DE102020119379A1 - Stellungsregler Selbstbewertung für digitalen Zwilling - Google Patents

Abstract

Bei einem Stellgerät (1) für eine prozesstechnische Anlage (100), wie eine Chemieanlage, ein Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage, oder dergleichen, umfassend ein Stellventil (3) zum Einstellen einer Prozessfluidströmung der prozesstechnischen Anlage (100),einen insbesondere pneumatischen Aktuator (5) zum Betätigen des Stellventils (3), und eine Stellgeräteelektronik (7) zum Bereitstellen eines insbesondere pneumatischen Steuersignals (s) für den Aktuator (5) in Abhängigkeit von einer Stellgröße (u), wobei die Stellgerätelektronik (7) eine Signalempfangsschnittstelle (71) zum Empfangen der Stellgröße (u) aufweist, ist vorgesehen, dass die Stellgeräteelektronik (7) eine Rechenvorrichtung (70) umfasst, die zum Bestimmen wenigstens eines Simulationsparameters (Θ) eingerichtet ist, der eine Signalantwort (x) des Stellgeräts (1) auf eine empfangene Stellgröße (u) charakterisiert, und dass die Stellgeräteelektronik (7) eine Signalausgabeschnittstelle (73) zum Abgeben des wenigstens einen Simulationsparameters (Θ) aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Stellgerät für eine prozesstechnische Anlage, wie eine Chemieanlage, beispielsweise eine petrochemische Anlage, ein Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage oder dergleichen.
• Aus DE 10 2018 133 428 A1 ist es bekannt, eine Feldgerätstation, wie eine Stellarmatur, einer prozesstechnischen Anlage auszulegen, indem ein sogenannter digitaler Zwilling der Feldgerätstation in einer Simulationsumgebung verwendet wird. In der Simulationsumgebung wird anhand von betriebsspezifischen Anlagenmerkmalen der prozesstechnischen Anlage, wie des Prozessmediums, der Anlagenumgebung oder dergleichen, eine Simulation durchgeführt, wobei der digitale Zwilling, der auch als Feldgerätmodul bezeichnet wird, anhand von einem oder mehreren feldgerätspezifischen Auslegungsparametern, wie ein Geometrieparameter, ein Leistungsparameter oder dergleichen, charakterisiert sein kann und in Wechselwirkung mit zu mindestens einer Betriebsgröße, wie einer Regelgröße, beispielsweise Temperatur, Druck, Durchfluss oder dergleichen in Wechselwirkung stehen.
• Für die Simulation des Betriebs des digitalen Abbilds der prozesstechnischen Anlage wird das Feldgerätmodul auf ein zu simulierendes Feldgerät aus einer Gruppe von vorbestimmten Feldgeräten festgelegt, wodurch zugehörige feldgerätspezifische Auslegungsparameter definiert werden. Die feldgerätspezifischen Auslegungsparameter können als Referenz-Simulationsparameter vorliegen. Beispielsweise können Referenz-Simulationsparameter bezüglich eines Feldgeräts definiert sein auf einem Datenblatt, um interessierten Fachleuten, wie Anwendern oder Forschungseinrichtungen, feldgerätspezifische Auslegungsparameter für ein Feldgerätemodul bereit zu stellen. Die Simulation des digitalen Abbilds der prozesstechnischen Anlage kann als Grundlage zur Ermittlung von optimalen Betriebsgrößen dienen. Als Randbedingung kann beispielsweise eine Fehlerminimierung eines Regelsignals, Reduzierung von Pegeln, Unter- oder Überschreiten eines Schwellenwertes vorgegeben sein. Alternativ kann als Randbedingung ein kritischer Betriebszustand angegeben sein, beispielsweise Kavitation, Geräuschpegel oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich können Randbedingungen durch einen Sicherheitsfaktor des Feldgeräts definiert sein, beispielsweise durch eine verbrauchte Luftmenge im Betrieb. Die feldgerätspezifischen Auslegungsparameter, welche dem Feldgerätemodell zugrunde gelegt werden, definieren einen möglichen Parameterbereich, dem ein konkreter, beispielsweise optimaler, Parameter ermittelt werden kann, um eine oder mehrere Randbedingungen zu erfüllen. Basierend auf dem Simulationsergebnis kann ein konkretes, physikalisches Feldgerät ausgewählt oder dimensioniert werden, um es in einer reellen prozesstechnischen Anlage einzusetzen.
• Wenn die in der reellen Anlage vorherrschenden Bedingungen abweichen von den Bedingungen, welche der Auslegungssimulation zugrunde gelegt wurden, kann dies zur Folge haben, dass nicht das in der Simulation berechnete optimale Verhalten erreicht wird oder dass andere Randbedingungen nicht eingehalten werden. Beispielsweise kann das Verhalten und die Interaktion eines bestimmten, reellen Prozessmediums anders sein als das Verhalten des simulierten Prozessmediums. Abweichende Anlagebedingungen können beispielsweise vorliegen, wenn virtuelle Betriebsparameter für die Simulationsumgebung basierend auf idealisierten Annahmen gewählt wurden, welche nicht mit reellen Betriebsbedingungen korrespondieren, oder wenn zur Auslegung einer Anlage eine Simulationsumgebung basierend auf Werten einer anderen Anlage verwendet wurden, die aufgrund von signifikant unterschiedlichen Umgebungsbedingungen nicht übertragbar sind. Es ist ferner denkbar, dass die einer Simulationsumgebung zugrunde gelegten, theoretischen Betriebsbedingungen sich unterscheiden von Betriebsbedingungen, die von einem Anlagenbetreiber tatsächlich eingestellt werden. Ausgehend von derartigen Unterschieden zwischen reeller Anlage und simulierter Anlage kann bei einem auffälligen Verhalten eines reellen Stellgeräts fälschlicherweise der Eindruck entstehen, das Feldgerät sei defekt.
• DE 10 2006 046 870 A1 beschreibt die Identifizierung und Anwendung von Prozessmodellen in einem Prozesssteuersystem. Ein Prozesssteuersystem kann mehrere Prozesssteuerungen enthalten, die kommunikativ an wenigstens einen Host oder eine Bediener -Workstation angeschlossen sind. Die Prozesssteuerung kann Signale von Feldgeräten aus dem Prozesssteuersystem empfangen und Steuersignale erzeugen, die an die Feldgeräte übertragen werden, um den Prozessbetrieb zu steuern. Feldgeräte können zum Beispiel Ventile, Ventilpositionierer, Schalter und Transmitter sein (zum Beispiel Temperatur-, Druck- und Durchflusssensoren). Einige Prozesssteuersysteme verwenden Funktionsblöcke oder Module zur Ausführung von Steuerungsvorgängen bezogen auf einzelne oder Gruppen von Feldgeräten.
• Die Prozesssteuerung kann verknüpft sein mit einem Prozessmodell. Prozessmodelle können zur Vorgabe von Einstellparametern von PID (proportional/integral/derivative) Steuerungsroutinen unter Verwendung adaptiver Steuerungsverfahren eingesetzt werden, wobei die Einstellung einer PID- (oder sonstigen) Regelungen in Folge von Änderungen des Prozessmodells und/oder einer von dem Benutzer ausgewählten Einstellregel aktualisiert werden kann. In DE 10 2006 046 870 A1 werden derartige Systeme jedoch als eher praxisuntauglich beschrieben, weil der immense Aufwand sowohl hinsichtlich der erforderlichen Rechenleistung aufgrund der hohen Anzahl von Regelkreisen und darin verwendeten Instrumenten als auch der erforderliche Aufwand zum Identifizieren und Validieren von Prozessmodellen und Betriebsbedingungen in keinem adäquaten Verhältnis zu dem erwartbaren Nutzen steht.
• DE 10 2006 046 870 A1 schlägt vor, eine Datenerfassungsfunktion mit Routinen zur automatischen Erfassung, Sammlung oder sonstiger Behandlung von Daten zum Betriebszustand zu verwenden und ein Modellidentifizierungsmodul, das eine statistische Datenerfassung von vorkonfigurierten Parametern erzeugt, die in einer Simulationsumgebung verwendet werden, um auf ihrer Basis Parameter für eine Regelkreiseinstellung zu ermitteln. Dabei soll eine Reihe von Prozessmodellen als Prozessmodellhistorie erzeugt werden, um eine Darstellung einer Online-Performance eines Regelkreises bereitzustellen. Die Prozessmodelle sollen erzeugt werden durch eine Routine, die in die Steuerungsroutine der Prozesssteuerung eingebettet ist. Ein neues Prozessmodell soll ausgelöst durch ein Ereignis erzeugt werden, beispielsweise bei einer Sollwertänderung oder einer Störung. Das vorgeschlagene Verfahren verringert zwar einen manuellen Aufwand für die Bestimmung von Modellen, erhöht jedoch sogleich den Rechenaufwand immens. Zur Optimierung der Auslegung und des Steuerungs- und/oder Regelungsverhaltens von Stellgeräten prozesstechnischer Anlagen existieren unterschiedliche Ansätze. In vielen Fällen stellt sich jedoch als problematisch dar, dass in der Praxis die für eine Optimierung in einer reellen Anlage erforderlichen Daten nicht vorliegen oder die zur Durchführung einer Optimierung erforderlichen Rechenkapazitäten nicht bereitgestellt werden können.
• WO 2019/012121 A beschreibt ein Verfahren zum Bereitstellen und Ausführen von selbst-optimierenden Funktionen für ein Feldgerät. Beispielsweise kann eine Reihe von Funktionen ein Systemmodell bilden, das dazu eingerichtet ist, die Charakteristika eines technischen Systems zu erlernen. Zu diesem Zweck kann ein Fehler im Vergleich zwischen observierten Zielwerten und erwarteten Zielwerten berechnet werden mit Hilfe einer Modellausführungssoftware, die die Zielwerte miteinander vergleicht. Beispielsweise kann auf Basis von Eingabevariablen und Modellparametern ein geschätzter Zielwert berechnet werden und ein Fehler im Vergleich zwischen dem wahren Zielwert und dem vorhergesagten Wert mit Hilfe einer Verlustfunktion gemessen werden. Mit Hilfe eines Rückrechen-Teilgraf können Berechnungen zum Trainieren, das heißt zum Updaten der Modellparameter, vorgegeben sein. Dies soll auf verschiedenste industrielle Systeme anwendbar sein. Die Verwendung von selbstoptimierenden Regelalgorithmen erfordert zum einen eine hohe Rechenleistung in individuellen Feldgeräten. Zum anderen unterliegt ein solches System stets dem Risiko, dass die anhand der Selbstoptimierung ermittelten Regelparameter inhärent fehlerhaft sein können oder in Wechselwirkung mit den Betriebsbedingungen einer prozesstechnischen Anlage ein fehlerhaftes Anlagenverhalten verursacht, bei einer Kontrolle durch einen Leitstand oder dergleichen nicht gewährleistet ist.
• Es ist eine Aufgabe der Offenbarung, ein Stellgerät bereitzustellen, das die Nachteile des Stands der Technik überwindet, insbesondere einen sicheren und optimierten Betrieb einer prozesstechnischen Anlage sicher und unter Verwendung geringer Rechen- und/oder Datenübertragungs-Leist unterstützt.
• Diese Aufgabe löst den Gegenstand von Anspruch 1. Demnach ist ein Stellgerät für eine prozesstechnische Anlage vorgesehen, wie eine Chemieanlage, beispielsweise eine petrochemische Anlage, ein Kraftwerk, beispielsweise ein Solarthermie Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage, beispielsweise eine Brauerei, oder dergleichen. Das Stellgerät umfasst ein Stellventil zum Einstellen einer Prozessfluidströmung der prozesstechnischen Anlage. Als Stellventil kann beispielsweise ein binäres Auf-/Zu-Ventil bezeichnet sein oder ein Ventil mit variabel einstellbarer Durchflussweite. Das Stellgerät umfasst ferner einen insbesondere pneumatischen Aktuator zum Betätigen des Stellventils sowie eine Stellgerätelektronik zum Bereitstellen eines pneumatischen Steuerungs- und/oder Regelungssignals für den pneumatischen Aktuator in Abhängigkeit von einer Stellgröße. Eine Stellgröße kann vorzugsweise ein analoges Stellsignal oder ein digitales Stellsignal sein. Ein analoges Stellsignal kann beispielsweise ein 4..20 mA Signal sein. Ein digitales Stellsignal kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal gemäß dem HART-Protokoll sein. Die Stellgerätelektronik kann digitale und/oder analoge Elektronikkomponenten umfassen.
