DE102011012710A1

DE102011012710A1 - Schnelle Identifikation und Erzeugung von Prozessmodellen

Info

Publication number: DE102011012710A1
Application number: DE102011012710A
Authority: DE
Inventors: Mark Coughran; Gregory K. McMillan
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2011-09-08
Also published as: GB201706494D0; US20110218782A1; US8756039B2; CN106094527B; CN102193500A; GB2478402B; GB2478402A; JP5830251B2; GB2547137B; CN106094527A; JP2011181069A; CN102193500B; GB201103055D0; JP2016028349A; GB2547137A

Abstract

Ein Verfahren zum schnellen Identifizieren von Prozessmodellen identifiziert innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne die dynamische Beziehung zwischen einem Prozesseingang und einem Prozessausgang, indem es aus der anfänglichen Reaktion des Prozessausgangs auf eine Veränderung des Prozesseingangs eine Schätzung einer integrierenden Verstärkung und einer Prozessstillstandszeit entwickelt. Die Werte der integrierenden Verstärkung und der Stillstandszeit werden dann dazu benutzt, ein vollständiges Prozessmodell für einen beliebigen von vielen unterschiedlichen Prozesstypen zu erzeugen. Diese Prozessmodelle können sehr schnell eine Prozesssimulation durchführen oder können zu Steuerzwecken benutzt werden, um es zu ermöglichen, ein Prozesssteuerungssystem bereitzustellen, das Prozessmodelle während eines On-Line-Prozesses wesentlich schneller benutzt oder darauf zugreift, als dies in der Vergangenheit möglich war. Außerdem lässt sich dieses schnelle Modellierungsverfahren dazu benutzen, ein Simulationsmodell für eine Prozessschleife zu entwickeln, bevor die Steuereinrichtung, die die Prozessschleife steuert, die Reaktion auf eine einzelne Prozessabweichung oder Sollwertänderung abgeschlossen hat, was das Verfahren sehr nützlich für die Steuerung langsamer Prozesse macht.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine regulär eingereichte Anmeldung der am 2. März 2010 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/309,737 namens „Rapid Process Model Identification and Generation” und beansprucht deren Priorität und deren Vorteil des Einreichungsdatums, wobei deren gesamte Offenbarung hiermit ausdrücklich in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Prozesssteuerungssysteme und insbesondere ein Verfahren zum schnellen Identifizieren und Erzeugen von Prozessmodellen zur Verwendung in Steuerungs- und Simulationsaktivitäten in Prozesssteuerungssystemen wie z. B. industriellen Prozessanlagen.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Prozesssteuerungssysteme wie z. B. verteilte oder skalierbare Prozesssteuerungssysteme, wie sie in Steuerungsanlagen für chemische oder mineralölbezogene Prozesse verwendet werden, weisen typischerweise eine oder mehrere Prozesssteuerungen und Eingangs-/Ausgangs-(E/A)-Vorrichtungen auf, die über Analog-, Digital- oder kombinierte Analog/Digital-Busse kommunizierend miteinander oder mit mindestens einem Host- oder Bedienerarbeitsplatzrechner und einer oder mehreren Arbeitsbereichsvorrichtungen verbunden sind. Die Arbeitsbereichsvorrichtungen, bei denen es sich beispielsweise um Ventile, Ventilstellungsregler, Schalter und Messwertgeber (z. B. Temperatur-, Druck- und Durchflusssensoren) handelt, führen innerhalb des Prozesses Funktionen wie das Öffnen und Schließen von Ventilen und das Messen von Prozessparametern aus. Die Prozesssteuerung empfängt Signale, die Prozessmessungen anzeigen, welche von den Arbeitsbereichsvorrichtungen vorgenommen wurden, und/oder andere Informationen zu den Arbeitsbereichsvorrichtungen, verwenden diese Informationen dazu, eine Steuerroutine zu implementieren, und erzeugt dann Steuersignale, die über die Busse oder andere Kommunikationsleitungen an die Arbeitsbereichsvorrichtungen gesendet werden, um den Prozessbetrieb zu steuern. Informationen von den Arbeitsbereichsvorrichtungen und der Steuereinrichtung werden typischerweise einer oder mehreren Anwendungen zur Verfügung gestellt, die vom Bedienerarbeitsplatzrechner ausgeführt werden, um es einem Bediener zu ermöglichen, jede gewünschte Funktion im Zusammenhang mit dem Prozess auszuführen, z. B. den aktuellen Status des Prozesses aufzurufen, den Prozessbetrieb zu modifizieren usw.
Einige Prozesssteuerungssysteme wie z. B. das System DeltaV^®, das von Emerson Process Management vertrieben wird, verwenden Funktionsblöcke oder Gruppen von Funktionsblöcken, die als Module bezeichnet werden und in der Steuereinrichtung oder in verschiedenen Arbeitsbereichsvorrichtungen angeordnet sind, um Steuervorgänge auszuführen. In diesen Fällen sind die Steuereinrichtung oder andere Einrichtungen dazu in der Lage einen oder mehrere Funktionsblöcke oder Module auszuführen, welche jeweils Eingänge an andere Funktionsblöcke (entweder innerhalb derselben Vorrichtung oder in unterschiedlichen Vorrichtungen) bereitstellen und/oder Ausgänge von diesen empfangen und einige Prozessvorgänge durchführen, z. B. das Messen oder Detektieren eines Prozessparameters, das Steuern einer Vorrichtung oder das Durchführen eines Steuervorgangs wie z. B. der Implementierung eines Proportional-integral-derivativ-(PID)-Steuerungsprogramms. Die verschiedenen Funktionsblöcke und Module innerhalb eines Prozesssteuerungssystems sind allgemein dazu konfiguriert, miteinander (z. B. über einen Bus) zu kommunizieren, um eine oder mehrere Prozesssteuerschleifen zu bilden.
Prozesssteuereinrichtungen sind typischerweise dazu programmiert, für eine Anzahl unterschiedlicher Schleifen, die für einen Prozess definiert sind oder darin enthalten sind, z. B. Ablaufregelschleifen, Temperaturregelschleifen, Drucksteuerschleifen usw., jeweils einen unterschiedlichen Algorithmus, ein unterschiedliches Unterprogramm oder eine unterschiedliche Steuerschleife auszuführen. Allgemein ausgedrückt enthält jede derartige Steuerschleife einen oder mehrere Eingangsblöcke, wie z. B. einen Analogeingangs-(AE)-Funktionsblock, einen Einzelausgangs-Steuerungsblock wie z. B. einen Proportional-integral-derivativ-(PID)- oder Fuzzy-Logic-Steuerungsfunktionsblock und einen Ausgangsblock wie z. B. einen Analogausgangs-(AA)-Funktionsblock.
Steuerprogramme und die Funktionsblöcke, die diese Programme implementieren, sind gemäß einer Anzahl von Steuerverfahren konfiguriert, darunter PID-Steuerung, Fuzzy-Logic-Steuerung und modellbasierte Verfahren wie z. B. einen Smith Predictor oder eine Model Predictive Control (modellprädiktive Regelung, MPC). Bei modellbasierten Steuerverfahren beruhen die Parameter, die in den Programmen zur Bestimmung der Steuerungsreaktion der geschlossenen Regelschleifen benutzt werden, auf der dynamischen Prozessreaktion auf Veränderungen in den manipulierten oder gemessenen Störungen, die als Eingänge für die Prozesse dienen. Eine Darstellung dieser Reaktion des Prozesses auf Veränderungen der Prozesseingänge kann als ein Prozessmodell charakterisiert werden. Beispielsweise kann ein parametrisiertes Prozessmodell erster Ordnung Werte für die Verstärkungskonstante, die Stillstandszeitkonstante und die dominierende Zeitkonstante festlegen.
Bei MPC handelt es sich um einen bestimmten Typ des modellbasierten Verfahrens, und es beinhaltet eine Anzahl von Schritt- oder Impulsantwortmodellen, die dazu ausgelegt sind, die dynamischen Beziehungen zwischen Prozesseingängen und -ausgängen zu erfassen. Bei MPC-Verfahren wird das Prozessmodell unmittelbar dazu benutzt, die Steuereinrichtung zu erzeugen. Bei Verwendung in Verbindung mit Prozessen, die während der Prozessstillstandszeit großen Veränderungen, Prozessverzögerungen usw. unterliegen, muss die MPC-Steuereinrichtung automatisch neu erzeugt werden, um mit den aktuellen Prozessbedingungen übereinzustimmen. In diesen Fällen wird daher für jede von einer Anzahl von Betriebsbedingungen ein Prozessmodell identifiziert. Das Einbringen einer Vielzahl von Prozessmodellen und die erforderliche automatische Erzeugung der Steuereinrichtung zwecks Übereinstimmung mit den aktuellen Prozessbedingungen erhöht jedoch die Komplexität der Prozesssteuerungssysteme in unerwünschter Weise.
Prozessmodelle wurden auch dazu benutzt, Abstimmungsparameter von PID und anderen Steuermethoden anhand von adaptiven Steuerverfahren einzustellen, wobei die Abstimmung der PID-(oder anderen)Steuereinrichtung im Allgemeinen aufgrund von Veränderungen im Prozessmodell und einer vom Benutzer ausgewählten Abstimmungsregel aktualisiert wird. So offenbaren beispielsweise die US-Patentschrift Nr. 7,113,834 namens „State Based Adaptive Feedback Feedforward PID Controller” und die US-Patentschrift Nr. 6,577,908 namens „Adaptive Feedback/Feedforward PID Controller” die Verwendung von Prozessmodellen zur Durchführung einer adaptiven Steuerung.
Trotz der Aussicht auf eine gesteigerte Steuerungsleistung ist die Nutzung modellbasierter Steuerverfahren und adaptiver Steuerverfahren in der Prozessindustrie bislang beschränkt, da die Verfahren häufig schwierig in der Praxis zu implementieren waren. In praktischer Hinsicht war die Modellidentifikation bislang typischerweise ein Teil eines speziellen Funktionsblocks, der speziell für die MPC-Steuerung oder adaptive Steuerung ausgelegt war. Leider ist es häufig schwierig zu ermitteln, welche Prozessregelschleifen von der Implementierung einer adaptiven Steuerung profitieren würden, d. h., welche Schleifen für die adaptive Steuerfunktion ausgewählt werden sollten. Einen Grund stellt die schiere Anzahl der Regelschleifen (mehrere Hundert) und Instrumente (mehrere Tausend) dar, die in einer typischen Anlage überwacht werden. Unabhängig von Größe oder Komplexität der Anlage unterstützen übliche Prozesssteuerungssysteme typischerweise nicht die Erzeugung von Prozessmodelle für alle Steuerschleifen in der Anlage. Verschlimmernd kommt hinzu, dass umfangreiche Prüfungen notwendig sind, um neue Prozessmodelle für jede einzelne Steuerschleife zu identifizieren, für die ein Modell ermittelt werden soll. Bei Prüfungen dieser Art kann es beispielsweise notwendig sein, eine oder mehrere Prozessstörungen anzuwenden, die sich nicht mit dem Betrieb eines laufenden Prozesses vertragen.
Wie oben erwähnt, kann das Entwickeln von Prozessmodellen zur Verwendung in Steuerungssystemen ein Prozess sein, der manuelles Eingreifen erfordert, und dessen Durchführung auch im Falle einer Automatisierung mit einem hohen Zeitaufwand verbunden ist. Im Allgemeinen wird zur Entwicklung eines Prozessmodells für eine Regelschleife ein Prozess zur Abweichung gebracht oder ein Steuersignal geändert, woraufhin die Reaktionen der Prozessvariablen überwacht werden, um die Prozessreaktionszeit, die Prozessverstärkung, die Prozessstillstandszeit usw. für die Prozessschleife zu ermitteln. Dieses Verfahren kann dazu verwendet werden, die Dynamik schneller Prozesse oder schneller Prozessschleifen, z. B. von Durchfluss- oder Flüssigkeitsdruck-Regelschleifen, auf rasche und einfache Weise zu ermitteln, da die Zeit, die eine Prozessvariable benötigt, um für diese Schleifen ihren Ruhewert zu erreichen, innerhalb von Sekunden abläuft, was eine rasche Identifikation der Prozessdynamik anhand einer breiten Spanne von Verfahren ermöglicht. Bei langsamen Prozessen oder Prozessschleifen beispielsweise auf der Behälter- oder Säulenebene, bei Temperatur-, pH- und Zusammensetzungsregelschleifen, kann es Minuten, Stunden oder sogar Tage dauern, bis die relevante Prozessvariable einen Sollwert oder einen abschließenden Ruhewert erreicht. Außerdem treten Störungen häufig vor dem Abschluss der Prüfung auf, was weitere Prüfungen notwendig macht. Aus diesem Grund benötigen gegenwärtige Modellidentifikationswerkzeuge für diese Prozesse typischerweise sogar bei relativ ruhigen Prozessen eine Vielzahl von Prüfungen. Es kann daher Tage oder sogar Wochen dauern, bis ein vollständiger oder präziser Modellsatz für langsame Prozessschleifen identifiziert wurde.
Bei kontinuierlichen Prozessen ändern sich Sollwerte zudem relativ selten und werden während des normalen Ablaufs allgemein nur beim Hochfahren des Prozesses oder bei Ratenänderungen oder graduellen Übergängen erstellt. Bei Chargenprozessen liegen darüber hinaus in eine Chargenvariable normalerweise nur ein oder zwei Sollwertänderungen wie z. B. Temperatur vor. Daher ist es schwierig, die Vielzahl an Prüfungen durchzuführen, die zum Entwickeln eines Modells für diese Schleifen notwendig ist. Aus den oben genannten Gründen sind daher die meisten existierenden Prozessmodell-Identifikationswerkzeuge der modellprädiktiven Steuerung und adaptiven proportionalen, integralen, derivativen (PID) Steuereinrichtungen oder PID-Auto-Tunern zugeordnet, und werden im Allgemeinen nicht für die Regelschleifen langsamer Prozesse angewandt.
