DE102007059582A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Training des Bedienpersonals einer prozesstechnischen Anlage - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Training des Bedienpersonals einer prozesstechnischen Anlage Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Trainieren des Bedienpersonals einer prozesstechnischen Anlage (1), die einen Leitstand (7) zum Überwachen, Regeln und/oder Steuern des auf der Anlage (1) ablaufenden Prozesses (2) aufweist, wobei die in dem Leitstand (7) gegebenen Befehle oder Signale abgegriffen werden und der auf der Anlage (1) ablaufende Prozess (2) in einem Prozesssimulator (10) unter Berücksichtung der in dem Leitstand (7) gegebenen Befehle oder Signale simuliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesssimulator (10) zur Simulation des Prozesses (2) sowohl rigorose Modelle (12) als auch datengetriebene Modelle (13) verwendet und diese über interne Schnittstellen (14) miteinander verbindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trainieren des Bedienpersonals einer prozesstechnischen Anlage, die einen Leitstand zum Überwachen und Steuern des auf der Anlage ablaufenden Prozesses aufweist. Bevorzugte Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung bieten sich insbesondere bei Anlagen zur Durchführung chemischer oder physikalischer Verfahren bzw. großtechnischer Herstellungsverfahren, beispielsweise einer Sinteranlage, einer Pelletieranlage, einer Schwefelsäureanlage, einer Anodenproduktionsanlage, einer Reduktionsanlage oder einer sonstigen großchemischen Anlage, an, die aus einem Leitstand heraus insbesondere unter Einsatz eines Prozessleitsystems oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) gesteuert, geregelt und kontrolliert werden. Unter chemischen oder physikalischen Verfahren sind insbesondere Prozesse zu verstehen, bei denen physikalische und/oder chemische Umsetzungen von Stoffen erfolgen. So sind den chemischen Verfahren insbesondere auch metallurgische Prozesse zuzurechnen.
  • Im Sinne der Erfindung wird unter Leitstand sowohl ein Bedienpult mit Steuer- und Überwachungsfunktionen als auch ein Prozessleitsystem oder eine speicherprogrammierbare Steuerung verstanden, in denen Regel- und/oder Steuervorgänge für die Anlage definiert sind. In der Praxis weist ein Leitstand neben ggf. weiteren Bestandteilen häufig Kombinationen der zuvor genannten Elemente auf.
  • Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung werden in dem Leitstand gegebenen Befehle, bei denen es sich um manuelle Befehle oder Signale aus dem Prozessleitsystem oder der speicherprogrammierbaren Steuerung, bspw. Reg lerausgangssignale oder Stellsignale, handeln kann, abgegriffen und einem Prozesssimulator zugeführt. Die Ausgänge des Prozesssimulators werden dem Leitstand, d. h. dem Bedienpult bzw. Bedienpersonal, dem Prozessleitsystem oder der speicherprogrammierbaren Steuerung zugeführt. Der auf der Anlage ablaufende Prozess wird in dem Prozesssimulator unter Berücksichtigung insbesondere aller in dem Leitstand gegebenen Befehle oder Signale an die Anlage, welche auch die Reaktionen des Prozessleitsystems oder der speicherprogrammierbaren Steuerung umfassen, simuliert.
  • Ein solches Konzept ist grundsätzlich bereits in der JP 2004021180 A (Patent Abstracts of Japan) beschrieben, die einen On-site Operation Trainingssimulator vorschlägt, der die Bedienung des Trainingssimulators mit der auch zur Steuerung der Anlage vorgesehenen Betriebsmonitoreinrichtung ermöglicht. Dazu kann die Bedienungsmonitoreinrichtung wahlweise auf die zu steuernde Anlage oder den Trainingssimulator aufgeschaltet werden. In dem Trainings-Simulator wird das auf der Anlage ablaufende Verfahren dann simuliert.
  • Bei der Simulation komplexer Anlagen ist es in der Praxis jedoch häufig schwierig, das gesamte Prozess- oder Anlagenverhalten mit Hilfe von expliziten Gleichungen, wie Differentialgleichungen oder stationären Gleichungen so abzubilden, dass der Einfluss einzelner Steuer- oder Regeleingriffe in dem Bedienpult, dem Prozessleitsystem oder der speicherprogrammierbaren Steuerung in ihrem Einfluss auf die reale Anlage auch tatsächlich hinreichend korrekt abgebildet wird, da die zu Grunde liegenden Modelle nicht hinreichend genau sind oder nur mit unverhältnismäßig hohen Aufwand zu ermitteln oder abzubilden sind.
  • Für die Modellierung eines, insbesondere in einer großchemischen Anlage, ablaufenden Prozesses gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Ansatzmöglichkeiten:
    Es gibt sogenannte „rigorose Modelle" („first principal based equations"), die als formelmäßige Beschreibung direkter kausaler und rückgekoppelter Zusammenhänge in einem Prozess auf Basis physikalischer, chemischer und/oder verfahrenstechnischer Beziehungen definiert sind und durch eine oder mehrere Gleichungen parametriert bzw. ausgedrückt werden können. Die Beziehungen beruhen in der Regel auf naturwissenschaftlichen Vorstellungen oder Modellen. In der Praxis sind dies in großchemischen Anlagen stationäre Bilanzgleichungen mit kombinierten Zeitgliedern, dynamische Systeme aus Differentialgleichungen oder gemischte Ansätze aus stationären und dynamischen Gleichungskomponenten.
