DE3133222C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbsteinstellende Rege­ lung eines technischen Prozesses nach dem Modellverfahren, mit einem parallel zum Prozeß betriebenen elektrischen Modell des Prozesses zur Ermittlung und Korrektur von Führungsgrößen der Regelung, wie sie beispielsweise aus dem DE-Fachbuch von W. Oppelt: "Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge", 1972, Seite 731, 732 bekannt ist.

Bei komplexen industriellen Prozessen stößt die Gewinnung der zur automatischen Prozeßführung notwendigen Prozeßdaten auf Schwierigkeiten. Bereits bei an sich meßbaren Prozeßgrößen, beispielsweise Temperaturen, Drücke, Dehnungen, Schwingungen, Stoffkonzentrationen, ist die Zahl der Meßstellen mit Meß­ wertaufnehmern und -umformern aus wirtschaftlichen Erwägun­ gen möglichst zu begrenzen.

Andere Prozeßparameter sind nicht direkt oder nur unter er­ heblichem Aufwand meßbar, sie lassen sich jedoch in der Regel als Funktionen von anderen meß- oder vorgebbaren Größen rech­ nerisch wenigstens annähernd darstellen.

Beispielsweise läßt sich bei einer Kesselfeuerung die zuge­ führte Energie annähernd aus den Masseströmen der primären Energieträger, die abgegebene Energie aus dem Massestrom des Speisewassers und der Enthalpie des abgegebenen Dampfes er­ rechnen, wobei die Enthalpie selbst aus einem nichtlinearen Zusammenhang der Meßgrößen "Druck" und "Temperatur" zu be­ stimmen ist.

Als weiteres Beispiel sei der Reaktionsablauf in einem Rühr­ kesselreaktor genannt. Dort läßt sich die Auslaufkonzentra­ tion, der Zulauftemperatur und der Auslauftemperatur der Reaktionspartner berechnen.

Es wurde deshalb bereits vorgeschlagen, in einem Prozeßsimu­ lator mit Hilfe eines den Prozeß beschreibenden mathemati­ schen Modells höherer Ordnung aus einigen Eingangs-, Zwischen- und Ausgangsgrößen des Prozesses weitere Prozeßdaten zu er­ rechnen, siehe beispielsweise in der DE-Z-"Regelungstechnik", 1969, Heft 2, Seite 53 bis 59.

Aber auch bei der Verwendung nichtlinearer Prozeßmodelle im Prozeßsimulator lassen sich eine Reihe von Prozeßdaten, z. B. Änderungen der Wärmeflußverteilung, aufgrund von Ablagerungen von Verbrennungsprodukten auf Anlagenteilen, Änderungen des Heizwertes eines Primärenergieträgers, nicht mit der für die Prozeßführung erforderlichen Genauigkeit ermitteln, es treten Abweichungen der Simulationsdaten von den reellen Prozeßdaten auf.

Bei dynamischem Prozeßverlauf, z. B. bei Lastwechseln oder bei Anfahrvorgängen, ist es vorteilhaft, nicht nur den der­ zeitigen, sondern auch vorausschauend den zukünftigen Prozeß­ zustand zu kennen, um mit möglichst hohem Wirkungsgrad in der Nähe von material- oder prozeßbedingten Grenzwerten arbeiten zu können.

Es stellt sich somit die Aufgabe, das Verfahren der Prozeß­ simulation mit Hilfe eines nichtlinearen Modells so zu ver­ bessern, daß Simulations- und Prozeßdaten weitgehend überein­ stimmen und eine vorauseilende Ermittlung und Beeinflussung des Prozeßablaufs möglich wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1.

Mit Hilfe des Korrekturrechners werden die Prozeßdaten, bei denen Abweichungen zu erwarten sind, ständig überwacht und mit den entsprechenden, im Simulator errechneten Daten verglichen. Die dem ersten Simulator aus dem Prozeß zuge­ führten Eingangsgrößen werden rückrechnend korrigiert, so daß auch andere, von diesen Größen abhängige Parameter im Simulator genauer bestimmbar sind.

Die aktuellen Ausgangsgrößen des ersten Simulators, aus denen der derzeitigen Prozeßzustand ablesbar ist, können in bestimmten Zeitabständen abgerufen und in dem schnelleren zweiten Simulator zu Daten verarbeitet werden, die den zu einem zukünftigen Zeitpunkt zu erwartenden Prozeß- und An­ lagenzustand wiedergeben.

Dem zweiten Simulator können auch weitere Daten eingege­ ben werden, mit Hilfe derer Auswahlkriterien zur Prozeß­ optimierung oder zur Aufrechterhaltung eines Notbetriebs bei Ausfall von Anlagenteilen errechnet und in entspre­ chende Führungsgrößen umgesetzt werden.

Diese und im Zuge der den Prozeßablauf simulierenden Be­ rechnung im zweiten Simulator gewonnenen anderen Daten werden angezeigt und/oder als variable Führungs- oder Störgrößen (gleitende Grenzwerte) dem eigentlichen technischen Prozeß zugeführt (closed-loop-Betrieb).

