Referent: Martin Arens Fachbereich Elektrotechnik Fh-Trier Marktanalyse von Tools zum Reglertuning mit Ausrichtung auf die Anwendung während der Anlageninbetriebnahme. Entwicklung eines Systems zum Self-Tuning von Reglern Steht auf dem Programm Nachdem aber nach einigen Recherchen einige Programme gefunden wurden Keins selber entwickeln Referent: Martin Arens Fachbereich Elektrotechnik Fh-Trier

Gliederung des Vortrags Wie kam das Thema dieser Diplomarbeit zustande? Begriffserklärung Anforderungen an die Optimierungsprogramme Regler und Regelstrukturen in der Praxis Datenaustausch zwischen PLS und Optimierungsprogramm Welche Regler stellt das PLS zur Verfügung Die am Markt verfügbaren Programme, bzw. deren Unternehmen Vergleichkriterien der Programme Begrifferklärung: Regelungstechnische Begriffe für alle die in der letzte Zeit nicht so viel mit Regelungstechnik am Hut hatten Anforderung Optimierungstool: Klären der Unterpunkte Ergebnis des Vergleiches Vorgang der Optimierung beim Programm Rapid Der Benefit von Optimierungsprogrammen

Wie kam das Thema dieser Diplomarbeit zustande? Projekt Pharmazeutische Anlage der Firma Boehringer Ingelheim Honeywell stellt das Prozessleitsystem Experion PKS® Honeywell und Lang & Peitler Implementierung der verfahrentechnischen Vorgaben zuständig für die Inbetriebnahme auf der Softwareseite In der Anlage existieren ca. 800 Regler Einstellung der Regelkreise Der Inbetriebnehmer benötigt Erfahrung mit der Einstellung von Reglerparametern Vorgehensweise bei der Einstellung von Parameter Sprungantwort betrachten Parameter ändern Der D-Anteil ist nur sehr schwer von Hand einzustellen Anlage: 12.000 Messstellen 3.000 Ablaufstrecken, Schrittketten 80.000 Schritten Aufgabe: Programme zu suchen und dies zu vergleichen Wie ist der Einsatz während der Inbetriebnahme? Aufgaben der Diplomarbeit Vergleich von Programmen zur Parametereinstellung Einsatz während der Inbetriebnahme

Begriffserklärung (1) Der Regelkreis: Nomenklatur: e : Regelabweichung, G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke w : Führungsgröße GR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers x : Regelgröße s : Laplaceoperator y : Stellgröße z : Störgröße Der Regelkreis: Allgemeiner Regelkreis mit Rückführung

Begriffserklärung (2) Sprungantwort: ü Reaktion der Regelgröße auf eine sprunghafte Änderung der Führungsgröße. ü M g d - , 1 + t c(t) T s r M *( 1-ε) pt Tr : Anstiegszeit, die Zeit bis zum erstmaligen erreichen des Wertes Mg*(1-ε) Ts : Ausregelzeit, die Zeit bis zum endgültigen verharren innerhalb des Todbandes M0 : Wert der Regelgröße vor dem Sprung Mg : Wert der Führungsgröße nach einem Sprung Mpt : Wert für die maximale Regelgröße ü : Überschwingweite  : Definiert die Breite des Todbandes um die Führungsgröße ε : Definiert den Wert der Regelgröße, um die Anstiegszeit zu ermitteln. Sprungantwort: Anstiegszeit Ausregelzeit Überschwingweite : Maximale Sprunghöhe mit Führungsgröße ins Verhaltnis gesetzt

