DE102007035274A1 - Synchronisierte Echtzeit-Steuerung und -Simulation innerhalb einer Prozessanlage - Google Patents

Synchronisierte Echtzeit-Steuerung und -Simulation innerhalb einer Prozessanlage Download PDF

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Richard W. Kephart
Xu Cheng
Steven J. Schilling
Robert L. Yeager
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Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
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Abstract

Eine Simulationstechnik für ein Prozesssteuerungssystem führt auf eine Art und Weise, die mit dem Betrieb eines realen Prozesssteuerungsnetzwerks synchronisiert ist, eine Echtzeit-Simulation des realen Prozesssteuerungsnetzwerks aus, während dieses Netzwerk innerhalb einer Prozessanlage läuft. Dieses synchronisierte Echtzeit-Simulationssystem weist ein Simulationsprozesssteuerungsnetzwerk und ein Prozessmodell auf, die während des Betriebs des realen Prozesssteuerungsnetzwerks automatisch periodisch aktualisiert werden, um Änderungen zu repräsentieren, die an dem Prozesssteuerungsnetzwerk vorgenommen wurden, und um Änderungen in der Anlage selbst, d.h. Änderungen, die ein aktualisiertes Prozessmodell erfordern, zu berücksichtigen. Das beschriebene Simulationssystem bietet leichter zugängliche und besser nutzbare Simulationsaktivitäten, da das Prozesssteuerungsnetzwerk und die Prozessmodelle, die innerhalb des Simulationssystems verwendet werden, mit den aktuellen Betriebsbedingungen des Prozesses synchronisiert werden und in Bezug darauf aktuell sind. Darüber hinaus ist dieses Simulationssystem genauer, da es Prozessmodelle verwendet, die aus dem aktuellen Status des Prozesses entwickelt werden, sobald das Simulationssystem mit der Ausführung einer Simulation beginnt. Darüber hinaus ist das beschriebene Simulationssystem leicht zu bedienen, da es dieselben Benutzerschnittstellenanwendungen wie das reale Prozesssteuerungsnetzwerk verwendet und jederzeit während des ...

Description

  • TECHNISCHER EINSATZBEREICH
  • 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.
  • BESCHREIBUNG DER ENTSPRECHENDEN TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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;
  • 2 ist ein logisches Blockdiagramm eines Prozessanlagensteuerungssystems und eines Simulationssystems zur Simulation des Prozessanlagensteuerungssystems;
  • 3 ist ein vereinfachtes logisches Blockdiagram eines Steuerungskreises des in 2 dargestellten Anlagensteuerungssystems;
  • 4 ist ein vereinfachtes logisches Blockdiagram eines simulierten Steuerungskreises, der von dem in 2 dargestellten Simulationssystem implementiert wird;
  • 5 ist ein logisches Blockdiagramm, das die kommunikativen Verbindungen zwischen dem Simulationssystem und dem Steuerungssystem aus 2 während einer Nachführbetriebsart darstellt, und
  • 6 ist ein Blockdiagramm eines Simulationssystems, das die hier beschriebenen Merkmale implementiert.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (29)