• Die Stellgeräteelektronik kann als digitale Komponenten beispielsweise einen Datenträger mit darauf gespeicherten Befehlen und/oder einen Datenträger mit darauf gespeicherten Parametern oder dergleichen umfassen. Die Stellgerätelektronik weist eine Signalempfangsschnittstelle zum Empfangen der Stellgröße auf. Eine Stellgerätelektronik kann eine Rechenvorrichtung umfassen. Beispielsweise kann die Stellgerätelektronik einen Datenträger mit darauf gespeicherten Befehlen umfassen, wobei die Befehle, wenn man sie von einem oder mehreren Prozessoren der Rechenvorrichtung ausgeführt werden, die Rechenvorrichtung einrichten, eine Steuerungsfunktion, eine Regelungsfunktion und/oder eine Simulationsfunktion durchzuführen. Die Stellgerätelektronik kann eine Speicherstruktur aufweisen, welche Daten bereitstellt, um wenigstens ein Simulationsparameter und/oder wenigstens eine Simulationsstruktur bezüglich des Stellgeräts zu spezifizieren. Die Speicherstruktur kann in Form eines Arrays einer Tabelle oder einer Matrix angegeben sein und eine Vielzahl von Parametern und/oder Strukturen, insbesondere eine Historie zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmter insbesondere gleichartiger Simulationsparameter und/oder Simulationsstrukturen zu spezifizieren. Die Speicherstruktur kann über einen ersten Index angesprochen werden, um einen Simulationsparameter abzurufen. Die Daten der Speicherstruktur können alternativ oder zusätzlich, als funktionale Daten definiert und beispielsweise eine Einsprungstelle einer Funktion definieren, welche bei Aufruf die jeweiligen Simulationsparameter generiert. Weitere Ausgestaltungen der Speicherstruktur sind denkbar und können sowohl an eine hardwareseitige oder softwaretechnische Struktur der Stellgerätelektronik, des Feldgeräts und/oder einer Simulationsumgebung angepasst sein.
• Die Stellgerätelektronik weist eine Rechenvorrichtung auf, die zum Bestimmen wenigstens eines Simulationsparameters eingerichtet ist, der eine Signalantwort des Stellgeräts auf eine empfangene Stellgröße charakterisiert. Die Stellgerätelektronik weist ferner eine Signalausgabeschnittstelle zum Ausgeben des wenigsten einen Simulationsparameters auf. Die Stellgeräteelektronik kann dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Simulationsparameter vermittels der Signalausgabeschnittstelle der Stellgerätelektronik abzugeben. Die Signalantwort des Stellgeräts kann beispielsweise definiert sein als eine mathematische Funktion, welche in Abhängigkeit von wenigstens einer Stellgröße und abhängig von wenigstens einem oder mehreren vorbestimmten Simulationsparametern, beispielsweise einem Referenz-Simulationsparameter, einem historischen Simulationsparameter oder dergleichen, ein Ergebnis bestimmt, das beispielsweise zu einer Betriebsgröße der prozesstechnischen Anlage, insbesondere des Stellgeräts, korreliert. Eine Betriebsgröße, wie eine Regelgröße, kann beispielsweise eine Temperatur, ein Druck, ein Durchfluss oder dergleichen, insbesondere bezogen auf das Prozessfluid, der prozesstechnischen Anlage, insbesondere im stromaufwärtigen Vorlauf und/oder im stromabwärtigen Nachlauf des Stellventils sein. Eine Betriebsgröße kann insbesondere die Stellung des Stellventils, beispielsweise eine Stellweite eines Ventilgliedes relativ zu einem Ventilsitz, eine Stellposition eines Hubstabes, beispielsweise relativ zu einer Referenzstelle des Gehäuses bezeichnen, wie ein Joch oder eine Laterne des Stellventils, und/oder eine Stellposition des pneumatischen Aktuators. Eine Betriebsgröße kann das pneumatische Steuerungs- und/oder Regelsignal der Stellgeräteelektronik für den pneumatischen Aktuator sein, insbesondere ein pneumatischer Druck in einer Steuerkammer des pneumatischen Aktuators und/oder einer Versorgungsleitung des Aktuators. Der von der Stellelektronik bestimmte Simulationsparameter kann als realistischer Simulationsparameter bezeichnet sein. Der Simulationsparameter kann vorzugsweise korrespondieren zu einer tatsächlich gemessenen Signalantwort des Stellgeräts auf eine empfangene Stellgröße.
• Ein Stellgerät, das dazu eingerichtet ist, einen neu bestimmten Simulationsparameter vermittelt einer Signalausgabeschnittstelle abzugeben, ermöglicht es, einer dem Stellgerät übergeordneten Leitwarte oder zentralen Computereinheit einer prozesstechnischen Anlage bereitzustellen. Die Leitwarte oder andere Computereinheit führt eine Simulation der prozesstechnischen Anlage, einen oder mehrere realistische Simulationsparameter oder Teile der prozesstechnischen Anlage unter Verwendung einer virtuellen Abbildung der prozesstechnischen Anlage, Teile der prozesstechnischen Anlage oder des Stellgeräts durchführt. Mit den realistischen Simulationsparametern kann eine virtuelle Abbildung der Simulation zugrunde gelegt werden, damit die Simulation auf realistischen Simulationsdaten und nicht auf hypothetischen Simulationsparametern basiert, welche zu Simulationsergebnissen führen, die signifikant von realistischen Signalantworten abweichen. Auf diese Weise ist es möglich, anhand der virtuellen Abbildung einer simulierten Anlage oder Teilen davon bessere Simulationsergebnisse hinsichtlich der optimierten Auslegung der Anlage und ihrer Komponenten umzusetzen, beispielsweise um optimale Stellgrößen im Hinblick auf einen Prozess der prozesstechnischen Anlage an das Stellgerät bereitzustellen.
• Gemäß einer Ausführung weist die Stellgerätelektronik wenigstens einen Datenspeicher für den wenigstens einen Simulationsparameter auf, wobei der Datenspeicher wenigstens einen gespeicherten Referenz-Simulationsparameter für den wenigstens einen Simulationsparameter aufweist und/oder wobei der Datenspeicher zum Vorhalten von mehreren zu unterschiedlichen Zeiten bestimmten historischen Simulationsparametern eingerichtet ist. Ein Referenz-Simulationsparameter kann beispielsweise ein Simulationsparameter sein, welcher einer Angabe eines Datenblattes entspricht, und/oder der das Verhalten eines typischen Stellgeräts bestimmter Bauart unter Idealbedingungen charakterisiert. Als Referenz-Simulationsparameter kann beispielsweise ein gemäß dem DE 10 2018 133 428 A1 bestimmter idealer Parameter in einem Bereich von Auslegungsparameter einer Stellgerätefamilie definiert sein. Als Referenz-Simulationsparameter kann ein insbesondere unter Idealbedingungen an einem Teststand mit dem gegenständlichen Stellventil des Stellgeräts ermittelter Simulationsparameter bezeichnet sein. Ein Referenz-Parameter kann von einem realistischen Simulationsparameter insbesondere dadurch unterschieden werden, dass ein realistischer Simulationsparameter an dem gegenständlichen Stellgerät bei Verwendung, insbesondere betriebsgemäßer Verwendung, in der prozesstechnischen Anlage bestimmt wird oder wurde, wohingegen ein Referenz-Simulationsparameter außerhalb der zu betrachtend prozesstechnischen Anlage gegebenenfalls rein theoretisch bestimmt wurde, insbesondere vor erstmaliger Inbetriebnahme des gegenständlichen Stellgeräts. Ein Referenz-Simulationsparameter kann unter ausschließlicher Verwendung eines theoretischen mathematischen Modells insbesondere unter Idealbedingungen berechnet worden sein.
• Historische Simulationsparameter wurden insbesondere durch die Stellgerätelektronik zu einem in der Vergangenheit liegenden Zeitpunkt bestimmt. Historische Simulationsparameter können vorzugsweise durch eine insbesondere sequentielle Nummerierung, einen Datums- und/oder Zeitstempel oder dergleichen identifiziert sein, um eine Unterscheidung der verschiedenen historischen Simulationsparameter voneinander und von dem aktuellen realistischen Simulationsparameter zu treffen. Die Identifizierung der historischen Simulationsparameter kann insbesondere eindeutig hinsichtlich der zeitlichen Abfolge der zeitlich nacheinander erfassten historischen Simulationsparameter sein. Dafür kann eine fortlaufende aufsteigende Nummerierung ausreichend sein. Historische Simulationsparameter werden insbesondere bei Verwendung des gegenständlichen Stellgeräts, insbesondere betriebsgemäßer Verwendung des gegenständlichen Stellgeräts in der prozesstechnischen Anlage bestimmt. Beispielsweise können historische Simulationsparameter regelmäßig, zu vorbestimmten Zeitpunkten und/oder vorbestimmten Ereignissen bestimmt und in dem Datenspeicher der Stellgerätelektronik als historische Simulationsparameter gespeichert werden. Beispielsweise können von der Stellgerätelektronik des Stellgeräts realistische Simulationsparameter in regelmäßigen zeitlichen Abständen, beispielsweise stündlich, täglich, wöchentlich, monatlich oder dergleichen (zunächst als aktueller realistischer Simulationspartner) bestimmt und simultan oder anschließend als historischer Simulationsparameter gespeichert werden. Historische Simulationsparameter können von der Stellgerätelektronik beispielsweise erzeugt werden, beispielsweise wenn regelmäßig realistische Simulationsparameter erfasst werden, wenn das Stellgerät eine insbesondere bestimmte Diagnosefunktion, insbesondere einen Teilhubtest und/oder einen Vollhubtest, durchführt.
