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TECHNISCHER EINSATZBEREICH
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Prozessanlagen
wie beispielsweise Kraftwerke und industrielle Produktionsanlagen
sowie spezifischer auf ein Echtzeit-Steuerungs- und Simulationssystem,
das eine synchronisierte Simulation des Betriebs des Steuerungsnetzwerks
innerhalb der Prozessanlage durchführt.
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BESCHREIBUNG DER ENTSPRECHENDEN TECHNIK
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Verteilte
Prozesssteuerungssysteme, wie sie typischerweise in der Stromerzeugung,
in der Chemieindustrie, der Petroleumverarbeitung oder in anderen
Prozessanlagen eingesetzt werden, weisen typischerweise eine oder
mehrere Prozesssteuerungen auf, die über analoge, digitale oder
kombinierte analoge/digitale Busse kommunikativ mit einem oder mehreren
Feldgeräten
verbunden sind. Die Feldgeräte,
bei denen es sich beispielsweise um Ventile, Ventilsteller, Schalter,
Geber (beispielsweise Temperatur-, Druck-, Flüssigkeitsstands- und Strömungsgeschwindigkeitssensoren)
und Brenner etc. handeln kann, sind innerhalb der Prozessumgebung
angeordnet und führen
als Reaktion auf Steuerungssignale, die von den Prozesssteuerungen
erzeugt und gesendet werden, Prozessfunktionen wie beispielsweise Öffnen oder
Schließen
von Ventilen und Messung von Prozessparametern etc. aus. Intelligente Feldgeräte wie beispielsweise
die Feldgeräte,
die einem beliebigen der bestens bekannten Feldbusprotokolle entsprechen,
können
auch Steuerungsberechnungen, Alarmierungsfunktionen und andere Funktionen ausführen, die
allgemein innerhalb einer Prozesssteuerung oder durch eine Prozesssteuerung
implementiert werden. Die Prozesssteuerungen, die ebenfalls typischerweise
innerhalb der Anlagenumgebung angeordnet sind, empfangen Signale,
die von den Feldgeräten
durchgeführte
Prozessmessungen und/oder andere Informationen im Zusammenhang mit
den Feldgeräten
repräsentieren,
und führen
eine Steuerungsanwendung aus, die beispielsweise verschiedene Steuerungsmodule
ausführt,
die Prozesssteuerungsentscheidungen treffen, auf den empfangenen
Informationen basierende Prozesssteuerungssignale erzeugen und sich
mit den in den Feldgeräten
wie beispielsweise HART- und Feldbus-Feldgeräten ausgeführten Steuerungsmodulen oder Steuerungsblöcken koordinieren.
Die Steuerungsmodule innerhalb der Steuerungen senden Prozesssteuerungssignale über die
Kommunikationsleitungen an die Feldgeräte, um dadurch den Betrieb
des Prozesses zu steuern.
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Die
Informationen von den Feldgeräten
und von der Steuerung werden in der Regel über eine Datenautobahn einem
oder mehreren anderen Computergeräten wie beispielsweise Bedienrechnern,
Personal Computern, Daten-Historienspeichern, Berichts-Generatoren,
zentralen Datenbanken etc. zur Verfügung gestellt, die sich typischerweise
in Steuerräumen
oder an anderen Orten befinden, die von der raueren Anlagenumgebung
abgesetzt sind. Diese Computergeräte können auch Anwendungen ausführen, die
es beispielsweise einem Bediener ermöglichen, Funktionen in Bezug
auf den Prozess auszuführen,
beispielsweise Einstellungen der Prozesssteuerungsroutine zu verändern, den
Betrieb der Steuerungsmodule innerhalb der Steuerung oder der Feldgeräte zu verändern, den
aktuellen Zustand des Prozesses zu betrachten, von Feldgeräten und
Steuerungen erzeugte Alarme zu betrachten, eine Konfigurationsdatenbank
zu führen
und zu aktualisieren etc.
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So
beinhaltet beispielsweise das von Emerson Process Management vertriebene
Ovation®-Steuerungssystem
multiple Anwendungen, die in verschiedenen Geräten gespeichert und von diesen ausgeführt werden,
die sich an unterschiedlichen Orten innerhalb einer Prozessanlage
befinden. Eine Konfigurationsanwendung, die in einem oder mehreren
Bedienrechnern enthalten ist, ermöglicht es den Anwendern, Prozesssteuerungsmodule
zu erzeugen oder zu verändern
und diese Prozesssteuerungsmodule über eine Datenautobahn in dedizierte
verteilte Steuerungen herunterzuladen. Diese Steuerungsmodule bestehen
typischerweise aus kommunikativ miteinander verbundenen Funktionsblöcken, die
Objekte in einem objektorientierten Programmierungsprotokoll sind
und die innerhalb des Steuerungsschemas Funktionen auf der Grundlage
von Eingaben in die Funktionsblöcke
ausführen
und Ausgaben zu anderen Funktionsblöcken innerhalb des Steuerungsschemas
bereitstellen. Die Konfigurationsanwendung kann es einem Entwickler
auch ermöglichen, Bedienerschnittstellen
zu erzeugen oder zu verändern,
die von einer Ansichtsanwendung verwendet werden, um einem Bediener
Daten anzuzeigen und den Bediener in die Lage zu versetzen, Einstellungen wie
beispielsweise Sollwerte innerhalb der Prozesssteuerungsroutine
zu verändern.
Jede der dedizierten Steuerungen und in einigen Fällen jedes
der Feldgeräte
dient der Speicherung und Ausführung
einer Steuerungsanwendung, die die ihr zugewiesenen und in sie heruntergeladenen
Steuerungsmodule ausführt,
um eine reale Prozesssteuerungsfunktionalität zu implementieren. Die Ansichtsanwendungen, die
auf einem oder mehreren Bedienrechnern ausgeführt werden können, empfangen
von der Steuerungsanwendung Daten über die Datenautobahn und zeigen
diese Daten Entwicklern von Prozesssteuerungssystemen, Bedienern
oder Anwendern über
die Bedienerschnittstellen an und können beliebige einer Anzahl
unterschiedlicher Sichten wie beispielsweise eine Bedienersicht,
eine Ingenieursicht, eine Technikersicht etc. bereitstellen. Ein
Daten-Historienspeicher ist typischerweise in einem Daten-Historienspeichergerät gespeichert
und wird von diesem ausgeführt,
das einen Teil oder sämtliche
der Daten sammelt, die über
die Datenautobahn bereitgestellt werden, während eine Konfigurationsdatenbankanwendung
in einem weiteren Computer ausgeführt werden kann, der mit der
Datenautobahn verbunden ist, um die aktuelle Konfiguration der Prozesssteuerungsroutine
und die ihr zugehörigen
Daten zu speichern. Alternativ kann sich die Konfiguration im selben
Bedienrechner wie die Konfigurationsanwendung befinden.
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Wie
oben erwähnt,
werden Bedieneranzeigeanwendungen typischerweise systemweit auf
einer oder mehreren der Workstations implementiert und bieten dem
Bediener oder dem Wartungspersonal vorkonfigurierte Anzeigen hinsichtlich
des Betriebszustands des Steuerungssystems oder der Geräte innerhalb
der Anlage. Diese Anzeigen liegen typischerweise in Form von Alarmierungsanzeigen
vor, die Alarme empfangen, die von Steuerungen oder Geräten innerhalb
der Prozessanlage erzeugt werden, die Anzeigen steuern, die den
Betriebszustand der Steuerungen und anderer Geräte innerhalb der Prozessanlage
angeben, oder die Wartungsanzeigen steuern, die den Betriebszustand
der Geräte
innerhalb der Prozessanlage anzeigen, etc. Diese Anzeigen sind allgemein
vorkonfiguriert, um auf bekannte Arten Informationen oder Daten
anzuzeigen, die von den Prozesssteuerungsmodulen oder den Geräten innerhalb
der Prozessanlage empfangen werden. In einigen bekannten Systemen
werden Anzeigen durch die Verwendung von Objekten erzeugt, bei denen
eine Grafik einem physischen oder logischen Element zugeordnet und
kommunikativ mit dem physischen oder logischen Element verbunden
ist, um Daten über
das physische oder logische Element zu empfangen. Das Objekt kann
die Grafik auf dem Anzeigebildschirm auf der Grundlage der empfangenen Daten
verändern,
beispielsweise um anzuzeigen, dass ein Tank halb gefüllt ist,
um die von einem Strömungssensor
gemessene Strömung
zu veranschaulichen etc. Während
die für
die Anzeigen benötigten Informationen
von den Geräten
oder der Konfigurationsdatenbank innerhalb der Prozessanlage übermittelt
werden, werden diese Informationen verwendet, um dem Benutzer eine
diese Informationen enthaltende Anzeige bereitzustellen. Folglich
müssen
bei der Konfiguration des Steuerungssystems der Prozessanlage sämtliche
Informationen und Programmierungen, die zum Erzeugen von Alarmen,
zum Erkennen von Problemen innerhalb der Anlage etc. dienen, innerhalb
der verschiedenen, der Anlage zugeordneten Geräte wie beispielsweise Steuerungen und
Feldgeräte
erzeugt und konfiguriert werden. Erst dann werden diese Informationen
zur Anzeige während
des Betriebs des Prozesses an die Bedieneranzeige gesendet.
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Darüber hinaus
ist es oftmals wünschenswert,
ein Simulationssystem zu entwickeln und innerhalb der Anlage anzuordnen,
um den Betrieb des Steuerungsnetzwerks in der innerhalb der Anlage
angeschlossenen Form zu simulieren. Ein derartiges Simulationssystem
kann verwendet werden, um den Betrieb der Anlage als Reaktion auf
neue oder andere Steuerungsvariablen wie beispielsweise Sollwerte zu
testen, um neue Steuerungsroutinen zu testen, um Optimierungen durchzuführen, um
Schulungsmaßnahmen
durchzuführen
etc. Als Ergebnis wurden viele Simulationssysteme vorgeschlagen
und in Prozessanlagen eingesetzt. Gleichwohl sind aufgrund der sich
ständig ändernden
Bedingungen innerhalb der Anlage einschließlich des Qualitätsverlustes
von Geräten
im Lauf der Zeit sowie aufgrund des Vorliegens unberücksichtigter
Störvariablen
innerhalb der Anlage typischerweise nur die komplexesten Simulationssysteme
in der Lage, eine Simulation der Prozessanlage mit hoher Wiedergabetreue durchzuführen. Darüber hinaus
kann es bei vielen bekannten Steuerungssystemen schwierig sein,
eine Simulation der Prozessanlage oder eines Teils der Prozessanlage
einzurichten oder zu erzeugen, da die Simulationsaktivitäten getrennt
von den Anzeige- und Steuerungsaktivitäten ausgeführt werden, die in der Online-Umgebung der Prozessanlage
ausgeführt werden.
