DE10127788A1 - Integrierte Optimalmodell-Vorhersagesteuerung in einem Prozeßsteuerungssystem - Google Patents
Integrierte Optimalmodell-Vorhersagesteuerung in einem ProzeßsteuerungssystemInfo
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Abstract
Eine Modellvorhersage-Steuereinheit, die eine Gruppe von Eingängen, die zum Empfang von Prozeßausgangssignalen ausgebildet sind, und ferner eine Gruppe von Ausgängen, die zur Abgabe von Prozeßeingangssignalen an Prozeßsteuereinrichtungen ausgebildet sind, aufweist, ist so ausgebildet, daß sie eine integrierte Optimalmodell-Vorhersagesteuerung ausführt. Die Steuereinheit ermöglicht eine integrierte optimale Steuerung unter Anwendung eines Rückführungswegs, der einen ausgewählten Ausgang mit einem Eingang verbindet, der einen Sollwert hat, der gleich wie der Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs ist. Die Steuereinheit hält den ausgewählten Ausgang auf seinem Restriktionsgrenzwert, bis einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten. Wenn der Ausgang dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten, lockert die Steuereinheit den Sollwert, bis der Ausgang nicht mehr dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein
Prozeßsteuerungssysteme und insbesondere die Optimierung der
Anwendung einer Modellvorhersagesteuereinheit in einem
Prozeßsteuerungssystem.
Prozeßsteuerungssysteme wie etwa verteilte oder skalierbare
Prozeßsteuerungssysteme wie diejenigen, die in chemischen,
Erdöl- oder anderen Prozessen verwendet werden, weisen
typischerweise ein oder mehr Prozeßsteuereinheiten auf, die
kommunikativ miteinander, mit wenigstens einem Hauptrechner
oder einer Workstation und mit ein oder mehr
Feldeinrichtungen über analoge, digitale oder kombinierte
analoge/digitale Sammelleitungen verbunden sind. Die
Feldeinrichtungen, die beispielsweise Ventile,
Ventilsteller, Schalter und Meßwertgeber (z. B. Temperatur-,
Druck- und Durchflußmengensensoren) sein können, führen
innerhalb des Prozesses Funktionen wie etwa das Öffnen oder
Schließen von Ventilen und die Messung von Prozeßparametern
aus. Die Prozeßsteuereinheit empfängt Signale, die von den
Feldeinrichtungen durchgeführte Prozeßmessungen und/oder
andere die Feldeinrichtungen betreffende Informationen
bezeichnen, nutzt diese Informationen, um eine
Steuerungsroutine zu implementieren, und erzeugt dann
Steuersignale, die über die Sammelschienen zu den
Feldeinrichtungen geleitet werden, um den Betrieb des
Prozesses zu steuern. Informationen von den
Feldeinrichtungen und der Steuereinheit werden
typischerweise für eine oder mehrere Anwendungen, die vom
Bedienerarbeitsplatz ausgeführt werden, verfügbar gemacht,
um einem Bediener die Durchführung jeder gewünschten
Funktion in bezug auf den Prozeß zu ermöglichen, etwa die
Betrachtung des aktuellen Zustands des Prozesses, eine
Modifizierung des Prozeßablaufs usw.
Bisher wurden herkömmliche Feldeinrichtungen genutzt, um
analoge (z. B. 4 bis 20 mA) Signale zu und von der
Prozeßsteuereinheit über eine analoge Sammelschiene oder
Analogleitungen zu senden und zu empfangen. Diese 4 bis
20 mA-Signale waren in ihrer Art insofern beschränkt, als
sie Messungen anzeigten, die von den Einrichtungen
durchgeführt wurden, oder Steuersignale anzeigten, die von
der Steuereinheit erzeugt wurden, um den Betrieb der
Einrichtung steuern zu können. In den letzten zehn Jahren
haben sich jedoch in der Prozeßsteuerungsindustrie
intelligente Feldeinrichtungen durchgesetzt, die einen
Mikroprozessor und einen Speicher aufweisen. Zusätzlich zur
Durchführung einer Hauptfunktion innerhalb des Prozesses
speichern intelligente Feldeinrichtungen Daten, die die
Einrichtung betreffen, kommunizieren mit der Steuereinheit
und/oder anderen Einrichtungen in einem digitalen oder
kombinierten digitalen und analogen Format und führen
sekundäre Aufgaben wie etwa eine Selbstkalibrierung, eine
Identifikation, Diagnosevorgänge usw. aus. Eine Reihe von
standardmäßigen und offenen Kommunikationsprotokollen für
intelligente Einrichtungen wie etwa die Protokolle HART®,
PROFIBUS®, WORLDFIP®, Device-Net® und CAN sind entwickelt
worden, um es intelligenten Feldeinrichtungen, die von
verschiedenen Herstellern stammen, zu erlauben, gemeinsam
innerhalb desselben Prozeßsteuerungsnetzes verwendet zu
werden.
Ferner gibt es innerhalb der Prozeßsteuerungsindustrie eine
Bewegung in Richtung einer Dezentralisierung von
Prozeßsteuerungsfunktionen. Beispielsweise verwendet das
vollständig digitale Zweidraht-Busprotokoll, das von der
Fieldbus Foundation verbreitet wird und als das FOUNDATION™
Fieldbus-Protokoll (nachstehend Fieldbus-Protokoll) bekannt
ist, Funktionsblöcke, die in verschiedenen Feldeinrichtungen
angeordnet sind, um Steuerungsvorgänge auszuführen, die
früher innerhalb einer zentralisierten Steuereinheit
ausgeführt wurden. Insbesondere kann jede Fieldbus-
Feldeinrichtung einen oder mehrere Funktionsblöcke aufweisen
und ausführen, von denen jeder Eingänge von anderen
Funktionsblöcken empfängt und/oder Ausgänge an andere
Funktionsblöcke (und zwar entweder innerhalb derselben
Einrichtung oder in verschiedenen Einrichtungen) abgibt, und
führt bestimmte Prozeßsteuerungsvorgänge wie etwa die
Messung oder das Detektieren eines Prozeßparameters, die
Steuerung einer Einrichtung oder die Durchführung eines
Steuerungsvorgangs wie etwa die Ausführung einer PID-
Steuerungsroutine durch. Die verschiedenen Funktionsblöcke
innerhalb eines Prozeßsteuerungssystems sind so ausgebildet,
daß sie miteinander (beispielsweise über eine Sammelschiene)
kommunizieren, um eine oder mehrere Prozeßsteuerschleifen zu
bilden, deren Einzeloperationen durch den gesamten Prozeß
verteilt und somit dezentralisiert sind.
Prozeßsteuereinheiten sind charakteristisch so programmiert,
daß sie verschiedene Algorithmen, Subroutinen oder
Steuerschleifen (die sämtlich Steuerungsroutinen sind) für
jede einer Reihe von verschiedenen Schleifen ausführen, die
für einen Prozeß definiert oder darin enthalten sind, etwa
Durchflußsteuerschleifen, Temperatursteuerschleifen,
Drucksteuerschleifen usw. Allgemein gesagt umfaßt jede
solche Steuerschleife einen oder mehrere Eingangsblöcke wie
etwa einen Analogeingangs- bzw. AI-Funktionsblock, einen
Einzelausgangs-Steuerblock wie etwa einen PID- oder einen
Fuzzylogik-Steuerfunktionsblock und einen
Einzelausgangsblock wie etwa einen Analogausgangs- bzw. AO-
Funktionsblock. Diese Steuerschleifen führen
charakteristisch eine Einzeleingangs-/Einzelausgangs-
Steuerung durch, weil der Steuerblock einen einzelnen
Ausgang erzeugt, der zur Steuerung eines einzelnen
Prozeßeingangs wie etwa einer Ventilstellung usw. genutzt
wird. In bestimmten Fällen ist jedoch die Anwendung einer
Reihe von unabhängig wirkenden Einzeleingangs-/Einzel
ausgangs-Steuerschleifen nicht sehr effektiv, weil
die zu steuernden Prozeßvariablen von mehr als einem
einzigen Prozeßeingang beeinflußt werden und jeder
Prozeßeingang tatsächlich den Zustand vieler Prozeßausgänge
beeinflussen kann. Ein Beispiel dafür kann etwa in einem
Prozeß auftreten, der einen Behälter hat, der von zwei
Eingangsleitungen befüllt und von einer einzigen
Ausgangsleitung entleert wird, wobei jede Leitung von einem
anderen Ventil gesteuert wird und wobei Temperatur, Druck
und Durchsatz des Behälters so gesteuert werden, daß sie
Sollwerte oder nahezu Sollwerte aufweisen. Wie oben
angedeutet wird, kann die Steuerung des Durchsatzes, der
Temperatur und des Drucks des Behälters unter Verwendung
einer gesonderten Durchsatzsteuerschleife, einer gesonderten
Temperatursteuerschleife und einer gesonderten
Drucksteuerschleife durchgeführt werden. In diesem Fall kann
jedoch der Betrieb der Temperatursteuerschleife bei der
Änderung der Einstellung eines der Eingangsventile für die
Steuerung der Temperatur im Behälter dazu führen, daß der
Druck im Behälter ansteigt, was beispielsweise die
Drucksteuerschleife veranlaßt, das Auslaßventil zu öffnen,
um den Druck zu senken. Dieser Vorgang kann dann die
Durchsatzsteuerschleife veranlassen, eines der
Eingangsventile zu schließen, wodurch die Temperatur
beeinflußt und die Temperatursteuerschleife veranlaßt wird,
irgendeinen anderen Vorgang auszuführen. Wie aus diesem
Beispiel ersichtlich ist, veranlassen die Einzeleingangs-/Einzel
ausgangs-Steuerschleifen die Prozeßausgänge (in
diesem Fall Durchsatz, Temperatur und Druck), sich auf eine
inakzeptable Weise zu verhalten, wobei die Ausgänge
schwingen, ohne jemals einen Dauerzustand zu erreichen.
Eine Modellvorhersagesteuerung oder andere Arten von
erweiterter Steuerung werden angewandt, um in solchen
Situationen die Steuerung durchzuführen, in denen die
gesteuerten Prozeßgrößen mehr als einen Prozeßeingang
beeinflussen und jeder Prozeßeingang mehr als einen
Prozeßausgang beeinflußt. Im allgemeinen ist die
Modellvorhersagesteuerung eine Vielfacheingangs-/Vielfach
ausgangs-Steuerungsstrategie, bei der die
Auswirkungen der Änderung jedes einer Reihe von
Prozeßeingängen auf jeden einer Reihe von Prozeßausgängen
gemessen werden und diese gemessenen Reaktionen dann genutzt
werden, um ein Modell des Prozesses zu erzeugen. Das Modell
des Prozesses wird mathematisch invertiert und dann als eine
Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Steuereinheit genutzt, um
die Prozeßausgänge auf der Basis von Änderungen, die an den
Prozeßeingängen vorgenommen wurden, zu steuern. In einigen
Fällen umfaßt das Prozeßmodell eine Prozeßausgangs-
Reaktionskurve für jeden der Prozeßeingänge, und diese
Kurven können auf der Basis einer Serie etwa von
pseudozufälligen schrittweisen Änderungen, die jedem der
Prozeßeingänge zugeführt werden, erstellt werden. Diese
Reaktionskurven können auf bekannte Weise zur Modellierung
des Prozesses genutzt werden. Die Modellvorhersagesteuerung
ist auf dem Gebiet bekannt, und daher werden ihre
Einzelheiten hier nicht beschrieben. Die
Modellvorhersagesteuerung wird jedoch allgemein von S. Joe
Qin und Thomas A. Badgwell in "An Overview of Industrial
Model Predictive Control Technology", AIChE Conference,
1996, beschrieben.
Die Modellvorhersagesteuerung kann weiterhin genutzt werden,
um eine ausgewählte Prozeßeingangsgröße so zu optimieren,
daß der Prozeß in Richtung einer Maximierung und/oder
Minimierung der zur Optimierung ausgewählten Größe gesteuert
wird. Prozeßeingangsgrößen, die zur Optimierung ausgewählt
werden, können beispielsweise die Prozeßeingangsgrößen sein,
die die größte Auswirkung auf die Verbesserung des
wirtschaftlichen Werts des Prozesses (z. B. Prozeßdurchsatz)
haben, oder es können die Größen sein, die die größte
Auswirkung auf die Verbesserung der Güte des Prozeßausgangs
haben. Charakteristisch ist es erwünscht, den
Prozeßdurchsatz und den Produktwert zu maximieren und die
Rohstoffkosten zu minimieren.
Im Verlauf der Optimierung bezeichnet ein Anwender oder
Bediener im allgemeinen eine Prozeßeingangsgröße, die zu
optimieren ist, und bestimmt einen optimalen
Prozeßbetriebspunkt, an dem die bezeichnete
Prozeßeingangsgröße optimiert wird. Selbstverständlich muß
der optimale Prozeßbetriebspunkt auch mit einem
Prozeßbetriebspunkt zusammenfallen, der es ermöglicht, ein
gewünschtes Prozeßergebnis zu erreichen. Um das gewünschte
Prozeßergebnis zu erreichen, müssen eine oder mehrere
Prozeßausgangsgrößen auf vorbestimmten Werten oder
Einstellwerten, die auch als Sollwerte bezeichnet werden,
gehalten werden. Die Prozeßausgangsgrößen werden auf ihren
jeweiligen Einstellwerten durch die richtige Einstellung
einer Menge von Prozeßeingangsgrößen gehalten. Leider ist
eine optimale Prozeßsteuerung komplexer und umfaßt nicht
einfach den Betrieb des Prozesses auf dem optimalen
Prozeßbetriebspunkt, weil der optimale Prozeßbetriebspunkt
charakteristisch an den Grenzen des Prozeßbetriebs
existiert. Insbesondere hat jede der Prozeßeingangsgrößen
eine physische Restriktionsgrenze, und wenn während des
Betriebs am optimalen Prozeßbetriebspunkt zwei oder mehr der
Prozeßeingangsgrößen eine ihnen zugeordnete physische
Restriktionsgrenze überschreiten, tritt der Prozeß in einen
unerwünschten Zustand ein, in dem die Prozeßsteuereinheit
nicht in der Lage ist, die Prozeßausgangsgrößen auf ihren
jeweiligen Sollwerten zu halten. Wie oben beschrieben wird,
umfaßt jedoch der optimale Prozeßbetriebspunkt die Operation
der bezeichneten optimalen Prozeßeingangsgröße bei ihrer
maximalen (oder minimalen) Einstellung, die typischerweise
gleich ihrer physischen Restriktionsgrenze ist. Während also
der Ablauf am optimalen Prozeßbetriebspunkt läuft, ist eine
der Prozeßeingangsgrößen bereits an ihrer physischen
Restriktionsgrenze, so daß, wenn nur eine der anderen
Prozeßeingangsgrößen ihre physische Restriktionsgrenze
erreicht oder überschreitet, der Prozeß in den unerwünschten
Zustand gelangt, in dem die Steuereinheit nicht mehr in der
Lage ist, die Prozeßausgangsgrößen auf ihren jeweiligen
Sollwerten zu halten. Infolgedessen erfordert die
Prozeßoptimierung zusätzlich zum Betrieb an dem optimalen
Prozeßbetriebspunkt außerdem die Überwachung der
Prozeßeingangsgrößen und das Ergreifen von Maßnahmen, um zu
verhindern, daß sie ihre Restriktionsgrenzen erreichen oder
überschreiten.