KURZDARSTELLUNG
Ein schnelles Prozessmodell-Identifikationsverfahren identifiziert innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne von beispielsweise Minuten das dynamische Verhältnis zwischen einem Prozesseingang und einem Prozessausgang, und zwar auch bei langsamen Prozessen und Prozessschleifen. Dieses Modellidentifikationsverfahren kann dann dazu benutzt werden, Prozessmodelle für viele verschiedene Typen von Prozessen zu erzeugen, und kann zu Steuerzwecken benutzt werden, um es beispielsweise zu ermöglichen, ein Prozesssteuerungssystem bereitzustellen, das Prozessmodelle während eines On-Line-Prozesses wesentlich schneller benutzt oder darauf zugreift, als dies in der Vergangenheit möglich war. Außerdem lässt sich dieses Verfahren dazu benutzen, ein Simulationssystem für eine Prozessschleife zu entwickeln, bevor die Steuereinrichtung, die die Prozessschleife steuert, die Reaktion auf eine einzelne Prozessabweichung oder Sollwertänderung abgeschlossen hat. Dieses Merkmal erlaubt es, das schnell erzeugte Modell in Reaktion auf die Prozessabweichung, die zum Erzeugen des Modells benutzt wurde, zum Steuern von Prozessen zu verwenden, also z. B. vor dem Ablauf einer Prozessreaktionszeitdauer des Prozesses oder bevor eine Prozesssteuereinrichtung den Prozess so geregelt hat, dass er einen Dauerzustand in Reaktion auf die Prozessabweichung erreicht hat (die von einer Veränderung einer manipulierten Variable innerhalb des Prozesses verursacht worden sein kann). In jedem Fall lässt sich das Prozessmodell-Identifikationsverfahren dazu benutzen, rasch anfängliche Prozessmodelle zu ermitteln, die sofort dazu benutzt werden können, eine Prozesssteuerung und Simulation für den Prozess durchzuführen, und die aktualisiert, modifiziert oder verfeinert werden können, sobald mehr Daten zu den Prozessschleifen verfügbar sind oder im Laufe der Zeit verfügbar werden.
In einem Fall beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen eines Prozessmodells für einen Prozess das Sammeln von Prozessdaten in Bezug auf eine Prozessvariable und eine manipulierte Variable im Prozess und, nach einer Veränderung der manipulierten Variable, das Ermitteln einer Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable aus den gesammelten Prozessdaten, die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erzeugt wurden. Dabei ist die bestimmte Zeitspanne kürzer als die Prozessreaktionszeit im Zusammenhang mit dem Prozess und liegt wenigstens teilweise nach dem Ende einer Stillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess. Das Verfahren erzeugt dann anhand der ermittelten Anstiegsrate ein Prozessmodell für den Prozess. Das Verfahren kann ferner das Schätzen einer Prozessstillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess aus den gesammelten Prozessdaten beinhalten, und es kann die geschätzte Prozessstillstandszeit zusätzlich zur Anstiegsrate verwenden, um das Prozessmodell zu erzeugen. Das Verfahren kann die Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable ermitteln, indem es eine Veränderung der Prozessvariablen im Verlauf der bestimmten Zeitspanne ermittelt, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne mit einer geschätzten Prozessstillstandszeit des Prozesses in Verbindung steht. Die Länge der bestimmten Zeitspanne kann beispielsweise gleich der geschätzten Prozessstillstandszeit sein, oder sie kann ein Vielfaches der geschätzten Prozessstillstandszeit sein.
In einigen Fällen tritt diese bestimmte Zeitspanne (wenigstens teilweise) innerhalb eines Zeitrahmens ein, der am Ende der Stillstandszeit beginnt und sich über eine Zeitspanne z. B. gleich oder unter dem Zehnfachen der Prozessstillstandszeit nach dem Ende der Stillstandszeit erstreckt. Allgemeiner tritt die bestimmte Zeitspanne kurz oder unmittelbar nach dem Ende der Prozessstillstandszeit des Prozesses ein (nach einer Veränderung der manipulierten Variable). In einigen Fällen kann die bestimmte Zeitspanne innerhalb einer Zeitspanne liegen, die sich über die Länge einer oder einiger Stillstandszeiten des Prozesses nach dem Ende der Prozessstillstandszeit erstreckt, sie kann innerhalb der ersten Hälfte der Prozessreaktionszeit des Prozesses liegen, oder sie kann bei stillstandszeitdominierten Prozessen in einer längeren Zeitspanne als dieser liegen. Die bestimmte Zeitspanne ist jedoch stets weniger als die Prozessreaktionszeit des Prozesses im Zusammenhang mit einer Veränderung der manipulierten Variablen.
Das Erzeugen eines Prozessmodells für den Prozess kann das Ermitteln einer integrierenden Verstärkung des Prozesses aus der ermittelten Anstiegsrate beinhalten, indem ein Verhältnis der ermittelten Anstiegsrate zu der Veränderung der manipulierten Variable ermittelt wird. Außerdem kann das Verfahren die für den Prozess ermittelte integrierenden Verstärkung dazu benutzen, andere Prozessmodellparameter für den Prozess zu ermitteln, und kann die Prozessmodellparameter dazu benutzen, den Prozessbetrieb vor dem Ende der Prozessreaktionszeit zu simulieren. Das Verfahren kann die Prozessmodellparameter auch oder alternativ dazu benutzen, Steuerparameter zum Steuern des Prozesses zu ermitteln, und kann die Steuerparameter dazu benutzen, den Prozess vor dem Ende der Prozessreaktionszeit zu steuern.
Ferner kann das Verfahren die Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable nach einer Veränderung der manipulierten Variable ermitteln, indem es eine Vielzahl von Werten einer Prozessvariablen-Anstiegsrate im Verlauf unterschiedlicher Zeiträume gleicher Länge ermittelt (z. B. einer Zeit gleich der Länge der geschätzten Prozessstillstandszeit), und kann die Anstiegsrate als statistisches Maß der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate ermitteln. Beispielsweise kann das Verfahren die Anstiegsrate als ein Maximum, einen Mittelwert, einen Medianwert usw. der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate ermitteln.
In einem anderen Fall beinhaltet ein Verfahren zum Simulieren eines Prozesses das Sammeln von Prozessdaten in Bezug auf eine Prozessvariable und eine manipulierte Variable im Prozess, und nach einer Veränderung der manipulierten Variable, das Ermitteln einer Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable aus den gesammelten Prozessdaten, und das Erzeugen eines Prozessmodells für den Prozess mithilfe der ermittelten Anstiegsrate. Das Verfahren simuliert den Prozessbetrieb mithilfe des Prozessmodells, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen einen Dauerzustand erreicht. Das Verfahren kann ferner das Verwenden der Simulation dazu beinhalten, einen neuen Satz Steuerparameter für eine Steuereinrichtung zu ermitteln, die den Prozess steuert, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable einen Dauerzustand erreicht. Darüber hinaus kann das Verfahren den neuen Satz Steuerparameter an die Prozesssteuereinrichtung bereitstellen, die den Prozess steuert, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable einen Dauerzustand erreicht, und kann den neuen Satz Steuerparameter in der Prozesssteuereinrichtung dazu benutzen, den Prozess derart zu steuern, dass er den Dauerzustand in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable erreicht.
Das Verfahren kann ferner das Schätzen der Prozessstillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess aus den gesammelten Prozessdaten beinhalten, und es kann die geschätzte Prozessstillstandszeit zusätzlich zur Anstiegsrate verwenden, um das Prozessmodell zu erzeugen.
In einem anderen Fall beinhaltet ein Verfahren zum Steuern eines Prozesses, der mithilfe eines Satzes von Steuerparametern gesteuert wird, das Sammeln von Prozessdaten in Bezug auf eine Prozessvariable und eine manipulierte Variable im Prozess, und nach einer Veränderung der manipulierten Variable, das Ermitteln einer Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable aus den gesammelten Prozessdaten, bevor der Prozess derart geregelt wird, dass er einen Dauerzustand in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable erreicht, und das Erzeugen eines Prozessmodells für den Prozess mithilfe der ermittelten Anstiegsrate. Das Verfahren kann das Prozessmodell dazu benutzen, einen neuen Satz Steuerparameter an die Prozesssteuereinrichtung zu bestimmen, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable einen Dauerzustand erreicht, und kann den neuen Satz Steuerparameter an die Prozesssteuereinrichtung bereitstellen, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable einen Dauerzustand erreicht
In einem weiteren Fall weist ein Prozessmodellerzeugungssystem einen Prozessor, ein erstes Programm, das auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und das auf dem Prozessor ausgeführt wird, um Prozessdaten in Verbindung mit einer Prozessvariable und einer manipulierten Variable innerhalb eines On-Line-Prozesses zu sammeln, ein zweites Programm, das auf dem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und das auf dem Prozessor ausgeführt wird, um nach einer Veränderung der manipulierten Variable im Verlaufe einer Zeitspanne, die kürzer ist als die Prozessreaktionszeit im Zusammenhang mit dem Prozess, eine Anstiegsrate im Zusammenhang mit den Prozessvariablen zu ermitteln, und ein drittes Programm, das auf dem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und das mithilfe der ermittelten Anstiegsrate ein Prozessmodell für den Prozess erzeugt, auf. Ein viertes Programm, das auf dem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist, kann auf dem Prozessor ausgeführt werden, um anhand der gesammelten Prozessdaten die Prozessstillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess zu schätzen, und das zweite Programm kann die geschätzte Prozessstillstandszeit zum Ermitteln der Anstiegsrate benutzen. Außerdem kann das dritte Programm das Prozessmodell für den Prozess mithilfe der ermittelten Anstiegsrate erzeugen, indem es aus der ermittelten Anstiegsrate eine integrierende Verstärkung für den Prozess ermittelt. Bei Bedarf kann das zweite Verfahren die Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable nach einer Veränderung der manipulierten Variable ermitteln, indem es eine Vielzahl von Werten einer Prozessvariablen-Anstiegsrate im Verlauf unterschiedlicher Zeiträume gleicher Länge ermittelt, und kann die Anstiegsrate als statistisches Maß der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate ermitteln.
Darüber hinaus weist ein Prozessmodellierungssystem zur Verwendung mit einem Prozess eine Datensammeleinheit auf, die Prozessdaten in Verbindung mit einer Prozessvariable und einer manipulierten Variable in dem Prozess sammelt, eine Stillstandszeiteinheit, die aus den gesammelten Prozessdaten eine Stillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess ermittelt, und eine Anstiegseinheit, die nach einer Veränderung der manipulierten Variable aus den gesammelten Prozessdaten, die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne in Verbindung mit der ermittelten Stillstandszeit eine Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable ermittelt, wobei die bestimmte Zeitspanne kürzer ist als die Prozessreaktionszeit im Zusammenhang mit dem Prozess. Außerdem weist das Prozessmodellierungssystem eine Modellierungseinheit auf, die mithilfe der ermittelten Anstiegsrate ein Prozessmodell für den Prozess erzeugt. Bei Bedarf kann die bestimmte Zeitspanne gleich der geschätzten Prozessstillstandszeit sein, oder kann ein Vielfaches der geschätzten Prozessstillstandszeit sein.
Dabei kann die Anstiegseinheit einen Verzögerungsblock aufweisen, der die gesammelte Prozessvariable um die bestimmte Zeit verzögert, einen Summierer, der ein Differenzsignal ermittelt, das auf eine Differenz zwischen dem aktuellen Prozessvariablenwert und dem von der Verzögerungseinheit verzögerten Prozessvariablenwert hinweist, und eine Teilungseinheit, die das Differenzsignal durch die bestimmte Zeitspanne teilt, um die Prozessvariablen-Anstiegsrate zu erzeugen. Die Anstiegseinheit kann ferner nach einer Veränderung der manipulierten Variable eine Reihe von Prozessvariablen-Anstiegsraten ermitteln, und kann einen statistischen Block aufweisen, der ein statistisches Maß der Reihe von Prozessvariablen-Anstiegsraten ermittelt, um die Prozessvariablen-Anstiegsrate zu erzeugen. Der statistische Block kann beispielsweise ein Maximum der Reihe von Prozessvariablen-Anstiegsraten als Prozessvariablen-Anstiegsrate ermitteln.
Das Prozessmodellierungssystem kann auch eine Abstimmungseinheit aufweisen, die einen oder mehrere Steuerparameter aus dem Prozessmodell ermittelt, die zum Steuern des Prozesses verwendet werden, und es kann eine Steuereinrichtung aufweisen, die den Prozess steuert, derart, dass die Abstimmungseinheit die Steuerparameter vor dem Zeitpunkt, an dem die Steuereinrichtung den Prozess derart steuert, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable einen Dauerzustand erreicht, an die Steuereinrichtung bereitstellt. Das Prozessmodellierungssystem kann auch oder stattdessen eine Simulationseinheit aufweisen, die die Prozessmodellparameter dazu benutzt, den Betrieb des Prozesses vor dem Ende der Prozessreaktionszeit zu simulieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Zum gründlicheren Verständnis der Offenbarung sollte auf nachfolgende detaillierte Beschreibung und die begleitenden Figuren Bezug genommen werden, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Prozesssteuerungssystems, das eine Steuereinrichtung aufweist, die mit einem oder mehreren Steuerprogrammen konfiguriert ist, und das eine oder mehrere Module zur schnellen Identifikation und Erzeugung von Prozessmodellen aufweist, die kommunizierend an ein Simulationssystem gekoppelt sind;
2 einen Graph, der eine typische Reaktion einer Prozessvariablen auf eine Veränderung einer manipulierten Variablen in einem integrierenden Prozess darstellt;
3 einen Graph, der eine typische Reaktion einer Prozessvariablen auf eine Veränderung einer manipulierten Variablen in einem selbstregulierenden Prozess darstellt;
4 einen Graph, der eine typische Reaktion einer Prozessvariablen auf eine Veränderung einer manipulierten Variablen in einem unkontrollierten Prozess darstellt;
5 ein Funktionsblockdiagramm von einem der Module zur schnellen Identifikation und Erzeugung von Prozessmodellen aus 1; und
6 eine schematische Darstellung eines Simulationssystems, das dazu benutzt werden kann, mithilfe von Prozessmodellen, die von einem der Module zur schnellen Identifikation und Erzeugung von Prozessmodellen aus 1 oder 5 erzeugt wurden, den Betrieb einer Prozessschleife oder eines Prozesses zu simulieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf 1 weist ein Prozessteuerungssystem 10 eine Prozesssteuereinrichtung 11 auf, die mit einem Data-Historian 12 und mit einem oder mehreren Host-Arbeitsplatzrechnern oder Computer 13 (bei denen es sich um jeden beliebigen Typ von Computer, Arbeitsplatzrechnern usw. handeln kann), und die jeweils einen Anzeigebildschirm 14 aufweisen, verbunden ist. Die Steuereinrichtung 11 ist über Eingangs-/Ausgangs-(E/A)-Karten 26 und 28 außerdem mit Arbeitsbereichsvorrichtungen 15–22 verbunden. Bei dem Data-Historian 12 kann es sich um jeden gewünschten Typ von Datenerfassungseinheit handeln, die einen gewünschten Speichertyp und eine gewünschte oder bekannte Software, Hardware oder Firmware zum Speichern von Daten aufweist. Der Data-Historian 12 kann separat von (wie in 1 gezeigt) oder ein Teil der Arbeitsplatzrechner 13 sein. Die Steuereinrichtung 11, bei der es sich beispielsweise um die von Emerson Process Management vertriebene DeltaV^®-Steuereinrichtung handeln kann, ist beispielsweise über eine Ethernet-Verbindung oder ein anderes gewünschtes Kommunikationsnetz 23 kommunizierend mit den Host-Computern 13 und dem Data-Historian 12 verbunden. Die Steuereinrichtung 11 ist außerdem mithilfe jeder beliebigen Hardware und Software, die beispielsweise mit standardmäßigen 4–20-mA-Vorrichtungen und/oder einem beliebigen intelligenten Kommunikationsprotokoll wie dem FOUNDATION^® Fieldbus-Protokoll, dem HART^®-Protokoll, dem WirelessHART^TM-Protokoll usw. in Zusammenhang steht, kommunizierend mit den Arbeitsbereichsvorrichtungen 15–22 verbunden.