Im Ergebnis ist das Simulationssystem nicht eng mit dem realen Betrieb
des Steuerungsnetzwerks innerhalb der Prozessanlage koordiniert.
Mit anderen Worten laufen Simulationssysteme, sobald sie eingerichtet
sind, getrennt von den Steuerungen innerhalb der Anlage ab, um den
Betrieb des innerhalb der Anlage installierten Prozesssteuerungssystems
zu simulieren, sodass diese Simulationssysteme bald gegenüber dem
realen Steuerungsnetzwerk innerhalb der Anlage verstellt werden
können.
Darüber
hinaus kann das im Simulationssystem verwendete Prozessmodell rasch
vom realen Prozessbetrieb abweichen. Weiterhin kann es schwierig
sein, das Simulationssystem in die innerhalb der Anlage realisierten
Bedieneranzeigen oder Steuerungsmodule zu integrieren.
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Weiterhin
ist eine Simulation in einem Steuerungssystem für Kraftwerke sowie bei einigen
anderen Arten von Steuerungssystemen erschwert, bei denen es typisch
ist, dass die Steuerungsfunktionen auf der Grundlage von Kriterien
wie beispielsweise dem physischen Standort der zugehörigen Anlagenausrüstung, den
dynamischen Eigenschaften der relevanten Prozessvariablen sowie
nach Maßgabe
von Fehlertoleranz- und
Redundanzerwägungen
in diverse verschiedene Steuerungsmaschinen (oder Prozessoren) segmentiert
sind. Der physische Ort der betroffenen Ausrüstung ist in erster Linie aufgrund mechanischer
Erwägungen
und Einschränkungen
in Verbindung mit Faktoren wie beispielsweise der Länge der
entsprechenden Kabel von Bedeutung. Hier wirkt sich die Prozessdynamik
auf die Segmentierung der Steuerungsfunktion aus, indem Anforderungen
und Einschränkungen
hinsichtlich der Ausführungszeit
der den spezifischen Prozessvariablen zugeordneten Steuerungsfunktionen
gestellt werden, die sämtlich
innerhalb des Simulationssystems simuliert werden müssen. In
Kraftwerken dienen die Fehlertoleranzerwägungen dem Zweck, die Auswirkungen
von Prozessor- und Computerfehlern auf die Stromerzeugung zu reduzieren.
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Während meisten
Energieversorgungsunternehmen und andere Anlagen einen Offline-Simulator zur
Bedienerschulung und für
technische Analysen besitzen, behandelt dieses traditionelle Konzept
die Steuerungs- und Simulationsfunktionen auf jeden Fall als zwei
vollkommen separate und getrennte Einheiten, die jeweils gesondert erzeugt,
ausgeführt
und konfiguriert werden müssen,
um korrekt zu arbeiten. Als Ergebnis werden die in diesen Anlagen
eingesetzten Simulationssysteme rasch gegenüber dem Prozess verstellt und
sind daher möglicherweise nicht
sonderlich präzise
und zudem sind diese Simulationssysteme typischerweise nicht sonderlich
leicht zu benutzen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Simulationstechnik für
eine Prozesssteuerung führt
auf eine Art und Weise, die mit dem Betrieb eines realen Prozesssteuerungsnetzwerks synchronisiert
ist, eine Echtzeit-Simulation oder eine Prädiktion des realen Prozesssteuerungsnetzwerks aus,
während
dieses Netzwerk innerhalb einer Prozessanlage läuft. Insbesondere wird dieses
synchronisierte Simulationssystem automatisch periodisch während des
Betriebs des realen Prozesssteuerungsnetzwerks aktualisiert, um Änderungen
zu repräsentieren,
die an dem realen Prozesssteuerungsnetzwerk vorgenommen wurden,
und um Änderungen
in der Anlage selbst, d.h. Änderungen,
die eine Aktualisierung eines innerhalb des Simulationssystems verwendeten
Prozessmodells erfordern, zu berücksichtigen.
Das hier beschriebene synchronisierte Simulationssystem bietet ein
leichter zugängliches und
besser nutzbares Simulationssystem, da die Prozessmodelle, die innerhalb
des Simulationssystems verwendet werden, mit den aktuellen Betriebsbedingungen
des Prozesses synchronisiert werden und in Bezug darauf aktuell
sind.
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Darüber hinaus
ist das beschriebene Simulationssystem genauer, da es Prozessmodelle
verwendet, die aus dem aktuellen Status des Prozesses entwickelt
werden, sobald das Simulationssystem initiiert wird, um eine bestimmte
Simulation durchzuführen.
Weiterhin ist dieses Simulationssystem leicht zu benutzen, da es
dieselben Benutzerschnittstellenanwendungen verwenden kann, die
innerhalb des Prozesssteuerungsnetzwerks verwendet werden, um Mensch-Maschine-Schnittstellen- (MMI-) Aktivitäten auszuführen. Ebenso
kann dieses Simulationssystem jederzeit während des Betriebs der Prozessanlage
ohne wesentliche Konfigurierungs- oder Einstelltätigkeiten initialisiert und
genutzt werden, da sich das Simulationssystem, wenn es erstmals
in einen Prädiktionszustand
versetzt wird, jederzeit in Bezug auf das innerhalb der Prozessanlage
eingesetzte Steuerungsnetzwerk auf dem aktuellen Stand befindet.
Der Bediener braucht daher lediglich solche Änderungen am Simulationssteuerungssystem
einzugeben, die in der Simulation zu verwenden sind, und das Simulationssystem
ist bereit zu arbeiten, um eine präzise Simulation oder Prädiktion
auszuführen,
da das Simulationssystem mit der Prozessanlage synchronisiert bleibt.
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Allgemein
ausgedrückt,
wechselt das hier beschriebene Simulationssystem zwischen einer Ausführung in
einer von zwei unterschiedlichen Betriebsarten einschließlich einer
Nachführbetriebsart und
einer Prädiktionsbetriebsart.
In der Nachführbetriebsart
kommuniziert das Simulationssystem mit dem Prozesssteuerungsnetzwerk,
um verschiedene Arten von Statusdaten vom Prozesssteuerungsnetzwerk
zu erhalten, die erforderlich sind, um sowohl das Prozesssteuerungsnetzwerk
als auch das Prozessmodell des Simulationssystems mit dem realen Prozesssteuerungsnetzwerk
und mit dem gesteuerten Prozess synchronisiert zu halten. Diese
Informationen können
beispielsweise den Betrieb der Prozesssteuerungen definierende Statusvariablen,
gemessene Prozessvariablen und Prozesssteuerungssignale beinhalten,
die von den Steuerungen innerhalb der Prozessanlage entwickelt werden.
Diese Informationen können
während
des Betriebs des Prozesssteuerungsnetzwerks periodisch und, in einer Ausführung, mit
der Scan-Rate der Prozesssteuerungen innerhalb des realen Prozesssteuerungsnetzwerks
empfangen werden (d.h. mit der Rate, mit der die Prozesssteuerungen
arbeiten, um neue Steuerungssignale zu erzeugen). In der Nachführbetriebsart
verwendet das Simulationssystem die gesamten Statusinformationen,
um eine aktualisierte Steuerungszustandsvariable zur Verwendung
bei der Konfigurierung des simulierten Steuerungsnetzwerks zu erzeugen,
und aktualisiert ein Prozessmodell, um den Prozess auf der Grundlage
der zuletzt gesammelten Informationen zu modellieren.
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In
der Prädiktionsbetriebsart
kann der Bediener neue Steuerungsvariablen wie beispielsweise Sollwerte
bestimmen, die während
der Simulation zu verwenden sind, und das Simulationsmodell arbeitet sodann,
um die Steuerung des Prozesses auf der Grundlage des jüngsten Prozessmodells
zu simulieren. Die Simulation kann je nach Wunsch des Bedieners
in einer Echtzeit-Unterbetriebsart, einer Zeitraffer-Unterbetriebsart-
oder einer Zeitlupen-Unterbetriebsart ausgeführt werden. Auf jeden Fall
kann das Simulationssystem beispielsweise den Betrieb des realen
Prozesssteuerungsnetzwerks als Reaktion auf eine geänderte Steuerungsvariable,
eine geänderte
Steuerungsroutine, eine Prozessstörung etc. simulieren. Alternativ
kann das Simulationssystem, falls gewünscht, arbeiten, um den Betrieb
der Prozessanlage im Zeitraffer zu simulieren, um eine Vorstellung
des Betriebs des Prozesses im stabilen Zustand bei einem Steuerungshorizont
zu erhalten oder um ansonsten den Betrieb der Anlage oder einer
Variablen der Anlage zu einem zukünftigen Zeitpunkt vorherzusagen.