Herkömmliche Optimierungs-Steueralgorithmen überwachen die
Prozeßgrößen während des Ablaufs des Prozesses, um zu
erkennen, wenn eine Annäherung an eine oder mehrere der
Restriktionsgrenzen erfolgt. Präventive Maßnahmen wie etwa
die Einstellung eines Prozeßeingangs werden dann ergriffen,
um eine Verletzung der Restriktionsgrenze, an die eine
Annäherung erfolgt, zu verhindern. Bei einem herkömmlichen
Steuerungssystem muß die Entscheidungsfindung, ob eine
Präventivmaßnahme erforderlich ist, konservativer sein, weil
die Daten, auf denen diese Entscheidungsfindung beruht,
Echtzeit-Prozeßdaten sind, wobei nur sehr wenig Zeit für
eine Reaktion bleibt. Infolgedessen muß der Prozeß weiter
entfernt von den gewünschten oder optimierten
Restriktionsgrenzen arbeiten, was den von dem Prozeß
erreichten Optimierungsgrad verringert. Ferner ist eine
Präventivmaßnahme nicht jedesmal dann erforderlich, wenn
eine Prozeßgröße sich einer Restriktionsgrenze nähert, weil
in manchen Fällen die Restriktionsgrenze auch ohne
Präventivmaßnahmen in Wirklichkeit nicht überschritten wird.
Bei herkömmlichen Steuerungssystemen erlaubt jedoch das
Sammeln von Echtzeit-Prozeßdaten keinen Einblick
dahingehend, ob die Restriktionsgrenze, an die eine
Annäherung stattfindet, tatsächlich überschritten werden
wird. Daher muß jede Annäherung an eine Restriktionsgrenze
als eine potentielle Überschreitung behandelt und eine
Präventivmaßnahme getroffen werden. Infolgedessen sind
mindestens einige der Präventivmaßnahmen unnötig, was
ebenfalls eine unnötige Verminderung der Optimierung
bewirkt.
Außerdem verwenden bestehende Steuerungssysteme, die eine
optimierte Steuerung bieten, charakteristisch einen
separaten Optimierungssteuerungs-Algorithmus, um die
Optimierung zu erreichen. Die Notwendigkeit für einen
gesonderten Optimierungssteuerungs-Algorithmus erhöht die
Komplexität des Gesamtsteuerungsschemas und die Komplexität
der Steuerungsanlage, die zum Erreichen des
Gesamtsteuerungsschemas erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine
Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logiksteuereinheit zur
Steuerung eines Prozesses, wobei jeder Steuereinheitseingang
so ausgebildet ist, daß er ein Prozeßausgangssignal
empfängt, und wobei jeder Steuereinheitsausgang so
ausgebildet ist, daß er ein Prozeßsteuersignal an eine
Prozeßsteuereinrichtung abgibt. Um eine optimale Steuerung
des Prozesses zu ermöglichen, ist ein ausgewählter
Steuereinheitsausgang mit einem weiteren
Steuereinheitseingang verbunden, der einen zugehörigen
Sollwert hat, und die Steuereinheit nutzt den zugeordneten
Sollwert, um den ausgewählten Steuereinheitsausgang an
seiner Restriktionsgrenze zu halten.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt eine
Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logikeinrichtung eine
Mehrzahl von Eingängen, die ausgebildet sind zum Empfang von
Prozeßausgangssignalen, einen weiteren Eingang, der einen
zugeordneten Sollwert hat, und eine Mehrzahl von Ausgängen,
die zur Abgabe von Prozeßsteuersignalen zur Steuerung eines
Prozesses ausgebildet sind. Die Logikeinrichtung umfaßt
ferner einen Rückführungsweg, der einen ausgewählten der
Ausgänge mit dem weiteren Eingang verbindet, und eine
Logikeinheit wie etwa eine Modellvorhersagesteuereinheit
oder eine Fuzzylogik-Steuereinheit, die so ausgebildet ist,
daß sie die Mehrzahl von Ausgängen unter Nutzung der
Mehrzahl von Eingängen und des weiteren Eingangs erzeugt.
Die Logikeinheit ist so ausgebildet, da sie den ausgewählten
Ausgang einstellt, bis der weitere Eingang den zugehörigen
Sollwert erreicht hat, der gleich wie eine
Restriktionsgrenze des ausgewählten Ausgangs eingestellt
sein kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Vielzahl
der Ausgänge eine zugehörige Restriktionsgrenze haben, und
die Logikeinheit der Logikeinrichtung kann eine
Sollwerteinstelleinheit aufweisen, die den Sollwert von
einer ersten Sollwertvorgabe auf eine zweite Sollwertvorgabe
einstellt, wenn einer der Ausgänge, der nicht der
ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, die diesem Ausgang
zugeordnete Restriktionsgrenze zu erreichen oder zu
überschreiten. Die erste Sollwertvorgabe kann der
Restriktionsgrenze des ausgewählten Ausgangs entsprechen,
und die zweite Sollwertvorgabe kann einem Wert entsprechen,
der in bezug auf die Restriktionsgrenze des ausgewählten
Ausgangs gelockert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die
Sollwerteinstelleinheit weiterhin so ausgebildet sein, daß
sie den Sollwert von der zweiten Sollwertvorgabe auf die
erste Sollwertvorgabe verstellt, wenn der eine der Ausgänge
nicht mehr dabei ist, die zugeordnete Restriktionsgrenze für
diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung kann die
Logikeinrichtung ferner folgendes aufweisen: eine
Vorhersageeinheit, die für jeden der Ausgänge, die nicht der
ausgewählte Ausgang sind, einen Zukunftswert vorhersagt, und
eine Vergleichseinheit, die den Zukunftswert für jeden der
Vielzahl von Ausgängen mit der Restriktionsgrenze, die
diesem Ausgang zugeordnet ist, vergleicht, um zu bestimmen,
ob irgendeiner der Ausgänge, der nicht der ausgewählte
Ausgang ist, dabei ist, die zugeordnete Restriktionsgrenze
für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung verwendet ein
Verfahren zur Steuerung eines Prozesses eine
Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logikeinrichtung, die
eine Vielzahl von Eingängen, die zum Empfang von
Prozeßausgangssignalen ausgebildet sind, und eine Vielzahl
von Ausgängen hat, die jeweils eine zugeordnete
Restriktionsgrenze haben und ausgebildet sind, um
Prozeßsteuersignale zur Steuerung des Prozesses abzugeben.
Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Verbinden eines
ausgewählten der Ausgänge mit einem weiteren Eingang der
Logikeinrichtung, Vorgeben eines Sollwerts, der dem weiteren
Eingang zugeordnet ist, mit einer ersten Sollwerteinstellung
und Einstellen des ausgewählten Ausgangs, bis der weitere
Eingang die erste Sollwertvorgabe erreicht hat. Das
Verfahren umfaßt ferner die Schritte: Errechnen eines
Zukunftswerts für jeden der Vielzahl von Ausgängen,
ausgenommen den ausgewählten Ausgang, Vergleichen des für
jeden Ausgang errechneten Zukunftswerts mit einer dem
Ausgang zugeordneten Restriktionsgrenze, um zu bestimmen, ob
irgendeiner der Ausgänge, ausgenommen der ausgewählte
Ausgang, dabei ist, die diesem Ausgang zugeordnete
Restriktionsgrenze zu erreichen oder zu überschreiten. Der
Schritt der Einstellung des Sollwerts von dem ersten
Sollwert auf einen zweiten Sollwert wird durchgeführt, wenn
einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist,
dabei ist, die diesem Ausgang zugeordnete Restriktionsgrenze
zu erreichen oder zu überschreiten.
Nach noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das
Verfahren ferner den Schritt aufweisen: Einstellen des
Sollwerts von dem zweiten Sollwert auf den ersten Sollwert,
wenn der Vergleichsschritt bestimmt, daß der eine der
Ausgänge nicht mehr dabei ist, die diesem Ausgang
zugeordnete Restriktionsgrenze zu erreichen oder zu
überschreiten.
Fig. 1 ist ein Blockbild einer integrierten Optimalmodell-
Vorhersagesteuereinheit, die so ausgebildet ist, daß
sie zur Steuerung eines Prozesses wirksam ist;
Fig. 2 ein Schema eines beispielhaften einfachen chemischen
Reaktionsprozesses, der von der integrierten
Optimalmodell-Vorhersagesteuereinheit von Fig. 1
gesteuert wird;
Fig. 3 ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Durchführung
der integrierten Optimalmodell-Vorhersagesteuerung
veranschaulicht;
Fig. 4 ein Schema eines Prozeßsteuerungssystems, das eine
Steuereinheit hat, die zur Implementierung der
integrierten Optimalmodellvorhersage-Steuereinheit
von Fig. 1 verwendet wird; und
Fig. 5 ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum
Konfigurieren der Steuereinheit von Fig. 4 zeigt, so
daß sie als eine integrierte
Optimalmodellvorhersage-Steuereinheit wirksam ist.
Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Prozeßsteuerungssystem 10, das im
Blockbildformat dargestellt ist, eine integrierte
Optimalmodell-Vorhersagesteuereinheit bzw. IOMPC 12, die
eine optimierende Steuerlogik 14 ausführt, die
beispielsweise mit einer Softwareroutine zur Durchführung
einer Optimalmodellvorhersagesteuerung verkörpert sein kann.
Die IOMPC 12 führt die optimierende Steuerlogik 14 aus, so
daß sie als eine Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-
Logikeinrichtung wirkt, die konfiguriert ist, um einen
Prozeß 16 zu steuern und insbesondere eine Gruppe von
Prozeßsteuereinrichtungen 18, 20, 22, die unter Verwendung
von z. B. Ventilen, Stellern usw. implementiert sein können,
auf eine Weise zu betätigen, die ein Ansprechen des
Prozesses 16 auf eine erwünschte Weise bewirkt, so daß ein
erwünschtes Prozeßergebnis erzielt wird. Zur Bestimmung, ob
der Prozeß 16 auf die gewünschte Weise anspricht, wird der
Prozeß 16 mit einer Gruppe von Meßeinrichtungen 24, 26 und
28 überwacht, die unter Verwendung von z. B.
Temperatursensoren, Pegelsensoren usw. implementiert sein
können. Gemäß herkömmlicher Terminologie bei der
Modellvorhersagesteuerung werden die
Prozeßsteuereinrichtungen 18, 20 und 22 verwendet, um
Prozeßgrößen zu steuern, die hier als Stellgrößen MV1, MV2
und MV3 bezeichnet werden, weil sie von der IOMPC 12
eingestellt oder manipuliert werden. Die Meßeinrichtungen 24
und 26 dienen der Messung einer Gruppe von Prozeßgrößen, die
hier als Steuergrößen CV1 bzw. CV2 bezeichnet werden, weil
das Ziel des Prozeßsteuerungssystems 10 darin besteht, diese
Größen so zu steuern, daß das erwünschte Prozeßergebnis
erreicht werden kann. Die Meßeinrichtung 28 kann dazu
dienen, eine Prozeßgröße zu messen, die hier als eine
Hilfsgröße AV bezeichnet wird, weil zwar die Überwachung
dieser Größe für die ordnungsgemäße Operation des Prozesses
wesentlich ist, das Halten der AV auf einem bestimmten
Vorgabewert jedoch nicht wesentlich für die Erzielung des
erwünschten Prozeßergebnisses ist. Um die integrierte
optimale Steuerung des Prozesses 16 auf eine Weise, die
nachstehend im einzelnen beschrieben wird, zu ermöglichen,
ist die Stellgröße MV3 nicht nur dazu ausgebildet,
Steuersignale an die Steuereinrichtung 22 abzugeben, sondern
außerdem über einen Rückführungsweg 25 mit einem Eingang des
IOMPC 12 gekoppelt, der als optimierte Steuergröße bzw. OCV
bezeichnet wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird der Prozeß 16, für dessen
Steuerung die IOMPC 12 ausgebildet ist, zum Zweck der
Veranschaulichung als ein einfacher chemischer
Reaktionsprozeß beschrieben, bei dem ein chemisches
Einsatzmaterial in einen Tank 27 oder anderen geeigneten
Behälter eingespeist und auf einer gewünschten Temperatur
gehalten wird. Der Strom des Einsatzmaterials in den Tank 27
wird mit der Prozeßsteuereinrichtung 18 gesteuert, die als
ein Einsatzdurchflußventil ausgebildet ist. Die
Durchflußmenge durch das Einsatzdurchflußventil 18 ist als
die Stellgröße MV1 definiert. Eine nicht gezeigte
Wärmequelle erzeugt Dampf, der dem Tank 27 über die
Einrichtung 22 zugeführt wird, die beispielsweise unter
Verwendung eines Dampfdurchflußsteuerventils 22
implementiert sein kann, das einen Temperaturanstieg des
Einsatzmaterials verursacht. Zur weiteren Steuerung der
Temperatur des chemischen Einsatzmaterials wird einem Mantel
29, der den Tank 27 umgibt, Kühlwasser zugeführt. Der
Wasserstrom in den Mantel 29 wird mit der
Prozeßsteuereinrichtung 20 gesteuert, die als ein
Wasserdurchflußsteuerventil 20 implementiert ist. Die
Wasserdurchflußmenge durch das Wasserdurchflußventil 20 und
die Dampfdurchflußmenge durch das Dampfdurchflußventil 22
sind als die Stellgrößen MV2 bzw. MV3 bezeichnet. Die
Temperatur des Wassers wird unter Verwendung der
Meßeinrichtung 24 gemessen, die als ein
Flüssigkeitstemperatursensor 24 implementiert ist, der eine
Temperaturmessung an die IOMPC 12 abgibt. Die
Dampftemperatur wird unter Verwendung der Meßeinrichtung 26
gemessen, die als Dampftemperatursensor 26 implementiert
ist, der eine Dampftemperaturmessung an die IOMPC 12 abgibt.