• Gemäß einer Weiterbildung eines Stellgeräts kann die Rechenvorrichtung dazu eingerichtet sein, ausgehend von einer empfangenen Stellgröße und wenigstens einem historischen Simulationsparameter und/oder wenigstens einem Referenz-Simulationsparameter eine virtuelle Signalantwort des Stellgeräts zu berechnen und die berechnete virtuelle Signalantwort mit einer vom Stellgerät insbesondere anhand von Sensoren erfassten Signalantwort zu vergleichen. Insbesondere umfasst das Stellgerät eine innere Steuerung oder eine innere Regelecke, die insbesondere eine Vorwärtsstrecke aus einer Ventilpositionssteuerung oder -regelungen, einem Aktuator und einem Stellventil umfassen kann. Die Ventilpositionssteuerung und/oder -regelung ist vorzugsweise durch die Stellgerätelektronik, insbesondere deren Rechenvorrichtung, realisiert. Die Stellgerätelektronik kann dazu eingerichtet sein, eine ihr zugeführte Stellgröße auf ein pneumatisches Steuersignal für den pneumatischen Aktuator abzubilden. Der Aktuator betätigt das Stellventil, sodass dieses eine Ventilstellung einnimmt. Die räumliche Ventilstellung kann beispielsweise durch einen Drehwinkel oder eine Linearposition definiert sein. Die Stellung des Stellventils kann durch einen geeigneten Positionssensor erfasst und der Stellgerätelektronik beispielsweise als skalarer Positionswert zur Verfügung gestellt werden. Wird der Stellwert der Stellgerätelektronik an ein beispielsweise inneres Referenzglied bereitgestellt, kann eine innere Regelstrecke oder Regelschleife geschlossen werden. Neben einer inneren Steuerung- oder Regelstrecke kann die Stellgerätelektronik gemäß dieser Ausführung wenigstens einen, insbesondere zwei, weitere Funktionsblöcke umfassen. Beispielsweise kann die Rechenvorrichtung des Stellgeräts dazu ausgestaltet sein, dass die Rechenvorrichtung ein erstes Berechnungsmodul, das als Simulationsmodul bezeichnet sein kann, für eine Simulation zum Bestimmen einer virtuellen Signalantwort auf Basis eines Referenz-Simulationsparameter und/oder wenigstens eines historischen Simulationsparameters und der empfangenen Stellgröße umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Rechenvorrichtung so eingerichtet sein, ein zweites Berechnungsmodul, das als Anpassungsmodul bezeichnet sein kann, zur Bestimmung eines realistischen, beispielsweise aktualisierten oder angepassten, Simulationsparameters bezüglich des Stellgeräts aufweisen. Die Rechenvorrichtung kann dazu ausgestaltet sein, ein Simulationsmodul auf Basis eines Grey-Box Modells durchzuführen. Ein sogenanntes Grey-Box Modell kann dazu verwendet werden, das Verhalten der inneren Vorwärtsstrecke beziehungsweise inneren Steuer- oder Regelstrecke zur Umsetzung der Stellgröße in einer Signalantwort numerisch zu approximieren, in diesem Fall kann dem Grey-Box Modell die Stellgröße der Stellgerätelektronik zugeführt werden. Die Simulation mit dem Grey-Box Modell würde dann einen virtuellen Ausgangswert (eine virtuelle Signalantwort) erzeugen, der eine Näherung für den Ausgangswert beziehungsweise die Signalantwort des realen Stellgeräts bietet. Das Grey-Box Modell bestimmt die virtuelle Signalantwort unter Berücksichtigung wenigstens eines historischen Simulationsparameters oder eines Referenz-Simulationsparameters. Die reale Signalantwort kann erfasst werden durch einen Sensor, beispielsweise einen Ventilpositionssensor, des Stellgeräts.
• Das durch die Rechenvorrichtung implementierte Anpassungsmodul kann dazu eingerichtet sein, eine Anpassung des Simulationsmoduls, beispielsweise des Grey-Box Modells, vorzunehmen, um eine Abweichung, insbesondere eine numerische Differenz, zwischen der virtuellen Signalantwort und der realen Signalantwort zu verringern. Zu diesem Zweck kann das Anpassungsmodul dazu eingerichtet sein, wenigstens einen aktuellen und/oder realistischen Simulationsparameter zu bestimmen, indem ein Simulationsparameter neu berechnet wird oder indem ein ausgehend von einem Referenz-Simulationsparameter oder einem historischen Simulationsparameter ein aktualisierter realistischer Simulationsparameter derart bestimmt wird, dass die Rechenvorrichtung mit dem Simulationsmodul auf Basis des mittels dem Anpassungsmodul bestimmten aktualisierten Simulationsparameters eine bessere Näherung, beispielsweise eine geringere Abweichung, insbesondere eine geringere numerische Differenz zwischen der reellen Signalantwort und der virtuellen Signalantwort, erreicht.
• Gemäß einer Weiterbildung des Stellgeräts ist die Rechenvorrichtung dazu eingerichtet, eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen erfasster realer Signalantwort und modellierter virtueller Signalantwort in zeitlicher Dimension, Amplitude und/oder Änderungsrate zu erkennen und anhand der Abweichung einen aktuellen Simulationsparameter zu bestimmen. Zum Erfassen einer Abweichung in zeitlicher Dimension und/oder Änderungsrate zwischen realer Signalantwort und virtueller Signalantwort kann die Stellgerätelektronik eine Reihe historischer Simulationsparameter aus einem Datenspeicher verwenden und/oder eine Reihe von in zeitlicher Abfolge ermittelter reeller Signalantworten. Beispielsweise kann das Stellgerät, insbesondere die Rechenvorrichtung des Stellgeräts, dazu eingerichtet sein, eine Reihe virtueller Signalantworten mit einem Simulationsmodul abhängig von einer Reihe von empfangenen Stellgrößen zu ermitteln und eine Reihe realer Signalantworten in Abhängigkeit von den selben empfangenen Stellgrößen erfassen. Das Anpassungsmodul der Recheneinheit kann dazu eingerichtet sein, eine Reihe in zeitlicher Abfolge erfasster virtueller Signalantworten und reeller Signalantworten abhängig von insbesondere den selben Stellgrößen miteinander in zeitlicher Dimension zu vergleichen, um beispielsweise festzustellen, ob die reelle Signalantwort in zeitlicher Dimension schneller oder langsamer ist als die virtuelle Signalantwort, und basierend auf dem Ergebnis dieses Vergleiches wenigstens einen Simulationsparameter zu aktualisieren. Beispielsweise kann anhand eines idealisierten Referenz-Simulationsparameters oder veralteter historischer Simulationsparameter das Simulationsmodul eine schnellere virtuelle Signalantwort im Hinblick auf eine Änderung einer Stellgröße, beispielsweise einer Antwort auf ein Stufensignal, erwarten, als die korrespondierende reelle Signalantwort erkennen lässt. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn sich der dynamische Reibkoeffizient des Stellventils im Vergleich zu einem Ausgangswert oder einem Idealwert statisch unterscheidet. Anhand des Vergleichs einer zeitlichen Abfolge von virtuellen Signalantworten und reellen Signalantworten miteinander kann das Anpassungsmodul erkennen, ob die für die virtuelle Abbildung als Simulationsparameter angenommene Änderungsrate zu der reell vorliegenden Änderungsrate korrespondierten oder eine signifikante Abweichung besteht. Beispielsweise können bei einem pneumatischen Stellgerät mit Federrückstellung die reelle Federkonstante und die als Simulationsparameter angenommene Federkonstante ungleich sein, was sich darin manifestiert, dass ein entsprechender Unterschied zwischen der Änderungsrate einer auf die Betriebsgröße Stellposition bezogenen virtuellen Signalantwort und entsprechender reeller Signalantwort zu erkennen ist. Eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen einer erfassten reellen Signalantwort und einer virtuellen Signalantwort kann mit Hilfe eines Vergleichs mehrerer historischer reeller und virtueller Signalantworten erfolgen.
• Gemäß einer Weiterbildung kann die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet sein, einen aktuellen Simulationsparameter mittels der Signalausgabeschnittstelle abzugeben, wenn die Stellgerätelektronik bei einem Vergleich eines aktuellen Simulationsparameters mit einem historischen Simulationsparameter oder einem Referenz-Simulationsparameter eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, feststellt. Insbesondere kann die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet sein, ausschließlich dann einen aktuellen Simulationsparameter auszugeben, wenn eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen dem aktuellen Simulationsparameter und einem historischen Simulationsparameter oder einem Referenz-Simulationsparameter festgestellt wurde. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Stellgerät an einen entfernten Rechner, wie ein Zentralrechner einer prozesstechnischen Anlage, veränderte Simulationsparameter zeitnah mitteilten, sodass die virtuelle Abbildung des Stellgeräts einer Simulationsumgebung mit realistischen Simulationsparametern erfolgen kann. Gegebenenfalls kann erreicht werden, dass eine beispielsweise geringe verfügbare Bandbreite zur Datenübertragung durch das Abgeben aktualisierter Simulationsparameter nur geringfügig belastet wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der wenigstens eine Simulationsparameter ausgewählt aus einer Liste umfassend Totzeit, Diskretisierung, statische Steuerungs- und/oder Regelungsabweichung (beispielsweise Proportionalgewinn bei (Gain)), Kennlinie und/oder Steigung (beispielsweise Zeitkonstante) beziehungsweise Proportionalitätsfaktor zwischen einer Stellgröße, wie einem Eingangsstrom, und einer Betriebsgröße, wie einer Stellposition). Eine Diskretisierung kann eine Differenz in Zeitrichtung in und/oder Amplitudenrichtung zwischen einem vorherrschenden statischen Ausgangs-betriebswert, beispielsweise einer stationären Ist-Ventilstellung, und einem, beispielsweise in Folge statischer Reibung und Systemträgheit, nächstmöglichen anderen Betriebswert ausgehend von dem Ausgangs-Betriebswert beschreiben. Bezüglich der Kennlinie kann ein Simulationsparameter beispielsweise den P-(Proportionalitäts-), I (Integrations-) und/oder D- (Differenzierungs-) -faktor eines PID-Reglers, wie eines durch eine Rechenvorrichtung implementierten PID-Regelungsmoduls, beschreiben. Es sei klar, dass ein anderer, beispielsweise ein P-Regler, durch einen oder wenige Faktoren, beziehungsweise nur ein P-Faktor, charakterisiert sein kann. Ein Zwei-Punkt-Regler und/oder ein Drei-Punkt-Regler können charakterisiert sein durch eine Kennlinie, welche abhängig vom Wert oder einer Entwicklung einer Stellgröße relativ zu einem ersten und/oder zweiten Schwellenwert die korrespondierende Regelungsantwort charakterisiert. Für Kombinationen verschiedener Reglerarten ist es denkbar, dass das Simulationsparameter entsprechend der verschiedenen Regelungsarten für verschiedene Reglerbereiche bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass eine Kennlinie charakterisiert ist als beispielsweise tabellarische Korrelationen zwischen Eingangswerten (Stellgrößen) und Ausgangswerten (Betriebsgrößen).
• Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung, die mit den vorherigen kombinierbar ist, kann die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet sein, dass das pneumatische Steuersignal in Abhängigkeit von einer Stellgröße gemäß einer Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur bereit gestellt wird, wobei die Stellgerätelektronik dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Simulationsparameter bezüglich einer insbesondere veränderten Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur abzugeben. Beispielsweise kann ein Simulationsparameter die Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur(en), die die gegenständliche Stellgerätelektronik verwendet, gemäß einer vorbestimmten Klassifizierung benennen. beispielsweise kann ein erster Name für eine PID-Reglerstruktur, eine zweiter Name für eine PI-Reglerstruktur, ein dritter Name für eine P-Reglerstruktur und ein vierter Name für eine Zwei-Punkt-Reglerstruktur vorbestimmt sein. Es sei klar, dass die vorstehende Auflistung verschiedener Reglerstrukturen rein exemplarisch und nicht auf die genannten Reglerstrukturen beschränkt ist.