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Da
das Simulationssystem beim Eintritt in die Prädiktionsbetriebsart mit dem
realen Prozesssteuerungsnetzwerk und der zu dem Zeitpunkt arbeitenden
Prozessanlage synchronisiert wird, liefert das Simulationssystem
eine genauere Simulation oder Prädiktion
des Betriebs der Prozessanlage als Reaktion auf die in der Simulation
verwendeten Steuerungsvariablen. Da das Simulationssystem darüber hinaus bei
Aktivierung des Simulationssystems mit der Prozessanlage synchronisiert
wird, braucht der Bediener keine wesentliche Konfigurierung oder
Aktualisierung des Simulationssystems vor dessen Initiierung durchzuführen, wodurch
das System leicht zu benutzen ist. Da das Simulationssystem weiterhin
mit dem Prozesssteuerungsnetzwerk synchronisiert ist, kann das Simulationssystem
dieselben Benutzerschnittstellenroutinen verwenden, wodurch der
Anschein ("Look
and Feel") des Simulationssystems
mit dem des Steuerungssystems identisch ist, wodurch das Simulationssystem
wiederum leichter zu benutzen und zu verstehen ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm eines in einer Prozessanlage befindlichen, verteilten
Prozesssteuerungsnetzwerks, das einen Bedienrechner aufweist, der
ein Simulationssystem implementiert, das konfiguriert ist, mit dem
Betrieb eines realen Prozesssteuerungsnetzwerks synchronisiert zu
werden und somit den Betrieb der Prozessanlage zu simulieren;
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2 ist
ein logisches Blockdiagramm eines Prozessanlagensteuerungssystems
und eines Simulationssystems zur Simulation des Prozessanlagensteuerungssystems;
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3 ist
ein vereinfachtes logisches Blockdiagram eines Steuerungskreises
des in 2 dargestellten Anlagensteuerungssystems;
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4 ist
ein vereinfachtes logisches Blockdiagram eines simulierten Steuerungskreises,
der von dem in 2 dargestellten Simulationssystem implementiert
wird;
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5 ist
ein logisches Blockdiagramm, das die kommunikativen Verbindungen
zwischen dem Simulationssystem und dem Steuerungssystem aus 2 während einer
Nachführbetriebsart
darstellt, und
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6 ist
ein Blockdiagramm eines Simulationssystems, das die hier beschriebenen
Merkmale implementiert.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGEN
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1 zeigt
ein detailliertes Beispiel eines Steuerungsnetzwerks für eine Prozessanlage 10,
wie es beispielsweise in Verbindung mit einem Kraftwerk zum Einsatz
gelangt. Die Prozessanlage 10 in 1 weist
ein verteiltes Prozesssteuerungssystem auf, das eine oder mehrere
Steuerungen 12 aufweist, von denen jede mit einem oder
mehreren Feldgeräten 14 und 16 über Eingabe-/Ausgabe-
(E/A-) Geräte
oder Karten 18 verbunden ist, die beispielsweise Feldbus-Schnittstellen,
Profibus-Schnittstellen, HART-Schnittstellen,
Standard-4-20-mA-Schnittstellen etc. sein können. Die Steuerungen 12 sind
weiterhin mit einem oder mehreren Host- oder Bedienrechnern 20 und 22 über eine
Datenautobahn 24 verbunden, die beispielsweise eine Ethernet-Verbindung sein
kann. Eine Datenbank 28 kann mit der Datenautobahn verbunden
sein 24 und arbeitet als Daten-Historienspeicher, um Parameter-,
Status- und andere Daten in Verbindung mit den Steuerungen 12 und den
Feldgeräten 14, 16 innerhalb
der Anlage 10 zu sammeln und zu speichern. Zusätzlich oder
alternativ kann die Datenbank 28 als Konfigurationsdatenbank arbeiten,
die die aktuelle Konfiguration des Prozesssteuerungssystems innerhalb
der Anlage 10 speichert, wie sie in die Steuerungen 12 und
Feldgeräte 14 und 16 heruntergeladen
und in diesen gespeichert ist. Bei den Steuerungen 12 befinden
sich die E/A-Karten 18 sowie die Feldgeräte 14 und 16 typischerweise
innerhalb der bisweilen rauen Anlagenumgebung und sind über diese
gesamte Anlagenumgebung verteilt, während sich die Bedienrechner 20 und 22 sowie
die Datenbank 28 in der Regel in Steuerräumen oder
weniger rauen Umgebungen befinden, die für Steuerungs- oder Wartungspersonal leicht
zugänglich
sind.
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Wie
bekannt, dient jede der Steuerungen 12, bei der es sich
beispielsweise um die von Emerson Process Management Power and Water
Solutions, Inc., vertriebene Ovation®-Steuerung
handeln kann, der Speicherung und Ausführung einer Steuerungsanwendung,
die eine Steuerungsstrategie unter Verwendung jeder beliebigen Zahl
unterschiedlicher, unabhängig
ausgeführter
Steuerungsmodule oder -Blöcke 29 implementiert.
Jedes der Steuerungsmodule 29 kann aus allgemein so genannten
Funktionsblöcken
bestehen, wobei jeder Funktionsblock ein Teil oder eine Subroutine
einer umfassenden Steuerungsroutine ist und (über als Verbindungen bezeichnete
Kommunikationswege) in Verbindung mit anderen Funktionsblöcken arbeitet,
um Prozesssteuerungskreise innerhalb der Prozessanlage 10 zu
implementieren. Wie bestens bekannt ist, führen Funktionsblöcke, die
Objekte in einem objektorientierten Programmierungsprotokoll sein
können,
dies jedoch nicht zu sein brauchen, typischerweise eine der folgenden
Funktionen aus: eine Eingabefunktion, die beispielsweise mit einem
Geber, einem Sensor oder einem anderen Gerät zur Messung eines Prozessparameters
verbunden ist, eine Steuerungsfunktion, die beispielsweise mit einer
Steuerungsroutine verbunden ist, die eine Proportional-Integral-Differential- (PID-), Fuzzy-Logik-
oder eine andere Steuerung ausführt,
oder eine Ausgabefunktion, die den Betrieb eines Geräts wie beispielsweise
eines Ventils steuert, um eine physikalische Funktion innerhalb
der Prozessanlage 10 auszuführen. Selbstverständlich existieren
hybride und andere Arten komplexer Funktionsblöcke wie beispielsweise modellprädiktive Steuerungen
(MPCs), Optimierer etc. Während
das Feldbus-Protokoll und das Ovation®-Systemprotokoll Steuerungsmodule
und Funktionsblöcke
verwenden, die in einem objektorientierten Programmierungsprotokoll
entwickelt und implementiert sind, könnten die Steuerungsmodule
mittels jedes gewünschten
Steuerungsprogrammierungsschemas wie beispielsweise Ablaufsprache,
Leiterlogik etc. entwickelt werden und sind nicht darauf beschränkt, mittels
der Funktionsblock- oder einer anderen spezifischen Programmiertechnik
entwickelt und implementiert zu werden.
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In
der in 1 dargestellten Anlage 10 können die
mit den Steuerungen 12 verbundenen Feldgeräte 14 und 16 Standard
4-20-mA-Geräte,
intelligente Feldgeräte
wie beispielsweise HART-, Profibus-, oder FOUNDATION®-Fieldbus-Feldgeräte sein, die
einen Prozessor und einen Speicher aufweisen, oder sie können jeder
andere gewünschte
Typ von Feldgerät
sein. Einige dieser Geräte
wie beispielsweise Feldbus-Feldgeräte (in 1 mit Referenznummer 16 bezeichnet)
können
Module oder Untermodule wie beispielsweise Funktionsblöcke speichern
und ausführen,
die der in den Steuerungen 112 implementierten Steuerungsstrategie
zugeordnet sind. Die Funktionsblöcke 30,
die in 1 als in zwei verschiedenen der Feldbus-Feldgeräte 16 enthalten dargestellt
sind, können
in Verbindung mit der Ausführung
der Steuerungsmodule 29 innerhalb der Steuerungen 12 ausgeführt werden,
um einen oder mehrere Prozesssteuerungskreise zu implementieren,
wie bestens bekannt ist. Selbstverständlich können die Feldgeräte 14 und 16 jeder
andere Typ von Gerät
wie beispielsweise Sensoren, Ventile, Geber, Steller etc. sein und
die E/A-Geräte 18 können jeder andere
Typ von E/A-Gerät
sein, der jedem gewünschten
Kommunikations- oder Steuerungsprotokoll wie beispielsweise HART,
Feldbus, Profibus etc. entspricht.
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Weiterhin
können
eine oder mehrere der Workstations 20 und 22 auf
bekannte Weise Benutzerschnittstellenanwendungen beinhalten, um
einen Benutzer wie beispielsweise einen Bediener, einen Konfigurierungsingenieur,
einen Wartungstechniker etc. in die Lage zu versetzen, mit dem Prozesssteuerungsnetzwerk
innerhalb der Anlage zu kommunizieren. Insbesondere weist die Workstation 22 in
der Darstellung eine oder mehrere Benutzerschnittstellenanwendungen 35 auf,
die auf einem Prozessor innerhalb der Workstation 22 ausgeführt werden
können,
um mit der Datenbank 28, den Steuerungsmodulen 29 oder
anderen Routinen innerhalb der Steuerungen 12 oder E/A-Geräte 18,
mit den Feldgeräten 14 und 16 und
den Modulen 30 innerhalb dieser Feldgeräte etc. zu kommunizieren, um
Informationen von der Anlage wie beispielsweise Informationen in
Bezug auf den laufenden Status des Prozesssteuerungssystems zu erhalten.
Die Benutzerschnittstellenanwendungen 35 können diese
gesammelten Informationen verarbeiten und/oder auf einem Anzeigegerät 37 anzeigen,
das einer oder mehreren der Workstations 20 und 22 zugeordnet
ist. Die gesammelten, verarbeiteten und/oder angezeigten Informationen
können
beispielsweise innerhalb der Anlage erzeugte Prozessstatusinformationen,
Alarme und Warnungen, Wartungsdaten etc. sein. Entsprechend können eine
oder mehrere Anwendungen 39 in den Workstations 22 und 20 gespeichert
und ausgeführt werden,
um Konfigurierungsaktivitäten
wie beispielsweise Erzeugen oder Konfigurieren der Module 29 und 30 zur
Ausführung
innerhalb der Anlage auszuführen
und um Steuerungsbedienertätigkeiten
wie beispielsweise Ändern
von Sollwerten oder anderen Steuerungsvariablen innerhalb der Anlage
durchzuführen,
etc.. Die Anzahl und der Typ der Routinen 35 und 39 sind
selbstverständlich
durch die hier enthaltene Beschreibung nicht begrenzt und es können, falls
gewünscht,
andere Mengen und Typen von prozesssteuerungsbezogenen Routinen
innerhalb der Workstations 20 und 22 gespeichert
und implementiert werden.
