DD213076A1 - Einrichtung zur steuerung kontinuierlicher mischprozesse - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemaesse Einrichtung ermoeglicht eine kontinuierliche Optimierung von Mengendosierungen nach oekonomischen Kriterien entsprechend den sich veraenderden Qualitaeten und Mengen mehrerer Mischungskomponenten zur Herstellung eines Endproduktes mit geforderten Guetewerten. Gegenueber bekannten Loesungen, bei denen Digitalrechner mit offline- Betrieb als Prozessrechner eingesetzt werden, liegt der Erfindung eine als Optimisator wirkende Analogschaltung zugrunde, die eine Echtzeitsteuerung zur kontinuierlichen Gewaehrleistung dieser oekonomisch optimalen Fahrweise des Mischungsprozesses ermoeglicht. Der Aufbau des Optimisators als Einzweck-Analogrechner mit handelsueblichen Bauteilen ist dabei bedeutend preisguenstiger als der Einsatz eines Digitalrechners.

Description

BrfindungsbeSchreibung

Titel

^l- Einrichtung zur Steuerung kontinuierlicher Mischprosesse

Ό '

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich auf die Steuerung kontinuierlich verlaufender llischprozesse für mehr als zwei Mischungskomponenten» Die erfindungsgemäße Lösung ist dabei für solche Einsatzfälle vorgesehen, bei denen eine vorge-. schriebene Güte des Mischungsproduktes durch eine Steuerung derMengendosierung der. Mis.chungskcmponenten unter gegebenen technologischen Bedingungen zu gewährleisten ist und darüber hinaus ein und dieselbe Qualität des Endproduktes durch ver-

f schiedene Kombinationen von Komponenten möglich ist, so daß damit nicht nur die technische Güte des Endproduktes, sondern

I^ auch die den jeweiligen Bedingungen entsprechende ökonomisch optimale Variante derMengendosierung gewährleistet werden kann« .

Eine solche Situation ist beispielsweise bei der Herstellung von Stadtgas aus den Abprodukten der Braunkohleveredlung unter Zumischung weiterer Komponenten mit entsprechenden brenntech-•nischen Gütewerten gegeben»

Demzufolge bezieht sich das Anwendungsgebiet der Erfindung im engeren Sinne auf die nach ökonomischen Kriterien optimale Steuerung der Mengendosierung zur Herstellung von Stadtgas.

Sie ist darüber hinaus für die Steuerung von Parametern oder zur Dosierung von Mischungskomponenten kontinuierlich oder taktweise kontinuierlich verlaufender Mischungsprozesse in der Verfahrenstechnik anwendbar.

Charakteristik des "bekannten Standes der OJechnik

Das Problem der Mengendosierung mehrerer kontinuierlich strömender und durch Mischung zu einem Endprodukt zu vereinigender Medien (Komponenten der Mischung) ist unter zwei Aspekten zu sehen.

Einerseits handelt es sich hierbei tun ein Problem der Mehrgrößenregelung bzw. -steuerung. Andererseits geht es um die Optimierung der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung der in den Mischungsproze.S eingehenden Komponenten nach ökonomischen Kriterien unter gegebenen Restriktionen (z. B. maximale oder minimale Begrenzung der einzelnen Mischungskomponenten). Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich die Qualität und möglicherweise die zur "Verfügung stehende Menge (Restriktion) jeder Eingangskomponente während des über längere Zeiträume verlaufenden Produktionsprozesses verändern.

Die bekannten technischen Lösungen beziehen sich auf die stenerungs— bzw. regelungstechnische Beherrschung der Mengendosierung.