Bei den Arbeitsbereichsvorrichtungen 15–22 kann es sich um jeden beliebigen Vorrichtungstyp handeln, beispielsweise Sensoren, Ventile, Messwertgeber, Stellungsregler usw., während es sich bei den E/A-Vorrichtungen 26 und 28 um jeden beliebigen Typ von E/A-Vorrichtungen handeln kann, der mit einem beliebigen gewünschten Kommunikations- oder Steuerungsprotokoll übereinstimmt. In der Ausführungsform aus 1 handelt es sich bei den Arbeitsbereichsvorrichtungen 15–18 um standardmäßige 4–20-mA-Vorrichtungen oder HART-Vorrichtungen, die über Analogleitungen oder kombinierte Analog- und Digitalleitungen mit der E/A-Karte 26 kommunizieren, während es sich bei den Arbeitsbereichsvorrichtungen 19–22 um intelligente Vorrichtungen wie z. B. Fieldbus-Arbeitsbereichsvorrichtungen handelt, die über einen Digitalbus unter Verwendung von Fieldbus-Protokollkommunikation mit der E/A-Karte 28 kommunizieren. Natürlich können die Arbeitsbereichsvorrichtungen 15–22 mit jedem anderen gewünschten Standard oder Protokoll bzw. sämtlichen anderen gewünschten Standards oder Protokollen übereinstimmen, einschließlich künftig entwickelter Standards oder Protokolle.
Die Steuereinrichtung 11 weist einen Prozessor 30 auf, der ein oder mehrere Prozesssteuerprogramme (die in einem Speicher 32 gespeichert sind), implementiert oder überwacht, und die Steuerschleifen aufweisen können, und kommuniziert mit den Vorrichtungen 15–22, den Host-Computern 13 und dem Data-Historian 12, um einen Prozess auf die gewünschte Weise zu steuern. Es ist zu beachten, dass jedes hier beschriebene Steuerprogramm oder Modul bei Bedarf Teile aufweisen kann, die von anderen Steuereinrichtungen oder anderen Vorrichtungen implementiert oder ausgeführt werden. Ebenso können die hier beschriebenen Steuerprogramme oder Module, die zur Implementierung im Prozesssteuerungssystem 10 vorgesehen sind, jede beliebige Form annehmen, einschließlich Software, Firmware, Hardware usw. Natürlich kann es sich bei einem Prozesssteuermodul um jeden beliebigen Teil oder Abschnitt eines Prozesssteuerungssystems handeln, darunter beispielsweise einen Block oder ein Element davon, oder um andere Software, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden. Steuerprogramme, bei denen es sich um Module oder einen beliebigen Teil eines Steuervorgangs wie z. B. eines Unterprogramms (wie z. B. Codezeilen) usw. handeln kann, können in jedem beliebigen gewünschten Softwareformat implementiert sein, beispielsweise unter Verwendung objektorientierter Programmierung, unter Verwendung von Leiterlogik, sequenziellen Funktionsdiagrammen, Funktionsblockdiagrammen oder unter Verwendung einer beliebigen anderen Software-Programmiersprache oder eines beliebigen anderen Auslegungsparadigmas. Ebenso können die Steuerprogramme beispielsweise fest in einen oder mehrere EPROMs, EEPROMs, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) oder beliebige andere Hardware- oder Firmware-Elemente integriert sein. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung 11 dazu konfiguriert sein, eine Steuerstrategie oder ein Steuerprogramm in jeder beliebigen gewünschten Weise zu implementieren.
In einigen Ausführungsformen implementiert die Steuereinrichtung 11 eine Steuerstrategie mithilfe von üblicherweise als Funktionsblöcke bezeichneten Elementen, wobei jeder Funktionsblock ein Objekt oder ein anderer Teil (z. B. ein Unterprogramm) eines Gesamtsteuerprogramms ist und in Verbindung mit anderen Funktionsblöcken arbeitet (über Kommunikationsverbindungen, die als Links bezeichnet werden), um Prozesssteuerschleifen im Prozesssteuerungssystem 10 zu implementieren. Funktionsblöcke führen typischerweise eine der folgenden Funktionen aus: eine Eingabefunktion, beispielsweise im Zusammenhang mit einem Messwertgeber, einem Sensor oder einer anderen Prozessparameter-Messvorrichtung, eine Steuerungsfunktion, beispielsweise im Zusammenhang mit einem Steuerprogramm, das PID-Steuerungsprogramme, eine Fuzzy-Logic-Steuerung oder dergleichen ausführt, oder eine Ausgabefunktion, die den Betrieb einer Vorrichtung steuert, beispielsweise eines Ventils, um eine physikalische Funktion innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10 auszuführen. Natürlich existieren auch hybride und andere Typen von Funktionsblöcken. Funktionsblöcke können in der Steuereinrichtung 11 gespeichert sein und darin ausgeführt werden, was typischerweise der Fall ist, wenn diese Funktionsblöcke für standardmäßige 4–20-mA-Vorrichtungen und einige Typen von intelligenten Arbeitsbereichsvorrichtungen wie z. B. HART-Vorrichtungen benutzt werden oder diesen zugeordnet sind, oder sie können in den Arbeitsbereichsvorrichtungen selbst gespeichert und implementiert sein, was bei Fieldbus-Vorrichtungen der Fall sein kann. Obwohl die Beschreibung des Steuerungssystems 10 hier anhand einer Funktionsblocksteuerstrategie erfolgt, können die offenbarten Verfahren und Systeme auch anhand anderer Konventionen wie z. B. Leiterlogik, sequenzieller Funktionsdiagramme usw. oder unter Verwendung jeder beliebigen anderen Programmiersprache oder jedes beliebigen anderen Paradigmas implementiert oder ausgelegt sein.
Wie durch den auseinandergezogenen Block 40 aus 1 dargestellt, kann die Steuereinrichtung 11 eine Anzahl von Einzelschleifen-Steuerprogrammen aufweisen, die als Programme 42 und 44 dargestellt sind, und kann bei Bedarf eine oder mehrere erweiterte Steuerschleifen wie z. B. Mehrfach/Eingang-mehrfach/Ausgang-Steuerprogramme implementieren, die als Steuerschleife 46 dargestellt sind. Jede solche Schleife wird typischerweise als ein Steuermodul bezeichnet. Die Einzelschleifen-Steuerprogramme 42 und 44 sind so dargestellt, dass sie eine Einzelschleifen-Steuerung jeweils anhand eines Einzeleingang/Einzelausgang-Fuzzy-Logic-Steuerblocks bzw. eines Einzeleingang/Einzelausgang-PID-Steuerblocks durchführen, die mit geeigneten Analogeingangs-(AE)- und Analogausgangs-(AA)-Funktionsblöcken verbunden sind, welche Prozesssteuervorrichtungen wie z. B. Ventilen, Messvorrichtungen wie z. B. Temperatur- und Drucktransmittern oder jeder beliebigen anderen Vorrichtung innerhalb des Prozesssteuerungssystems 10 zugeordnet sein können. Die erweiterte Steuerschleife 46 ist so dargestellt, dass sie Eingänge aufweist, die kommunizierend mit einem oder mehreren AE-Funktionsblöcken verbunden sind, und Ausgänge, die kommunizierend mit einem oder mehreren AA-Funktionsblöcken verbunden sind, obwohl die Eingänge und Ausgänge eines erweiterten Steuerblocks 48 auch mit sämtlichen anderen gewünschten Funktionsblöcken oder Steuerelementen verbunden sein können, um andere Typen von Eingängen zu empfangen und andere Typen von Steuerausgängen bereitzustellen. Bei dem erweiterten Steuerblock 48 kann es sich um jeden beliebigen Typ eines modellprädiktiven Steuerungsblocks (MPC-Blocks), eines neuronalen Netzwerk-Modellierungs- oder Steuerblocks, eines Fuzzy-Logic-Steuerblocks mit mehreren Variablen, eines Echtzeit-Optimiererblocks usw. handeln, oder um einen adaptiv abgestimmten Steuerblock usw. Man wird verstehen, dass die in 1 dargestellten Funktionsblöcke einschließlich des erweiterten Steuerblocks 48 von der Steuereinrichtung 11 ausgeführt werden können oder alternativ in jeder beliebigen anderen Verarbeitungsvorrichtung angeordnet sein und ausgeführt werden können, beispielsweise in einem der Arbeitsplatzrechner 13 oder sogar in einer der Arbeitsbereichsvorrichtungen 19–22.
Ferner können, wie in 1 gezeigt, ein oder mehrere Prozessmodellidentifikationsprogramme 50 in einer oder mehreren Vorrichtungen des Prozesssteuerungssystems 10 gespeichert sein. Obwohl die Modellidentifikationsprogramme 50 so dargestellt sind, dass sie in der Steuereinrichtung 11 und den Arbeitsplatzrechnern 13 gespeichert sind, können die Programme 50 stattdessen oder zusätzlich auch in anderen Vorrichtungen gespeichert sein und ausgeführt werden, darunter beispielsweise in einer beliebigen Arbeitsbereichsvorrichtung 15–22. Jedes Modellidentifikationsprogramm 50 ist kommunizierend an ein oder mehrere Steuerprogramme wie z. B. die Steuerprogramme 42, 44, 46 gekoppelt, um eine oder mehrere manipulierte Variablen (z. B. Steuerausgänge) und eine mehrere gemessene Prozessvariablen zu empfangen. Jedes Modellidentifikationsprogramm 50 ist dafür zuständig, auf Grundlage einer Prozessstörung oder eines Steuerungssignals (einschließlich Sollwertänderungen) und einer oder mehrerer gemessener Prozessvariablen schnell ein Prozessmodell für eine oder mehrere Prozessschleifen oder Prozesse zu identifizieren. Obwohl ein jeweiliges Modellidentifikationsprogramm 50 ein Prozessmodell für einen bestimmten zugehörigen Satz einer manipulierten Variablen (z. B. eines Steuerausgangs oder eines Sollwerts) und eine Prozessvariable, die von dem Steuerausgang gesteuert wird, ermitteln kann, kann ein Modellidentifikationsprogramm 50 auch die Beziehung dazwischen ermitteln oder kann ein Prozessmodell ermitteln, das mit einem gewünschten Satz manipulierter Variablen und Prozessvariablen in Zusammenhang steht, und ist nicht auf das Ermitteln von Prozessmodellen für einen Satz manipulierter Variablen und Prozessvariablen im Zusammenhang mit einer bestimmten Steuerschleife beschränkt.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Simulationssystem 52 in einem der Arbeitsplatzrechner 13 gespeichert und kann darin ausgeführt werden. Das Simulationssystem 52 ist kommunizierend an ein oder mehrere der Modellidentifikationsprogramme 50 gekoppelt und verwendet ein oder mehrere Prozessmodelle, die von den Modellidentifikationsprogrammen 50 entwickelt wurden, um die Simulation durchzuführen. In diesem Fall kann das Simulationssystem 52 kommunizierend an eines oder alle der Modellidentifikationsprogramme 50 gekoppelt sein, um Prozessmodelle von den Programmen 50 zu empfangen, während die Prozessmodelle entwickelt werden. Ein Benutzer kann das Simulationssystem 52 zum Durchführen einer Prozesssimulation benutzen, um auf diese Weise anhand der identifizierten Prozessmodelle den künftigen Ablauf des Prozesses zu simulieren. Da die Modellidentifikationsprogramme 50 dazu in der Lage sind, Prozessmodelle oder Prozessbeziehungen schnell anhand der Rückkopplung vom laufenden Prozess zu ermitteln, wird man anhand der nachfolgenden Erörterung verstehen, dass das Simulationssystem 52 in Betrieb und in der Lage dazu sein kann, einen Prozess oder eine Prozessschleife, die von der Steuereinrichtung 11 gesteuert wird, zu simulieren, bevor die Steuereinrichtung 11 eine vollständige Steuerreaktion tatsächlich implementiert (wobei die Steuereinrichtung 11 die Prozessvariable in Reaktion auf eine Prozessstörung oder eine Veränderung eines Prozessvariablensollwerts steuert). Dieses Merkmal macht das Simulationssystem 52 nach der Einrichtung des Prozesssteuerungssystems 10 oder nach einer Änderung in einem Prozesssteuerungssystem 10 rasch nutzbar und macht das Simulationssystem 52 nützlich für das Abstimmen von Prozesssteuerschleifen, während die Steuereinrichtung 11 noch damit beschäftigt ist, den Prozess in Reaktion auf eine bestimmte Prozessstörung oder Sollwertänderung zu steuern.