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Die
Workstation 20 in 1 ist auch
als eine Simulationsanwendung 40 enthaltend dargestellt,
die einen Prozessanlagensimulator, eine Benutzerschnittstellenanwendung
und Datenstrukturen für
die Durchführung
einer synchronisierten Simulation der Prozessanlage 10 auf
die hierin beschriebene Weise beinhalten kann. Auf die Simulationsanwendung 40 kann
jeder berechtigte Benutzer (wie beispielsweise ein Konfigurierungsingenieur,
ein Bediener oder ein anderer Typ von Benutzer) zugreifen, um eine
Simulation des Prozessanlagensteuerungsnetzwerks durchzuführen, das
von den Steuerungsblöcken 20 und 30 sowie
anderen Steuerungsroutinen implementiert wird, die innerhalb der
Steuerungen 12 und möglicherweise
der Feldgeräte 14, 16 ausgeführt werden.
Die Simulationsanwendung 40 ermöglicht es einem Benutzer, verschiedene
Simulations- und Vorhersageaktivitäten in Bezug auf die Prozessanlage 10 auszuführen, während das
Steuerungssystem der Prozessanlage 10 in Betrieb und online
bleibt, um die Anlage 10 zu steuern.
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Wie
in 1 dargestellt, ist die Simulationsanwendung 40 in
einem Speicher 42 der Workstation 20 gespeichert
und jede der Komponenten der Simulationsanwendung 40 ist
angepasst, um auf einem der Workstation 20 zugeordneten
Prozessor 46 ausgeführt
zu werden. Während
die gesamte Simulationsanwendung 40 in der Darstellung
in der Workstation 20 gespeichert ist, könnten einige
Komponenten dieser Anwendung in anderen Workstations oder Computergeräten gespeichert
und ausgeführt
werden, die sich innerhalb der Anlage 10 befinden oder dieser
zugeordnet sind. Darüber
hinaus kann die Simulationsanwendung 40 Anzeigeausgaben
für den der
Workstation 20 zugeordneten Anzeigebildschirm 37 oder
für jeden
anderen gewünschten
Anzeigebildschirm oder jedes andere Anzeigegerät einschließlich Handheld-Geräten, Laptops,
anderen Workstations, Druckern etc. bereitstellen. Gleichermaßen kann
die Simulationsanwendung 40 aufgeteilt und auf zwei oder
mehr Computern oder Maschinen ausgeführt werden, die konfiguriert
sein können,
um in Verbindung miteinander zu arbeiten.
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Allgemein
gesagt, leistet oder ermöglicht
die Simulationsanwendung 40 die Simulation des Betriebs
der Prozessanlage 10 und insbesondere die Simulation des
Steuerungssystems der Prozessanlage, das durch die Steuerungsroutinen 29 und 30 innerhalb
der Steuerungen und der Feldgeräte 14 und 16 implementiert
ist, in Verbindung mit der Steuerung der realen Anlage. Während die
gesteuerte Anlage in dieser Offenlegungsschrift als Kraftwerk beschrieben ist,
das mittels verteilter Steuerungstechniken gesteuert wird, kann
die hierin beschriebene synchronisierte Simulationstechnik in anderen
Typen von Anlagen und Steuerungssystemen einschließlich industrieller
Produktionsanlagen, Wasser- und Abwasserbehandlungsanlagen sowie
in Steuerungssystemen, die zentral oder innerhalb eines einzelnen
Computers implementiert und mithin nicht über die Anlage verteilt sind,
eingesetzt werden.
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2 zeigt
allgemein ein Prozesssteuerungssystem 50 und ein innerhalb
der Anlage 10 in 1 implementiertes
Simulationssystem 52. Insbesondere weist das Prozesssteuerungssystem 50 ein reales
Prozesssteuerungsnetzwerk 54 auf, das mit einem Prozess 56 kommunikativ
und physikalisch gekoppelt ist. Man erkannt, dass das reale Prozesssteuerungsnetzwerk 54 die
Steuerungsmodule 29 und 30 aus 1 sowie
beliebige andere Steuerungsroutinen beinhaltet, die in den verschiedenen Steuerungsgeräten (beispielsweise
den Steuerungen 12) und Feldgeräten (beispielsweise den Feldgeräten 14 und 16)
der Anlage 10 in 1 enthalten sind
und innerhalb dieser ausgeführt
werden. Gleichermaßen
umfasst der reale Prozess 56 die Einheiten, Maschinen,
Geräte
und die diesen zugeordnete Hardware, die zur Realisierung des gesteuerten
Prozesses eingerichtet sind. So kann beispielsweise in einem Kraftwerk
der Prozess 56 Generatoren, Brennstoffzuführsysteme
sowie Wärmetauscher, Kondensatoren,
Dampferzeuger, Ventile, Tanks etc. sowie innerhalb der Anlage angeordnete
Sensoren und Geber zur Messung verschiedener Prozessparameter oder
Variablen umfassen. Wie in 2 dargestellt,
umfasst das reale Prozesssteuerungsnetzwerk 54 mithin die
Steuerungen, die eines oder mehrere Steuerungssignale zur Weiterleitung
an die verschiedenen Steuerungsgeräte innerhalb der Anlage 56 erzeugen
und arbeiten, um die Anlage 56 entsprechend einer spezifischen
Steuerungstechnik zu steuern. Diese Steuerungssignale sind durch
den Vektor U in 2 dargestellt um anzuzeigen,
dass das reale Prozesssteuerungsnetzwerk 54 einen Vektor
von Steuerungssignalen für
den Prozess 56 bereitstellen kann, um den Betrieb der Anlage
zu steuern. Entsprechend wird, wie in 2 dargestellt,
ein Vektor Y von Prozessvariablen innerhalb des Prozesses 56 (beispielsweise
mittels Sensoren etc.) gemessen und dem Prozesssteuerungsnetzwerk 54 als
Rückmeldesignale
zur Verwendung bei der Erzeugung der Steuerungssignale U übergeben.
Selbstverständlich
kann das reale Steuerungsnetzwerk 54 alle gewünschten Typen
von Reglern beinhalten, die alle gewünschten Typen von Steuerungsroutinen
oder -Techniken beispielsweise in Form von PID, Fuzzy-Logik, neuronalen
Netzwerken, modellprädiktiven
Steuerungsroutinen etc. implementieren.
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Wie
in
2 dargestellt, beinhaltet das Simulationssystem
ein simuliertes Steuerungsnetzwerk
64 und ein Prozessmodell
66.
Das simulierte Steuerungsnetzwerk
64 ist, allgemein gesagt,
eine Kopie des realen Prozesssteuerungsnetzwerks einschließlich einer
Kopie oder eines Duplikats der Steuerungsroutinen, die den realen
Steuerungen und anderen Geräten
des Prozesssteuerungsnetzwerks
54 zugeordnet sind und/oder
innerhalb dieser ablaufen. Statt jedoch innerhalb multipler verschiedener
Geräte
verteilt zu sein, kann das simulierte Steuerungsnetzwerk
64 einschließlich eines
oder mehrerer kommunikativ verbundener Steuerungsmodule auf einem einzigen
Computergerät
wie beispielsweise dem Bedienrechner
20 in
1 implementiert
sein. Ein derartiges Simulationssystem, das verschiedene Steuerungsroutinen,
die für
die Implementierung auf verschiedenen Computern als Bestandteil
eines verteilten Steuerungsnetzwerks konzipiert sind, auf einem einzelnen
Computer speichert und simuliert, wird im Detail im
U.S.-Patentantrag
mit der Seriennummer 09/510,053 beschrieben, eingereicht
am 22. Februar 2000 mit der Bezeichnung "Integrating Distributed Process Control
System Functionality an a Single Computer" [Integration einer verteilten Prozesssteuerungssystemfunktionalität auf einem
einzelnen Computer], die hiermit durch Verweis ausdrücklich zum Bestandteil
der vorliegenden Offenlegungsschrift gemacht wird. Auf jeden Fall
kann das Simulationssystem
52 als Teil der Simulationsanwendung
40 in
1 implementiert
werden. Darüber
hinaus ist das innerhalb des Simulationssystems
52 verwendete Prozessmodell
66 konzipiert
und konfiguriert, den Prozess
56 zu modellieren, und kann
als jeder gewünschte
oder geeignete Typ eines Prozessmodells wie beispielsweise als Transferfunktionsmodell
n. Ordnung, als neuronales Netzwerkmodell etc. implementiert werden.
Selbstverständlich
kann als Typ des zu verwendenden Modells der für den spezifischen modellierten
Anlagen- oder Prozesstyp am besten geeignete Modelltyp gewählt werden
sowie ein Modelltyp, der Online-Aktualisierungsfähigkeiten entsprechend der
folgenden ausführlicheren
Beschreibung ermöglicht.
Weiterhin kann, falls gewünscht, das
Prozessmodell
66 aus einer Mehrzahl einzelner Prozessmodelle
aufgebaut werden, von denen jedes einen anderen Teil der Anlage
10 modelliert
oder einem anderen Teil der Anlage
10 wie beispielsweise einem
anderen Steuerungskreis innerhalb der Anlage
10 zugeordnet
ist.
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Das
Gesamtkonzept des in 2 dargestellten Simulationsansatzes
stellt ein Simulationssystem 52 zur Verfügung, das
ein Steuerungsnetzwerk 64 beinhaltet, das als Kopie des
realen Steuerungsnetzwerks entwickelt wurde, sowie ein Prozessmodell 66, das
den realen Prozess 56 der Anlage modelliert. In dieser
Konfiguration enthalten das Steuerungsnetzwerk 54 und mithin
das simulierte Steuerungsnetzwerk 66 sämtliche Funktionen und Komponenten,
die das reale Steuerungsnetzwerk 54 bilden (beispielsweise
die Steuerungen, die Funktionsblöcke,
die Mensch-Maschine-Schnittstellen-Anwendungen (MMIs)
etc. des realen Steuerungsnetzwerks). Selbstverständlich kann
das simulierte Steuerungsnetzwerk 64 des Simulationssystems 52 durch
Kopieren der realen Steuerungsroutinen (beispielsweise der Steuerungsroutinen 29 und 30 in 1),
der Benutzerschnittstellenanwendungen, der Konfigurationsanwendungen
etc. entwickelt werden, die beispielsweise in der Konfigurationsdatenbank 28 in 1,
den Steuerungen 12, den Feldgeräten 4, 16, den
Workstations 20, 22 etc. gespeichert sind, zusammen
mit der Speicherung von Daten oder anderen Informationen bezüglich der
Identifizierung der zugehörigen
Eingaben und Ausgaben der Steuerungsroutinen innerhalb der Prozessanlage.