Die von den Temperatursensoren 24 und 26 gemessenen
Temperaturen sind als die Steuergrößen CV1 und CV2 definiert
und werden daher auf spezielle, vorbestimmte Temperaturen
gesteuert, um sicherzustellen, daß das erwünschte
Prozeßergebnis, d. h. das Halten des chemischen
Einsatzmaterials auf der gewünschten Temperatur, erreicht
wird.
Der Flüssigkeitsstand in dem Tank 27 wird mit der
Meßeinrichtung 28 gemessen, die beispielsweise als
Pegelsensor 28 implementiert ist, der eine Pegelmessung an
die IOMPC 12 liefert. Der Flüssigkeitspegel in dem Tank 27
wird überwacht, um eine Überfüllung des Tanks 27 zu
verhindern. Insbesondere ist das Volumen des Tanks 27, in
dem sich das chemische Einsatzmaterial befindet, begrenzt,
und wenn es überschritten wird, führt das zu einem
Überlaufen des Tanks, was nachteilige Auswirkungen haben
kann, beispielsweise eine Verschwendung von Einsatzmaterial
und eine potentielle Gefährdung von Einrichtungen, die sich
in der Nähe des Tanks 27 befinden. Das von dem Pegelsensor
28 erzeugte Tankpegelsignal wird als die Hilfsgröße AV
bezeichnet, die überwacht werden muß, um einen
ordnungsgemäßen Ablauf des Prozesses zu gewährleisten. Zur
Steuerung des Prozesses 16 werden die Durchflußmengen durch
die Ventile 18, 20 und 22 auf solche Weise eingestellt, daß
die Temperatur des chemischen Einsatzmaterials, die von den
Flüssigkeits- und Dampfsensoren 24 und 26 gemessen wird,
innerhalb der vorbestimmten Temperaturbereiche gehalten
wird, so daß der Flüssigkeitspegel im Tank 27 einen maximal
zulässigen Wert nicht überschreitet. Es versteht sich
natürlich, daß der Prozeß 16 nur zum Zweck der
Veranschaulichung der Operation der IOMPC 12 gewählt wurde.
Somit ist die IOMPC 12 nicht auf die Steuerung eines
Prozesses wie etwa des Prozesses 16 beschränkt, der zwei
Steuergrößen und eine einzige Hilfsgröße hat. Tatsächlich
kann die IOMPC 12 statt dessen zur Steuerung eines Prozesses
mit jeder beliebigen Anzahl von Steuergrößen oder
Hilfsgrößen verwendet werden.
Die vorbestimmten Temperaturen, auf denen die Flüssig- und
Dampfphasen gehalten werden sollen, werden als Sollwerte
bezeichnet, die entweder eine diskrete Temperatur oder einen
Bereich von akzeptablen Temperaturwerten umfassen können.
Ein Sollwert CV1SP, der der Steuergröße CV1 zugeordnet ist,
und ein der Steuergröße CV2 zugeordneter Sollwert CV2SP
bezeichnen den Temperaturwert oder den Bereich von Werten,
auf denen das Wasser bzw. der Dampf zu halten sind, um das
erwünschte Prozeßergebnis zu erreichen.
Zusätzlich zu der Einstellung der Stellgrößen MV1, MV2 und
MV3 auf eine Weise, die jede der Steuergrößen CV1 und CV2
dazu bringt, ihre jeweiligen Sollwerte zu erreichen, ist die
Optimierungssteuerlogik 14 der IOMPC 12 außerdem so
konfiguriert, daß sichergestellt wird, daß jede der
Stellgrößen MV1, MV2 und MV3 eine ihr zugeordnete
Restriktion nicht überschreitet oder verletzt. Die den
Stellgrößen MV1, MV2 und MV3 zugehörigen Restriktionen
stellen den maximal zulässigen Wert für diese Stellgröße
dar. Diese Restriktionen sind charakteristisch physische
Restriktionen, die nicht überschritten werden dürfen, ohne
daß der Prozeß 16 oder das Steuerungssystem geschädigt wird,
und/oder die wegen der physischen Attribute einer
gesteuerten Einrichtung nicht überschritten werden dürfen,
beispielsweise kann ein Ventil nur bis zu einem gewissen
Grad öffnen. Die Größen MV1CON, MV2CON und MV3CON werden
genutzt, um die den Stellgrößen MV1, MV2 bzw. MV3
zugehörigen Restriktionen zu bezeichnen, und die
Restriktionen MV1CON, MV2CON und MV3CON werden gleich den
maximal zulässigen Durchflußmengen der Stellgrößen MV1, MV2
bzw. MV3 vorgegeben, d. h. der maximalen
Einsatzdurchflußmenge, Wasserdurchflußmenge und
Dampfdurchflußmenge. Falls gewünscht, können die maximal
zulässigen Durchflußmengen MV1CON, MV2CON und MV3CON den
vollständig geöffneten Positionen der Ventile 18, 20 bzw. 22
entsprechen. Zusätzlich wird die Restriktion für den
Tankfüllstandspegel mit AVCON bezeichnet und stellt den
maximal zulässigen Tankfüllstandspegel dar.
Im allgemeinen ist die optimierende Steuerlogik 14 der IOMPC
12 so konfiguriert, daß der Prozeß 16 mit einem optimalen
Wert abläuft, wobei eine ausgewählte
Prozeßleistungscharakteristik optimiert wird. Vor der
Konfigurierung der IOMPC 12 so, daß der Prozeß 16 auf einem
optimalen Wert abläuft, wird eine Betriebscharakteristik,
die nachstehend als Optimierungsziel bezeichnet wird, zur
Optimierung ausgewählt. Typischerweise kann das
Optimierungsziel beispielsweise die Produktionsrate, die
Produktionskosten oder die Produktionsqualität sein.
Vereinfacht ausgedrückt wird die Optimierung einer
Prozeßleistungscharakteristik erreicht, indem eine der
Stellgrößen, die nachstehend als die optimierte Stellgröße
bzw. OMV bezeichnet wird, auf einem optimalen Vorgabewert
gehalten wird. Die optimierte Stellgröße, die zur
Optimierung ausgewählt wird, ist diejenige Stellgröße, die
die engste und unmittelbarste Beziehung zu der
Prozeßleistungscharakteristik hat, so daß, wenn die
ausgewählte Stellgröße maximiert oder in manchen Fällen
minimiert wird, die Prozeßleistungscharakteristik optimiert
wird. Bevorzugt werden auch die Dynamik des Prozesses und
die mit der OMV einhergehende Verstärkung in Betracht
gezogen, wenn eine Stellgröße zur Optimierung ausgewählt
wird. Insbesondere ist es erwünscht, daß die Prozeßdynamik,
die mit der OMV in Beziehung steht, relativ langsamer als
die Dynamik ist, die mit den anderen Stellgrößen MV1 und MV2
in Beziehung steht, um sicherzustellen, daß die Sollwerte
CV1SP und CV2SP früher erfüllt sind als das Optimierungsziel.
Es ist ferner erwünscht, daß die OMV eine relativ intensive
Beziehung mit sämtlichen Steuergrößen CV1 und CV2 hat, d. h.
daß die mit der OMV einhergehende Prozeßverstärkung relativ
signifikant ist, so daß geringfügige Änderungen oder
Einstellungen der OMV relativ signifikante Änderungen oder
Einstellungen der gesteuerten Ausgangsgrößen bewirken.
Zur Veranschaulichung ist die zur Optimierung ausgewählte
Leistungscharakteristik des Prozesses 16 die Produktionsrate
des Prozesses 16, so daß das Optimierungsziel die
Maximierung der Produktionsrate oder des Prozeßdurchsatzes
ist. Für die Zwecke dieses Beispiels wird davon ausgegangen,
daß die Stellgröße MV3 diejenige Stellgröße ist, die zur der
Produktionsrate die engste und unmittelbarste Beziehung hat,
und daher wird nachstehend die Stellgröße MV3 als die OMV
bezeichnet. Die Optimierungssteuerlogik 14 der IOMPC 12 ist
so konfiguriert, daß sie die Produktionsrate optimiert durch
Maximierung der OMV (MV3), was das Halten des
Dampfdurchflußventils 18 in einer vollständig geöffneten
Position umfaßt, wodurch die Dampfdurchflußmenge maximiert
und der Durchsatz des Prozesses 16 maximiert wird. Die
optimierte Prozeßgröße (d. h. die Dampfdurchflußmenge), die
zur Veranschaulichung der Operation der IOMPC 12 ausgewählt
ist, ist zwar einem zunehmenden Sollwert zugeordnet, wobei
die optimierte Prozeßgröße auf ihrer maximalen Einstellung
gehalten wird; die IOMPC 12 ist jedoch nicht auf einen
Betrieb mit einer optimierten Prozeßgröße beschränkt, die
einen zunehmenden Sollwert hat. Die IOMPC 12 kann statt
dessen verwendet werden, um einen Prozeß zu steuern, bei dem
die optimale Steuerung durch Halten einer ausgewählten
Prozeßgröße auf einem Minimalwert durchgeführt wird, und in
diesem Fall hat die zur Optimierung ausgewählte Größe einen
abnehmenden Sollwert.
Herkömmliche Modellvorhersage-Steuereinheiten sind zwar so
ausgebildet, daß sie Steuergrößen auf einem bezeichneten
Sollwert halten, solche Steuereinheiten sind jedoch nicht
typischerweise so konfiguriert, daß sie eine Stellgröße bei
einer optimalen Einstellung überwachen und steuern. Um die
OMV bei der optimalen Einstellung zu halten und dadurch die
optimale Prozeßsteuerung zu erreichen, ist die IOMPC 12 so
ausgebildet, daß sie die mit der OMV gekoppelte OCV über den
Rückführungsweg 25 einschließt. Der Rückführungsweg 25, der
außerdem einen Verstärker 23 mit Einheitsverstärkung hat,
bewirkt, daß die OMV mit der OCV durch eine
Einheitsverstärkung in Beziehung gebracht wird. Die OCV wird
auch als Schatten-Stellgröße bezeichnet, weil die
Einheitsverstärkungsbeziehung zwischen der OCV und der OMV
die OCV veranlaßt, der OMV zu folgen oder sie zu
"beschatten". Ein Sollwert OCVSP ist für die OCV definiert,
und der Wert des Sollwerts wird mit dem Restriktionswert der
OMV mit einem kleinen Fehlerabschlag vorgegeben. Wenn einer
der Sollwerte einschließlich OCVSP eingestellt wird, spricht
die IOMPC 12 auf den eingestellten Sollwert an durch
Einstellen der Stellgrößen MV1, MV2 und OMV je nach
Erfordernis, um dem eingestellten Sollwert zu genügen. Um
dem OCVSP zu genügen, stellt die IOMPC 12 die OMV ein, bis
sie gleich wie OMVCON ist. Aufgrund der Einheitsverstärkungs-
Beziehung zwischen der OCF und der OMV bewirkt die
Einstellung der OMV auf diese Weise, daß die OCV nachfolgt.
Infolgedessen kann die OCV genutzt werden, um die OMV
indirekt auf ihrer optimalen Einstellung OMVCON zu halten. Es
versteht sich, daß zwar die Verstärkung zwischen der OMV und
der OCV bevorzugt eine Einheitsverstärkung ist, daß aber
statt dessen jede Verstärkung angewandt werden kann unter
der Voraussetzung, daß die Optimierungssteuerlogik 14 so
programmiert worden ist, daß sie die Verstärkung
kompensiert, wenn Einstellungen an dem OCVSP vorgenommen
werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 führt die
Optimierungssteuerlogik 14, wenn sie von der IOMPC 12
ausgeführt wird, ein integriertes Optimierungsverfahren aus,
das beispielsweise als eine Gruppe von
Softwareprogrammblöcken implementiert sein kann und an einem
Block 30 beginnt. Vor der Ausführung des Blocks 30 wird
davon ausgegangen, daß sich der Prozeß 16 in einem
abgeschalteten Modus befindet, so daß das
Prozeßsteuerungssystem 10 nicht in Betrieb ist. Alternativ
können vor der Ausführung des Blocks 30 einzelne
Steuerschleifen des Prozesses 16 unter der Steuerung durch
eine Gruppe von individuellen lokalen
Einzelschleifensteuereinheiten wie etwa einzelnen PID-
Steuereinheiten (nicht gezeigt) sein. Es versteht sich
ferner, daß vor der Durchführung des Optimierungsverfahrens
nach Fig. 3 die IOMPC 12 auf die oben beschriebene Weise
konfiguriert worden ist, beispielsweise ist die OMV mit der
OCV gekoppelt worden, und daß ein Modell des Prozesses
geschaffen worden ist, um bei der Steuerung des Prozesses 16
genutzt zu werden. Der Block 30 gibt die Sollwerte CV1SP und
CV2SP gleich Werten vor, die geeignet sind, um den Prozeß
richtig zu steuern, und gibt den OCVSP gleich wie den OMVCON
vor. Als nächstes errechnet ein Block 32 die Einstellungen
von MV1, MV2 und OMV, die erforderlich sind, um die
Steuergrößen-Sollwerte CV1SP und CV2SP und den optimierten
Steuergrößen-Sollwert OCVSP zu erfüllen, auf die gleiche
Weise wie eine herkömmliche Modellvorhersage-Steuereinheit.
Wie für den Fachmann ersichtlich ist, umfaßt die
herkömmliche Modellvorhersagesteuerung das Errechnen von
zukünftigen Prozeßzuständen unter Anwendung eines
Prozeßmodells und der aktuellen Prozeßgrößeninformation und
die anschließende Nutzung der errechneten zukünftigen
Prozeßzustände, um an den Prozeßeingangsgrößen Einstellungen
vorzunehmen, wobei die Einstellungen dazu führen, daß die
Steuergrößen ihre jeweiligen Sollwerte erreichen oder sie
halten. Wenn beispielsweise der Block 32 versucht, CV1SP und
CV2SP zu erfüllen, nutzt der Block 32 das Prozeßmodell, um
die Einstellungen an MV1 und MV2 zu definieren, die dazu
führen, daß CV1 und CV2 jeweils CV1SP bzw. CV2SP erreichen.