Der Betrieb der Modellidentifikationsprogramme 50, die ein Verfahren zum schnellen Ermitteln eines Prozessmodells oder einer Beziehung zwischen einer manipulierten Variable (einschließlich einer Störvariable) und einer Prozessvariable implementieren, soll nun im Zusammenhang mit 2–6 beschrieben werden. Allgemein existieren drei Grundtypen von Prozessen, die durch ihre Steuerschleifenreaktionen definiert sind, und wobei es sich um einen integrierenden Prozess, einen selbstregulierenden Prozess und einen unkontrollierten Prozess handelt. Bei einem integrierenden Prozess steigt die Prozessvariable in Reaktion auf eine Stufenänderung der manipulierten Variablen kontinuierlich über einen relativ stabilen Dauerzustand hinweg an. Bei einem selbstregulierenden Prozess steigt die Prozessvariable in Reaktion auf eine Stufenänderung der manipulierten Variablen auf einen neuen Dauerzustandswert an, verlangsamt sich, je mehr sie sich einem neuen Dauerzustandswert annähert, und flacht schließlich am neuen Dauerzustandswert ab. Selbstregulierende Prozesse werden allgemein als Prozesse mit negativer Rückkopplung beschrieben. Bei einem unkontrollierten Prozess dagegen steigt die Prozessvariable in Reaktion auf eine Stufenänderung der manipulierten Variablen mit Beschleunigung an, bis die Prozessvariable eine Entlastungs- oder Sperreinstellung im Steuerungssystem erreicht, die den Prozess in irgendeiner Weise anhält. Unkontrollierte Prozesse werden allgemein als Prozesse mit positiver Rückkopplung beschrieben.
2 zeigt die Steuerschleifenreaktion eines beispielhaften integrierenden Prozesses, die typisch für flache Prozesse und bestimmte Chargenprozesse ist. Wie in 2 gezeigt, ändert sich in Reaktion auf eine Veränderung des Steuerungsausgangs (d. h. der manipulierten Variablen) die Anstiegsrate der Prozessvariablen PV und fährt fort, mit einer im Wesentlichen konstanten Anstiegsrate anzusteigen, ohne sich jemals auf einen Dauerzustandswert einzupendeln. Typischerweise wird die Veränderung der Anstiegsraten ab dem Zeitpunkt vor der Veränderung der manipulierten Variablen MV bis zu einem wesentlichen Zeitraum nach der Veränderung der manipulierten Variablen MV dazu benutzt, die integrierende Verstärkung (K_i) einer Offenschleifenprüfung zu identifizieren. Bei einer Steuerung mit geschlossener Schleife pendelt sich die Prozessvariable PV allgemein an einem Sollwert vor und nach der Prüfung ein. In diesem Fall ist die anfängliche Anstiegsrate der Prozessvariable typischerweise null, und die Anstiegsrate der Prozessvariablen während der gesamten Reaktionsdauer wird zum Identifizieren der integrierende Verstärkung K_i benutzt. In jeden Fall kann die integrierende Verstärkung K_i eines integrierenden Prozesses als die Veränderung der Anstiegsrate der Prozessvariablen vor und nach der Veränderung der manipulierten Variablen berechnet werden und lässt sich mathematisch ausdrücken als: K_i = {[ΔPV₂/ΔT₂] – [ΔPV₁/ΔT₁]}/ΔMV wobei:
ΔMV die Veränderung der manipulierten Variablen ist;
ΔPV₁ die Veränderung der Prozessvariable während einer Zeitspanne ΔT₁ ist, die unmittelbar vor der Veränderung der Prozessvariablen eintritt, welche durch eine wesentliche Veränderung der manipulierten Variablen eingeleitet wird; und
ΔPV₂ die maximale Veränderung der Prozessvariablen während einer Zeitspanne ΔT₂ ist, die nach der Veränderung der Prozessvariable eintritt, welche durch eine wesentliche Veränderung der manipulierten Variablen eingeleitet wird. Im Allgemeinen wird diese Berechnung anhand der Veränderungen der Prozessvariablen PV und der manipulierten Variablen durchgeführt, die als prozentuale Veränderungen der Bereiche dieser Variablen ausgedrückt werden.
In ähnlicher Weise zeigt 3 die Offenschleifenreaktion eines selbstregulierenden Prozesses. Wie in 3 zu erkennen ist, bleibt die Prozessvariable PV nach einer Veränderung der manipulierten Variablen MV (hier als zu einem Zeitpunkt t₀ stattfindend angegeben) über eine Stillstandszeit θ_p im Großen und Ganzen gleichmäßig oder konstant (d. h. die Prozessvariable PV unterliegt keinen wesentlichen Veränderungen) und bleibt auf diese Weise bis zum Ende der Stillstandszeit θ_p innerhalb eines Rauschbands. Anschließend steigt die Prozessvariable im Zeitverlauf an, und flacht nach einer wesentlichen Zeitspanne an einem Ruhepunkt oder einem neuen Dauerzustandswert ab. In diesem Fall kann der Prozess anhand einer Offenschleifenverstärkung K_o und einer Prozesszeitkonstante τ_p ^– beschrieben oder modelliert werden. Die Offenschleifenverstärkung K_o lässt sich folgendermaßen berechnen: K_o = ΔPV/ΔMV wobei:
ΔMV die Veränderung der manipulierten Variablen ist; und
ΔPV die Gesamtveränderung der Prozessvariable zwischen dem Anfangswert an einem Zeitpunkt t₀ und dem abschließenden Ruhewert der Prozessvariablen ist. Auch diese Berechnung wird typischerweise anhand der Veränderungen der Prozessvariablen ΔPV und der manipulierten Variablen ΔMV durchgeführt, die als prozentuale Veränderungen der Bereiche dieser Variablen ausgedrückt werden. In jedem Fall wird, wie in 3 gezeigt, die dominierende Prozesszeitkonstante τ_p ^– mit negativer Rückkopplung allgemein als das 0,63-fache der Gesamtveränderung des Wertes der Prozessvariable PV berechnet (d. h. 0,63·ΔPV).
4 zeigt eine typische Reaktion eines unkontrollierten Prozesses, der am häufigsten bei hoch exothermen Reaktortemperatursteuerungssituationen zu beobachten ist. Wie in 4 gezeigt, bleibt die Prozessvariable PV in Reaktion auf eine Veränderung der manipulierten Variablen MV für einige Zeit nach der Veränderung der manipulierten Variablen MV innerhalb des Rauschbands, wobei diese Zeit als die Prozessstillstandszeit θ_p definiert ist. Anschließend verändert sich die Prozessvariable PV mit einer Anstiegsrate, die aufgrund der positiven Rückkopplung im Prozess zu einer Steigerung im Zeitverlauf neigt. In einigen exothermen Prozessen bewirkt beispielsweise eine Steigerung der Reaktionsrate (die bei einer Temperatursteigerung eintritt) eine höhere Wärmeabgabe, die wiederum die Temperatur weiter erhöht, was zu einer noch größeren Reaktionsrate führt usw. Aufgrund der Beschleunigung der Temperaturreaktion aus der positiven Rückkopplung des Prozesses wird schließlich ein „Punkt ohne Rückkehr” erreicht, an dem das Steuerungssystem die Reaktion nicht mehr abkühlen kann. In diesen Fällen kann beispielsweise ein gemessener Druck rasch die Einstellung der Entlastungsventile überschreiten oder Scheiben in Druckventilen des Systems zum Bersten bringen (z. B. innerhalb von Minuten), was zu einem Übergehen des Reaktorinhalts in ein Fackelsystem führt. Daher ist es wichtig, dass die Temperatursteuerung auf die anfängliche Anstiegsrate reagiert, bevor die Beschleunigung durch die positive Rückkopplung den Punkt ohne Rückkehr erreicht. Dieses Ergebnis lässt sich typischerweise erzielen, indem während der Steuerung die höchstmögliche Steuerungsverstärkung verwendet wird.
In jedem Fall lässt sich ein unkontrollierter Prozess mit einer Prozessverstärkung K_p und einer dominierenden positive Rückkopplungszeitkonstante τ_p ⁺ modellieren. Dabei wird die Prozessverstärkung berechnet als: K_p = Δ%PV/Δ%CO wobei:
Δ%PV eine Veränderung der Prozessvariablen (in Prozent) über einen wesentlichen Zeitraum hinweg ist; und
Δ%CO die Veränderung des Steuereinrichtungsausgangs (d. h. der manipulierten Variablen) in Prozent ist.
Außerdem ist die positive Rückkopplungszeitkonstante τ_p ⁺ typischerweise als die Zeit eingestellt, die die Prozessvariable PV benötigt, um das 1,72-fache von Δ%PV zu erreichen. Natürlich werden bei unkontrollierten Prozessen aufgrund der instabilen Natur des Prozesses die meisten charakterisierenden Prüfungen in Steuersituationen mit geschlossener Schleife durchgeführt.
Wie anhand der Graphen aus 2–4 zu erkennen ist, lassen sich einige nicht integrierende Prozesse wie z. B. schnell wirkende Prozesse mit hoher Prozessverstärkung und langsame Prozesse mit großen dominierenden Zeitkonstanten derart charakterisieren, dass sie integrierende oder „nahezu integrierende” Reaktionen auf die Steuerregion unmittelbar nach der Stillstandszeitspanne θ_p aufweisen. Insbesondere ändert sich, wie in 2 gezeigt, die Anstiegsrate der Prozessvariablen PV eines integrierenden Prozesses nach einer Veränderung der manipulierten Variablen MV und nach der Stillstandszeitspanne θ_p sofort und neigt dann dazu, sehr schnell eine Tangente oder eine relativ gleichmäßige Anstiegsrate zu erreichen. Wie aus 3 und 4 zu erkennen ist, tritt eben dieses Phänomen auch bei dem dargestellten selbstregulierenden und unkontrollierten Prozess zumindest für eine kurze Zeitspanne unmittelbar nach dem Ende der Stillstandszeitspanne θ_p auf. In Bezug auf 3 ist zu beachten, dass aufgrund des eingeschränkten Raums, der zur Darstellung der gesamten selbstregulierenden Reaktion im Graphen aus 3 zur Verfügung steht, die beispielhafte Prozessreaktion nicht mit einem besonders langsamen Prozess in Zusammenhang steht. Allerdings weisen die meisten relevanten selbstregulierenden Prozesse in der Prozessindustrie eine Zeitkonstante auf, die um mehr als eine Größenordnung höher ist als die in 3 gezeigte. In diesen Fällen ist die Krümmung der anfänglichen Reaktion (aufgrund einer sekundären Zeitkonstante) hin zu einer neuen Anstiegsrate, wie in 3 zu beobachten, weniger signifikant, und die Anstiegsrate der Prozessvariablen PV entspricht eher der Tangentenlinie des Wendepunkts.
Obwohl es sich beim klassischen integrierenden Prozess um einen reinen Chargen- oder flachen Prozess handelt, sind weniger als zehn Prozent der typischen Prozesse der chemischen Industrie integrierende Prozesse. Darüber hinaus handelt es sich bei weniger als einem Prozent der typischen Prozesse der chemischen Industrie um unkontrollierte Prozesse, die nahezu ausschließlich mit hoch exothermen Reaktoren in Zusammenhang stehen, die in Produktionsprozessen für Kunststoff und Spezialchemikalien verwendet werden. Somit sind mehr als 90 Prozent der Prozesse der chemischen Industrie selbstregulierende Prozesse. Aus den oben genannten Gründen verhalten sich jedoch viele kontinuierliche und Chargenzufuhrprozesse der chemischen Industrie (oder wenigstens diejenigen mit den höchsten direkten wirtschaftlichen Vorteilen) wie „nahezu integrierende” Prozesse und können für die hierin beschriebenen Modellierungszwecke als solche behandelt werden. Insbesondere ist ein „nahezu integrierender” Prozess im hier verwendeten Sinne ein Prozess, der zunächst über wenigstens zwei Stillstandszeiten nach Ablauf der Prozessstillstandszeitspanne wie ein integrierender Prozess reagiert, indem die Prozessvariable dazu neigt, kurz nach dem Ablauf der Prozessstillstandszeitspanne in Reaktion auf eine Stufenänderung der manipulierten Variablen mit einer relativ konstanten Rate anzusteigen.
Aufgrund der Tatsache, dass die meisten interessierenden Prozesse der Prozesssteuerungsindustrie integrierende Prozesse sind oder sich als nahezu integrierende Prozesse charakterisieren lassen, ist ein Verfahren zum schnellen Identifizieren eines Prozessmodells für einen Prozess, das unten beschrieben wird, dazu in der Lage, mit allen diesen Prozesstypen zu arbeiten. Allgemein ausgedrückt ermittelt das Verfahren zum schnellen Identifizieren eines Prozessmodells für einen Prozess, das hierin beschrieben wird, anhand der Reaktion der Prozessvariablen auf eine Veränderung der manipulierten Variablen in der kurzen Zeitspanne nach der Veränderung der manipulierten Variablen eine Prozessstillstandszeit θ_p und eine integrierende Verstärkung K_i für den Prozess. Wie oben angegeben, lässt sich dieses Verfahren auf viele verschiedene Typen von Prozessen oder Prozessschleifen anwenden, darunter integrierende Prozessschleifen und selbstregulierende oder unkontrollierte Prozessschleifen, die sich als „nahezu integrierende” Prozessschleifen charakterisieren lassen.
Insbesondere lässt sich für einen Prozess ein relativ genaues Prozessmodell entwickeln, indem anhand der Reaktion der Prozessvariable während einer kurzen Zeitspanne unmittelbar nach der Veränderung der manipulierten Variablen oder kurz nach dem Ablauf der Stillstandszeitspanne eine integrierende Verstärkung des Prozesses geschätzt oder ermittelt wird. Bei integrierenden oder nahezu integrierenden Prozessen neigt die Prozessvariable nach Ablauf der Stillstandszeitspanne des Prozesses sogar dazu, sich sehr schnell mit einer Anstiegsrate zu verändern, die über die gesamte Prozessreaktionszeit hinweg relativ konstant bleibt, insbesondere bei der Offenschleifensteuerung. Diese Anstiegsrate der Prozessvariablen kann auf diese Weise an einem relativ frühen Punkt in der Prozessreaktionszeit gemessen werden, und diese gemessene Anstiegsrate kann dann dazu benutzt werden, eine integrierende Verstärkung für den Prozess zu ermitteln, die wiederum dazu benutzt werden kann, Parameter des Prozesses (Prozessmodellparameter) zu schätzen oder zu charakterisieren, beispielsweise die Prozessverstärkung und die dominierende Zeitkonstante, ohne dass gewartet werden muss, bis die gesamte Reaktionsdauer des Prozesses stattgefunden hat oder bis der Prozess derart gesteuert wurde, dass er einen Dauerzustand in Reaktion auf die Veränderung einer manipulierten Variablen zu erreicht. Auf diese Weise lässt sich auch für langsam reagierende Prozesse wie z. B. Prozesse, die Minuten, Stunden oder sogar Tage benötigen, um ihren abschließenden Ruhepunkt zu erreichen, anhand der Reaktion der Prozessvariablen während einer relativ kurzen Zeitspanne unmittelbar nach der Veränderung der Steuerungs- oder der manipulierten Variablen rasch ein Prozessmodell ermitteln oder identifizieren.