Die Eingabe-/Ausgabesignal-Identifikationsdaten
sind hilfreich, um das Simulationssystem 52 in die Lage
zu versetzen, während
des Betriebs des Steuerungssystems 50 mit dem Steuerungssystem 50 zu
kommunizieren und dadurch den Betrieb des Simulationssystems 52 mit
dem Steuerungssystem 50 zu synchronisieren, während die
Prozessanlage online in Betrieb ist.
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Wie
ersichtlich, arbeitet das reale Steuerungsnetzwerk 54 während des
Betriebs der Anlage auf jede übliche
oder bekannte Weise, um die Stellgrößen oder Steuerungssignale
U, die auf den Prozess 56 angewandt werden, zu berechnen.
Der Prozess 56 reagiert sodann, indem er tätig wird,
um die realen Prozessvariablen Y zu entwickeln, die mittels verschiedener
Sensoren innerhalb der Anlage gemessen und als Rückmeldung an das Steuerungsnetzwerk 54 übertragen
werden. Die Stellgrößen und Prozessvariablen
(U bzw. Y) sind als Vektorgrößen dargestellt,
um eine Mehrzahl von Werten zu bezeichnen. Selbstverständlich kann
jedes der zugeordneten Elemente dieser Vektorgrößen aus diskreten Werten hinsichtlich
der Zeit bestehen, wobei die Größe eines
jeden Zeitschritts gleich dem Ausführungszeitraum der zugeordneten
Steuerungsfunktion, d.h. der Scan- oder Betriebsrate der Steuerungen,
ist.
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Wie
ersichtlich, werden die Werte der Stellgrößen (Steuerungssignale) U bei
jedem Zeitschritt berechnet und die Werte der Prozessvariablen Y
ergeben sich aus der Abfrage der Prozessvariablen bei jedem Zeitschritt.
Für die
Zwecke dieser Diskussion wird der aktuelle Zeitschritt als Zeit
k bezeichnet und die Werte der Stellgrößen und der Prozessvariablen im
aktuellen Zeitschritt werden mithin als Uk bzw.
Yk bezeichnet. Entsprechend dieser Operation
wird die Zeitantwort des Steuerungsnetzwerks 54 mithin vollständig durch
die Vektoren U, Y und einen Vektor interner Statusvariablen X bestimmt,
der die Spezifika der Steuerungsprozeduren (oder Steuerungskonfigurationen)
definiert, die im Steuerungsnetzwerk 54 verwendet werden,
d.h. die Steuerungsverstärkungen
oder anderen Parameter, die die Spezifika der Steuerungstechniken
definieren, die von den Steuerungen innerhalb des Steuerungsnetzwerks 54 implementiert
werden. Mit anderen Worten definieren die Elemente des Statusvektors
X die internen Variablen, die von den Steuerungsfunktionen zur Berechnung der
Stellgrößen U verwendet
werden. Diese Statusvariablen können
beispielsweise Werte sein, die eine Funktion der Abstimmparameter
sind, oder kumulierte Zeitwerte, die von Funktionen wie beispielsweise Zeitgebern
verwendet werden, Integratorwerte, die von PID-Steuerungen verwendet
werden, Gewichtungskoeffizienten für neuronale Netzwerke, die
von neuronalen Netzwerksteuerungen verwendet werden, Skalierungsfaktoren,
die von Fuzzy-Logik-Steuerungen verwendet werden, Modellparameter
oder Matrizen, die von modellprädiktiven
Steuerungen verwendet werden, etc. Diese Statuswerte sind auch diskret
in Bezug auf die Zeit und mithin wird der Statusvektor X zum k-ten
(auch k.) Zeitschritt als Xk bezeichnet.
Man kann mithin sagen, dass der gesamte Satz der Statusvektoren
U, Y, X den Gesamtstatus des Steuerungssystems definiert. Diese
Werte werden vom Steuerungssystem kontinuierlich berechnet.
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In 3 ist
das Steuerungssystem 50 aus 2 in Form
eines Blockdiagramms als Feedback-Steuerungskreis dargestellt. In
diesem Fall wird das reale Steuerungsnetzwerk durch den mit C bezeichneten
Block dargestellt. Der Prozess 56 wird durch den mit P
bezeichneten Block dargestellt. Darüber hinaus ist in diesem Fall
die Eingabe zum Steuerungsnetzwerk 54 als Vektor von Sollwerten
R dargestellt, die mit den gemessenen oder ermittelten Prozessvariablen
Y verglichen werden, um einen Fehlervektor E zu erzeugen, der seinerseits
vom Steuerungsnetzwerk 54 verwendet wird, um den Steuerungssignal-
oder Stellgrößenvektor
U zu erzeugen. Selbstverständlich
repräsentieren
die Elemente des Sollwertvektors R die gewünschten Werte für die zu
steuernden Prozessvariablen Y und diese Sollwerte werden allgemein
von einem Bediener oder einer Optimiererroutine (nicht dargestellt)
bestimmt. Im Falle eines Steuerungssystems für ein Kraftwerk können diese
Sollwerte die erwünschten Werte
von Durchfluss, Temperatur, Megawatt etc. für die zugehörigen Prozessvariablen innerhalb
der Kraftwerksausrüstung
sein.
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Auf ähnliche
Weise ist das Simulationssystem 52 in 4 in
Form eines Blockdiagramms dargestellt. Derselbe Vektor R von Sollwerten
vom realen Steuerungsnetzwerk 54 wird in das Simulationssystem 52 eingegeben.
Hier wird das simulierte Steuerungsnetzwerk 64 durch den
Block Ĉ dargestellt
und stellt in Bezug auf den Steuerungsbetrieb 54 ein Replikat
des Steuerungsnetzwerks 54 dar. Folglich sind sämtliche
Steuerungen, Funktionsblöcke
und Algorithmen, die das reale Steuerungsnetzwerk 54 bilden, im
simulierten Steuerungsnetzwerk 64 repliziert. Die simulierten
Stellgrößen oder
Steuerungssignale Û werden
in der Abbildung von dem simulierten Steuerungsnetzwerk erzeugt
oder berechnet und dem Prozessmodell 66 zur Verfügung gestellt.
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In
dem Simulationssystem 52 werden die Werte der Prozessvariablen Ŷ jedoch
mittels eines mathematischen Modells des Prozesses 56 berechnet,
das als Prozessmodell 66 bezeichnet und mit P ^ gekennzeichnet
ist. Selbstverständlich
kann die exakte Struktur des Prozessmodells 66 variieren
und darüber
hinaus können
verschiedene Modellstrukturen für
verschiedene Teile des Prozesses 56 verwendet werden, sodass
beispielsweise jede Prozessvariable eine einzigartige Prozessmodellstruktur
verwenden oder von dieser bestimmt werden kann. Zu den anwendbaren
Strukturen, die verwendet werden können, gehören First-Principle- (Differentialgleichungs-) Modelle,
Transferfunktions- (ARX-) Modelle, State-Space-Modelle, neuronale
Netzwerkmodelle, Fuzzy-Logik-Modelle etc.
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Wie
bei dem realen Steuerungssystem 50 wird die Zeitantwort
des Simulationssystems 52 vollständig durch die Vektoren Û, Ŷ und X ^ beschrieben. Hier
enthalten die Elemente des Simulator-Statusvektors X ^ die identischen
Statusvariablen X wie im realen Steuerungssystem 50. Der
Simulatorstatusvektor X ^ enthält
jedoch auch weitere Elemente, die die dem Prozessmodell 66 zugehörigen internen
Statusvariablen sind, und diese Variablen werden vom Prozessmodell 66 zusammen
mit den Stellgrößen Û verwendet,
um die simulierten Prozessvariablen Ŷ zu berechnen.
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Die
Simulatorstatusvariable X ^ ist mithin eine Mehrung des Steuerungssystemstatusvektors
X, wobei X ^ den Steuerungssystemstatusvektor (als θ bezeichnet) und den Vektor
der internen Statusvariablen des Prozessmodells (als ψ bezeichnet)
beinhaltet. Die Werte von θ sind
hier identisch mit X.
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Die
Architektur des Simulatormodells ist vorzugsweise dergestalt, dass
der Wert einer jeden der internen Statusvariablen des Modells (ψk) bei dem k-ten. Zeitschritt mittels der
Vektoren Uk-1 und Yk aus dem
Steuerungssystem berechnet werden kann. Selbstverständlich sind
die Details der spezifischen Berechnungen für die jeweils verwendete Modellstruktur
spezifisch und für
diese typisch und diese Berechnungen sind dem technisch Versierten
bekannt. Darüber
hinaus ist ersichtlich, dass die vom Simulatorsystem berechneten
Prozessstatusvariablen eine Funktion der Prozessvariablen und der
Stellgrößen sowie
in einigen Fällen
die Prozessvariablen und/oder Stellgrößen selbst sein können. All
dies ist von der Art der verwendeten Modelle abhängig. Auf jeden Fall ermöglicht diese
Eigenschaft die Synchronisierung des realen Steuerungssystems 50 und
des Simulationssystems 52 während des normalen Betriebs
der Prozessanlage. Insbesondere kann der gesamte Simulatorstatus
im k. Zeitschritt mittels der Vektoren Uk-1,
Xk und Yk mit dem
Gesamtstatus des Steuerungssystems synchronisiert werden. Für die Aktualisierung
des Gesamtstatus des Simulators werden die Elemente von θk direkt aus dem Vektor Xk aktualisiert
und die Elemente des Prozessstatusvektors ψk werden
mittels Uk-1, und Yk berechnet
(bestimmt). Auch hier sind die spezifischen Details der Rechnungen
von der Struktur des verwendeten Prozessmodells abhängig.