Die Mengendosierung mit variablen Mengen und Qualitäten erfordert dabei eine Optimierung der iHihrungsgrößen» Diese Optimierung wird dem Stand der Technik entsprechend mit Hilfe von Prozeßrechnern oder Mikrorechnern bzw. Mikrorechnerstrukturen realisiert.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anwendung von Uomogrammen zur Bestimmung der Führungsgrößen bzw. Stellgrößen für die Betriebs-Meß-Steuer- und Regelungstechnik,

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Der Stand dar Technik wird somit "bestimmt von Lösungen ,

a) zur rechnergestützten Bntscheidungsvorbereitung für eine manuelle bzw. teilautomatisierte Steuerung der Mengendosierung, wobei der Rechner im off-line-Betrieb genutzt wird

b) zur automatischen Steuerung der Mengendosierung nach fest vorgegebenen Pührungsgrößen sowie

c) zur automatischen Steuerung der Mengendosierung₉ wobei die Berechnung der Pührungsgrößen über einen mit dem Regelkreis on-line-gekoppelten Rechner erfolgt.

Als ein Mangel derartiger Lösungen zeigt sich in der Praxis das Fehlen einer Optimierung nach ökonomischen Kriterien bei Gewährleistung der technischen Güte des Mischungsproduktes unter Berücksichtigung der sich während der Prozeßdurchführung verändernden Qualitäten und Grenzmengen der Mischungskomponenten*

Somit kann mit den bekannten technischen Mitteln und Methoden eine kontinuierlich optimale Prozeßführung nicht bzw. nur über bestimmte zeitliche Phasen gewährleistet werden»

Im Falle einer rechnergestützten Entscheidungsvorbereitung ge» C maß a) führt das zu einem Zeitproblem, da die Zykluszeit einer ( rechnerischen Optimierung für bestimmte Anwendungsfälle zu lang ist, um den Prozeß kontinuierlich optimal zu fahren₉ Hinzu kommt, daß derartige komplexe Optimierungsaufgaben mit den klassischen Optimierungsverfahren oder als Problem der Polyoptimierung nur mit einem sehr hohen Rechenzeitaufwand lösbar sind.

Bei der automatischen Steuerung gemäß b) ist das Feld der möglichen Variationsbreite für operative Veränderungen von Füh<» rungsgroßen und Bedingungen mit der. Hardware vorgegeben«

Die nutzung der-Rechentechnik auf Basis einer digitalen Informationsverarbeitung gemäß c) erfordert eine umfangreiche Software und eine Echtzeitverarbeitung der Daten· Dazu sind sehr^: hochleistungsfähige Rechenanlagen, die dann auch eine Optimierung nach ökonomischen Kriterien ermöglichen, notwendig·

Mit dem bekannten Stand der Technik läßt sich somit

- eine Echtzeitsteuerung

- eine in den Steueralgorithmus integrierte Optimierung und

- eine größere Variationsbreite bzw. Reaktionsfähigkeit des Steuersystems auf operative Veränderungen der Bedingungen

nur mit Hilfe einer sehr leistungsfähigen Automat!sierungs- ^:technik und Datenverarbeitungstechnik realisieren, wobei die Prozeßmeßtechnik hinsichtlich Genauigkeit noch nicht den in- forderungen ί -.entspricht, so daß mit zum Teil unscharfen Ausgangsinformationen optimiert werden muß.

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik zum Sachgebiet dokumentiert die Einrichtung zur Steuerung kontinuierlicher Mischprozesse insofern eine erfinderische Qualität als sie eine kontinuierliche Optimierung der Mengendosierung als Pührungsgrößen für die Mengenregelung der in den Mischprozeß eingehenden Kompontenten mit Hilfe eines nach dem Analogprinzip arbeitenden Optimisators ermöglicht* Dabei erfolgt die Optimierung erfindungsgemäß auf der Grundlage eines auf iterativem Wege gewonnenen mathematischen Modells, das in eine Analogschaltung umgesetzt wurde. Damit stellt auch die Anwendung der Analogtechnik für den vorliegenden Einsatzfall eine Neuheit gegenüber dem bekannten Stand der Technik dar«

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfind"ung besteht darin, eine Einrichtung zu entwickeln, die es,ermöglicht, kontinuierlich eine nach ökonomischen Kriterien optimale Steuerung der Mengendosierung mehrerer Komponenten zur Mischung für ein Endprodukt unter Beachtung technischer Güteforderungen sowie weiterer variierbarer Bestriktionen am Beispiel der Herstellung von Stadtgas aus verschiedenen Mischungskomponenten kontinuierlich zu gewährleisten.