Natürlich beinhaltet das Ermitteln der Prozessstillstandszeit das Ermitteln des Zeitpunkts, an dem eine Veränderung einer manipulierten Variablen, z. B. eine Sollwertveränderung oder ein Ausgang der Steuereinrichtung, in den Prozess eingebracht wird, und das Messen der gesteuerten Prozessvariablen (oder anderer interessierender Prozessvariablen), um zu identifizieren, wann die Prozessvariable sich in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen zu verändern beginnt. Die Prozessstillstandszeit wird dann als die Zeit zwischen dem Ausgang der Steuerungseinrichtung (der manipulierten Variablen) und dem Beginn der Veränderung der Prozessvariablen bestimmt. Natürlich existieren viele bekannte Möglichkeiten zum Schätzen der Prozessstillstandszeit, und es kann jedes beliebige dieser Verfahren verwendet werden, um die Prozessstillstandszeit in einem Prozess zu ermitteln.
Um die integrierende Verstärkung K_i des Prozesses zu ermitteln oder zu schätzen, identifiziert oder misst das Verfahren die Anstiegsrate der Prozessvariablen über eine kurze Zeit nach dem Ablauf der Stillstandszeitspanne θ_p und benutzt die identifizierte Anstiegsrate dazu, ein Verhältnis einer Veränderung der Prozessvariablen im Zeitverlauf zu einer Veränderung der manipulierten Variablen zu ermitteln. Die kurze Zeit nach dem Ablauf der Stillstandszeitspanne θ_p, während der die Anstiegsrate der Prozessvariablen ermittelt wird, kann allgemein zwischen dem anfänglichen Abschnitt der Prozessreaktionszeit nach dem Ende der Stillstandszeitspanne, z. B. vor dem Ablauf der Hälfte der Prozessreaktionszeit, innerhalb einer oder einiger Stillstandszeiten nach dem Ende der Stillstandszeit, innerhalb von zehn Stillstandszeiten nach dem Ende der Stillstandszeitspanne usw. liegen. Beispielsweise kann das Verfahren die Anstiegsrate der Prozessvariablen innerhalb einer Zeitspanne ermitteln, die sich über zwei bis sechs Vielfache der identifizierten Prozessstillstandszeit nach dem Ablauf der Prozessstillstandszeitspanne erstreckt. Allerdings kann die Anstiegsrate der Prozessvariablen auch über jede andere gewünschte Zeitspanne unmittelbar oder kurz nach dem Ablauf der Stillstandszeitspanne ermittelt werden, beispielsweise über eine Zeitspanne, die zwei oder mehr Vielfachen der identifizierten Stillstandszeit entspricht. In einer Ausführungsform kann die Anstiegsrate der Prozessvariablen mehrfach über eine Anzahl aufeinanderfolgender (z. B. sechs bis zehn) Zeitspannen nach dem Ablauf der Stillstandszeitspanne ermittelt werden, wobei die Länge jeder Zeitspanne beispielsweise der identifizierten Prozessstillstandszeit entspricht. In diesem Fall kann das Verfahren dann die höchste oder steilste (d. h. maximale) gemessene Anstiegsrate als die identifizierte Anstiegsrate der Prozessvariablen wählen. In anderen Ausführungsformen kann die ausgewählte oder identifizierte Prozessvariable ein durchschnittliches, Median- oder anderes statistisches Maß einer Mehrzahl gemessener Anstiegsraten sein, die für unterschiedliche Zeitpunkte während der Prozessvariablenreaktion unmittelbar oder kurz nach dem Ablauf der Prozessstillstandszeitspanne ermittelt wurden. Außerdem kann eine einzelne Anstiegsrate der Prozessvariablen anhand von Daten gemessen oder ermittelt werden, die sich über eine gewünschte Zeitspanne nach dem Ablauf der Stillstandszeitspanne erstrecken, beispielsweise eine Zeitspanne von zwei, drei oder mehr Stillstandszeiten.
Nach der Ermittlung werden die Anstiegsraten der Prozessvariablen dazu benutzt, die integrierende Verstärkung K_i des Prozesses zu bestimmen. Insbesondere kann die integrierende Verstärkung K_i des Prozesses als das Verhältnis der prozentualen Veränderung der Anstiegsrate der Prozessvariablen im Zeitverlauf (d. h. der Anstiegsrate der Prozessvariablen ausgedrückt als prozentuale Veränderung der Prozessvariable im Zeitverlauf) zu der Veränderung der manipulierten Variablen (ausgedrückt als prozentuale Veränderung der manipulierten Variablen) ermittelt werden. Dieses Verhältnis lässt sich mathematisch ausdrücken als: K_i = (ΔPV₂/ΔT₂ – ΔPV₁/ΔT₁)/ΔMV wobei:
ΔT₁ und ΔT₂ Zeitintervalle zum Ermitteln der Anstiegszeit sind;
ΔPV₁ und ΔPV₂ die maximalen Veränderungen der gemessenen Prozessvariablen (in Prozent des Bereichs der Prozessvariablen) während der Zeitintervalle ΔT₁ bzw. ΔT₂, sind; und
ΔMV die Veränderung der manipulierten Variablen in Prozent des Bereichs der manipulierten Variable ist.
Dabei kann es sich bei ΔT₁ um ein beliebiges Zeitintervall vor dem Ende der Stillstandszeitspanne θ_p handeln, und bei ΔT₂ um ein beliebiges Zeitintervall nach dem Ende der Stillstandszeitspanne θ_p, das jedoch vorzugsweise unmittelbar oder kurz nach dem Ablauf der dem Ende der Stillstandszeitspanne θ_p liegt. Außerdem können ΔT₁ und ΔT₂ im Vergleich zur Prozessreaktionszeit relativ kurze Zeitspannen sein, beispielsweise eine bis sechs Stillstandszeiten.
Anschließend können die identifizierte Prozessstillstandszeit θ_p und die integrierende Verstärkung K_i dazu benutzt werden, einen oder mehrere Prozessmodellparameter wie z. B. eine Prozessverstärkung, eine Prozessstillstandszeit und eine dominierende Zeitkonstante des Prozesses zu ermitteln, oder sie können dazu benutzt werden, Faktoren, Größen oder Variablen eines Erste-Prinzipien-Modells wie z. B. eines Gewöhnliche-Differenzialgleichung-(ordinary differential equation, ODE)-Prozessmodells zu ermitteln.
Da die geschätzte Prozessstillstandszeit θ_p und die geschätzte integrierende Verstärkung K_i sich innerhalb einer relativ kurze Zeitspanne nach der Veränderung der manipulierten Variablen (oder Störvariablen), z. B. innerhalb von zwei bis zehn Stillstandszeiten nach der Veränderung der manipulierten Variablen ermitteln lassen, wird man verstehen, dass ein Prozessmodell für den Prozess sehr schnell ermittelt werden kann, und dass es sogar in vielen Fällen ermittelt werden kann, bevor die Steuereinrichtung die Steuerung der Prozessvariablen zum Erreichen eines Dauerzustands in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen abgeschlossen hat.
Somit beinhaltet die verallgemeinerte Verfahrensweise zum schnellen Identifizieren eines Prozessmodells das Identifizieren der Prozessstillstandszeit als die Zeit, vor der eine merkliche Reaktion der Prozessvariablen vorliegt, und das Identifizieren der integrierenden Prozessverstärkung anhand einer Veränderung der Anstiegsraten vor und nach der Stillstandszeit. Die Zeitspanne zum Identifizieren der Veränderung der Anstiegsrate kann lediglich zwei Stillstandszeiten betragen und kann sich auf eine beliebige Anzahl von Stillstandszeiten erstrecken, ist jedoch stets weniger als die Gesamtprozessreaktionszeit. Die Berechnung kann fortfahren, die Ermittlung der integrierenden Verstärkung zu verfeinern, bis die Anstiegsrate abnimmt oder beginnt, abzunehmen. Man wird verstehen, dass die Berechnung der Stillstandszeit und der integrierenden Verstärkung allgemein nach einer Veränderung des Schleifensollwerts oder nach dem abschließenden Steuerelement beginnt, das eine quantifizierbare Veränderung einer Störvariablen, manipulierten Variablen oder eines Prozesseingangs auslöst, die bzw. der eine messbare Prozessvariable beeinflusst. Diese Prozessausgänge können beispielsweise PID-Prozessvariablen, MPC-gesteuerte Variablen oder beliebige prozessbezogene, wirtschaftliche oder qualitätsbezogene Variablen sein. Die integrierende Verstärkung K_i kann dann dazu benutzt werden, experimentelle und/oder hybride experimentelle ODE-Modelle oder andere Modelle für Anlagensimulationen bereitzustellen.
Ferner wird geschätzt, dass sich die Zeit zum automatischen Identifizieren und Einsetzen von Prozessmodellen mithilfe dieses Verfahrens auf einige Minuten reduzieren lässt, was die Entwicklung einer anlagenweiten Simulation innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne ermöglicht. Die integrierende Verstärkung K_i kann auch dazu benutzt werden, ODE-Modelle anhand von Material- und Energiebilanzen zu parametrisieren, indem die integrierende Verstärkung K_i für selbstregulierende und nicht selbstregulierende Prozesse mit positiver Rückkopplung direkt zum Integrieren oder Berechnen der Prozesszeitkonstante als dem Verhältnis einer Prozessverstärkung zu einer nahezu integrierenden Verstärkung benutzt werden.
Insbesondere kann eine Prozessverstärkung K_p sowohl für selbstregulierende als auch unkontrollierte Prozesse wie folgt berechnet oder annähernd berechnet werden: K_p = PV_o/MV_o wobei PV_o und MV_o die Anfangswerte der Prozessvariablen und der manipulierten Variable unmittelbar vor oder bei der Veränderung der manipulierten Variablen sind. Natürlich können bei Bedarf auch andere Wege zum Schätzen der Prozessverstärkung benutzt werden.
Außerdem können eine Prozesszeitkonstante mit negativer Rückkopplung τ_p ^– für einen selbstregulierenden oder eine Prozesszeitkonstante mit positiver Rückkopplung τ_p ⁺ für einen unkontrollierten Prozess wie folgt berechnet werden: τ_p ^– = K_p/K_i τ_p ^– = K_p/K_i
In diesem Fall also wird die Prozessverstärkung K_p als das Verhältnis der anfänglichen Prozessvariable zur anfänglichen manipulierten Variablen unmittelbar vor der Veränderung der manipulierten Variablen berechnet. Es ist wichtig, dass die experimentellen und hybriden Modelle Abweichungen der manipulierten Variablen als Eingänge benutzen und als Ausgänge Abweichungen der Prozessvariablen bereitstellen, um mit Betriebspunkt-Nichtlinearitäten umzugehen, die in der Prozessindustrie vorherrschend sind.
5 zeigt ein vereinfachtes Funktionsblockdiagramm 60, das dazu benutzt werden kann, ein oder mehrere der Modellidentifikationsmodule 50 aus 1 zum Ermitteln einer Prozessvariablen-Stillstandszeit, Anstiegsrate, integrierenden Verstärkung und anderer Prozessmodellparameter für ein bestimmtes Paar von Prozess- und manipulierter Variable PV und MV z. B. während des On-Line- oder laufenden Betriebs der Anlage oder des Prozesses in der Anlage zu implementieren. Natürlich kann es sich bei der Prozessvariable um einen gemessenen Wert der Prozessvariablen handeln, der von der manipulierten Variablen MV gesteuert wird, oder es kann sich um eine beliebige andere Prozessvariable handeln, die von der manipulierten Variablen MV beeinflusst wird und für die eine Beziehung oder ein Modell mit der manipulierten Variablen MV gewünscht wird. Außerdem kann es sich bei der manipulierten Variablen MV um einen Ausgang der Steuereinrichtung, einen Sollwert, eine Störvariable oder eine beliebige andere Variable handeln, die die Prozessvariable direkt oder indirekt beeinflusst.
Wie in 5 gezeigt, werden die interessierende Prozessvariable PV und die manipulierte Variable MV an einen Stillstandszeitblock 62 bereitgestellt, der Veränderungen der manipulierten Variablen MV detektiert. Der Stillstandszeitblock 62 zeichnet die Veränderung der manipulierten Variablen auf und erzeugt ein Signal ΔMV, das auf die Veränderung der manipulierten Variablen hinweist. Der Stillstandszeitblock 62 zeichnet auch den Wert der Prozessvariable auf, nachdem er eine Veränderung der manipulierten Variablen MV erkannt hat, und überwacht die Prozessvariable im Zeitverlauf, um die Prozessstillstandszeit θ_p zu detektieren oder zu ermitteln, die diesem bestimmten Paar einer Prozessvariablen und einer manipulierten Variablen zugeordnet ist. Wenn sich die Prozessvariable PV nach der Veränderung der manipulierten Variable MV signifikant zu verändern beginnt (außerhalb des Rauschbands), ermittelt oder berechnet der Stillstandszeitblock 62 die Prozessstillstandszeit θ_p als die Zeitmenge, die die Prozessvariable PV benötigte, um auf die Veränderung der manipulierten Variablen MV zu reagieren oder in Reaktion darauf mit einer Veränderung zu beginnen. Natürlich gibt es viele unterschiedliche Wege und Verfahren, die zum Ermitteln der Prozessstillstandszeit θ_p anhand einer Messung einer Prozessvariablen und einer manipulierten Variablen benutzt werden können, und jedes dieser Verfahren kann in Block 62 verwendet werden.