Als nächstes stellt ein Block 34 MV1, MV2 und OMV ein unter
Nutzung der in dem Block 32 errechneten Einstellungen. Es
versteht sich, daß die Einstellung von OMV an dem Block 34
dazu führen kann, daß CV1 und CV2 von ihren jeweiligen
Sollwerten abweichen, und in diesem Fall können weitere
Einstellungen an MV1 und MV2 erforderlich sein, um
sicherzustellen, daß die Sollwerte CV1SP und CV2SP weiterhin
gehalten erden. Durch die Kopplung der OMV mit der OCV gemäß
Fig. 1 umfaßt das Einstellen der OMV auf eine Weise, die dem
OCVSP genügt, nur das Einstellen der OMV, bis die OCV dem
OCVSP genügt. Infolgedessen wird der OCVSP nicht nur zur
Steuerung der OCV, sondern auch zur Steuerung der OMV
genutzt. Durch die Kopplung der OMV mit der OCV wird es der
IOMPC 12 ermöglicht, eine Stellgröße, d. h. die OMV, auf die
gleiche Weise zu steuern, wie sie die Steuerung einer
Steuergröße, d. h. der OCV, durchführt, jedoch ohne weitere
Komponenten zu benötigen.
Nachdem die OCV den OCVSP erreicht hat und MV1 und MV2 nach
Bedarf eingestellt worden sind, um CV1SP und CV2SP zu
genügen, fährt die Steuerung mit Block 36 fort, der die
Stellgrößen und die Steuergrößen MV1, MV2, OMV, CV1, CV2 und
AV nutzt, um eine Menge von Zukunftswerten MV1FUT und MV2FUT
für die Stellgrößen MV1 und MV2 vorherzusagen/zu errechnen.
Wie oben gesagt wurde, umfaßt die herkömmliche
Modellvorhersagesteuerung natürlich das Errechnen von
zukünftigen Prozeßzuständen. Insbesondere können
herkömmliche Modellvorhersage-Steuereinheiten so
konfiguriert werden, daß sie die Zukunftswerte der
Stellgrößen MV1FUT und MV2FUT auf eine von mehreren möglichen
Weisen errechnen, beispielsweise 1) durch Berechnen der
Stellgrößenbewegungen über den gesamten Steuerungshorizont
(d. h. über die Anzahl von zukünftigen
Stellgrößenbewegungen, die von der Modellvorhersage-
Steuereinheit berechnet werden); 2) durch Anwendung einer
zusätzlichen MPC-Steuereinheit, in der ein
Steuerungshorizont gleich Eins vorgegeben ist, so daß er zur
Schätzung von Zukunftswerten der Stellgrößen genutzt werden
kann; oder 3) durch Verwendung eines Vorhersagemodells, um
die Auswirkung zu bestimmen, die Änderungen der OMV auf MV1
und MV2 haben werden.
Als nächstes nutzt ein Block 38 die Werte von MV1FUT und
MV2FUT, um zu bestimmen, ob der Prozeß 16 in einen
unerwünschten Zustand eintreten wird, in dem zwei oder mehr
der Stellgrößen an oder über ihren jeweiligen
Restriktionswerten sind. Dieser Zustand ist unerwünscht,
weil beim Betrieb in diesem Zustand die
Optimierungssteuerlogik 14 unfähig ist, die Steuerung von
einer oder mehreren der Steuergrößen CV1 und/oder CV2
aufrechtzuerhalten, wodurch CV1 und/oder CV2 von ihren
jeweiligen Sollwerten abweichen. Insbesondere kann in diesem
unerwünschten Zustand die Optimierungssteuerlogik 14 die
Stellgrößen MV1 und MV2 nicht so einstellen, daß CV1 und CV2
ihre jeweiligen Sollwerte erreichen, ohne daß außerdem
bewirkt wird, daß eine oder mehrere der Stellgrößen MV1, MV2
und/oder OMV ihre jeweiligen Restriktionen verletzen. Um
also zu bestimmen, ob der Prozeß in den unerwünschten
Zustand eintreten wird, werden die Werte von MV1FUT und MV2FUT
geprüft, um festzustellen, ob einer davon seine jeweilige
Restriktion verletzt, wodurch eine Restriktionsverletzung
verursacht wird. Es ist zu beachten, daß dadurch, daß der
Prozeß 16 in dem Optimalmodus abläuft, die OMV sich bereits
an ihrer zugehörigen Restriktionsgrenze OMVCON befindet.
Daher braucht nur eine von entweder MV1FUT oder MV2FUT ihre
jeweilige Restriktionsgrenze zu verletzen und der Prozeß
wird in den unerwünschten Zustand eintreten. Wenn MV1FUT oder
MV2FUT MV1CON bzw. MV2CON verletzt, dann stellt ein Block 40
den Wert des OCVSTPT in einer nichtoptimalen oder gelockerten
Richtung um einen Betrag gleich Δs ein, wobei Δs wie folgt
errechnet werden kann:
wobei ΔMV1above, ΔMV2above und ΔAVabove die Mengen bezeichnen, um
welche MV1, MV2 und AV jeweils MV1CON, MVCON und AVCON
überschreiten, und wie folgt bestimmt werden können:
ΔMV1above = MV1current + ΔMV1 - MV1limit (2)
ΔMV1above = MV2current + ΔMV2 - MV2CON (3)
ΔAVabove = AVcurrent + ΔAVpredicted - AVCON (4)
In den Gleichungen (2), (3) und (4) bezeichnen ΔMV1 und ΔMV2
den Betrag, um den die Werte der Stellgrößen MV1 und MV2
(der Einsatzdurchflußmenge und der Wasserdurchflußmenge) bei
einer oder mehreren zukünftigen Prozeßbewegungen eingestellt
werden müssen; MV1current und MV2current bezeichnen die
aktuellen Werte von MV1 und MV2; AVcurrent bezeichnet den
Vorhersagewert der Hilfsgröße AV auf der Basis der aktuellen
Werte der Prozeßgrößen. In der Gleichung (1) bezeichnen
GMV1-OMV, GMV2-OMV und GAV-OMV die Verstärkungen am Ende des
Vorhersagehorizonts, d. h. die Änderungen, die an dem
Einsatzdurchfluß, dem Wasserdurchfluß und dem Tankfüllstand
als Reaktion der Einstellung von OCVSP um einen Einheitswert
bei geschlossener Prozeßschleife (wenn die IOMPC 12 aktiv
ist) auftreten werden. Wie noch nachstehend beschrieben
wird, werden die Verstärkungen GMV1-OMV', GMV2-OMV und GAV-OMV
automatisch durch die Optimierungssteuerlogik 14 während der
Konfigurierung der Modellvorhersage-Steuereinheit bestimmt.
Es versteht sich, daß die Einstellung des Werts des OCVSP in
einer nichtoptimalen Richtung davon abhängt, ob der OCVSP
ein zunehmender Sollwert oder ein abnehmender Sollwert ist.
Wenn dabei der OCVSP ein zunehmender Sollwert ist, dann wird
ΔS von dem OCVSP in Block 40 subtrahiert, und wenn der OCVSP
ein abnehmender Sollwert ist, dann wird ΔS dem OCVSP in
Block 40 hinzuaddiert.
Nachdem der OCVSP von dem Block 40 eingestellt worden ist,
springt die Steuerung zu Block 32 zurück, wo OMV gelockert
wird, bis die OCV den neu eingestellten OCVSP erreicht hat.
Somit wird die OMV unter Anwendung der Steuergröße OCV und
des Rückführungswegs 25 auf dem OCVSP gehalten.
Es ist zu beachten, daß nach der Lockerung der OMV von ihrem
optimalen Vorgabewert durch den Block 34 die Steuerung an
den Blöcken 36 und 38 wie oben beschrieben fortgesetzt wird.
In Block 38 kann einer von MV1FUT oder MV2FUT immer noch an
oder über seiner Restriktionsgrenze sein, und in diesem Fall
fließt die Steuerung erneut zu Block 40, und der OCVSP wird
erneut um Δs in einer nichtoptimalen Richtung eingestellt.
Die Steuerung wird weiter durch die Blöcke 32 bis 40
fortgesetzt, bis der Block 38 bestimmt, daß weder MV1FUT noch
MV2FUT an oder über seiner jeweiligen Restriktionsgrenze ist.
Der Fachmann versteht natürlich, daß der Prozeß 16 niemals
tatsächlich in den unerwünschten Zustand eintritt, weil die
Optimierungssteuerlogik 14 so konfiguriert ist, daß die
vorhergesagten Zukunftswerte MV1FUT und MV2FUT überwacht
werden und die Reaktion auf diese vorhergesagten
Zukunftswerte derart ist, daß verhindert wird, daß die
Stellgrößen MV1 und MV2 jemals ihre entsprechenden
Restriktionen erreichen oder verletzen, so daß dadurch
verhindert wird, daß der Prozeß 16 in den unerwünschten
Zustand gelangt. Infolgedessen ist die IOMPC 12 so, wie sie
konfiguriert ist, besonders robust hinsichtlich ihrer
Fähigkeit, Überschreitungen von Restriktionen vor deren
Auftreten zu vermeiden. Außerdem reagiert die IOMPC 12 erst,
wenn eine zukünftige Verletzung vorhergesagt ist. Daher
führt eine Stellgröße, die sich sehr nahe an ihrer
jeweiligen Restriktionsgrenze befindet, nicht unnötigerweise
zu einer Abweichung des Systems vom Optimalmodus, so daß der
Prozeß 16 näher an den Prozeßrestriktionen ablaufen kann,
jedoch gleichzeitig deren Verletzung vermeidet.
Wenn der Block 38 bestimmt, daß keine Verletzungen von
Restriktionen auftreten werden, d. h. daß weder MV1FUT noch
MV2FUT an seiner jeweiligen Restriktionsgrenze ist oder diese
verletzt, dann geht die Steuerung weiter zu Block 42, in dem
der Wert des OCVSP geprüft wird, um zu bestimmen, ob OCVSP
mit dem OMVCON vorgegeben ist. Wenn der OCVSP nicht mit dem
OMVCON vorgegeben ist, geht die Steuerung weiter zu Block 44,
in dem der Wert des OCVSP um einen vorbestimmten Betrag wie
etwa ein oder zwei Prozent des Prozeßmaßstabs in einer
optimalen Richtung eingestellt wird. Dann springt die
Steuerung zu Block 32 und zu den darauf folgenden Blöcken
zurück. Es versteht sich, daß dann, wenn der OCVSP ausgehend
von seiner optimalen Voreinstellung von OMVCON verstellt
wurde und in Block 38 keine weiteren zukünftigen
Verletzungen von Restriktionen vorhergesagt werden, die
Optimierungslogik 14 die Schleife durch die Blöcke 32, 34,
36, 38, 42 und 44 weiter durchläuft, wobei der OCVSP während
jedes Durchlaufs inkrementell erhöht wird, bis er auf den
Wert des OMVCON zurückgebracht ist. Infolgedessen kann die
Betriebsart, in der die Prozeßsteuerung weiter durch die
Schleife der Blöcke 32, 34, 36, 38, 42 und 44 läuft, als
eine suboptimale Betriebsart bezeichnet werden, denn während
des Schleifendurchlaufs durch diese Blöcke ist der OCVSP
nicht auf den optimalen Wert von OMVCON eingestellt, sondern
befindet sich auf einer suboptimalen Einstellung.
Wenn der Block 42 bestimmt, daß der OCVSP gleich wie OMVCON
ist, dann springt die Steuerung zu Block 32 zurück, und die
Optimierungssteuerlogik 14 durchläuft die Schleife durch die
Blöcke 32, 34, 36, 38 und 42 weiter, bis von dem Block 38
bestimmt wird, daß entweder MV1FUT oder MV2FUT ihre jeweiligen
Restriktionen verletzen, und in diesem Fall verzweigt sich
die Steuerung zu Block 40 und den darauf folgenden Blöcken,
wie oben beschrieben wurde. Die Betriebsart, in der die
Prozeßsteuerung die Schleife durch die Blöcke 32, 34, 36, 38
und 42 weiter durchläuft, kann als eine optimale Betriebsart
bezeichnet werden, denn während der Ausführung dieser Blöcke
ist der OCVSP bei seinem optimalen Einstellwert, d. h.
OMVCON, und somit arbeitet die OMV mit ihrer maximalen
Einstellung. Die Steuerung des Prozesses 16 kann auf die
oben beschriebene Weise die Blöcke in der Schleife für
unbestimmte Zeit oder so lange, bis ein Bediener das System
abschaltet, durchlaufen.
Wie oben beschrieben wird, umfaßt die herkömmliche
Modellvorhersage-Steuerung die Anwendung des Prozeßmodells
und der aktuellen Prozeßgrößen, um einen zukünftigen
Prozeßzustand vorherzusagen, und die Nutzung dieses
zukünftigen Prozeßzustands, um eine Menge von Einstellungen
zu errechnen, die an den Stellgrößen vorzunehmen sind und
die Steuergrößen veranlassen, ihren jeweiligen Sollwerten zu
genügen. Infolgedessen kann eine herkömmliche
Modellvorhersage-Steuereinheit so ausgebildet sein, daß sie
sämtliche Schritte ausführt, die während der Ausführung der
Blöcke 30 bis 46 ausgeführt werden, natürlich unter der
Voraussetzung, daß die Modellvorhersage-Steuereinheit so
konfiguriert worden ist, daß sie die OCV aufweist, die mit
der OMV durch eine Einheitsverstärkung (wie in Fig. 1
gezeigt) in Beziehung steht, und daß die Modellvorhersage-
Steuereinheit so ausgebildet wurde, daß sie die OCV gemäß
dem Verfahren steuert, das durch das Flußdiagramm von Fig. 3
repräsentiert ist. Infolgedessen führt die IOMPC 12 die
optimale Modellvorhersage-Steuerung auf eine Weise aus, die
in die herkömmliche Modellvorhersage-Steuerungstechnologie
vollständig integriert sein kann, ohne daß zusätzliche
Steuereinrichtungen benötigt werden. Gemäß Fig. 4 kann die
IOMPC 12 von Fig. 1 unter Anwendung einer
Prozeßsteuereinheit 50 implementiert werden, die mit einem
Datenhistoriker 52 und mit einer oder mehreren
Hauptworkstations oder Computern 54 (die jede Art von PC,
Workstation usw. sein können), die jeweils einen Bildschirm
56 haben, verbunden ist. Die Steuereinheit 50 kann ferner
mit den Prozeßsteuereinrichtungen 18, 20 und 22 und mit den
Prozeßmeßeinrichtungen 24, 26 und 28 über Ein-Ausgabe-Karten
bzw. E-A-Karten 58 und 60 verbunden sein. Der
Datenhistoriker 52 kann jede gewünschte Art von
Datensammeleinheit sein, die jede gewünschte Speicherart und
jede gewünschte oder bekannte Software, Hardware oder
Firmware hat, um Daten zu speichern, und kann ein Teil einer
der Workstations 54 oder davon separat (wie in Fig. 4
gezeigt) sein. Die Steuereinheit 50, die beispielsweise die
DeltaV™ Steuereinheit ist, die von Fisher-Rousemount
Systems entwickelt/hergestellt wird, ist mit den
Hauptrechnern 54 und dem Datenhistoriker 52 beispielsweise
über eine Ethernetverbindung oder jedes andere gewünschte
Kommunikationsnetz kommunikativ verbunden. Die Steuereinheit
50 ist ferner kommunikativ mit den Prozeßsteuereinrichtungen
18, 20 und 22 und den Prozeßmeßeinrichtungen 24, 26 und 28
verbunden unter Anwendung jeder gewünschten Hardware und
Software, die beispielsweise Standardeinrichtungen von
4-20 mA zugeordnet sind, und/oder jedem intelligenten
Kommunikationsprotokoll wie etwa dem Fieldbus-Protokoll, dem
HART-Protokoll usw.