Anforderungen an das Optimierungsprogramm Regler und Reglerstrukturen in der Praxis Standardregler Zwei- und Dreipunktregler P-, PI-, PD- und PID-Regler Verschaltungen von Standardreglern Kaskadenschaltung Störgrößen- und Hilfsgrößenaufschaltung Split-Rang-Regelungen Feedforward Regelung Zweipunktregler Einfachster: Ventil auf Ventil zu Kaskadenregelung: Regelkreis ineinander verschachtelt Folgeregler schnelle Reaktion Führungsregler Stationäre Genauigkeit Störgrößenaufschaltung: Störung kann gemessen werden Übertragungsfunktion der Strecke Hilfsgrößenaufschaltung: Hilfsgröße aus dem Prozess Zeitlich nachgeführt, abklingend (DT1-Filter) Splitrangregelung: Stellbereich wird auf mehrere Stellgräte aufgeteilt. Temperaturregelung Feedforward: Modell der Strecke vorgeschaltet Fuzzy: Unscharfe Logiken Weitere Regelstrukturen und Reglerkonzepte Fuzzy Control Smith Predictor Zustandstraumregelung Adaptive bzw. Predictive Regler

Welche Regler stellt das PLS zur Verfügung Anforderungen an das Optimierungsprogramm Welche Regler stellt das PLS zur Verfügung Das Prozessleitsystem, PLS Prozessleitsystem Experion PKS® von der Firma Honeywell ERP MES PLS SPS / Apparatesteuerung Unternehmensleitebene Produktionsleitebene Prozessleitebene Feldebene ERP: Enterprise Resource Planning Daten der Produktionsebene MES: Manufacturing Executing System Batchsystem PLS: Prozessleitsystem Verbindung aller Feldkomponenten SPS: Speicher Programmierbare Steuerung Reglerstrukturen des PLS Standart PID-Regler PID-Regler, bei dem der D-Anteil von der Regelgröße abhängt PID-Regler, bei dem der D-Anteil und P-Anteil von der Regelgröße abhängt I-Regler P-Regler Alle vorher genannten Regler können auch als Feedforward realisiert werden

Datenaustausch zwischen PLS und Optimierungsprogramm Anforderungen an das Optimierungsprogramm Datenaustausch zwischen PLS und Optimierungsprogramm OPC Objekt Linking and Embedding for Process Control Standart zum Datenaustausch zwischen Industriesteuerungen und Anwenderprogrammen Datenaustausch erfolgt über die COM-Schnittstelle. OPC-Server und OPC-Client Für die Inbetriebnahme geeignet, da direkter Datenzugriff möglich ist Import von ASCII-Dateien American Standard Code for Information Interchange 128 bzw. 256 Zeichen, Daten werden durch unterschiedliche Separatoren getrennt Tabulatoren Kommata Leerzeichen Semikolon Zur Verarbeitung von archivierten Daten geeignet OPC-Server: Daten in Gruppen abgelegt Aktualisierung über Zeit oder Abweichung vom alten Wert OPC-Client: Anwenderprogramm: Anfrage nach Daten, Nur geänderte Daten werden übermittelt ASCII

Anforderungen an de Optimierungsprogramme Daraus resultieren folgende Anforderungen Datenaustausch über eine OPC-Schnittstelle Berechnung der Parameter für unterschiedliche Regelstrukturen Integrierendes Verhalten Selbstregulierendes Verhalten Berechnung der Parameter für einen P-Regler PI-Regler PID-Regler Sollte einen Feedforward Algorithmus berechnen können Festlegung der Art der Optimierung Führungs- oder Störgrößenänderung Optimierungsverfahren Angaben zur Ausregelzeit oder Überschwingweite Integrierendes Verhalten: ohne Ausgleich Füllstandsregelung eines Tanks: Befüllventil Selbstregulierendes Verhalten: mit Ausgleich Durchflussregelung Feedforward: PLS kann ihn realisieren, wird aber nicht eingesetzt Optimierungsverfahren: Gütemaß Optimierenz.B.: ITAE-Kriterium (integral of time multiplied absolute value of error) Simulationsumgebung um die Ermittelten Parameter zu testen Einfache Bedienbarkeit für den Inbetriebnehmer Möglichst in kurzer Zeit bestmögliche Parameter berechnen

