 to be implemented.
  • the model 400 includes a first routine 401 m detecting an operating mode, in particular a direction of movement of the actuator 5 (opening direction or closing direction).
  • Many field devices 111 show a signal response subject to hysteresis, which depends on the operating mode.
  • the operating mode in particular a travel direction, can be detected, for example, by tracking the direction of the change over time in the manipulated variable, etc.
  • an operating mode can be derived from the control of the compressed air supply (not shown in detail).
  • Different parameterizations of the entire gray box model can be implemented for in particular two (preferably exactly two) operating modes.
  • the virtual representation of the operating behavior of a control device shown schematically in Figure 5 in the form of, for example, the grey-box model shown comprises several consecutive calculation sections with which a supplied manipulated variable u is calculated via several intermediate values u*, x and x to a virtual signal response x , which is also known as
  • Model output size can be designated, is mapped.
  • the virtual image can include, for example, a first calculation section 410 for a static transmission profile, a second calculation section 420 for a time behavior of an inner forward link (static open-loop and/or closed-loop control deviation in the time dimension t), a calculation section 430 for a dead time TD .
  • the virtual image may further include a fourth calculation section 440 for quantification or discretization.
  • Various operating modes are represented in the virtual mapping according to FIG. 5 as a first operating mode bi, for example filling, and as a second operating mode b2, for example emptying.
  • the various calculation sections 410, 420, 430 and 440 are schematically subdivided into a structural part (shown below), which mathematically represents the basic behavior of the virtual image of an actuating device 1 in a more structurally defined manner.
  • the four different calculation sections 410, 420, 430 and 440 here have one or more simulation parameters Q, which specify the mathematical structural model of the virtual image 141 or simulation module 40 specifically with regard to the actuating device 1.
  • the virtual image 400 can be set up with the aid of the operating mode recognition 410 to use simulation parameters Q dependent on a specific recognized operating mode bi or b2. This can be used to separately adapt the simulation parameters Q for different operating modes bi, ultimately b2.
  • a deviation between a static transmission profile of the actuating device 1 and a previously known ideal transmission profile can be mapped using the first calculation section 401 with regard to the static transmission profile.
  • An ideal actuator 1 can have a static transfer function in the form of a diagonal straight line with a constant gradient 1, with an actuator-specifically modulated manipulated variable u* being equal to the received manipulated variable u.
  • Real actuators 1 can, in particular, within an allowable tolerance range of an ideal behavior differ. The all-relationship of such a permissible deviation conveys its static transmission profile increases the accuracy of the virtual image 40/141.
  • the term for virtual mapping would be used consistently for the sake of simplicity, it being clear that the virtual mapping described can be implemented either as a virtual mapping 141 by the computing arrangement of the process computer 103 or as a simulation module 40 of the position controller 1 .
  • the second calculation section 420 of the virtual representation of the actuating device 1 can subject the dynamics of the actuating device 1 to a time response based on the manipulated variable u and the intermediate result u*, which can be implemented, for example, by a first-order delay element, as shown here can. It is conceivable to provide more complex, in particular non-linear transfer functions relating to the time response.
  • the third calculation section 430 can optionally be used to introduce any relevant dead time TD into the virtual image of the actuating device 1 . Apart from a time shift corresponding to the dead time TD, an intermediate value x determined in the second calculation section 420 can be converted into a further intermediate value x without any change in value.
  • an actuator 1 can provide a discrete, for example, electromagnetic drive, for example in the stepper motor, which can only assume certain discrete positions.
  • Another example can relate to an actuator 1 with frictional actuation of the control valve 3 with the in particular pneumatic actuator 5, in which, due to elasticity and/or friction on the drive train, starting from a fixed starting point due to the so-called stick-slip effect, starting from a stationary Starting position first characterizes the real behavior of the actuating device 1 a certain minimum adjustment path (stick-slipping or breakaway).
  • the so-called friction corridor can be relevant for the accuracy of the virtual representation of the control device.
  • the description of the friction corridor can be implemented using an absolute or a relative step or step function.
  • a step height q can be defined as a simulation parameter Q with regard to the discretization or quantification.
  • the step height q can describe a uniformly divided absolute quantification, for example of a step function, or the width of a hysteresis-type in a pneumatic drive subject to friction.

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Abstract

In the case of a positioner (1) for a process engineering installation (100), such as a chemical plant, a power station, a food-processing plant, or the like, comprising a control valve (3) for adjusting a process fluid flow of the process engineering installation (100), an in particular pneumatic actuator (5) for operating the control valve (3) and positioner electronics (7) for providing an in particular pneumatic control signal (s) for the actuator (5) on the basis of a manipulated variable (u), wherein the positioner electronics (7) have a signal reception interface (71) for receiving the manipulated variable (u), there is provision for the positioner electronics (7) to comprise a computing apparatus (70) that is designed to determine at least one simulation parameter (Θ) characterizing a signal response (x) of the positioner (1) to a received manipulated variable (u), and for the positioner electronics (7) to have a signal output interface (73) for outputting the at least one simulation parameter (Θ).

Description

Stellungsregler Selbstbewertung für digitalen Zwilling Positioner self-assessment for digital twin
Die Erfindung betrifft ein Stellgerät für eine prozesstechnische Anlage, wie eine Chemieanlage, beispielsweise eine petrochemische Anlage, ein Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage oder dergleichen. The invention relates to a control device for a process engineering plant, such as a chemical plant, for example a petrochemical plant, a power plant, a food processing plant or the like.
Aus DE 10 2018 133428 Ai ist es bekannt, eine Feldgerätstation, wie eine Stellarmatur, einer prozesstechnischen Anlage auszulegen, indem ein sogenannter digitaler Zwilling der Feldgerätstation in einer Simulationsumgebung verwendet wird. In der Simulationsumgebung wird anhand von betriebsspezifischen Anlagenmerkmalen der prozesstechnischen Anlage, wie des Prozessmediums, der Anlagenumgebung oder dergleichen, eine Simulation durchgeführt, wobei der digitale Zwilling, der auch als Feldgerätmodul bezeichnet wird, anhand von einem oder mehreren feldgerätspezifischen Auslegungsparametern, wie ein Geometrieparameter, ein Leistungsparameter oder dergleichen, charakterisiert sein kann und in Wechselwirkung mit zu mindestens einer Betriebsgröße, wie einer Regelgröße, beispielsweise Temperatur, Druck, Durchfluss oder dergleichen in Wechselwirkung stehen. It is known from DE 10 2018 133428 Ai to design a field device station, such as a control valve, of a process plant by using a so-called digital twin of the field device station in a simulation environment. In the simulation environment, a simulation is carried out based on operation-specific plant characteristics of the process plant, such as the process medium, the plant environment or the like, with the digital twin, which is also referred to as a field device module, based on one or more field device-specific design parameters, such as a geometry parameter Performance parameters or the like can be characterized and interact with at least one operating variable, such as a controlled variable, for example temperature, pressure, flow rate or the like.
Für die Simulation des Betriebs des digitalen Abbilds der prozesstechnischen Anlage wird das Feldgerätmodul auf ein zu simulierendes Feldgerät aus einer Gruppe von vorbestimmten Feldgeräten festgelegt, wodurch zugehörige feldgerätspezifische Auslegungsparameter definiert werden. Die feldgerätspezifischen Auslegungsparameter können als Referenz-Simulationsparameter vorliegen. Beispielsweise können Referenz-Simulationsparameter bezüglich eines Feldgeräts definiert sein auf einem Datenblatt, um interessierten Fachleuten, wie Anwendern oder Forschungseinrichtungen, feldgerätspezifische Auslegungsparameter für ein Feldgerätemodul bereit zu stellen. Die Simulation des digitalen Abbilds der prozesstechnischen Anlage kann als Grundlage zur Ermittlung von optimalen Betriebsgrößen dienen. Als Randbedingung kann beispielsweise eine Fehlerminimierung eines Regelsignals, Reduzierung von Pegeln, Unter- oder Überschreiten eines Schwellenwertes vorgegeben sein. Alternativ kann als Randbedingung ein kritischer Betriebszustand angegeben sein, beispielsweise Kavitation, Geräuschpegel oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich können Randbedingungen durch einen Sicherheitsfaktor des Feldgeräts definiert sein, beispielsweise durch eine verbrauchte Luftmenge im Betrieb. Die feldgerätspezifischen Auslegungsparameter, welche dem Feldgerätemodell zugrunde gelegt werden, definieren einen möglichen Parameterbereich, dem ein konkreter, beispielsweise optimaler, Parameter ermittelt werden kann, um eine oder mehrere Randbedingungen zu erfüllen. Basierend auf dem Simulationsergebnis kann ein konkretes, physikalisches Feldgerät ausgewählt oder dimensioniert werden, um es in einer reellen prozesstechnischen Anlage einzusetzen. For simulating the operation of the digital image of the process engineering installation, the field device module is set to a field device to be simulated from a group of predetermined field devices, as a result of which associated field device-specific design parameters are defined. The field device-specific design parameters can be present as reference simulation parameters. For example, reference simulation parameters relating to a field device can be defined on a data sheet in order to provide interested experts, such as users or research institutions, with field device-specific design parameters for a field device module. The simulation of the digital image of the process engineering system can be used as the basis for determining of optimal operating sizes. For example, error minimization of a control signal, reduction of levels, falling below or exceeding a threshold value can be specified as boundary conditions. Alternatively, a critical operating state can be specified as a boundary condition, for example cavitation, noise level or the like. Alternatively or additionally, boundary conditions can be defined by a safety factor of the field device, for example by an amount of air consumed during operation. The field device-specific design parameters on which the field device model is based define a possible parameter range for which a specific, for example optimal, parameter can be determined in order to meet one or more boundary conditions. Based on the simulation result, a concrete, physical field device can be selected or dimensioned in order to use it in a real process plant.
Wenn die in der reellen Anlage vorherrschenden Bedingungen abweichen von den Bedingungen, welche der Auslegungssimulation zugrunde gelegt wurden, kann dies zur Folge haben, dass nicht das in der Simulation berechnete optimale Verhalten erreicht wird oder dass andere Randbedingungen nicht eingehalten werden. Beispielsweise kann das Verhalten und die Interaktion eines bestimmten, reellen Prozessmediums anders sein als das Verhalten des simulierten Prozessmediums. Abweichende Anlagebedingungen können beispielsweise vorliegen, wenn virtuelle Betriebsparameter für die Simulationsumgebung basierend auf idealisierten Annahmen gewählt wurden, welche nicht mit reellen Betriebsbedingungen korrespondieren, oder wenn zur Auslegung einer Anlage eine Simulationsumgebung basierend auf Werten einer anderen Anlage verwendet wurden, die aufgrund von signifikant unterschiedlichen Umgebungsbedingungen nicht übertragbar sind. Es ist ferner denkbar, dass die einer Simulationsumgebung zugrunde gelegten, theoretischen Betriebsbedingungen sich unterscheiden von Betriebsbedingungen, die von einem Anlagenbetreiber tatsächlich eingestellt werden. Ausgehend von derartigen Unterschieden zwischen reeller Anlage und simulierter Anlage kann bei einem auffälligen Verhalten eines reellen Stellgeräts fälschlicherweise der Eindruck entstehen, das Feldgerät sei defekt. DE io 2006046870 Ai beschreibt die Identifizierung und Anwendung von Prozessmodellen in einem Prozesssteuersystem. Ein Prozesssteuersystem kann mehrere Prozesssteuerungen enthalten, die kommunikativ an wenigstens einen Host oder eine Bediener -Workstation angeschlossen sind. Die Prozesssteuerung kann Signale von Feldgeräten aus dem Prozesssteuersystem empfangen und Steuersignale erzeugen, die an die Feldgeräte übertragen werden, um den Prozessbetrieb zu steuern. Feldgeräte können zum Beispiel Ventile, Ventilpositionierer, Schalter und Transmitter sein (zum Beispiel Temperatur-, Druck- und Durchflusssensoren). Einige Prozesssteuersysteme verwenden Funktionsblöcke oder Module zur Ausführung von Steuerungsvorgängen bezogen auf einzelne oder Gruppen von Feldgeräten. If the conditions prevailing in the real plant deviate from the conditions on which the design simulation was based, this can result in the optimal behavior calculated in the simulation not being achieved or in other boundary conditions not being met. For example, the behavior and interaction of a specific, real process medium may be different than the behavior of the simulated process medium. Deviating system conditions can exist, for example, if virtual operating parameters for the simulation environment were selected based on idealized assumptions that do not correspond to real operating conditions, or if a simulation environment based on values from another system was used to design a system, which does not due to significantly different environmental conditions are transferrable. It is also conceivable that the theoretical operating conditions on which a simulation environment is based differ from the operating conditions that are actually set by a system operator. Based on such differences between the real plant and the simulated plant, if a real actuating device behaves abnormally, the false impression can arise that the field device is defective. DE io 2006046870 Ai describes the identification and application of process models in a process control system. A process control system may include multiple process controllers communicatively attached to at least one host or operator workstation. The process controller can receive signals from field devices from the process control system and generate control signals that are transmitted to the field devices to control process operation. Field devices can be, for example, valves, valve positioners, switches, and transmitters (e.g., temperature, pressure, and flow sensors). Some process control systems use function blocks or modules to perform control operations related to individual or groups of field devices.
Die Prozesssteuerung kann verknüpft sein mit einem Prozessmodell. Prozessmodelle können zur Vorgabe von Einstellparametern von PID (proportional/integral/derivative) Steuerungsroutinen unter Verwendung adaptiver Steuerungsverfahren eingesetzt werden, wobei die Einstellung einer PID- (oder sonstigen) Regelungen in Folge von Änderungen des Prozessmodells und/oder einer von dem Benutzer ausgewählten Einstellregel aktualisiert werden kann. In DE 10 2006 046 870 Ai werden derartige Systeme jedoch als eher praxisuntauglich beschrieben, weil der immense Aufwand sowohl hinsichtlich der erforderlichen Rechenleistung aufgrund der hohen Anzahl von Regelkreisen und darin verwendeten Instrumenten als auch der erforderliche Aufwand zum Identifizieren und Validieren von Prozessmodellen und Betriebsbedingungen in keinem adäquaten Verhältnis zu dem erwartbaren Nutzen steht. The process control can be linked to a process model. Process models can be used to dictate tuning parameters of PID (proportional/integral/derivative) control routines using adaptive control methods, where the tuning of a PID (or other) controller updates as a result of changes in the process model and/or a user-selected tuning rule can be. In DE 10 2006 046 870 Ai, however, such systems are described as rather unsuitable for practical use, because the immense effort both in terms of the required computing power due to the large number of control loops and instruments used therein and the effort required to identify and validate process models and operating conditions in no way adequate relation to the expected benefits.
DE 102006046870 Ai schlägt vor, eine Datenerfassungsfunktion mit Routinen zur automatischen Erfassung, Sammlung oder sonstiger Behandlung von Daten zum Betriebszustand zu verwenden und ein Modellidentifizierungsmodul, das eine statistische Datenerfassung von vorkonfigurierten Parametern erzeugt, die in einer Simulationsumgebung verwendet werden, um auf ihrer Basis Parameter für eine Regelkreiseinstellung zu ermitteln. Dabei soll eine Reihe von Prozessmodellen als Prozessmodellhistorie erzeugt werden, um eine Darstellung einer Online-Performance eines Regelkreises bereitzustellen. Die Prozessmodelle sollen erzeugt werden durch eine Routine, die in die Steuerungsroutine der Prozesssteuerung eingebettet ist. Ein neues Prozessmodell soll ausgelöst durch ein Ereignis erzeugt werden, beispielsweise bei einer Sollwertänderung oder einer Störung. Das vorgeschlagene Verfahren verringert zwar einen manuellen Aufwand für die Bestimmung von Modellen, erhöht jedoch sogleich den Rechenaufwand immens. Zur Optimierung der Auslegung und des Steuerungs- und/oder Regelungsverhaltens von Stellgeräten prozesstechnischer Anlagen existieren unterschiedliche Ansätze. In vielen Fällen stellt sich jedoch als problematisch dar, dass in der Praxis die für eine Optimierung in einer reellen Anlage erforderlichen Daten nicht vorliegen oder die zur Durchführung einer Optimierung erforderlichen Rechenkapazitäten nicht bereitgestellt werden können. DE 102006046870 Ai proposes to use a data collection function with routines for automatically collecting, collecting or otherwise manipulating operational status data and a model identification module that generates statistical data collection from pre-configured parameters used in a simulation environment to calculate on their basis parameters for to determine a control loop setting. A series of process models is to be generated as a process model history in order to provide a representation of an online performance of a control loop. The process models shall be generated by a routine embedded in the control routine of the process controller. A new process model is to be generated triggered by an event, for example a setpoint change or a Disturbance. Although the proposed method reduces manual effort for determining models, it immediately increases the computational effort immensely. There are different approaches to optimizing the design and the control and/or regulation behavior of actuators in process engineering systems. In many cases, however, it is problematic that in practice the data required for an optimization in a real plant is not available or the computing capacities required for carrying out an optimization cannot be made available.