  • Einen anderen Ansatz bilden sogenannte "datengetriebene Modelle". Derartige Modelle sind definiert als die empirische Beschreibung eines kausalen Zusammenhangs in einem Prozess auf der Basis gewonnener Messdaten, zum Beispiel mittels Korrelations- oder Regressionsansätzen, statistischen Ansätzen und/oder neuronalen Netzen. Insbesondere bieten künstliche neuronale Netze die Möglichkeit, auf der Basis von Messdaten aus der Anlagenhistorie ein Modell des zugrundeliegenden Prozesses zu generieren, ohne a priori Annahmen über die Struktur der funktionalen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Größen zu machen. Solche Annahmen sind bei linearen Regressionsansätzen mit nicht linearen Ansatzfunktionen beispielsweise teilweise notwendig. Die Einsatzschwerpunkte neuronaler Netzwerke in der verfahrenstechnischen Industrie liegen in der Modellierung von Verfahren und Anlagen mit dem Ziel, Betriebspunkte zu optimieren, Messdaten zu überwachen, Online-Fehlerdiagnosen zu ermöglichen oder sinnvoll in Anlagenregelungen einzugreifen.
  • Dies beschreibt beispielsweise die EP 0 756 219 B1 , die ein Verfahren zur Überwachung der Eigenschaften von in einem Herstellungsprozess gefertigten Produkten betrifft. Entsprechend dem offenbarten Verfahren werden die Produkteigenschaften aufgrund von gemessenen Prozessdaten mittels eines Prog nosemodells vorhergesagt, welches zumindest ein Prognoseintervall ausgibt. Dazu erzeugt das vorgeschlagene Verfahren ein neuronales Netz und sammelt kontinuierlich verfügbare Prozessdaten, um die Grenzen des Prognosemodells aufgrund von Messdaten ständig zu erweitern und die Parameter dieses Modells ständig zu verändern und damit die Modellgüte bezogen auf den Prozess ständig zu verbessern.
  • Insbesondere weil ein Stelleingriff an einer Steuer- oder Regeleinrichtung des Leitstands unmittelbare oder mittelbare Auswirkungen auf verschiedenste Prozessparameter und Bereiche des Prozesses haben kann, lassen sich Simulationen nur schwer realisieren, die das gesamte Verfahren durch rigorose stationäre oder dynamische Modelle oder durch neuronale Netze alleine abbilden und den Einfluss eines jeden Stelleingriffs auf den Prozess korrekt erfassen und wiedergeben wollen. Hinzu kommt, dass datengetriebene Modelle, wie neuronale Netze, häufig nur schwer Rückschlüsse auf systematische Schwierigkeiten in der Anlage, wie z. B. Ausfälle von Pumpen, Ventilen oder anderen Bauteilen, zulassen, da die sich selbst konfigurierenden Regeln zur Datenauswertung losgelöst sind von den naturwissenschaftlich-technischen Grundlagen.
  • Reine datengetriebene Modelle können nur die Betriebsvarianten eines Prozesses abbilden, die tatsächlich schon vorgekommen sind. Wegen der vielen theoretischen Möglichkeiten von Störereignissen stehen aber niemals alle möglichen Kombinationen zur Verfügung, um datengetriebene Modelle an diese Möglichkeiten anpassen zu können.
  • Reine rigorose Modelle, wie Differentialgleichungen oder Bilanzgleichungen, basieren dagegen immer auf vereinfachten Annahmen der Wirklichkeit, weshalb sie die Wirklichkeit nur in Einzelfällen angenähert wiedergeben können. Als Beispiel mag die Reaktionskinetik dienen: Alle Gleichungen, welche die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion vorherzusagen versuchen, basieren auf vereinfachten stochastischen Stoßmodellen idealer punktförmiger Teilchen, die es in Wirklichkeit nicht gibt, und sind daher auch nur begrenzt genau. Weitere Beispiele für die Anwendung rigoroser Modelle sind eine Regelung nach der DE 102 60 943 B3 , in der die Temperatur in einem Ofen mit Hilfe der zugeführten Brennstoff und Eduktmenge gesteuert wird, oder ein Verfahren zur Stabilisierung einer Wirbelschicht in einem Röstofen nach der EP 1 339 881 B1 , bei dem die Zugabe einer bestimmten Sauerstoffmenge zu einem Röstofen berechnet wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zum Trainieren des Bedienpersonals zu schaffen, die den gesamten Prozess einer Anlage mit seinen im Leitstand gegebenen Stellmöglichkeiten so genau simuliert, dass das Bedienpersonal keinen nennenswerten Unterschied zwischen der tatsächlichen Anlagenführung und dem Trainingsfall wahrnimmt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
  • Dazu ist bei dem Verfahren der eingangs beschriebenen Art insbesondere vorgesehen, dass der Prozesssimulator zur Simulation bzw. Modellierung des Prozesses in der Anlage sowohl rigorose Modelle als auch datengetriebene Modelle verwendet und diese über interne Schnittstellen miteinander verbindet. Durch diesen Ansatz ist es möglich, in dem Prozesssimulator für viele wissenschaftlich-technisch gut aufgeklärte Zusammenhänge rigorose Teilmodelle und für die nicht hinreichend genau bekannten oder schwer beschreibbaren Zusammenhänge datengetriebene Teilmodelle zu verwenden, die dann über die Schnittstellen zu einem Gesamtmodell zusammengesetzt werden. Die rigorosen Modelle können z. B. auf physikalischen Gleichungen, Bilanzgleichungen, reaktionskinetischen Differenzialgleichungen und anderen wissenschaftlich gut aufgeklärten Formeln oder Modellen für bekannte oder untersuchte Zusammenhänge basieren. Bei den rigorosen Modellgleichungen sind die Struktur der Gleichung und die Größenordnung der Parameter dieser Gleichung in der Regel recht gut bekannt, so dass durch diese rigorosen Teilmodelle Abschnitte der Anlage in ihrer technischen Funktionsweise abgebildet und somit besser verstanden werden können. Beispiele für gut bekannte Gleichungen sind Modelle oder Zusammenhänge für einfache Wärmeübergänge, Massenbilanzgleichungen und einfache reaktionskinetische Modelle (beispielsweise die Arrhenius-Gleichung oder die Michaelis-Menten-Gleichung). Ferner lassen sich Massenströme, Volumenströme und das stochastische Laufzeitverhalten einzelner Moleküle durch die Anlage häufig durch rigorose Modelle mit großer Genauigkeit beschreiben.
