Integration von Advanced Control in der Prozessindustrie: Rapid Control Prototyping

338 Pages·2008·5.001 MB·English

IntegrationvonAdvancedControl
inderProzessindustrie
Herausgegebenvon
DirkAbel,UlrichEppleund
Gerd-UlrichSpohr
Weitere Titel bei Wiley-VCH
Engell,Sebastian(ed.)
Logistic Optimization of Chemical Production Processes
2008
ISBN-13:978-3-527-30830-9
Ingham,John/Dunn,IrvingJ./Heinzle,Elmar/Prenosil,JiriE./Snape,JonathanB.
Chemical Engineering Dynamics
AnIntroductiontoModellingandComputerSimulation
2007
ISBN-13:978-3-527-31678-6
Agachi,PaulSerban/Nagy,Zolt(cid:1)nK./Cristea,MirceaVasile/Imre-Lucaci,(cid:2)rp(cid:1)d
Model Based Control
CaseStudiesinProcessEngineering
2006
ISBN-13:978-3-527-31545-1
Smith,CarlosA./Corripio,ArmandoB.
Principles and Practices of Automatic Process Control
2005
ISBN-13:978-0-471-43190-9
Integration von Advanced Control
in der Prozessindustrie
Rapid Control Prototyping
Herausgegeben von
Dirk Abel, Ulrich Epple und Gerd-Ulrich Spohr
Herausgeber 1.Auflage2008
Prof.Dr.-Ing.DirkAbel L AlleB(cid:1)chervonWiley-VCHwerdensorgf(cid:2)ltig
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Institutf(cid:1)rRegelungstechnik geberundVerlaginkeinemFall,einschließlich
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Prof.Dr.-Ing.UlrichEpple
LehrstuhlProzessleittechnik BibliografischeInformation
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dergabevonWarenbezeichnungen,Handelsnamen
odersonstigenKennzeichenindiesemBuchberech-
tigtnichtzuderAnnahme,dassdiesevonjedermann
freibenutztwerdend(cid:1)rfen.Vielmehrkannessich
auchdannumeingetrageneWarenzeichenoder
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wennsienichteigensalssolchemarkiertsind.
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Satz Dçrr+SchillerGmbH,Stuttgart
Druck StraussGmbH,Mçrlenbach
Bindung Litges&DopfGmbH,Heppenheim
Umschlaggestaltung Grafik-DesignSchulz,
Fußgçnheim
ISBN: 978-3-527-31205-4
V
Inhaltsverzeichnis
1 Motivation
1.1 Regelungstechnik 1
DirkAbel
1.1.1 RapidControlPrototyping(RCP) 2
1.1.2 HW/SW-in-the-Loop-Simulation 5
1.2 Leittechnik 7
UlrichEpple
1.2.1 EntwicklungsebenenderLeittechnik 7
1.2.2 EntwicklungstendenzenBasissystemebene 9
1.2.3 EntwicklungstendenzenAnwendungsebene 10
1.2.4 Zusatzfunktionen 12
1.2.5 EntwicklungstendenzenimBereichderleittechnischen
Systemdienste 14
1.2.6 GesicherteFunktionsebenen 14
1.2.7 W(cid:2)chterfunktionalit(cid:2)tf(cid:1)rdieAuslegungsebene 17
1.3 Leitsysteme 19
Gerd-UlrichSpohr
1.3.1 APC-AnwendungeninProzessleitsystemen 19
1.3.1.1 HistorischeEntwicklungderProzessleitsysteme 19
1.3.1.2 TechnischeRealisierungvonAPC-Anwendungen 21
1.3.1.3 APC-Anwendungstypen 23
2 MethodenderRegelungstechnik
2.1 Regelungsstrukturen 27
ManfredEnning
2.1.1 Vorbemerkungen 27
2.1.2 ErweiterteeinschleifigeRegelungsstrukturen 31
2.1.2.1 Vorregelung 32
2.1.2.2 Stçrgrçßenaufschaltung 32
2.1.2.3 Hilfsstellgrçße 33
2.1.2.4 Hilfsregelgrçße 35
2.1.2.5 Kaskadenregelung 36
2.1.2.6 VorsteuerungundF(cid:1)hrungsgrçßenfilter 37
IntegrationvonAdvancedControlinderProzessindustrie:RapidControlPrototyping.