WO 2019/012121 A beschreibt ein Verfahren zum Bereitstellen und Ausführen von selbst-optimierenden Funktionen für ein Feldgerät. Beispielsweise kann eine Reihe von Funktionen ein Systemmodell bilden, das dazu eingerichtet ist, die Charakteristika eines technischen Systems zu erlernen. Zu diesem Zweck kann ein Fehler im Vergleich zwischen observierten Zielwerten und erwarteten Zielwerten berechnet werden mit Hilfe einer Modellausführungssoftware, die die Zielwerte miteinander vergleicht. Beispielsweise kann auf Basis von Eingabevariablen und Modellparametern ein geschätzter Zielwert berechnet werden und ein Fehler im Vergleich zwischen dem wahren Zielwert und dem vorhergesagten Wert mit Hilfe einer Verlustfunktion gemessen werden. Mit Hilfe eines Rückrechen-Teilgraf können Berechnungen zum Trainieren, das heißt zum Updaten der Modellparameter, vorgegeben sein. Dies soll auf verschiedenste industrielle Systeme anwendbar sein. Die Verwendung von selbstoptimierenden Regelalgorithmen erfordert zum einen eine hohe Rechenleistung in individuellen Feldgeräten. Zum anderen unterliegt ein solches System stets dem Risiko, dass die anhand der Selbstoptimierung ermittelten Regelparameter inhärent fehlerhaft sein können oder in Wechselwirkung mit den Betriebsbedingungen einer prozesstechnischen Anlage ein fehlerhaftes Anlagenverhalten verursacht wird, wobei eine Kontrolle durch einen Leitstand oder dergleichen nicht gewährleistet ist. WO 2019/012121 A describes a method for providing and executing self-optimizing functions for a field device. For example, a set of functions can form a system model that is set up to learn the characteristics of a technical system. For this purpose, an error in the comparison between observed target values and expected target values can be calculated using model execution software that compares the target values with each other. For example, an estimated target value can be calculated based on input variables and model parameters, and an error in the comparison between the true target value and the predicted value can be measured using a loss function. Calculations for training, ie for updating the model parameters, can be specified with the aid of a back calculation partial graph. This should be applicable to a wide variety of industrial systems. On the one hand, the use of self-optimizing control algorithms requires high computing power in individual field devices. On the other hand, such a system is always subject to the risk that the control parameters determined using self-optimization may be inherently incorrect or that incorrect system behavior is caused in interaction with the operating conditions of a process engineering system, with control by a control center or the like not being guaranteed.
Es ist eine Aufgabe der Offenbarung, ein Stellgerät bereitzustellen, das die Nachteile des Stands der Technik überwindet, insbesondere einen sicheren und optimierten Betrieb einer prozesstechnischen Anlage sicher und unter Verwendung geringer Rechen- und/o- der Datenübertragungs-Leistung unterstützt. Diese Aufgabe löst den Gegenstand von Anspruch 1. Demnach ist ein Stellgerät für eine prozesstechnische Anlage vorgesehen, wie eine Chemieanlage, beispielsweise eine pet- rochemische Anlage, ein Kraftwerk, beispielsweise ein Solarthermie Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage, beispielsweise eine Brauerei, oder dergleichen. Das Stellgerät umfasst ein Stellventil zum Einstellen einer Prozessfluidströmung der prozesstechnischen Anlage. Als Stellventil kann beispielsweise ein binäres Auf-/Zu-Ventil bezeichnet sein oder ein Ventil mit variabel einstellbarer Durchflussweite. Das Stellgerät umfasst ferner einen insbesondere pneumatischen Aktuator zum Betätigen des Stellventils sowie eine Stellgerätelektronik zum Bereitstellen eines pneumatischen Steuerungsund/oder Regelungssignals für den pneumatischen Aktuator in Abhängigkeit von einer Stellgröße. Eine Stellgröße kann vorzugsweise ein analoges Stellsignal oder ein digitales Stellsignal sein. Ein analoges Stellsignal kann beispielsweise ein 4..20 mA Signal sein. Ein digitales Stellsignal kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal gemäß dem HART-Protokoll sein. Die Stellgerätelektronik kann digitale und/oder analoge Elektronikkomponenten umfassen. It is an object of the disclosure to provide an actuating device that overcomes the disadvantages of the prior art, in particular that supports safe and optimized operation of a process plant safely and using little computing power and/or data transmission power. This object solves the subject matter of claim 1. According to this, a control device is provided for a process plant, such as a chemical plant, for example a petrochemical plant, a power plant, for example a solar thermal power plant, a food processing plant, for example a brewery, or the like. The control device includes a control valve for setting a process fluid flow of the process plant. A binary open/close valve, for example, or a valve with a variably adjustable flow width can be referred to as a control valve. The control device also includes a particularly pneumatic actuator for actuating the control valve and control device electronics for providing a pneumatic open-loop and/or closed-loop control signal for the pneumatic actuator as a function of a control variable. A manipulated variable can preferably be an analog manipulated signal or a digital manipulated signal. An analog control signal can be a 4..20 mA signal, for example. A digital control signal can be a pulse width modulated control signal according to the HART protocol, for example. The actuator electronics can include digital and/or analog electronic components.
Die Stellgeräteelektronik kann als digitale Komponenten beispielsweise einen Datenträger mit darauf gespeicherten Befehlen und/oder einen Datenträger mit darauf gespeicherten Parametern oder dergleichen umfassen. Die Stellgerätelektronik weist eine Signalempfangsschnittstelle zum Empfangen der Stellgröße auf. Eine Stellgerätelektronik kann eine Rechenvorrichtung umfassen. Beispielsweise kann die Stellgerätelektronik einen Datenträger mit darauf gespeicherten Befehlen umfassen, wobei die Befehle, wenn man sie von einem oder mehreren Prozessoren der Rechenvorrichtung ausgeführt werden, die Rechenvorrichtung einrichten, eine Steuerungsfunktion, eine Regelungsfunktion und/oder eine Simulationsfunktion durchzuführen. Die Stellgerätelektronik kann eine Speicherstruktur aufweisen, welche Daten bereitstellt, um wenigstens ein Simulationsparameter und/oder wenigstens eine Simulationsstruktur bezüglich des Stellgeräts zu spezifizieren. Die Speicherstruktur kann in Form eines Arrays einer Tabelle oder einer Matrix angegeben sein und eine Vielzahl von Parametern und/oder Strukturen, insbesondere eine Historie zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmter insbesondere gleichartiger Simulationsparameter und/oder Simulationsstrukturen zu spezifizieren. Die Speicherstruktur kann über einen ersten Index angesprochen werden, um einen Simulationsparameter abzurufen. Die Daten der Speicherstruktur können alternativ oder zusätzlich, als funktionale Daten definiert und beispielsweise eine Einsprungstelle einer Funktion definieren, welche bei Aufruf die jeweiligen Simulationsparameter generiert. Weitere Ausgestaltungen der Speicherstruktur sind denkbar und können sowohl an eine hardwareseitige oder softwaretechnische Struktur der Stellgerätelektronik, des Feldgeräts und/oder einer Simulationsumgebung angepasst sein. As digital components, the actuator electronics can include, for example, a data carrier with commands stored thereon and/or a data carrier with parameters or the like stored thereon. The actuator electronics have a signal receiving interface for receiving the manipulated variable. An actuator electronics can include a computing device. For example, the actuating device electronics can comprise a data carrier with commands stored thereon, the commands, when they are executed by one or more processors of the computing device, setting up the computing device to carry out a control function, a regulation function and/or a simulation function. The actuator electronics can have a memory structure which provides data in order to specify at least one simulation parameter and/or at least one simulation structure with regard to the actuator. The memory structure can be specified in the form of an array, a table or a matrix and can specify a large number of parameters and/or structures, in particular a history at different times of certain, in particular similar, simulation parameters and/or simulation structures. The memory structure can be addressed via a first index to retrieve a simulation parameter. The data of the memory structure can alternatively or additionally defined as functional data and, for example, define an entry point of a function that generates the respective simulation parameters when called. Further configurations of the memory structure are conceivable and can be adapted to a hardware or software structure of the actuating device electronics, the field device and/or a simulation environment.
Die Stellgerätelektronik weist eine Rechenvorrichtung auf, die zum Bestimmen wenigstens eines Simulationsparameters eingerichtet ist, der eine Signalantwort des Stellgeräts auf eine empfangene Stellgröße charakterisiert. Die Stellgerätelektronik weist ferner eine Signalausgabeschnittstelle zum Ausgeben des wenigsten einen Simulationsparameters auf. Die Stellgeräteelektronik kann dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Simulationsparameter vermittels der Signalausgabeschnittstelle der Stellgerätelektronik abzugeben. Die Signalantwort des Stellgeräts kann beispielsweise definiert sein als eine mathematische Funktion, welche in Abhängigkeit von wenigstens einer Stellgröße und abhängig von wenigstens einem oder mehreren vorbestimmten Simulationsparametern, beispielsweise einem Referenz-Simulationsparameter, einem historischen Simulationsparameter oder dergleichen, ein Ergebnis bestimmt, das beispielsweise zu einer Betriebsgröße der prozesstechnischen Anlage, insbesondere des Stellgeräts, korreliert. Eine Betriebsgröße, wie eine Regelgröße, kann beispielsweise eine Temperatur, ein Druck, ein Durchfluss oder dergleichen, insbesondere bezogen auf das Prozessfluid, der prozesstechnischen Anlage, insbesondere im stromaufwärtigen Vorlauf und/oder im stromab- wärtigen Nachlauf des Stellventils sein. Eine Betriebsgröße kann insbesondere die Stellung des Stellventils, beispielsweise eine Stellweite eines Ventilgliedes relativ zu einem Ventilsitz, eine Stellposition eines Hubstabes, beispielsweise relativ zu einer Referenzstelle des Gehäuses bezeichnen, wie ein Joch oder eine Laterne des Stellventils, und/oder eine Stellposition des pneumatischen Aktuators. Eine Betriebsgröße kann das pneumatische Steuerungs- und/oder Regelsignal der Stellgeräteelektronik für den pneumatischen Aktuator sein, insbesondere ein pneumatischer Druck in einer Steuerkammer des pneumatischen Aktuators und/oder einer Versorgungsleitung des Aktuators. Der von der Stellelektronik bestimmte Simulationsparameter kann als realistischer Simulationsparameter bezeichnet sein. Der Simulationsparameter kann vorzugsweise korrespondieren zu einer tatsächlich gemessenen Signalantwort des Stellgeräts auf eine empfangene Stellgröße. Ein Stellgerät, das dazu eingerichtet ist, einen neu bestimmten Simulationsparameter vermittels einer Signalausgabeschnittstelle abzugeben, ermöglicht es, einer dem Stellgerät übergeordneten Leitwarte oder zentralen Computereinheit einer prozesstechnischen Anlage bereitzustellen. Die Leitwarte oder andere Computereinheit führt eine Simulation mit einem oder mehreren realistische Simulationsparametern unter Verwendung einer virtuellen Abbildung der prozesstechnischen Anlage, Teilen der prozesstechnischen Anlage oder des Stellgeräts durch. Mit den realistischen Simulationsparametern kann eine virtuelle Abbildung der Simulation zugrunde gelegt werden, damit die Simulation auf realistischen Simulationsdaten und nicht auf hypothetischen Simulationsparametern basiert, welche zu Simulationsergebnissen führen, die signifikant von realistischen Signalantworten abweichen. Auf diese Weise ist es möglich, anhand der virtuellen Abbildung einer simulierten Anlage oder Teilen davon bessere Simulationsergebnisse hinsichtlich der optimierten Auslegung der Anlage und ihrer Komponenten umzusetzen, beispielsweise um optimale Stellgrößen im Hinblick auf einen Prozess der prozesstechnischen Anlage an das Stellgerät bereitzustellen. The actuator electronics have a computing device that is set up to determine at least one simulation parameter that characterizes a signal response of the actuator to a received manipulated variable. The actuator electronics also have a signal output interface for outputting the at least one simulation parameter. The actuator electronics can be set up to output at least one simulation parameter by means of the signal output interface of the actuator electronics. The signal response of the actuator can be defined, for example, as a mathematical function which, depending on at least one manipulated variable and depending on at least one or more predetermined simulation parameters, for example a reference simulation parameter, a historical simulation parameter or the like, determines a result which, for example, leads to a Operating size of the process plant, in particular the actuator, correlates. An operating variable, such as a controlled variable, can be, for example, a temperature, a pressure, a flow rate or the like, in particular in relation to the process fluid of the process engineering system, in particular in the upstream flow and/or in the downstream flow of the control valve. An operating variable can in particular denote the position of the control valve, for example a control width of a valve member relative to a valve seat, a control position of a lifting rod, for example relative to a reference point of the housing, such as a yoke or a lantern of the control valve, and/or a control position of the pneumatic actuator . An operating variable can be the pneumatic control and/or regulation signal from the actuator electronics for the pneumatic actuator, in particular a pneumatic pressure in a control chamber of the pneumatic actuator and/or a supply line of the actuator. The simulation parameter determined by the electronic control unit can be referred to as a realistic simulation parameter. The simulation parameter can preferably correspond to an actually measured signal response of the actuator to a received manipulated variable. A control device that is set up to emit a newly determined simulation parameter by means of a signal output interface makes it possible to provide a control room or central computer unit of a process engineering system that is superordinate to the control device. The control room or other computer unit performs a simulation with one or more realistic simulation parameters using a virtual representation of the process plant, parts of the process plant, or the actuator. With the realistic simulation parameters, a virtual representation of the simulation can be used so that the simulation is based on realistic simulation data and not on hypothetical simulation parameters, which lead to simulation results that deviate significantly from realistic signal responses. In this way, it is possible to use the virtual representation of a simulated plant or parts thereof to implement better simulation results with regard to the optimized design of the plant and its components, for example to provide optimal manipulated variables with regard to a process of the process plant to the actuator.
Gemäß einer Ausführung weist die Stellgerätelektronik wenigstens einen Datenspeicher für den wenigstens einen Simulationsparameter auf, wobei der Datenspeicher wenigstens einen gespeicherten Referenz-Simulationsparameter für den wenigstens einen Simulationsparameter aufweist und/oder wobei der Datenspeicher zum Vorhalten von mehreren zu unterschiedlichen Zeiten bestimmten historischen Simulationsparametern eingerichtet ist. Ein Referenz-Simulationsparameter kann beispielsweise ein Simulationsparameter sein, welcher einer Angabe eines Datenblattes entspricht, und/oder der das Verhalten eines typischen Stellgeräts bestimmter Bauart unter Idealbedingungen charakterisiert. Als Referenz-Simulationsparameter kann beispielsweise ein gemäß dem DE 102018133428 Ai bestimmter idealer Parameter in einem Bereich von Auslegungsparameter einer Stellgerätefamilie definiert sein. Als Referenz-Simulationsparameter kann ein insbesondere unter Idealbedingungen an einem Teststand mit dem gegenständlichen Stellventil des Stellgeräts ermittelter Simulationsparameter bezeichnet sein. Ein Referenz-Parameter kann von einem realistischen Simulationsparameter insbesondere dadurch unterschieden werden, dass ein realistischer Simulationsparameter an dem gegenständlichen Stellgerät bei Verwendung, insbesondere betriebsgemäßer Verwendung, in der prozesstechnischen Anlage bestimmt wird oder wurde, wohingegen ein Referenz-Simulationsparameter außerhalb der zu betrachtend prozesstechnischen Anlage gegebenenfalls rein theoretisch bestimmt wurde, insbesondere vor erstmaliger Inbetriebnahme des gegenständlichen Stellgeräts. Ein Referenz-Simulationsparameter kann unter ausschließlicher Verwendung eines theoretischen mathematischen Modells insbesondere unter Idealbedingungen berechnet worden sein. According to one embodiment, the actuator electronics have at least one data memory for the at least one simulation parameter, the data memory having at least one stored reference simulation parameter for the at least one simulation parameter and/or the data memory being set up to store a plurality of historical simulation parameters determined at different times. A reference simulation parameter can, for example, be a simulation parameter which corresponds to information on a data sheet and/or which characterizes the behavior of a typical actuator of a specific type under ideal conditions. For example, an ideal parameter determined according to DE 102018133428 Ai can be defined as a reference simulation parameter in a range of design parameters of an actuator family. A simulation parameter determined in particular under ideal conditions on a test bench with the specific control valve of the control device can be referred to as a reference simulation parameter. A reference parameter can be distinguished from a realistic simulation parameter in particular by the fact that a realistic simulation parameter the actuator in question is or was determined when used, in particular when used properly, in the process plant, whereas a reference simulation parameter outside of the process plant to be considered may have been determined purely theoretically, in particular before the actuator in question was put into operation for the first time. A reference simulation parameter can have been calculated using only a theoretical mathematical model, in particular under ideal conditions.