Ein Ausgang des Blocks 62, der die identifizierte Prozessstillstandszeit θ_p darstellt, wird an einen Verzögerungsblock 64 und einen Anstiegsdetektionskreis oder -block 66 bereitgestellt. Der Verzögerungsblock 64 empfängt die aktuelle Messung der Prozessvariable PV und verzögert diese Messung um eine Zeit, die der ermittelten Prozessstillstandszeit θ_p entspricht. Der Anstiegsdetektionsblock 66 weist einen Summierer 67 auf, der eine Differenz zwischen dem verzögerten Wert der Prozessvariable PV und dem aktuellen Wert der Prozessvariablen PV ermittelt, um die Veränderung der Prozessvariablen ΔPV über eine Stillstandszeitspanne θ_p zu detektieren. Der Anstiegsdetektionsblock 66 kann auch einen Absolutwertblock 68 aufweisen, der den Absolutwert des Ausgangs des Summierers 67 ermittelt, und kann ferner einen Teilerkreis 69 aufweisen, der den Ausgang des Blocks 68 durch die Stillstandszeit θ_p teilt, um eine Anstiegsrate als den Wert einer Veränderung der Prozessvariable ΔPV über eine einzelne Stillstandszeitspanne θ_p zu erzeugen. Bei Bedarf kann der Wert der Veränderung der Prozessvariablen ΔPV als eine prozentuale Veränderung des Bereichs der Prozessvariablen ΔPV ausgedrückt oder in diese umgewandelt werden, bevor eine Weiterleitung an den Teilerblock 69 erfolgt.
Die Anstiegsrate der Prozessvariablen wird dann an einen Maximalwertdetektionskreis oder -block 70 bereitgestellt, der den Ausgang des Anstiegsdetektionsblocks 66 nach jeder Berechnung speichern oder analysieren kann, um den maximalen Anstiegsratenwert über eine bestimmte Zeitspanne zu ermitteln, beispielsweise über zwei bis zehn Stillstandszeitspannen. Bei Bedarf kann der Anstiegsdetektionsblock 66 eine Anstiegsrate innerhalb jeder Stillstandszeitspanne mehrfach ermitteln und diese Anstiegsrate nach jeder Berechnung an den Maximalwertdetektionsblock 70 ausgeben. Der Maximalwertdetektionsblock 70 kann dann die vom Anstiegsratenblock 66 erzeugte maximale Anstiegsrate ermitteln. Alternativ können der Verzögerungsblock 64 und der Anstiegsratenblock 66 auf kontinuierlicher Basis arbeiten, um eine Anstiegsrate über eine bestimmte Zeitspanne nach dem Ende der Stillstandszeitspanne während der Prozessvariablenreaktion kontinuierlich oder nahezu kontinuierlich zu ermitteln, oder bis die Anstiegsrate beginnt, abzufallen. In diesem Fall detektiert der Maximalwertdetektionsblock 70 während dieser kontinuierlichen oder nahezu kontinuierlichen Zeitspanne einen maximalen Anstiegsratenausgang des Blocks 66. Der Maximalwertdetektionsblock 70 kann durch einen Block ersetzt werden, der einen anderen statistisches Maß oder einen anderen Wert im Zusammenhang mit den verschiedenen Anstiegsraten ermittelt, die von dem Block 66 ermittelt wurden, z. B. eine durchschnittliche Anstiegsrate, eine Median-Anstiegsrate usw.
In jedem Fall arbeiten die hier beschriebenen Blöcke 64, 66 und 70 zusammen, um die maximale oder eine andere statistische Anstiegsrate zu berechnen oder zu bestimmen, die für einen Satz von Zeitspannen bestimmt wird, die jeweils die Länge einer Stillstandszeitspanne aufweisen (oder bei Bedarf mehrerer Stillstandszeitspannen), um auf diese Weise die maximale Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariablen unmittelbar oder kurz nach dem Ende der Prozessvariablen-Stillstandszeitspanne zu ermitteln (z. B. innerhalb einer Zeit, die zwei bis zehn Stillstandszeiten entspricht, nach dem Ende der Stillstandszeitspanne). Die identifizierte Stillstandszeit kann dazu benutzt werden, den Verzögerungsblock 64 sofort zu aktualisieren, damit die Veränderung der Prozessvariablen während der Stillstandszeit und nach der Stillstandszeit berechnet wird. Dabei wird vorzugsweise die maximale detektierte Veränderung der Anstiegsrate benutzt. Die Benutzung der Stillstandszeit für die Zeitintervalle ΔT₁ und ΔT₂ ermöglicht die Anwendung des Verfahrens auf die Identifikation der Prozessverstärkung und der Steuereinrichtungsverstärkung für Prozesse, zu denen, ohne darauf beschränkt zu sein, selbstregulierende, integrierende und unkontrollierte Prozesse gehören. Die Benutzung der Stillstandszeit für die Zeitintervalle ΔT₁ und ΔT₂ weitet die Verfahrensweise insbesondere auf Prozesse aus, bei denen die Stillstandszeit größer ist als die Prozesszeitkonstante, wie oben beschrieben. Der Verzögerungsblock umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, den Stillstandszeitblock des DeltaV-Produkts, bei dem eine Veränderung der Stillstandszeit den Blockausgang nicht berührt. Es versteht sich natürlich, dass der Verzögerungsblock 64 stattdessen die Prozessvariable PV auch um mehr als eine einzelne Stillstandszeit verzögern kann, beispielsweise um ein Vielfaches der detektierten Stillstandszeit, also z. B. um zwei, drei usw. Stillstandszeiten. In diesem Fall teilt der Teilerblock 69 die detektierte Veränderung der Prozessvariablen ΔPV durch dieselbe Zeitspanne, die auch im Verzögerungsblock 64 angewandt wird.
Wie anhand von 5 deutlich wird, gibt der Maximalwertdetektionsblock 70 eine detektierte maximale Anstiegsrate an einen Block zur Ermittlung der integrierten Verstärkung 72 aus, der den detektierten maximalen Anstiegsratenwert und die Veränderung der manipulierten Variable ΔMV (die als eine prozentuale Veränderung des Bereichs der manipulierten Variablen ausgedrückt oder in diesen umgewandelt werden kann) dazu benutzt, die integrierende Verstärkung K_i wie oben beschrieben zu berechnen. Der Ermittlungsblock 72 stellt den integrierenden Verstärkungswert K_i dann an einen Prozessmodellgenerator 74 bereit, der auch die detektierte Prozessstillstandszeit θ_p vom Stillstandszeitblock 62 empfängt. Der Prozessmodellgenerator 74 benutzt diese Werte in der oben beschriebenen Weise, um einen oder mehrere zusätzliche Prozessmodellparameter wie z. B. eine Prozessverstärkung K_p für einen selbstregulierenden oder unkontrollierten Prozess, eine Prozesszeitkonstante mit negativer oder positiver Rückkopplung τ_p ^–, τ_p ⁺ für einen selbstregulierenden oder unkontrollierten Prozess, usw. zu ermitteln. Außerdem kann der Prozessmodellgeneratorblock 74 zusätzlich oder alternativ die integrierende Verstärkung K_i und/oder die Prozessstillstandszeit θ_p dazu benutzen, Variablenwerte zu entwickeln, die in einem oder mehreren ODE-Modellen verwendet werden. Der Prozessmodellgeneratorblock 74 kann einen oder alle Prozessmodellparameter oder Werte ausgeben, darunter die integrierende Verstärkung K_i und/oder die Prozessstillstandszeit θ_p, und kann diese Werte als Prozessmodelle an eine Abstimmungseinheit oder ein Steuerprogramm (wie z. B. eines der Steuerprogramme 42, 44, 46 aus 1), ein automatisches Abstimmungsprogramm, ein Simulationsprogramm (wie z. B. das Simulationsprogramm 52 aus 1) oder ein beliebiges anderes Steuermodul bereitstellen, das Prozessmodelle benutzt, um einige Aktivitäten innerhalb der Prozessanlage durchzuführen.
Während der Block 70 hier so beschrieben wurde, dass er die maximale von Block 66 ausgegebene Anstiegsrate detektiert, kann der Block 70 stattdessen auch jeden anderen gewünschten statistischen Wert der von Block 66 ausgegebenen Anstiegsraten benutzen, darunter eine durchschnittliche Anstiegsrate, eine Median-Anstiegsrate, eine minimale Anstiegsrate usw. Die Benutzung der maximalen Anstiegsrate wird jedoch bevorzugt, da sie die konservativste (d. h. größte) integrierende Verstärkung K_i liefert, die bei der Verwendung für Steuerungszwecke für die sicherste oder schnellste Reaktion der Steuereinrichtung sorgt. Diese Bedingung kann beispielsweise in unkontrollierten Prozessen notwendig sein, in denen es entscheidend ist, dass die Steuereinrichtung verhindert, dass der Prozess einen Punkt ohne Rückkehr erreicht.
Indem die identifizierte Stillstandszeit in einem Verzögerungsblock sowohl während der Prozessstillstandszeit als auch nach der Prozessstillstandszeit zum Berechnen der maximalen Veränderung der Prozessvariablen, die auf einer Veränderung der manipulierten Variablen beruht, benutzt wird, wird es zudem möglich, das hier beschriebene schnelle Modellierungsverfahren auf Prozesse anzuwenden, deren Stillstandszeit größer als die Prozesszeitkonstante ist, d. h. auf stillstandszeitdominierten Prozesse. Es kann gezeigt werden, dass die resultierende universelle Gleichung für die Steuereinrichtungsverstärkung zu der folgenden Steuereinrichtungsverstärkung für einen stillstandszeitdominierten Prozess führt:
Hierbei:

K_i: = Integrierende Verstärkung;
ΔPV_max: = Maximale beobachtete Veränderung der Prozessvariablen;
ΔCO_max: = Veränderung des Ausgangs der Steuereinrichtung (z. B. die manipulierte Variable); und
Δt: = Veränderung im Zeitverlauf, über den ΔPV_max gemessen wird.

Es ist außerdem bekannt, dass die Steuereinrichtungsverstärkung einer PID-Steuereinrichtung wie folgt berechnet werden kann:
Das Einsetzen von Gleichung (1) in Gleichung (2) ergibt:
Wenn das Zeitintervall gleich der beobachteten Prozessstillstandszeit (Δt = θ_o) ist und ΔPV_max und ΔCO_max erzeugt werden, indem die Prozessvariable und der Ausgang der Steuereinrichtung durch einen Stillstandszeitblock geleitet werden, wobei der Stillstandszeitparameter auf den Wert der beobachteten Prozessstillstandszeit θ_o eingestellt ist, so ist die integrierende Prozessverstärkung K_i einfach
Der Abstimmungsfaktor K_x für die maximale Störunterdrückung kann beispielsweise für selbstregulierende Prozesse auf 0,4, für integrierende Prozesse auf 0,5 und für unkontrollierte Prozesse auf 0,6 eingestellt sein, was einem Lambda gleich der beobachteten Prozessstillstandszeit entspricht (λ = θ_o). In Situationen, in denen das Aktualisierungsintervall wesentlich größer als die Prozesszeit bis zum Dauerzustand ist, kann der Faktor K_x auf 1,0 eingestellt werden. Natürlich kann der Faktor K_x auch auf andere Weise berechnet werden.
In einem Fall kann die Überprüfung auf die maximale Veränderung der Prozessvariablen eine Prozessstillstandszeit, nachdem die Veränderung des Ausgangs der Steuereinrichtung (der manipulierten Variablen) über einen Auslösepegel gestiegen ist, beginnen, und könnte beispielsweise über vier oder mehr Stillstandszeitintervalle andauern. Die Prozessstillstandszeit ist als das Zeitintervall vom Beginn einer Veränderung des Ausgangs der Steuereinrichtung (der manipulierten Variablen) bis zu einer beobachteten Veränderung der Prozessvariablen über das Rauschband hinaus identifiziert. Das Rauschband kann voreingestellt sein oder automatisch identifiziert werden. Die Prüfung eignet sich für eine Veränderung des Ausgangs der Steuereinrichtung im Handbuch oder für eine Sollwertänderung, wenn die Steuereinrichtungsverstärkung hoch ist.
Um für eine schnelle Aktualisierung und eine minimale Reaktion auf Rauschen zu sorgen, ist es wünschenswert, dass die in diesem Verfahren benutzten Stillstandszeitblöcke dazu benutzt werden, eine kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Reihe von verzögerten Prozessvariablen und verzögerten Steuereinrichtungsausgangsvariablen erzeugen, um die Veränderung dieser Variablen über das Stillstandszeitintervall hinweg zu berechnen. In diesem Fall kann der Verzögerungsblock eine Folge von verzögerten Prozessvariablenwerten erzeugen, die zeitlich um weniger als die beobachtete Stillstandszeit getrennt sind (z. B. 10 oder 100 Messungen pro Stillstandszeitspanne), und der Summierer kann eine Differenz der Prozessvariable für jeden verzögerten Prozessvariablenwert (und den dann aktuellen Wert des verzögerten Prozessvariablenwerts) ermitteln, um dadurch eine Folge von Prozessvariablen-Differenzwerten zu erzeugen. Auf diese Weise wird der Prozessvariablenanstiegswert viele Male während einer bestimmten Zeitspanne gemessen, deren Länge gleich der Stillstandszeitspanne ist. Man wird verstehen, dass sich das Verfahren auf diese Weise auf das schnelle Ermitteln von Prozessmodellen für stillstandszeitdominierte Schleifen anwendbar ist und dafür benutzen lässt, wobei die Steuereinrichtungsverstärkung schlicht der faktorisierte Kehrwert der Offenschleifenprozessverstärkung ist.