HerausgegebenvonDirkAbel,UlrichEppleundGerd-UlrichSpohr
Copyright(cid:3)2008WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim
ISBN:978-3-527-31205-4
VI Inhaltsverzeichnis
2.2 Mehrgrçßenregelung 39
ManfredEnning
2.2.1 KopplungvonRegelkreisen 39
2.2.2 Entkopplungsregler 42
2.3 Zustandsraumverfahren 44
ManfredEnning
2.3.1 Zustandsraumbeschreibung 44
2.3.2 Zustandsregelung 49
2.3.3 Zustandsbeobachter 51
2.3.4 ZustandsregelungenaufLeitsystemen 53
2.4 Softsensoren 54
ManfredEnning
2.5 ModelPredictiveControl(MPC) 56
Bernd-MarkusPfeiffer
2.5.1 EigenschaftenundVorteilevonPr(cid:2)diktivreglern 57
2.5.2 Funktionsprinzip 63
2.5.3 InternalModelControl(IMC)alsRegelsystemstruktur 64
2.5.4 KlassifikationvonPr(cid:2)diktivreglern 66
2.5.4.1 VerwendeteModelltypen 67
2.5.4.2 SchlankeundgroßePr(cid:2)diktivregler
(ohne/mitOnline-Optimierung) 68
2.5.5 AlgorithmusamBeispieldesDynamicMatrixControl(DMC) 69
2.5.5.1 Eingrçßenfall 69
2.5.5.2 Mehrgrçßenfall 72
2.5.6 WarumeignetsichTIACalsPlattformf(cid:1)rMPC? 77
2.6 FlachheitsbasierteRegelungundSteuerung 78
ThomasPaulus
2.6.1 SystemdarstellungundEntwurfsaufgabe 80
2.6.2 FlachheitsbegriffundEigenschaftenflacherSysteme 81
2.6.2.1 Nicht-EindeutigkeitdesflachenAusgangs 82
2.6.2.2 BestimmungvonRuhelagen 83
2.6.2.3 Entkopplung 83
2.6.2.4 SteuerbarkeitundBeobachtbarkeitflacherSysteme 84
2.6.2.5 DefektnichtflacherSysteme 85
2.6.2.6 BestimmungeinesflachenAusgangsundNachweis
derFlachheit 86
2.6.3 FlachheitsbasierteLçsungderEntwurfsaufgabe 87
2.6.3.1 VorsteuerungsentwurfunddynamischeSysteminversion 90
2.6.3.2 RegelungdurchZustandsr(cid:1)ckf(cid:1)hrung 93
2.6.3.3 RegelungdurchGain-Scheduling 96
2.6.4 RealisierungdesTrajektoriengenerators 102
2.6.4.1 TrajektorienplanungdurchLçsungeinesGleichungssystems 104
2.6.4.2 TrajektorienplanungdurcheinenPolynomansatz 105
2.6.4.3 TrajektorienplanunginEchtzeit 106
2.6.5 Zusammenfassung 108
Inhaltsverzeichnis VII
2.7 RapidControlPrototyping 109
PhilippOrth
2.7.1 Begriffe 111
2.7.1.1 System 111
2.7.1.2 Modell 112
2.7.2 Vorgehensweise 112
2.7.2.1 KonventionelleEntwicklungsprozesse 113
2.7.2.2 V-Modell 114
2.7.2.3 EntwicklungsprozessRCP 116
2.7.3 Simulationskonfigurationen 118
2.7.3.1 Systemsimulation 119
2.7.3.2 Software-in-the-Loop 120
2.7.3.3 Hardware-in-the-Loop 121
2.7.4 Entwurfsumgebung 121
2.7.4.1 Codegenerierung 122
2.7.4.2 Echtzeitprogrammierung 124
2.7.4.3 Software-Werkzeuge 125
2.7.4.4 Toolketten 128
2.7.5 ToolintegrationamBeispieleinerPetrinetz-Anwendung 130
2.7.5.1 RapidPrototypingdiskreterSysteme 131
2.7.5.2 HybridesModell 131
2.7.5.3 Netlab 132
2.7.5.4 Netlab-Toolboxf(cid:1)rMATLAB/Simulink 133
2.7.5.5 Beispiel 135
2.7.5.6 VergleichderNetlab-Toolboxf(cid:1)rMATLAB/Simulink
