-
Diese
Erfindung betrifft ein Steuersystem, insbesondere ein solches, das
zur Steuerung einer großtechnischen
Anlage wie etwa eines Polymerisationsreaktors verwendet werden kann.
-
Es
sind viele verschiedene Arten von Steuersystemen bekannt. Das einfache "herkömmliche" Steuersystem umfasst
eine einzige Eingangsgröße und eine
einzige Ausgangsgröße (SISO:
Single Input Single Output), beispielsweise für eine Durchflusssteuerung.
Bei einer derartigen Steuereinheit wird nur eine Größe gesteuert,
nämlich
der Durchfluss durch ein Ventil, wobei diese Größe dann als die gesteuerte
Größe bezeichnet
wird. Es wird ein Sollwert eingegeben, um der Steuereinheit mitzuteilen,
welcher Durchfluss angestrebt ist. Außerdem ist eine Durchflussmessung
als Eingangsgröße vorgesehen, um
die Steuereinheit über
den tatsächlichen
Durchfluss zu informieren. Die Steuereinheit wird den tatsächlichen
Durchfluss mit dem Sollwert vergleichen und die Abweichung benutzen,
um unter Verwendung zuvor definierter Gleichungen den Wert für die Stellgröße zu berechnen,
die in diesem Fall die Ventilstellung ist. Diese wird dann von der
Steuereinheit ausgegeben.
-
Hierbei
beruht die Aktion der Steuereinheit auf der beobachteten Abweichung
der gesteuerten Größe. Ein
wichtiger Teil der Gleichungen, die verwendet werden, um die Stellgröße aus den
Abweichungen zu berechnen, ist der Satz Abstimmungsparameter, der
die Eigenschaften des Steueralgorithmus modifizieren wird.
-
Jedoch
können
bei komplizierteren Prozessen viele Größen zu berücksichtigen sein, die wechselseitig
voneinander abhängig
sein können,
so dass eine Änderung
einer Größe zwangsläufig mehr
als eine Reaktion bzw. Antwort bewirkt. Derartige Wirkungen werden
als "Kopplungen" oder "wechselseitige Beeinflussungen" von Größen bezeichnet.
Außerdem
können
auch nichtlineare Reaktionen bzw. Antworten auf die Stellgrößen ein
charakteristisches Verhalten des Prozesses darstellen. Steuereinheiten mit
nur einer Eingangsgröße und einer
Ausgangsgröße sind
nicht in der Lage, derartige Prozesse wirksam zu steuern, da sie
die Kopplungen nicht kompensieren können und weil Parameterwerte,
die für eine
Einstellung von Prozessbedingungen abgestimmt sind, nicht unter
allen anderen Prozessbedingungen funktionieren müssen.
-
Um
diese Probleme anzugehen, werden komplexere Steuersysteme verwendet,
die als fortgeschrittene Prozesssteuerungen (APC: Advanced Process
Control) bezeichnet werden. Ein Beispiel für eine fortgeschrittene Prozesssteuerung
ist eine auf einem Modell basierende Steuerung nach Voraussage (MPC:
Model Based Predictive Control). Hierbei wird ein Computermodell
des Prozesses, der zu steuern ist, als ein Teil der Steuereinheit
verwendet. Das Modell enthält
Informationen bezüglich
der Wirkung der Stellgrößen auf
die gesteuerten Größen und
kann außerdem
die Wechselwirkungen umfassen, die als mathematische Gleichungen
beschrieben sind. Fortgeschrittene Prozesssteuerungen werden als
Programme auf Computern implementiert, die mit dem Prozesssteuersystem
verbunden sind. Sie sind im Allgemeinen so beschaffen, dass sie
Signale und Werte von Prozessmesseinrichtungen empfangen und Steuersignale,
beispielsweise Sollwerte für Durchflusssteuerungen
und berechnete Werte, an das Prozesssteuersystem senden.
-
Es
sind verschiedene Typen von nach Voraussage steuernden Einheiten
verfügbar,
die auf verschiedenen Lösungsansätzen beruhen,
die auf das Modell angewendet werden, das auf einem voraussagenden
Steueralgorithmus basiert, siehe beispielsweise "Model Predictive Control: Theory and
Practice – A
Survey", Automatica,
Bd. 25, Nr. 3, S. 335–348, 1989.
-
Die
Steuerungsaufgaben sind im Allgemeinen die Schaffung von konsistenten
und stabilen Prozessbedingungen, um beispielsweise für stabile
Konzentrationen von Komponenten, eine konstante Temperatur, einen
konstanten Druck usw. zu sorgen. Die Aufgabe eines nach Voraussage
steuernden Systems ist die Erfassung von Änderungen der gemessenen Eingangsbedingungen
in die Einheit, z. B. Beschickungen, Konzentrationen, Temperaturen
usw. und von Unterschieden zwischen den tatsächlichen, im Inneren oder hinter
der Einheit gemessenen Bedingungen und den entsprechend dem Modell
berechneten Werten, um Steuervorgänge auszuführen, die diese Störungen und
Abweichungen kompensieren. Wenn beispielsweise der Strom eines Zusatzstoffs
zu einem Reaktor gemessen wird und ein Abfall seiner Strömungsrate
erfasst wird, sind kompensatorische Änderungen der Reaktorbedingungen
erforderlich, um zu verhindern, dass dies eine Wirkung auf eine
oder mehrere der gesteuerten Größen hat.
-
Alternativ
sind einige Prozesse, wie etwa Polymerisationsreaktoren so beschaffen,
dass sie kontinuierlich betrieben werden, obwohl sie für die Herstellung
verschiedener Produkte verwendet werden können. Um von einem Produkt
zu einem anderen zu wechseln werden die Reaktorbedingungen usw.
in geeigneter Weise geändert.
Eine Änderung
von einem Polymergrad zu einem anderen auf diese Weise wird als
ein "Gradübergang" bezeichnet. Hierbei
wird angestrebt, den Übergang
so schnell wie möglich
zu vollziehen, weil das Zwischenprodukt ein nicht den Spezifikationen
entsprechendes Produkt wäre.