  • Sofern die rigorosen (Teil)Modelle nicht genau genug sind, werden datengetriebene (Teil)Modelle verwendet, deren Parameter mit Hilfe von Prozessdaten angepasst, also erlernt, berechnet oder gefittet werden. Für die Anpassung (Fit) können diverse Verfahren wie Gradientenverfahren, konjugierte Gradientenverfahren, stochastische Verfahren (z. B. die Monte-Carlo-Methode) oder auch genetische Algorithmen verwendet werden. Merkmal dieser datengetriebenen Modelle ist es, dass die Struktur der verschiedenen Gleichungen und/oder die Parameter mit Hilfe von aus der Anlage stammenden Messdaten und/oder Laboranalysen ermittelt und die technisch-naturwissenschaftlichen Zusammenhänge nicht unbedingt erkennbar zusammenhängend, also nicht explizit oder nicht als geschlossen lösbare Gleichungen, beschrieben werden. In vielen Fällen ist es auch sinnvoll, trotz vorhandener rigoroser Modelle auf datengetriebene Modelle zurück zu greifen, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen oder spezielle Abhängigkeiten besser abbilden zu können. Letztendlich ist die Verwendung vorhandener rigoroser (Teil)Modelle oder deren Ersatz durch datengetriebene (Teil)Modelle abhängig von der einzelnen Anlage und dem gewünschten Simulationserfolg.
  • Durch die vorgesehenen internen Schnittstellen werden die einzelnen rigorosen oder datengetriebenen Teilmodelle miteinander verbunden, wobei eine Schnittstelle sowohl Übergänge zwischen rigorosen und datengetriebenen Teilmodellen als auch Übergänge zwischen jeweils rigorosen Modellen oder datengetriebenen Modellen umsetzt. Charakteristikum dieser Schnittstellen kann es insbesondere sein, dass das Ergebnis des vorangehenden Teilmodells als Ausgangspunkt für das folgende Teilmodell verwendet wird.
  • Ein sowohl aus rigorosen als auch datengetriebenen Modellen (Teilmodellen) aufgebautes (Gesamt)Modell des Prozesssimulators, welches auch als Hybridmodell bezeichnet wird, benötigt nur eine vergleichsweise geringe Rechenzeit, da bekannte Zusammenhänge durch wenig rechenintensive rigorose Modelle abgebildet werden und lediglich die nicht oder nur durch großen Aufwand durch geschlossene Gleichungen mittels Parameter darstellbaren Prozessteile über mit den rigorosen Modellen verbundene datengetriebene Modelle abgedeckt werden.
  • Um das vorbeschriebene Verfahren umzusetzen, ist es daher besonders vorteilhaft, bei der Bildung des Prozesssimulators in einem ersten Schritt kausale Zusammenhänge innerhalb des Prozesses, die aufgrund bekannter physikalischer, chemischer und/oder verfahrenstechnischer Beziehungen durch Gleichungen ohne großen Aufwand und mit der geforderten Genauigkeit beschreibbar sind, durch ein oder mehrere rigorose(s) Modell(e) zu beschreiben und in einem zweiten Schritt die verbleibenden kausalen Zusammenhänge zur Abbildung des Prozesses durch ein oder mehrere datengetriebene(s) Modell(e) umzusetzen. Auch kann es vorteilhaft sein, empirische Stoffdatenbanken mit Hilfe datengetriebener Ansätze zu Modellgleichungen umzuwandeln oder zu übernehmen (z. B. angepasste Gleichungen für Wärmekapazitäten) und diese zu verwenden, um den rigorosen Modellen Parameter vorzugeben. Ebenso können hierzu z. B. Gerätekennlinien benutzt oder umgewandelt werden, um Parameter für diese Modelle zu gewinnen.
  • In einem gesamten Anlagenprozess sind durch rigorose Modelle in der Regel nur Teilprozesse gut beschreibbar, die den Übergang von einem physikalischchemischen Ausgangs(zwischen)zustand in einen physikalisch-chemischen End(zwischen)zustand beschreiben. Allerdings ist das Erreichen diese Ausgangszustands meist durch geschlossene Gleichungen in dem rigorosen Modell nur schlecht oder gar nicht zu beschreiben, da zu viele Parameter in der Anlage berücksichtigt werden müssten, die teilweise auch konkurrierenden Einfluss haben.
  • Insbesondere in diesem Fall ist es sinnvoll, als interne Schnittstellen zwischen den rigorosen Modellen und den datengetriebenen Modellen physikalischchemisch bestimmbare oder charakterisierbare Zwischenzustände zu definieren. Das Auffinden bzw. die Bestimmung derartiger Zwischenzustände kann durch Auswertung realer Prozessdaten erfolgen, da die Zwischenzustände häufig zu bestimmten Zeitpunkten des Prozesses in der Anlage vorliegende, messbare Zustände sind. Damit definieren die internen Schnittstellen in der Anlage bestimmbare Zwischenzustände, die durch die Teilmodelle beschrieben werden müssen bzw. können und auch ein abschnittsweises Überprüfen der einzelnen Teilmodelle durch Messung von Prozessgrößen in der Anlage ermöglichen. Diese Zwischenzustände sind nicht zwangsläufig chemische oder physikalische einheitliche Zustände, sondern können sich durch verschiedene Parameter eindeutig bestimmt oder charakterisiert werden, z. B. durch Temperatur, chemische Zusammensetzung, Verweilzeit, Verteilung von Partikelgrößen, Dichteänderung.