Historische Simulationsparameter wurden insbesondere durch die Stellgerätelektronik zu einem in der Vergangenheit hegenden Zeitpunkt bestimmt. Historische Simulationsparameter können vorzugsweise durch eine insbesondere sequentielle Nummerierung, einen Datums- und/oder Zeitstempel oder dergleichen identifiziert sein, um eine Unterscheidung der verschiedenen historischen Simulationsparameter voneinander und von dem aktuellen realistischen Simulationsparameter zu treffen. Die Identifizierung der historischen Simulationsparameter kann insbesondere eindeutig hinsichtlich der zeitlichen Abfolge der zeitlich nacheinander erfassten historischen Simulationsparameter sein. Dafür kann eine fortlaufende aufsteigende Nummerierung ausreichend sein. Historische Simulationsparameter werden insbesondere bei Verwendung des gegenständlichen Stellgeräts, insbesondere betriebsgemäßer Verwendung des gegenständlichen Stellgeräts in der prozesstechnischen Anlage bestimmt. Beispielsweise können historische Simulationsparameter regelmäßig, zu vorbestimmten Zeitpunkten und/oder vorbestimmten Ereignissen bestimmt und in dem Datenspeicher der Stellgerätelektronik als historische Simulationsparameter gespeichert werden. Beispielsweise können von der Stellgerätelektronik des Stellgeräts realistische Simulationsparameter in regelmäßigen zeitlichen Abständen, beispielsweise stündlich, täglich, wöchentlich, monatlich oder dergleichen (zunächst als aktueller realistischer Simulationspartner) bestimmt und simultan oder anschließend als historischer Simulationsparameter gespeichert werden. Historische Simulationsparameter können von der Stellgerätelektronik beispielsweise erzeugt werden, beispielsweise wenn regelmäßig realistische Simulationsparameter erfasst werden, wenn das Stellgerät eine insbesondere bestimmte Diagnosefunktion, insbesondere einen Teilhubtest und/oder einen Vollhubtest, durchführt. Gemäß einer Weiterbildung eines Stellgeräts kann die Rechenvorrichtung dazu eingerichtet sein, ausgehend von einer empfangenen Stellgröße und wenigstens einem historischen Simulationsparameter und/oder wenigstens einem Referenz-Simulationsparameter eine virtuelle Signalantwort des Stellgeräts zu berechnen und die berechnete virtuelle Signalantwort mit einer vom Stellgerät insbesondere anhand von Sensoren erfassten Signalantwort zu vergleichen. Insbesondere umfasst das Stellgerät eine innere Steuerung oder eine innere Regelecke, die insbesondere eine Vorwärtsstrecke aus einer Ventilpositionssteuerung oder -regelungen, einem Aktuator und einem Stellventil umfassen kann. Die Ventilpositionssteuerung und/oder -regelung ist vorzugsweise durch die Stellgerätelektronik, insbesondere deren Rechenvorrichtung, realisiert. Die Stellgerätelektronik kann dazu eingerichtet sein, eine ihr zugeführte Stellgröße auf ein pneumatisches Steuersignal für den pneumatischen Aktuator abzubilden. Der Aktuator betätigt das Stellventil, sodass dieses eine Ventilstellung einnimmt. Die räumliche Ventilstellung kann beispielsweise durch einen Drehwinkel oder eine Linearposition definiert sein. Die Stellung des Stellventils kann durch einen geeigneten Positionssensor erfasst und der Stellgerätelektronik beispielsweise als skalarer Positionswert zur Verfügung gestellt werden. Wird der Stellwert der Stellgerätelektronik an ein beispielsweise inneres Referenzglied bereitgestellt, kann eine innere Regelstrecke oder Regelschleife geschlossen werden. Neben einer inneren Steuerung- oder Regelstrecke kann die Stellgerätelektronik gemäß dieser Ausführung wenigstens einen, insbesondere zwei, weitere Funktionsblöcke umfassen. Beispielsweise kann die Rechenvorrichtung des Stellgeräts dazu ausgestaltet sein, dass die Rechenvorrichtung ein erstes Berechnungsmodul, das als Simulationsmodul bezeichnet sein kann, für eine Simulation zum Bestimmen einer virtuellen Signalantwort auf Basis eines Referenz-Simulationsparameter und/oder wenigstens eines historischen Simulationsparameters und der empfangenen Stellgröße umfassen. Alternativ o- der zusätzlich kann die Rechenvorrichtung so eingerichtet sein, ein zweites Berechnungsmodul, das als Anpassungsmodul bezeichnet sein kann, zur Bestimmung eines realistischen, beispielsweise aktualisierten oder angepassten, Simulationsparameters bezüglich des Stellgeräts aufweisen. Die Rechenvorrichtung kann dazu ausgestaltet sein, ein Simulationsmodul auf Basis eines Grey-Box Modells durchzuführen. Ein sogenanntes Grey-Box Modell kann dazu verwendet werden, das Verhalten der inneren Vorwärtsstrecke beziehungsweise inneren Steuer- oder Regelstrecke zur Umsetzung der Stellgröße in einer Signalantwort numerisch zu approximieren, in diesem Fall kann dem Grey-Box Modell die Stellgröße der Stellgerätelektronik zugeführt werden. Die Simulation mit dem Grey-Box Modell würde dann einen virtuellen Ausgangswert (eine virtuelle Signalantwort) erzeugen, der eine Näherung für den Ausgangswert beziehungsweise die Signalantwort des realen Stellgeräts bietet. Das Grey-Box Modell bestimmt die virtuelle Signalantwort unter Berücksichtigung wenigstens eines historischen Simulationsparameters oder eines Referenz-Simulationsparameters. Die reale Signalantwort kann erfasst werden durch einen Sensor, beispielsweise einen Ventilpositionssensor, des Stellgeräts. Historical simulation parameters were determined in particular by the actuator electronics at a point in time in the past. Historical simulation parameters can preferably be identified by, in particular, sequential numbering, a date and/or time stamp or the like in order to differentiate between the various historical simulation parameters and from the current realistic simulation parameter. The identification of the historical simulation parameters can in particular be unambiguous with regard to the chronological sequence of the historical simulation parameters recorded one after the other. A continuous, ascending numbering can be sufficient for this. Historical simulation parameters are determined in particular when the actuator in question is used, in particular when the actuator in question is used properly in the process plant. For example, historical simulation parameters can be determined regularly, at predetermined times and/or predetermined events, and stored in the data memory of the actuator electronics as historical simulation parameters. For example, the actuator electronics of the actuator can determine realistic simulation parameters at regular time intervals, for example hourly, daily, weekly, monthly or the like (initially as a current realistic simulation partner) and simultaneously or subsequently stored as historical simulation parameters. Historical simulation parameters can be generated by the actuator electronics, for example, when realistic simulation parameters are regularly recorded when the actuator performs a particularly specific diagnostic function, particularly a partial stroke test and/or a full stroke test. According to a development of an actuator, the computing device can be set up to calculate a virtual signal response of the actuator based on a received manipulated variable and at least one historical simulation parameter and/or at least one reference simulation parameter and to compare the calculated virtual signal response with a signal from the actuator, in particular using sensors to compare the detected signal response. In particular, the actuating device comprises an internal controller or an internal control corner, which in particular can comprise a forward section made up of a valve position controller or controllers, an actuator and a control valve. The valve position control and/or regulation is preferably implemented by the actuator electronics, in particular its computing device. The actuator electronics can be set up to map a manipulated variable supplied to it onto a pneumatic control signal for the pneumatic actuator. The actuator actuates the control valve so that it assumes a valve position. The spatial valve position can be defined, for example, by an angle of rotation or a linear position. The position of the control valve can be detected by a suitable position sensor and made available to the control device electronics, for example as a scalar position value. If the control value of the actuator electronics is made available to an internal reference element, for example, an internal controlled system or control loop can be closed. In addition to an internal control or regulation system, the actuator electronics according to this embodiment can include at least one, in particular two, additional function blocks. For example, the computing device of the actuator can be configured such that the computing device includes a first calculation module, which can be referred to as a simulation module, for a simulation to determine a virtual signal response based on a reference simulation parameter and/or at least one historical simulation parameter and the received manipulated variable . Alternatively or additionally, the computing device can be set up in such a way that it has a second calculation module, which can be referred to as an adaptation module, for determining a realistic, for example updated or adapted, simulation parameter with regard to the actuator. The computing device can be designed to carry out a simulation module based on a gray box model. A so-called gray box model can be used to numerically approximate the behavior of the inner forward system or inner open-loop or closed-loop control system for converting the manipulated variable in a signal response Gray box model, the manipulated variable can be supplied to the actuator electronics. The simulation with the gray box model would then generate a virtual output value (a virtual signal response) that provides an approximation for the output value or signal response of the real actuator. The gray box model determines the virtual signal response taking into account at least one historical simulation parameter or one reference simulation parameter. The real signal response can be detected by a sensor, for example a valve position sensor, of the actuator.
Das durch die Rechenvorrichtung implementierte Anpassungsmodul kann dazu eingerichtet sein, eine Anpassung des Simulationsmoduls, beispielsweise des Grey-Box Modells, vorzunehmen, um eine Abweichung, insbesondere eine numerische Differenz, zwischen der virtuellen Signalantwort und der realen Signalantwort zu verringern. Zu diesem Zweck kann das Anpassungsmodul dazu eingerichtet sein, wenigstens einen aktuellen und/ oder realistischen Simulationsparameter zu bestimmen, indem ein Simulationsparameter neu berechnet wird oder indem ein ausgehend von einem Referenz-Simulationsparameter oder einem historischen Simulationsparameter ein aktualisierter realistischer Simulationsparameter derart bestimmt wird, dass die Rechenvorrichtung mit dem Simulationsmodul auf Basis des mittels dem Anpassungsmodul bestimmten aktualisierten Simulationsparameters eine bessere Näherung, beispielsweise eine geringere Abweichung, insbesondere eine geringere numerische Differenz zwischen der reellen Signalantwort und der virtuellen Signalantwort, erreicht. The adaptation module implemented by the computing device can be set up to adapt the simulation module, for example the gray box model, in order to reduce a deviation, in particular a numerical difference, between the virtual signal response and the real signal response. For this purpose, the adjustment module can be set up to determine at least one current and/or realistic simulation parameter by recalculating a simulation parameter or by determining an updated realistic simulation parameter based on a reference simulation parameter or a historical simulation parameter in such a way that the Computing device with the simulation module on the basis of the updated simulation parameter determined by the adaptation module achieves a better approximation, for example a smaller deviation, in particular a smaller numerical difference between the real signal response and the virtual signal response.
Gemäß einer Weiterbildung des Stellgeräts ist die Rechenvorrichtung dazu eingerichtet, eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen erfasster realer Signalantwort und modellierter virtueller Signalantwort in zeitlicher Dimension, Amplitude und/oder Änderungsrate zu erkennen und anhand der Abweichung einen aktuellen Simulationsparameter zu bestimmen. Zum Erfassen einer Abweichung in zeitlicher Dimension und/oder Änderungsrate zwischen realer Signalantwort und virtueller Signalantwort kann die Stellgerätelektronik eine Reihe historischer Simulationsparameter aus einem Datenspeicher verwenden und/oder eine Reihe von in zeitlicher Abfolge ermittelter reeller Signalantworten. Beispielsweise kann das Stellgerät, insbesondere die Rechenvorrichtung des Stellgeräts, dazu eingerichtet sein, eine Reihe virtueller Signalantworten mit einem Simulationsmodul abhängig von einer Reihe von empfangenen Stellgrößen zu ermitteln und eine Reihe realer Signalantworten in Abhängigkeit von denselben empfangenen Stellgrößen erfassen. Das Anpassungsmodul der Recheneinheit kann dazu eingerichtet sein, eine Reihe in zeitlicher Abfolge erfasster virtueller Signalantworten und reeller Signalantworten abhängig von insbesondere den selben Stellgrößen miteinander in zeitlicher Dimension zu vergleichen, um beispielsweise festzustellen, ob die reelle Signalantwort in zeitlicher Dimension schneller oder langsamer ist als die virtuelle Signalantwort, und basierend auf dem Ergebnis dieses Vergleiches wenigstens einen Simulationsparameter zu aktualisieren. Beispielsweise kann anhand eines idealisierten Referenz-Simulationsparameters oder veralteter historischer Simulationsparameter das Simulationsmodul eine schnellere virtuelle Signalantwort im Hinblick auf eine Änderung einer Stellgröße, beispielsweise einer Antwort auf ein Stufensignal, erwarten, als die korrespondierende reelle Signalantwort erkennen lässt. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn sich der dynamische Reibkoeffizient des Stellventils im Vergleich zu einem Ausgangswert oder einem Idealwert statisch unterscheidet. Anhand des Vergleichs einer zeitlichen Abfolge von virtuellen Signalantworten und reellen Signalantworten miteinander kann das Anpassungsmodul erkennen, ob die für die virtuelle Abbildung als Simulationsparameter angenommene Änderungsrate zu der reell vorliegenden Änderungsrate korrespondierten oder eine signifikante Abweichung besteht. Beispielsweise können bei einem pneumatischen Stellgerät mit Federrückstellung die reelle Federkonstante und die als Simulationsparameter angenommene Federkonstante ungleich sein, was sich darin manifestiert, dass ein entsprechender Unterschied zwischen der Änderungsrate einer auf die Betriebsgröße Stellposition bezogenen virtuellen Signalantwort und entsprechender reeller Signalantwort zu erkennen ist. Eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen einer erfassten reellen Signalantwort und einer virtuellen Signalantwort kann mit Hilfe eines Vergleichs mehrerer historischer reeller und virtueller Signalantworten erfolgen. According to a development of the actuator, the computing device is set up to detect a deviation, in particular a difference, between the recorded real signal response and the modeled virtual signal response in terms of time, amplitude and/or rate of change and to determine a current simulation parameter based on the deviation. To detect a deviation in the time dimension and/or rate of change between the real signal response and the virtual signal response, the actuator electronics can use a number of historical simulation parameters from a data memory and/or a number of real signal responses determined in a chronological sequence. For example, the actuator, in particular the computing device of the actuator, can be set up to generate a series of virtual signal responses to be determined with a simulation module as a function of a series of received manipulated variables and to record a series of real signal responses as a function of the same received manipulated variables. The adaptation module of the computing unit can be set up to compare a series of virtual signal responses and real signal responses recorded in a chronological sequence, depending in particular on the same manipulated variables in the time dimension, in order to determine, for example, whether the real signal response in the time dimension is faster or slower than the virtual signal response, and based on the result of this comparison to update at least one simulation parameter. For example, based on an idealized reference simulation parameter or outdated historical simulation parameters, the simulation module can expect a faster virtual signal response with regard to a change in a manipulated variable, for example a response to a step signal, than the corresponding real signal response indicates. This can be the case, for example, when the dynamic coefficient of friction of the control valve differs statically compared to an initial value or an ideal value. By comparing a time sequence of virtual signal responses and real signal responses with one another, the adaptation module can identify whether the rate of change assumed as a simulation parameter for the virtual image corresponds to the rate of change actually present or whether there is a significant deviation. For example, in the case of a pneumatic actuator with spring return, the real spring constant and the spring constant assumed as a simulation parameter can be unequal, which manifests itself in the fact that a corresponding difference can be seen between the rate of change of a virtual signal response related to the operating variable setting position and the corresponding real signal response. A deviation, in particular a difference, between a detected real signal response and a virtual signal response can take place with the aid of a comparison of a number of historical real and virtual signal responses.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet sein, einen aktuellen Simulationsparameter mittels der Signalausgabeschnittstelle abzugeben, wenn die Stellgerätelektronik bei einem Vergleich eines aktuellen Simulationsparameters mit einem historischen Simulationsparameter oder einem Referenz-Simulationsparameter eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, feststellt. Insbesondere kann die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet sein, ausschließlich dann einen aktuellen Simulationsparameter auszugeben, wenn eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen dem aktuellen Simulationsparameter und einem historischen Simulationsparameter oder einem Referenz-Simulationsparameter festgestellt wurde. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Stellgerät an einen entfernten Rechner, wie ein Zentralrechner einer prozesstechnischen Anlage, veränderte Simulationsparameter zeitnah mitteilten, sodass die virtuelle Abbildung des Stellgeräts einer Simulationsumgebung mit realistischen Simulationsparametern erfolgen kann. Gegebenenfalls kann erreicht werden, dass eine beispielsweise geringe verfügbare Bandbreite zur Datenübertragung durch das Abgeben aktualisierter Simulationsparameter nur geringfügig belastet wird. According to one development, the actuator electronics can be set up to emit a current simulation parameter using the signal output interface if the actuator electronics detects a deviation, in particular a difference, when comparing a current simulation parameter with a historical simulation parameter or a reference simulation parameter. In particular, the Actuating device electronics can be set up to only output a current simulation parameter when a deviation, in particular a difference, was found between the current simulation parameter and a historical simulation parameter or a reference simulation parameter. In this way, it can be ensured that the actuator promptly communicates changed simulation parameters to a remote computer, such as a central computer of a process engineering plant, so that the virtual mapping of the actuator can take place in a simulation environment with realistic simulation parameters. If necessary, it can be achieved that, for example, a small bandwidth available for data transmission is only slightly loaded by the delivery of updated simulation parameters.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der wenigstens eine Simulationsparameter ausgewählt aus einer Liste umfassend Totzeit, Diskretisierung, statische Steuerungsund/oder Regelungsabweichung (beispielsweise Proportionalgewinn bei (Gain)), Kennlinie und/oder Steigung (beispielsweise Zeitkonstante) beziehungsweise Proportionalitätsfaktor zwischen einer Stellgröße, wie einem Eingangsstrom, und einer Betriebsgröße, wie einer Stellposition). Eine Diskretisierung kann eine Differenz in Zeitrichtung in und/oder Amplitudenrichtung zwischen einem vorherrschenden statischen Ausgangsbetriebswert, beispielsweise einer stationären Ist-Ventilstellung, und einem, beispielsweise in Folge statischer Reibung und Systemträgheit, nächstmöglichen anderen Betriebswert ausgehend von dem Ausgangs-Betriebswert beschreiben. Bezüglich der Kennlinie kann ein Simulationsparameter beispielsweise den P-(Proportionalitäts-), I (Integ- rations-) und/oder D- (Differenzierungs-) -faktor eines PID-Reglers, wie eines durch eine Rechenvorrichtung implementierten PID-Regelungsmoduls, beschreiben. Es sei klar, dass ein anderer, beispielsweise ein P-Regler, durch einen oder wenige Faktoren, beziehungsweise nur einen P-Faktor, charakterisiert sein kann. Ein Zwei-Punkt-Regler und/oder ein Drei-Punkt- Regler können charakterisiert sein durch eine Kennlinie, welche abhängig vom Wert oder einer Entwicklung einer Stellgröße relativ zu einem ersten und/oder zweiten Schwellenwert die korrespondierende Regelungsantwort charakterisiert. Für Kombinationen verschiedener Reglerarten ist es denkbar, dass Simulationsparameter entsprechend der verschiedenen Regelungsarten für verschiedene Reglerbereiche bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass eine Kennlinie charakterisiert ist als beispielsweise tabellarische Korrelationen zwischen Eingangswerten (Stellgrößen) und Ausgangswerten (Betriebsgrößen). According to a preferred embodiment, the at least one simulation parameter is selected from a list comprising dead time, discretization, static control and/or regulation deviation (e.g. proportional gain in (gain)), characteristic curve and/or gradient (e.g. time constant) or proportionality factor between a manipulated variable, such as an input current , and an operating variable, such as a setting position). Discretization can describe a difference in time direction and/or amplitude direction between a prevailing static initial operating value, for example a stationary actual valve position, and another operating value that is as close as possible, for example as a result of static friction and system inertia, based on the initial operating value. Regarding the characteristic, a simulation parameter can describe, for example, the P (proportionality), I (integration) and/or D (differentiation) factor of a PID controller, such as a PID control module implemented by a computing device. It is clear that another, for example a P-controller, can be characterized by one or a few factors, or only one P-factor. A two-point controller and/or a three-point controller can be characterized by a characteristic curve which characterizes the corresponding control response depending on the value or a development of a manipulated variable relative to a first and/or second threshold value. For combinations of different controller types, it is conceivable that simulation parameters are made available for different controller ranges corresponding to the different controller types. Alternatively or additionally, it is conceivable that a characteristic is characterized as, for example, tabular correlations between input values (manipulated variables) and output values (operating variables).