Im einzelnen besteht das Ziel dieser Einrichtung darin

- für eine definierte Menge von operativ veränderlichen Restriktionen die Einrichtung durch Einstellung zu programmieren, ...

- eine Echtzeitsteuerung mit direktem Datenabgriff aus dem Prozeß nach.dem on-line-Prinzip zu verwirklichen,

- eine vorausschauende Steuerung durch eine in das Steuersystem integrierte proepektive Simulation zu erreichen,

- die Unscharfe bestimmter Meßwerte im Optimierungs- und Steuerprozeß zu berücksichtigen,

- durch eine in den Steuerprozeß integrierte Optimierung einen nach ökonomischen Kriterien optimalen Prozeßablauf bei Einhaltung der geforderten Güte kontinuierlich zu gewährleisten, um damit ein Mischungsprodukt.konstanter.Qualität zu erreichen.

Das ökonomische Ziel der Erfindung besteht darin, kontinuierlich einen ökonomisch optimalen Prozeßablauf an der Grenze des Minimums der technischen Gütewerte zu fahren und dabei den Einsatz der Menge, der jeweils kostenhöchsten bzw. der volkswirtschaftlich wertvollsten Komponenten zu minimieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe, eine Einrichtung zur ökonomisch optimalen Steuerung von kontinuierlichen Mischprozessen zu schaffen, wird am Beispiel der Dosierung der sich nach Qualität -(brenntechnische Gütewerte) und Menge ändernden Mischungskomponenten der Stadt« gaserzeugung erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß die Steuerungsaufgabe in verschiedene zeitliche Schichten untergliedert wird.

Dabei erfolgt in einer dem Echtzeitpunkt der Steuerung der Mengendosierung vorgelagerten ersten negativen zeitlichen Schicht die Messung"" der brenntechnischen Gütewerte und die Berechnung der ökonomisch optimalen Mengendosierung als Führungsgröße für die Regelung des Mengenstromes der Mischungskomponenten unter Beachtung der brenntechnischen Gütewerte und der geforderten Menge des Endproduktes über eine Analogschaltung, die hierbei die Funktion eines Optiiaisators erfüllt.

In einer dieser ersten zeitlichen Schicht vorgelagerten zweiten negativen zeitlichen Schicht erfolgt die Auswahl einer optimalen Variante aus dem Feld der den jeweils gegebenen operativen Bedingungen entsprechenden möglichen Kombinationen von Mischungskomponenten über einen Digitalrechner. Somit erfolgt die Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung durch eine mit der herkömmlichen^;BMSR~Technik on-line-gekoppelte Hardwarestruktur.

Während der Digitalteil in bekannter Weise mit einer entsprechenden Software für die Bestimmung der jeweils optimalen Kombination im Sinne einer prospektiven Simulation genutzt wird, dient der Analogteil einer simultan zum Prozeß verlaufenden kontinuierlichen Optimierung der Führungsgrößen (dynamische SollwertbeStimmung) für die Mengenregelung der Mischung skompone nt en im Echtzeitraum.

Die Bestimmung der Hardwarestruktur des Analogteils erfolgt nach einem aus den brenntechnisehen Gütewerten und der ökonomischen Zielfunktion "Kosten der Mengedosierung-»min" abgeleiteten und durch Faktoren für bestimmte Varianten der Komponentenzusammenstellung modifizierbares Funktional*

Dieses Funktional hat für das nachfolgend beschriebene Anwendungsbeispiel die Form

I (t) . a - [oC+ß I (t)l Fw _G (t) - kl opt LJL- J

darin bedeuten

^ά opt

I₁ (t)

(t)

uRG OL

a'

ökonomisch optimaler Mengenstrom Importerdgas

Mengenstroin Rectisolgas

Untere Wobbezahl des Rectisolgases

||2§||2ϊβο .

Mengenverhältnis ||2§||2ϊ

konstanter Paktor

konstanter Paktor

Konstante

Die Bewertung der Konstanten β und K ergibt sieh dabei aus den linearen Abhängigkeiten der Variablen des Punktionais.