-
Die
Modelle in einem allgemeinen, nach Voraussage steuernden System
können
entweder empirische Modelle oder Grundmodelle sein. Empirische Modelle
beruhen auf Daten von der realen Anlage, die beispielsweise durch
Ausführen
einer Mehrgrößen-Regression
zwischen den Prozesseingangsgrößen (u und
v) und der Ausgangsgröße y erzeugt werden,
während
dynamische Grundmodelle von Grundprinzipien wie der Erhaltung der
Masse, der Energie und des Impulses, von stöchiometrischen Gleichungen,
Reaktionskinetiken usw. abgleitet sind.
-
Die
am häufigsten
anzutreffenden nach Voraussage steuernden Einheiten beruhen auf
empirischen Modellen, siehe "Dynamic
Matrix Control – a computer
control algorithm",
AIChE National Mtg, Houston, Texas (1979). Der Grund hierfür ist, dass
für einfache
Prozesse wie etwa Destillationskolonnen, wo die Betriebsbedingungen
immer nahezu gleich sind, diese Art von Modellen leicht aufzustellen
und zu handhaben ist. Es ist jedoch festgestellt worden, dass empirische
Modelle für
komplexere Einheiten wie etwa Polymerisationsreaktoren problematisch sind.
Dafür gibt
es im Fall von Polymerisationsreaktoren mehrere Gründe: Viele
Größen zeigen
ein stark nichtlineares Verhalten, viele Größen sind stark gekoppelt oder
wechselseitig abhängig;
der Bereich, über
dem der Reaktor betrieben wird, ist groß und außerdem werden die Reaktorbedingungen
infolge der Gradübergänge häufig geändert. Letzteres
ist die Situation, in der die Herstellung eines Produkts bei einer
Einstellung der Reaktorbedingungen beendet wird und die Reaktorbedingungen
geändert
werden, um die Herstellung eines anderen Produkts mit anderen Eigenschaften
zu beginnen.
-
Das
Aufstellen eines empirischen Modells für einen solchen Prozess erfordert
viele Sprungantworttests in der realen Anlage, wobei für jede Stellgröße und für jede Störung, die
in dem Modell inbegriffen sein wird, eine sprunghafte Änderung
erfolgt. Außerdem
müssen
für jede
zu modellierende Kopplungswirkung gesonderte Sprungantwort-Tests
vorgenommen werden. In der Praxis ist das Ausführen von Sprungantwort-Tests
an einem Polymerisationsreaktor sehr teuer, da normalerweise 2 bis
4 Gutverweilzeiten erforderlich sind, um die vollständige Antwort auf
eine sprunghafte Änderung
einer Stellgröße zu messen,
und falls irgendein Ereignis in dem Prozess den Test stört, muss
der gesamte Test neu gestartet werden. Der Prozess muss außerdem recht
stabil sein, wenn der Test gestartet wird, da Änderungen der Eingangsgrößen eingeführt werden,
die die stabile Situation verändern.
Die sprunghaften Änderungen
müssen
außerdem
an der realen Produktionseinheit vorgenommen werden, wo stabile
Bedingungen, die eine gleich bleibende Produktqualität ergeben,
nicht gestört
werden sollen. Auch besitzt oftmals jedes Produkt auf Grund des
nichtlinearen Verhaltens des Prozesses ein gesondertes Modell, wobei die
Steuereinheit, die ein linearisiertes Modell verwendet, nicht mit
einem anderen Modell als jenem, das für die tatsächliche Einstellung der Bedingungen erstellt
wurde, für
welche der Sprungantwort-Test für dieses
spezifische Produkt ausgeführt
wurde, funktioniert.
-
Angesichts
der obigen Probleme wäre
es vorteilhaft, bei derartigen Anwendungen eine auf einem Grundmodell
basierende Steuerung nach Voraussage zu verwenden. Wie in "Model Predictive Control
for Grade Transitions of a Polypropylene Reactor", 4th European Symposium on Computer
Aided Process Engineering, Dublin 1994, erörtert ist, sollten dynamische
Grundmodelle zusammen mit einem Algorithmus zur Steuerung nach Voraussage
eine effizientere Lösung
bieten, sowohl was die Kosten der Ausführung als auch die Leistungsfähigkeit
der Steuerung anbelangt.
-
Ein
Beispiel für
ein Steuerungs-Grundmodell kann "Dynamics
analysis and control strategy for a mixed flour corn dryer", Trelea u. a. (J.
Process Control, Bd. 7, Nr. 1, Februar 1997, S. 57–64) entnommen
werden. Dieses Dokument offenbart ein Verfahren zum Steuern des
letztendlichen Feuchtigkeitsgehalts von Mais von einem Maistrockner.
Dieses Verfahren umfasst das Ableiten einer nichtlinearen Grundprinzipiengleichung,
die Anwendung einer Trans formation, um diese Gleichung zu linearisieren und
die Verwendung der resultierenden linearisierten Gleichung, um das
System zu steuern. Dasselbe linearisierte Modell wird in dem Prozess
verwendet.
-
In
der Praxis wird jedoch die Rechenleistung die Möglichkeiten der Verwendung
von Grundmodellen begrenzen, wenn die Anzahl der gesteuerten Größen, der
Stellgrößen und
der Bedingungen beträchtlich
ist, was häufig
der Fall ist. Folglich ist, um das Beispiel eine Polymerisationsreaktors
aufzunehmen, die erforderliche Komplexität des Modells derart, dass,
wenn eine technisch machbare Rechenleistung verwendet wird, die
Zeit, die benötigt
wird, um dass Modell zu lösen, übermäßig lang
sein wird, da sie die Frequenz begrenzen wird, mit welcher das Modell
verwendet werden kann, und weil eine beträchtliche Verzögerung zwischen
der Bestimmung der Eingangsbedingungen und der Ermittlung der Lösung eingeführt wird,
wobei sich in der Zwischenzeit die Bedingungen wesentlich verändert haben
können,
was zu erheblichen Stabilitätsproblemen
führt.