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung, die mit den vorherigen kombinierbar ist, kann die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet sein, dass das pneumatische Steuersignal in Abhängigkeit von einer Stellgröße gemäß einer Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur bereit gestellt wird, wobei die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Simulationsparameter bezüglich einer insbesondere veränderten Steuerungsund/oder Regelungsstruktur abzugeben. Beispielsweise kann ein Simulationsparameter die Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur(en), die die gegenständliche Stellgerätelektronik verwendet, gemäß einer vorbestimmten Klassifizierung benennen. Beispielsweise kann ein erster Name für eine PID-Reglerstruktur, eine zweiter Name für eine PI- Reglerstruktur, ein dritter Name für eine P-Reglerstruktur und ein vierter Name für eine Zwei-Punkt-Reglerstruktur vorbestimmt sein. Es sei klar, dass die vorstehende Auflistung verschiedener Reglerstrukturen rein exemplarisch und nicht auf die genannten Reglerstrukturen beschränkt ist. According to another preferred embodiment, which can be combined with the previous ones, the actuator electronics can be set up so that the pneumatic control signal is provided as a function of a manipulated variable according to a control and/or regulation structure, with the actuator electronics being set up to have at least one Submit simulation parameters with respect to a particular modified control and / or regulation structure. For example, a simulation parameter may designate the control and/or regulation structure(s) that the subject actuator electronics utilize according to a predetermined classification. For example, a first name can be predetermined for a PID controller structure, a second name for a PI controller structure, a third name for a P controller structure, and a fourth name for a two-point controller structure. It should be clear that the above list of different controller structures is purely exemplary and not limited to the controller structures mentioned.
Gemäß einer Ausführung eines Stellgeräts, die mit den vorherigen kombinierbar ist, sind die Signalausgabeschnittstelle und die Signalempfangsschnittstelle mit einer gemeinsamen Signalübertragungsleitung verbunden, insbesondere einer 4..20 mA Leitung, wobei die Signalempfangsschnittstelle dazu eingerichtet ist, die Stellgröße mittels der Signalübertragungsleitung zu empfangen und wobei die Signalausgabeschnittstelle dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Simulationsparameter mittels der Signalübertragungsleitung abzugeben. Das so eingerichtete Stellgerät kann auf einfache Weise vorhandene Kommunikationsmittel der prozesstechnischen Anlage nutzen, um einen von dem Stellgerät entfernten Rechner aktualisierte Simulationsparameter mitzuteilen. According to one embodiment of an actuator that can be combined with the previous ones, the signal output interface and the signal receiving interface are connected to a common signal transmission line, in particular a 4..20 mA line, the signal receiving interface being set up to receive the manipulated variable via the signal transmission line and being the signal output interface is set up to output the at least one simulation parameter by means of the signal transmission line. The actuating device set up in this way can use existing communication means of the process engineering system in a simple manner in order to communicate updated simulation parameters to a computer remote from the actuating device.
Gemäß einer optional mit der vorherigen Ausgestaltung kombinierbaren anderen Ausgestaltung des Stellgeräts umfasst die Signalausgabeschnittstelle eine Anzeigeeinheit, wie ein LCD-Display, zum optischen Ausgeben des wenigstens einen Simulationsparameters. Beispielsweise kann das Stellgerät dazu eingerichtet sein, in Reaktion auf eine Benutzerangabe insbesondere an dem Stellgerät, beispielsweise durch Steuertasten des Stellgeräts, auf einer Anzeigeeinheit des Stellgeräts optisch wenigstens einen oder mehrere aktuelle realistische Simulationsparameter auszugeben. Sofern das Stellgerät noch keine realistischen Simulationsparameter erfasst hat, kann es dazu eingerichtet sein, in Reaktion auf einen Bedienerbefehl mittels der Anzeigeeinheit hinterlegte Referenz-Simulationsparameter auszugeben. According to another embodiment of the actuator that can optionally be combined with the previous embodiment, the signal output interface includes a display unit, such as an LCD display, for the optical output of the at least one simulation parameter. For example, the actuator can be set up to react to a user specification, in particular on the actuator, for example by control buttons of the Actuating device to optically output at least one or more current realistic simulation parameters on a display unit of the actuating device. If the actuator has not yet recorded any realistic simulation parameters, it can be set up to output reference simulation parameters stored by means of the display unit in response to an operator command.
Gemäß einer weiteren Ausführung eines Stellgeräts ist die Ausgabeschnittstelle dazu eingerichtet, den wenigstens einen Simulationsparameter, insbesondere mehrere Simulationsparameter, mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von nicht mehr als 1200 bit/s, insbesondere nicht mehr als 600 bit/s oder nicht mehr als 300 bit/s auszugeben. Eine derartige Auslegung der Ausgabeschnittstelle stellt sicher, dass bei der Verwendung des gegenständlichen Stellgeräts in einer bestehenden Infrastruktur einer prozesstechnischen Anlage, die möglicherweise geringe Möglichkeiten zur Datenübertragung von einen oder mehreren Stellgeräten an eine andere Recheneinheit, insbesondere eine zentrale Leitwarte, sich innerhalb eines vertretbaren geringen Datenvolumens bewegt. According to a further embodiment of an actuator, the output interface is set up to output the at least one simulation parameter, in particular a plurality of simulation parameters, with a data transmission rate of no more than 1200 bit/s, in particular no more than 600 bit/s or no more than 300 bit/s . Such a design of the output interface ensures that when using the actuator in question in an existing infrastructure of a process engineering system, the possibly low possibilities for data transmission from one or more actuators to another processing unit, in particular a central control room, are within an acceptable low data volume emotional.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine prozesstechnische Anlage, wie eine Chemieanlage, einem Kraftwerk, einer Lebensmittel verarbeitende Anlage oder dergleichen mit mehreren wie oben dargelegt ausgebildeten Stellgeräten. According to a further aspect, the disclosure relates to a process plant, such as a chemical plant, a power plant, a food processing plant or the like, with a plurality of actuators designed as set out above.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt, wobei: Advantageous refinements of the embodiments according to the invention are shown in the following figures, in which:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer prozesstechnischen Anlage mit mehreren Stellgeräten; FIG. 1 shows a schematic representation of a process engineering system with a plurality of actuators;
Figur 2 eine schematische Darstellung der Signalverläufe eines erfindungsgemäßen Stellgeräts; FIG. 2 shows a schematic representation of the signal curves of an actuating device according to the invention;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellgeräts; und Figur 4 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Implementierung einesFIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of an actuating device according to the invention; and Figure 4 is a schematic view of an exemplary implementation of a
Grey-Box-Modells in einem virtuellen Abbild eines Stellgeräts. Gray box model in a virtual representation of an actuator.
Zur Vereinfachung der Lesbarkeit sind in der folgenden Beschreibung exemplarischer Ausführungen dieselben oder ähnlichen Komponenten mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. In order to simplify readability, the same or similar components are provided with the same or similar reference symbols in the following description of exemplary embodiments.
Figur zeigt eine schematische Darstellung einer prozesstechnischen Anlage mit mehreren Feldgeräten, von denen wenigstens eines als erfindungsgemäßes Stellgerät l ausgestaltet sein kann. Die prozesstechnische Anlage 100 umfasst zur Beobachtung und Steuerung eines technischen Prozesses eine technische Steuerungsinfrastruktur. Die prozesstechnische Anlage 100 umfasst ein Leitsystem mit einem Leitstandrechner 101 und einem Prozessrechner 103. Die prozesstechnische Anlage 100 umfasst mit dem Prozessrechner 103 verbundene aktive Feldgeräte 111 und passive Feldgeräte 113. FIG. 1 shows a schematic representation of a process engineering system with a plurality of field devices, at least one of which can be designed as an actuator 1 according to the invention. The process engineering installation 100 includes a technical control infrastructure for monitoring and controlling a technical process. Process engineering system 100 includes a control system with a control station computer 101 and a process computer 103. Process engineering system 100 includes active field devices 111 and passive field devices 113 connected to process computer 103.
Aktive Feldgeräte 111 sind Feldgeräte, wie dass Stellgerät 1, die zum Eingriff in dem technischen Prozess beim Betrieb der prozesstechnischen Anlage 100 vorgesehen sind. Aktive Feldgeräte 111 umfassen geregelte und/oder ungeregelte (gesteuerte) Stellventile, Absperrventile und Pumpe umfassen. Active field devices 111 are field devices, such as the control device 1, which are provided for intervening in the technical process when the process plant 100 is in operation. Active field devices 111 include regulated and/or unregulated (controlled) control valves, shut-off valves and pumps.
Passive Feldgeräte 113 greifen nicht in den technischen Prozess ein. Beispiele für passive Feldgeräte 113 sind Sensoren. Sensoren 113 können beispielsweise Betriebsgrößen bezüglich der prozesstechnischen Anlage, insbesondere bezüglich eines Prozessfluides und/oder eines Hilfsenergiefluides, wie Pneumatikluft, der technischen Anlage 100 bestimmen. Ein Sensor 113 kann beispielsweise einen Druck, beispielsweise einen statischen- oder dynamischen Druck, eine Temperatur, eine Durchflussrate, beispielsweise einen Volumenstrom oder eine Strömungsgeschwindigkeit, des Prozessfluides oder eines Hilfsenergiefluides als Betriebsgröße der prozesstechnischen Anlage zu erfassen. Passive field devices 113 do not intervene in the technical process. Examples of passive field devices 113 are sensors. Sensors 113 can, for example, determine operating variables with regard to the process engineering system, in particular with regard to a process fluid and/or an auxiliary energy fluid, such as pneumatic air, of the technical system 100 . A sensor 113 can, for example, detect a pressure, for example a static or dynamic pressure, a temperature, a flow rate, for example a volume flow or a flow rate, of the process fluid or an auxiliary energy fluid as an operating variable of the process engineering system.
Das Betriebsverhalten einzelner Feldgeräte 111, 113, insbesondere des Stellgeräts 1, steht in Wechselwirkung zu Medien und Teilen und Komponenten der prozesstechnischen Anlage 100 und kann als ein Teil des in der prozesstechnischen Anlage realisierten Prozesses 104 betrachtet werden. The operating behavior of individual field devices 111, 113, in particular the actuating device 1, interacts with the media and parts and components of the process technology Plant 100 and can be viewed as part of the process 104 implemented in the process plant.
In der in Figur 1 exemplarisch abgebildeten prozesstechnischen Anlage 100 kann der Leitstandrechner 101 ein Bedienprogramm ausführen, mit dem ein Satz von Führungsgrößen w zur Beschreibung eines Soll-Zustandes des Prozesses erzeugt und an einen Prozessrechner 103 übertragen werden. Das Bedienprogramm kann beispielsweise durch eine Benutzereingabe gesteuert werden. In the process engineering system 100 shown as an example in FIG. The operating program can be controlled by user input, for example.
Die prozesstechnische Anlage 100 kann mehrere passive Feldgeräte, insbesondere Sensoren 113, Messumformer und/oder Zustandsfühler, wie Kontaktfühler, umfassen, um die Wirkung der aktiven Stellgeräte 111 auf den Prozess 104 zu beobachten. Die Sensoren 113 können dazu dienen, einen Ist-Zustand der prozesstechnischen Anlage zu erfassen. Ein Sensor 113 kann dem Prozessrechner 103 wenigstens einen Messwert als Regelgröße y übermitteln. The process engineering system 100 can include a number of passive field devices, in particular sensors 113, measuring transducers and/or state sensors, such as contact sensors, in order to observe the effect of the active control devices 111 on the process 104. The sensors 113 can be used to record an actual state of the process plant. A sensor 113 can transmit at least one measured value to the process computer 103 as a controlled variable y.
In der prozesstechnischen Anlage 100 kann einem aktiven Feldgerät, wie hier exemplarisch dargestellt dem Stellgerät 1 eine Stellgröße u übermittelt werden, um dem Feldgerät eine Vorgabe hinsichtlich einer durchzuführenden Einstellung zu übermitteln. Beispielsweise kann eine Stellgröße u an ein aktives Feldgerät 1, von dem Leitstandrechner 103 übermittelt werden, um zu erreichen, dass das Stellgerät 1 dahingehend auf den Prozess 104 einwirkt, dass die wenigstens eine Regelgröße y entsprechend einer von dem Leitstandrechner 101 und dem Prozessrechner 103 übermittelten Führungsgröße w angepasst, insbesondere daran angeglichen wird. Ein derartiges Vorgehen kann im Allgemeinen als Prozessregelung bezeichnet sein. In the process engineering system 100, a manipulated variable u can be transmitted to an active field device, such as the actuating device 1 shown here as an example, in order to transmit a specification to the field device with regard to a setting to be carried out. For example, a manipulated variable u can be transmitted to an active field device 1 by control center computer 103 in order to ensure that actuating device 1 affects process 104 in such a way that the at least one controlled variable y is transmitted according to one of control center computer 101 and process computer 103 Reference variable w adjusted, in particular it is adjusted to it. Such a procedure can generally be referred to as process regulation.
Das erfindungsgemäße Stellgerät m 1 realisiert ein aktives Stellgerät, dass ein Stellventil 3 zum Einstellen einer Prozessfluidströmung, einen pneumatischen Aktuator 5 zum Betätigen des Stellventils 3 und eine Stellgeräteelektronik 7 zum Übermitteln eines pneumatischen Steuersignals an den pneumatischen Aktuator 5 umfasst. Die Stellgeräteelektronik 7 ist dazu eingerichtet, das pneumatische Steuersignal für den pneumatischen Aktuator 5 abhängig von der wenigstens einen erhaltenen Stellgröße u einzustellen. Mit dem Stellgerät 1 kann ein Zu- oder Abfluss von Prozessfluid in der prozesstechnischen Anlage 100 gesteuert werden. The control device m 1 according to the invention implements an active control device that includes a control valve 3 for setting a process fluid flow, a pneumatic actuator 5 for actuating the control valve 3 and control device electronics 7 for transmitting a pneumatic control signal to the pneumatic actuator 5 . The actuator electronics 7 are set up to adjust the pneumatic control signal for the pneumatic actuator 5 depending on the at least one received manipulated variable u. With An inflow or outflow of process fluid in the process plant 100 can be controlled by the actuating device 1 .
Eine Stellgröße u kann im Allgemeinen die Art, Intensität, der Zeitpunkt und/oder die Dauer einer Einwirkung auch für die prozesstechnische Anlage durch ein bestimmtes aktives Feldgerät in qualitativ und/oder quantitativ vorgeben. Es ist denkbar, dass ein Stellgerät auf mehrere unterschiedliche Weisen auf den Prozess 104 einwirken kann und dafür entsprechend verschiedene Stellgrößen u können an das Stellgerät bereitgestellt werden. In general, a manipulated variable u can qualitatively and/or quantitatively specify the type, intensity, point in time and/or duration of an effect, also for the process engineering system, by a specific active field device. It is conceivable that an actuator can act on the process 104 in a number of different ways and correspondingly different manipulated variables u can be made available to the actuator.