Obwohl das Steuerungssystem 10, wie oben gesagt, unter
Bezugnahme auf die Steuerung des chemischen
Reaktionsprozesses 16 beschrieben wird, kann es statt dessen
verwendet werden, um jede Art von Prozeß zu steuern.
Außerdem können die Feldeinrichtungen 18, 20, 22, 24, 26 und
28 mit jeder Art von Einrichtungen wie etwa Sensoren,
Ventilen, Meßwertgebern, Stellelementen usw. implementiert
werden, und die E-A-Karten 58 und 60 können jede Art von E-
A-Einrichtung sein, die zu einem gewünschten Kommunikations-
oder Steuereinheits-Protokoll passen. Beispielsweise können
die Feldeinrichtungen 18, 20, 22, 24, 26 und 28 unter
Verwendung von 4-20 mA-Standardeinrichtungen implementiert
werden, die über Analogleitungen mit der E-A-Karte 58
kommunizieren, oder können statt dessen unter Verwendung von
intelligenten Einrichtungen wie etwa Fieldbus-
Feldeinrichtungen implementiert werden, die über einen
Digitalbus mit der E-A-Karte 58 unter Nutzung von Fieldbus-
Protokoll-Kommunikationen in Verbindung treten. Allgemein
gesagt ist das Fieldbus-Protokoll ein vollständig digitales,
serielles Zweiwege-Kommunikationsprotokoll, das eine
standardisierte physische Schnittstelle zu einer
Zweidrahtschleife oder einem Zweidrahtbus bildet, der
Feldeinrichtungen miteinander verbindet. Tatsächlich bildet
das Fieldbus-Protokoll ein lokales Datennetz für
Feldeinrichtungen innerhalb eines Prozesses, das es diesen
Feldeinrichtungen ermöglicht, Prozeßsteuerfunktionen (unter
Nutzung von Funktionsblöcken, die nach dem Fieldbus-
Protokoll definiert sind) an Stellen auszuführen, die in
einer Prozeßanlage verteilt sind, und miteinander vor und
nach der Durchführung dieser Prozeßsteuerfunktionen zu
kommunizieren, um eine Gesamtsteuerungsstrategie zu
implementieren. Es versteht sich, daß das Fieldbus-Protokoll
zwar ein relativ neues, vollständig digitales
Kommunikationsprotokoll ist, das zur Verwendung in
Prozeßsteuerungsnetzen entwickelt wurde, dieses Protokoll
jedoch im Stand der Technik bekannt und im einzelnen in
zahlreichen Artikeln, Broschüren und Beschreibungen
beschrieben wurde, die unter anderem von der Fieldbus
Foundation, einer gemeinnützigen Organisation mit dem Sitz
in Austin, Texas, veröffentlicht, verteilt und verfügbar
gemacht werden. Infolgedessen werden die Einzelheiten des
Fieldbus-Kommunikationsprotokolls hier nicht im Detail
beschrieben. Selbstverständlich könnten die
Feldeinrichtungen 18, 20, 22, 24, 26 und 28 irgendwelchen
anderen gewünschten Standards oder Protokollen
einschließlich solchen Standards oder Protokollen, die noch
entwickelt werden, entsprechen.
Es wird weiterhin auf Fig. 4 Bezug genommen; zur Steuerung
des Prozesses 16 kann die Steuereinheit 50 so ausgebildet
sein, daß sie eine weiterentwickelte Steuerschleife 62 (die
eine Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Steuerschleife ist)
implementiert, die einen weiterentwickelten Steuerblock 64
hat, der drei analoge Eingangssignale von einer Gruppe von
Analogeingangs- bzw. AI-Funktionsblöcken 66 empfängt und
drei analoge Ausgangssignale an eine Gruppe von
Analogausgangs- bzw. AO-Funktionsblöcke 68 abgibt. Jeder
Analogeingangs-Funktionsblock 66 ist einem der Sensoren 24,
26 und 28 zugeordnet, und jeder der Analogausgangs-
Funktionsblöcke 68 ist einem der Ventile 18, 20, 22
zugeordnet. Wie nachstehend beschrieben wird, ist der
weiterentwickelte Steuerblock 64 so ausgebildet, daß er die
integrierte optimale Modellvorhersage-Steuerung ausführt
(d. h. als die IOMPC 12 von Fig. 1 wirkt). Gemäß der
herkömmlichen Terminologie von Steuerungssystemen
repräsentiert jeder Funktionsblock einen Teil (z. B. eine
Subroutine) der gesamten Steuerungsroutine, und jeder
Funktionsblock wirkt gemeinsam mit den anderen
Funktionsblöcken (über als Verbindungen bezeichnete
Kommunikationsmittel) zur Implementierung der
Prozeßsteuerschleife 62 innerhalb des
Prozeßsteuerungssystems 10. Funktionsblöcke führen
typischerweise eine von einer Eingangsfunktion, wie sie etwa
einem Meßumformer, einem Sensor oder anderen
Meßeinrichtungen für Prozeßparameter zugeordnet sind, einer
Steuerfunktion, wie sie etwa einer Steuerungsroutine
zugeordnet ist, die PID-, Fuzzylogik-, MPC-Steuerung usw.
ausführt, oder einer Ausgangsfunktion, die die Aktivität
einer Einrichtung wie etwa eines Ventils steuert, aus, um
eine physische Funktion innerhalb des
Prozeßsteuerungssystems 10 auszuführen. Die Funktionsblöcke
66 und 68 sind in der Steuereinheit 50 gespeichert und
werden von dieser ausgeführt, aber sie können alternativ in
den Feldeinrichtungen 18, 20, 22, 24, 26 und 28 gespeichert
sein und von diesen implementiert werden.
Wie Fig. 4 zeigt, umfaßt eine der Workstations 54 eine
weiterentwickelte Steuerblock-Erzeugungsroutine 70, die dazu
dient, den weiterentwickelten Steuerblock 64 auf eine noch
zu beschreibende Weise zu erschaffen, herunterzuladen und zu
implementieren. Die weiterentwickelte Steuerblock-
Erzeugungsroutine 70 kann zwar in einem Speicher in der
Workstation 54 gespeichert sein und von einem dort
befindlichen Prozessor ausgeführt werden, aber diese Routine.
(oder jeder Teil davon) kann außerdem oder alternativ in
anderen Einrichtungen innerhalb des Prozeßsteuerungssystems
10 gespeichert sein und davon ausgeführt werden, wenn das
gewünscht wird. Im allgemeinen umfaßt die weiterentwickelte
Steuerblock-Erzeugungsroutine 70 eine Steuerblock-
Erschaffungsroutine 72, die den erweiterten Steuerblock 64
erschafft und den erweiterten Steuerblock 64 in das
Prozeßsteuerungssystem einfügt, eine Prozeßmodellierroutine
74, die ein Prozeßmodell für den Prozeß oder einen Teil
davon auf der Basis von Daten, die von dem erweiterten
Steuerblock 64 gesammelt werden, erschafft, und eine
Steuerlogikparameter-Erschaffungsroutine 76, die
Steuerlogikparameter für den erweiterten Steuerblock 64 aus
dem Prozeßmodell erschafft und diese Steuerlogikparameter in
dem erweiterten Steuerblock 64 speichert oder in ihn
herunterlädt, um sie bei der Steuerung des Prozesses 16 zu
nutzen. Es versteht sich, daß die Routinen 72, 74 und 76 aus
einer Reihe von verschiedenen Routinen zusammengestellt sein
können, beispielsweise einer ersten Routine, die ein
erweitertes Steuerelement erschafft, das Steuereingänge hat,
die ausgebildet sind zum Empfang von Prozeßausgängen, und
Steuerausgänge hat, die ausgebildet sind, um Steuersignale
an Prozeßeingänge zu liefern, einer zweiten Routine, die es
einem Anwender ermöglicht, das erweiterte Steuerelement
innerhalb der Prozeßsteuerungsroutine (die eine Routine
jeder gewünschten Konfiguration sein kann) kommunikativ
einzufügen, einer dritten Routine, die das erweiterte
Steuerelement nutzt, um Anregungswellenformen an jeden der
Prozeßeingänge zu liefern, einer vierten Routine, die das
erweiterte Steuerelement nutzt, um Daten zu sammeln, die die
Reaktion jedes der Prozeßausgänge auf die
Anregungswellenformen reflektieren, einer fünften Routine,
die aus den gesammelten Daten ein Prozeßmodell erschafft,
einer sechsten Routine, die erweiterte Steuerlogikparameter
aus dem Prozeßmodell entwickelt, und einer siebten Routine,
die die erweiterte Steuerlogik und im Bedarfsfall das
Prozeßmodell in dem erweiterten Steuerelement plaziert, um
dem erweiterten Steuerelement zu ermöglichen, den Prozeß zu
steuern.
Die erweiterte Steuerblockerzeugungsroutine 70 kann ferner
ein graphisches Schnittstellenprogramm 78 aufweisen, das
einem Anwender die Kommunikation mit der erweiterten
Steuerblockerzeugungsroutine 70 erlaubt, um dadurch
Konfigurationsinformation bereitzustellen, die von der
erweiterten Steuerblockerzeugungsroutine 70 genutzt wird, um
das Prozeßsteuerungssystem 10 für die Steuerung des
Prozesses 16 auszubilden und zu konfigurieren.
Gemäß Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm 80 die Schritte eines
Verfahrens zur Ausbildung/Konfigurierung der erweiterten
Steuerschleife 62 für die Durchführung der integrierten
Optimalmodellvorhersage-Steuerung des Prozesses 16. Das
Verfahren beginnt in Schritt 82, in dem das Optimierungsziel
ausgewählt wird. Wie oben beschrieben wird, ist das für die
Optimierung ausgewählte Optimierungsziel bei dem
dargestellten Beispiel die Produktionsrate, d. h. der
Prozeßdurchsatz.
Als nächstes beginnt der Anwender in Block 84 mit der
Konfigurierung des Prozeßsteuerungssystems 10 durch Zuführen
von Konfigurationsinformation zu der
Steuerblockerzeugungsroutine 70 über das graphische
Benutzeroberflächenprogramm 78. Das graphische
Benutzeroberflächenprogramm 78 fordert nach Initiierung den
Benutzer bevorzugt auf, die Steuerungsstrategie zu
spezifizieren, die zur Konfigurierung des Steuerungssystems
verwendet wird. Wie bereits beschrieben wurde, kann eine
Steuerungsstrategie, die Funktionsblöcke verwendet,
angewandt werden, um das Steuerungssystem 10 darzustellen,
und in diesem Fall antwortet der Benutzer auf die
Aufforderung durch Bezeichnen einer Funktionsblock-
Steuerungsstrategie. Wenn der Benutzer eine alternative
Steuerungsstrategie verwenden möchte, beispielsweise
Leiterlogik oder Sequenzarbeitspläne, kann der Benutzer
natürlich die gewählte Strategie entsprechend bezeichnen.
Nach der Benennung der Steuerungsstrategie kann das
graphische Benutzeroberflächenprogramm 78 den Benutzer
auffordern, die Anzahl der Funktionsblöcke, die zur
Implementierung des Prozeßsteuerungssystems 10 verwendet
werden, zu benennen. In bezug auf den Prozeß 16 gibt der
Benutzer beispielsweise an, daß die erweiterte
Steuerschleife 62 die drei Analogeingangs-Funktionsblöcke
66, die drei Analogausgangs-Funktionsblöcke 68 und den
erweiterten Steuerblock 64 umfaßt. Nachdem die Anzahl der
Funktionsblöcke angegeben ist, kann das graphische
Benutzeroberflächenprogramm 58 veranlassen, daß die
Steuerblockerschaffungsroutine 72 initiiert wird. Nach der
Initiierung erzeugt die Steuerblockerschaffungsroutine 72
sieben Steuerblöcke, und zwar jeweils einen zur Darstellung
der sechs Analogeingangs- und Analogausgangs-Funktionsblöcke
66 und 68 und einen zur Darstellung des erweiterten
Steuerblocks 64. Während der Erzeugung der Steuerblöcke, die
die Analogeingangs- und -ausgangs-Funktionsblöcke 66, 68
darstellen, fordert die Steuerblockerschaffungsroutine 72
den Benutzer auf, die Art und Weise zu benennen, in der
jeder der Funktionsblöcke 66 und 68 mit dem erweiterten
Steuerblock 64 zu verbinden ist, und fordert den Benutzer
ferner auf, die Funktion zu benennen, die von jedem der
Funktionsblöcke auszuführen ist, d. h. daß jeder der
Analogeingangs-Funktionsblöcke 66 einem der Sensoren 24, 26
und 28 zugeordnet ist und daß jeder der Analogausgangs-
Funktionsblöcke 68 einem der Ventile 18, 20 und 22
zugeordnet ist. Ferner wird der Benutzer aufgefordert, jede
weitere Information zu benennen, die erforderlich ist, um
die Funktionsblöcke 66, 68 zu erschaffen/zu konfigurieren,
was beispielsweise die eventuellen Verstärkungsfaktoren, die
den Funktionsblöcken 66, 68 zugeordnet sind, und/oder eine
Skalierung umfaßt, die an den Signalen, die von den
Funktionsblöcken erzeugt werden, durchgeführt werden muß.