Die am Markt verfügbaren Programme, bzw. deren Unternehmen TOPAS PROTUNER™ RSTune 13 Programme: Ersten sechs sind die Programme die ich verwendet habe weil OPC oder TOPAS bei Honeywell vorhanden Control Station sehr günstig und von einer Studenten Gruppe entwickelt. Expertune, Pidtune, Programm von Controlsoft keine Demoversion zur Verfügung RSTune nur für die eigenen Komponentengeeignet Mathlab ungeeignet für die Inbetriebnahme Control Arts, PID Tuning, Korrelationsverfahren von Ciancone Matrikon, Processdoctor, Diagnoseprogramm, Tuning Umgebung noch in der Entwicklung

Vergleichskriterien der Programme Datenakquisition Optimierungseigenschaften der Programme Vergleich von berechneten Parametern simulierten Regelstrecken Daten von einer realen Anlage Simulatoren der Programme Handhabung der Programme Dokumentation der Optimierung Datenaustausch Tabelle: Optimierungseigenschaften: Reglerstruktur, Simulationsumgebungen: Störungen Simulieren, Unterschiedliche Führungsgrößen, Optimierten Prozesse Simulieren, Doku: Qualifizierungsprojekt: Ausdruck notwendig weil jeder eingriff im System Dokumentiert werden muss Preis

Vorläufiges Ergebnisse des Vergleichs Vorteile Einfache Bedienbarkeit des Programms Viele Möglichkeit die Optimierung zu beeinflussen Konnte alle simulierten Regelstrecken identifizieren Kann verschiedene Berechnung von Parametersätzen miteinander vergleich Übersichtlicher Report Die Parameter der simulierten Strecken entsprachen fast immer den, welche ein gutes Regelverhalten erzeugen Datenakquisition über Exceltabellen möglich Nachteile Kann immer nur drei Signale über OPC aufzeichnen Bietet dem Benutzer viele Möglichkeiten in die Modellbildung und Optimierung einzugreifen größerer Zeitaufwand Kenntnisse über die Parametrierungsmöglichkeiten

Funktionsweise der Optimierung beim Programm Rapid (1) Eingabe der allgemeinen Angaben über den Regelkreis Festlegung der Reglerstruktur Definition der Messbereiche Führungs- oder Störgrößenänderungen Festlegung der Abtastzeit Datenakquisition Import von Daten aus einer Datei Text-, Excel-Dateien, Matlab-Files und Access-Datenbanken Zuordnung der Spalten, aus der Datei Regel-, Stell- und Führungsgröße OPC: Messstellenbezeichnung F-1311-761.PIDA.PV Akquirierte Daten können geändert werden Identifikation der Regelstrecke generiert automatisch ein Modell 1. oder 2. Ordnung Totzeit, Pole und Nullstellen können angepasst werden Suchfunktion für komplexere Modelle

Funktionsweise der Optimierung beim Programm Rapid (2) Berechnung der Regelparameter Vorgabe der Überschwingweite Optimierung nach einem Gütemaß Berechnung streckenspezifischer Daten Anstiegszeit Ausregelzeit Überschwingweite Simulation von Führungs- und Störgrößen Gegenüberstellung von unterschiedlichen Parametersätzen Robustheit der Parameter kann verändert werden Modell Bewertung Mit neuen Parametern einen Sprung in der realen Anlage erzeugen Erneutes Aufzeichnen dieser Daten Vergleich Modell und reale Regelstrecken

Der Benefit eines Optimierungsprogramms Lang und Peitler Beschleunigung der Inbetriebnahme Verkauf von zusätzlicher Engineering Leistung Kundenzufriedenheit kann steigen Anlagenbetreiber Verbesserte Regeleigenschaften kürzere Ausregelzeiten Schneller Abarbeitung von Schrittketten Schnellere Produktion möglich geringerer Verschleiß von Stellgliedern größere Wartungsintervalle Sparen von Ressourcen