Für die Übertragungen der Stellgröße u von dem Prozessrechner 103 an das Stellgerät 1 ist eine Signalübertragungsleitung 107 vorgesehen. Die Signalübertragungsleitung 107 kann insbesondere als 4..20 mA oder 0..20 mA Leitung realisiert sein, um insbesondere eine Stellgröße als ein 4..20 mA Stromsignal von dem Prozessrechner 103 an das Stellgerät 1 bereitzustellen. Die Steuerelektronik 7 des Stellgeräts 1 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, abhängig von der Amplitude der Stellgröße, insbesondere proportional zu der Amplitude des 4..20 mA Signals, ein pneumatisches Steuersignal für den pneumatischen Aktuator 5 bereitzustellen. Das pneumatische Steuersignal für den pneumatischen Aktuator kann beispielsweise ein Druck oder ein Volumenstrom sein. Der Stellungsregler 1 kann eine optische Anzeigeeinheit 77 aufweisen, beispielsweise in Form eines LCD Displays, an der ein Simulationsparameter ausgegeben werden kann. A signal transmission line 107 is provided for the transmission of the manipulated variable u from the process computer 103 to the actuating device 1 . The signal transmission line 107 can in particular be implemented as a 4 to 20 mA or 0 to 20 mA line in order in particular to provide a manipulated variable as a 4 to 20 mA current signal from the process computer 103 to the actuating device 1 . The control electronics 7 of the actuating device 1 can be set up, for example, to provide a pneumatic control signal for the pneumatic actuator 5 as a function of the amplitude of the manipulated variable, in particular proportional to the amplitude of the 4 to 20 mA signal. The pneumatic control signal for the pneumatic actuator can be a pressure or a volume flow, for example. The position controller 1 can have an optical display unit 77, for example in the form of an LCD display, on which a simulation parameter can be output.
Der Leitstandrechner 101 und/oder der Prozessrechner 103 oder einer anderen, nicht näher dargestellten Rechneranlage, können dazu eingerichtet sein, eine Simulation durchzuführen, die ein virtuelles Abbild 140 der prozesstechnischen Anlage 100 oder von Teilen oder Komponenten der prozesstechnischen Anlage darstellt. Ein Beispiel für eine derartige Simulation kann ein Verfahren zum Auslegen einer Feldgerätstation wie in DE 10 2018 133428 Ai beschrieben sein. The control station computer 101 and/or the process computer 103 or another computer system not shown in detail can be set up to carry out a simulation that represents a virtual image 140 of the process system 100 or of parts or components of the process system. An example of such a simulation can be a method for designing a field device station as described in DE 10 2018 133428 Ai.
In der Figur 2 ist schematisch ein Schaltbild dargestellt, dass die Funktion des Prozessrechners 103 und dessen Interaktion mit dem Prozess 104 in der prozesstechnischen An- läge 100 darstellt. Wie zuvor beschrieben, umfasst der Prozessrechner 103 eine Prozessregelung 130, welche wenigstens eine Führungsgröße w von einem Leitstandrechner 101 und wenigstens eine Regelgröße y von wenigstens einem Sensor 113 bezüglich des Prozesses 104 aus der prozesstechnischen Anlage 100 empfängt. Die Prozessregelung 130 ermittelt ausgehend von einer Abweichung zwischen Führungsgröße w und Regelgröße y eine Stellgröße u, welche von dem Prozessrechner 103 an wenigstens eine Komponente in der prozesstechnische Anlage, wie das Stellgerät 1 übermittelt wird. Es sei klar, dass ein Prozessrechner 103 üblicherweise eine Vielzahl von Regelgrößen y verarbeitet, um eine entsprechende Vielzahl von Stellgrößen an einer Vielzahl von Komponenten, i.A. aktiven Stellgeräten 111, im Prozess 104 zu übermitteln. In der vorliegenden exemplarischen Darstellung wird vereinfacht nur auf ein einziges aktives Stellgerät 111 bezuggenommen. Bei einer insbesondere adaptiven Simulation bezüglich mehrerer verschiedener aktiver Feldgeräte 111 einer prozesstechnischen Anlage 100 könnten deren individuelle aktive Feldgerät 111 ein jeweils individueller Satz von Regelgröße, Stellgröße, Reglerparameter, Modellregelgröße, Modellparameter, etc. verwendet werden, wobei die verschiedenen Größen, Parameter, etc. durch jeweils einen gemeinsamen auf das aktive Stellgerät bezogenen Index, wie 1, 2, 3, ... i. bezeichnet sein kann. FIG. 2 shows a circuit diagram that shows the function of the process computer 103 and its interaction with the process 104 in terms of the process technology would represent 100. As described above, the process computer 103 includes a process controller 130 which receives at least one reference variable w from a control station computer 101 and at least one controlled variable y from at least one sensor 113 with regard to the process 104 from the process engineering system 100 . Based on a deviation between reference variable w and controlled variable y, process control 130 determines a manipulated variable u, which is transmitted by process computer 103 to at least one component in the process engineering system, such as actuator 1 . It should be clear that a process computer 103 usually processes a large number of controlled variables y in order to transmit a corresponding large number of manipulated variables to a large number of components, generally active control devices 111, in the process 104. In the present exemplary illustration, only a single active actuating device 111 is referred to in a simplified manner. In the case of a particularly adaptive simulation with regard to several different active field devices 111 of a process engineering system 100, their individual active field devices 111 could each use an individual set of controlled variable, manipulated variable, controller parameters, model controlled variable, model parameters, etc., with the different variables, parameters, etc. by a common index related to the active actuator, such as 1, 2, 3, ... i. can be designated.
Der Prozessrechner 103 kann neben der Prozessregelung 130 eine Simulation 140 anhand einer virtuellen Abbildung einer prozesstechnischen Anlage, Teilen der prozesstechnischen Anlage oder Komponenten der prozesstechnischen Anlage durchführen. Die Simulationsberechnung 140 kann beispielsweise die tatsächliche Führungsgröße w und/oder die aus der reellen prozesstechnischen Anlage erhaltenen realistische Regelgrößen y verarbeiten. Insbesondere kann die Simulation 140 ein virtuelles Abbild 141 des gegenständlichen Stellgeräts 1 umfassen. Auf Basis der Führungsgröße w bestimmt die mit dem Prozessrechner 103 durchgeführte Simulation 140 eine Modellregelgröße y, die zur reellen Regelgröße y korrelieren soll. In addition to the process control 130, the process computer 103 can carry out a simulation 140 using a virtual representation of a process plant, parts of the process plant or components of the process plant. The simulation calculation 140 can, for example, process the actual reference variable w and/or the realistic control variables y obtained from the real process engineering system. In particular, the simulation 140 can include a virtual image 141 of the actuator 1 in question. On the basis of the command variable w, the simulation 140 carried out with the process computer 103 determines a model controlled variable y which is intended to correlate with the real controlled variable y.
Der Datenpfad zur Übertragung von Simulationsparametern z aus dem Stellgerät 1 zu einem Referenzmodell 140 kann einem vorhandenen Datenpfad 107 zwischen dem Prozessrechner 103 und dem Stellgerät 1 entsprechen. Der Prozessrechner 103 umfasst ferner eine Anpassungslogik 150 die als Eingangswerte wenigstens eine Modellregelgröße y, wenigstens eine dazu korrespondierende Stellgröße u empfängt. Die Anpassungslogik 150 kann dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Reglerparameter p zu bestimmen und diesen der Prozessregelung 130 aufzuprägen, um die Prozessregelung 130 anhand einer Optimierungsfunktion zu verbessern. Der Reglerparameter p kann von der Anpassungslogik 150 bestimmt werden anhand von einer Abweichung zwischen reeller Regelgröße y und Modellregelgröße y, mit dem Ziel, dass die Prozessregelung 130 mit dem von der Anpassungslogik 150 vorgegebenen Regelungsparameter p künftig eine Stellgröße u erzeugt, sodass die reelle Regelgröße y eine geringere Abweichung von der Modellregelgröße y aufweist. The data path for the transmission of simulation parameters z from the actuator 1 to a reference model 140 can correspond to an existing data path 107 between the process computer 103 and the actuator 1 . The process computer 103 also includes an adaptation logic 150 which has at least one model controlled variable as input values y, receives at least one manipulated variable u corresponding thereto. The adaptation logic 150 can be set up to determine at least one controller parameter p and impose this on the process controller 130 in order to improve the process controller 130 using an optimization function. The controller parameter p can be determined by the adaptation logic 150 based on a deviation between the real controlled variable y and the model controlled variable y, with the aim that the process controller 130 will in future generate a manipulated variable u with the control parameter p specified by the adaptation logic 150, so that the real controlled variable y has a smaller deviation from the model controlled variable y.
In einer prozesstechnischen Anlage mit einem erfindungsgemäßen Stellgerät 1, kann das Stellgerät 1 aus dem Prozess 104 wenigstens einen realistischen Simulationsparameter Q an den Prozessrechner 103 senden. Der Prozessrechner 103 kann die virtuelle Abbildung 141 des Stellgeräts 1 basierend auf dem realistischen Simulationsparamatern u anpassen. Durch die Anpassung der virtuellen Abbildung 141 des Stellgeräts 1 erfolgt eine Anpassung des Referenzmodells 140 im Sinne einer Verbesserung des Referenzmodells 140 durch Annäherung des simulierten Verhaltens des Referenzmodells 140 an das reelle Verhalten des Prozesses 104. In a process engineering system with an actuator 1 according to the invention, the actuator 1 from the process 104 can send at least one realistic simulation parameter Q to the process computer 103 . The process computer 103 can adapt the virtual representation 141 of the actuating device 1 based on the realistic simulation parameters u. By adjusting the virtual image 141 of the actuator 1, the reference model 140 is adjusted in the sense of improving the reference model 140 by approximating the simulated behavior of the reference model 140 to the real behavior of the process 104.
Ein Prozessrechner 103 kann beispielsweise mit einem Simulationsmodul 140 und einer Anpassungslogik 150 ausgestattet sein, die Regelung 130 an geänderte Umgebungsbedingungen der prozesstechnischen Anlage 100 anpassen zu können. Beispielsweise kann eine optimale Regelung 130 für einen Prozess 104 in einer prozesstechnischen Anlage 100 bei hohen Umgebungstemperaturen im Sommer, andere Prozess-Parameter p erfordern als bei niedrigen Umgebungstemperaturen im Winter. Ein Prozess, der ein Verhalten aufweist, dass eine Abhängigkeit von der absoluten Zeit erfährt, kann im Allgemeinen als nicht-zeitvariabler Prozess bezeichnet sein. Nicht- zeitvariabler Prozesse liegen beispielsweise dann vor, wenn exakt im selben Zustand beginnende Prozesssituationen sich in Abhängigkeit von dem absoluten Zeitpunkt des Beginnens systematisch unterschiedlich entwickeln. Ein anderes Beispiel für eine vorteilhafte Verwendung eines Prozessrechners 103, dessen Regelung einstweilen durch eine Anpassung einer Anpassungslogik 150 mit veränderlichen Prozess-Parametern vorgegeben werden und passen auf solche Fälle bei denen beispielsweise in Folge einer geänderten Ansteuerung durch den Leitstandrechner 101 ein veränderliches Verhalten der Führungsgröße vorliegt. Beispielsweise kann ein Leitstandrechner 101 dazu konfiguriert sein, eine Führungsgröße w vorzugeben, die eine geringe Dynamik über einen langen Zeitraum hinweg hat. Falls die Konfiguration des Leitstandrechners 101 dahingehend geändert wird, dass die Führungsgröße mit einer hohen Dynamik einen geringen Zeitraum beaufschlagt ist, kann es in einer stabilen Prozessführung des Prozesses 104 sinnvoll oder sogar erforderlich sein, die Parameter der Regelung 130 anzupassen. Beispielsweise können bei einer Regelung 130, die als PID-Regler konfiguriert ist, deren P, I und/oder D-Anteile des Mittels der Anpassungslogik 150 an ein verändertes dynamisches Verhalten der Führungsgröße w angepasst werden. A process computer 103 can be equipped, for example, with a simulation module 140 and an adaptation logic 150 in order to be able to adapt the controller 130 to changed environmental conditions of the process plant 100 . For example, an optimal regulation 130 for a process 104 in a process engineering installation 100 at high ambient temperatures in summer may require other process parameters p than at low ambient temperatures in winter. A process that exhibits behavior that experiences a dependency on absolute time can generally be referred to as a non-time-varying process. Non-time-variable processes exist, for example, when process situations that begin in exactly the same state develop systematically differently depending on the absolute point in time at which they began. Another example of an advantageous use of a process computer 103, the regulation of which is temporarily specified by an adaptation of an adaptation logic 150 with variable process parameters and is suitable for such cases in which, for example, as a result of a changed control by the control station computer 101, there is a variable behavior of the reference variable . For example, a control station computer 101 can be configured to specify a command variable w that has low dynamics over a long period of time. If the configuration of the control station computer 101 is changed such that the reference variable is subjected to high dynamics for a short period of time, it may be useful or even necessary to adapt the parameters of the controller 130 in stable process control of the process 104 . For example, in the case of a controller 130 configured as a PID controller, its P, I and/or D components of the means of the adaptation logic 150 can be adapted to a changed dynamic behavior of the command variable w.
Grundlegendere Änderungen könnte einen Wechsel zwischen einer ersten Reglerstruktur, beispielsweise einer PID-Reglerstruktur zu einer zweiten Reglerstruktur, beispielsweise einer Zwei-Punkt-Reglerstruktur oder einer Drei-Punkt-Reglerstruktur oder umgekehrt sein. More fundamental changes could be a change from a first controller structure, for example a PID controller structure, to a second controller structure, for example a two-point controller structure or a three-point controller structure, or vice versa.
Das Simulationsmodul 140 oder Referenzmodell des Prozessrechners 103 umfasst, wie oben beschrieben, ein virtuelles Abbild 141, das als digitaler Zwilling bezeichnet sein kann bezüglich des gegenständlichen Stellgeräts 1 in der prozesstechnischen Anlage 100. Die virtuelle Abbildung 141 des Stellgeräts 1 kann implementiert sein als ein Submodell innerhalb eines komplexeren Referenzmodells, wobei das Referenzmodell 140 die gesamte prozesstechnische Anlage 1 virtuell abbilden kann oder einen Teil der prozesstechnischen Anlage 100, innerhalb dem das Stellgerät 1 sich befindet. Das Referenzmodell 140 kann mehrere Submodelle für unterschiedliche aktive Feldgeräte 111 umfassen. Ein Submodell bezüglich eines aktiven Feldgeräts 111 kann durch eine deterministische Berechnungsformel in einer Digitalrecheneinheit in einer Rechenanordnung des Prozessrechners 103 implementiert sein. Beispielsweise kann ein Submodell als sogenanntes Grey-Box Modell implementiert sein. Eine virtuelle Abbildung 141 eines reellen, aktiven Feldgeräts 111, insbesondere des Stellgeräts 1, kann als deterministische Berechnungs- formel realisiert sein, die den zeitlichen Verlauf einer quantifizierten Stellgröße u abbildet auf eine Betriebsgröße y, beispielsweise eine absolute Stellposition oder eine relative Stellposition (beispielsweise entsprechend einer 0-100%-Skala bezüglich einer Öffnungsweite des Stellventils). As described above, the simulation module 140 or reference model of the process computer 103 includes a virtual image 141, which can be referred to as a digital twin with respect to the physical actuator 1 in the process engineering system 100. The virtual image 141 of the actuator 1 can be implemented as a submodel within a more complex reference model, the reference model 140 being able to virtually depict the entire process plant 1 or part of the process plant 100 within which the actuator 1 is located. The reference model 140 can include multiple sub-models for different active field devices 111 . A submodel relating to an active field device 111 can be implemented by a deterministic calculation formula in a digital processing unit in a processing arrangement of the process computer 103 . For example, a submodel can be implemented as a so-called gray box model. A virtual representation 141 of a real, active field device 111, in particular the actuator 1, can be used as a deterministic calculation be realized formula that maps the time course of a quantified manipulated variable u to an operating variable y, for example an absolute control position or a relative control position (for example corresponding to a 0-100% scale with regard to an opening width of the control valve).
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Stellgeräts 1. Als wesentliche Komponenten umfasst das Stellgerät 1 ein Stellventil 3 zum Einstellen einer Prozessfluidströmung, einen Aktuator 5 zum Betätigen des Stellventils 3 und eine Stellgeräteelektronik 7 zum Bereitstellen eines Steuersignals, insbesondere eines pneumatischen Steuersignals s, in Abhängigkeit von einer Stellgröße u. Figure 3 shows a schematic representation of the control device 1 according to the invention. The main components of the control device 1 are a control valve 3 for setting a process fluid flow, an actuator 5 for actuating the control valve 3 and control device electronics 7 for providing a control signal, in particular a pneumatic control signal s, in Dependence on a manipulated variable and
Die Stellgeräteelektronik 7 kann beispielsweise als eine digitale Stellungsreglerelektronik mit einer Recheneinheit 70 zum Ausführen wenigstens eines Programms oder Moduls, insbesondere mehrerer Programme oder Module eingerichtet ist sein. Die Recheneinheit kann als wesentliche Komponente einen Prozessor 75, eine Signalempfangsschnittstelle 71, einen Speicher 76, und eine Signalausgabeschnittstelle 73 umfassen. Ferner umfasst die Stellgeräteelektronik 7 wenigstens eine Steuerungs- und/oder Regelungsschnittstelle mit wenigstens einem Steuerungs- und/oder Regelungssignalausgang 74 zum Abgeben des insbesondere pneumatischen Steuersignals s an den insbesondere pneumatischen Aktuator 5. Ferner umfasst die Stellgeräteelektronik 7 wenigstens einen Regelgrößeneingang 72, welcher beispielsweise mit einem Positionssensor 13 oder einem anderen Sensor (nicht im Detail dargestellt) zum Empfang wenigstens einer Geräteregelgröße, beispielsweise einem x eingerichtet ist. The actuator electronics 7 can be set up, for example, as digital position controller electronics with a computing unit 70 for executing at least one program or module, in particular a plurality of programs or modules. The computing unit can include a processor 75, a signal receiving interface 71, a memory 76 and a signal output interface 73 as essential components. In addition, actuator electronics 7 includes at least one control and/or regulation interface with at least one control and/or regulation signal output 74 for delivering the control signal s, in particular pneumatic, to actuator 5, in particular pneumatic a position sensor 13 or another sensor (not shown in detail) is set up to receive at least one device control variable, for example an x.