-
Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Steuern eines Prozesses geschaffen, das die folgenden
Schritte umfasst:
- a) Erzeugen eines dem Prozess
entsprechenden Modells eines ersten Prinzips;
- b) Eingeben von Daten, die die momentanen und die gewünschten
künftigen
Prozessbedingungen beschreiben;
- c) Erzeugen einer linearen Approximation an das für die momentanen
Bedingungen gültige
Modell unter Verwendung der Daten;
- d) Verwenden der linearen Approximation, um eine approximative
Lösung
für ein
mit dem Prozess in Beziehung stehendes Steuerungsproblem zu bestimmen;
- e) Steuern des Prozesses unter Verwendung der approximativen
Lösung;
und
- f) Wiederholen der Schritte (b) bis (e).
-
Folglich
ist die Erfindung in der Lage, ein genaues Modell des Prozesses
zu liefern, da es auf Grundprinzipien beruht, d. h. eher ein Grundmodell als
eine empirische Approximation ist. Es könnte bei Bedarf nichtlinear
sein und ist über
einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen gültig, Die signifikante Ungenauigkeit,
die einem linearen, approximierenden Modell eigen ist, wird dadurch
vermieden. Im Vergleich zu herkömmlichen
und auf nichtlinearen Modellen basierenden Systemen ist die Erfindung
jedoch vorteilhaft, denn sie löst
nicht jedes Mal, wenn es erforderlich ist, eine Voraussage zu treffen,
jede der nichtlinearen Gleichungen des Modells auf direkte Weise.
Vielmehr wird dann für
einen gegebenen Satz von Bedingungen, die zu einer gegebenen Zeit herrschen,
eine lineare Approximation verwendet, um eine geeignete Lösung eines
Steuerungsproblems zu bestimmen. Diese lineare Approximation wird
vorzugsweise durch eine numerische Störung des Modells erzeugt und
kann in einem quadratischen Programmierungsproblem resultieren.
Dieses kann selbstverständlich
weit schneller als das vollständige
nichtlineare Modell gelöst
werden. Auf diese Weise lässt
sich ein Zukunftsszenario schnell bestimmen. Der Prozess kann dann
auf die übliche
Art und Weise durch Erzeugen von neuen Sollwerten gesteuert werden.
-
Folglich
ist die Erfindung in der Lage, die Genauigkeit und den Betriebsbereich
eines Grundmodells mit der Geschwindigkeit und der Effektivität eines
linearen Modells zu kombinieren, so dass ein effizientes Prozesssteuerungssystem
erzielt wird.
-
Bei
einigen Anwendungen kann die approximative Lösung genau genug sein, um direkt
für die Steuerung
des Prozesses verwendet zu werden. Vorzugsweise wird die approximative
Lösung
jedoch verwendet, um eine genauere Lösung zu bestimmen. Dies kann
typisch durch Einsetzen der approximativen Lösung in das Modell und anschließendes Anwenden
eines Iterationsverfahrens erfolgen. Das Iterationsverfahren kann
so oft wie nötig
wiederholt werden, um eine Lösung
mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen.
-
In
bevorzugten Formen der Erfindung wird das Grundprinzip-Grundmodell
dann verwendet, um die tatsächlichen
Antworten bzw. Reaktionen auf die Steuerungseinstellungen zu berechen,
so dass die Antwort bzw. Reaktion des Zukunftsszenarios das Ergebnis
des Grundmodells und nicht des vereinfachten, linearisierten Modells
ist.
-
Bei
einfachen Anwendungen kann die berechnete lineare Approximation
genau genug sein, um für
eine Anzahl verschiedener Prozessbedingungen ver wendet zu werden.
Um jedoch der Erfindung zu ermöglichen,
komplexere Systeme zu steuern, wird bevorzugt, dass das lineare
Modell erneut gerechnet wird, z. B. für einen neuen Satz von Reaktorbedingungen.
Auf diese Weise wird nach Bedarf ein neues linearisiertes Modell
geschaffen. Es ist bekannt, dass bei vielen Anwendungen derartige
Modelle in sehr kurzen Intervallen erzeugt werden können.
-
Einer
der großen
Vorteile der Grundmodelle, der in diesem Zusammenhang genutzt wird,
ist, dass sie über
einen weiten Betriebsbereich gültig
und konsistent sein können.
Dies bedeutet, dass dasselbe Modell und dieselben Modellparameter
einen weiten Bereich von Produktionsbedingungen abdecken können, wie
etwa jene, die sich bei der Herstellung von verschiedenen Polymergraden
ergeben. Folglich kann die Steuereinheit vorzugsweise den Übergang selbst
steuern, wobei sie die Prozessbedingungen von einer Einstellung
der Bedingungen zu einer anderen Einstellung verschiebt, um ein
anderes Produkt herzustellen. Wenn die anhand des Modells berechneten
Werte hinreichend genau sind und dem tatsächlichen Verhalten der Prozesseinheit
nahe kommen, ist der nach dem Verfahren der Erfindung berechnete
Satz Stellgrößen sehr
nahe an der optimalen Art und Weise der Änderung der Bedingungen.
-
Dies
ist im Vergleich zu der üblichen
Situation für
Steuereinheiten auf der Grundlage eines empirischen Modells, bei
der es oftmals erforderlich ist, den Übergang manuell auszuführen und
dann, wenn der Übergang
abgeschlossen ist, die Steuerung nach Voraussage mit einem anderen
Prozessmodell fortzusetzen, sehr vorteilhaft. Folglich kann die
Erfindung genutzt werden, um einen schnelleren Gradübergang
zu vereinfachen, d. h. um stabile Prozessbedingungen bei den geforderten
Produkteigenschaften zu erzielen und folglich den finanziellen Verlust, der
mit der Fehlproduktion und dem nicht der Spezifikation entsprechenden
Produkt verbunden ist, zu verringern.