Ausführungsbeispiel ·

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Anwendung der Erfindung für eine Einrichtung zur ökonomisch optimalen Steuerung der kontinuierlichen Herstellung von Stadtgas (SG) auf der. Basis von, Rectisolgas (RG) durch Zumischung ;von eigenem Erdgas (EEG) und Importerdgas (IEG) bzw. Flüssiggas (PG) und gegebenenfalls weiterer Kombinationen. Das Ziel der Steuerung ist die ökonomisch optimale Mengendosierung der vorgenannten Komponenten bei Gewährleistung der in den TGL festgelegten Gütekriterien wie z. B, Wobbezahl, Kernlängenzahl u« a. m* sowie weiterer ökonomischer Forderungen, wie z» B. minimaler Anteil von IEG, maximale Produktion von SG und anderer möglicher Kombinationen»

Erfindungsgemäß wird das Grundprinzip der prospektieren Steuerung bei kontinuierlich strömenden Medien in der Weise verwirklicht, daß die Steuerung in verschiedenen zeitlichen Schichten gemäß Pig. 1 realisiert wird.

Die für das Endprodukt (1) notwendige Mengendosiertmg (2) erfolgt dabei zum jeweiligen Echtzeitpunkt t . In einer dem Eehtz-eitpunkt vorgelagerten zeitlichen Schicht (t -1) erfolgt'die Optimierung (3) der Mengenanteile mit den Qualitäten der Mischungskomponenten (4), die in einer dieser zeitlichen Schicht vorgelagerten (t -2)-Schicht ermittelt wurden. In einer dieser (t -2)-Schicht wiederum vorgelagerten (t -3)-Schicht erfolgt die Vorgabe entsprechender Restriktionen als Stellgrößen (5) für die Optimierung (3). Dabei werden diese Stellgrößen (5) im Ergebnis einer Variantenbetrachtung entsprechend der zu beachtenden längerfristigen Vorgaben und Restriktionen zu einem vor der (t -3)-Schicht liegenden Zeitpunkt vom Steuerorgan (6) bestimmt.

I¹Ur die Dimensionierung der zeitlichen Schichten ist die Strömungsgeschwindigkeit der einzelnen Komponenten bestimmend. Die der Erfindung zugrundeliegende Schaltungsanordnung zeigt Mg. 2.

Entsprechend Pig. 2 erfolgt die Herstellung des Endproduktes (D'in einer Mischstrecke (2). Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Herstellung von SG aus drei Komponenten, Der Mengenstrom dieser Komponenten (3), (4) und (5) wird für jede Komponente getrennt über die Stellglieder (6) und die Mengenstromr,egler (T) dosiert.

Die ^uhrungsgrößen für die Mengenstromregler (7) werden kontinuierlich durch den Optimisator (10) berechnet. Entsprechend der am Schalter (11) gev/ählten Steuerungsart "manuelle Steuerung" oder "automatische Regelung" erfolgt bei manueller Steuerung die Ausgabe der optimierten Sollwerte auf ein Display (12).

Danach kann der Anlagenfahrer eine Stellhandlung über die Stelleinrichtung (13) einleiten.

Dabei bildet der hinter der SIi sehst recke (2) z. B* durch einen Wobbezahlmesser (H) abgegriffene Meßwert: ., für das Steuerorgan (15) die Rückkopplung zur manuellen Stellhandlung. Wird_am Schalter (11) "automatische Steuerung" gewählt, dann dienen die am Ausgang des Optimisators (10) kontinuierlichanalog anliegenden Signale als jeweilige Sollwerte für die Mengenstromregler (7). Der Optimisator (10) ist eingangsseitig mit der Meßeinrichtung (8) zur kontinuierlich analogen Messung der brenntechnischen Gütewerte (a) jeder einzelnen Mischungskomponente gekoppelt.