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Allgemein
gesagt, arbeitet das Simulationssystem 52 daher während des
Betriebs parallel zum Prozesssteuerungssystem 50, jedoch
auf eine Weise, die mit dessen Betrieb synchronisiert ist. Wenn insbesondere
das Simulationssystem 52 einfach parallel zum realen Steuerungssystem
betrieben, jedoch nicht mit diesem synchronisiert würde, würden die
simulierten Prozessvariablen Ŷ letztlich
dazu tendieren, von der Ausgabe der tatsächlichen Prozessvariablen Y
vom Prozess 56 abzuweichen, was in erster Linie auf die
Effekte nicht modellierter Dynamik und einer Fehlanpassung des Anlagenmodells
beruht.
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Um
dieses Problem zu lösen,
bleibt das Simulationssystem 52 mit dem realen Steuerungssystem 50 synchronisiert,
indem es periodisch im Nachführbetrieb
betrieben wird, in dem das Simulationssystem 52 vom realen
Steuerungsnetzwerk 54 für
jeden Zeitschritt der Steuerung die Vektoren Uk-1,
Yk und Xk empfangt.
Das Simulationssystem 52 initialisiert sodann den Status
seines simulierten Prozesssteuerungsnetzwerks 64 mit der
Statusinformation vom realen Steuerungsnetzwerk 54. Darüber hinaus berechnet
im Nachführbetrieb
ein Aktualisierungsmodul des Simulationssystems 52 die
internen Statusvariablen (ψk) mittels der Vektoren Uk-1 und
Yk neu, um das Prozessmodell 66 zu
aktualisieren, um den realen Betrieb des Prozesses während des
letzten Zeitintervalls der Steuerung wiederzugeben, und verfolgt
oder modelliert auf diese Weise die realen Kennwerte des Prozesses 56,
die während
des letzten Scan-Intervalls der Steuerung gemessen wurden oder sich
daraus ergeben. Während
das Simulationssystem 52 im Nachführbetrieb arbeitet, wird es
mithin kontinuierlich auf die aktuellen Anlagenbedingungen einschließlich der
Bedingungen der Steuerung und der Anlagenkennwerte initialisiert.
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5 ist
eine detailliertere Darstellung des Betriebs des Simulationssystems 52 im
Nachführbetrieb.
Insbesondere wird das Prozesssteuerungssystem 50 in 5 im
Zeitpunkt k dargestellt. In diesem Fall ist das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk 64 des
Simulationssystems 52 konfiguriert, den internen Statusvektor
Xk der Steuerung 54, den Steuerungssignalvektor
Uk-1 und den Prozessvariablenvektor Yk zu empfangen, und aktualisiert die simulierte
Steuerung 64 mit diesen Vektoren. Gleichermaßen empfängt das
Prozessmodell 66 den Steuerungssignalvektor Uk-1 und
den Prozessvariablenvektor Yk und bestimmt den
neuen Prozessstatusvektor ψk aus diesen Werten. Auf diese Weise wird
das Prozessmodell 66 nach jedem Scan des Prozesssteuerungssystems aktualisiert,
um den realen Betrieb der Prozessanlage wiederzugeben.
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Wie
ersichtlich, verfolgt das Simulationssystem 52 im Nachführbetrieb
daher den Prozessbetrieb ständig
und aktualisiert seine Statusparameter, um den aktuellen Status
nicht nur des Prozesssteuerungsnetzwerks 54, sondern auch
der Kennwerte des Prozesses 56 selbst wiederzugeben, indem
es den Status des Prozessmodells 66 neu berechnet oder
aktualisiert. Somit bleibt das Simulationssystem 52 mit
dem Betrieb des Prozesssteuerungssystems 50 und der Prozessanlage
jederzeit während
des Nachführbetriebs
synchronisiert, sodass das Simulationssystem 52 jederzeit
unverzüglich
zur Verfügung steht,
um eine Simulation mit einem hohen Grad an Wiedergabetreue durchzuführen.
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Um
eine bestimmte prädiktive
Simulation durchzuführen,
kann das Simulationssystem 52 jederzeit in einen Prädiktionsmodus
versetzt werden, um eine aktuelle Simulation des Prozesssteuerungssystem 50 über einen
zukünftigen
Zeithorizont durchzuführen.
Die aktuelle Simulation kann viele Formen annehmen oder viele verschiedene
Typen von Steuerungen/Prozessaktivitäten simulieren. In allen Fällen arbeitet
das Simulationsmodell 52 jedoch parallel zum realen Steuerungssystem 50.
Insbesondere stoppt das Simulationssystem 52 im Prädiktionsmodus
die Aktualisierung des Abbilds des Steuerungsnetzwerks 64 und
des Prozessmodells 66 mit Signalen aus der realen Prozessanlage,
sondern führt
statt dessen eine Vorhersage auf der Grundlage des aktuellsten Satzes
von Statusvariablen X ^ durch, die im Nachführbetrieb entwickelt wurden;
mit anderen Worten bedeutet dies, dass im Prädiktionsbetrieb die simulierten
Prozessvariablen Ŷ auf
der Grundlage des Prozessmodells 66 in einem geschlossenen
Kreis unter Verwendung des simulierten Prozesssteuerungsnetzwerks 64 und
der dem Simulationssystem 52 zur Verfügung gestellten Sollwerte R
berechnet werden. In diesem Fall ist das Simulationssystem 52 mit
einer Benutzerschnittstelle gekoppelt, um es einem Anwender zu ermöglichen,
falls gewünscht,
einen oder mehrere Parameter des simulierten Steuerungssystems oder
des simulierten Prozesses zu ändern,
um auf diese Weise die Antwort des Prozesses auf eine Steuerungsänderung
oder auf eine Änderung
der Prozessdynamik zu simulieren. Eine derartige Änderung
kann beispielsweise eine Änderung
eines oder mehrerer der Sollwerte R, eine Änderung einer gemessenen Prozessvariablen,
eine Änderung der
Steuerungsroutine selbst, eine Änderung
einer Störvariablen
im Prozess etc. sein.
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Falls
gewünscht,
kann das Simulationssystem 52 im Prädiktionsbetrieb in einer von
drei Unterbetriebsarbeiten einschließlich einer Echtzeit-Unterbetriebsart,
einer Zeitraffer-Unterbetriebsart- oder einer Zeitlupen-Unterbetriebsart
arbeiten. In der Echtzeit-Unterbetriebsart erfolgt die Simulation
der Prozessvariablen in Echtzeit (d.h. mit derselben Geschwindigkeit
oder Scan-Rate wie das reale Steuerungssystem 50). In einer
Kraftwerks-Steuerungssystemanwendung kann diese Betriebsart vom
Anlagenpersonal genutzt werden, um vorgeschlagene Aktionen und Eingaben
in das Steuerungssystem zu testen. In diesem Szenario wird die vorgeschlagene Handlung
auf die (simulierte) Anlage angewandt und die simulierte Reaktion
wird beobachtet, um zu gewährleisten,
dass als Ergebnis der Handlung die gewünschten Effekte eintreten und/oder
dass keine abnormalen Zustände
auftreten.
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In
der Zeitraffer-Unterbetriebsart werden die simulierten Prozessvariablen
mit einer schnelleren Rate als in Echtzeit (d.h. als mit der Scan-Rate
der Steuerung) berechnet. Diese Betriebsart kann verwendet werden,
um die vorhergesagte Reaktion der Prozessvariablen über einen
zukünftigen
Zeithorizont schnell zu beobachten, um die Antwort der Anlage auf
einen neuen Steuerungssollwert, eine Verzerrung, eine andere Bedienereingabe
oder eine andere Änderung
einer Steuerungsroutine etc. zu testen. So können beispielsweise zu jedem
gegebenen Zeitpunkt die vorhergesagten Werte und die daraus folgenden
Trajektorien einer oder mehrerer Prozessvariablen für die nächsten zehn
Minuten oder über
einen anderen Prädiktionshorizont
wie beispielsweise einen Horizont, der mit der Rückkehr des Prozesses zu einem
stabilen Betriebszustand verbunden ist, angezeigt werden.
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In
der Zeitlupen-Unterbetriebsart kann der Bediener den Betrieb der
simulierten Steuerung mit einer langsameren als der tatsächlichen
Prozessbetriebszeit oder Scan-Rate betrachten. Diese Unterbetriebsart
kann beispielsweise bei schnellen Prozessen genutzt werden, um dem
Bediener mehr Zeit für die
Betrachtung und Analyse des Prozesses als Reaktion auf eine geplante Änderung
zu geben. Darüber
hinaus kann diese Unterbetriebsart vorteilhaft genutzt werden, wenn
das Simulationssystem 52 für die Durchführung eines
Schulungsbetriebs verwendet wird.
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Während des
Betriebs verwendet das integrierte und synchronisierte Simulationssystem
alternativ sowohl die Nachführ-
als auch die Prädiktionsbetriebsart,
um eine Simulation und Vorhersage durchzuführen. Insbesondere wird das
Simulationssystem 52 während
der Zeiten, während
derer das Simulationssystem 52 im Nachführbetrieb arbeitet, konstant
mit den gesamten Statusinformationen vom realen Steuerungssystem 50 aktualisiert.
Diese oben beschriebenen Statusdaten können vom Steuerungssystem 50 auf
periodischer Basis unter Verwendung der als Teil des Konfigurierungssystems gespeicherten
Signaladressen zum Simulationssystem 52 gesendet werden.
In einer bevorzugten Betriebsart empfängt das Simulationssystem 52 vom Prozesssteuerungssystem
oder als Ergebnis eines jeden Scans der Steuerungen innerhalb des
Prozesssteuerungssystems 50 einen neuen Satz Statusdaten.
Mit anderen Worten können
die Statusdaten innerhalb des Prozesssteuerungssystems 50 nach jeder
Steuerungsoperation oder nach jedem Scan gesammelt und an das Simulationssystem 52 gesendet
werden. Diese Daten können
einzeln adressiert oder mittels geeigneter Kommunikationsprozeduren einzeln
an das Simulationssystem 52 gesendet werden oder sie können auf
einem Zwischengerät
gesammelt und als Gruppe von Daten gesendet werden, um den Kommunikations-Overhead
innerhalb des Prozesssteuerungssystems zu reduzieren. Selbstverständlich kann
das Simulationssystem 52 statt dessen die Steuerungsstatusinformationen
mit einer anderen Rate, die vorzugsweise eine periodische Rate wie
beispielsweise nach jedem zweiten Scan, jedem fünften Scan etc. ist, empfangen.