  1. Simulationssystem zum Simulieren des Betriebs eines innerhalb einer Prozessanlage angeschlossenen Prozesssteuerungsnetzwerks, wobei das Simulationssystem aufweist: ein simuliertes Prozesssteuerungsnetzwerk, das eine oder mehrere simulierte Prozessvariablensignale verwendet, um ein oder mehrere simulierte Steuerungssignale zu erzeugen, um den Betrieb des innerhalb der Prozessanlage angeschlossenen Prozesssteuerungsnetzwerks zu simulieren; ein Prozessmodell, das kommunikativ mit dem simulierten Prozesssteuerungsnetzwerk verbunden ist, das die simulierten Steuerungssignale verwendet, um die eine oder die mehreren simulierten Prozessvariablen zu erzeugen, und ein Aktualisierungsmodel, das kommunikativ mit dem Prozesssteuerungsnetzwerk verbunden ist, um periodisch eine erste Statusvariable zu empfangen, die eine aktuelle Konfiguration des Prozesssteuerungsnetzwerks während des Betriebs des Prozesssteuerungsnetzwerks repräsentiert, und um periodisch eine zweite Statusvariable zu empfangen, die einen Betrieb des Prozesses während des Betriebs des Prozesssteuerungsnetzwerks repräsentiert, wobei das Aktualisierungsmodul das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk periodisch mit der ersten Statusvariablen konfiguriert und wobei das Aktualisierungsmodul die zweite Statusvariable periodisch verwendet, um das Prozessmodell zu aktualisieren.
  2. Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das Aktualisierungsmodul die erste und zweite Statusvariable periodisch mit einer Scan-Rate empfängt, die von einer oder mehreren Steuerungen innerhalb des Prozesssteuerungsnetzwerks verwendet wird.
  3. Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das Simulationssystem ein Modussteuerungsmodul aufweist, das den Betrieb des Simulationssystems in einen von zwei Modi steuert, einschließlich eines ersten Modus, bei dem das Aktualisierungsmodul periodisch die erste und zweite Statusvariable empfängt und das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk und das Prozessmodell mittels der ersten und zweiten Statusvariablen aktualisiert, und eines zweiten Modus, bei dem das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk unter Verwendung der einen oder mehreren simulierten Prozessvariablen arbeitet, um das eine oder die mehreren simulierten Steuerungssignale zu erzeugen, wobei das Prozessmodell das eine oder die mehreren simulierten Steuerungssignale verwendet, um die eine oder die mehreren simulierten Prozessvariablen zu erzeugen.
  4. Simulationssystem nach Anspruch 3, wobei das Modussteuerungsmodul das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk im zweiten Modus betreibt, um mit einer Echtzeitgeschwindigkeit ausgeführt zu werden, die mit der betriebsmäßigen Geschwindigkeit des Prozesssteuerungsnetzwerks assoziiert ist.
  5. Simulationssystem nach Anspruch 3, wobei das Modussteuerungsmodul das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk im zweiten Modus betreibt, um mit einer Geschwindigkeit ausgeführt zu werden, die entweder schneller oder langsamer als die betriebsmäßige Geschwindigkeit des Prozesssteuerungsnetzwerks ist.
  6. Simulationssystem nach Anspruch 3, wobei das Modussteuerungsmodul das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk im zweiten Modus betreibt, um mit einer Geschwindigkeit ausgeführt zu werden, die schneller ist als die betriebsmäßige Geschwindigkeit des Prozesssteuerungsnetzwerks, um eine vorhergesagte Prozessvariable in einem Zeithorizont zu erzeugen.
  7. Simulationssystem nach Anspruch 3, wobei das Modussteuerungsmodul das Simulationssystem periodisch automatisch im zweiten Modus betreibt, um mit einer Geschwindigkeit ausgeführt zu werden, die schneller ist als die betriebsmäßige Geschwindigkeit des Prozesssteuerungsnetzwerks, um eine vorhergesagte Prozessvariable in einem Zeithorizont zu erzeugen und um einem Benutzer die vorhergesagte Prozessvariable in dem Zeithorizont anzuzeigen.
  8. Simulationssystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine Benutzerschnittstelle, die es einem Benutzer ermöglicht, eine oder mehrere Änderungen an dem simulierten Prozesssteuerungsnetzwerk vorzunehmen, um eine Simulation einer geänderten Prozesssteuerungsbedingung durchzuführen.
  9. Simulationssystem nach Anspruch 8, wobei die Benutzerschnittstelle es einem Benutzer ermöglicht, einen oder mehrere eines Sollwerts oder einer Steuerungsroutine des simulierten Prozesssteuerungsnetzwerks zu ändern.
  10. Simulationssystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine Benutzerschnittstelle, die es einem Benutzer ermöglicht, eine oder mehrere Änderungen an dem Prozessmodell vorzunehmen, um eine Simulation einer geänderten Prozessbedingung durchzuführen.
  11. Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk eine Kopie des Prozesssteuerungsnetzwerks ist.
  12. Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Statusvariable eine Variable beinhaltet, die mit einem Steuerungs-Abstimmparameter assoziiert ist.
  13. Simulationssystem nach Anspruch 12, wobei der Steuerungs-Abstimmparameter einen oder mehrere Steuerungsverstärkungsparameter, einen Steuerungs-Resetparameter, einen Steuerungsratenparameter, einen Fuzzy-Logik-Steuerungs-Skalierungsfaktor oder einen Gewichtungsfaktor für eine neuronale Netzwerksteuerung aufweist.
  14. Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei die zweite Statusvariable eine oder mehrere einer Prozessvariablenmessung und ein Steuerungssignal aufweist.