Am Optimisator (10) sind die vom Steuerorgan (15) (Anlagenfahrer) aufgrund der gegebenen Situation bzw. der vom übergeordneten Organ (16) festgelegten Restriktionen (b) einzustellen. Als Hilfsmittel zur Entscheidungsfindung durch das Steuerorgan (16) für die Restriktionen (b) auf der Grundlage der vom übergeordneten Organ vorgegebenen Pührungsgrößen (d) dient der Mikrorechner (17), der über A/D-Wandler (9) an die Meßeinrichtung (8) gekoppelt ist. Im Mikrorechner (17) erfolgt eine Bewertung der Erfüllbarkeit der .brenntechnischen Gütewerte und weiterer Restriktionen für Stadtgas mit den zur Verfügung stehenden Qualitäten und Mengen der Mischungskomponenten. ?/enn dabei mit den zur Verfügung, stehenden Mischkomponenten kein den Forderungen entsprechendes Stadtgas hergestellt werden kann, wird durch den Mikrorechner ein Signal ausgelöst. 2ur Nachkontrolle der 'Qualität des Endproduktes (1) liefert die Meßeinrichtung 1(14), Informationen an das Steuerorgan (15)_.

Die Schaltungsanordnung gemäß Pig. 2 gewährleistet somit, daß sich die möglicherweise aus dem vorgelagerten Produktionsprozeß ergebenden verändernden Qualitäten der Komponenten (3), (4) und (5) in einer Meßstellenebene vor den Stellgliedern (6)

an qualitätsbestimmenden Parametern gemessen und über eine Recheneinheit (9) berechnet wird, so daß in der Zeit zwischen dem Zeitpunkt der Signalaufnahme durch die Meßeinrichtung (8) und der Realisierung 'einer Steuerhandlung durch die Stellglieder (6) mittels eines Optimisators (10) unter Beachtung der ,

vom Steuerorgan (16) vorgegebenen Restriktionen eine nach ökonomischen Kriterien optimale Mengendosierung jeweils zu dem Zeitpunkt t erreicht wird, zu dem die strömenden Medien die Stellglieder (6) passieren. Die dazu notwendige Kurzfristigkeit der Optimierung wird im Ausführungsbeispiel mit einer Analogschaltung des Optimisators (10) realisiert« Die Struktur ist in Pig. 3 dargestellt. Die Zeitdifferenz zwischen Meß- und Mischstelle wird durch Totzeitglieder berücksichtigt. Dieser Anal^pgschaltung liegt das unter Abschnitt 5« dargestellte Funktional zugrunde. _

Die Schaltung ist aus handelsüblichen Analogbausteinen aufgebaut .

Als Eingangssignale dienen die analogen Meßwerte für die untere Wobbezahl des Sectisolgases "W „„" (1), der verfügbare Mengen- strom an Rectisolgas (RG) als Me8wert "Y-" (2) sowie der einzustellende Wert für den zu produzierenden Mengenstrom an Stadtgas "Yp" (3).

Über den Dividierer (4) wird das jeweilige "Verhältnis yr- = eL gebildet. . . ·

Dieses normierte Signal sowie das über Potentiometer (5) geleitete negative Potential für denC(-Wert liegt am Summierer (6) an.

Der Klammerausdruck (¹^LrQ-" K) des abgeleiteten Punktionals wird über Signal (1) sowie ein auf den Wert - K einstellbares Potentiometer (7) im Summierer (8) gebildet, Über den Multiplizierer (9) erfolgt dann die "Verbindung der Ausgangssignale der Summierer (6) und (8). Der am Ausgang des Multiplizierers (9) anliegende Wert ist nunmehr von den Konstanten "a" des Punktionals zu subtrahieren. Diese Operation erfolgt über das Potentiometer (10) und den Summierer (11), so daß am Ausgang des Summierers (11) das Signal e_o anliegt. Da dieses Signal auf die zu erzeugende

opt Stadtgasmenge bezogen ist, erfolgt im Multiplizierer (12) die Umwandlung von eL + in ein der Menge e_? proportionales Signal durch Multiplikation mit dem Wert von (3). Mit Hilfe"des Potentiometers (13) wird der Übertragungsfaktoi korrigiert. Der nachgeschaltete Inverter (H) dient der Vorzeichenumkehr.,

Da die Summe der Komponenten

e.. + e₂ + £3 = 1 ist, ergibt sich

darin ist

Io = Mengenanteil des eigenen Erdgases bezogen auf Stadtgas

Diese Beziehung wird über den Summierer (15) gebildet, wobei das Signal (3) zu diesem Zweck über den Inverter (16) zur vorzeichenrichtigen Aufschaltung angeordnet ist. Damit erhält man am Ausgang des Summierers (16) den Analogwert für e^. Die Transportzeit der Komponenten von der jeweiligen Meß st eile bis zur Mischungsstelle wird durch die nachgeschalteten . Totzeitglieder (17) und (18) berücksichtigt.