mitStateflow 136
2.7.6 Zusammenfassung 137
3 AufbauundStrukturderLeitsysteme
Gerd-UlrichSpohr
3.1 (cid:4)bersicht 143
3.2 KomponentenundAufbautechnik 146
3.2.1 ProzessnaheKomponenten 147
3.2.2 ProzessferneKomponenten 150
3.2.3 KommunikationundBussystem 156
3.3 Redundanzstrukturen 160
3.4 Projektierung/ParametrierungderleittechnischenFunktionen 162
3.4.1 Funktionsbausteine 162
3.4.2 GraphischerEditor 165
3.4.3 BausteinbearbeitungundAblaufsystem 166
3.4.4 Ablaufsteuerungen 169
4 Prozessf(cid:1)hrungalsSystemfunktion
UlrichEpple
4.1 Begriffe,Modelle 173
VIII Inhaltsverzeichnis
4.1.1 AllgemeinesPrinzip 173
4.1.2 SteuerndesSystem 174
4.1.3 GesteuertesSystem 176
4.2 StrukturierungderF(cid:1)hrungsaufgabe 178
4.2.1 AufbauvonAktoreinheitenmitNachf(cid:1)hr-F(cid:1)hrungsfunktionen 178
4.2.2 GliederungderStreckeundProzessf(cid:1)hrungsaufgabe
mitAktoreinheiten 179
4.2.3 Ablauf-F(cid:1)hrungsfunktionenundoffeneReststrecke 183
4.2.4 GliederungvonAblauf-F(cid:1)hrungsfunktionen 184
4.3 F(cid:1)hrungseinheitenalsStandardkomponenten 186
4.3.1 DerF(cid:1)hrungseingang 186
4.3.2 StandardisierteZust(cid:2)nde 188
4.3.3 Verriegelung 190
4.3.4 AuftragsvergabeanunterlagerteAuftragnehmer 191
4.3.5 AutarkeFunktionalit(cid:2)t 191
4.3.6 WahlderF(cid:1)hrungsmethode 192
4.3.6.1 F(cid:1)hrungsfunktionenohneVerwendungvonMessinformation 193
4.3.6.2 F(cid:1)hrungsfunktionenmitVerwendungvonMessinformationen
andiskretenZeitpunkten 193
4.3.6.3 KontinuierlicheRegelung 195
4.4 SynthesederF(cid:1)hrungsarchitektur 196
4.4.1 AnlagenzugeordneteF(cid:1)hrungseinheiten 196
4.4.2 ProzesszugeordneteF(cid:1)hrungseinheiten 198
5 DerGrundgedankedesTIAC-Konzeptes
ReinerJorewitz
5.1 Einf(cid:1)hrung 201
5.1.1 DasZustandssteuerwerkderEinzelfahrweisen 204
5.1.2 DasZusammenspielderFahrweisen 205
5.1.3 DieSchnittstelle 206
5.1.4 RegelungstechnischeKomponenten 206
5.2 DieKomponentenderRegelungimDetail 207
5.2.1 RegelnalsProzessf(cid:1)hrungsaufgabe 207
5.2.2 Reglermethode 208
5.2.3 Fahrweisenwahl 209
5.2.4 Betriebszustand(OPST) 212
5.2.4.1 Arbeitsphasenzustand(WOST) 214
5.2.4.2 Initialisierungszustand(INITST) 215
5.2.4.3 Synchronisationszustand(SYNCST) 217
5.2.4.4 Bereitschaftszustand(STANDBYST) 217
5.2.4.5 Prozessf(cid:1)hrungszustand(ACTIVEST) 218
5.2.4.6 Zustandssteuerwerk 218
5.2.4.7 RegelungstechnischeKomponenten:Selbst(cid:1)berwachungund
Situationsbewertung 219
5.3 Zusammenfassung 221
Inhaltsverzeichnis IX
6 EntwurfundRealisierungeinesPID+-Reglerbausteins
AnsgarM(cid:1)nnemannundPhilippOrth
6.1 WarumeinPID+-Regler? 225
AnsgarM(cid:1)nnemann
6.2 DerSiemensPID-Regler 227
AnsgarM(cid:1)nnemann
6.3 DieErweiterungzumPID+-Regler 229
AnsgarM(cid:1)nnemann