• Gemäß einer Ausführung eines Stellgeräts, die mit den vorherigen kombinierbar ist, sind die Signalausgabeschnittstelle und die Signalempfangsschnittstelle mit einer gemeinsamen Signalübertragungsleitung verbunden, insbesondere einer 4..20 mA Leitung, wobei die Signalempfangsschnittstelle dazu eingerichtet ist, die Stellgröße mittels der Signalübertragungsleitung zu empfangen und wobei die Signalausgabeschnittstelle dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Simulationsparameter mittels der Signalübertragungsleitung abzugeben. Das so eingerichtete Stellgerät kann auf einfache Weise vorhandene Kommunikationsmittel der prozesstechnischen Anlage nutzen, um einen von dem Stellgerät entfernten Rechner aktualisierte Simulationsparameter mitzuteilen.
• Gemäß einer optional mit der vorherigen Ausgestaltung kombinierbaren anderen Ausgestaltung des Stellgeräts umfasst die Signalausgabeschnittstelle eine Anzeigeeinheit, wie ein LCD-Display, zum optischen Ausgeben des wenigstens einen Simulationsparameters. Beispielsweise kann das Stellgerät dazu eingerichtet sein, in Reaktion auf eine Benutzerangabe insbesondere an dem Stellgerät, beispielsweise durch Steuertasten des Stellgeräts, auf einer Anzeigeeinheit des Stellgeräts optisch wenigstens einen oder mehrere aktuelle realistische Simulationsparameter auszugeben. Sofern das Stellgerät noch keine realistischen Simulationsparameter erfasst hat, kann es dazu eingerichtet sein, in Reaktion auf einen Bedienerbefehl mittels der Anzeigeeinheit hinterlegte Referenz-Simulationsparameter auszugeben.
• Gemäß einer weiteren Ausführung eines Stellgeräts ist die Ausgabeschnittstelle dazu eingerichtet, den wenigstens einen Simulationsparameter, insbesondere mehrere Simulationsparameter, mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von nicht mehr als 1200 bit/s, insbesondere nicht mehr als 600 bit/s oder nicht mehr als 300 bit/s auszugeben. Eine derartige Auslegung der Ausgabeschnittstelle stellt sicher, dass bei der Verwendung des gegenständlichen Stellgeräts in einer bestehenden Infrastruktur einer prozesstechnischen Anlage, die möglicherweise geringe Möglichkeiten zur Datenübertragung von einen oder mehreren Stellgeräten an eine andere Recheneinheit, insbesondere eine zentrale Leitwarte, sich innerhalb eines vertretbaren geringen Datenvolumens bewegt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine prozesstechnische Anlage, wie eine Chemieanlage, einem Kraftwerk, einer Lebensmittel verarbeitende Anlage oder dergleichen mit mehreren wie oben dargelegt ausgebildeten Stellgeräten.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt, wobei:
• 1 eine schematische Darstellung einer prozesstechnischen Anlage mit mehreren Stellgeräten;
• 2 eine schematische Darstellung der Signalverläufe eines erfindungsgemäßen Stellgeräts;
• 3 eine schematische Darstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Stellgeräts; und
• 4 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Implementierung eines Grey-Box-Modells in einem virtuellen Abbild eines Stellgeräts.
• Zur Vereinfachung der Lesbarkeit sind in der folgenden Beschreibungen exemplarischer Ausführungen dieselben oder ähnlichen Komponenten mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
• Figur zeigt eine schematische Darstellung einer prozesstechnischen Anlage mit mehreren Feldgeräten, von denen wenigstens eines als erfindungsgemäßes Stellgerät 1 ausgestaltet sein kann. Die prozesstechnische Anlage 100 umfasst zur Beobachtung und Steuerung eines technischen Prozesses eine technische Steuerungsinfrastruktur. Die prozesstechnische Anlage 100 umfasst ein Leitsystem mit einem Leitstandrechner 101 und einem Prozessrechner 103. Die prozesstechnische Anlage 100 umfasst mit dem Prozessrechner 103 verbundene aktive Feldgeräte 111 und passive Feldgeräte 113.
• Aktive Feldgeräte 111 sind Feldgeräte, wie dass Stellgerät 1, die zum Eingriff in dem technischen Prozess beim Betrieb der prozesstechnischen Anlage 100 vorgesehen sind. Aktive Feldgeräte 111 umfassen geregelte und/oder ungeregelte (gesteuerte) Stellventile, Absperrventile und Pumpe umfassen.
• Passive Feldgeräte 113 greifen nicht in den technischen Prozess ein. Beispiele für passive Feldgeräte 113 sind Sensoren. Sensoren 113 können beispielsweise Betriebsgrößen bezüglich der prozesstechnischen Anlage, insbesondere bezüglich eines Prozessfluides und/oder eines Hilfsenergiefluides, wie Pneumatikluft, der technischen Anlage 100 bestimmen. Ein Sensor 113 kann beispielsweise einen Druck, beispielsweise einen statischen- oder dynamischen Druck, eine Temperatur, eine Durchflussrate, beispielsweise einen Volumenstrom oder eine Strömungsgeschwindigkeit, des Prozessfluides oder eines Hilfsenergiefluides als Betriebsgröße der prozesstechnischen Anlage zu erfassen.
• Das Betriebsverhalten einzelner Feldgeräte 111, 113, insbesondere des Stellgeräts 1, steht in Wechselwirkung zu Medien und Teilen und Komponenten der prozesstechnischen Anlage 100 und kann als ein Teil des in der prozesstechnischen Anlage realisierten Prozesses 104 betrachtet werden.
• In der in 1 exemplarisch abgebildeten prozesstechnischen Anlage 100 kann der Leitstandrechner 101 ein Bedienprogramm ausführen, mit dem ein Satz von Führungsgrößen w zur Beschreibung eines Soll-Zustandes des Prozesses erzeugt und an einen Prozessrechner 103 übertragen werden. Das Bedienprogramm kann beispielsweise durch eine Benutzereingabe gesteuert werden.
• Die prozesstechnische Anlage 100 kann mehrere passive Feldgeräte, insbesondere Sensoren 113, Messumformer und/oder Zustandsfühler, wie Kontaktfühler, umfassen, um die Wirkung der aktiven Stellgeräte 111 auf den Prozess 104 zu beobachten. Die Sensoren 113 können dazu dienen, einen Ist-Zustand der prozesstechnischen Anlage zu erfassen. Ein Sensor 113 kann dem Prozessrechner 103 wenigstens einen Messwert als Regelgröße y übermitteln.
• In der prozesstechnischen Anlage 100 kann einem aktiven Feldgerät, wie hier exemplarisch dargestellt dem Stellgerät 1 eine Stellgröße u übermittelt werden, um dem Feldgerät eine Vorgabe hinsichtlich einer durchzuführenden Einstellung zu übermitteln. Beispielsweise kann eine Stellgröße u an ein aktives Feldgerät 1, von dem Leitstandrechner 103 übermittelt werden, um zu erreichen, dass das Stellgerät 1 dahingehend auf den Prozess 104 einwirkt, dass die wenigstens eine Regelgröße y entsprechend einer von dem Leitstandrechner 101 und dem Prozessrechner 103 übermittelten Führungsgröße w angepasst, insbesondere daran angeglichen wird. Ein derartiges Vorgehen kann im Allgemeinen als Prozessregelung bezeichnet sein.
• Das erfindungsgemäße Stellgerät m 1 realisiert ein aktives Stellgerät, dass ein Stellventil 3 zum Einstellen einer Prozessfluidströmung, einen pneumatischen Aktuator 5 zum Betätigen des Stellventils 3 und eine Stellgeräteelektronik 7 zum Übermitteln eines pneumatischen Steuersignals an den pneumatischen Aktuator 5 umfasst. Die Stellgeräteelektronik 7 ist dazu eingerichtet, das pneumatische Steuersignal für den pneumatischen Aktuator 5 abhängig von der wenigstens einen erhaltenen Stellgröße u einzustellen. Mit dem Stellgerät 1 kann ein Zu- oder Abfluss von Prozessfluid in der prozesstechnischen Anlage 100 gesteuert werden.
• Eine Stellgröße u kann im Allgemeinen die Art, Intensität, der Zeitpunkt und/oder die Dauer einer Einwirkung auch für die prozesstechnische Anlage durch ein bestimmtes aktives Feldgerät 111 qualitativ und/oder quantitativ vorgeben. Es ist denkbar, dass ein Stellgerät auf mehrere unterschiedliche Weisen auf den Prozess 104 einwirken kann und dafür entsprechend verschiedene Stellgrößen u können an das Stellgerät bereitgestellt werden.
• Für die Übertragungen der Stellgröße u von dem Prozessrechner 103 an das Stellgerät 1 ist eine Signalübertragungsleitung 107 vorgesehen. Die Signalübertragungsleitung 107 kann insbesondere als 4..20 mA oder 0..20 mA Leitung realisiert sein, um insbesondere eine Stellgröße als ein 4..20 mA Stromsignal von dem Prozessrechner 103 an das Stellgerät 1 bereitzustellen. Die Steuerelektronik 7 des Stellgeräts 1 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, abhängig von der Amplitude der Stellgröße, insbesondere proportional zu der Amplitude des 4..20 mA Signals, ein pneumatisches Steuersignal für den pneumatischen Aktuator 5 bereitzustellen. Das pneumatische Steuersignal für den pneumatischen Aktuator kann beispielsweise ein Druck oder ein Volumenstrom sein. Der Stellungsregler 1 kann eine optische Anzeigeeinheit 77 aufweisen, beispielsweise in Form eines LCD Displays, an der ein Simulationsparameter ausgegeben werden kann.
• Der Leitstandrechner 101 und/oder der Prozessrechner 103 oder einer anderen, nicht näher dargestellten Rechneranlage, können dazu eingerichtet sein, eine Simulation durchzuführen, die ein virtuelles Abbild 140 der prozesstechnischen Anlage 100 oder von Teilen oder Komponenten der prozesstechnischen Anlage darstellt. Ein Beispiel für eine derartige Simulation kann ein Verfahren zum Auslegen einer Feldgerätstation wie in DE 10 2018 133 428 A1 beschrieben sein.
• In der 2 ist schematisch ein Schaltbild dargestellt, dass die Funktion des Prozessrechners 103 und dessen Interaktion mit dem Prozess 104 in der prozesstechnischen Anlage 100 darstellt. Wie zuvor beschrieben, umfasst der Prozessrechner 103 eine Prozessregelung 130, welche wenigstens eine Führungsgröße w von einem Leitstandrechner 101 und wenigstens eine Regelgröße y von wenigstens einem Sensor 113 bezüglich des Prozesses 104 aus der prozesstechnischen Anlage 100 empfängt. Die Prozessregelung 130 ermittelt ausgehend von einer Abweichung zwischen Führungsgröße w und Regelgröße y eine Stellgröße u, welche von dem Prozessrechner 103 an wenigstens eine Komponente in der prozesstechnische Anlage, wie das Stellgerät 1 übermittelt wird. Es sei klar, dass ein Prozessrechner 103 üblicherweise eine Vielzahl von Regelgrößen y verarbeitet, um eine entsprechende Vielzahl von Stellgrößen an einer Vielzahl von Komponenten, i.A. aktiven Stellgeräten 111, im Prozess 104 zu übermitteln. In der vorliegenden exemplarischen Darstellung wird vereinfacht nur auf ein einziges aktives Stellgerät 111 bezuggenommen. Bei einer insbesondere adaptiven Simulation bezüglich mehrerer verschiedener aktiver Feldgeräte 111 einer prozesstechnischen Anlage 100 könnten deren individuelle aktive Feldgerät 111 ein jeweils individueller Satz von Regelgröße, Stellgröße, Reglerparameter, Modellregelgröße, Modellparameter, etc. verwendet werden, wobei die verschiedenen Größen, Parameter, etc. durch jeweils einen gemeinsamen auf das aktive Stellgerät bezogenen Index, wie 1, 2, 3, ... i. bezeichnet sein kann.