Die Stellgeräteelektronik 7 ist dazu eingerichtet, abhängig von einer ihr zugeführten Stellgröße u und einer zugeführten Geräteregelgröße x das Steuersignal s zu erzeugen. Um das Steuersignal s zu erzeugen, kann die Recheneinheit 70 ein Steuer- und/oder Regelmodul oder -programm 30 mit Hilfe eines Prozessors 75 und eines Speichers 76 implementieren. Die Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 kann dazu eingerichtet sein, eine Stellgröße u und eine Geräte-Regelgröße x oder ein durch ein Differenzglied zwischen Geräte- Regelgröße x und Stellgröße u berechneten Differenzwert zu erfassen und anhand einer in dem Speicher 76 der Recheneinheit 70 hinterlegten Steuerungs- und/o- der Regelungsfunktion 30 eine Routine durchzuführen, die das Steuersignal s bestimmt. Das Steuersignal s kann von der Stellgeräteelektronik 7 mit dem Steuerungs- und/oder Regelungsausgang 74 an den Aktuator 5 übermittelt werden. Die Steuerungs- und/oder Regelungsausgang 74 kann zum Bereitstellen eines pneumatischen Steuersignals einen elektropneumatischen Wandler umfassen. Die Ausgabe 74 kann alternativ dazu eingerichtet sein, ein elektrisches Steuersignal für einen elektrischen Aktuator, beispielsweise einen Elektromotor, als analoges oder digitales elektrisches Signal, beispielsweise PWM- Signal, bereitzustellen (nicht näher dargestellt). The actuating device electronics 7 are set up to generate the control signal s as a function of a manipulated variable u supplied to it and a device controlled variable x supplied. In order to generate the control signal s, the computing unit 70 can implement a control and/or regulation module or program 30 with the aid of a processor 75 and a memory 76 . The computing device 70 of the actuating device 1 can be set up to detect a manipulated variable u and a device controlled variable x or a differential value calculated by a differential element between device controlled variable x and manipulated variable u using a control and/or regulation function 30 stored in the memory 76 of the arithmetic unit 70 to carry out a routine which determines the control signal s. The control signal s can be transmitted to the actuator 5 by the actuator electronics 7 with the control and/or regulation output 74 . The control and/or regulation output 74 can comprise an electropneumatic converter for providing a pneumatic control signal. As an alternative, the output 74 can be set up to provide an electrical control signal for an electrical actuator, for example an electric motor, as an analog or digital electrical signal, for example a PWM signal (not shown in more detail).
Der Aktuator 5 betätigt das Stellventil 3, beispielsweise mittels einer Stellstange oder Stellwelle. Die Stellposition des Stellventils 3 kann mittels eines Positionssensors x erfasst und der Stellgeräteelektronik 7 als Geräte-Regelgröße x gemeldet werden. Die Geräte- Regelgröße x kann, wie zuvor beschrieben, eine absolute oder relative Stellung des Stellventils 3 beschreiben. Bei dem erfindungsgemäßen Stellgerät ist die Stellgeräteelektronik 7 ferner dazu eingerichtet, wenigstens einen, das Stellgerät 1 betreffenden Simulationsparameter Q zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann die Rechenvorrichtung 70 der Stellgeräteelektronik 7 eine mehrere Funktionen oder Module, insbesondere Simulationsmodulen 40 und ein Anpassungsmodul 50 aufweisen. The actuator 5 actuates the control valve 3, for example by means of a control rod or control shaft. The control position of the control valve 3 can be detected by a position sensor x and reported to the control device electronics 7 as a device control variable x. As described above, the device controlled variable x can describe an absolute or relative position of the control valve 3 . In the actuating device according to the invention, the actuating device electronics 7 are also set up to determine at least one simulation parameter Q relating to the actuating device 1 . For this purpose, the computing device 70 of the actuator electronics 7 can have a number of functions or modules, in particular simulation modules 40 and an adaptation module 50 .
Die Rechenvorrichtung 70 ist dazu eingerichtet, ein Simulationsmodul 40 zu implementieren, welches als Eingangswert eine Stellgröße u empfängt, um ausgehend von wenigstens einem Simulationsparameter Q eine virtuelle Signalantwort x zu berechnen, die zu einer reellen Signalantwort in Form einer Geräte-Regelgröße x korrespondiert. Gemäß einer Ausführung ist die Recheneinheit 70 dazu eingerichtet, zu implementieren, dass eine mathematische deterministische Bestimmung einer virtuellen Signalantwort x vornimmt, indem der deterministischen Funktion als Eingangswert die Stellgröße u als Variable vorgegeben wird. Die mit dem Simulationsmodul 40 implementierte deterministische Funktion umfasst als Simulationsparameter Q beispielsweise eine Totzeit, eine Diskretisierung und eine Kennlinie, welche eine Korrelation einerseits zwischen der Stellgröße andererseits und dem als virtuelle Signalantwort x berechneten virtuellen Geräte- Regelwert definiert, welcher zu einem reellen Geräteregelwert x korrespondiert. Das von der Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 implementierte Simulationsmodul 40 kann korrespondierend oder identisch ausgestaltet sein zu einer virtuellen Abbildung 141 des gegenständlichen Stellgeräts in einem Referenzmodell 140, welches in dem Prozessrechner 103 implementiert ist. Computing device 70 is set up to implement a simulation module 40, which receives a manipulated variable u as an input value in order to calculate a virtual signal response x based on at least one simulation parameter Q, which corresponds to a real signal response in the form of a device controlled variable x. According to one embodiment, the computing unit 70 is set up to implement a mathematical deterministic determination of a virtual signal response x by specifying the manipulated variable u as an input value for the deterministic function as a variable. The deterministic function implemented with the simulation module 40 includes as a simulation parameter Q, for example, a dead time, a discretization and a characteristic curve which defines a correlation on the one hand between the manipulated variable on the other hand and the virtual device control value calculated as a virtual signal response x, which corresponds to a real device control value x . The The simulation module 40 implemented by the computing device 70 of the actuating device 1 can be designed to correspond to or be identical to a virtual representation 141 of the physical actuating device in a reference model 140, which is implemented in the process computer 103.
Anders gesagt ist das gegenständliche Stellgerät 1 dazu ausgestaltet, mit Hilfe seiner eigenen Rechenvorrichtung 70 einen virtuellen Zwilling seiner selbst zu implementieren, um eine Selbstüberprüfung bezüglich des Modellverhaltens, d.h. der virtuellen Signalantwort x Abbild bzw. digitalen Zwilling 141 des Stellgeräts 1 und den reellen Signalantworten x des reellen Stellgeräts 1 in Reaktion auf dieselbe Stellgröße u umzusetzen. In other words, the actual actuator 1 is designed to use its own computing device 70 to implement a virtual twin of itself in order to carry out a self-check with regard to the model behavior, ie the virtual signal response x image or digital twin 141 of the actuator 1 and the real signal responses x of the real actuator 1 in response to the same manipulated variable u.
Die Rechenvorrichtung 70 ist ferner dazu eingerichtet, beispielsweise mittels eines Anpassungsmoduls 50 eine Abweichung zwischen virtueller Signalantwort x und reeller Signalantwort x zu erfassen. Ausgehend von einer Diskrepanz zwischen virtueller Signalantwort x und reeller Signalantwort x kann das Anpassungsmodul 50 aktualisierte bzw. korrigierte Simulationsparameter Q erzeugen. Die mit der Anpassungsmodul 50 berechneten wenigstens eine Simulationsparameter Q kann optional als historischer Parameter QH in dem Speicher 76 der Rechenvorrichtung 70 abgelegt werden und/oder mittels einer Netzwerkschnittstelle oder anderen Signalausgabeschnittstelle 73 über eine Signalübertragungsleitung 107 abgegeben werden. The computing device 70 is also set up to detect a deviation between the virtual signal response x and the real signal response x, for example by means of an adaptation module 50 . Based on a discrepancy between the virtual signal response x and the real signal response x, the adaptation module 50 can generate updated or corrected simulation parameters Q. The at least one simulation parameter Q calculated with the adjustment module 50 can optionally be stored as a historical parameter QH in the memory 76 of the computing device 70 and/or can be output using a network interface or other signal output interface 73 via a signal transmission line 107.
Ein derartiges Stellgerät 1 vermag anhand eines virtuellen Zwillings seiner selbst zu bestimmen, ob die Wechselwirkung des reellen Stellgeräts 1 mit seiner Umgebung übereinstimmen mit dem Wechselwirkungen zwischen dem virtuellen Abbild 141 des Stellgeräts 1 in einer Simulationsumgebung 140. Anhand von Abweichungen zwischen dem reellen Verhalten des Stellgeräts und dem Verhalten seines virtuellen Abbildes 141 kann die Rechenvorrichtung die Simulationsparameter Q, welches das virtuelle Abbild definieren, anzupassen, um eine realitätsgetreuere virtuelle Abbildung zu erreichen. Indem das Stellgerät 1 ferner dazu eingerichtet ist, die durch den mit den Simulationsparametern mittels einer Signalausgabeschnittstelle 73 abzugeben, kann die Information bezüglich aktualisierter Simulationsparameter auch anderen Modellen, beispielsweise einen an einem Prozessrechner 103 umgesetzten Referenzmodell 140 übermittelt werden. Auf diese Weise kann ein Referenzmodell 140, insbesondere des ein darin verwendetes virtuelles Abbild 141 des Stellgeräts 1, eine realistischere Simulation durchführen, anhand der beispielsweise optimierte Stellgrößen u zur Steuerung des Stellgeräts bestimmt werden können, um einen Prozess 104 gemäß gewählter Optimierungskriterien beispielsweise schneller, effizienter, sicherer und/oder stabiler zu regeln. Such an actuator 1 can use a virtual twin of itself to determine whether the interaction of the real actuator 1 with its environment match the interactions between the virtual image 141 of the actuator 1 in a simulation environment 140. Based on deviations between the real behavior of the actuator and the behavior of its virtual image 141, the computing device can adapt the simulation parameters Q, which define the virtual image, in order to achieve a more realistic virtual image. Since the actuating device 1 is also set up to emit the information relating to the simulation parameters using a signal output interface 73 , the information relating to updated simulation parameters can also be transmitted to other models, for example a reference model 140 implemented on a process computer 103 . To this A reference model 140, in particular the virtual image 141 of the actuator 1 used therein, can carry out a more realistic simulation, which can be used, for example, to determine optimized manipulated variables u for controlling the actuator, in order to make a process 104 faster, more efficient, safer, for example, according to selected optimization criteria and/or more stable to regulate.
Von der Recheneinheit 70 wird ein Anpassungsmodul 50 beispielsweise durch den im Prozessor 75 und dem Speicher 76 implementiert. Das Anpassungsmodul 40 kann eine beispielsweise numerische Differenz oder andere Abweichung zwischen einer virtuellen Signalantwort x und einer reellen Signalantwort x als Kriterium bezüglich der Qualität der durch das Simulationsmodul 40 implementierten Simulation interpretieren. An adaptation module 50 is implemented by the processor 75 and the memory 76 by the processing unit 70 , for example. The adjustment module 40 can, for example, interpret a numerical difference or other deviation between a virtual signal response x and a real signal response x as a criterion for the quality of the simulation implemented by the simulation module 40 .
Das Anpassungsmodul 50 kann als Berechnungsmodul zur Anpassung der Simulationsparameter Q bezeichnet werden. Das Anpassungsmodul 50 kann dazu eingerichtet sein, das in der exemplarischen Situation gewählte Simulationsmodell, beispielsweise ein Grey-Box Modell, derart anzupassen, dass eine numerische Differenz zwischen der virtuellen Signalantwort und der reellen Signalantwort x verringert, insbesondere auf ein Minimum reduziert, wird. Dem Fachmann sind eine Reihe von Optimierungsverfahren, beispielsweise iterative Optimierungsverfahren bekannt, die von dem Berechnungsmodul 50 umgesetzt werden können. The adjustment module 50 can be referred to as a calculation module for adjusting the simulation parameters Q. The adaptation module 50 can be set up to adapt the simulation model selected in the exemplary situation, for example a gray box model, in such a way that a numerical difference between the virtual signal response and the real signal response x is reduced, in particular reduced to a minimum. A number of optimization methods, for example iterative optimization methods, which can be implemented by the calculation module 50 are known to those skilled in the art.
Das Simulationsmodul 40 kann definiert sein durch eine strukturelle Beschreibung eines virtuellen Abbilds oder Modells des gegenständlichen Stellgeräts 1 und einen Satz von Simulationsparametern o. Die strukturelle Beschreibung kann als abstraktes Modell aufgefasst werden (beispielsweise als modellierter PID-Regler), dass durch einen Satz von Modellparametern bezüglich des gegenständlichen Stellgeräts 1 konkretisiert ist. In einem Neuzstand des Stellgeräts 1 können die bereitstehenden Simulationsparameter Q als Referenz-Simulationsparameter 0R bereitgestellt sein, wobei Referenz-Simulationsparameter GR beispielsweise typenspezifisch hinsichtlich des gegenständlichen Stellventils als Fabrikeinstellung oder mittels eines Datenblattes bereitgestellt sein können. In Ausführungen mit mehreren alternativen Steuerungs- und/oder Regelungsstrukturen kann die Modellbeschreibung der Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur selbst als Simulationsparameter betrachtet werden. Ein Modell einer Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur kann durch einen oder mehrere Parameter beschrieben oder identifiziert sein. Ein oder mehrere Simulationsparameter, die eine modellierte Steuerungs- und/o- der Regelungsstruktur identifizieren oder beschreiben, sind auf einem Speicher 76 der Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 hinterlegt können und über eine Signalausgabeschnittstelle 73 an einen übergeordneten Simulationsrechner, wie mit dem hier exemplarisch beschriebenen Prozessrechner 103, übermittelt werden. The simulation module 40 can be defined by a structural description of a virtual image or model of the actual actuator 1 and a set of simulation parameters o. The structural description can be understood as an abstract model (e.g. as a modeled PID controller) that by a set of model parameters is specified with regard to the actuator 1 in question. In a new version of the control device 1, the available simulation parameters Q can be provided as reference simulation parameters 0R, wherein reference simulation parameters G R can be provided, for example, type-specifically with regard to the control valve in question as a factory setting or by means of a data sheet. In embodiments with several alternative control and/or regulation structures, the model description of the control and/or regulation structure itself can be viewed as a simulation parameter. A model of a control and/or regulation structure can be described or identified by one or more parameters. One or more simulation parameters that identify or describe a modeled control and/or regulation structure are stored in a memory 76 of the computing device 70 of the actuating device 1 and can be sent via a signal output interface 73 to a higher-level simulation computer, such as the process computer described here as an example 103, are transmitted.
Die Rechenvorrichtung 70 kann vorzugsweise als eine Digitalrecheneinheit realisiert sein. Die Rechenvorrichtung 70 kann schematisch untergliedert werden in einem Prozessor 75, einem Speicher 76 und eine Netzwerkschnittstelle 73, die als Signalausgabeschnittstelle wirkt. Die Recheneinheit kann ferner wenigstens eine Signalempfangsschnittstelle 71 aufweisen. Die Signalempfangsschnittstelle 71 und/oder die Signalausgabeschnittstelle 73 können einen Analog-Digital-Wandler und/ oder einen Digital-Analog- Wandler umfassen. The computing device 70 can preferably be implemented as a digital computing unit. The computing device 70 can be divided schematically into a processor 75, a memory 76 and a network interface 73, which acts as a signal output interface. The arithmetic unit can also have at least one signal receiving interface 71 . The signal receiving interface 71 and/or the signal output interface 73 can include an analog/digital converter and/or a digital/analog converter.