  15. Simulationssystem nach Anspruch 1, wobei das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk eine Mehrzahl von Steuerungsmodulen aufweist, wobei jedes Steuerungsmodul mit einem anderen Prozessmodell gekoppelt ist, wobei jedes der unterschiedlichen Prozessmodelle einem anderen Teil des Prozesses zugeordnet ist.
  16. Simulationssystem nach Anspruch 15, wobei verschiedene Steuerungsmodule der Mehrzahl von Steuerungsmodulen in unterschiedlichen Computergeräten angeordnet sind.
  17. Verfahren zur Simulation des Betriebs eines Prozesssteuerungssystems, das ein Prozesssteuerungsnetzwerk aufweist, das innerhalb einer Prozessanlage verbunden ist, wobei das Verfahren aufweist: periodisches Empfangen einer ersten Statusvariablen, die eine aktuelle Konfiguration des Prozesssteuerungsnetzwerks während des Betriebs des Prozesssteuerungsnetzwerks repräsentiert; periodisches Empfangen einer zweiten Statusvariablen, die den aktuellen Betrieb der Prozessanlage während des Betriebs des Prozesssteuerungsnetzwerks repräsentiert; periodisches Konfigurieren eines simulierten Prozesssteuerungsnetzwerks unter Verwendung der ersten Statusvariablen; periodisches Aktualisieren eines Prozessmodells unter Verwendung der zweiten Statusvariablen und Simulieren des Betriebs des Prozesssteuerungssystems durch Anwenden eines oder mehrerer simulierter Prozessvariablensignale auf das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk, um eines oder mehrere simulierte Steuerungssignale zu erzeugen, sowie Verwenden der simulierten Steuerungssignale in dem aktualisierten Prozessmodell, um die eine oder die mehreren simulierten Prozessvariablen zu erzeugen.
  18. Simulationsverfahren nach Anspruch 17, wobei das periodische Empfangen der ersten Statusvariablen das periodische Empfangen der ersten Statusvariablen mit einer Scan-Rate beinhaltet, die von einer oder mehreren Steuerungen innerhalb des Prozesssteuerungsnetzwerks verwendet wird.
  19. Simulationsverfahren nach Anspruch 17, wobei das periodische Empfangen der zweiten Statusvariablen das periodische Empfangen der zweiten Statusvariablen mit einer Scan-Rate beinhaltet, die von einer oder mehreren Steuerungen innerhalb des Prozesssteuerungsnetzwerks verwendet wird.
  20. Simulationsverfahren nach Anspruch 17, wobei die erste und zweite Statusvariable mit derselben periodischen Rate empfangen werden.
  21. Simulationsverfahren nach Anspruch 17, wobei das Simulieren des Betriebs des Prozesssteuerungssystems das Anwenden des einen oder der mehreren simulierten Prozessvariablensignale auf das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk beinhaltet, um das eine oder die mehreren simulierten Steuerungssignale zu erzeugen, sowie die Verwendung des einen oder der mehreren simulierten Steuerungssignale in dem aktualisierten Prozessmodell, um die eine oder die mehreren simulierten Prozessvariablen mit einer Echtzeitrate zu erzeugen, die mit der betriebsmäßigen Rate des Prozesssteuerungssignals assoziiert ist.
  22. Simulationsverfahren nach Anspruch 17, wobei das Simulieren des Betriebs des Prozesssteuerungssystems das Anwenden des einen oder der mehreren simulierten Prozessvariablensignale auf das simulierte Prozesssteuerungsnetzwerk beinhaltet, um das eine oder die mehreren simulierten Steuerungssignale zu erzeugen, sowie die Verwendung des einen oder der mehreren simulierten Steuerungssignale in dem aktualisierten Prozessmodell, um die eine oder die mehreren simulierten Prozessvariablen mit einer Rate zu erzeugen, die größer ist als die betriebsmäßige Rate des Prozess steuerungsnetzwerks.
  23. Simulationsverfahren nach Anspruch 22, beinhaltend die Durchführung der Simulationsoperation zum Erzeugen einer vorhergesagten Variablen in einem Zeithorizont.
  24. Simulationsverfahren nach Anspruch 17, beinhaltend eine periodische automatische Simulationsoperation des Prozesssteuerungssystems mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die betriebsmäßige Geschwindigkeit des Prozesssteuerungsnetzwerks, um eine vorhergesagte Prozessvariable in einem Zeithorizont zu erzeugen, sowie die Anzeige der vorhergesagten Prozessvariablen in dem Zeithorizont für einen Benutzer.
  25. Simulationsverfahren nach Anspruch 17, wobei es einem Anwender ermöglicht wird, eine oder mehrere Änderungen an dem simulierten Prozesssteuerungsnetzwerk vorzunehmen, bevor der Betrieb des Prozesssteuerungssystems simuliert wird, um so die Simulation einer geänderten Prozesssteuerungsbedingung durchzuführen.
  26. Simulationsverfahren nach Anspruch 25, wobei es einem Benutzer ermöglicht wird, einen oder mehrere eines Sollwerts oder einer Steuerungsroutine des simulierten Prozesssteuerungsnetzwerks zu ändern.
  27. Simulationsverfahren nach Anspruch 17 einschließlich der Entwicklung des simulierten Prozesssteuerungsnetzwerks durch Kopieren des Prozesssteuerungsnetzwerks.
  28. Simulationsverfahren nach Anspruch 17, wobei das periodische Konfigurieren des simulierten Prozesssteuerungsnetzwerks unter Verwendung der ersten Statusvariablen die Verwendung einer Variablen beinhaltet, die mit einem Steuerungsabstimmparameter als erster Statusvariablen assoziiert ist.
  29. Simulationsverfahren nach Anspruch 17, wobei das periodische Aktualisieren des Prozessmodels unter Verwendung der zweiten Statusvariablen die Verwendung einer oder mehrerer einer Prozessvariablenmessung und eines Steuerungssignals als zweiter Statusvariablen beinhaltet.
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