• Der Prozessrechner 103 kann neben der Prozessregelung 130 eine Simulation 140 anhand einer virtuellen Abbildung einer prozesstechnischen Anlage, Teilen der prozesstechnischen Anlage oder Komponenten der prozesstechnischen Anlage durchführen. Die Simulationsberechnung 140 kann beispielsweise die tatsächliche Führungsgröße w und/oder die aus der reellen prozesstechnischen Anlage erhaltenen realistische Regelgrößen y verarbeiten. Insbesondere kann die Simulation 140 ein virtuelles Abbild 141 des gegenständlichen Stellgeräts 1 umfassen. Auf Basis der Führungsgröße w bestimmt die mit dem Prozessrechner 103 durchgeführte Simulation 140 eine Modellregelgröße ỹ, die zur reellen Regelgröße y korrelieren soll.
• Der Datenpfad zur Übertragung von Simulationsparametern z aus dem Stellgerät 1 zu einem Referenzmodell 140 kann einem vorhandenen Datenpfad 107 zwischen dem Prozessrechner 103 und dem Stellgerät 1 entsprechen. Der Prozessrechner 103 umfasst ferner eine Anpassungslogik 150 die als Eingangswerte wenigstens eine Modellregelgröße ỹ, wenigstens eine dazu korrespondierende Stellgröße u empfängt. Die Anpassungslogik 150 kann dazu eingerichtet sein, wenigstens einen Reglerparameter p zu bestimmen und diesen der Prozessregelung 130 aufzuprägen, um die Prozessregelung 130 anhand einer Optimierungsfunktion zu verbessern. Der Reglerparameter p kann von der Anpassungslogik 150 bestimmt werden anhand von einer Abweichung zwischen reeller Regelgröße y und Modellregelgröße ỹ, mit dem Ziel, dass die Prozessregelung 130 mit dem von der Anpassungslogik 150 vorgegebenen Regelungsparameter p künftig eine Stellgröße u erzeugt, sodass die reelle Regelgröße y eine geringere Abweichung von der Modellregelgröße ỹ aufweist.
• In einer prozesstechnischen Anlage mit einem erfindungsgemäßen Stellgerät 1, kann das Stellgerät 1 aus dem Prozess 104 wenigstens einen realistischen Simulationsparameter θ an den Prozessrechner 103 senden. Der Prozessrechner 103 kann die virtuelle Abbildung 141 des Stellgeräts 1 basierend auf dem realistischen Simulationsparamatern u anpassen. Durch die Anpassung der virtuellen Abbildung 141 des Stellgeräts 1 erfolgt eine Anpassung des Referenzmodells 140 im Sinne einer Verbesserung des Referenzmodells 140 durch Annäherung des simulierten Verhaltens des Referenzmodells 140 an das reelle Verhalten des Prozesses 104.
• Ein Prozessrechner 103 kann beispielsweise mit einem Simulationsmodul 140 und einer Anpassungslogik 150 ausgestattet sein, die Regelung 130 an geänderte Umgebungsbedingungen der prozesstechnischen Anlage 100 anpassen zu können. Beispielsweise kann eine optimale Regelung 130 für einen Prozess 104 in einer prozesstechnischen Anlage 100 bei hohen Umgebungstemperaturen im Sommer, andere Prozess-Parameter p erfordern als bei niedrigen Umgebungstemperaturen im Winter. Ein Prozess, der ein Verhalten aufweist, dass eine Abhängigkeit von der absoluten Zeit erfährt, kann im Allgemeinen als nicht-zeitvariabler Prozess bezeichnet sein. Nicht- zeitvariabler Prozesse liegen beispielsweise dann vor, wenn exakt im selben Zustand beginnende Prozesssituationen sich in Abhängigkeit von dem absoluten Zeitpunkt des Beginnens systematisch unterschiedlich entwickeln.
• Ein anderes Beispiel für eine vorteilhafte Verwendung eines Prozessrechners 103, dessen Regelung einstweilen durch eine Anpassung einer Anpassungslogik 150 mit veränderlichen Prozess-Parametern vorgegeben werden und passen auf solche Fälle bei denen beispielsweise in Folge einer geänderten Ansteuerung durch den Leitstandrechner 101 ein veränderliches Verhalten der Führungsgröße vorliegt. Beispielsweise kann ein Leitstandrechner 101 dazu konfiguriert sein, eine Führungsgröße w vorzugeben, die eine geringe Dynamik über einen langen Zeitraum hinweg hat. Falls die Konfiguration des Leitstandrechners 101 dahingehend geändert wird, dass die Führungsgröße mit einer hohen Dynamik einen geringen Zeitraum beaufschlagt ist, kann es in einer stabilen Prozessführung des Prozesses 104 sinnvoll oder sogar erforderlich sein, die Parameter der Regelung 130 anzupassen. Beispielsweise können bei einer Regelung 130, die als PID-Regler konfiguriert ist, deren P, I und/oder D-Anteile des Mittels der Anpassungslogik 150 an ein verändertes dynamisches Verhalten der Führungsgröße w angepasst werden.
• Grundlegendere Änderungen könnte einen Wechsel zwischen einer ersten Reglerstruktur, beispielsweise einer PID-Reglerstruktur zu einer zweiten Reglerstruktur, beispielsweise einer Zwei-Punkt-Reglerstruktur oder einer Drei-Punkt-Reglerstruktur oder umgekehrt sein.
• Das Simulationsmodul 140 oder Referenzmodell des Prozessrechners 103 umfasst, wie oben beschrieben, ein virtuelles Abbild 141, das als digitaler Zwilling bezeichnet sein kann bezüglich des gegenständlichen Stellgeräts 1 in der prozesstechnischen Anlage 100. Die virtuelle Abbildung 141 des Stellgeräts 1 kann implementiert sein als ein Submodell innerhalb eines komplexeren Referenzmodells, wobei das Referenzmodell 140 die gesamte prozesstechnische Anlage 1 virtuell abbilden kann oder einen Teil der prozesstechnischen Anlage 100, innerhalb dem das Stellgerät 1 sich befindet. Das Referenzmodell 140 kann mehrere Submodelle für unterschiedliche aktive Feldgeräte 111 umfassen. Ein Submodell bezüglich eines aktiven Feldgeräts 111 kann durch eine deterministische Berechnungsformel in einer Digitalrecheneinheit in einer Rechenanordnung des Prozessrechners 103 implementiert sein. Beispielsweise kann ein Submodell als sogenanntes Grey-Box Modell implementiert sein. Eine virtuelle Abbildung 141 eines reellen, aktiven Feldgeräts 111, insbesondere des Stellgeräts 1, kann als deterministische Berechnungsformel realisiert sein, die den zeitlichen Verlauf einer quantifizierten Stellgröße u abbildet auf eine Betriebsgröße y, beispielsweise eine absolute Stellposition oder eine relative Stellposition (beispielsweise entsprechend einer 0-100%-Skala bezüglich einer Öffnungsweite des Stellventils).
• 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Stellgeräts 1. Als wesentliche Komponenten umfasst das Stellgerät 1 ein Stellventil 3 zum Einstellen einer Prozessfluidströmung, einen Aktuator 5 zum Betätigen des Stellventils 3 und eine Stellgeräteelektronik 7 zum Bereitstellen eines Steuersignals, insbesondere eines pneumatischen Steuersignals s, in Abhängigkeit von einer Stellgröße u.
• Die Stellgeräteelektronik 7 kann beispielsweise als eine digitale Stellungsreglerelektronik mit einer Recheneinheit 70 zum Ausführen wenigstens eines Programms oder Moduls, insbesondere mehrerer Programme oder Module eingerichtet ist sein. Die Recheneinheit kann als wesentliche Komponente einen Prozessor 75, eine Signalempfangsschnittstelle 71, einen Speicher 76, und eine Signalausgabeschnittstelle 73 umfassen. Ferner umfasst die Stellgeräteelektronik 7 wenigstens eine Steuerungs- und/oder Regelungsschnittstelle mit wenigstens einem Steuerungs- und/oder Regelungssignalausgang 74 zum Abgeben des insbesondere pneumatischen Steuersignals s an den insbesondere pneumatischen Aktuator 5. Ferner umfasst die Stellgeräteelektronik 7 wenigstens einen Regelgrößeneingang 72, welcher beispielsweise mit einem Positionssensor 13 oder einem anderem Sensor (nicht im Detail dargestellt) zum Empfang wenigstens einer Geräteregelgröße, beispielsweise einem x eingerichtet ist.
• Die Stellgeräteelektronik 7 ist dazu eingerichtet, abhängig von einer ihr zugeführten Stellgröße u und einer zugeführten Geräteregelgröße x das Steuersignal s zu erzeugen. Um das Steuersignal s zu erzeugen, kann die Recheneinheit 70 ein Steuer- und/oder Regelmodul oder -programm 30 mit Hilfe eines Prozessors 75 und eines Speichers 76 implementieren. Die Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 kann dazu eingerichtet sein, eine Stellgröße u und eine Geräte-Regelgröße x oder ein durch ein Differenzglied zwischen Geräte-Regelgröße x und Stellgröße u berechneten Differenzwert zu erfassen und anhand einer in dem Speicher 76 der Recheneinheit 70 hinterlegten Steuerungs- und/oder Regelungsfunktion 30 eine Routine durchzuführen, die das Steuersignal s bestimmt. Das Steuersignal s kann von der Stellgeräteelektronik 7 mit dem Steuerungs- und/oder Regelungsausgang 74 an den Aktuator 5 übermittelt werden. Die Steuerungs- und/oder Regelungsausgang 74 kann zum Bereitstellen eines pneumatischen Steuersignals einen elektropneumatischen Wandler umfassen. Die Ausgabe 74 kann alternativ dazu eingerichtet sein, ein elektrisches Steuersignal für einen elektrischen Aktuator, beispielsweise einen Elektromotor, als analoges oder digitales elektrisches Signal, beispielsweise PWM-Signal, bereitzustellen (nicht näher dargestellt).
• Der Aktuator 5 betätigt das Stellventil 3, beispielsweise mittels einer Stellstange oder Stellwelle. Die Stellposition des Stellventils 3 kann mittels eines Positionssensors x erfasst und der Stellgeräteelektronik 7 als Geräte-Regelgröße x gemeldet werden. Die Geräte-Regelgröße x kann, wie zuvor beschrieben, eine absolute oder relative Stellung des Stellventils 3 beschreiben. Bei dem erfindungsgemäßen Stellgerät ist die Stellgeräteelektronik 7 ferner dazu eingerichtet, wenigstens einen, das Stellgeräts 1 betreffenden Simulationsparameter θ zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann die Rechenvorrichtung 70 der Stellgeräteelektronik 7 eine mehrere Funktionen oder Module, insbesondere Simulationsmodulen 40 und ein Anpassungsmodul 50 aufweisen.
• Die Rechenvorrichtung 70 ist dazu eingerichtet, ein Simulationsmodul 40 zu implementieren, welches als Eingangswert eine Stellgröße u empfängt, um ausgehend von wenigstens einem Simulationsparameter θ eine individuelle Signalantwort x̃ zu berechnen, die zu einer reellen Signalantwort in Form einer Geräte-Regelgröße x korrespondiert. Gemäß einer Ausführung ist die Recheneinheit 70 dazu eingerichtet, zu implementieren, das eine mathematische deterministische Bestimmung einer virtuellen Signalantwort x̃ vornimmt, indem der deterministischen Funktion als Eingangswert die Stellgröße u als Variable vorgegeben wird. Die mit dem Simulationsmodul 40 implementierte deterministische Funktion umfasst als Simulationsparameter θ beispielsweise eine Totzeit, eine Diskretisierung und eine Kennlinie, welche eine Korrelation einerseits zwischen der Stellgröße andererseits und dem als virtuelle Signalantwort x̃ berechneten virtuellen Geräte-Regelwert definiert, welcher zu einem reellen Geräteregelwert x korrespondiert. Das von der Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 implementierte Simulationsmodul 40 kann korrespondierend oder identisch ausgestaltet sein zu einer virtuellen des gegenständlichen Stellgeräts in einem Referenzmodell 140, welches in dem Prozessrechner 103 implementiert ist.
• Anders gesagt ist das gegenständliche Stellgerät 1 dazu ausgestaltet, mit Hilfe seiner eigenen Rechenvorrichtung 70 einen virtuellen Zwilling seiner selbst zu implementieren, um eine Selbstüberprüfung bezüglich des Modellverhaltens, d.h. der virtuellen Signalantwort x̃ Abbild bzw. digitalen Zwilling 141 des Stellgeräts 1 und den reellen Signalantworten x des reellen Stellgeräts 1 in Reaktion auf dieselbe Stellgröße u umzusetzen.