  • Derartige Zwischenzustände bieten einen idealen Ausgangspunkt zur weiteren Beschreibung des Prozesses mittels rigoroser Modelle. Daher wird erfindungs gemäß vorgeschlagen, alle oder einige, vorzugsweise aber viele Übergänge zwischen Zwischenzuständen, die auf physikalisch-chemischen Reaktionen beruhen, mit rigorosen Modellen zu beschreiben. Das Überprüfen der rigorosen Modelle beziehungsweise der jeweiligen Modellparameter kann dann anhand von realen, gemessenen Betriebsdaten oder durch Laborversuche oder Technikumsversuche erfolgen. Dabei können auch verschiedene, charakterisierbare Zwischenzustände an einem Ort zum gleichen Zeitpunkt vorhanden sein.
  • Zur Anbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens an den Leitstand können als erste externe Schnittstellen zwischen dem Leitstand und dem Prozesssimulator die von dem Leitstand insbesondere aufgrund von Steuerbefehlen oder automatischen Regel- oder Stelleingriffen an die Anlage ausgegebenen Stellgrößen verwendet werden. Die Auswirkungen dieser Stellgrößen sind in einem physikalisch-chemischen Modell häufig nicht geschlossen, d. h. nicht rigoros, beschreibbar.
  • Daher ist es besonders vorteilhaft, dass alle oder einige, vorzugsweise aber viele Übergänge zwischen einer externen Schnittstelle, d. h. beispielsweise einer aufgrund eines Steuer- oder Regelbefehls erzeugten Stellgröße, und einem Zwischenzustand durch ein datengetriebenes Modell beschrieben werden.
  • Als zweite externe Schnittstellen zwischen dem Prozesssimulator und dem Leitstand können Zustandsinformationen der Anlage definiert werden, die dem Leitstand als Rückmeldungen der Anlage zugeleitet werden. Hierdurch ist der Trainingssimulator in der Lage, durch ihn simulierte Prozessdaten in Form von Sensorinformationen in dem Leitstand anzuzeigen und dadurch eine realistische Simulation der Anlage auch in dem Leitstand zu erreichen. Typischerweise sind derartige Zustandsinformationen häufig insbesondere Werte von in der Anlage befindlichen Messsensoren.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Leitstand wahlweise die Anlage oder den Prozesssimulator steuert, wobei dies in dem Leitstand vorzugsweise nicht angezeigt wird. Somit erscheint die Steuerung des Prozesssimulators durch den Leitstand als eine Steuerung der Anlage und ermöglicht es, den Trainings-Simulator unter realen Bedingungen einzusetzen. Die bedienenden und zu trainierenden Operateure müssen also nicht wissen, dass sie nicht die Anlage, sondern einen Simulator steuern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann in den Trainings-Simulator dann ein zweiter Leitstand integriert sein, der die Anlage steuert oder bspw. bei abgeschalteter Anlage aktive Eingriffe des Trainers in den Simulator erlaubt, um ggf. besondere Ereignisse oder Störfälle zu simulieren und das Verhalten der Operateure zu trainieren.
  • Da durch das erfindungsgemäße Verfahren der auf der Anlage ablaufende Prozess besonders realistisch simuliert werden kann, weil die Steuerbefehle in dem Leitstand bei der Simulation unmittelbar und vorzugsweise vollständig mitberücksichtigt werden, ist es besonders vorteilhaft, den Prozesssimulator oder Teile des Prozesssimulators gleichzeitig zur Anlagenoptimierung mit zu verwenden. Dies kann beispielsweise durch eine prädikative Online-Optimierung erfolgen, indem die veränderbaren Größen des Prozesses (manipulierbare Variablen) derart geführt werden, dass gegebene technische Schranken (Constraints) eingehalten werden und eine (meist ökonomische) Zielfunktion maximiert oder minimiert wird, indem Auswirkungen von Eingriffen prädiziert (simuliert) werden. Diese prädikative Optimierung kann im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens deshalb so genau umgesetzt werden, weil das Modell durch die Kombination der rigorosen und der datengetriebenen Modelle eine besonders hohe Übereinstimmung des Gesamtmodells mit der Wirklichkeit aufweist. Auch kann es vorteilhaft sein, den Prozesssimulator oder Teile des Prozesssimulators auch zur Verbesserung von Regelstrategien, insbesondere deren Optimierung und/oder Test, zu verwenden, indem bspw. Änderungen der Konfiguration oder der Programmierung des Prozessleitsystems oder der SPS am Prozesssimulator getestet werden, bevor diese an der echten Anlage zum Einsatz kommen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, auch Änderungen in Anlagenteilen zuerst durch den Prozesssimulator zu überprüfen.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Trainieren des Bedienpersonals einer prozesstechnischen Anlagen insbesondere zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens. Die Anlage ist mit einem Leitstand zum Überwachen und Steuern des auf der Anlage ablaufenden Prozesses verbunden. Zur Anbindung an diesen Leitstand weist die erfindungsgemäße Vorrichtung externe Schnittstellen zum Abgreifen der in dem Leitstand gegebenen Befehle oder Signale und/oder zum Zuleiten von Zustandsinformationen an den Leitstand sowie einen Prozesssimulator mit einer Recheneinheit auf. Die externen Schnittstellen können als erste Schnittstellen zum Abgreifen der in dem Leitstand gegebenen Befehle und zweite Schnittstellen zum Zuleiten von Zustandsinformationen an den Leitstand ausgebildet sein, wobei diese Schnittstellen auch zu einer gemeinsamen Schnittstelle bzw. Schnittstelleneinheit zusammengefasst sein können. Die Recheneinheit des Prozesssimulators ist dazu eingerichtet, den auf der Anlage ablaufenden Prozess mittels rigoroser Modelle und datengetriebener Modelle zu simulieren, wobei zwischen den rigorosen und den datengetriebenen Modellen mindestens eine, vorzugsweise mehrere interne Schnittstellen ausgebildet sind. Diese internen Schnittstellen dienen dazu, als Teilmodelle dienende rigorose oder datengetriebene Modelle miteinander zu verbinden, wobei erfindungsgemäß auch zwei oder mehrere datengetriebene Modelle und/oder zwei oder mehrere rigorose Modelle über eine interne Schnittstelle miteinander verbunden sein können. Insbesondere stellt die Recheneinheit eine Implementierung des vorbeschriebenen Verfahrens mittels Datenverarbeitungsprogrammen dar, auf die sich die Erfindung auch bezieht.