-
Die
Erfindung erstreckt sich außerdem
auf eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Verfahrens, die eine
Steuereinheit, Ein- und Ausgabemittel und ein Modell umfasst, wobei:
- a) das Modell ein dem Prozess entsprechendes Grundmodell
ist;
- b) Mittel vorgesehen sind, die wiederholt Daten eingeben, die
die momentanen und die gewünschten
künftigen
Prozessbedingungen beschreiben;
- c) Mittel vorgesehen sind, die eine lineare Approximation für das Modell
berechnen, die für
jede der Eingangsbedingungen gültig
ist;
- d) Mittel vorgesehen sind, die jede lineare Approximation verwenden,
um eine approximierte Lösung
für ein
mit dem Prozess in Beziehung stehendes Steuerungsproblem zu bestimmen;
- e) Mittel vorgesehen sind, die Ausgangssignale erzeugen, um
den Prozess unter Verwendung der Lösung des obigen Teils (d) zu
steuern.
-
Vorzugsweise
ist die Vorrichtung so beschaffen, dass sie gemäß den bevorzugten Formen des oben
erörterten
Verfahrens arbeitet.
-
Die
Erfindung erstreckt sich außerdem
auf einen Prozess oder auf Apparate, die von einem derartigen Verfahren
der Erfindung oder einer derartigen Vorrichtung der Erfindung, wie
weiter oben erörtert, gesteuert
werden. Außerdem
erstreckt sich die Erfindung auf ein Modell und/oder eine Steuereinheit,
die Software umfasst, die auf einem geeigneten Datenträger gespeichert
ist.
-
Die
Steuereinheit und das Modell sind typisch unter Verwendung einer
Rechenvorrichtung auf der Grundlage eines Mikroprozessors ausgeführt.
-
Es
wird nun eine Ausführungsform
der Erfindung beispielhaft, anhand der folgenden Zeichnung beschrieben.
Es zeigen
-
1: ein Flussdiagramm der
Gesamtkonfiguration der Steuereinheit einer Ausführungsform der Erfindung;
-
2: ein Flussdiagramm der
Struktur der Steuereinheit, die in der Ausführungsform verwendet wird;
-
3 und 4: Ablaufpläne, die die Schritte zeigen,
die von der Steuereinheit als Teil der Ausführungsform ausgeführt werden;
-
5: ein Diagramm, dass die
Pumpleistung von einem Reaktor zeigt, um die Verbesserungen der
Stabilität,
die bei Anwendung der Erfindung erzielt wird, im Vergleich mit einer
herkömmlichen Steuerung
mit nur einer Eingangsgröße und einer Ausgangsgröße zu zeigen;
und
-
6 bis 11: verschiedene Diagramme, die Simulationen
der Wirkungen der Anwendung von Ausführungsformen der Erfindung
zeigen.
-
Die
Ausführungsform
wird unter Verwendung eines Steuersystems des Typs, der in 1 veranschaulicht ist und
allgemein bekannt ist, wobei er ein mathematisches Modell des Prozesses
enthält,
umgesetzt.
-
Die
Steuereinheit 1 ist ein auf einer Computersoftware basierendes
System, das auf im Handel erhältlichen
Computern ausgeführt
werden kann. Jedoch ist, wie im Folgenden erörtert wird, die Funktionsweise
des Modells von dem üblichen
System wesentlich verschieden.
-
1 zeigt den gesamten Informationsfluss eines
Prozesses 2, der eine oder mehrere Prozesseinheit(en),
wie einen Reaktor, umfasst, zu einem Computer I (Bezugszeichen 3),
auf dem eine Software für
eine Steuerung nach Voraussage installiert ist. Messwerte von dem
Prozess werden in dem Elementsteuersystem 4 erfasst, das
typisch all die Elementsteuereinheiten umfassen wird, die für die Durchflusssteuerung,
die Temperatur- und Drucksteuerung usw. gebraucht werden. Diese
sind als herkömmliche
Steuereinheiten mit nur einer Eingangsgröße und einer Ausgangsgröße ausgeführt. Eine
Teilmenge diese Messwerte, die für
die nach Voraussage steuernde Einheit gebraucht wird, ist b genannt
worden. Alle Messwerte, einschließlich b, stehen am Bedienplatz 5,
auf Anzeigen und Trends zur Verfügung.
Typisch ist die Bedienerschnittstelle der nach Voraussage steuernden
Einheit ebenfalls als eine Anzeigeeinrichtung (nicht gezeigt) am
Bedienplatz 5 ausgeführt.
-
Auf
dieser Anzeige kann die Bedienungsperson die berechneten Ausgangsgrößen und
Informationen von der nach Voraussage steuernden Einheit sehen und
außerdem
Informationen, wie Sollwerte für
die gesteuerten Größen/Zielfunktionen,
hohe und niedrige Grenzen für
erzwungen gesteuerte Größen oder
Stellgrößen, eingeben,
den Ein/Aus-Zustand der Steuereinheit wählen oder die eigentlich zu
steuernden Größen auswählen usw.
-
Die
Menge der Informationen von der Bedienungsperson zu der nach Voraussage
steuernden Einheit ist in 1 mit
c bezeichnet. Diese Informationen werden vom Bedienplatz 5 an
das Elementsteuersystem 4 übertragen. Die Informationen,
die von der Steuerung nach Voraussage gebraucht werden, d. h. b
und c, werden von dem Elementsteuersystem zu dem Prozessdatenbanksystem 6 übertragen,
das für
eine Langzeitspeicherung der Daten sorgt und dem systemgebundene
Bibliotheksroutinen zur Verfügung
stehen, die verwendet werden, um Daten aus der Datenbank zu lesen
oder in diese zu schreiben.