In jedem Fall kann die PID-Steuereinrichtungsverstärkung K_c für eine stillstandszeitdominierte Schleife wie folgt berechnet werden:
6 zeigt ein Simulationssystem 80, das Prozesssimulation unter Verwendung einer Anzahl verschiedener Prozessmodelle implementiert, die beispielsweise von einem oder mehreren der Modellidentifikations- und Erzeugungsmodule 50 ermittelt werden. Insbesondere bei einem integrierenden Prozess kann das Simulationssystem 80 die integrierende Verstärkung K_i und die Prozessstillstandszeit θ_p dazu benutzen, ein Simulationsprogramm auszuführen. Für unterschiedliche Prozesstypen wie z. B. selbstregulierende Prozesse und unkontrollierte Prozesse kann das Simulationssystem 80 eine Prozessverstärkung K_p und eine dominierende Zeitkonstante τ_p ^– oder τ_p ⁺ benutzen, die aus der integrierenden Verstärkung K_i berechnet wurden, um eine Prozessmodellierung und Simulation durchzuführen. Ferner kann das Simulationssystem 80 die integrierende Verstärkung K_i und/oder die Prozessstillstandszeit θ_p dazu benutzen, Variablen in einem ODE-Modell zu entwickeln.
Insbesondere führt das Simulationssystem 80 aus 6 die Simulation unter Verwendung beliebiger oder aller von einer Anzahl unterschiedlicher Prozessmodelle durch, die zum Modellieren unterschiedlicher Prozesstypen benutzt werden können. Insbesondere weist das Simulationssystem 80 einen Summierblock 82 auf, der den anfänglichen Wert der manipulierten Variablen MV_o vom aktuellen Wert der manipulierten Variablen MV subtrahiert, um eine Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV zu erzeugen. Die Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV wird dann über einen Verzögerungskreis oder einen Verzögerungsblock 84 [sic] bereitgestellt, der die der manipulierten Variablen ΔMV um die Stillstandszeit θ_p verzögert. Die verzögerte Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV wird dann an die vier verschiedenen Modellströme oder -zweige bereitgestellt, die jeweils einen anderen Prozessmodelltyp benutzen, um die Reaktion der Prozessvariablen PV auf die Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV zu simulieren oder vorherzusagen.
Im ersten Modellzweig implementiert ein Block 86 ein Erste-Prinzipien-Modell, beispielsweise in der Form eines ODE-(Gewöhnliche-Differentialgleichung)-Modell. Das ODE-Modell benutzt die integrierende Verstärkung K_i und möglicherweise die Stillstandszeit θ_p, um einen oder mehrere Erste-Prinzipien-Parameter zu schätzen, die in den gewöhnlichen Differenzialgleichungen des Modells benutzt werden, und löst die gewöhnlichen Differenzialgleichungen des Modells, um anhand der verzögerten Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV am Ausgang von Block 86 eine geschätzte Veränderung der Prozessvariablen ΔPV zu erzeugen.
Bei einem zweiten Modellierungszweig, der typischerweise einem integrierenden Prozess zugeordnet ist oder zu dessen Simulation benutzt wird, wird die verzögerte Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV an einen Integratorblock 88 bereitgestellt, der dieses Signal anhand der integrierenden Verstärkung K_i integriert, um eine geschätzte Veränderung des Prozessvariablenwerts ΔPV zu erzeugen. Der Ausgang des Integratorblocks 88 variiert natürlich im Zeitverlauf, während die Integration fortschreitet.
In einem dritten Modellierungsstrom, der typischerweise einem selbstregulierenden Prozess zugeordnet ist, wird die verzögerte Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV an einen Multiplikations- oder Verstärkungsblock 90 bereitgestellt, der die verzögerte Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV mit der Prozessverstärkung K_p multipliziert. Der Ausgang von Verstärkungsblock 90 wird an ein Filter 92 bereitgestellt, das die Form eines Abklingkreises aufweisen kann, und das die Prozesszeitkonstante mit negativer Rückkopplung τ_p ^– dazu benutzt, den Wert der Veränderung der Prozessvariablen ΔPV im Zeitverlauf zu schätzen.
In einem vierten Modellierungsstrom, der typischerweise einem unkontrollierten Prozess zugeordnet ist, wird die verzögerte Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV an einen Multiplikations- oder Verstärkungsblock 94 bereitgestellt, der die verzögerte Veränderung der manipulierten Variablen ΔMV mit der Prozessverstärkung K_p multipliziert. Der Ausgang von Block 94 wird an einen positiven Rückkopplungskreis 96 bereitgestellt, bei dem es sich beispielsweise um einen exponentiellen Anstiegskreis oder -block handeln kann, und der die Prozesszeitkonstante mit positiver Rückkopplung τ_p ⁺ dazu benutzt, die Veränderung der Prozessvariablen ΔPV im Zeitverlauf zu schätzen.
Wie in 6 gezeigt, werden die geschätzten Veränderungen der Prozessvariablen ΔPV von den einzelnen vier Modellierungszweigen an einen Schalter 100 bereitgestellt, der von einem Benutzer oder von Software betätigt werden kann, um auszuwählen, welches der vier Modellierungsverfahren oder Prozessmodelle bei der Simulation benutzt werden soll, um den Ausgang der Prozessvariablen ΔPV im Einzelfall zu schätzen. Die geschätzte Veränderung der Prozessvariablen ΔPV, die von einem der vier Modellierungsströme ermittelt wird, wird von dem Schalter 100 an einen Summierkreis oder -block 102 weitergeleitet, wo diese geschätzte Veränderung der Prozessvariablen ΔPV mit dem anfänglichen Wert der Prozessvariable ΔPV_o (d. h. dem Wert der Prozessvariablen ΔPV zum Zeitpunkt der Veränderung der manipulierten Variable MV) summiert wird, um die Schätzung der Prozessvariablen PV zu erzeugen. Natürlich hängt die abschließende geschätzte Prozessvariablen PV von dem Zeitpunkt ab, an dem die Veränderung der Prozessvariablen ΔPV geschätzt wird.
Auf jeden Fall können alle vier Modellierungsströme eine Schätzung der Reaktion der Prozessvariablen PV zu einem jeweils unterschiedlichen Satz von Zeitpunkten oder in kontinuierlicher Weise im Verlauf eines Zeithorizonts erzeugen, um auf diese Weise eine Schätzung der Gesamtreaktion der Prozessvariablen PV auf eine Veränderung der manipulierten Variablen MV zu erzeugen. Auf diese Weise lässt sich die Gesamtreaktion der Prozessvariablen PV im Verlauf eines Steuerhorizonts schätzen oder simulieren, um die Reaktion der Prozessvariablen PV auf die Veränderung der manipulierten Variablen MV zu simulieren oder zu schätzen. Dieses Merkmal erlaubt es einem Benutzer, die Steuerreaktion oder die Steuermaßnahme zu verändern oder zu ändern, um für eine bessere oder wünschenswertere Steuerreaktion zu sorgen. Beispielsweise kann der Benutzer die Simulation dazu benutzen, neue Steuerparameter zu erzeugen, z. B. Steuereinrichtungsabstimmungsparameter, um die Steuereinrichtung anhand der Prozessmodellsimulation neu abzustimmen und eine bessere Steuerreaktion zu bewirken. Da die Prozessmodelle, die im Simulationssystem 80 benutzt werden, sehr schnell nach einer Veränderung der manipulierten Variablen entwickelt werden, erlauben diese Modelle es dem Prozess, den diese Modelle betreffen, interessanterweise, simuliert zu werden, bevor die Steuereinrichtung dazu in der Lage ist, eine Steuerreaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen abzuschließen, die zur Entwicklung des Prozessmodells geführt hat (also z. B. bevor die Steuereinrichtung den Prozess derart steuert, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen in den Dauerzustand zurückkehrt, oder vor dem Ende der Prozessreaktionszeit). Daher erlauben diese Modelle eine Abstimmung der Steuereinrichtung derart, dass eine bessere Reaktion der Steuereinrichtung auf diejenige Veränderung der manipulierten Variablen bereitgestellt wird, die überhaupt erst die Erzeugung des Prozessmodells veranlasst hat.
Natürlich ist das Simulationssystem 80 aus 6 nur ein Beispiel eines Simulationsverfahrens, das innerhalb des Simulationsblocks 52 aus 1 benutzt werden kann. In der Tat können stattdessen auch viele andere Typen von Simulationsprogrammen benutzt werden, solange diese Verfahren die integrierende Verstärkung K_i und/oder die Prozessstillstandszeit θ_p benutzen, die als ein Ergebnis oder auf Grundlage von der anfänglichen Reaktion der Prozessvariable auf eine Veränderung der manipulierten Variablen berechnet werden. Obwohl zudem das hier beschriebene Simulationssystem 80 aus 6 einige oder alle eines Satzes aus vier verschiedenen Simulationsverfahren benutzt, um anhand von Prozessmodellen, die aus integrierenden Verstärkung K_i und einer Prozessstillstandszeit θ_p entwickelt wurden, die Reaktion einer Prozessvariablen PV auf eine Veränderung der manipulierten Variable MV zu simulieren, kann ein Simulationssystem auch ein einzelnes dieser Modellierungsverfahren benutzen, oder es kann einen beliebigen anderen Typ von Simulationsverfahren implementieren, der beliebige der Prozessmodellparameter benutzt, die beispielsweise von dem System 60 aus 5 entwickelt wurden, und muss eine Reaktion der Prozessvariablen PV nicht unter Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Prozessmodelltypen oder noch nicht einmal der bestimmten hierin beschriebenen Prozessmodelltypen schätzen.
Bei Bedarf kann ein Benutzer zudem aufgrund von Faktoren wie z. B. dem Typ des gesteuerten Prozesses, die dem Benutzer bekannt sein können, auswählen oder bestimmen, welcher der Modellierungszweige in einer bestimmten Simulation benutzt werden soll (d. h. wie der Schalter 100 eingestellt werden soll). Andererseits kann ein Benutzer auch die Reaktion einer Prozessvariable auf eine Veränderung der manipulierten Variablen unter Verwendung der einzelnen Modellierungszweige simulieren und kann die Simulation der einzelnen Zweige mit tatsächlich gemessenen oder gesammelten Daten vergleichen (die beispielsweise im Data-Historian 12 der 1 gespeichert sind), um zu ermitteln, welcher Modellierungszweig den jeweiligen Prozess oder die jeweilige Prozessschleife am besten beschreibt oder modelliert. In einer Ausführungsform kann ein Benutzer die Modellierungsverfahren der einzelnen Zweige in einem System 80 auf einen Satz zuvor gesammelter oder gespeicherter Daten für Prozessvariable und manipulierte Variable anwenden und die geschätzte Prozessvariablenreaktion mit der tatsächlich gemessenen Prozessvariablenreaktion vergleichen, um zu bestimmen, welcher Modellierungszweig die beste Simulation bereitstellt und welcher Zweig somit den Prozess oder die Beziehung zwischen der Prozessvariablen und der manipulierten Variablen am besten charakterisiert. Auf diese Weise kann das hier beschriebene Modellidentifikations- und Simulationsverfahren auf zuvor gespeicherte Daten (die die gemessene Reaktion einer Prozessvariablen auf eine manipulierte Variablen anzeigen) anwenden, um den besten oder genauesten Typ von Modellierungsverfahren zur künftigen Verwendung für die jeweilige Prozessschleife zu ermitteln.
Obwohl das schnelle Prozessmodellidentifikations- und -erzeugungssystem 50 hier derart beschrieben wurde, dass es ein oder mehrere Prozessmodelle an das Simulationssystem 52 bereitstellt, das wiederum derart beschrieben wurde, dass es zum Simulieren einer Prozessschleife benutzt wird, können die Prozessmodelle, die von den Blöcken 50 entwickelt werden, stattdessen oder zusätzlich auch an andere Systemtypen bereitgestellt werden, beispielsweise an Steuereinrichtungen (zum Durchführen einer modellbasierten Steuerung, z. B. MPC- oder auch PID-Steuerung), an Auto-Tuner (zum Abstimmen von Steuereinrichtungen) usw. Darüber hinaus kann das hier beschriebene Simulationssystem 52 dazu benutzt werden, eine Prozessschleifenreaktion schnell zu simulieren, und der Ausgang des Simulationssystems kann dazu benutzt werden, eine Steuereinrichtung, die die Prozessschleife steuert neu abzustimmen, um eine bessere oder wünschenswertere Steuerreaktion auf diejenige Veränderung der manipulierten Variablen zu erlangen, anhand derer das Prozessmodell überhaupt entwickelt wurde. Außerdem erstreckt sich die hier beschriebene Verfahrensweise über Beziehungen zwischen Prozessvariablen und manipulierten Variablen von Prozessschleifen hinaus und ist auf jede messbare Variable und jede veränderbare manipulierte Variable MV anwendbar, die sich auf die Variable auswirkt. Ferner ist das Verfahren auf das schnelle Entwickeln von Prozessmodellen anwendbar, die für Prozesse benutzt werden, die eine echte integrierende Reaktion aufweisen, oder für langsame Prozesse mit einer „nahezu integrierenden” Reaktion (z. B. τ_p > 2θ_p). Auch können die berechnete Prozessstillstandszeit θ_p und die berechnete Prozessverstärkung K_i zum Abstimmen von Steuereinrichtungen und für anlagenweite Simulationen benutzt werden, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, die Benutzung zum Entwickeln von Modellen wie z. B. hybriden Gewöhnliche-Differenzialgleichung-(ODE)- und experimentellen Modellen, langsamen selbstregulierenden experimentellen Modellen und langsamen nicht selbstregulierenden experimentellen Modellen mit positiver Rückkopplung (unkontrollierten Modellen).
Jede der oben beschriebenen Anwendungen oder Blöcke kann als Programme, Module oder andere Komponenten einer oder mehrerer integrierter Anwendungen implementiert sein. Die offenbarte Anordnung der Anwendungsfunktionalität dient nur der vereinfachten Darstellung und sagt nichts über die breite Spanne an Verfahrensweisen aus, in denen die Funktionalität auf einem Computer implementiert oder an einen Bediener oder anderen Benutzer bereitgestellt werden kann. Bei der Implementierung können alle hierin beschriebenen Softwaremodule oder Programme auf jedem beliebigen computerlesbaren Speicher gespeichert sein, z. B. auf einer Magnetplatte, einer Laser-Disk oder einem anderen Speichermedium, in einem RAM oder ROM eines Computers oder Prozessors usw. Ebenso kann diese Software unter Verwendung jedes beliebigen bekannten oder gewünschten Verfahrens an einen Benutzer, eine Prozessanlage oder einen Bedienerarbeitsplatzrechner ausgeliefert werden, beispielsweise auf einer computerlesbaren Disk oder einem anderen transportierbaren Computerspeichermechanismus oder über einen Kommunikationskanal wie eine Telefonleitung, das Internet, das World Wide Web oder jedes andere lokale Netz oder Fernnetz usw. Ferner kann die Software direkt ohne Modulation oder Verschlüsselung bereitgestellt werden, oder sie kann unter Verwendung jeder beliebigen geeigneten Modulationsträgerwelle und/oder jedes beliebigen geeigneten Verschlüsselungsverfahrens moduliert und/oder verschlüsselt werden, bevor sie über einen Kommunikationskanal übertragen wird.