  • Vorzugsweise sind die externen Schnittstellen, die die ersten und/oder die zweiten externe Schnittstellen umfassen können, in eine zwischen dem Leitstand und der Anlage vorgesehene Schnittstelle bzw. Schnittstelleineinheit zwischenschaltbar. Diese kann dann so konfigurierbar sein, dass die über die Schnittstelle zwischen dem Leitsystem und der Anlage ausgetauschten Daten in der externen Schnittstelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung wahlweise parallel abgreifbar sind oder durch den Prozesssimulator änderbar und wieder ausgebbar sind. Auf diese Weise lässt sich einfach zwischen einem Simulationsbetrieb und einem Regel- oder Steuerbetrieb der Anlage umschalten, wobei auch der Prozesssimulator sämtliche Steuerbefehle, beispielsweise in Form von Stellgrößen, und Zustandsinformationen der Anlage, beispielsweise in Form von Sensordaten, erhält. Ggf. kann ein Simulations- und ein Regel- oder Steuerbetrieb auch parallel durchgeführt werden.
  • Damit die als Trainingssimulator ausgebildete Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Anlage im Trainingsfalle unmittelbar selbst steuern kann, kann der Prozesssimulator einen eigenen, zweiten Leitstand aufweisen, der eine Anlagensteuerung im Falle des Trainings ermöglicht. Dieser Leitstand kann beispielsweise als reine Softwareimplementierung mit in die erfindungsgemäße Vorrichtung implementiert sein. Hierdurch ist es möglich, während des laufenden Betriebs der Anlage plötzlich ein Trainingsfall einzubauen, der eine kritische Anlagensituation simuliert, und die Anlage während dieses Trainingsfalls durch den erfindungsgemäßen Trainings-Simulator selbst weiter zu steuern. Hierdurch wird eine besonders authentische Trainingssituation für das Bedienpersonal beziehungsweise die Operateure einer prozesstechnischen Anlage erreicht.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
  • Die einzige 1 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Trainieren des Bedienpersonals einer Anlage.
  • In abstrakter Form ist eine prozesstechnische Anlage 1 dargestellt, in der ein chemischer Prozess 2, beispielsweise ein Sinterprozess oder eine Kristallisation, abläuft. Der chemische Prozess 2 ist schematisch durch eine Folge von Pfeilen und Rechtecken symbolisiert, wobei die Rechtecke physikalischchemisch charakterisierbare Zwischenzustände 3 und die Pfeile kausale Zusammenhänge 4 des Prozesses bei einem Übergang zwischen den Zwischenzuständen 3 darstellen. Die kausalen Zusammenhänge können beispielsweise durch chemische Reaktionen oder physikalische Gesetzmäßigkeiten hervorgerufene Übergänge zwischen zwei Zwischenzuständen, d. h. jeweils einem Ausgangszustand und einem Endzustand, sein. Grundsätzlich ist die Art der kausalen Zusammenhänge jedoch beliebig und nicht auf diesen typischen Fall beschränkt
  • Die Anlage 1 ist über erste externe Schnittstellen 5 und zweite externe Schnittstellen 6 mit einem Leitstand 7 verbunden, über den Bedienpersonal (Operateure) den auf der Anlage 1 ablaufenden Prozess 2 steuern und überwachen können. In dem Leitstand 7 sind Regler 8 vorgesehen, die Stellgrößen über die ersten externen Schnittstellen 5 an die Anlage liefern. Diese Stellgrößen beeinflussen Anlagenparameter, wie Druck, Temperatur oder dgl., in bestimmten Anlagenteilen und dadurch die kausalen Zusammenhänge 4 in der Anlage 1. Dies hat Auswirkungen auf die Zwischenzustände 3 in der Anlage 1. Diese Zwischenzustände 3 sind vorzugsweise so definiert, dass sie mit einem definierten physikalisch-chemischen Zustand der Anlage korreliert sind, die beispiels weise mittels einem oder mehreren Sensoren oder Hilfsgrößen in den Zwischenzuständen 3 erfasst werden können. Diese Sensoren übertragen ihre Sensorwerte über die zweiten externen Schnittstellen 6 an den Leitstand 7, in dem die Sensorwerte in Displays 9 zur Charakterisierung des Anlagenzustands dargestellt werden.
  • Für eine solche Anlage 1 soll dem Bedienpersonal beziehungsweise den Operateuren ein Werkzeug zur Verfügung gestellt werden, um den Einstieg in die Bedienung des auf der Anlage 1 ablaufenden Prozesses 2 zu erleichtern und das Bedienpersonal auch während des Betriebs der Anlage 1 laufend zu schulen.