Auf diese Weise arbeiten das reale Steuerungssystem 50 und
das Simulationssystem 52 auf synchronisierte Weise, wenn
das Simulationssystem 52 im Nachführbetrieb arbeitet, was aus
der Tatsache folgt, dass bei jedem der periodischen Rate zugeordneten
Zeitschritt der Gesamtstatus des Simulationssystems 52 aktualisiert
wird, um dem realen Steuerungssystem 50 identisch zu entsprechen.
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Ein
Bediener oder anderer Benutzer kann das Simulationssystem 52 jedoch
zu jedem Zeitpunkt in den Prädiktionsmodus
versetzten. Während
des Betriebs in dieser Betriebsart kann als Unterbetriebsart die
Echtzeit-Betriebsart gewählt
werden, um beispielsweise eine Auswertung des Effekts einer Änderung
eines Sollwerts oder Einstellparameters durchzuführen, um den Effekt einer Änderung
des Steuerungsprogramms auf den Prozess zu bewerten, um eine Änderung
einer Prozessstörvariablen
zu bewerten etc. Dieses Merkmal bietet dem Bediener die Möglichkeit, "Was-Wenn"-Szenarien auszuführen. Im Falle
einer Auswertung einer Sollwertänderung
kann die Änderung über eine
Benutzerschnittstelle im Simulationssystem durchgeführt oder
dem Simulationssystem übermittelt
werden, die identisch oder allgemein dieselbe ist wie das zum Steuerungssystem 50 gehörende Bedienerschnittstellensystem,
das eine derartige Änderung
gestattet oder ermöglicht. Auf
diese Weise weist der Betrieb des Simulationssystems 52 dasselbe "Look and Feel" auf, als wenn der
Bediener das reale Steuerungssystem 50 benutzte, wodurch
die Simulation leichter verständlich und
benutzbar wird. Sobald die Sollwertänderung im Simulationssystem 52 durchgeführt ist,
wird sodann der simulierte Prozess beobachtet, um zu gewährleisten,
dass die Änderung
den gewünschten
oder erwarteten Effekt hat. Diese Fähigkeit dient dem Zweck, Bedienerfehler
im realen Betrieb der Anlage zu vermeiden.
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Im
Fall einer Änderung
eines Steuerungsprogramms kann die Programmänderung wiederum mittels einer
Konfigurierungsanwendung durchgeführt werden, die dieselbe oder ähnlich ist
wie die Konfigurierungsanwendung, die zur Durchführung der Programmierungsänderung
des Prozesssteuerungssystems 50 selbst verwendet wird.
Das Simulationssystem 52 kann somit wiederum einen ganzen
Satz unterstützender
Anwendungen aufweisen wie beispielsweise Benutzerschnittstellenanwendungen, Konfigurierungsanwendungen,
Trendanwendungen, Datenverarbeitungs- oder Datenanalyseanwendungen
etc., die für
das reale Prozesssteuerungssystem 50 vorgesehen oder diesem
zugeordnet sind. Auf jeden Fall wird der simulierte Prozess, wenn
die Änderung
der Steuerungsroutine an dem simulierten Steuerungsnetzwerk vorgenommen
wird, am Simulationssystem 52 beobachtet, um zu gewährleisten, dass
der gewünschte
Effekt erzielt wird und dass keine abnormalen Betriebssituationen
auftreten. Jeder Bedienereingriff in den Simulator, der dem Zweck dient,
Operationen des realen Steuerungssystems 50 zu simulieren,
kann vorgenommen werden, während
das Simulationssystem 52 im Echtzeitbetrieb oder im Zeitlupenbetrieb
arbeitet, wenn beispielsweise eine Schulung unter Verwendung des
Simulationssystems durchgeführt
wird.
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Wenn
gewünscht,
kann jedoch der Effekt eines längeren
Zeithorizonts beobachtet werden, indem das Simulationssystem 52 in
die Zeitraffer-Unterbetriebsart versetzt wird. Weiterhin kann der
Bediener während
der Simulation zwischen verschiedenen Unterbetriebsarten umschalten.
Der Bediener kann das Simulationssystem 52 beispielsweise
in die Zeitraffer-Unterbetriebsart versetzen, sobald der Eingriff
(beispielsweise die Sollwertänderung
oder die Änderung
des Steuerungsprogramms) über
die Bedienerschnittstelle erfolgt ist.
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In
der Zeitraffer-Unterbetriebsart entwickelt sich der Status des Simulationssystems
mit einer größeren Geschwindigkeit
als der Echtzeit-Scan-Rate oder der betriebsmäßigen Rate des Prozesssteuerungsnetzwerks 52.
Selbstverständlich
können
die Zeitraffer- und die Zeitlupen-Unterbetriebsart durch Veränderung
des Scan-Zeitraums
oder des betriebsmäßigen Zeitraums
der Steuerungen und Steuerungsprogramme innerhalb des simulierten
Prozesssteuerungsnetzwerks realisiert werden. Darüber hinaus
können,
wenn gewünscht,
die simulierten Prozessvariablen am Ende der Zeitrafferausführung gesammelt,
gespeichert und dann gegen dazugehörige historische Trends dargestellt
werden, statt diese Variablen über
die Bediener-, Ingenieurs- und Wartungspersonalschnittstellen anzuzeigen,
oder sie können
ergänzend
zu einer solchen Anzeige dargestellt werden.
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In
einigen Fällen
kann das Simulationssystem 52 so betrieben werden, dass
alle 'N' Zeitschritte des
Steuerungssystems 50 automatisch ein Zeitraffer-Ausführungszyklus
ausgeführt
wird, wobei 'N', wenn gewünscht, vom
Bediener definiert werden kann. In dieser Situation arbeitet das
Simulationssystem 52 bis zum 'N.' Zeitschritt
im Nachführbetrieb
und wird sodann automatisch für
eine einzelne Ausführung
einer Zeitrafferoperation über
einen gewählten Zeithorizont
in den Prädiktionsmodus
versetzt. Am Ende der Zeitraffersimulation können die Simulatoranzeigen
mit den vorhergesagten Prozessvariablen über den konfigurierten Zeithorizont
und/oder mit anderen Informationen wie beispielsweise beliebigen simulierten
Alarmen und Warnungen, die während des
Zeitrafferbetriebs erzeugt wurden, etc. aktualisiert werden. Am
Ende dieser Zeitrafferoperation kehrt das Simulationssystem 52 automatisch
in den Nachführbetrieb
zurück,
um das Prozessmodell 66 und das simulierte Steuerungsnetzwerk 64 mit
neuen Statusvariablen aus dem realen Prozess zu aktualisieren. Dieser
automatische Betriebszustand kann verwendet werden, um Trendanzeigen
zu aktualisieren, die die vorhergesagten Trajektorien der interessierenden
Prozessvariablen zeigen, was beispielsweise besonders hilfreich
ist, um eine Echtzeitintegration von Steuerungsfunktionen und Simulation während des
realen Betriebs eines Kraftwerks zu durchzuführen und um ein automatisches
Verfahren zu realisieren, das das Potenzial besitzt, Prozessstörungen und
Anlagenauslösungen
aufgrund von Bedienerfehlern zu vermeiden. Der Effekt von Bedienereingriffen
auf Anlagenemissionen und den thermodynamischen/Prozesswirkungsgrad
kann in dieser Betriebsart ebenfalls betrachtet werden.
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Während das
Simulationssystem bevorzugt auf einem Computer betrieben wird, der
kommunikativ mit dem Prozesssteuerungssystem verbunden und (hinsichtlich
der Kommunikation) in dieses integriert ist, wie dies in dem Beispiel
in 1 dargestellt ist, ist es auch möglich, das
hierin beschriebene Simulationssystem 52 auf einem dedizierten
Computer zu betreiben oder zu implementieren, der nicht direkt mit
den Steuerungsfunktionen integriert ist. In diesem Fall muss jedoch
das Simulationssystem 52, das die Regeldynamik des Prozesssteuerungssystem
beinhalten muss, kontinuierlich die Prozessvariablen und Statusvariablen
vom Steuerungssystem erhalten. Insbesondere müssen die Statusvariablen (einschließlich der
Prozessvariablen) kontinuierlich vom Steuerungssystem zum Simulationscomputer
mit einer Rate gesendet werden, die die Durchführung der Simulation in Echtzeit
ermöglicht.
Eine derartige Kommunikationsschnittstelle kann jedoch mittels aller
bekannten oder Standard-Schnittstellenprotokolle wie
beispielsweise OPC, TCP/IP etc. vorgesehen werden.
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Darüber hinaus
kann, wenn gewünscht,
das Simulationssystem 52 auf verschiedene Geräte in der
gesamten Prozessanlage verteilt sein. So kann das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk 64 beispielsweise
in jedem Steuerungsgerät,
in dem die realen Steuerungsmodule 29 und 30 enthalten
sind, ein Simulationssteuerungsmodul (das eine Kopie eines realen
Steuerungsmoduls ist) enthalten. In diesem Fall kann das Prozessmodell 66 ein
Untermodell enthalten, das einem bestimmten Teil der Prozessanlage
(wie beispielsweise einem bestimmten Prozesskreis) zugeordnet ist,
sich innerhalb desselben Prozesssteuerungsgeräts befindet und kommunikativ mit
dem entsprechenden Simulationssteuerungsmodell verbunden ist. Hier
arbeiten das Simulationssteuerungsmodul und das Untermodell des
Prozesses zusammen, um Regelkreis für Regelkreis eine Simulation
innerhalb verschiedener Steuerungsgeräte durchzuführen. In diesem Fall können die
Simulationssteuerungsmodule mittels Standardkommunikation mit den
innerhalb der Workstations 20 und 22 gespeicherten
Bedienerschnittstellenroutinen kommunizieren, um den Betrieb der
Simulationssteuerungsmodule während
des Prädiktionsmodus
anzuzeigen oder zu veranschaulichen. Entsprechend können die simulierten
Steuerungsmodule und die Prozessmodelle innerhalb der verschiedenen
Geräte
innerhalb der Anlage Prozessstatusinformationen direkt von den zugehörigen Steuerungsmodulen 29 und 30 des realen
Prozesssteuerungsnetzwerks oder von einem innerhalb desselben oder
eines anderen Geräts
angeordneten Aktualisierungsmodul empfangen.