Claims (7)

Erfindungsanspruch

1. Einrichtung zur Steuerung kontinuierlicher Mischprozesse, wobei in bekannter Weise gem. Pig. 2 mehrere Komponenten (3), (4) und (5) in einem Mischprozeß (2) zu einem Bndprodukt (1) vereinigt werden und für die sich verändernden Qualitäten und Mengen .der Komponenten jeweils die optimale Mengendosierung der Komponenten unter Beachtung der brenntechnischen Gütewerte jeder Komponente zur Gewährleistung eines den Anforderungen hinsichtlich Qualität und Menge entsprechenden Endproduktes bestimmt werden muß, dadurch gekennzeichnet, daJ3 die Optimierung der Mengendosierung kontinuierlich mit Hilfe eines nach dem Analogprinzip arbeitenden Optimisators (10) erfolgt, der über eine Meßeinrichtung (8) die analogen Signale der zur Verfügung stehenden Mengen und Qualitäten aus dem Mengenstrom der Komponenten kontinuierlich abgreift und vor dem Mischungsprozeß nach der vom Steuerorgan (15) vorgegebenen Zielgröße und weiteren.Restriktionen die ökonomisch optimale Mengendosierung berechnet und somit die- sich aus den jeweiligen ProzeßVoraussetzungen ergebenden optimalen Führungsgrößen für die Mengenregelung (7) der Komponenten liefert.

2. Einrichtung nach Punkt 1., dadurch gekennzeichnet, daß die vom Optimisator (10) kontinuierlich gelieferten Ausgangssignale als Führungsgrößen- für die Mengenregelung (7) über einen Umschalter (11) wahlweise auf eine Anzeigeeinrichtung (12) für eine manuelle Steuerung des MischungsOro-

zesses ü"ber eine Bedieneinheit (13) oder direkt auf die Mengenregelung geschaltet werden können»

3. Einrichtung nach Punkt. 1. und 2., dadurch g _ne kennzeichnet, daß das im Optimisator (10) durch eine Analogschaltung realisierte Funktional durch eine iterative Optimierung der . Mengendosierung der Mischungskomponenten mit Hilfe eines eingangsseitig prozeßgekoppelten Mikrorechners "bestimmbar ist.

4. Einrichtung nach Punkt 1. - 3·, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bchtzeitsteuerung erforderliche Kurzfristigkeit und Variabilität der Restriktionen für die Optimierung durch einen Optimisator (10) erreicht wird, der als Analogschaltung gemäß Pig. 3 aufgebaut ist. .._'

•5. Einrichtung nach Punkt 1. - 4., ,dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerung zwischen Meß- und Mischstelle im'Optimisator gem. Pig. 3 durch T.otzeitglieder (17) und (18) berücksichtigt wird,

6. Einrichtung nach Punkt 1. - 5·> dadurch gekennzeichnet, daß bei Betriebszuständen (verfügbare Mengen und Qualitäten der Komponenten), die keine ökonomisch optimale Mengendosierung bei Gewährleistung der Qualität des Endproduktes ermöglichen, in die Schaltung eingebaute akustische .und/oder optische Signale ausgelöst werden, die diesen Zustand der Hichtrealisierbarkeit signalisieren.

7. Einrichtung nach Punkt 1. - 6., dadurch gekennzeichnet, daß der Optimisator (10) im off-line-Betrieb, unabhängig vom Prozeß,über entsprechende Yorschaltglieder für eine prospektive Simulation genutzt wird.

Hierzu JLÄiisn Zeichnungen