-
Die
nach Voraussage steuernde Einheit liest Daten, d. h. b und c, aus
dem Datenbanksystem, wobei wahlweise eine Schnittstellensoftware
benutzt wird, die unter Verwendung von systemgebundenen Routinen,
die als ein Teil des Datenbanksystems verwendet werden, entwickelt
worden ist. Es ist auch möglich,
Daten, d. h. b und c, für
die nach Voraussage steuernde Einheit verfügbar zu machen, die die Daten
direkt vom Elementsteuersystem oder vom Bedienplatz 5 entgegennimmt,
wobei die Datenbank-Schnittstellensoftware auf der Grundlage von Datenbank-Routinen
durch Schnittstellen-Routinen ersetzt wird, die die Daten direkt
mit dem Elementsteuersystem 4 oder dem Bedienplatz 5 austauschen können. Außerdem ist
es möglich,
eine Bedienungsanzeige vorzusehen, die verwendet wird, um Daten für die nach
Voraussage steuernde Einheit unter Verwendung von Werkzeugen, die
von dem Datenbanksystem selbst bereitgestellt werden, oder von anderen
Werkzeugen statt am Bedienplatz 5 am Computer II anzuzeigen
und/oder einzugeben.
-
Die
nach Voraussage steuernde Einheit verwendet die gemessenen Eingangsgrößen von
dem Prozess zusammen mit dem Modell und seinen internen Steuereinheit-Algorithmen,
um die mit a bezeichneten Ausgaben der Steuerung nach Voraussage
zu berechnen. Diese bestehen typisch aus dem anhand des Modells
vorausgesagten Antwortverhalten und den Werten für die Stellgrößen, die
zu dem Datenbanksystem 6 übertragen werden, sowie einer
Teilmenge dieser Daten, a',
die ferner zu dem Elementsteuersystem 4 übertragen
wird, und zuletzt den berechneten Werten für die Stellgrößen und
optional einigen berechneten Reaktionen bzw. Antworten und Informationen über den
Zustand der nach Voraussage steuernden Einheit. Die berechneten
Werte für
die Stellgrößen werden
dann als neue Sollwerte an die Steuereinheiten mit nur einer Eingangsgröße und einer
Ausgangsgröße in dem
Elementsteuersystem 7 (2) übermittelt,
um das Ergebnis der Steuerung nach Voraussage umzu setzen.
-
2 veranschaulicht die Struktur
der nach Voraussage steuernden Einheit. Die den Prozess 2 betreffenden
Messwerte, in 1 mit
b bezeichnet, umfassen die Teilmengen um, v und qm, wobei um die
Messwerte der Stellgrößen sind,
v die gemessenen Störungen
des Prozesses sind und qm das gemessene Antwortverhalten des Prozesses
ist. Die in 1 mit c
bezeichneten Daten (yest, zmin, zmax) werden von der Bedienungsperson
am Bedienplatz 5 (1)
eingegeben. Sie umfassen Sollwerte für die gesteuerten Größen sowie
Minimal- und Maximalgrenzwerte für
die von der nach Voraussage steuernden Einheit zu steuernden erzwungen
Reaktionen bzw. Antworten. Die Teilmengen um und v werden von dem
Prozess 2 erfahren und ebenfalls in das Modell 10 eingegeben,
das das Antwortverhalten quest berechnen wird. Einige Reaktionen
bzw. Antworten werden auch gemessen, qm, und infolge des Vergleichs
zwischen den einander entsprechenden Werten von quest und qm werden
Modellkorrekturen vorgenommen. Die Steuereinheit wird das jetzt
aktualisierte Modell als ein Teil des Steueralgorithmus verwenden,
um die uest genannten Stellgrößen zu berechnen.
Dieser Steueralgorithmus sagt das zukünftige Verhalten des Prozesses
unter Verwendung des Modells 10 voraus und berechnet die
Stellgrößen, die die
kleinste Summe der Abweichungen zwischen den Sollwerten für die gesteuerten
Größen und
den vorausgesagten Werten ergeben. Die Stellgrößen, die von der wahlweise
mehrere Größen nach
Voraussage steuernden Einheit ausgegeben werden, sind Ist-Eingangsgrößen/Sollwerte
an die Steuereinheiten 7 mit nur einer Eingangsgröße und einer
Ausgangsgröße des Elementsteuersystems,
die Steuersignale für
Ventile, Heizeinrichtungen, Maschinen usw. erzeugen werden, um die
Abweichung zwischen dem uset-Wert und dem um-Wert zu minimieren.
-
Wie
vorher erörtert
worden ist, umfasst das System ein Modell 10 des Prozesses,
das ein Grundmodell ist. Es enthält
Teilmodelle für
die Reaktionskinetik, Produktqualität oder Produkteigenschaften,
die verwendet werden können,
um die Wirkung von Störungen
oder Änderungen
in den Eingangsgrößen der Einheiten)
auf das Antwortverhalten des Prozesses hinsichtlich der gesteuerten
Größen, erzwungenem Antwortverhalten
oder weiteren berechneten Ausgangsgrößen zu berechnen. Dieses Modell
ist ein Zustandsraummodell (wie in dem weiter oben erwähnten Aufsatz
zum Dubliner Symposium beschrieben ist). Die Struktur der Berechnungen,
die verwendet werden, umfasst drei Schritte:
- i)
Integrieren der Modellgleichungen über die Dauer der Messwertnahme,
wodurch neue Werte für
den Zustandsvektor erzielt werden.
- ii) Berechnen der Modell-Ausgangsgrößen (berechnete Messwerte)
aus den neuen Zustandsvektorwerten.
- iii) Berechnen von Werten für
gesteuerte Größen und
erzwungene Reaktionen bzw. Antworten aus den neuen Zustandsvektorwerten.
-
Der
Zustandsvektor enthält
auf der Grundlage des Kriteriums, dass eine eindeutige Beschreibung
der Informationen über
den Inhalt des Reaktors, die für
den Zweck der Steuerung relevant sind, erhalten wird, die keine
Redundanzen enthält,
sorgfältig ausgewählte Elemente.