• Die Rechenvorrichtung 70 ist ferner dazu eingerichtet, beispielsweise mittels eines Anpassungsmoduls 50 eine Abweichung zwischen virtueller Signalantwort x̃ und reeller Signalantwort x zu erfassen. Ausgehend von einer Diskrepanz zwischen virtueller Signalantwort x̃ und reeller Signalantwort x kann das Anpassungsmodul 50 aktualisierte bzw. korrigierte Simulationsparameter θ erzeugen. Die mit der Anpassungsmodul 50 berechneten wenigstens eine Simulationsparameter θ kann optional als historischer Parameter θ_H in dem Speicher 76 der Rechenvorrichtung 70 abgelegt werden und/oder mittels einer Netzwerkschnittstelle oder anderen Signalausgabeschnittstelle 73 über eine Signalübertragungsleitung 107 abgegeben werden.
• Ein derartiges Stellgerät 1 vermag anhand eines virtuellen Zwillings seiner selbst zu bestimmen, ob die Wechselwirkung des reellen Stellgeräts 1 mit seiner Umgebung übereinstimmen mit dem Wechselwirkungen zwischen dem virtuellen Abbild 141 des Stellgeräts 1 in einer Simulationsumgebung 140. Anhand von Abweichungen zwischen dem reellen Verhalten des Stellgeräts und dem Verhalten seines virtuellen Abbildes 141 kann die Rechenvorrichtung die Simulationsparameter θ, welches das virtuelle Abbild definieren, anzupassen, um eine realitätsgetreuere virtuelle Abbildung zu erreichen.
• Indem das Stellgerät 1 ferner dazu eingerichtet ist, die durch den mit den Simulationsparametern mittels einer Signalausgabeschnittstelle 73 abzugeben, kann die Information bezüglich aktualisierter Simulationsparameter auch anderen Modellen, beispielsweise einen an einem Prozessrechner 103 umgesetzten Referenzmodell 140 übermittelt werden. Auf diese Weise kann ein Referenzmodell 140, insbesondere des ein darin verwendetes virtuelles Abbild 141 des Stellgeräts 1, eine realistischere Simulation durchführen, anhand der beispielsweise optimierte Stellgrößen u zur Steuerung des Stellgeräts bestimmt werden können, um einen Prozess 104 gemäß gewählter Optimierungskriterien beispielsweise schneller, effizienter, sicherer und/oder stabiler zu regeln.
• Von der Recheneinheit 70 wird ein Anpassungsmodul 50 beispielsweise durch den im Prozessor 75 und dem Speicher 76 implementiert. Das Anpassungsmodul 40 kann eine beispielsweise numerische Differenz oder andere Abweichung zwischen einer virtuellen Signalantwort x̃ und einer reellen Signalantwort x als Kriterium bezüglich der Qualität der durch das Simulationsmodul 40 implementierten Simulation interpretieren.
• Das Anpassungsmodul 50 kann als Berechnungsmodul zur Anpassung der Simulationsparameter θ bezeichnet werden. Das Anpassungsmodul 50 kann dazu eingerichtet sein, das in der exemplarischen Situation gewählte Simulationsmodell, beispielsweise ein Grey-Box Modell, derart anzupassen, dass eine numerische Differenz zwischen der virtuellen Signalantwort und der reellen Signalantwort x verringert, insbesondere auf ein Minimum reduziert, wird. Dem Fachmann sind eine Reihe von Optimierungsverfahren, beispielsweise iterative Optimierungsverfahren bekannt, die von dem Berechnungsmodul 50 umgesetzt werden können.
• Das Simulationsmodul 40 kann definiert sein durch eine strukturelle Beschreibung eines virtuellen Abbilds oder Modells des gegenständlichen Stellgeräts 1 und einen Satz von Simulationsparametern o. Die strukturelle Beschreibung kann als abstraktes Modell aufgefasst werden (beispielsweise als modellierter PID-Regler), dass durch einen Satz von Modellparametern bezüglich des gegenständlichen Stellgeräts 1 konkretisiert ist. In einem Neuzstand des Stellgeräts 1 können die bereitstehenden Simulationsparameter θ als Referenz-Simulationsparameter θ_R bereitgestellt sein, wobei Referenz-Simulationsparameter θ_R beispielsweise typenspezifisch hinsichtlich des gegenständlichen Stellventils als Fabrikeinstellung oder mittels eines Datenblattes bereitgestellt sein können.
• In Ausführungen mit mehreren alternativen Steuerungs- und/oder Regelungsstrukturen kann die Modellbeschreibung der Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur selbst als Simulationsparameter betrachtet werden. Ein Modell einer Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur kann durch einen oder mehrere Parameter beschrieben oder identifiziert sein. Ein oder mehrere Simulationsparameter, die eine modellierte Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur identifizieren oder beschreiben, sind auf einem Speicher 76 der Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 hinterlegt können und über eine Signalausgabeschnittstelle 73 an einen übergeordneten Simulationsrechner, wie mit dem hier exemplarisch beschriebenen Prozessrechner 103, übermittelt werden.
• Die Rechenvorrichtung 70 kann vorzugsweise als eine Digitalrecheneinheit realisiert sein. Die Rechenvorrichtung 70 kann schematisch untergliedert werden in einem Prozessor 75, einem Speicher 76 und eine Netzwerkschnittstelle 73, die als Signalausgabeschnittstelle wirkt. Die Recheneinheit kann ferner wenigstens eine Signalempfangsschnittstelle 71 aufweisen. Die Signalempfangsschnittstelle 71 und/oder die Signalausgabeschnittstelle 73 können einen Analog-Digital-Wandler und/oder einen Digital-Analog-Wandler umfassen.
• In der oben beschriebenen Ausführung wird das Steuerungs- und/oder Regelungsmodul 30 wie auch das Simulationsmodul 40 und das Anpassungsmodul 50 bezogen auf die primäre Wirkung des Stellgeräts 1, also die im Kontext der Prozessregelung vorgegebene kausale Verkettungen zwischen Stellgröße u und Regelgröße bzw. reeller Signalantwort x. Zusätzlich zu der Primärwirkung des Stellgeräts 1 kann das Stellgerät 1 weitere für den Prozess 104 relevante sekundäre Wirkungen aufweisen, die für das Steuer- und/oder Regelungsmodul 30 und/oder das Simulationsmodul 40 zu berücksichtigen sind, um eine optimierte Prozessführung erreichen zu können.
• Es ist denkbar, dass eine Sekundärwirkung des Stellgeräts 1 eine Geräuschentwicklung oder anderweitige Emission aus dem Stellgerät 1 betrifft. Beispielsweise kann als Sekundärwirkung ein Wärmeintrag von dem Stellgerät 1 in den Prozess 104 relevant sein. Beispielsweise kann die Abwärme eines durch einen elektrischen Aktuator angetriebenen Stellgeräts 1 relevant sein für den Energieverbrauch einer Klimatisierung oder für deren Potential, an einer vorgegebenen Stelle einer technischen Anlage 100 eine bestimmte Temperaturvorgabe einzuhalten. In einem solchen Fall können die Stellgröße u und/oder die Geräteregelgröße x sich auf eine Temperatur beziehen.
• Bei einem Stellgerät mit Druckluftbetrieb, beispielsweise mit einem pneumatischen Aktuator 5 kann eine Sekundärwirkung der Luftverbrauch des Stellgeräts 1 sein. Beispielsweise kann als Betriebsparameter der Luftverbrauch des Stellgeräts 1 insbesondere abhängig von einer gewünschten Änderung der Primärwirkung relevant sein. Es ist denkbar, dass ein Betriebsparameter den Luftverbrauch des Stellgeräts 1 betrifft. Ein relativ hoher Luftverbrauch des Stellgeräts 1 kann zu einer Auswirkung, beispielsweise einer Schwankung, auf die Druckluftversorgung auch für andere Stellgeräte führen. Eine derartige Änderung kann eine Wechselwirkung zur Folge haben, die sich auf das Betriebsverhalten des betrachteten Stellgeräts 1 oder andere aktiver Feldgeräte 111 der prozesstechnischen Anlage 100 auswirkt. Beispielsweise kann mehreren aktiven Feldgeräten 111 wie beispielsweise in 1 abgebildet, Druckluft zum Betreiben von pneumatischen Aktuatoren der Stellgeräte 111 bereitgestellt werden. Wenn das Stellgerät einen besonders hohen Druckluftverbrauch aufweist, beispielsweise im Falle einer Druckluft-Leckage oder weil der pneumatische Aktor 5 des Stellantriebes groß, gegebenenfalls zu groß, dimensioniert ist und ein hohes Druckluftvolumen erfordert, kann dies zu Folge haben, dass der in den Druckversorgungssystemen bereitstehende Volumen oder Druck absinkt auf einen Ist-Wert unterhalb eines Idealwertes für den die Feldgeräte 111 ausgelegt sind. Dies kann beispielsweise zur Folge haben, dass ein Stellgerät 5 in der reellen prozesstechnischen Anlage 100 eine langsamere Signalantwort x erreicht als basierend beispielsweise auf idealen Referenz- Simulationsparametern o_R ausgehend erwartet wird, oder dass das Stellventil bei zu geringer Druckluftversorgung nicht die erforderliche Schließkraft zum sicheren Verbringen des Stellventiles 3 in einen verschlossenen Zustand bereitzustellen vermag. Für ein auf den Luftverbrauch des Stellgerät 1 bezogenes Modell könnte als Signalantwort x die Messung eines zeitlichen Druckluftverlaufes an einer Drosselstelle erfasst werden.
• Eine weitere Alternative für eine Betrachtung mit einem Simulationsmodell 40 könnte die statistische Betriebsdauer bis zu einem nächsten Wartungszeitpunkt betreffen, die Abgabe brennbarer Antriebsgase, die Entnahme elektrischer Leistung aus einer elektrischen Versorgungseinrichtung (elektrische Hilfsenergie) oder den Zugriff auf die Bandbreite einer insbesondere digitalen Signalübertragungsleitung 107. Das Simulationsmodell 3 des Stellgeräts 1 beziehungsweise des virtuellen Abbildes 141 des Stellgeräts 1 kann alternativ oder zusätzlich zu einer Primärwirkung des Stellgeräts 1 eine oder mehrere andere Signalantworten betrachten.
• Ein Modell zur Simulation des exemplarischen Stellgeräts beispielsweise als virtuelle oder als Simulationsmodul 40 kann beispielsweise als ein sogenanntes Grey-Box Modell realisiert sein. 4 zeigt exemplarisch ein schematisches Grey-Box Modell bezüglich eines Stellgeräts 1 mit einem pneumatischen Aktuator 5. Das Grey-Box Modell hat im Allgemeinen das Bezugszeichen 400. Das Grey-Box Modell kann durch die Rechenvorrichtung 70 des Stellgeräts 1 und/oder durch eine Rechenanordnung des Prozessrechners 103 implementiert sein. Das Modell 400 umfasst eine erste Routine 401 m Erkennen einer Betriebsart, insbesondere einer Verfahrrichtung des Aktuators 5 (Öffnungsrichtung oder Verschließrichtung). Viele Feldgeräte 111 zeigen eine hysteresebehaftete Signalantwort, welche abhängig ist von der Betriebsart. Die Erkennung der Betriebsart, insbesondere einer Verfahrrichtung, kann beispielsweise erfolgen durch eine Verfolgung der Richtung der zeitlichen Änderung der Stellgröße u. Alternativ oder zusätzlich kann eine Betriebsart von der Steuerung der Druckluftzufuhr abgeleitet werden (nicht näher dargestellt). Für insbesondere zwei (vorzugsweise genau zwei) Betriebsarten können unterschiedliche Parametrisierungen des gesamten Grey-Box Modells realisiert sein.
• Die in 5 schematisch dargestellte virtuelle Abbildung des Betriebsverhaltens eines Stellgeräts in Form beispielsweise des dargestellten Grey-Box Modells umfasst mehrere aufeinanderfolgende Berechnungsabschnitte, mit denen eine zugeführte Stellgröße u über mehrere Zwischenwerte u*, x und $\overline{\overline{x}}$