In der oben beschriebenen Ausführung wird das Steuerungs- und/oder Regelungsmodul 30 wie auch das Simulationsmodul 40 und das Anpassungsmodul 50 bezogen auf die primäre Wirkung des Stellgeräts 1, also die im Kontext der Prozessregelung vorgegebene kausale Verkettungen zwischen Stellgröße u und Regelgröße bzw. reeller Signalantwort x. Zusätzlich zu der Primärwirkung des Stellgeräts 1 kann das Stellgerät 1 weitere für den Prozess 104 relevante sekundäre Wirkungen aufweisen, die für das Steuer- und/oder Regelungsmodul 30 und/oder das Simulationsmodul 40 zu berücksichtigen sind, um eine optimierte Prozessführung erreichen zu können. In the embodiment described above, the control and/or regulation module 30 as well as the simulation module 40 and the adaptation module 50 are related to the primary effect of the actuating device 1, i.e. the causal linkages between manipulated variable u and controlled variable or real signal response specified in the context of process control x. In addition to the primary effect of the actuator 1, the actuator 1 can have other secondary effects relevant to the process 104, which must be taken into account for the open-loop and/or closed-loop control module 30 and/or the simulation module 40 in order to be able to achieve optimized process control.
Es ist denkbar, dass eine Sekundärwirkung des Stellgeräts 1 eine Geräuschentwicklung oder anderweitige Emission aus dem Stellgerät 1 betrifft. Beispielsweise kann als Sekundärwirkung ein Wärmeintrag von dem Stellgerät 1 in den Prozess 104 relevant sein. Beispielsweise kann die Abwärme eines durch einen elektrischen Aktuator angetriebenen Stellgeräts 1 relevant sein für den Energieverbrauch einer Klimatisierung oder für deren Potential, an einer vorgegebenen Stelle einer technischen Anlage 100 eine bestimmte Temperaturvorgabe einzuhalten. In einem solchen Fall können die Stellgröße u und/o- der die Geräteregelgröße x sich auf eine Temperatur beziehen. It is conceivable that a secondary effect of the actuator 1 relates to noise development or other emissions from the actuator 1 . For example, a heat input from the actuating device 1 into the process 104 can be relevant as a secondary effect. For example, the waste heat from an actuating device 1 driven by an electric actuator can be relevant to the energy consumption of an air conditioning system or its Potential to comply with a specific temperature specification at a given point of a technical installation 100. In such a case, the manipulated variable u and/or the device controlled variable x can relate to a temperature.
Bei einem Stellgerät mit Druckluftbetrieb, beispielsweise mit einem pneumatischen Aktuator 5 kann eine Sekundärwirkung der Luftverbrauch des Stellgeräts l sein. Beispielsweise kann als Betriebsparameter der Luftverbrauch des Stellgeräts l insbesondere abhängig von einer gewünschten Änderung der Primärwirkung relevant sein. Es ist denkbar, dass ein Betriebsparameter den Luftverbrauch des Stellgeräts l betrifft. Ein relativ hoher Luftverbrauch des Stellgeräts l kann zu einer Auswirkung, beispielsweise einer Schwankung, auf die Druckluftversorgung auch für andere Stellgeräte führen. Eine derartige Änderung kann eine Wechselwirkung zur Folge haben, die sich auf das Betriebsverhalten des betrachteten Stellgeräts l oder andere aktiver Feldgeräte in der prozesstechnischen Anlage 100 auswirkt. Beispielsweise kann mehreren aktiven Feldgeräten m wie beispielsweise in Figur l abgebildet, Druckluft zum Betreiben von pneumatischen Aktuatoren der Stellgeräte in bereitgestellt werden. Wenn das Stellgerät einen besonders hohen Druckluftverbrauch aufweist, beispielsweise im Falle einer Druckluft-Leckage oder weil der pneumatische Aktor 5 des Stellantriebes groß, gegebenenfalls zu groß, dimensioniert ist und ein hohes Druckluftvolumen erfordert, kann dies zu Folge haben, dass der in den Druckversorgungssystemen bereitstehende Volumen oder Druck absinkt auf einen Ist-Wert unterhalb eines Idealwertes für den die Feldgeräte 111 ausgelegt sind. Dies kann beispielsweise zur Folge haben, dass ein Stellgerät 5 in der reellen prozesstechnischen Anlage 100 eine langsamere Signalantwort x erreicht als basierend beispielsweise auf idealen Referenz- Simulationsparametern OR ausgehend erwartet wird, oder dass das Stellventil bei zu geringer Druckluftversorgung nicht die erforderliche Schließkraft zum sicheren Verbringen des Stellventiles 3 in einen verschlossenen Zustand bereitzustellen vermag. Für ein auf den Luftverbrauch des Stellgerät 1 bezogenes Modell könnte als Signalantwort x die Messung eines zeitlichen Druckluftverlaufes an einer Drosselstelle erfasst werden. In the case of an actuator with compressed air operation, for example with a pneumatic actuator 5, the air consumption of the actuator 1 can be a secondary effect. For example, the air consumption of the actuator 1 can be relevant as an operating parameter, in particular depending on a desired change in the primary effect. It is conceivable that an operating parameter relates to the air consumption of the actuator 1. A relatively high air consumption of the actuator 1 can lead to an effect, for example a fluctuation, on the compressed air supply for other actuators as well. Such a change can result in an interaction that affects the operating behavior of the actuating device 1 under consideration or other active field devices in the process plant 100 . For example, compressed air for operating pneumatic actuators of the control devices can be provided to a number of active field devices m, as shown in FIG. If the actuator has a particularly high consumption of compressed air, for example in the case of a compressed air leak or because the pneumatic actuator 5 of the actuator is large, possibly too large, and requires a high volume of compressed air, this can result in the available pressure in the pressure supply systems Volume or pressure drops to an actual value below an ideal value for which the field devices 111 are designed. This can result, for example, in a control device 5 in the real process engineering system 100 achieving a slower signal response x than is expected based, for example, on ideal reference simulation parameters OR, or that the control valve does not have the required closing force for safe movement if the compressed air supply is too low of the control valve 3 is able to provide in a closed state. For a model related to the air consumption of the actuator 1, the measurement of a compressed air flow over time at a throttle point could be recorded as the signal response x.
Eine weitere Alternative für eine Betrachtung mit einem Simulationsmodell 40 könnte die statistische Betriebsdauer bis zu einem nächsten Wartungszeitpunkt betreffen, die Abgabe brennbarer Antriebsgase, die Entnahme elektrischer Leistung aus einer elektrischen Versorgungseinrichtung (elektrische Hilfsenergie) oder den Zugriff auf die Bandbreite einer insbesondere digitalen Signalübertragungsleitung 107. Das Simulationsmodell 3 des Stellgeräts 1 beziehungsweise des virtuellen Abbildes 141 des Stellgeräts 1 kann alternativ oder zusätzlich zu einer Primärwirkung des Stellgeräts 1 eine oder mehrere andere Signalantworten betrachten. Another alternative for a consideration with a simulation model 40 could relate to the statistical service life up to the next maintenance time Release of combustible drive gases, the withdrawal of electrical power from an electrical supply device (electrical auxiliary power) or access to the bandwidth of a digital signal transmission line 107 in particular. The simulation model 3 of the actuator 1 or the virtual image 141 of the actuator 1 can alternatively or in addition to a primary effect of the Actuator 1 consider one or more other signal responses.
Ein Modell zur Simulation des exemplarischen Stellgeräts beispielsweise als virtuelle Abbildung 141 oder als Simulationsmodul 40 kann beispielsweise als ein sogenanntes Grey- Box Modell realisiert sein. Figur 4 zeigt exemplarisch ein schematisches Grey-Box Modell bezüglich eines Stellgeräts 1 mit einem pneumatischen Aktuator 5. Das Grey-Box Modell hat im Allgemeinen das Bezugszeichen 400. Das Grey-Box Modell kann durch die Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 und/ oder durch eine Rechenanordnung des Prozessrechners 103 implementiert sein. Das Modell 400 umfasst eine erste Routine 401 m Erkennen einer Betriebsart, insbesondere einer Verfahrrichtung des Aktuators 5 (Öffnungsrichtung oder Verschließrichtung). Viele Feldgeräte 111 zeigen eine hysteresebehaftete Signalantwort, welche abhängig ist von der Betriebsart. Die Erkennung der Betriebsart, insbesondere einer Verfahrrichtung, kann beispielsweise erfolgen durch eine Verfolgung der Richtung der zeitlichen Änderung der Stellgröße u. Alternativ oder zusätzlich kann eine Betriebsart von der Steuerung der Druckluftzufuhr abgeleitet werden (nicht näher dargestellt). Für insbesondere zwei (vorzugsweise genau zwei) Betriebsarten können unterschiedliche Parametrisierungen des gesamten Grey-Box Modells realisiert sein. A model for simulating the exemplary actuating device, for example as a virtual image 141 or as a simulation module 40, can be implemented, for example, as a so-called gray box model. Figure 4 shows an example of a schematic gray box model with respect to an actuator 1 with a pneumatic actuator 5. The gray box model generally has the reference numeral 400. The gray box model can by the computing device 70 of the actuator 1 and / or by a Arithmetic arrangement of the process computer 103 to be implemented. The model 400 includes a first routine 401 m detecting an operating mode, in particular a direction of movement of the actuator 5 (opening direction or closing direction). Many field devices 111 show a signal response subject to hysteresis, which depends on the operating mode. The operating mode, in particular a travel direction, can be detected, for example, by tracking the direction of the change over time in the manipulated variable, etc. Alternatively or additionally, an operating mode can be derived from the control of the compressed air supply (not shown in detail). Different parameterizations of the entire gray box model can be implemented for in particular two (preferably exactly two) operating modes.
Die in Figur 5 schematisch dargestellte virtuelle Abbildung des Betriebsverhaltens eines Stellgeräts in Form beispielsweise des dargestellten Grey-Box Modells umfasst mehrere aufeinanderfolgende Berechnungsabschnitte, mit denen eine zugeführte Stellgröße u über mehrere Zwischenwerte u*, x und x auf eine virtuelle Signalantwort x , die auch alsThe virtual representation of the operating behavior of a control device shown schematically in Figure 5 in the form of, for example, the grey-box model shown comprises several consecutive calculation sections with which a supplied manipulated variable u is calculated via several intermediate values u*, x and x to a virtual signal response x , which is also known as
Modellausgangsgröße bezeichnet sein kann, abgebildet wird. Die virtuelle Abbildung kann als Berechnungsabschnitte beispielsweise umfassen einen ersten Berechnungsabschnitt 410 für ein statisches Übertragungsprofil, einen zweiten Berechnungsabschnitt 420 für ein Zeitverhalten einer inneren Vorwärtsstrecke (statische Steuerungs- und/oder Regelungsabweichung in zeitlicher Dimension t), einen Berechnungsabschnitt 430 für eine Totzeit TD . Die virtuelle Abbildung kann ferner einen vierten Berechnungsabschnitt 440 für eine Quantifizierung oder Diskretisierung umfassen. Model output size can be designated, is mapped. The virtual image can include, for example, a first calculation section 410 for a static transmission profile, a second calculation section 420 for a time behavior of an inner forward link (static open-loop and/or closed-loop control deviation in the time dimension t), a calculation section 430 for a dead time TD . The virtual image may further include a fourth calculation section 440 for quantification or discretization.
Verschiedene Betriebsarten werden bei der virtuellen Abbildung gemäß der Figur 5 als eine erste Betriebsart bi, beispielsweise füllen, und als eine zweite Betriebsart b2, beispielsweise leeren bezeichnet, dargestellt. Die verschiedenen Berechnungsabschnitte 410, 420, 430 und 440 sind schematisch in einem (unten dargestellten) strukturellen Teil untergliedert, welcher mathematisch das grundsätzliche Verhalten des virtuellen Abbildes eines Stellgeräts 1 struktureller definiert darstellt. Ferner weisen die hier vier verschiedenen Berechnungsabschnitte 410, 420, 430 und 440 (oben dargestellt) einen oder mehrere Simulationsparameter Q auf, welche spezifisch bezüglich des Stellgeräts 1 das mathematische Strukturmodell das virtuelle Abbild 141 beziehungsweise Simulationsmodul 40 konkretisieren. Es kann bevorzugt sein, ein virtuelles Abbild eines Stellgeräts 1 ausschließlich in solchen Simulationsparametern Q zu charakterisieren, welcher zur Konkretisierung eines insbesondere allgemeingültig, durch eine Norm oder eine Branchenübung, vorgegebenen Simulationsmodells zu realisieren. Eine derartige Charakterisierung ausschließlich von Simulationsparametern für ein strukturell vorgegebenes virtuelles Abbild des Stellgeräts kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn nur wenige Aspekte der numerischen Berechnung einer Anpassung zugänglich sein sollen. Various operating modes are represented in the virtual mapping according to FIG. 5 as a first operating mode bi, for example filling, and as a second operating mode b2, for example emptying. The various calculation sections 410, 420, 430 and 440 are schematically subdivided into a structural part (shown below), which mathematically represents the basic behavior of the virtual image of an actuating device 1 in a more structurally defined manner. Furthermore, the four different calculation sections 410, 420, 430 and 440 here (shown above) have one or more simulation parameters Q, which specify the mathematical structural model of the virtual image 141 or simulation module 40 specifically with regard to the actuating device 1. It may be preferable to characterize a virtual image of an actuator 1 exclusively in those simulation parameters Q which are to be implemented in order to specify a simulation model that is specified in particular by a standard or an industry exercise that is generally applicable. Such a characterization exclusively of simulation parameters for a structurally specified virtual image of the actuator can be particularly advantageous if only a few aspects of the numerical calculation are to be accessible for adaptation.
Das virtuelle Abbild 400 kann mit Hilfe der Betriebsarterkennung 410 dazu eingerichtet sein, von einer bestimmten erkannten Betriebsart bi oder b2, abhängige Simulationsparameter Q verwenden. Dies kann dazu benutzt werden, die Simulationsparameter Q für verschiedene Betriebsarten bi, letztlich b2 gesondert anzupassen. The virtual image 400 can be set up with the aid of the operating mode recognition 410 to use simulation parameters Q dependent on a specific recognized operating mode bi or b2. This can be used to separately adapt the simulation parameters Q for different operating modes bi, ultimately b2.
Unter Verwendung des ersten Berechnungsabschnittes 401 bezüglich des statischen Übertragungsprofils kann eine Abweichung zwischen einem statischen Übertragungsprofil des Stellgeräts 1 von einem vorbekannten idealem Übertragungsprofil abzubilden. Ein ideales Stellgerät 1 kann eine statische Übertragungsfunktion in Form einer diagonalen Geraden mit einer konstanten Steigung 1 aufweisen, wobei eine stellgerätspezifisch modulierte Stellgröße u* gleich der empfangenen Stellgröße u wäre. Reale Stellgeräte 1 können insbesondere innerhalb eines zulässigen Toleranzbereiches von einem idealen Verhalten abweichen. Die Allbeziehungen einer derartigen, zulässigen Abweichung vermittelt seiner statischen Übertragungsprofil erhöht die Genauigkeit des virtuellen Abbildes 40/141. Im Folgenden würde der Begriff für virtuelles Abbilden der Einfachheit halber durchgängig verwendet, wobei klar sei, dass das beschriebene virtuelle Abbild wahlweise als virtuelles Abbild 141 durch die Rechenanordnung des Prozessrechners 103 oder als Simulationsmodul 40 des Stellungsreglers 1 implementiert sein kann. A deviation between a static transmission profile of the actuating device 1 and a previously known ideal transmission profile can be mapped using the first calculation section 401 with regard to the static transmission profile. An ideal actuator 1 can have a static transfer function in the form of a diagonal straight line with a constant gradient 1, with an actuator-specifically modulated manipulated variable u* being equal to the received manipulated variable u. Real actuators 1 can, in particular, within an allowable tolerance range of an ideal behavior differ. The all-relationship of such a permissible deviation conveys its static transmission profile increases the accuracy of the virtual image 40/141. In the following, the term for virtual mapping would be used consistently for the sake of simplicity, it being clear that the virtual mapping described can be implemented either as a virtual mapping 141 by the computing arrangement of the process computer 103 or as a simulation module 40 of the position controller 1 .
Der zweite Berechnungsabschnitt 420 der virtuellen Abbildung des Stellgeräts 1 kann in einer exemplarischen Auslegung die Dynamik des Stellgeräts 1 das von der Stellgröße u ausgehend mit dem Zwischenresultat u* einem Zeitverhalten unterworfen werden, was beispielsweise durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung, wie vorliegend dargestellt, realisiert sein kann. Es ist denkbar, komplexere, insbesondere nichtlineare Übertragungsfunktionen betreffend des Zeitverhaltens vorzusehen. In an exemplary design, the second calculation section 420 of the virtual representation of the actuating device 1 can subject the dynamics of the actuating device 1 to a time response based on the manipulated variable u and the intermediate result u*, which can be implemented, for example, by a first-order delay element, as shown here can. It is conceivable to provide more complex, in particular non-linear transfer functions relating to the time response.
Der dritte Berechnungsabschnitt 430 kann optional verwendet werden, um eine eventuelle relevante Totzeit TD in die virtuelle Abbildung des Stellgeräts 1 einzuführen. Abgesehen von einer zeitlichen Verschiebung entsprechend der Totzeit TD kann ein von dem im zweiten Berechnungsabschnitt 420 bestimmter Zwischenwert x wertmäßig unverändert in einen weiteren Zwischenwert x überführt werden. The third calculation section 430 can optionally be used to introduce any relevant dead time TD into the virtual image of the actuating device 1 . Apart from a time shift corresponding to the dead time TD, an intermediate value x determined in the second calculation section 420 can be converted into a further intermediate value x without any change in value.