Wenn die Steuerblockerschaffungsroutine 72 den erweiterten
Steuerblock 64 erschafft, kann der Benutzer ferner
aufgefordert werden, das Steuerverfahren zu benennen, das
von dem erweiterten Steuerblock 64 durchzuführen ist. Als
Antwort gibt der Benutzer an, daß der erweiterte Steuerblock
64 so konfiguriert werden soll, daß er die integrierte
Optimalmodellvorhersage-Steuerung durchführt, d. h. er gibt
an, daß der erweiterte Steuerblock 64 als die IOMPC 12
(siehe Fig. 1) wirksam sein soll. Als nächstes wird der
Benutzer aufgefordert, die zu dem Prozeß 16 gehörenden
Eingänge und Ausgänge zu bezeichnen. Unter gleichzeitiger
Bezugnahme auf Fig. 1 ist der Prozeß 16 so dargestellt, daß
er drei Eingänge X1, X2, X3 aufweist, die den Positionen der
drei Ventile 18, 20 und 22 zugeordnet sind, und der Prozeß
hat ferner drei Ausgänge Y1, Y2 und Y3, die jeweils den
Messungen zugeordnet sind, die von den Sensoren 24, 26 bzw.
28 geliefert werden. Nachdem die Prozeßeingänge X1, X2, X3
und Y1, Y2, Y3 bezeichnet worden sind, konfiguriert die
Steuerblockerschaffungsroutine 72 den erweiterten
Steuerblock 64 so, daß er als eine IOMPC wirkt und drei
Ausgänge OUT1, OUT2 und OUT3 hat, die mit den
Prozeßeingängen X1, X2 und X3 gekoppelt sind, und drei
Eingänge IN1, IN2 und IN3 hat, die mit den Prozeßausgängen
Y1, Y2 und Y3 gekoppelt sind.
Es wird weiterhin auf Fig. 5 Bezug genommen. In Schritt 84
der Benennung der Konfiguration veranlaßt die
Steuerblockerschaffungsroutine 72 das graphische
Benutzeroberflächenprogramm 78, den Benutzer zur Bezeichnung
der OMV aufzufordern. Wie oben beschrieben wird, wird bei
dem gezeigten Beispiel davon ausgegangen, daß die
Dampfdurchflußmenge MV3 zu optimieren ist, um die
Produktionsrate zu maximieren, und daher wird MV3 der
Steuerblockerschaffungsroutine 72 vom Benutzer als die OMV
genannt. Nachdem die Identität der OMV der
Steuerblockerschaffungsroutine 72 zugeführt wurde, erschafft
die Steuerblöcke 72 automatisch eine optimierte Steuergröße
(OCV), die mit der OMV in Beziehung steht. Gemäß der oben
gegebenen Beschreibung der OCV entspricht die OCV keinem der
tatsächlichen Prozeßausgänge, d. h. Y1, Y2, Y3, sondern ist
statt dessen als eine Steuergröße konfiguriert, die mit der
OMV durch eine Einheitsverstärkung in Beziehung steht.
Während des Schritts 84 kann die
Steuerblockerschaffungsroutine 72 den Benutzer weiterhin
auffordern, die Standardwerte der Sollwerte CV1SP und CV2SP
und die Werte der Restriktionen MV1CON, MV2CON und OMVCON zu
nennen. Nach Erhalt des Werts für die OMVCON erschafft die
Steuerblockerschaffungsroutine 72 einen Sollwert für die
OCV, der als OCVSP bezeichnet wird und gleich dem Wert der
OMVCON ist.
In Schritt 84 kann es erforderlich sein, zusätzlich weitere
Logikparameter für die Steuerblockerschaffungsroutine 72 zu
benennen, beispielsweise den Zeitrahmen, über den
Steuerungsänderungen vorzunehmen sind (z. B. die
Sollwertverlaufsbahn-Filterzeitkonstanten), die maximale
oder minimale Bewegung (Ratengrenzwert) eines MPC-Ausgangs
oder eines Prozeßausgangs, ob irgendwelche der gesteuerten
Parameter integrierte Steuerparameter sind, IOMPC-
Optimierungsfaktoren, Variablen oder Abstimmparameter, den
Steuerungshorizont des IOMPC-Steuerblocks 64, d. h. um wie
viele Vorwärtsschritte Stellgrößenwerte zu berechnen sind,
um einen gewünschten Zustand zu steuern, die
Auslegungseinheitsbereiche für jeden der Eingänge und
Ausgänge des IOMPC-Blocks 64, welche der gesteuerten
Variablen herabgesetzt werden darf oder nicht realisiert
wird, wenn eine der Restriktionen verletzt wird, den Wert
von Parametern, die auf die Aggressivität oder Robustheit
der MPC bezogen sind, usw.
Als nächstes wird in Fig. 5 in Schritt 86 die erweiterte
Steuerschleife 62, die in Block 84 konfiguriert wurde,
automatisch in die Steuereinheit 50 heruntergeladen, und die
Eingänge und Ausgänge des erweiterten Steuerblocks 64 werden
kommunikativ mit den entsprechenden Prozeßein- und
-ausgängen verbunden. Wie Fig. 1 zeigt, wo der erweiterte
Steuerblock 64 durch die IOMPC 12 dargestellt ist, werden
dabei die Prozeßausgänge Y1-Y3 kommunikativ mit den IOMPC-
Eingängen IN1-IN3 und die Prozeßeingänge X1-X3 kommunikativ
mit den IOMPC-Ausgängen OUT1-OUT3 verbunden. Der Einfachheit
halber sind der Analogeingangs-Funktionsblock 66 und der
Analogausgangs-Funktionsblock 68 aus dem Blockbild von Fig. 1
weggelassen, sie werden aber als mit den Eingängen und
Ausgängen der IOMPC 12 gekoppelt angenommen.
Selbstverständlich kann der Benutzer den erweiterten
Steuerblock 64 auf jede gewünschte Weise mit dem Prozeß 16
verbinden und verwendet im allgemeinen die gleiche
Steuerkonfiguration oder das gleiche Auslegungsprogramm, das
der Benutzer verwendet, um andere Steuerschleifen wie
Einzelschleifen-Steuerroutinen innerhalb des
Prozeßsteuerungssystems 10 zu erschaffen. Beispielsweise
kann der Benutzer jede gewünschte graphische
Programmierroutine anwenden, um die Verbindungen zwischen
dem erweiterten Steuerblock 64 und den Prozeßein- und
-ausgängen zu bezeichnen. Auf diese Weise wird der
erweiterte Steuerblock 64 auf die gleiche Weise wie andere
Steuerblöcke, Elemente oder Routinen unterstützt, was die
Konfigurierung und Verbindung des erweiterten Steuerblocks
64 und die Unterstützung dieses Blocks innerhalb des
Steuerungssystems 10 gleichwie die Konfiguration,
Verbindung und Unterstützung der anderen Blöcke innerhalb
des Systems macht. Bei einer Ausführungsform sind der
erweiterte Steuerblock 64 sowie die anderen Blöcke im
Steuerungssystem 10 Funktionsblöcke, die so ausgebildet
sind, daß sie gleich oder ähnlich wie Fieldbus-
Funktionsblöcke sind. Bei dieser Ausführungsform kann der
erweiterte Steuerblock 64 die gleichen oder ähnlichen Arten
von Eingängen, Ausgängen usw. haben, wie sie in dem
Fieldbus-Protokoll bezeichnet oder vorgesehen sind, und ist
imstande, beispielsweise durch die Steuereinheit 50 unter
Anwendung von Kommunikationsverbindungen implementiert zu
werden, die gleich oder gleichartig wie diejenigen des
Fieldbus-Protokolls sind. Eine Methode der graphischen
Erschaffung von Prozeßsteuerroutinen und Elementen davon ist
von Dove et al. in der US-PS 5 838 563 mit dem Titel "System
for Configuring a Process Control Environment" beschrieben,
die hier summarisch eingeführt wird. Selbstverständlich
könnten auch andere Steuerschleifen- oder Steuermodul-
Auslegungsstrategien angewandt werden, was solche
einschließt, die andere Arten von Funktionsblöcken oder
andere Routinen, Subroutinen oder Steuerelemente innerhalb
eines Prozeßsteuerungs-Konfigurationsparadigmas anwenden.
Wie Fig. 1 zeigt, kann der in Schritt 86 in die
Steuereinheit 50 heruntergeladene (siehe Fig. 5) erweiterte
Steuerblock 64 folgendes aufweisen: eine Datensammelroutine
100, die alternativ in dem Datenhistoriker 52 gespeichert
sein kann, einen Wellenformgenerator 101, eine generische
Steuerlogik 102, einen Speicher 103 zur Speicherung von
Steuerparametern und ein Prozeßmodell 104. Die generische
Steuerlogik 102 kann beispielsweise eine generische MPC-
Routine sein, die Koeffizienten oder andere Steuerparameter
benötigt, um in einem bestimmten Fall die Steuerung
durchzuführen. In einigen Fällen kann die generische Logik
102 auch ein Prozeßmodell für den zu steuernden Prozeß
benötigen.
Es wird erneut auf Fig. 5 Bezug genommen; nachdem der
erweiterte Steuerblock 64 in Schritt 86 in die Steuereinheit
heruntergeladen wurde, wird Schritt 88 durchgeführt, in dem
der erweiterte Steuerblock 64 über die
Prozeßmodellierroutine 74 angewiesen wird, die nächste
Entwicklungsphase des erweiterten Steuerblocks 64 zu
beginnen, in der für jeden der Prozeßausgänge Daten zur
Nutzung bei der Erschaffung eines Prozeßmodells gesammelt
werden. Nach entsprechender Anweisung durch den Benutzer
(oder zu einer anderen gewünschten Zeit) beginnt dabei der
Wellenformgenerator 101 des erweiterten Steuerblocks 64 mit
der Erzeugung einer Serie von Wellenformen an seinen
Ausgängen OUT1-OUT3, um Anregungswellenformen an jeden der
Prozeßeingänge X1-X3 zu liefern. Falls gewünscht, können
diese Wellenformen von Software innerhalb der
Benutzerworkstation 54 an den Generator 101 geliefert
werden, aber bevorzugt werden sie von dem Generator 101
erzeugt. Die von dem Wellenformgenerator 101 erzeugten
Wellenformen sind bevorzugt so ausgebildet, daß sie den
Prozeß 16 veranlassen, über die verschiedenen Bereiche von
Eingängen wirksam zu sein, die während des Normalbetriebs
des Prozesses zu erwarten sind. Für eine richtige Auslegung
des erweiterten Steuerblocks 64 sollten die den
Prozeßeingängen IN1, IN2 und IN3 zugeführten
Eingangswellenformen den Durchflußmengen des
Einsatzmaterials, des Wassers und des Dampfs anstelle der
Stellungen der Ventile 18, 20 und 22 entsprechen. Wenn sie
also nicht bereits bekannt sind, ist es notwendig, die
Durchflußmengen entsprechend den verschiedenen
Ventilstellungen zu errechnen und diese Mengen der IOMPC-
Erschaffungsroutine 72 zuzuführen.
Der Wellenformgenerator 101 kann jedem der Prozeßeingänge
X1-X3 eine Serie von unterschiedlichen Mengen von Impulsen
zuführen, wobei die Impulse innerhalb jeder der Mengen von
Impulsen gleiche Amplitude, jedoch pseudozufällige Längen
haben und wobei die Impulse innerhalb der verschiedenen
Mengen von Impulsen unterschiedliche Amplituden haben. Die
Menge von Impulsen kann für jeden der verschiedenen
Prozeßeingänge X1-X3 sequentiell, jeweils einzeln zu einem
Zeitpunkt, erzeugt und dann zugeführt werden. Während dieses
Zeitraums sammelt die Datensammeleinheit 100 innerhalb des
erweiterten Steuerblocks 64 die Sammeldaten - oder
koordiniert die Sammeldaten auf andere Weise -, die die
Reaktion der Prozeßausgänge Y1-Y3 auf jede der von dem
Wellenformgenerator 101 erzeugte Wellenform bezeichnen, und
kann Daten, die sich auf die erzeugte Anregungswellenform
beziehen, sammeln oder deren Sammeln koordinieren. Diese
Daten können in dem erweiterten Steuerblock 64 gespeichert
werden, werden jedoch bevorzugt automatisch dem
Datenhistoriker 52 zur Speicherung und/oder zu der
Workstation 54 übermittelt, wo diese Daten auf dem
Bildschirm 56 angezeigt werden können.
Auf diese Weise liefert der erweiterte Steuerblock 64 eine
Menge von Anregungswellenformen an den Prozeß 16 und mißt
die Antwort des Prozesses 16 auf diese
Anregungswellenformen. Selbstverständlich können die von dem
Wellenformgenerator 101 erzeugten Anregungswellenformen jede
gewünschte Wellenform sein, die als nützlich bei der
Entwicklung eines Prozeßmodells für eine Modellvorhersage-
Steuereinheit bekannt sind, und diese Wellenformen können
jede heute bekannte oder in Zukunft für diesen Zweck
entwickelte Form haben. Da Wellenformen, die zum Anregen
eines Prozesses für die Zwecke der Datensammlung zur
Entwicklung eines Prozeßmodells für die
Modellvorhersagesteuerung dienen, wohlbekannt sind, werden
diese Wellenformen hier nicht näher beschrieben.
Es ist zu beachten, daß der Wellenformgenerator 101 jede
gewünschte Form haben kann und beispielsweise in Hardware,
Software oder einer Kombination aus beiden implementiert
sein kann. Wenn er in Software implementiert ist, kann der
Wellenformgenerator 101 einen Algorithmus speichern, der zum
Erzeugen der gewünschten Wellenformen genutzt werden kann,
kann digitale Darstellungen der zu erzeugenden Wellenformen
speichern oder kann jede andere Routine oder andere
gespeicherte Daten zum Erschaffen solcher Wellenformen
nutzen. Wenn er in Hardware implementiert ist, kann der
Wellenformgenerator 101 beispielsweise ein
Rechteckwellengenerator sein. Falls gewünscht, kann der
Benützer aufgefordert werden, bestimmte Parameter
einzugeben, die zur Bildung der Wellenformen erforderlich
sind, etwa die ungefähre Ansprechzeit des Prozesses, die
Schrittgröße der Amplitude der den Prozeßeingängen
zuzuführenden Wellenformen usw. Der Benutzer kann nach
diesen Informationen gefragt werden, wenn der erweiterte
Steuerblock 64 erstmals erschaffen wird oder wenn der
Benutzer den erweiterten Steuerblock 64 anweist, mit der
Einrichtung oder Anregung des Prozesses zu beginnen und
Prozeßdaten zu sammeln.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sammelt die
Datensammeleinheit 100 Daten (oder stellt auf andere Weise
das Sammeln von Daten sicher) als Reaktion auf jede der
Anregungswellenformen mit der drei- bis fünffachen
Ansprechzeit für einen Einzelausgangsprozeß und bis zur
zehnfachen oder noch höheren Ansprechzeit für einen
Vielfachgrößen-Prozeß, um sicherzustellen, daß ein
vollständiges und exaktes Prozeßmodell entwickelt werden
kann. Daten können jedoch auch innerhalb jedes anderen
Zeitraums gesammelt werden. In jedem Fall ist der erweiterte
Steuerblock 64 bevorzugt wirksam, bis der
Wellenformgenerator 101 die Abgabe aller notwendigen
Anregungswellenformen an jeden der Prozeßeingänge X1-X3
beendet hat und die Datensammeleinheit 100 Daten für die
Prozeßausgänge Y1-Y3 gesammelt hat. Selbstverständlich kann
während dieses Datensammelvorgangs die Operation des
erweiterten Steuerblocks 64 unterbrochen werden, falls dies
gewünscht wird oder notwendig ist.