  

  auf eine virtuelle Signalantwort x̃, die auch als Modellausgangsgröße bezeichnet sein kann, abgebildet wird. Die virtuelle Abbildung kann als Berechnungsabschnitte beispielsweise umfassen einen ersten Berechnungsabschnitt 410 für ein statisches Übertragungsprofil, einen zweiten Berechnungsabschnitt 420 für ein Zeitverhalten einer inneren Vorwärtsstrecke (statische Steuerungs- und/oder Regelungsabweichung in zeitlicher Dimension τ), einen Berechnungsabschnitt 430 für eine Totzeit T_D . Die virtuelle Abbildung kann ferner einen vierten Berechnungsabschnitt 440 für eine Quantifizierung oder Diskretisierung umfassen.
• Verschiedene Betriebsarten werden bei der virtuellen Abbildung gemäß der 5 als eine erste Betriebsart b1, beispielsweise füllen, und als eine zweite Betriebsart b2, beispielsweise leeren bezeichnet, dargestellt. Die verschiedenen Berechnungsabschnitte 410, 420, 430 und 440 sind schematisch in einem (unten dargestellten) strukturellen Teil untergliedert, welcher mathematisch das grundsätzliche Verhalten des virtuellen Abbildes eines Stellgeräts 1 struktureller definiert darstellt. Ferner weisen die hier vier verschiedenen Berechnungsabschnitte 410, 420, 430 und 440 (oben dargestellt) einen oder mehrere Simulationsparameter θ auf, welche spezifisch bezüglich des Stellgeräts 1 das mathematische Strukturmodell das virtuelle Abbild 141 beziehungsweise Simulationsmodul 40 konkretisieren. Es kann bevorzugt sein, ein virtuelles Abbild eines Stellgeräts 1 ausschließlich in solchen Simulationsparametern θ zu charakterisieren, welcher zur Konkretisierung eines insbesondere allgemeingültig, durch ein Norm oder eine Branchenübung, vorgegebenen Simulationsmodells zu realisieren. Eine derartige Charakterisierung ausschließlich von Simulationsparametern für ein strukturell vorgegebenes virtuelles Abbild des Stellgeräts kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn nur wenige Aspekte der numerischen Berechnung einer Anpassung zugänglich sein sollen.
• Das virtuelle Abbild 400 kann mit Hilfe der Betriebsarterkennung 410 dazu eingerichtet sein, von einer bestimmten erkannten Betriebsart b1 oder b2, abhängige Simulationsparameter θ verwenden. Dies kann dazu benutzt werden, die Simulationsparameter θ für verschiedene Betriebsarten b1, letztlich b2 gesondert anzupassen.
• Unter Verwendung des ersten Berechnungsabschnittes 401 bezüglich des statischen Übertragungsprofils kann eine Abweichung zwischen einem statischen Übertragungsprofil des Stellgeräts 1 von einem vorbekannten idealem Übertragungsprofil abzubilden. Ein ideales Stellgerät 1 kann eine statische Übertragungsfunktion in Form einer diagonalen Geraden mit einer konstanten Steigung 1 aufweisen, wobei eine stellgerätspezifisch modulierte Stellgröße u* gleich der empfangenen Stellgröße u wäre. Reale Stellgeräte 1 können insbesondere innerhalb eines zulässigen Toleranzbereiches von einem idealen Verhalten abweichen. Die Allbeziehungen einer derartigen, zulässigen Abweichung vermittelt seiner statischen Übertragungsprofil erhöht die Genauigkeit des virtuellen Abbildes 40/141. Im Folgenden würde der Begriff für virtuelles Abbilden der Einfachheit halber durchgängig verwendet, wobei klar sei, dass das beschriebene virtuelle Abbild wahlweise als virtuelles Abbild 141 durch die Rechenanordnung des Prozessrechners 103 oder als Simulationsmodul 40 des Stellungsreglers 1 implementiert sein kann.
• Der zweite Berechnungsabschnitt 420 der virtuellen Abbildung des Stellgeräts 1 kann in einer exemplarischen Auslegung die Dynamik des Stellgeräts 1 das von der Stellgröße u ausgehend mit dem Zwischenresultat u* einem Zeitverhalten unterworfen werden, was beispielsweise durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung, wie vorliegend dargestellt, realisiert sein kann. Es ist denkbar, komplexere, insbesondere nichtlineare Übertragungsfunktionen betreffend des Zeitverhaltens vorzusehen.
• Der dritte Berechnungsabschnitt 430 kann optional verwendet werden, um eine eventuelle relevante Totzeit T_D in die virtuelle Abbildung des Stellgeräts 1 einzuführen. Abgesehen von einer zeitlichen Verschiebung entsprechend der Totzeit T_D kann ein von dem im zweiten Berechnungsabschnitt 420 bestimmter Zwischenwert x wertmäßig unverändert in einen weiteren Zwischenwert $\overline{\overline{x}}$