Der in dem in Figur 4 dargestellten exemplarischen virtuellen Abbild eines Stellgeräts als vierter vorgeschlagener Berechnungsabschnitt 440 zur Quantifizierung bzw. Differenzierung kann dazu benutzt werden, sogenannte nicht-erreichbare Zustände abzubilden. Beispielsweise kann ein Stellgerät 1 einen diskreten beispielsweise elektromagnetischen Antrieb, beispielsweise im Schrittmotor vorsehen, welcher ausschließlich bestimmte diskrete Stellungen einnehmen kann. The exemplary virtual image of an actuator shown in FIG. 4 as the fourth proposed calculation section 440 for quantification or differentiation can be used to map so-called non-reachable states. For example, an actuator 1 can provide a discrete, for example, electromagnetic drive, for example in the stepper motor, which can only assume certain discrete positions.
Ein anderes Beispiel kann ein Stellgerät 1 mit einer reibungsbehafteten Betätigung des Stellventils 3 mit dem insbesondere pneumatischen Stellantrieb 5 betreffen, bei dem aufgrund von Elastizität und/oder Reibung am Antriebsstrang ausgehend von einem feststehenden Ausgangspunkt durch den sogenannten Stick-Slip-Effekt ausgehend von einer stillstehenden Startposition zunächst ein gewisser Mindeststellweg (Ruckgleiten o- der Losbrechen) das reelle Verhalten des Stellgeräts 1 charakterisiert. Insbesondere bei einem Stellgerät 1 mit einem pneumatischen Aktuator 5 kann der sogenannte Reibungskorridor für die Genauigkeit der virtuellen Abbildung des Stellgeräts relevant sein. Die Beschreibung des Reibkorridors kann implementiert sein mit Hilfe einer absoluten oder einer relativen Stufen- oder Treppenfunktion. Als Simulationsparameter Q kann bezüglich der Diskretisierung oder Quantifizierung eine Schritthöhe q definiert sein. Die Schritthöhe q kann eine gleichmäßig geteilte absolute Quantifizierung beispielsweise einer Treppenfunktion beschreiben oder die Breite einer hystereseartigen in einem reibungsbehafteten pneumatischen Antrieb. Another example can relate to an actuator 1 with frictional actuation of the control valve 3 with the in particular pneumatic actuator 5, in which, due to elasticity and/or friction on the drive train, starting from a fixed starting point due to the so-called stick-slip effect, starting from a stationary Starting position first characterizes the real behavior of the actuating device 1 a certain minimum adjustment path (stick-slipping or breakaway). Especially at a control device 1 with a pneumatic actuator 5, the so-called friction corridor can be relevant for the accuracy of the virtual representation of the control device. The description of the friction corridor can be implemented using an absolute or a relative step or step function. A step height q can be defined as a simulation parameter Q with regard to the discretization or quantification. The step height q can describe a uniformly divided absolute quantification, for example of a step function, or the width of a hysteresis-type in a pneumatic drive subject to friction.
Die Merkmale der einzelnen Ausführungen der vorliegenden Erfindung können in einer beliebigen Kombination in weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimme oder isolierte Merkmalskombination von Ausführungen beschränkt. The features of each embodiment of the present invention may be provided in any combination in other embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to any particular or isolated feature combination of embodiments.
Bezugszeichen l Stellgerät Reference number l actuator
3 Stellventil 3 control valve
5 Aktuator 5 actuator
7 Stellgeräteelektronik 7 actuator electronics
13 Sensor 13 sensors
30 Reglermodul 30 controller module
40 Simulationsmodul 40 simulation module
50 Anpassungsmodul 50 customization module
70 Rechenvorrichtung 70 computing device
71 Signalempfangsschnittstelle71 signal receiving interface
72 Regelgrößeneingang 72 controlled variable input
73 Signalausgabeschnittstelle73 signal output interface
74 Regelungssignalausgang74 control signal output
75 Prozessor 75 processor
76 Speicher 76 memory
77 Anzeigeeinheit 77 display unit
100 prozesstechnische Anlage100 process engineering plant
101 Leitstandrechner 101 control station computer
103 Prozessrechner 103 process computer
104 Prozess 104 process
107 Signalübertragungsleitung107 signal transmission line
111 aktives Stellgerät 111 active actuator
113 passives Stellgerät 113 passive actuator
130 Prozessregler 130 process controllers
140 Referenzmodell 140 reference model
141 virtuelle Abbildung 141 virtual figure
150 Anpassungslogik 150 Customization Logic
400 virtuelle Abbildung 400 virtual figure
401 Routine 401 routine
410 Berechnungsabschnitt410 calculation section
420 Berechnungsabschnitt420 calculation section
430 Berechnungsabschnitt430 calculation section
440 Berechnungsabschnitt bi, b2 Betriebsart p Reglerparameter s Steuersignal 440 calculation section bi, b2 operating mode p controller parameters s control signal
TD Totzeit u Stellgröße u* Zwischenergebnis x Geräte-Regelgröße x Zwischenergebnis x Zwischenergebnis x virtuelle Signalantwort y Regelgröße y virtuelle Regelgröße t TD dead time u manipulated variable u* intermediate result x device controlled variable x intermediate result x intermediate result x virtual signal response y controlled variable y virtual controlled variable t
Q Simulationsparameter Q simulation parameters
GR Referenz- SimulationsparameterG R reference simulation parameters
QH historischer Simulationsparameter QH historical simulation parameters

Claims

Ansprüche l. Stellgerät (l) für eine prozesstechnische Anlage (100), wie eine Chemieanlage, ein Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage oder dergleichen, umfassend: ein Stellventil (3) zum Einstellen einer Prozessfluidströmung der prozesstechnischen Anlage (100), einen insbesondere pneumatischen Aktuator (5) zum Betätigen des Stellventils (3), und eine Stellgeräteelektronik (7) zum Bereitstellen eines insbesondere pneumatischen Steuersignals (s) für den Aktuator (5) in Abhängigkeit von einer Stellgröße (u), wobei die Stellgerätelektronik (7) eine Signalempfangsschnittstelle (71) zum Empfangen der Stellgröße (u) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) eine Rechenvorrichtung (70) umfasst, die zum Bestimmen wenigstens eines Simulationsparameters (Q) eingerichtet ist, der eine Signalantwort (x) des Stellgeräts (1) auf eine empfangene Stellgröße (u) charakterisiert, und dass die Stellgeräteelektronik (7) eine Signalausgabeschnittstelle (73) zum Abgeben des wenigstens einen Simulationsparameters (Q) aufweist. claims l. Actuating device (l) for a process plant (100), such as a chemical plant, a power plant, a food processing plant or the like, comprising: a control valve (3) for adjusting a process fluid flow of the process plant (100), an actuator (5 ) for actuating the control valve (3), and control device electronics (7) for providing an in particular pneumatic control signal (s) for the actuator (5) as a function of a manipulated variable (u), the control device electronics (7) having a signal receiving interface (71) for receiving the manipulated variable (u), characterized in that the actuator electronics (7) comprises a computing device (70) which is set up to determine at least one simulation parameter (Q) which is a signal response (x) of the actuator (1) to a received manipulated variable (u) characterized, and that the actuator electronics (7) has a signal output interface (73) for delivering the least ns has a simulation parameter (Q).
2. Stellgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, abhängig von der Stellgröße (u) und einer zugeführten reellen Signalantwort (x) das Steuersignal (s) zu erzeugen, wobei die Rechenvorrichtung (70) dazu eingerichtet ist, ein Simulationsmodul (40, 140) zu implementieren, welches als Eingangswert die Stellgröße (u) empfängt, um ausgehend von dem wenigstens einem Simulationsparameter (Q) eine virtuelle Signalantwort (x) zu berechnen, die zu einer reellen Signalantwort in Form einer Geräte- Regelgröße (x) korrespondiert, und wobei die Rechenvorrichtung (70) ein Anpassungsmodul (50, 150) aufweist, das eingerichtet ist zur Bestimmung eines realistischen Simulationsparameters (Q) bezüglich des Stellgeräts, 2. Actuator according to Claim 1, characterized in that the actuator electronics (7) are set up to generate the control signal (s) as a function of the manipulated variable (u) and a real signal response (x) supplied, the computing device (70) for this purpose is set up to implement a simulation module (40, 140) which receives the manipulated variable (u) as an input value in order to calculate a virtual signal response (x) based on the at least one simulation parameter (Q), which results in a real signal response in the form of a Device controlled variable (x) corresponds, and wherein the computing device (70) has an adaptation module (50, 150) which is set up to determine a realistic simulation parameter (Q) with regard to the actuating device,
3. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) wenigstens einen Datenspeicher (76) für den wenigstens Simulationsparameter (Q) aufweist, wobei der Datenspeicher (76) wenigstens einen gespeicherten Referenz-Simulationsparameter (0R) für den wenigstens einen Simulationsparameter aufweist. 3. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator electronics (7) have at least one data memory (76) for the at least one simulation parameter (Q), the data memory (76) containing at least one stored reference simulation parameter (0R) for the has at least one simulation parameter.
4. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) wenigstens einen Datenspeicher (76) für den wenigstens Simulationsparameter (Q) aufweist, wobei der Datenspeicher (76) zum Vorhalten von mehreren zu unterschiedlichen Zeiten bestimmten historischen Simulationsparametern (QH) eingerichtet ist. 4. Actuating device according to one of the preceding claims, characterized in that the actuating device electronics (7) has at least one data memory (76) for the at least one simulation parameter (Q), the data memory (76) for storing a plurality of historical simulation parameters determined at different times ( QH) is set up.
5. Stellgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenvorrichtung (70) dazu eingerichtet ist, ausgehend von einer empfangenen Stellgröße (u) und wenigstens einem historischen Simulationsparameter (QH) oder wenigstens einem Referenz-Simulationsparameter (0R) eine virtuelle Signalantwort (x) des Stellgeräts (1) zu berechnen und die berechnete virtuelle Signalantwort (x) mit einer vom Stellgerät (1) insbesondere anhand von Sensoren vom Stellgerät (1) erfassten realen Signalantwort (x) zu vergleichen. 5. Actuating device according to claim 3 or 4, characterized in that the computing device (70) is set up, starting from a received manipulated variable (u) and at least one historical simulation parameter (Q H ) or at least one reference simulation parameter (0 R ). to calculate the virtual signal response (x) of the actuator (1) and to compare the calculated virtual signal response (x) with a real signal response (x) recorded by the actuator (1), in particular using sensors from the actuator (1).
6. Stellgerät nach Anspruch 5, wobei die Rechenvorrichtung (70) dazu eingerichtet ist, eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen erfasster Signalantwort (x) und virtueller Signalantwort (x) in zeitlicher Dimension, Amplitude und/oder Änderungsrate zu erkennen und anhand der Abweichung einen aktuellen Simulationsparameter zu bestimmen. 6. Actuating device according to claim 5, wherein the computing device (70) is set up to detect a deviation, in particular a difference, between the recorded signal response (x) and the virtual signal response (x) in the time dimension, amplitude and/or rate of change and based on the Deviation to determine a current simulation parameter.
7. Stellgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, einen aktuellen Simulationsparameter (0) insbesondere nur dann mittels der Signalausgabeschnittstelle (73) abzugeben, wenn die Stellgeräteelektronik (7) bei einem Vergleich eines aktuellen Simulationsparameters (0) mit einem historischen Simulationsparameter (0H) oder einem Referenz- Simulationsparameter (0R) eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, feststellt.7. Actuating device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the actuating device electronics (7) is set up to emit a current simulation parameter (0) in particular only by means of the signal output interface (73) if the actuating device electronics (7) during a comparison a current simulation parameter (0) with a historical simulation parameter (0 H ) or a reference simulation parameter (0 R ) determines a deviation, in particular a difference.
8. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Simulationsparameter (0) ausgewählt ist aus der Liste umfassend Totzeit, Diskretisierung, statische Steuerungs- und/oder Regelungsabweichung, Kennlinie und/ oder Steigung. 8. Actuating device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one simulation parameter (0) is selected from the list comprising dead time, discretization, static open-loop and/or closed-loop control deviation, characteristic curve and/or slope.
9. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, dass das insbesondere pneumatische Steuersignal (s) in Abhängigkeit von einer Stellgröße (u) gemäß einer Steuerungs und/ oder Regelungsstruktur bereitzustellen, wobei die Stellgeräteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Simulationsparameter (Q) bezüglich einer insbesondere veränderten Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur abzugeben. 9. Actuating device according to one of the preceding claims, characterized in that the actuating device electronics (7) is adapted so that the particular pneumatic Provide a control signal (s) as a function of a manipulated variable (u) according to a control and/or regulation structure, the actuator electronics (7) being set up to emit at least one simulation parameter (Q) with regard to a particular modified control and/or regulation structure.
10. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Simulationsparameter (Q) die Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur oder Regelungsstrukturen, die die gegenständliche Stellgerätelektronik verwendet, gemäß einer vorbestimmten Klassifizierung benennt. 10. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one simulation parameter (Q) designates the open-loop and/or closed-loop control structure or control structures used by the actuator electronics in question, according to a predetermined classification.
11. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalausgabeschnittstelle (73) und Signalempfangsschnittstelle (71) mit einer gemeinsamen Signalübertragungsleitung (107) verbunden sind, insbesondere einer 4..20 mA Leitung, wobei die Signalempfangsschnittstelle (71) dazu eingerichtet ist, die Stellgröße mittels der Signalübertragungsleitung (107) zu empfangen und wobei die Signalausgabeschnittstelle (73) dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Simulationsparameter (Q) mittels der Signalübertragungsleitung (107) abzugeben. 11. Actuating device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal output interface (73) and signal receiving interface (71) are connected to a common signal transmission line (107), in particular a 4 to 20 mA line, the signal receiving interface (71) being set up for this purpose is to receive the manipulated variable via the signal transmission line (107) and wherein the signal output interface (73) is set up to output the at least one simulation parameter (Q) via the signal transmission line (107).
12. Stellgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalausgabeschnittstelle (73) eine Anzeigeeinheit (74), wie ein LCD-Display, zum optischen Ausgeben des wenigstens einen Simulationsparameters (Q) umfasst. 12. Actuating device according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the signal output interface (73) comprises a display unit (74), such as an LCD display, for optically outputting the at least one simulation parameter (Q).
13. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalausgabeschnittstelle (73) dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Simulationsparameters (Q), insbesondere mehrere Simulationsparameter (Q), mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von nicht mehr als 1200 bit/s, insbesondere nicht mehr als 600 bit/s oder nicht mehr als 300 bit/s, auszugeben. 13. Actuating device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal output interface (73) is set up to transmit the at least one simulation parameter (Q), in particular a plurality of simulation parameters (Q), with a data transmission speed of no more than 1200 bit/s, in particular no more than 600 bps or no more than 300 bps.
14. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenvorrichtung (70) ein Simulationsmodul (40, 140) umfasst, das ausgestaltet ist für eine Simulation zum Bestimmen einer virtuellen Signalantwort auf Basis eines Referenz- Simulationsparameter und/oder wenigstens eines historischen Simulationsparameters und der empfangenen Stellgröße. 14. Actuating device according to one of the preceding claims, characterized in that the computing device (70) comprises a simulation module (40, 140) which is designed for a simulation for determining a virtual signal response on the basis of a reference simulation parameter and/or at least one historical one simulation parameters and the received manipulated variable.
15. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenvorrichtung (70) ferner mittels eines Anpassungsmoduls (50) dazu eingerichtet ist, eine Abweichung zwischen virtueller Signalantwort (x) und reeller Signalantwort (x) zu erfassen, wobei das Anpassungsmodul (50) ausgehend von einer Diskrepanz zwischen virtueller Signalantwort (x) und reeller Signalantwort (x) einen aktualisierte Simulationsparameter (Q) erzeugt. 15. Actuating device according to one of the preceding claims, characterized in that the computing device (70) is also set up by means of an adjustment module (50) to detect a deviation between the virtual signal response (x) and the real signal response (x), the adjustment module ( 50) generates an updated simulation parameter (Q) based on a discrepancy between the virtual signal response (x) and the real signal response (x).
16. System umfassend wenigstens ein Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche und einer dem Stellgerät übergeordneten Leitwarte oder zentralen Computereinheit, wobei die Leitwarte oder andere Computereinheit dazu eingerichtet ist, eine Simulation mit einem oder mehreren realistischen Simulationsparametern unter Verwendung einer virtuellen Abbildung der prozesstechnischen Anlage, Teilen der prozesstechnischen Anlage oder des Stellgeräts durchzuführen. 16. The system comprising at least one actuator according to one of the preceding claims and a control room or central computer unit that is superordinate to the actuator, wherein the control room or other computer unit is set up to perform a simulation with one or more realistic simulation parameters using a virtual image of the process plant of the process plant or the actuator.
17. System nach Anspruch 16, umfassend eine Signalübertragungsleitung (107), insbesondere einer 4..20 mA Leitung, zum Übertragen der Stellgröße (u) von einem Prozessrechner (103) an das Stellgerät (1), wobei insbesondere die Signalausgabeschnittstelle (73) und die Signalempfangsschnittstelle (71) mit der gemeinsamen Signalübertragungsleitung (107) verbunden sind. 17. System according to claim 16, comprising a signal transmission line (107), in particular a 4..20 mA line, for transmitting the manipulated variable (u) from a process computer (103) to the actuating device (1), with the signal output interface (73) in particular and the signal receiving interface (71) are connected to the common signal transmission line (107).
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