  • Hierzu ist es grundsätzlich notwendig, die reale Anlage 1 für den Operateur möglichst genau abzubilden, so dass im idealen Fall für das Bedienpersonal am Leitsystem 7 kein Unterschied zwischen der realen prozesstechnischen Anlage 1 und ihrer Simulation ersichtlich ist. So können der Normalbetrieb der Anlage 1 und Gefahrensituationen beziehungsweise Betriebszustände durch einen Trainer realistisch vorgegeben werden. Hierzu ist es notwendig, den auf der Anlage 1 ablaufenden Prozess 2 in einem Prozesssimulator 10 (Trainingsimulator) unter Berücksichtigung vorzugsweise aller in dem Leitstand 7 gegebenen Befehle zu simulieren. Dazu ist der Prozesssimulator 10 in eine Vorrichtung 11 zum Trainieren des Bedienpersonals einer prozesstechnischen Anlage 1 mit ersten Schnittstellen 5 zum Abgreifen der in dem Leitstand 7 gegebenen Befehle und zweiten Schnittstellen 6 zum Zuleiten von Zustandsinformationen an den Leitstand 7 integriert. Zur Simulation des Prozesses 2 weist der Prozesssimulator 10 eine Recheneinheit auf, die dazu eingerichtet ist, den auf der Anlage 1 ablaufenden Prozess 2 mittels rigoroser Modelle 12 und datengetriebener Modelle 13 zu simulieren, wobei zwischen den rigorosen Modellen 12 und den datengetriebenen Modellen 13 interne Schnittstellen 14 ausgebildet sind. Diese Schnittstellen 14 können insbesondere den festgelegten oder charakterisierbaren Zwi schenzuständen 3 des Prozesses 2 entsprechen und somit definierte chemischphysikalische Zustände angeben.
  • In dem Prozesssimulator 10 wird ein in dem Leitstand 7 durch einen Regler 8 gegebener Befehl als Stellgröße in einer der ersten externen Schnittstellen 5 durch den Prozesssimulator 10 abgegriffen und steht als Eingangsgröße für den Simulator zur Verfügung. Dies gilt für alle durch Regler 8 erzeugte Stellgrößen. Ferner können in den Leitstand 7 Prozessleitsysteme und speicherprogrammierbare Steuerungen integriert sein, die ihrerseits Befehle und Signale erzeugen, die als Stellgrößen in den ersten externen Schnittsellen 5 abgreifbar sind.
  • Ferner sind die Teile des Prozesses 2 identifizierbar, die aufgrund bekannter physikalischer, chemischer und/oder verfahrenstechnischer Beziehungen durch parameterbehaftete Gleichungen beschreibbar sind. Diese Gleichungen beschreiben in der Regel Übergänge zwischen definierten, technisch gut charakterisierbaren und messbaren Zwischenzuständen 3, die in dem Prozesssimulator 10 als interne Schnittstellen 14 realisiert werden. Solche mit rigorosen Modellen 12 beschreibbaren Übergänge sind als Pfeile mit Doppelstrich dargestellt.
  • Die durch rigorose Modelle nicht einfach beschreibbaren oder beschriebenen Teilprozesse in der Anlage 2 werden dann durch datengetriebene Modelle 13 beschrieben, die zur Beschreibung des gewünschten kausalen Zusammenhangs in dem Prozess 2 auf der Basis von Messdaten ein empirisches Modell ermitteln oder aus anderen Anlagen oder Versuchen übernehmen, das mittels eines Regressionsansatzes, statistischen Ansätzen und/oder künstlichen neuronalen Netzen umgesetzt werden kann. Insbesondere werden die in den externen Schnittstellen 5 abgegriffenen Stellgrößen mittels datengetriebener Modelle mit den internen Schnittstellen 14 verbunden, wobei in dem dargestellten Beispiel die Stellgröße a des Reglers 8 Einfluss auf die Zustände A, B und C der internen Schnittstellen 14 hat. Die Stellgröße b beeinflusst die Zustände A und C der Schnittstellen 14. Die Stellgröße c schließlich beeinflusst die Zustände B und D der internen Schnittstellen 14. Der unmittelbare Einfluss der Regler 8 auf die Zustände der Anlage lässt sich meist nur schlecht mittels rigorosen Modellen 12 beschreiben, die typischerweise eher für den physikalisch-chemischen Verfahrensablauf Anwendung finden.
  • Es gibt jedoch auch physikalisch-chemische Verfahrensabläufe, die besser durch datengetriebene Modelle 13 simuliert werden, wie bei dem Übergang zwischen den Zuständen C und D der internen Schnittstellen 14 angedeutet. Die datengetriebenen Modelle 13 sind als Pfeile mit gekringelter Linie dargestellt.
  • Wie der Gesamtdarstellung des Prozesssimulators 10 zu entnehmen ist, wird durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren also ein Netzwerk zwischen internen Schnittstellen 14 gebildet, die jeweils durch rigorose Modelle 12 und/oder datengetriebene Modelle 13 miteinander verbunden sind. Diese Netzwerke können natürlich wesentlich komplexer aufgebaut sein als in dem Beispiel vereinfacht dargestellt.
  • Im Gegensatz zu bisher verwendeten Trainingssimulatoren, die auf einer Prozesssimulation mit mathematisch dynamischen Modellen basieren und klassisch programmiert wurden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein konventionelles Leitsystem mit einem Prozesssimulator 10 auszustatten, der als Gesamtmodell ein Hybridmodell aus verschiedenen rigorosen und datengetriebenen Teilmodellen 12, 13 zusammenfasst.