  

  überführt werden.
• Der in dem in 4 dargestellten exemplarischen virtuellen Abbild eines Stellgeräts als vierter vorgeschlagener Berechnungsabschnitt 440 zur Quantifizierung bzw. Differenzierung kann dazu benutzt werden, sogenannte nicht-erreichbare Zustände abzubilden. Beispielsweise kann ein Stellgerät 1 einen diskreten beispielsweise elektromagnetischen Antrieb, beispielsweise im Schrittmotor vorsehen, welcher ausschließlich bestimmte diskrete Stellungen einnehmen kann.
• Ein anderes Beispiel kann ein Stellgerät 1 mit einer reibungsbehafteten Betätigung des Stellventils 3 mit dem insbesondere pneumatischen Stellantrieb 5 betreffen, bei dem aufgrund von Elastizität und/oder Reibung am Antriebsstrang ausgehend von einem feststehenden Ausgangspunkt durch den sogenannten Stick-Slip-Effekt ausgehend von einer stillstehenden Startposition zunächst ein gewisser Mindeststellweg (Ruckgleiten oder Losbrechen) das reelle Verhalten des Stellgeräts 1 charakterisiert. Insbesondere bei einem Stellgerät 1 mit einem pneumatischen Aktuator 5 kann der sogenannte Reibungskorridor für die Genauigkeit der virtuellen Abbildung des Stellgeräts relevant sein. Die Beschreibung des Reibkorridors kann implementiert sein mit Hilfe einer absoluten oder einer relativen Stufen- oder Treppenfunktion. Als Simulationsparameter θ kann bezüglich der Diskretisierung oder Quantifizierung eine Schritthöhe q definiert sein. Die Schritthöhe q kann eine gleichmäßig geteilte absolute Quantifizierung beispielsweise einer Treppenfunktion beschreiben oder die Breite einer hystereseartigen in einem reibungsbehafteten pneumatischen Antrieb.
• Die Merkmale der einzelnen Ausführungen der vorliegenden Erfindung können in einer beliebigen Kombination in weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein und die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimme oder isolierte Merkmalskombination von Ausführungen beschränkt.
• Bezugszeichenliste

1

Stellgerät

3

Stellventil

5

Aktuator

7

Stellgeräteelektronik

13

Sensor

30

Reglermodul

40

Simulationsmodul

50

Anpassungsmodul

70

Rechenvorrichtung

71

Signalempfangsschnittstelle

72

Regelgrößeneingang

73

Signalausgabeschnittstelle

74

Regelungssignalausgang

75

Prozessor

76

Speicher

77

Anzeigeeinheit

100

prozesstechnische Anlage

101

Leitstandrechner

103

Prozessrechner

104

Prozess

107

Signalübertragungsleitung

111

aktives Stellgerät

113

passives Stellgerät

130

Prozessregler

140

Referenzmodell

141

virtuelle Abbildung

150

Anpassungslogik

400

virtuelle Abbildung

401

Routine

410

Berechnungsabschnitt

420

Berechnungsabschnitt

430

Berechnungsabschnitt

440

Berechnungsabschnitt

b1, b2

Betriebsart

p

Reglerparameter

s

Steuersignal

TD

Totzeit

u

Stellgröße

u*

Zwischenergebnis

x

Geräte-Regelgröße

x

Zwischenergebnis

Zwischenergebnis

x̃

virtuelle Signalantwort

y

Regelgröße

ỹ

virtuelle Regelgröße

τ

θ

Simulationsparameter

θR

Referenz- Simulationsparameter

θH

historischer Simulationsparameter

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102018133428 A1 [0002, 0014, 0038]
• DE 102006046870 A1 [0005, 0006, 0007]
• WO 2019/012121 A [0008]

Claims (10)

1. Stellgerät (1) für eine prozesstechnische Anlage (100), wie eine Chemieanlage, ein Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage oder dergleichen, umfassend: ein Stellventil (3) zum Einstellen einer Prozessfluidströmung der prozesstechnischen Anlage (100), einen insbesondere pneumatischen Aktuator (5) zum Betätigen des Stellventils (3), und eine Stellgeräteelektronik (7) zum Bereitstellen eines insbesondere pneumatischen Steuersignals (s) für den Aktuator (5) in Abhängigkeit von einer Stellgröße (u), wobei die Stellgerätelektronik (7) eine Signalempfangsschnittstelle (71) zum Empfangen der Stellgröße (u) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) eine Rechenvorrichtung (70) umfasst, die zum Bestimmen wenigstens eines Simulationsparameters (Θ) eingerichtet ist, der eine Signalantwort (x) des Stellgeräts (1) auf eine empfangene Stellgröße (u) charakterisiert, und dass die Stellgeräteelektronik (7) eine Signalausgabeschnittstelle (73) zum Abgeben des wenigstens einen Simulationsparameters (Θ) aufweist.
2. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) wenigstens einen Datenspeicher (76) für den wenigstens Simulationsparameter (Θ) aufweist, wobei der Datenspeicher (76) wenigstens einen gespeicherten Referenz-Simulationsparameter (Θ_R) für den wenigstens einen Simulationsparameter aufweist und/oder wobei der Datenspeicher (76) zum Vorhalten von mehreren zu unterschiedlichen Zeiten bestimmten historischen Simulationsparametern (Θ_H) eingerichtet ist.
3. Stellgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenvorrichtung (70) dazu eingerichtet ist, ausgehend von einer empfangenen Stellgröße (u) und wenigstens einem historischen Simulationsparameter (Θ_H) oder wenigstens einem Referenz-Simulationsparameter (Θ_R) eine virtuelle Signalantwort (x̃) des Stellgeräts (1) zu berechnen und die berechnete virtuelle Signalantwort (x̃) mit einer vom Stellgerät (1) insbesondere anhand von Sensoren vom Stellgerät (1) erfassten realen Signalantwort (x) zu vergleichen.
4. Stellgerät nach Anspruch 3, wobei die Rechenvorrichtung (70) dazu eingerichtet ist, eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, zwischen erfasster Signalantwort (x) und virtueller Signalantwort (x̃) in zeitlicher Dimension, Amplitude und/oder Änderungsrate zu erkennen und anhand der Abweichung einen aktuellen Simulationsparameter zu bestimmen.
5. Stellgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, einen aktuellen Simulationsparameter (Θ) insbesondere nur dann mittels der Signalausgabeschnittstelle (73) abzugeben, wenn die Stellgeräteelektronik (7) bei einem Vergleich eines aktuellen Simulationsparameters (Θ) mit einem historischen Simulationsparameter (Θ_H) oder einem Referenz-Simulationsparameter (Θ_R) eine Abweichung, insbesondere eine Differenz, feststellt.
6. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Simulationsparameter (Θ) ausgewählt ist aus der Liste umfassend Totzeit, Diskretisierung, statische Steuerungs- und/oder Regelungsabweichung, Kennlinie und/oder Steigung.
7. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgeräteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, dass das insbesondere pneumatische Steuersignal (s) in Abhängigkeit von einer Stellgröße (u) gemäß einer Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur bereitzustellen, wobei die Stellgeräteelektronik (7) dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Simulationsparameter (Θ) bezüglich einer insbesondere veränderten Steuerungs- und/oder Regelungsstruktur abzugeben.
8. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalausgabeschnittstelle (73) und Signalempfangsschnittstelle (71) mit einer gemeinsamen Signalübertragungsleitung (107) verbunden sind, insbesondere einer 4..20 mA Leitung, wobei die Signalempfangsschnittstelle (71) dazu eingerichtet ist, die Stellgröße mittels der Signalübertragungsleitung (107) zu empfangen und wobei die Signalausgabeschnittstelle (73) dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Simulationsparameter (Θ) mittels der Signalübertragungsleitung (107) abzugeben.
9. Stellgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalausgabeschnittstelle (73) eine Anzeigeeinheit (74), wie ein LCD-Display, zum optischen Ausgeben des wenigstens einen Simulationsparameters (Θ) umfasst.
10. Stellgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalausgabeschnittstelle (73) dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Simulationsparameters (Θ), insbesondere mehrere Simulationsparameter (Θ), mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von nicht mehr als 1200 bit/s, insbesondere nicht mehr als 600 bit/s oder nicht mehr als 300 bit/s, auszugeben.

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