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand des in der Fi­ gur dargestellten Flußdiagramms im folgenden erläutert.

Ein erster Prozeßsimulator S 1 enthält eine Rechenschaltung, die gemäß einem nichtlinearen mathematischen Modell des Prozesses programmiert ist, wobei in einem Speicher alle Kenngrößen und Auslegungsdaten des Prozesses und der An­ lage niedergelegt sind.

Der erste Prozeßsimulator S 1 wird parallel zum Prozeß in Echtzeit betrieben, d. h., der simulierte Prozeß läuft synchron mit dem wirklichen technischen Prozeß.

Zu diesem Zweck werden dem ersten Prozeßsimulator S 1 aus dem Prozeß die in einem wirtschaftlich vertretbaren Aus­ maß gewonnenen Prozeßdaten als Datenstrom D 2 sowie aus ei­ nem Leitgerät LG aufbereitete Führungsgrößen, zu beach­ tende Grenzwerte und/oder Störgrößen in einem Datenstrom D 3 zugeführt.

Mit Hilfe der aus den Kenngrößen und Auslegungsdaten ent­ wickelten Algorithmen werden im ersten Prozeßsimulator aus den zugeführten Datenströmen D 2 und D 3 weitere Prozeßdaten berechnet, insbesondere solche, die nicht direkt meßbar sind. Es können so aus einer bestimmten Anzahl von Ein­ gangsinformationen, beispielsweise 50, eine weitaus größere Anzahl von prozeßbeschreibenden Informationen, beispiels­ weise 300, gewonnen und in einem ständig aktualisierten Zwischenspeicher abgelegt werden.

Aus dem Leitgerät LG werden entsprechend die aus den Steuer­ signalströmen D 5 und D 6 gebildeten Führungsgrößen dem Pro­ zeß in dem Datenstrom D 4 zugeleitet.

Im Idealfall stimmen die in dem Simulator S 1 errechneten Prozeßdaten mit den echten Prozeßdaten überein. Dies ist jedoch in der Praxis nicht immer gewährleistet, da es prozeßbestimmende Größen gibt, die nicht genau erfaßt wer­ den und sich zudem während des Prozesses ändern können. Die aus diesen ungenauen Prozeßgrößen errechneten Prozeß­ daten werden im Datenstrom D 7 deshalb einem Korrekturrech­ ner KR zugeführt, der sie mit entsprechenden Werten ver­ gleicht, die aus einem aus dem Hauptmeßdatenstrom D 1 ab­ gezweigten Datenstrom DS ermittelt werden. Treten Abwei­ chungen auf, so werden Korrekturwerte D 9 dem ersten Prozeß­ simulator S 1 zugeführt, die auf die Eingangsdaten rückge­ rechnet mit Hilfe der entsprechenden Algorithmen verbes­ serte und genauere Simulationswerte ergeben.

Die im ersten Simulator S 1 errechneten und korrigierten Prozeßinformationen können jederzeit abgerufen und als Datenstrom D 10 einem zweiten Prozeßsimulator S 2 zugeführt werden, der ebenfalls ein nichtlineares mathematisches Modell des Prozesses enthält, bei dem die Berechnungen aber mindestens um den Faktor 10, vorzugsweise um den Faktor 100, schneller als im ersten Prozeßsimulator ablau­ fen. Es ist somit zu jedem Zeitpunkt möglich, sowohl den aktuellen Prozeß- und Anlagenzustand wie auch einen zu­ künftigen Prozeßzustand bzw. vorausschauend den Prozeßab­ lauf über den einem Sichtgerät SG zugeführten Datenstrom D 11 darzustellen.

Der zweite Prozeßsimulator S 2 kann auch zur Prozeßopti­ mierung oder zur Gewinnung der Betriebsparameter für Not­ betrieb eingesetzt werden, die dazu benötigten Informa­ tionen werden ihm mit dem Datenstrom D 12 zugeführt.

Ein Teil der im zweiten Prozeßsimulator S 2 errechneten Grö­ ßen kann über den Datenstrom D 13 wieder dem Leitgerät LG zu­ geführt werden zur Gewinnung gleitender Führungsgrößen und Grenzwerte sowie anderer zur Optimierung des Prozesses not­ wendiger Daten, die über den Datenstrom D 4 in den Prozeß einfließen.

Das Verfahren sei nochmals kurz am Beispiel eines Dampf­ erzeugungsprozesses erläutert.

Die dem Dampferzeuger zugeführte Primärenergie läßt sich in bekannter Weise aus den Masseströmen von Brennstoff und Brennluft und die bei der Energieumwandlung auftretende Wärmeentbindung aus den Dampftemperaturen und -drücken be­ rechnen. In der Praxis treten jedoch Abweichungen der reellen Werte von den errechneten Werten auf, die auf Ände­ rungen des Heizwertes des Energieträgers, des ruß- oder staubgehaltbedingten Flammen-Emissionsvermögens und auf eine Verschmutzung der Heizflächen zurückzuführen sind.