  • Die klassischen dynamischen Modelle konnten aufgrund mathematisch nur schwer erfassbarer oder beschreibbarer Zusammenhänge häufig nur eine ungenaue Abbildung der Realität geben. Außerdem war es notwendig, die Gleichungen alle manuell anzupassen, so dass bei der Erstellung des dynamischen Modells sehr hohe Kosten entstanden sind.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridmodelle setzen nun die einfach rigoros beschreibbaren Zusammenhänge oder Modelle mit bekannten Gleichungen um, meistens in Form stationärer Bilanzgleichungen und kombinierter Zeitglieder. Die komplexen Modellteile, die auf einem nur schwer geschlossen mathematisch darstellbaren Modell beruhen, werden mit datengetriebenen Teilmodellen umgesetzt, wobei die datengetriebenen Teilmodelle insbesondere auch selbstkonfigurierende künstliche neuronale Netze umfassen können. Diese können zwar auch eine komplizierte und komplexe Struktur aufweisen, generieren sich jedoch aus in der Anlage gewonnenen und beispielsweise über die externen Schnittstellen 6 eingespeisten Daten selbst und können in dem Prozesssimulator 10 zur Konfiguration der datengetriebenen Modelle 13 gespeichert und ausgewertet werden. Diese Methoden sind dem Fachmann bekannt und müssen daher nicht näher erläutert werden (siehe z. B. Chemical Engineering und Processing 44 (2005), Seite 581–592 oder S. 855–868).
  • Wesentlich für den vorgeschlagenen Prozesssimulator 10 ist, dass die rigorosen Modelle 12 und die datengetriebenen Modelle 13 über die internen Schnittstellen 14, über die sie miteinander kommunizieren, ein Hybrid-Gesamtmodell der Anlage 1 erzeugen. Die Kommunikation zwischen dem Prozesssimulator 10 beziehungsweise der Vorrichtung 11 und dem Leitstand 7 erfolgt dabei über ein die externen Schnittstellen 5, 6 enthaltendes Interface. Dieses Interface kann beispielsweise als OPC-Interface ausgebildet sein, welches ein standardisiertes Interface zur Kommunikation zwischen der Hardware des Leitstands 7 und der Recheneinheit des Prozesssimulators 10 darstellt. Somit ist es möglich, den Prozesssimulator 10 über die Schnittstellen 5, 6 unmittelbar an den Leitstand 7 anzukoppeln. Das trainierte Bedienpersonal erkennt so keinen Unterschied zu einem realen System, d. h. der Anlage 1.
  • Um einem Trainer die Möglichkeit zu geben, in den Prozesssimulator 10 einzugreifen, ist dieser ferner mit einer Ein- und Ausgabeeinheit 15 verbunden. Die Bedien- und Beobachtungseinrichtungen 8, 9 des Leitstands 7 können so von einem Trainer wahlweise auf die echte Anlagensteuerung oder aber auf den Trainingssimulator selbst gelegt werden. Idealerweise ist so eine Trainingssituation möglich, die von dem Bedienpersonal beziehungsweise den Operateuren nicht als solche erkannt wird und daher eine besonders realistische Möglichkeit zur Schulung und dem Training von Gefahrensituationen bietet. Um während des Trainings im laufenden Betrieb die Anlage 1 weiter betreiben zu können, kann an den Prozesssimulator 10 ein eigener, zweiter Leitstand 16 angeschlossen sein, mit dem der Trainer oder anderes Bedienpersonal die Anlage 1 steuert, wenn der Leitstand 7 zu Trainingszwecken verwendet wird. Der zweite Leitstand 16 und die Ein- und Ausgabeeinheit 15 können als eine gemeinsame Einrichtung ausgebildet sein, da insbesondere ein zweiter Leitstand 16 es dem Trainer auch ermöglicht, eine beliebige Trainingssituation in der Anlage vorzugeben, auf die das trainierte Bedienpersonal an dem Leitstand 7 dann reagieren muss.
  • Da die Prozesssimulation unter Verwendung rigoroser Modelle 12 und datengetriebener Modelle 13 neben bekannten technisch-naturwissenschaftlichen Zusammenhängen gleichzeitig vorhandene Prozessdaten einer Anlage verwendet, ist die Genauigkeit des in dem Prozesssimulator 10 realisierten Trainingssimulators erheblich besser als bei herkömmlichen Simulatoren, die ausschließlich ein rigoroses Modell oder ein datenbetriebenes Modell verwenden, insbesondere weil es möglich ist, den Einfluss jedes Steuerelementes des Leitstands 7 genau zu charakterisieren.
  • Aufgrund seiner hohen Genauigkeit kann der Prozesssimulator auch zur Prognose von zukünftigen Betriebszuständen verwendet werden. Diese Prognose kann zur Optimierung der bestehenden Anlage, zum Test z. B. alternativer Einsatzmaterialien, veränderter Anlagenteile oder neuer Betriebszustände genutzt werden. Dies ist möglich, weil der Prozesssimulator 10 über die externen Schnittstellen 5, 6 Zugang zu den aktuellen Prozessdaten des in der Anlage 1 ablaufenden Prozesses 2 erhält. Da diese Schnittstellen 5, 6 einen parallelen Abgriff der Signale erlauben, kann der als Trainingssimulator dienende Prozesssimulator 10 daher parallel zum laufenden Betrieb auch als Optimierer für die Anlage eingesetzt werden, der genaue Vorschläge für Einstellungen bestimmter Steuerelemente des Leitstands 7 gibt.
  • Konkrete Beispiele solcher Systeme sind Trainingssimulatoren für Sinter- oder Pelletieranlagen. Für die Erstellung des Trainings- bzw. Prozesssimulators 10 wird aus den Betriebsdaten der Anlage 1 zunächst das Zeitverhalten berücksichtigt oder entfernt, so dass die Datensätze stationäre Zustände beschreiben, die insbesondere die charakterisierbaren Zwischenzustände 3 bzw. die internen Schnittstellen 14 bilden. Dann werden bei dem Auffinden rigoroser Modelle 12 bekannte stationäre Gleichungen zwischen den Datensätzen eingesetzt. Beispielsweise besteht in einer Sinteranlage ein solcher rigoros beschreibbarer Zusammenhang zwischen der Schichthöhe eines Sinterbandes, der Dicke des Erzgemisches, der Bandgeschwindigkeit und der Menge des aufgegebenen Erzgemisches. Unbekannte Zusammenhänge, wie beispielsweise die Temperaturverteilung des Sinterprozesses über die gesamte Länge der Sintermaschine in Abhängigkeit von der Rezeptur der Erzmischung und der Bandgeschwindigkeit, werden mit datengetriebenen Modellen 13, beispielsweise künstlichen neuronalen Netzen, abgebildet. Entsprechendes gilt für die Steuer- und Regeleingriffe an dem Leitstand 7. Dazu ist es manchmal nötig, die Daten oder die daraus generierten datengetriebene Modelle entsprechend der äußeren Umstände zu korrigieren oder anzupassen, um bestimmte Einflüsse auszuschalten, z. B. Messungenauigkeiten oder systematische Fehler bei Messungen.