-
Dieses
Modell wird als eine Softwareeinheit, die einen vollständigen Satz
von Software-Modulen umfasst, implementiert. Dieser Satz Module
bewerkstelligt die Steuerung der Prozesseinheiten) mittels folgender
Schritte, die in 3 zusammengefasst sind:
- a) Laufen lassen dieser Softwareeinheit mit
einer im Voraus festgelegten Messwertnahme-Rate, die als für die reale
Prozesseinheit geeignet ausgewählt
worden ist, z. B. einmal pro Minute. Anschließend werden die im Folgenden
angegebenen Schritte (b) bis (l) ausgeführt:
- b) Abrufen der von der Bedienungsperson eingegebenen Eingangsgrößen, die
die Sollwerte für die
gesteuerten Größen, die
hohen und niedrigen Grenzen für
die erzwungenen Reaktionen bzw. Antworten, die hohen und niedrigen
Grenzen für die
Stellgrößen, die
maximale Änderungsgeschwindigkeit
der Stellgrößenwerte,
die Auswahl, welche Größen von
dieser Softwareeinheit gesteuert werden, die relativen Gewichte/Bedeutungen
der verschiedenen gesteuerten Größen, die relativen
Straffunktionen bei Verwendung verschiedener gesteuerter Größen spezifizieren, oder
Abrufen einiger oder alle dieser Größen aus einer Datei oder aus
einer anderen Datenaufzeichnung und außerdem Prüfen der Gültigkeit und Konsistenz dieser
Werte, bevor sie in dem Steuerverfahren verwendet werden.
- c) Abrufen von Messwerten von der Prozesseinheit, was durch
zweckbestimmte Teile der Software bewirkt wird, die dafür erstellt
worden ist, und außerdem
Prüfen
der Gültigkeit
und Konsistenz dieser Messwerte.
- d) Abrufen der Modellparameter und der Abstimmungsparameter
für die
Modellkorrekturalgorithmen und den Steueralgorithmus, die als Teil
des Verfahrens verwendet werden.
- e) Aktualisieren aller von der Steuereinheit verwendeten Einstellungen
auf der Grundlage der neuen Eingangsgrößen, die aus dem Elementsteuersystem
oder dem Datenbanksystem oder aus Dateien oder anderen Speichereinrichtungen ausgelesen
werden.
- f) Verwenden der entsprechend c) zusammengestellten Werte, um
Berechnungen anhand des Modells in Übereinstimmung mit den oben
angegebenen Schritten i) bis iii) anzustellen, um die momentanen
Bedingungen in der (den) Prozesseinheiten) und die Momentanwerte
der gesteuerten Größen, die
erzwungenen Reaktionen bzw. Antworten und die rechnerischen Ausgangsgröße aus dem
Modell zu berechnen. Dieser Schritt wird als "Voraussage" (der momentanen Bedingungen) bezeichnet.
- g) Korrigieren der Modellparameter und der vorliegenden Werte
für die
Prozessbedingungen (Zustände)
unter Verwendung eines Korrekturalgorithmus und der beobachteten
Abweichungen zwischen den anhand des Modells berechneten Ausgangsgrößen und
entsprechenden Werten, die als Messwerte von dem realen Verfahren
zur Verfügung
stehen, um diese Abweichungen zu beseitigen. Dieser Schritt, der "Korrektur" genannt wird (oftmals
auch als "Bewertung" bezeichnet), stellt sicher,
dass das Modell in Übereinstimmung
mit dem tatsächlichen
Prozess ist.
- h) Verwenden des Steueralgorithmus (wie in den Schritten h1
und h8 weiter unten beschrieben), um Werte zu berechnen, die den
Stellgrößen zugewiesen
werden, um die (Summe der) Abweichungen zwischen den gesteuerten
Größen und ihren
entsprechenden Sollwerten, die für
eine spezifizierte zeitliche Periode in der Zukunft berechnet sind,
die auch als Horizont bezeichnet wird, zu minimieren, während die
erzwungenen Reaktionen bzw. Antworten inner halb ihrer definierten
Grenzen gehalten werden. Dieser Schritt wird "Steuerung" genannt.
- i) Prüfen
der Ergebnisse der wie oben beschrieben ausgeführten Berechnung und Setzen
zugehöriger
Steuerungsmerker entsprechend diesen Prüfungen.
- j) Senden der Ergebnisse der Berechnungen, die die Datengruppe
a in 1 betreffen, an
das Datenbanksystem und Speichern dieser zur Verwendung als Anlageninformationsdaten
für die
Erstellung von Berichten oder Trendanalysen.
- k) Senden der Ergebnisse der Berechnungen von den vorhergehenden
Schritten, die mit a' bezeichnet
sind, auf direktem oder indirekten Weg an das Elementsteuersystem,
wo die Werte für
neue Sollwerte für
die Elementsteuereinheiten diesen Steuereinheiten zur Verfügung gestellt
werden und als Sollwerte verwendet werden. Die Elementsteuerung
wird dann Steuersignale erzeugen, mit a" bezeichnet, um die Vorrichtungen in
dem Prozess auf der Grundlage der Abweichung zwischen dem vorliegenden
Messwert und dem neuen Sollwert so zu steuern, dass diese Abweichung
minimiert wird.
- l) Warten der Softwareeinheit (Nulloperation), bis die Messwertnahme-Steuerung oder die
Ausführungsfrequenzsteuerung
feststellt, dass es Zeit ist, wieder vom Punkt a) aus zu starten,
so dass das Steuerverfahren mit regelmäßigen Messwertnahmeintervallen
ausgeführt
wird.
-
Der
Steuermechanismus, der in dem oben angegebenen Schritt h) verwendet
wird, umfasst die folgenden Schritte (die in 4 zusammengefasst sind):
- h1) Der Algorithmus wird in Reaktion auf eine Steuerungsaktion
gestartet. Anschließend
wird mittels einer numerischen Störung des Modells eine den Eingangsbedingungen
entsprechende Approximation des (Grundprinzipien-) Modell erzeugt.
Der Voraussagehorizont wird in eine Anzahl von im Voraus definierten,
so genannten blockierten Intervallen unterteilt. Für jedes
Intervall werden den Stellgrößen Werte
entsprechend den Momentanwerten der Stellgrößen gegeben. Dies wird als
Eingangsszenario bezeichnet.