Obwohl also die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele beschrieben wurden, die nur der Veranschaulichung dienen und die Erfindung nicht einschränken sollen, wird es für Durchschnittsfachleute auf der Hand liegen, dass Änderungen, Hinzufügungen oder Weglassungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
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

US 7113834 [0008]
US 6577908 [0008]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Prozessmodells für einen Prozess, umfassend: Sammeln von Prozessdaten in Bezug auf eine Prozessvariable und eine manipulierte Variable innerhalb des Prozesses; Ermitteln einer Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariablen nach einer Veränderung der manipulierten Variablen aus den gesammelten Prozessdaten, die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erzeugt wurden, wobei die bestimmte Zeitspanne kürzer ist als die Prozessreaktionszeit im Zusammenhang mit dem Prozess und wenigstens teilweise nach dem Ende einer Stillstandszeitspanne im Zusammenhang mit dem Prozess liegt; und Erzeugen eines Prozessmodells für den Prozess anhand der ermittelten Anstiegsrate.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Schätzen einer Prozessstillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess aus den gesammelten Prozessdaten, wobei das Erzeugen des Prozessmodells anhand der ermittelten Anstiegsrate ein Verwenden der geschätzten Prozessstillstandszeit und der ermittelten Anstiegsrate zum Erzeugen des Prozessmodells umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariablen ein Ermitteln einer Veränderung der Prozessvariablen im Verlauf der bestimmten Zeitspanne umfasst, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne mit einer geschätzten Prozessstillstandszeit des Prozesses in Verbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne gleich der geschätzten Prozessstillstandszeit ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne ein Vielfaches der geschätzten Prozessstillstandszeit ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die bestimmte Zeitspanne innerhalb eines Zeitrahmens auftritt, der am Ende der Stillstandszeit beginnt und sich über eine Zeitspanne erstreckt, die gleich oder weniger als das Zehnfache der Prozessstillstandszeit nach dem Ende der Stillstandszeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des Prozessmodells mithilfe der ermittelten Anstiegsrate ein Ermitteln einer integrierenden Verstärkung für den Prozess anhand der ermittelten Anstiegsrate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ermitteln einer integrierenden Verstärkung für den Prozess ein Ermitteln eines Verhältnisses der ermittelten Anstiegsrate zu der Veränderung der manipulierten Variablen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: Verwenden der integrierenden Verstärkung für den Prozess zum Ermitteln von Prozessmodellparametern für den Prozess.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Verwenden der Prozessmodellparameter, um den Betrieb des Prozesses vor dem Ende der Prozessreaktionszeit zu simulieren.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Verwenden der Prozessmodellparameter, um Steuerparameter zum Steuern des Prozesses zu ermitteln, und Verwenden der Steuerparameter, um den Prozess vor dem Ende der Prozessreaktionszeit zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln der Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable nach einer Veränderung der manipulierten Variable ein Ermitteln einer Veränderung der Prozessvariable über die bestimmte Zeitspanne hinweg umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend: Schätzen der Prozessstillstandszeit aus den gesammelten Prozessdaten, und wobei die bestimmte Zeitspanne gleich der geschätzten Prozessstillstandszeit oder einem Vielfachen derselben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln der Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariablen nach einer Veränderung der manipulierten Variablen ein Ermitteln einer Vielzahl von Werten einer Prozessvariablen-Anstiegsrate im Verlauf unterschiedlicher Zeiträume gleicher Länge und ein Ermitteln der Anstiegsrate als statistisches Maß der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das statistische Maß der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate ein Maximalwert der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das statistische Maß der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate ein Durchschnittswert der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate ist.
Verfahren zum Simulieren des Betriebs eines Prozess, umfassend: Sammeln von Prozessdaten in Bezug auf eine Prozessvariable und eine manipulierte Variable innerhalb des Prozesses; Ermitteln einer Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable nach einer Veränderung der manipulierten Variablen aus den gesammelten Prozessdaten; Erzeugen eines Prozessmodells für den Prozess anhand der ermittelten Anstiegsrate; Simulieren des Prozesses mithilfe des Prozessmodells, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen einen Dauerzustand erreicht.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Verwenden der Simulation dazu, einen neuen Satz Steuerparameter für eine Steuereinrichtung zu ermitteln, die den Prozess steuert, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable einen Dauerzustand erreicht.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: Bereitstellen des neuen Satzes Steuerparameter an die Prozesssteuereinrichtung, die den Prozess steuert, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen einen Dauerzustand erreicht, und Verwenden des neuen Satzes Steuerparameter in der Prozesssteuereinrichtung, um den Prozess derart zu steuern, dass er den Dauerzustand in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen erreicht.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Schätzen der Prozessstillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess aus den gesammelten Prozessdaten, wobei das Erzeugen des Prozessmodells anhand der ermittelten Anstiegsrate ein Verwenden der geschätzten Prozessstillstandszeit und der ermittelten Anstiegsrate zum Erzeugen des Prozessmodells umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bestimmen einer Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariablen ein Ermitteln einer Veränderung der Prozessvariablen im Verlauf einer bestimmten Zeitspanne umfasst, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne mit der Prozessstillstandszeit in Verbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne gleich der Prozessstillstandszeit ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Erzeugen des Prozessmodells mithilfe der ermittelten Anstiegsrate ein Ermitteln einer integrierenden Verstärkung für den Prozess anhand der ermittelten Anstiegsrate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Ermitteln einer integrierenden Verstärkung für den Prozess ein Ermitteln eines Verhältnisses der ermittelten Anstiegsrate zu der Veränderung der manipulierten Variablen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ermitteln der Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable nach einer Veränderung der manipulierten Variablen ein Ermitteln einer Vielzahl von Werten einer Prozessvariablen-Anstiegsrate im Verlauf unterschiedlicher Zeiträume gleicher Länge und ein Ermitteln der Anstiegsrate als statistisches Maß der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate umfasst.
Verfahren zum Steuern eines Prozesses, der von einer Prozesssteuereinrichtung anhand eines Satzes Steuerparameter gesteuert wird, umfassend: Sammeln von Prozessdaten in Bezug auf eine Prozessvariable und eine manipulierte Variable innerhalb des Prozesses; Ermitteln einer Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariablen nach einer Veränderung der manipulierten Variablen aus den gesammelten Prozessdaten, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er einen Dauerzustand in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable erreicht; Erzeugen eines Prozessmodells für den Prozess anhand der ermittelten Anstiegsrate; Verwenden des Prozessmodells, um einen neuen Satz Steuerparameter für die Prozesssteuereinrichtung zu ermitteln, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variable einen Dauerzustand erreicht; und Bereitstellen des neuen Satzes Steuerparameter an die Prozesssteuereinrichtung, bevor der Prozess derart gesteuert wird, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen einen Dauerzustand erreicht.
Verfahren nach Anspruch 26, ferner umfassend: Verwenden des neuen Satzes Steuerparameter in der Prozesssteuereinrichtung, um den Prozess derart zu steuern, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen einen Dauerzustand erreicht.
Verfahren nach Anspruch 26, ferner umfassend: Schätzen der Prozessstillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess aus den gesammelten Prozessdaten, wobei das Erzeugen des Prozessmodells anhand der ermittelten Anstiegsrate ein Verwenden der geschätzten Prozessstillstandszeit und der ermittelten Anstiegsrate zum Erzeugen des Prozessmodells umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Bestimmen einer Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariablen ein Ermitteln einer Veränderung der Prozessvariablen im Verlauf einer bestimmten Zeitspanne umfasst, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne mit der Prozessstillstandszeit in Verbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne gleich der geschätzten Prozessstillstandszeit ist oder ein Vielfaches der Prozessstillstandszeit ist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Erzeugen des Prozessmodells mithilfe der ermittelten Anstiegsrate ein Ermitteln einer integrierenden Verstärkung für den Prozess anhand der ermittelten Anstiegsrate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Ermitteln der Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariable nach einer Veränderung der manipulierten Variablen ein Ermitteln einer Vielzahl von Werten einer Prozessvariablen-Anstiegsrate im Verlauf unterschiedlicher Zeiträume gleicher Länge und ein Ermitteln der Anstiegsrate als statistisches Maß der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate umfasst.
Prozessmodellerzeugungssystem, umfassend: einen Prozessor; ein erstes Programm, das auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist, und das auf dem Prozessor ausgeführt wird, um Prozessdaten in Verbindung mit einer Prozessvariable und einer manipulierten Variable innerhalb eines On-Line-Prozesses zu sammeln; ein zweites Programm, das auf dem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist, und das auf dem Prozessor ausgeführt wird, um eine Anstiegsrate im Zusammenhang mit einer Prozessvariablen nach einer Veränderung einer manipulierten Variablen über eine Zeitspanne zu ermitteln, die kürzer ist als die Prozessreaktionszeit im Zusammenhang mit dem Prozess; und ein drittes Programm, das auf dem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist, und das anhand der ermittelten Anstiegsrate ein Prozessmodell für den Prozess erzeugt.
Prozessmodellerzeugungssystem nach Anspruch 33, ferner umfassend ein viertes Programm, das auf dem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist, und das auf dem Prozessor ausgeführt wird, um anhand der gesammelten Prozessdaten die Prozessstillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess zu schätzen, und wobei das zweite Programm die geschätzte Prozessstillstandszeit zum Ermitteln der Anstiegsrate benutzt.
Prozessmodellerzeugungssystem nach Anspruch 34, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne gleich der geschätzten Prozessstillstandszeit ist.
Prozessmodellerzeugungssystem nach Anspruch 34, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne gleich einem Vielfachen der geschätzten Prozessstillstandszeit ist.
Prozessmodellerzeugungssystem nach Anspruch 34, wobei das dritte Programm das Prozessmodell für den Prozess mithilfe der ermittelten Anstiegsrate erzeugt, indem es eine integrierende Verstärkung für den Prozess anhand der ermittelten Anstiegsrate benutzt.
Prozessmodellerzeugungssystem nach Anspruch 34, wobei das zweite Programm die Anstiegsrate im Zusammenhang mit der Prozessvariablen nach einer Veränderung der manipulierten Variablen ermittelt, indem es eine Vielzahl von Werten einer Prozessvariablen-Anstiegsrate im Verlauf unterschiedlicher Zeiträume gleicher Länge ermittelt, und indem es die Anstiegsrate als statistisches Maß der Vielzahl von Werten der Prozessvariablen-Anstiegsrate ermittelt
Prozessmodellierungssystem zur Verwendung mit einem Prozess, umfassend: eine Datensammeleinheit, die Prozessdaten in Bezug auf eine Prozessvariable und eine manipulierte Variable innerhalb des Prozesses sammelt; eine Stillstandszeiteinheit, die aus den gesammelten Daten eine Stillstandszeit im Zusammenhang mit dem Prozess ermittelt; eine Anstiegseinheit, die eine Anstiegsrate im Zusammenhang mit dem Prozess nach einer Veränderung der manipulierten Variable aus den gesammelten Prozessdaten ermittelt, die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne in Verbindung mit der ermittelten Stillstandszeit erzeugt werden, wobei die bestimmte Zeitspanne kürzer als die Prozessreaktionszeit im Zusammenhang mit dem Prozess ist; und eine Modelliereinheit, die anhand der ermittelten Anstiegsrate ein Prozessmodell für den Prozess erzeugt.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 39, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne gleich der ermittelten Stillstandszeit ist.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 39, wobei die Länge der bestimmten Zeitspanne ein Vielfaches der ermittelten Stillstandszeit ist.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 39, wobei die Anstiegseinheit einen Verzögerungsblock aufweist, der die gesammelte Prozessvariable um die bestimmte Zeit verzögert, einen Summierer, der ein Differenzsignal ermittelt, das auf eine Differenz zwischen dem aktuellen Prozessvariablenwert und dem von der Verzögerungseinheit verzögerten Prozessvariablenwert hinweist, und eine Teilungseinheit, die das Differenzsignal durch die bestimmte Zeitspanne teilt, um die Prozessvariablen-Anstiegsrate zu erzeugen.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 42, wobei die Anstiegseinheit ferner nach einer Veränderung der manipulierten Variablen eine Reihe von Prozessvariablen-Anstiegsraten ermittelt, und einen statistischen Block aufweist, der ein statistisches Maß der Reihe von Prozessvariablen-Anstiegsraten ermittelt, um die Prozessvariablen-Anstiegsrate zu erzeugen.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 43, wobei der statistische Block einen Maximalwert der Reihe von Prozessvariablen-Anstiegsraten als Prozessvariablen-Anstiegsrate ermittelt.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 43, wobei die Modellierungseinheit das Prozessmodell für den Prozess durch Ermitteln einer integrierenden Verstärkung für den Prozess anhand der ermittelten Prozessvariablen-Anstiegsrate ermittelt.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 45, wobei die Modellierungseinheit die integrierende Verstärkung für den Prozess durch das Ermitteln eines Verhältnisses der ermittelten Prozessvariablen-Anstiegsrate zu der Veränderung der manipulierten Variablen ermittelt.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 42, ferner aufweisend eine Abstimmungseinheit, die einen oder mehrere Steuerparameter aus dem Prozessmodell zur Verwendung bei der Steuerung des Prozesses ermittelt.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 47, ferner aufweisend eine Steuereinrichtung, die den Prozess steuert, und wobei die Abstimmungseinheit die Steuerparameter an die Steuereinrichtung bereitstellt, bevor die Steuereinrichtung den Prozess derart steuert, dass er in Reaktion auf die Veränderung der manipulierten Variablen einen Dauerzustand erreicht.
Prozessmodellierungssystem nach Anspruch 42, ferner aufweisend eine Simulationseinheit, die die Prozessmodellparameter dazu benutzt, den Betrieb des Prozesses vor dem Ende der Prozessreaktionszeit zu simulieren.