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Blockschaltbild eines PID-Regler Idealer PID Regler Realen D-Anteil mit einer Verzögerungsglied erster Ordnung versehen G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke w : Führungsgröße x : Regelgröße

Auswahl geeigneter Regler für den Einsatz in der Praxis - : ungeeignet für Regelung, da Instabilität + - : nur bedingt einsetzbar, ausreichendes Ergebnis + : geeignet für eine Regelung ++ : gut geeignet für eine Regelung   : am besten geeignete Regler für dieses Problem / : keine Informationen in der Literatur gefunden PTuTg : Proportionales (P) Streckenverhalten mit Verzugszeit (Tu) und Ausgleichzeit (Tg) Der Allgemeine Fall Totzeitbehaftet und Zeitkonstanten ist nicht in der Tabelle enthalten. Kommt auf die Zeitverhältnisse an. Test konnten auch keinen Einfluß darauf geben.

Blockschaltbild einer Kaskadenschaltung G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke GR(s)1 : Übertragungsfunktion des ersten Reglers GR(s)2 : Übertragungsfunktion des zweiten Reglers w : Führungsgröße x : Regelgröße y : Stellgröße z : Störgröße xH : Hilfsregelgröße wH : Hilfsführungsgröße, Führungsgröße des Hilfsreglers Optimimierung der Parameter . Innen Beginne außen beenden

Blockschaltbild eines Regelkreise mit Störgrößenaufschaltung G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke GR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers Gz(s) : Übertragungsfunktion der Störung x : Regelgröße y : Stellgröße z : Störgröße w : Führungsgröße Übertragungsfunktion der Störgröße : Strecke aufteilen und dann den Funktionsteil ermitteln

Blockschaltbild eines Regelkreise mit Hilfsgrößenaufschaltung G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke GR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers x : Regelgröße y : Stellgröße z : Störgröße w : Führungsgröße xH : Hilfsregelgröße Hilfsgrößen Temperatur Kühlwasser: nachher. Temperatur Tank Regelgröße. Zeit nachgeführt dass heißt die Größe liegt nicht andauernd an sonder nur ihr Änderung wird berücksichtig.

Blockschaltbild einer Feedforward-Regelung G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke GR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers x : Regelgröße y : Stellgröße z : Störgröße w : Führungsgröße Feedforward Kommt einer Steuerung gleich.

Blockschaltbild eines Smith Predictors G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke GR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers x : Regelgröße w : Führungsgröße Tt : Totzeit Bei Vermeiden von Totzeiten Stabilität: bei geringen Änderungen der Gesamtverstärkung bleibt die Regelung stabil Bei Änderungen der Totzeit tritt sehr schnell instabiles verhalten auf.

Standart PID-Regler (EQA) Übertragungsfunktion: G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke w : Führungsgröße x : Regelgröße T1 : Nachstellzeit T2 : Vorhaltezeit a : Konstanter Faktor kleiner eins a * T2 : T0 Zeitkonstante

PI D-Regler (EQB) Übertragungsfunktion: Reaktion des D-Anteils wird gedämpft. G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke w : Führungsgröße x : Regelgröße T1 : Nachstellzeit T2 : Vorhaltezeit a : Konstanter Faktor kleiner eins a * T2 : T0 Zeitkonstante

I PD-Regler (EQC) Übertragungsfunktion: G(s) : Übertragungsfunktion der Strecke w : Führungsgröße x : Regelgröße T1 : Nachstellzeit T2 : Vorhaltezeit a : Konstanter Faktor kleiner eins a * T2 : T0 Zeitkonstante

Datenakquisition Excel: ist von Vorteil weil dort die Daten meistens aufbereitet werden und sie dann direkt eingefügt werden können

Vergleich bei simulierten Strecken 20 sec. Zeitkonstante 5sec. Totzeit Übertragungsfunktion der Strecke:

Vergleich bei Simulierten Strecken

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