-
Selbstverständlich kann,
wie ersichtlich, das hierin beschriebene Simulationssystem 52 bei
Einsatz in einem Kraftwerk sowie anderen Typen von Anlagen unter
anderem (1) die Echtzeit-Integration von Simulations- und Steuerungsfunktionen
während des
realen Betriebs des Kraftwerks leisten, (2) eine Echtzeit-Vorhersage
von Emissionen eines Kraftwerks über
einen endlichen zukünftigen
Zeithorizont leisten, (3) einen Mechanismus für zukünftige Preisgestaltungen auf
dem Stromerzeugungsmarkt zur Verfügung stellen, (4) die Effizienz
der Anlagenbediener steigern, indem es als Antwort auf die Regeltätigkeit
des Steuerungssystems eine Echtzeit-Prädiktionsfunktion für jede der
wichtigen, der Anlage zugeordneten Prozessvariablen zur Verfügung stellt,
(5) einen Echtzeit-Hinweis auf das Eintreten einer abnormalen Situation
liefern, (6) ein Rücksetzen
der Anfangsbedingungen des Simulators auf einen bestimmten Zeitraum
ermöglichen,
sodass die Betriebsdynamik des Kraftwerks "erneut abgespielt" werden kann, indem ab dem Zeitraum,
der dem Zeitschritt des Anfangszustands entspricht, in der Zeit nach
vorne gegangen wird (was zur Analyse des früheren Anlagenbetriebs genutzt
werden kann), (7) Bediener und/oder Ingenieure in die Lage versetzen, den
Effekt einer Änderung
eines Sollwerts, Abstimmparameters, einer Konfiguration oder einer Programmierung
auf dem Simulator zu testen, bevor diese in der realen Anlage umgesetzt
wird, und (8) Anlagenauslösungen
aufgrund von Bedienerhandlungen/Eingriffen reduzieren, indem es
eine Vorhersage der wichtigen Prozessvariablen für jeden Zeitschritt über einen
endlichen zukünftigen
Horizont zur Verfügung stellt.
-
Darüber hinaus
weist, wie ersichtlich, das hierin beschriebene Simulationssystem
das neuartige Konzept der Verteilung der Simulationsfunktionen als
integralen Bestandteil der Steuerungsfunktionen insgesamt auf. Bei
diesem Konzept dient die Simulation als Erweiterung der Steuerungsfunktionen,
um prädiktive
Funktionen in Verbindung mit den Prozessvariablen zur Verfügung zu
stellen. Die mit der Verteilung der Simulation einhergehenden Anforderungen
und Einschränkungen
sind mit den entsprechenden Steuerungsfunktionen identisch.
-
6 zeigt
eine Art der Implementierung des hierin beschriebenen Simulationssystems 52.
Insbesondere beinhaltet das Simulationssystem 52 aus 6 das
mit dem Prozessmodell 66 kommunikativ gekoppelte, simulierte
Prozesssteuerungsnetzwerk 64. Wie in 6 dargestellt,
ist jedoch ein Aktualisierungsmodel 70 mittels jeder gewünschten
Kommunikationsstruktur kommunikativ mit dem realen Prozesssteuerungsnetzwerk 54 verbunden,
um die Statusvariablen des Prozess steuerungsnetzwerks einschließlich der
Steuerungsstatusvariablen X sowie der entsprechenden Prozesseingaben-
und Ausgaben-Statusvariablen
wie beispielsweise der Steuerungssignale U und der Prozessvariablen
Y periodisch zu empfangen. Wenn gewünscht, können die Steuerungsstatusvariablen
X mit jeder beliebigen periodischen Rate empfangen werden, die dieselbe Rate
wie oder eine andere Rate als die periodische Rate sein kann, mit
der die Statusvariablen U und Y vom Prozess empfangen werden. Darüber hinaus können, wenn
gewünscht,
die Steuerungsstatusvariablen X mit einer periodischen Rate empfangen
oder aktualisiert werden, indem sie nur aktualisiert werden, wenn
tatsächlich
eine Änderung
einer oder mehrerer dieser Variablen innerhalb des Prozesssteuerungssystems 50 erfolgt.
-
Das
Aktualisierungsmodul 70, das sich im selben Gerät wie oder
in einem anderen Gerät
als das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk 64 (oder ein
Teil davon) oder das Prozessmodell 66 (oder ein Teil davon)
befinden kann, arbeitet im Nachführbetrieb,
um die Statusvariablen X, U und Y zu empfangen und den Statusvektor ψk zu berechnen und die Vektoren θ and ψk den entsprechenden Teilen des simulierten
Steuerungsnetzwerks 64 und des Prozessmodells 66 zur
Verfügung
zu stellen.
-
Das
Simulationssystem 52 beinhaltet weiterhin ein Modussteuerungsmodul 72,
das den Betrieb des Simulationssystems 52 auf eine von
zwei Betriebsarten einstellt. Insbesondere empfängt das Aktualisierungsmodul 72 in
einem ersten Modus periodisch die erste und zweite Statusvariable
und aktualisiert das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk 64 und
das Prozessmodell 66 mittels der entwickelten Statusvariablen θ und ψk In einer zweiten Betriebsart arbeitet das
simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk 64 unter Verwendung
einer oder mehrerer simulierter Prozessvariablen Ŷ, um das
eine oder die mehreren simulierten Steuerungssignale Û zu erzeugen,
und das Prozessmodell 66 verwendet das eine oder die mehreren
simulierten Steuerungssignale Û,
um die eine oder die mehreren simulierten Prozessvariablen Ŷ zu erzeugen.
Das Modussteuerungsmodul 72 kann das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk 64 in
der zweiten Betriebsart betreiben, um mit einer Echtzeitgeschwindigkeit
ausgeführt
zu werden, die der betriebsmäßigen Geschwindigkeit
des Prozesssteuerungsnetzwerks 54 zugeordnet ist, oder
mit einer Geschwindigkeit, die entweder schneller oder langsamer
als die betriebsmäßige oder
Echtzeit-Geschwindigkeit des Prozesssteuerungsnetzwerks 54 ist.
Darüber
hinaus kann das Modussteuerungsmodul 72 in einer Ausführung das
simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk 64 im zweiten Modus
betreiben, um mit einer Geschwindigkeit ausgeführt zu werden, die schneller
ist als die betriebsmäßige Geschwindigkeit des
Prozesssteuerungsnetzwerks 54, um eine vorhergesagte Prozessvariable über einem
Zeithorizont zu erzeugen.
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Weiterhin
kann eine Benutzerschnittstellenanwendung 74 kommunikativ
mit dem Aktualisierungsmodul 70, dem Modussteuerungsmodul 72, dem
simulierten Steuerungsnetzwerk 64 und dem Prozessmodell 66 gekoppelt
werden, um Benutzerschnittstellen- und Anzeigeoperationen durchzuführen. In
diesem Fall kann die Benutzerschnittstellenanwendung 74 die
simulierten Prozessvariablen Ŷ und/oder
die simulierten Steuerungssignale Û empfangen und einem Benutzer
anzeigen und einen Benutzer in die Lage versetzen, innerhalb des
simulierten Prozesssteuerungsnetzwerks 64 Parameter wie beispielsweise
einen oder mehrere Sollwerte, eine Steuerungsroutine etc. oder einen
oder mehrere Parameter innerhalb des Prozessmodells 66 zu ändern, um
jede gewünschte
Simulationstätigkeit
durchzuführen.
Weiterhin kann die Benutzerschnittstellenanwendung 74 in
Verbindung mit dem Modussteuerungsmodul 72 arbeiten, um
das Simulationssystem 52 periodisch und automatisch in
der zweiten Betriebsart zu betreiben, um mit einer Geschwindigkeit ausgeführt zu werden,
die schneller ist als die betriebsmäßige Geschwindigkeit des Prozesssteuerungsnetzwerks
54, um eine vorhergesagte Prozessvariable mit einem Zeithorizont
zu erzeugen und um einem Benutzer die vorhergesagte Prozessvariable mit
dem Zeithorizont (und alle anderen simulierten Variablen oder Informationen)
anzuzeigen. Selbstverständlich
kann die Benutzerschnittstelle auch andere gewünschte Operationen ausführen.
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Die
hier beschriebene Simulationssoftware kann, wenn implementiert,
in jedem computerlesbaren Speicher wie beispielsweise auf Magnetplatte, Laser-Disk
oder sonstigen Speichermedien, im Arbeitsspeicher oder in einem
Nurlesespeicher eines Computers etc. gespeichert werden. Entsprechend kann
diese Software einem Anwender, einem Werk oder einem Bedienrechner
mittels jeder bekannten oder gewünschten Übergabemethode
wie beispielsweise auf einer computerlesbaren Diskette oder einem
anderen transportablen Computer-Speichermedium
oder über
einen Kommunikationskanal wie beispielsweise eine Telefonleitung,
das Internet, das World Wide Web, jedes andere lokale Netzwerk oder Weitbereichsnetz
etc. übergeben
werden (wobei diese Übergabe
als identisch oder austauschbar mit der Übergabe der betreffenden Software
mittels eines transportablen Speichermediums betrachtet wird). Weiterhin
kann diese Software direkt ohne Modulation oder Verschlüsselung
oder nach Modulation und/oder Verschlüsselung mittels jeder geeigneten Modulationsträgerwelle
und/oder jedes geeigneten Verschlüsselungsverfahrens vor Übertragung über einen
Kommunikationskanal übergeben
werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich zwar auf spezifische Beispiele,
die lediglich der Veranschaulichung dienen und diese Erfindung nicht
einschränken
sollen, jedoch ist es für
den technisch Versierten offenkundig, dass Änderungen, Ergänzungen oder
Streichungen an den dargestellten Ausführungen vorgenommen werden
können,
ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.