  • Auf diese Weise werden auch die Resultate des Prozesses, beispielsweise der Anteil des Rückgutes, als wichtiger Qualitätsparameter insbesondere durch datengetriebene Modelle mit abgebildet, so dass der Trainingssimulator 10 gleichzeitig als Optimierer dienen kann. Beispielsweise kann das den Anteil des Rückgutes beschreibende Teilmodell verwendet werden, um den Anlagenfahrer bei der Führung des Prozesses zu unterstützen und einen optimalen Prozessablauf zu gewähren.
  • 1
    prozesstechnische Anlage
    2
    chemischer Prozess
    3
    charakterisierbare Zwischenzustände
    4
    kausale Zusammenhänge
    5
    erste externe Schnittstelle
    6
    zweite externe Schnittstelle
    7
    Leitstand
    8
    Regler
    9
    Display
    10
    Prozesssimulator, Recheneinheit
    11
    Vorrichtung
    12
    rigorose Modelle
    13
    datengetriebene Modelle
    14
    interne Schnittstelle
    15
    Ein- und Ausgabeeinheit
    16
    zweiter Leitstand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • - EP 1339881 B1 [0011]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Chemical Engineering und Processing 44 (2005), Seite 581–592 oder S. 855–868 [0043]

Claims (13)

  1. Verfahren zum Trainieren des Bedienpersonals einer prozesstechnischen Anlage (1), die einen Leitstand (7) zum Überwachen, Regeln und/oder Steuern des auf der Anlage (1) ablaufenden Prozesses (2) aufweist, wobei die in dem Leitstand (7) gegebenen Befehle oder Signale abgegriffen werden und der auf der Anlage (1) ablaufende Prozess (2) in einem Prozesssimulator (10) unter Berücksichtung der in dem Leitstand (7) gegebenen Befehle oder Signale simuliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesssimulator (10) zur Simulation des Prozesses (2) sowohl rigorose Modelle (12) als auch datengetriebene Modelle (13) verwendet und diese über interne Schnittstellen (14) miteinander verbindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung des Prozesssimulators (10) in einem ersten Schritt kausale Zusammenhänge innerhalb des Prozesses (2), die aufgrund bekannter physikalischer, chemischer und/oder verfahrenstechnischer Beziehungen durch Gleichungen beschreibbar sind, durch ein rigoroses Modell (12) beschrieben werden, und in einem zweiten Schritt die verbleibenden kausalen Zusammenhänge zur Abbildung des Prozesses (2) durch ein datengetriebenes Modell (13) beschrieben werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als interne Schnittstellen (14) zwischen den rigorosen Modellen (12) und den datengetriebenen Modellen (13) physikalisch-chemisch charakterisierbare Zwischenzustände (3) definiert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Übergänge zwischen Zwischenzuständen (14), die aufgrund bekannter physikalischer, chemischer und/oder verfahrenstechnischer Vorstellungen, Voraussetzungen oder Beziehungen durch Gleichungen beschreibbar sind, mit rigorosen Modellen (12) beschrieben werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste externe Schnittstellen (5) zwischen dem Leitstand (7) und dem Prozesssimulator (10) die von dem Leitstand (7) an die Anlage (1) ausgegebenen Stellgrößen verwendet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass Übergänge zwischen einer externen Schnittstelle (5) und einem Zwischenzustand (14) durch datengetriebene Modelle (13) beschrieben werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite externe Schnittstelle (6) zwischen dem Prozesssimulator (10) und dem Leitstand (7) Zustandsinformationen der Anlage (1) definiert werden, die dem Leitstand (7) als Rückmeldungen der Anlage (1) zugeleitet werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitstand (7) wahlweise die Anlage (1) oder den Prozesssimulator (10) steuert.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesssimulator (10) zur Anlagenoptimierung verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesssimulator (10) zur Optimierung und zum Test von Regelstrategien verwendet wird.
  11. Vorrichtung zum Trainieren des Bedienpersonals einer prozesstechnischen Anlage (1), die einen Leitstand (7) zum Überwachen, Regeln und/oder Steuern des auf der Anlage (1) ablaufenden Prozesses (2) aufweist, wobei die Vorrichtung (11) externe Schnittstellen (5, 6) zum Abgreifen der in dem Leitstand (7) gegebenen Befehle oder Signale und/oder zum Zuleiten von Zustandsinformationen an den Leitstand (7) und einen Prozesssimulator (10) mit einer Recheneinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit dazu eingerichtet ist, den auf der Anlage (1) ablaufenden Prozess (2) mittels rigoroser Modelle (12) und datengetriebener Modelle (13) zu simulieren, und wobei zwischen den rigorosen und den datengetriebenen Modellen (12, 13) mindestens eine interne Schnittstelle (14) ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Schnittstellen (5, 6) der Vorrichtung (11) in eine Schnittstelle zwischen dem Leitstand (7) und der Anlage (1) zwischenschaltbar sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den Prozesssimulator (10) ein eigener Leitstand (16) angeschlossen ist.
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