- h2) Die zukünftige
Reaktion bzw. Antwort, d. h. die vorausgesagten Werte für die gesteuerten
Größen und
die erzwungenen Reaktionen bzw. Antworten, wird unter Verwendung
des Grundmodells berechnet, das auf dem momentanen, eingegebenen
Szenario der gesteuerten Größe beruht.
Das Grundmodell wird unter Verwendung des Eingangsszenarios integriert,
das das Ergebnis der Berechnung des Steuerproblems von der vorhergehenden
Messwertnahme war.
- h3) Setzen von Bedingungen für
Eingang und Ausgang, d. h. es werden die zulässigen Minimal- und Maximalwerte
für die
Stellgrößen und
die gesteuerten Größen gesetzt.
- h4) Berechnen der Hessschen Matrix in Fachleuten bekannter Weise
und eines Vektors, der die Abweichung der vorausgesagten von den
gewollten (Referenz-) Werten der gesteuerten Größen definiert.
- h5) Lösen
des Steuerproblems, das als ein quadratisches Programmierungsproblem
(QP) formuliert ist, unter Verwendung der linearen Approximation
an das Grundmodell.
- h6) Wenn die Lösung
unmöglich
ist, Einführen von
Schlupfvariablen und erneutes Aufstellen des quadratischen Programmierungsproblems,
wobei hier Werte außerhalb
der Maximal- und Minimalwerte, die für die Steuergrößen festgelegt
sind, verwendet werden können.
- h7) Es ist klar, dass die Schritte h5 bis h7 ein Iterationsverfahren
liefern, das sicherstellt, dass die approximierte Modelllösung gemäß dem (Grundprinzip-)
Modell optimal ist. Wenn die Lösung
konvergiert, d. h. wenn die neue Iteration das Ergebnis im Vergleich
zu dem nichtlinearen Modell nicht verbessert, wird zu h8) vorgerückt, andernfalls
zu h1).
- h8) Einsetzen des ersten Teils des Eingangsszenarios in den
Steuervektor, um das Ergebnis umzusetzen.
-
Nachfolgend
werden zwei Anwendungsbeispiele der Erfindung gegeben.
-
Beispiel 1
-
Die
vorliegende Erfindung ist umgesetzt worden, um die Pumpleistung
für zwei
hintereinandergeschaltete Reaktoren zu steuern. Der Inhalt der Reaktoren
ist flüssiges
Propylen und Polypropylenpolymer (PP-Polymer). Der Anteil an festem
PP wird über
die Viskosität
der Aufschlämmung
und folglich über
den Betrag an Energie, der erforderlich ist, um die Aufschlämmung ausreichend
zu pumpen, um ein Absetzen und die Bildung von Klumpen zu vermeiden
und das Monomer (Propylen) und die Katalysatorsystemkomponenten,
die in die Reaktoraufschlämmung
eingebracht werden, zu verteilen, und folglich über ihre Pumpleistung entscheiden.
-
Um
den Reaktor zu stabilisieren, muss die Menge an Feststoffen konstant
gehalten werden. Die Feststoffe werden mit der Polypropylenzuführung gesteuert.
Das Problem bei der Steuerung der Menge an Feststoffen mit üblichen
Steuersystemen ist, dass die Dynamik des Prozesses ein Abstimmen
herkömmlicher
Steuereinheiten in der Weise, dass sie unter allen möglichen
Bedingungen und Betriebsbereichen des Prozesses für einen
stabilen Feststoffgehalt sorgen, erschwert. Jedoch kann mit dem
vorliegenden Algorithmus der Steuerung nach Voraussage diese Wirkung
vorausgesagt und kompensiert werden, so dass sich die Stabilität der Schleife
wesentlich verbessert. 5 zeigt,
wie sich die gemessene Pumpleistung verhält. Der Sollwert für die Pumpleistung
ist als Gerade 20 dargestellt. Die tatsächliche Pumpleistung, die gemessen
wurde, ist mit der Steuereinheit in Betrieb als Linie 21 (erster
Teil, Bezugszeichen 22), im Vergleich zu einer herkömmlichen Steuerung,
nachdem die Steuereinheit ausgeschaltet worden ist (zweiter Teil,
Bezugszeichen 23) gezeigt. Wie zu sehen ist, tritt eine
wesentliche Verbesserung der Stabilität der Regelparameter auf, wenn
die Steuereinheit in Betrieb ist.
-
Beispiel 2
-
Die
vorliegende Erfindung ist umgesetzt worden, um die Schmelzflussrate
(MFR), die Produktionsrate (Rp) und die Dichte der Aufschlämmung (Dens)
eines kontinuierlichen Polypropylenreaktors zu steuern. Die Schmelzflussrate
steht im Verhältnis zu
dem Polymer-Molekulargewicht des produzierten Polymers und wird
als ein wichtiger Hinweis auf die Produktbeschaffenheit angesehen.
Die Stellgrößen sind
die Zufuhr von Wasserstoff (uh), Katalysator (ucat) und Propylen
(up). Der Wasserstoff wird für
die Steuerung der Schmelzflussrate benutzt, wobei jedoch die Konzentration
an H2 in dem Reaktor auch die Katalysatoraktivität beeinflusst.
So muss, um die Schmelzflussrate zu ändern, die H2-Zufuhr
geändert werden,
wobei jedoch, um die Rate auch auf ihrem Sollwert zu halten, die
Katalysatorzufuhr ebenfalls geändert
werden muss. Die Dichte der Aufschlämmung steht im Verhältnis zu
der Menge an Polymer, die neben der Propylenflüssigkeit in dem Reaktor enthalten
ist. Um die Dichte zu steuern, wird die Zufuhr von Propylen (flüssig) geändert. Eine
verstärkte Zufuhr
von Propylen bewirkt außerdem,
dass das H2 und der Katalysator aus dem
Reaktor ausgespült werden.