6.3.1 DieSchnittstellenkomponente 230
6.3.1.1 DieBetriebsschnittstelle 231
6.3.1.2 DieProzessschnittstelle 234
6.3.1.3 DieParameterschnittstelle 234
6.3.2 DasZustandssteuerwerkdesReglerrahmens 236
6.3.3 Stationarit(cid:2)tserkennung 236
6.3.4 DieWatchDog-Komponente 238
6.3.5 DieParameter(cid:1)berwachungAC_PCHK 239
6.3.6 DieStellwertbeaufschlagungAC_DMVA 239
6.3.7 DieKonvergenz(cid:1)berpr(cid:1)fungAC_ECHK 240
6.3.8 DieStellwert(cid:1)berwachungAC_MVCHK 241
6.3.9 DieKomponentenstrukturdesPID+-Funktionsbausteins 242
6.3.10 DasWinCC-BuB-FaceplatedesPID+ 245
6.3.10.1 DasAC-Parameter-Fenster 246
6.3.10.2 DasAC–Identifikation-Fenster 247
6.4 DieTIAC-Box 247
AnsgarM(cid:1)nnemann
6.4.1 DasACPLT-Kernmodell 248
6.4.2 DasKommunikationssystemACPLT/KS 250
6.4.2.1 Informationsbaukasten 251
6.4.2.2 GenerischesDienstemodell 253
6.4.2.3 Kommunikationsmechanismen 255
6.4.3 DieObjektverwaltungACPLT/OV 256
6.4.4 DasFunktionsbausteinsystemACPLT/FB 259
6.4.5 DieProfibus-Ankopplung 261
6.4.6 DieAC-Methoden-Ankopplung 262
6.4.7 DieProjektierungderTIAC-BoxinPCS7 262
6.5 EntwurfvonproduktionstauglichenAdvanced-Control-Funktionen
mitMATLAB/Simulink 264
PhilippOrth
6.5.1 Toolboxf(cid:1)rSimulink 264
6.5.1.1 DasPID+-Template 265
6.5.1.2 GenerischesZustandssteuerwerk 266
6.5.1.3 Parameterkonfiguration 269
6.5.1.4 Lebendigkeitssignal 270
6.5.1.5 EinfachesEinsatzbeispiel 270
6.5.1.6 DatenaufzeichnungmanuellerIdentifikationsversuche 270
X Inhaltsverzeichnis
6.5.1.7 Advanced-ControlunterNutzungderMPC-Toolbox 271
6.5.2 Toolkette 273
7 BeispielapplikationNeutralisationsprozess
ThomasPaulusundPhilippOrth
7.1 Modellbildung 278
ThomasPaulus
7.1.1 ChemischeGrundlagenundBegriffe 278
7.1.1.1 Lçsungen 278
7.1.1.2 ChemischeReaktionen 279
7.1.1.3 DasMassenwirkungsgesetz 281
7.1.1.4 DieelektrolytischeDissoziation 282
7.1.1.5 DieDissoziationvonWasser 283
7.1.1.6 DefinitiondespH-Werts 284
7.1.1.7 S(cid:2)ure-Base-Reaktionen 284
7.1.1.8 Titrationskurven 285
7.1.2 ModellierungdesR(cid:1)hrkesselreaktors 289
7.1.3 Stell-undMessglied 289
7.1.4 Rohrleitungen 290
7.1.5 ModellreduktionundGesamtmodell 290
7.2 FlachheitsbasierteProzessregelung 292
ThomasPaulus
7.2.1 Vorsteuerung 293
7.2.2 Quasi-statischeZustandsregelung 295
7.2.3 Gain-Scheduling-Regelung 296
7.3 ErprobungderTIAC-UmgebungunddesRegelungskonzepts 299
PhilippOrthundThomasPaulus
7.3.1 UmsetzungderRegelungimTIAC-Rahmen 299
7.3.1.1 FBGS-Regelung 299
7.3.1.2 ParametrierungderR(cid:1)ckfallstrategie 305
7.3.2 UntersuchungenaneinemNeutralisationsprozess
imLabormaßstab 305
7.3.2.1 Simulationsergebnisse 305
7.3.2.2 VersuchsergebnisseamrealenProzess 313
7.4 Zusammenfassung 316
PhilippOrthundThomasPaulus
Index 321