Dem Korrekturrechner KR werden deshalb über den Datenstrom DS die auch dem Simulator S 1 zugeführten Meßwerte, bei­ spielsweise die Massenströme für Brennstoff, Frischluft und Speisewasser, die Temperaturen am Verdampferaustritt, an den Einspritzkühlern sowie die Endtemperaturen der Über­ hitzer, außerdem der Druck am Verdampferaustritt und am Turbinenventil zugeführt.

Die aus diesen Meßwerten errechneten Wärmeströme und ab­ geleiteten Werte werden mit den im Simulator S 1 errechne­ ten Werten verglichen und bei Abweichungen über D 9 Korrek­ turwerte eingegeben zur Berichtigung seiner Ausgangsgrö­ ßen, die über D 10 dem zweiten Prozeßsimulator S 2 zugeführt werden.

So kann beispielsweise eine lokale Verringerung der Heiz­ leistung auf eine Zunahme des Verschmutzungsgrades der be­ treffenden Heizfläche zurückgeführt werden. In diesem Fall wird die als Modellparameter im ersten Prozeßsimulator ver­ wendete Größe "Verschmutzungsgrad" über D 9 entsprechend korrigiert, bis die aus den errechneten und aus den gemes­ senen Werten bestimmten Wärmeströme wieder übereinstimmen.

Eine vom ersten Prozeßsimulator S 1 erkannte Verringerung der Gesamtheizleistung bei gleichbleibenden Masseströmen von Brennstoff und Brennluft ist, um ein weiteres Bei­ spiel zu nennen, auf eine Änderung des Heizwertes des Pri­ märenergieträgers zurückzuführen. Im zweiten Prozeßsimu­ lator S 2 werden die Tendenz und die Auswirkungen dieser Störung vorausberechnet und über D 13 ein Korrektursignal dem Leitgerät LG eingegeben, welches eine Erhöhung des Brennstoffstromes veranlaßt, bis die simulierten und die gemessenen Daten wieder übereinstimmen. Der Eingriff der Brennstoffregelung erfolgt so früh und in solcher Weise, daß die Störung unter Beachtung anderer kritischer Para­ meter und Grenzwerte des Prozesses ausgeregelt werden kann, bevor sie sich in den Prozeßausgangsgrößen, hier vor allem der Dampfleistung als Hauptregelgröße, erkennbar auswirkt.

Claims (2)

1. Selbsteinstellende Regelung eines technischen Prozesses nach dem Modellverfahren, mit einem parallel zum Prozeß be­ triebenen elektrischen Modell des Prozesses zur Ermittlung und Korrektur von Führungsgrößen der Regelung, wobei das Modell gekennzeichnet ist durch

• a) einen ersten Prozeßsimulator (S 1), der parallel zum Prozeß in Echtzeit betrieben wird und der aus einer Anzahl einge­ gebener Prozeßdaten, wie meßbare Betriebs- und Störgrößen, und aufbereiteten Führungsgrößen eine Anzahl von nicht direkt meßbaren Prozeßdaten errechnet und spei­ chert;
• b) einen Korrekturrechner (KR), in welchem mindestens ein Teil der errechneten Prozeßdaten ständig mit gemessenen Zwischen- oder Ausgangsgrößen des Prozesses verglichen und bei Abweichungen die Eingangsgrößen der Prozeßalgorithmen im ersten Prozeßsimulator (S 1) korrigiert werden;
• c) einen im Vergleich zum ersten Prozeßsimulator (S 1) um mindestens den Faktor 10 schneller rechnenden zweiten Prozeßsimulator (S 2), der in vorgebbaren Zeitabständen aus den im ersten Prozeßsimula­ tor (S 1) errechneten und korrigierten Prozeßdaten und aus weiteren vorgegebenen Betriebskriterien, wie Grenzwerten und Optimierungsparametern, die den Zustand des techni­ schen Prozesses zu einem zukünftigen Zeitpunkt beschrei­ benden Prozeßdaten errechnet und mit diesen Daten die Füh­ rungsgrößen der Regelung beeinflußt.

2. Selbsteinstellende Regelung nach Anspruch 1 bei einem Dampferzeugungsprozeß, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß in dem ersten Prozeßsimulator (S 1) aus den gemessenen Eingangsgrößen die Energiezufuhr, d. h. aus den Masseflüssen von Brennstoff, Brennluft und Speise­ wasser die örtliche und zeitliche Wärmeentbindung aus dem Wärmestrom berechnet wird
und aus dem Korrekturrechner (KR) der errechnete Wärmestrom am Verdampferausgang mit der aus dort gemessenen Druck- und Temperaturwerten errechneten Enthalpie des Dampfes verglichen und bei Abweichung durch Rückrechnung die Eingangsgrößen des ersten Simulators (S 1) korrigiert werden
und daß die Ausgangswerte des zweiten Prozeßsimulators (S 2) die Sollwerte im Blockleitgerät (LG) führen.