-
Das
Modell dieses Reaktors wird einen Zustandsvektor enthalten, der
die folgenden Elemente umfasst:
- 1 Menge an
Katalysator in dem Reaktor
- 2 Menge an Propylen in dem Reaktor
- 3 Menge an Polypropylen in dem Reaktor
- 4 Menge an Wasserstoff in dem Reaktor
- 5 mittleres Molekulargewicht (oder verwandter Parameter) des
Polymers in dem Reaktor.
-
Für jedes
dieser Elemente wird das Modell die Änderungsrate berechnen:
- dx(1)/dt
= wcatin – wcatout
- dx(2)/dt = wpin – Rp – wpout
- dx(3)/dt = Rp – wPPout
- dx(4)/dt = wh2in – Rh – wh2out
- dx(5)/dt = Rp/x(3) * (f – x(5))
- wobei
- wcatin = Katalysatorzufuhr
- wcatout = aus dem Reaktor ausströmender Katalysator
- wpin = Propylenzufuhr
- Rp = Propylen-Polymerisationsrate von einem kinetischen Modell
- wpout = aus dem Reaktor ausströmendes Propylen
- wpPout = aus dem Reaktor ausströmendes Polypropylen
- wh2in = Wasserstoffzufuhr
- Rh = Wasserstoffverbrauchsrate
- wh2out = aus dem Reaktor ausströmender Wasserstoff
- f = Molekulargewicht (oder verwandter Parameter) für unverzüglich pro duziertes
Polymer
-
Für die Berechnung
der momentanen Zustände
in dem Reaktor wird der Zustandsvektor über die Dauer der Messwertnahme
integriert:
wobei x der Zustandsvektor,
t
s die Dauer der Messwertnahme für die Steuereinheit
und f(x) beispielsweise für
den Zustandswert 5 die Gleichung
ist, wobei g(MFR
i)
eine Funktion der momentanen Schmelzflussrate MFR für das Polymer
ist, wie etwa Ln (MFR) oder MFR
–0,314,
die mittels einer gesonderten Formel berechnet wird; x(3) ist die
Menge an Polymer in dem Reaktor, Rp ist die Produktionsrate, die nach
einem kinetischen Modell in dem Modul berechnet ist, das die kinetischen
Ausdrücke
Rp = Ap * mc * xp * a * f1(T)
* f2(D) * f3(H) enthält, wobei
- Ap die Geschwindigkeitskonstante ist,
- me die Menge an Katalysator in dem Reaktor ist,
- xp die Konzentration an Propen in dem Reaktor ist,
- a die Aktivität
des Katalysators ist,
- f1(T) die Temperaturabhängigkeit,
z. B. die Arrhenius-Gleichung, ist,
- f2(D) die Abhängigkeit
der Menge an Cokatalysator (Donator) ist,
- f3(H) die Abhängigkeit
des Wasserstoffs ist.
-
Dies
erfolgt durch numerische Integration. Die anhand des Modells berechneten
Werte für
die gesteuerten Größen werden
dann von dem Zustandsvektor abgleitet, um beispielsweise die Rate und
die Schmelzflussrate MFR zu steuern.
y(yRate) = Rp
y(yMFR)
= MFR berechnet aus dem Molekulargewicht (oder einem verwandten
Parameter)
-
Dies
sind die gesteuerten Größen in Bezug auf
ihre Sollwerte. Die berechneten Werte, die für die Aktualisierung benutzt
werden, werden ebenfalls aus dem Zustandsvektor berechnet:
q(qRate)
= Rp
q(qMFR) = MFR berechnet aus dem Molekulargewicht (oder
einem verwandten Parameter),
wobei der Ratenparameter für die Kinetikmodell-q-Rate
auf der Grundlage der Differenz zwischen q_berechnet und q_-gemessen
aktualisiert wird, z. B. Ap = Ap + g*(q_gemessen – q_berechnet)/q_gemessen
-
Das
Ergebnis für
eine prozessgekoppelte Ausführung
des Verfahrens ist in 6, 7 und 8 dargestellt, wobei die gesteuerten
Größen die
Schmelzflussrate MFR (6),
die Dichte der Aufschlämmung
(7) und die Produktionsrate
(8) sind. Von MFR =
4 zu MFR = 12 erfolgt ein Gradübergang, wobei
gleichzeitig der Sollwert für
die Dichte der Aufschlämmung
von 500 auf 520 kg/m3 geändert wird und der Sollwert
der Produktionsrate von 8000 kg/h auf 10000 kg/h geändert wird.
Die Zukunftsvoraussagen sind in der so genannten Zukunftsdiagrammanzeige
dargestellt, in der das erwartete Verhalten der gesteuerten Größen in der
nahen Zukunft gezeigt ist. 9 zeigt
das vorausgesagte Verhalten der Schmelzflussrate MFR (Linie A).
Die Unstetigkeit ist durch ein Aktualisieren des Wertes bedingt,
das auf einem Laborergebnis beruht. Die Linie B ist der Operator-Sollwert
für den
gewünschten
Wert. Die Linie C zeigt, wie die Steuereinheit die Wasserstoffzufuhr
zu beeinflussen versucht, um die korrekte Schmelzflussrate zu erzielen.
Zeit = 0 ist die momentane Zeit. Nach links wird der Trend der Vergangenheit
mit tatsächlichen
Werten gezeigt, während
nach rechts der Trend in der Zukunft mit vorausgesagten (berechneten)
Werten gezeigt ist. Die gleichen Diagramme sind außerdem für die Produktionsrate
(10) und die Dichte
der Aufschlämmung
(11) gezeigt. Damit wird
deutlich, dass es sich um eine echte Mehrgrößen-Steuereinheit handelt.
ist, wobei g(MFRi) eine Funktion der momentanen Schmelzflussrate MFR für das Polymer ist, wie etwa Ln (MFR) oder MFR–0,314, die mittels einer gesonderten Formel berechnet wird; x(3) ist die Menge an Polymer in dem Reaktor, Rp ist die Produktionsrate, die nach einem kinetischen Modell in dem Modul berechnet ist, das die kinetischen Ausdrücke