Es wird weiterhin auf Fig. 5 Bezug genommen; nachdem die
Anregungsdaten gesammelt sind, werden sie zur Erzeugung des
Prozeßmodells genutzt. Das Prozeßmodell kann unter Anwendung
jeder bekannten Art von Prozeßmodellieranalyse erzeugt
werden, und das entwickelte Prozeßmodell kann jede Form wie
etwa ein mathematischer Algorithmus, eine Serie von
Ansprechkurven usw. sein. Da die Qualität des erzeugten
Prozeßmodells von der Qualität der gesammelten
Anregungsdaten abhängig ist, wird im allgemeinen ein
Datenscreening durchgeführt, bevor das Prozeßmodell erzeugt
wird, um Ausreißer und andere unzuverlässige Datenpunkte aus
der Datenmenge zu entfernen. Das Prozeßmodell, das erzeugt
wird, kann automatisch in jeder gewünschten Datenbank
gesichert werden, um für den späteren Gebrauch verfügbar zu
sein.
Nachdem das Prozeßmodell erschaffen ist, wird in Schritt 90
die Steuerlogikparameter-Erschaffungsroutine 76 ausgeführt,
um dadurch eine Menge von IOMPC-
Prozeßmodellkoeffizienten/Steuereinheitskoeffizienten oder
Steuerlogikparametern zu erzeugen. Die Steuerlogikparameter,
die von dem erweiterten Steuerblock 64 zur Steuerung des
Prozesses 16 genutzt werden, werden erzeugt durch
Invertieren der Matrix, die das Prozeßmodell darstellt. Die
Einzelheiten der Erschaffung eines Prozeßmodells aus
gesammelten Daten für einen Prozeß und der Erzeugung von MPC
oder anderen Steuerlogikparametern aus diesem Prozeßmodell
durch Invertierung der Matrix von gesammelten Daten ist im
Stand der Technik bekannt, und diese Vorgänge werden hier
nicht näher beschrieben. Es versteht sich, daß der hier
beschriebene Vorgang zum Erzeugen der Logikparameter zwar
die Invertierung der Prozeßmodellmatrix umfaßt, daß aber
statt dessen jede andere gewünschte Erschaffungsroutine für
die Logikparameter angewandt werden kann.
Es wird weiterhin auf Fig. 5 Bezug genommen; nachdem die
IOMPC-Steuerlogikparameter erschaffen sind, können die
IOMPC-Steuerlogikparameter oder Koeffizienten in Schritt 92
getestet werden, wobei ein Prozeßsimulationsblock verwendet
wird. Dieser Simulationsblock kann im allgemeinen aus dem
für den Prozeß erschaffenen Prozeßmodell entwickelt werden
und mit dem erweiterten Steuerblock 64 in einer Prüfumgebung
verbunden werden, um zu testen, ob die erschaffene IOMPC-
Steuerlogik über den Bereich des normalen Prozeßbetriebs
zufriedenstellend arbeitet. Wenn die IOMPC-Logik nicht
befriedigend ist, können die Schritte 86, 88 und 90 entweder
einzeln oder sämtlich wiederholt werden, um eine ändere
IOMPC-Steuerlogik zu entwickeln. Wenn jedoch die IOMPC-
Steuerlogik zufriedenstellend ist, werden die IOMPC-
Steuerlogikparameter und das Prozeßmodell, die in dem
Parameterspeicher 103 und dem Prozeßmodellspeicher 104
gespeichert sind, von dem erweiterten Steuerblock 64 in
Schritt 94 genutzt, um den Prozeß 16 zu steuern. Auf diese
Weise werden die von der IOMPC-Steuerlogik benötigten
Parameter dem erweiterten Steuerblock 64 zugeführt und sind
darin enthalten, und der erweiterte Steuerblock 64 kann
damit beauftragt werden, die Steuerung als die IOMPC 12
innerhalb des Prozesses entsprechend der IOMPC-Steuerlogik
102 tatsächlich auszuführen. Falls gewünscht, kann natürlich
die eigentliche IOMPC-Logik 102 gemeinsam mit den dafür
erforderlichen Parametern in der Workstation 54 erschaffen
und in den IOMPC-Block 64 heruntergeladen werden.
Für den Fachmann sind bestimmte Modifikationen ersichtlich.
Beispielsweise kann die IOMPC 12 so konfiguriert werden, daß
sie mehr als ein Optimierungsziel optimiert, und in diesem
Fall werden zwei oder mehr Stellgrößen 06041 00070 552 001000280000000200012000285910593000040 0002010127788 00004 05922 in Abhängigkeit von
der Zahl von Optimierungszielen für die Optimierung
bezeichnet. Wenn es dabei erwünscht ist, sowohl den
Produktdurchsatz als auch die Produktionskosten zu
optimieren (d. h. den Durchsatz zu maximieren und die Kosten
zu minimieren), werden die Stellgrößen, die für die
Optimierung dieser Merkmale genutzt werden (d. h. die
Stellgrößen, die auf diese Merkmale den größten Einfluß
haben), bezeichnet. Als nächstes wird eine separate
Optimierungssteuergröße für jede optimierte Stellgröße
zugeordnet, und die IOMPC wird so konfiguriert, daß jede der
OMV mit ihrer jeweiligen OCV durch eine Einheitsverstärkung
verknüpft ist. Die IOMPC kann so programmiert werden, daß
sie die OMVs auf identische Weise oder auf Prioritätsbasis
verwaltet. Wenn dabei der Prozeß auf optimale Weise
betrieben wird, wobei die OMV bei ihren optimalen Werten
aktiv sind, und wenn ein Zukunftswert einer Stellgröße, die
von den OMV verschieden ist, seine jeweilige Restriktion
überschreitet, kann die IOMPC so programmiert sein, daß sie
eine gleichzeitige Abweichung beider OMV von ihren
Optimalwerten verursacht. Alternativ können den OMV
Prioritäten zugeordnet werden, so daß im Fall einer
überschrittenen Restriktion die IOMPC die OMV veranlaßt, von
ihren optimalen Werten in einer Reihenfolge, die auf der
zugeordneten Priorität basiert, abzuweichen.
Es versteht sich natürlich, daß die Anzahl der Stellgrößen,
die ihre jeweiligen Restriktionsgrenzen erreichen oder
überschreiten müssen, damit der Prozeß in den unerwünschten
Zustand eintritt, von der Anzahl von Prozeßeingangsgrößen,
die dem Prozeß zugeordnet sind, abhängig ist. Insbesondere
definiert die Anzahl von Prozeßeingangsgrößen die
Freiheitsgrade für ein Prozeßsteuerungssystem, und je größer
die Zahl der Freiheitsgrade ist, um so größer ist die Zahl
von Stellgrößen, die an oder über ihren jeweiligen
Restriktionen wirksam sein können, ohne daß der Prozeß
veranlaßt wird, in den unerwünschten Zustand einzutreten.
Obwohl also, wie das unter Bezugnahme auf den Prozeß 16 von
Fig. 2 beschrieben wird, ein unerwünschter Zustand eintritt,
wenn zwei oder mehr der Stellgrößen (einschließlich der OMV)
ihre jeweiligen Restriktionsgrenzen erreichen oder
überschreiten, kann ein Prozeß, der eine größere Zahl von
Prozeßeingangsgrößen hat, imstande sein, mit einer größeren
Zahl von Stellgrößen bei oder über ihren jeweiligen zu
Restriktionsgrenzen arbeiten, ohne daß der Prozeß in den
unerwünschten Zustand gelangt.
Ferner kann die durch die Blöcke 30-44 in Fig. 3
dargestellte Methode statt dessen unter Verwendung einer
Fuzzylogik-Steuereinheit implementiert werden, um eine
integrierte optimale Fuzzylogik-Steuerung auszuführen.
Es ist ferner zu beachten, daß jede hier beschriebene
Software, falls sie implementiert ist, in jedem
computerlesbaren Speicher wie etwa auf einer Magnetplatte,
einer Laserplatte oder einem anderen Speichermedium, in
einem RAM oder Rom eines Rechners oder Prozessors usw.
gespeichert werden kann. Ebenso kann diese Software einem
Benutzer, einem Prozeßsteuerungssystem oder dem Rechner nach
jeder bekannten oder gewünschten Methode zugeführt werden,
was beispielsweise eine computerlesbare Platte oder einen
anderen transportierbaren Computerspeichermechanismus
einschließt, oder über einen Kommunikationskanal wie etwa
eine Telefonleitung, das Internet, das World Wide Web, jedes
andere lokale Datennetz oder weiträumige Netz usw. (diese
Abgabe wird als gleich oder austauschbar mit der
Bereitstellung dieser Software über ein transportables
Speichermedium angesehen). Ferner kann diese Software direkt
ohne Modulation bereitgestellt werden, oder sie kann unter
Nutzung jeder geeigneten Modulationsträgerwelle moduliert
werden, bevor sie über einen Nachrichtenkanal übertragen
wird.
Ferner ist zu beachten, daß jede Steuerungsroutine oder
jedes der Elemente, die hier beschrieben werden, Teile haben
kann, die von verschiedenen Steuereinheiten oder anderen
Einrichtungen implementiert oder ausgeführt werden, wenn das
gewünscht wird. Ebenso können die hier beschriebenen
Steuerroutinen oder Elemente, die in dem
Prozeßsteuerungssystem 10 zu implementieren sind, jede Form
einschließlich Software, Firmware, Hardware usw. haben. Für
die Zwecke der Erfindung kann ein Prozeßsteuerungselement
jeder Teil oder Bereich eines Prozeßsteuerungssystems sein,
was beispielsweise eine Routine, einen Block oder ein Modul
umfaßt, die auf irgendeinem computerlesbaren Medium
gespeichert sind. Steuerungsroutinen, die Module oder
irgendein Teil eines Steuerungsablaufs wie etwa eine
Subroutine, Teile einer Subroutine (wie etwa Codezeilen)
usw. sein können, können in jedem gewünschten Softwareformat
wie etwa unter Verwendung von Leiterlogik, sequentiellen
Funktionsdiagrammen, Funktionsblockdiagrammen oder einer
anderen Softwareprogrammiersprache oder einem anderen
Entwurfsparadigma implementiert sein. Ebenso können die
Steuerungsroutinen beispielsweise in einem oder mehreren
EPROM, EEPROM, anwendungsspezifischen integrierten
Schaltungen (ASIC) oder irgendwelchen anderen Hardware- oder
Firmwareelementen festcodiert sein. Außerdem können die
Steuerungsroutinen unter Anwendung irgendwelcher
Entwurfswerkzeuge einschließlich graphischer
Entwurfswerkzeuge oder irgendwelchen anderen Arten von
Software/Hardware/Firmware-Programmier- oder
-Entwurfswerkzeugen entworfen werden.
Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf spezielle
Beispiele beschrieben, die nur der Veranschaulichung dienen
sollen und keine Einschränkung der Erfindung darstellen; für
den Fachmann sind Änderungen, Hinzufügungen oder
Weglassungen an den beschriebenen Ausführungsformen
ersichtlich, ohne daß vom Umfang der Erfindung abgewichen
wird.
Claims (30)
1. Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logikeinrichtung zum
Gebrauch bei der Steuerung eines Prozesses,
gekennzeichnet durch
eine Mehrzahl von Eingängen, die so ausgebildet sind, daß sie Prozeßausgangssignale empfangen;
einen weiteren Eingang, der einen zugeordneten Sollwert hat;
eine Vielzahl von Ausgängen, die so ausgebildet sind, daß sie Steuersignale für die Steuerung des Prozesses abgeben;
einen Rückführungsweg, der einen ausgewählten der Ausgänge mit dem weiteren Eingang direkt verbindet; und
eine Logikeinheit, die so konfiguriert ist, daß sie die Vielzahl von Ausgängen unter Nutzung der Mehrzahl von Eingängen und des weiteren Eingangs erzeugt, und so ausgebildet ist, daß sie den ausgewählten Ausgang einstellt, bis der weitere Eingang den zugehörigen Sollwert erreicht hat.
eine Mehrzahl von Eingängen, die so ausgebildet sind, daß sie Prozeßausgangssignale empfangen;
einen weiteren Eingang, der einen zugeordneten Sollwert hat;
eine Vielzahl von Ausgängen, die so ausgebildet sind, daß sie Steuersignale für die Steuerung des Prozesses abgeben;
einen Rückführungsweg, der einen ausgewählten der Ausgänge mit dem weiteren Eingang direkt verbindet; und
eine Logikeinheit, die so konfiguriert ist, daß sie die Vielzahl von Ausgängen unter Nutzung der Mehrzahl von Eingängen und des weiteren Eingangs erzeugt, und so ausgebildet ist, daß sie den ausgewählten Ausgang einstellt, bis der weitere Eingang den zugehörigen Sollwert erreicht hat.
2. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Logikeinheit eine Modellvorhersage-
Steuereinheit ist.
3. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Logikeinheit eine Fuzzylogik-
Steuereinheit ist.
4. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Sollwert ein Restriktionsgrenzwert
für den ausgewählten Ausgang zugeordnet ist.
5. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder der Vielzahl von Ausgängen einen
zugehörigen Restriktionsgrenzwert hat, und daß die
Logikeinheit ferner eine Sollwerteinstelleinheit aufweist,
die so ausgebildet ist, daß sie den Sollwert von einer
ersten Sollwertvorgabe auf eine zweite Sollwertvorgabe
einstellt, wenn einer der Ausgänge, der nicht der
ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten
Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder
zu überschreiten.
6. Logikeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Sollwertvorgabe ein Wert ist,
der gleich wie der Restriktionsgrenzwert des ausgewählten
Ausgangs ist, und daß die zweite Sollwertvorgabe ein Wert
ist, der in bezug auf den Restriktionsgrenzwert des
ausgewählten Ausgangs gelockert ist.
7. Logikeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sollwerteinstelleinheit ferner so
ausgebildet ist, daß sie den Sollwert von der zweiten
Sollwertvorgabe auf die erste Sollwertvorgabe einstellt,
wenn der eine der Ausgänge nicht mehr dabei ist, den diesem
Ausgang zugeordneten Restriktionsgrenzwert zu erreichen oder
zu überschreiten.
8. Logikeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sollwerteinstelleinheit ferner so
ausgebildet ist, daß sie den Sollwert von der zweiten
Sollwertvorgabe in einer Serie von schrittweisen
Einstellungen auf die erste Sollwertvorgabe einstellt.
9. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder der Vielzahl von Ausgängen einen
zugeordneten Restriktionsgrenzwert hat, und daß die
Logikeinheit aufweist: eine Vorhersageeinheit, die so
ausgebildet ist, daß sie für jeden der Vielzahl von
Ausgängen einen zukünftigen Wert vorhersagt, und eine
Vergleichseinheit, die so ausgebildet ist, daß sie den
zukünftigen Wert für jeden der Vielzahl von Ausgängen mit
dem diesem Ausgang zugeordneten Restriktionsgrenzwert
vergleicht, um zu bestimmen, ob irgendeiner der Ausgänge,
der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den
zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu
erreichen oder zu überschreiten.
10. Logikeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Logikeinheit ferner eine
Sollwerteinstelleinheit aufweist, die so ausgebildet ist,
daß sie den Sollwert von einer ersten Sollwertvorgabe auf
eine zweite Sollwertvorgabe einstellt, wenn einer der
Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist,
den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu
erreichen oder zu überschreiten, wobei die erste
Sollwertvorgabe ein Wert ist, der gleich wie der
Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs ist, und
wobei die zweite Sollwertvorgabe ein Wert ist, der in bezug
auf den Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs
gelockert ist.
11. Logikeinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sollwerteinstelleinheit ferner so ausgebildet ist,
daß sie fortfährt, den Sollwert in einer gelockerten
Richtung relativ zu der zweiten Sollwertvorgabe
einzustellen, wenn der eine der Ausgänge, der nicht der
ausgewählte Ausgang ist, immer noch dabei ist, den
zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu
erreichen oder zu überschreiten, wenn der Sollwert die
zweite Sollwertvorgabe ist.
12. Logikeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sollwerteinstelleinheit ferner so
ausgebildet ist, daß sie den Sollwert von der zweiten
Sollwertvorgabe auf die erste Sollwertvorgabe einstellt,
wenn der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte
Ausgang ist, nicht mehr dabei ist, den zugeordneten
Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen.
13. Logikeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sollwerteinstelleinheit ferner so
ausgebildet ist, daß sie den Sollwert von der zweiten
Sollwertvorgabe in einer Serie von schrittweisen
Einstellungen auf die erste Sollwertvorgabe einstellt.
14. Logikeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der weitere Eingang einen ersten
weiteren Eingang aufweist, der zugeordnete Sollwert einen
ersten Sollwert aufweist, der Rückführungsweg einen ersten
Rückführungsweg aufweist und der ausgewählte Ausgang einen
ersten ausgewählten Ausgang aufweist, und daß die
Logikeinrichtung ferner einen zweiten weiteren Eingang, der
einen zweiten Sollwert hat, und einen zweiten
Rückführungsweg aufweist, der einen zweiten ausgewählten
Ausgang direkt mit dem zweiten weiteren Eingang verbindet,
wobei die Sollwerteinstelleinheit ferner so ausgebildet ist,
daß sie den zweiten Sollwert von einer dritten
Sollwertvorgabe auf eine vierte Sollwertvorgabe einstellt,
wenn der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte
Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten
Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder
zu überschreiten, wobei die dritte Sollwertvorgabe der
Restriktionsgrenzwert des zweiten ausgewählten Ausgangs ist
und die vierte Sollwertvorgabe in bezug auf den
Restriktionsgrenzwert des zweiten ausgewählten Ausgangs
gelockert ist.
15. Logikeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Sollwert und der zweite
Sollwert jeweils eine Prioritätsstufe haben und daß die
Sollwerteinstelleinheit ferner so ausgebildet ist, daß sie
den ersten Sollwert und den zweiten Sollwert in einer
Reihenfolge entsprechend der Prioritätsstufe des ersten
Sollwerts und des zweiten Sollwerts einstellt.
16. Logikeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sollwerteinstelleinheit ferner so
ausgebildet ist, daß sie den ersten Sollwert und den zweiten
Sollwert gleichzeitig einstellt.
17. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rückführungsweg einen Verstärker
aufweist.
18. Logikeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verstärker eine Einheitsverstärkung
hat.
19. Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logikeinrichtung zum
Gebrauch bei der Steuerung eines Prozesses,
gekennzeichnet durch
eine Mehrzahl von Eingängen, die so ausgebildet sind, daß sie Prozeßausgangssignale empfangen;
einen weiteren Eingang, der einen zugeordneten Sollwert hat;
eine Vielzahl von Ausgängen, die so ausgebildet sind, daß sie Steuersignale für die Steuerung des Prozesses abgeben;
einen Rückführungsweg, der einen ausgewählten der Ausgänge mit dem weiteren Eingang verbindet; und
eine Logikeinheit, die so konfiguriert ist, daß sie die Vielzahl von Ausgängen unter Nutzung der Mehrzahl von Eingängen und des weiteren Eingangs erzeugt, und so ausgebildet ist, daß sie den Rückführungsweg nutzt, um den ausgewählten Ausgang so zu steuern, daß er gleich wie der Sollwert ist.
eine Mehrzahl von Eingängen, die so ausgebildet sind, daß sie Prozeßausgangssignale empfangen;
einen weiteren Eingang, der einen zugeordneten Sollwert hat;
eine Vielzahl von Ausgängen, die so ausgebildet sind, daß sie Steuersignale für die Steuerung des Prozesses abgeben;
einen Rückführungsweg, der einen ausgewählten der Ausgänge mit dem weiteren Eingang verbindet; und
eine Logikeinheit, die so konfiguriert ist, daß sie die Vielzahl von Ausgängen unter Nutzung der Mehrzahl von Eingängen und des weiteren Eingangs erzeugt, und so ausgebildet ist, daß sie den Rückführungsweg nutzt, um den ausgewählten Ausgang so zu steuern, daß er gleich wie der Sollwert ist.
20. Logikeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder der Vielzahl von Ausgängen einen
zugeordneten Restriktionsgrenzwert hat und daß die
Logikeinheit eine Sollwerteinstelleinheit aufweist, die so
ausgebildet ist, daß sie den Sollwert einstellt, wenn einer
der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei
ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen
Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
21. Logikeinrichtung nach Anspruch 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Logikeinheit eine Modellvorhersage-
Steuereinheit aufweist.
22. Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logikeinrichtung zum
Gebrauch bei der Steuerung eines Prozesses,
gekennzeichnet durch
eine Mehrzahl von Eingängen, die so ausgebildet sind, daß sie Prozeßausgangssignale empfangen;
einen weiteren Eingang, der einen zugeordneten Sollwert hat;
eine Vielzahl von Ausgängen, die so ausgebildet sind, daß sie Prozeßsteuersignale für die Steuerung des Prozesses abgeben, wobei jeder der Vielzahl von Ausgängen einen zugeordneten Restriktionsgrenzwert hat;
einen Rückführungsweg, der einen ausgewählten der Ausgänge mit dem weiteren Eingang verbindet; und
eine Logikeinheit, die so konfiguriert ist, daß sie die Vielzahl von Ausgängen unter Nutzung der Mehrzahl von Eingängen und des weiteren Eingangs erzeugt, und die eine Sollwerteinstelleinheit aufweist, die so ausgebildet ist, daß die den Sollwert ändert, wenn einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
eine Mehrzahl von Eingängen, die so ausgebildet sind, daß sie Prozeßausgangssignale empfangen;
einen weiteren Eingang, der einen zugeordneten Sollwert hat;
eine Vielzahl von Ausgängen, die so ausgebildet sind, daß sie Prozeßsteuersignale für die Steuerung des Prozesses abgeben, wobei jeder der Vielzahl von Ausgängen einen zugeordneten Restriktionsgrenzwert hat;
einen Rückführungsweg, der einen ausgewählten der Ausgänge mit dem weiteren Eingang verbindet; und
eine Logikeinheit, die so konfiguriert ist, daß sie die Vielzahl von Ausgängen unter Nutzung der Mehrzahl von Eingängen und des weiteren Eingangs erzeugt, und die eine Sollwerteinstelleinheit aufweist, die so ausgebildet ist, daß die den Sollwert ändert, wenn einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
23. Verfahren zur Steuerung eines Prozesses unter Anwendung
einer Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logikeinrichtung,
die eine Mehrzahl von Eingängen hat, die zum Empfang von
Prozeßausgangssignalen ausgebildet sind, und eine Vielzahl
von Ausgängen hat, die zur Abgabe von Prozeßsteuersignalen
zur Steuerung des Prozesses ausgebildet sind, wobei jeder
der Ausgänge einen zugeordneten Restriktionsgrenzwert hat,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden
Schritte aufweist:
Verbinden eines ausgewählten der Ausgänge mit einem weiteren Eingang der Logikeinrichtung;
Setzen eines Sollwerts, der dem weiteren Eingang zugeordnet ist, auf eine erste Sollwertvorgabe;
Einstellen des ausgewählten Ausgangs, bis der weitere Eingang die erste Sollwertvorgabe erreicht hat;
Errechnen eines zukünftigen Werts für jeden der Vielzahl von Ausgängen mit Ausnahme des ausgewählten Ausgangs;
Vergleichen des für jeden der Vielzahl von Ausgängen mit Ausnahme des ausgewählten Ausgangs errechneten zukünftigen Werts mit dem zugeordneten Restriktionsgrenzwert für den jeweiligen Ausgang, um zu bestimmen, ob einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten; und
Einstellen des Sollwerts von der ersten Sollwertvorgabe auf eine zweite Sollwertvorgabe, wenn der Entscheidungsschritt bestimmt, daß einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
Verbinden eines ausgewählten der Ausgänge mit einem weiteren Eingang der Logikeinrichtung;
Setzen eines Sollwerts, der dem weiteren Eingang zugeordnet ist, auf eine erste Sollwertvorgabe;
Einstellen des ausgewählten Ausgangs, bis der weitere Eingang die erste Sollwertvorgabe erreicht hat;
Errechnen eines zukünftigen Werts für jeden der Vielzahl von Ausgängen mit Ausnahme des ausgewählten Ausgangs;
Vergleichen des für jeden der Vielzahl von Ausgängen mit Ausnahme des ausgewählten Ausgangs errechneten zukünftigen Werts mit dem zugeordneten Restriktionsgrenzwert für den jeweiligen Ausgang, um zu bestimmen, ob einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten; und
Einstellen des Sollwerts von der ersten Sollwertvorgabe auf eine zweite Sollwertvorgabe, wenn der Entscheidungsschritt bestimmt, daß einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Sollwertvorgabe gleich wie ein
Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs ist und daß
die zweite Sollwertvorgabe gleich wie ein Wert ist, der
relativ zu dem Restriktionsgrenzwert des ausgewählten
Ausgangs gelockert ist.
25. Verfahren nach Anspruch 23, ferner gekennzeichnet durch
den Schritt: Einstellen des Sollwerts von der zweiten
Sollwertvorgabe auf die erste Sollwertvorgabe, wenn der
Vergleichsschritt bestimmt, da der eine der Ausgänge nicht
mehr dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für
diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
26. Verfahren nach Anspruch 23, ferner gekennzeichnet durch
den Schritt der weiteren Einstellung des Sollwerts in einer
Richtung, die relativ zu der zweiten Sollwertvorgabe
gelockert ist, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, daß der
eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist,
immer noch dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert
für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten, wenn
der Sollwert auf die zweite Sollwertvorgabe eingestellt ist.
27. Verfahren nach Anspruch 23, ferner gekennzeichnet durch
den Schritt des Errechnens der Vielzahl von Ausgängen aus
der Mehrzahl von Eingängen und dem weiteren Eingang unter
Anwendung einer Modellvorhersage-Steuerungstechnik.
28. Verfahren nach Anspruch 23, ferner gekennzeichnet durch
den Schritt des Errechnens der Vielzahl von Ausgängen aus
der Mehrzahl von Eingängen und dem weiteren Eingang unter
Anwendung einer Fuzzylogik-Steuerungstechnik.
29. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der weitere Eingang
einen ersten weiteren Eingang aufweist, der zugeordnete
Sollwert einen ersten Sollwert aufweist und der ausgewählte
Ausgang einen ersten ausgewählten Ausgang aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die folgenden
Schritte aufweist:
Verbinden eines zweiten ausgewählten der Ausgänge mit einem zweiten weiteren Eingang;
Setzen eines zweiten Sollwerts, der dem zweiten weiteren Eingang zugeordnet ist, auf eine dritte Sollwertvorgabe;
Einstellen des zweiten ausgewählten Ausgangs, bis der zweite weitere Eingang die dritte Sollwertvorgabe erreicht hat;
Einstellen des zweiten Sollwerts von der dritten Sollwertvorgabe auf eine vierte Sollwertvorgabe, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, da der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten; und
Einstellen des Sollwerts von der vierten Sollwertvorgabe auf die dritte Sollwertvorgabe, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, daß der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, nicht mehr dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
Verbinden eines zweiten ausgewählten der Ausgänge mit einem zweiten weiteren Eingang;
Setzen eines zweiten Sollwerts, der dem zweiten weiteren Eingang zugeordnet ist, auf eine dritte Sollwertvorgabe;
Einstellen des zweiten ausgewählten Ausgangs, bis der zweite weitere Eingang die dritte Sollwertvorgabe erreicht hat;
Einstellen des zweiten Sollwerts von der dritten Sollwertvorgabe auf eine vierte Sollwertvorgabe, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, da der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten; und
Einstellen des Sollwerts von der vierten Sollwertvorgabe auf die dritte Sollwertvorgabe, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, daß der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, nicht mehr dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
30. Verfahren nach Anspruch 29, ferner gekennzeichnet durch
die folgenden Schritte:
Zuordnen einer Prioritätsstufe zu jedem von dem ersten
Sollwert und dem zweiten Sollwert, und Durchführen der
Einstellungen an jedem von dem ersten Sollwert und dem
zweiten Sollwert in einer Reihenfolge entsprechend der
Prioritätsstufe, die dem ersten Sollwert und dem zweiten
Sollwert zugeordnet ist.
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