EP2477734A1 - Zwei-freiheitsgrade-regelung mit expliziter umschaltung zur regelung verfahrenstechnischer prozesse - Google Patents

Zwei-freiheitsgrade-regelung mit expliziter umschaltung zur regelung verfahrenstechnischer prozesse

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EP2477734A1
EP2477734A1 EP10752353A EP10752353A EP2477734A1 EP 2477734 A1 EP2477734 A1 EP 2477734A1 EP 10752353 A EP10752353 A EP 10752353A EP 10752353 A EP10752353 A EP 10752353A EP 2477734 A1 EP2477734 A1 EP 2477734A1
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EP
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variables
control
controller
manipulated
manipulated variables
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10752353A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Zipplies
Ortwin Keil
Veit Hagenmeyer
Marcus Nohr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling process engineering processes in which setpoint trajectories for control variables are provided, control variables and further state variables of the process are detected, control deviations are calculated, and control manipulated variables are calculated therefrom by means of a control algorithm, and precontrol manipulated variables are determined Controller manipulated variables and feedforward control variables resulting manipulated variables are calculated and set in the process. Furthermore, the invention relates to a control device and a computer program for carrying out the method.
  • process engineering processes on an industrial scale an increasing trend toward automation has been observed in recent years, which is due not least to the desire for reproducibility and safety of the plants.
  • continuous processes In addition to continuous processes, often discontinuous processes for the production, purification or conditioning of products are used which often place increased demands on the process management.
  • reactors that are operated in batch or semi-batch mode and in which the product quality depends crucially on the course of the process conditions such as pressure and temperature over the batch duration are widespread.
  • reactions that are associated with a strong increase or decrease in temperature or are highly exothermic or endothermic often arise demanding control tasks that can not be solved or only unsatisfactory with classical control methods.
  • these control tasks were further complicated by the trend towards ever larger reactors, since in this case the ratio of reaction volume to heat-transferring surface is unfavorable.
  • 6,144,897 discloses a model-type controller for chemical reaction processes. Both the model on which the prediction is based and the controller itself can be adapted to the respective system state. Compared with other model-predictive control methods, this method is characterized by a mathematical model that is easy to solve and thus allows a fast prediction of components in the reaction mixture.
  • EP 1 267 229 B1 discloses a control method for starting and stopping process engineering processes, e.g. in power plants, which uses model-based pilot controls to specify manipulated variables for the process to be controlled. To this end, simulation calculations are carried out offline in advance in order to obtain optimum set point trajectories, which are stored and read out during the process sequence and used to influence the manipulated variables. The model can also track the current process status and optimization calculations based on it can be performed repeatedly.
  • Process engineering processes to which the control method according to the invention can be applied can generally be characterized by state variables. Statements about the state of the process can be made at any time with the aid of these state variables. Some of the state variables can usually be measured directly in or on the process, for example volume or mass flows, pressure, temperature, density, viscosity or also concentrations of individual components of a substance mixture or a class of substances. Other state variables can only be measured with great effort or not at all. For example, the complete composition of a substance mixture, particle size distributions, chain length distributions, melt flow index or cooling capacities.
  • non-measurable state variables can be determined from other measurable or non-measurable state variables using mathematical models.
  • a simple example of this is a substance system consisting of two substances whose concentrations can be clearly calculated using phase equilibrium relationships from measured values for pressure and temperature.
  • the determination of non-measurable state variables can be based both on current measured values and on information about the history of certain variables.
  • control variables are those state variables of a process engineering process whose values are to be influenced in a targeted manner by the method according to the invention.
  • these are state variables that have a major impact on the goals to be achieved, such as a concentration of a component in a product draw of a distillation column or the temperature in a reactor whose value is critical to product quality.
  • state variables are selected as controlled variables, for which the specified limits must not be exceeded or fallen below, such as a maximum pressure or level in a container.
  • Controlled variables can be measurable or non-measurable state variables. Of course, if a plurality of controlled variables are present, one controlled variable can also be measured directly, while another controlled variable is determined indirectly from other state variables.
  • control method according to the invention can use control variables in addition to other state variables, for example for the calculation of control variables that can not be measured directly. These quantities are referred to below as “further state variables.” These quantities can also be measured in or on the process or determined on the basis of other further state variables.
  • setpoints are made for controlled variables.
  • these can be values that remain constant over the time span of the process, but on the other hand also values that can vary over the time span.
  • Setpoint specifications over a certain period of time are referred to as setpoint trajectories. These may be, for example, time intervals, constant values, ramps, polygons or other continuous, continuous or discontinuous courses of the nominal values.
  • setpoint trajectory The special case of a constant setpoint value over the entire time span of the course of the process is therefore also encompassed by the term setpoint trajectory.
  • controlled variables or other state variables can be done in different ways. Depending on the size to be recorded and the concrete procedural process, such quantities can be determined, for example, with the aid of known the physical measuring principles are determined. Examples include classic flowmeters, pressure transducers or temperature sensors. Concentrations of a number of substances can be determined, for example, by means of gas chromatography or spectroscopic methods, such as NMR (nuclear magnetic resonance) or NIR (near-infrared spectroscopy).
  • control variables or other state variables can often be done by means of very simple to complex mathematical relationships. For example, it is very simple to calculate the mass flow of an individual component in a mixture, which itself can not be measured directly, from a measured total quantity flow and the measured concentration of the relevant component.
  • state estimation methods can advantageously be used to determine the variables of interest.
  • state estimation methods are Luenberger observers, Kalman filters or extended Kalman filters, as described, for example, in the above-cited articles by Graichen / Hagenmeyer / Zeitz and Hagenmeyer / Nohr, respectively.
  • the methods as such as well as the possibilities of adapting to the respective process to be controlled are known.
  • an extended Kalman filter is used as a state estimation method based on process variables (y * ) directly measurable in the process to detect controlled variables (y) and / or further state variables (y). By comparing controlled variables with their current, respective setpoints, control deviations are calculated.
  • control manipulated variables are determined by means of a control algorithm.
  • manipulated variables variables are usually selected whose change in the process has the greatest possible influence on the controlled variables in order to counteract the control deviations.
  • the feed or discharge quantities are available as manipulated variables.
  • manipulated variables of the control method according to the invention can themselves be set values of subordinate controls.
  • the inflow amount could be a setpoint for a subordinate control, which in turn has, for example, the valve position of a valve in the inlet to the container as the manipulated variable.
  • resulting manipulated variable is used for values of the manipulated variables that are set in the process
  • a resulting manipulated variable can be identical to a controller manipulated variable determined by the control algorithm.
  • precontrol is understood to mean that precontrol manipulated variables are determined on the basis of desired values, controlled variables or other state variables by means of an algorithm. Process know-how is used to relieve and improve the regulation of the process.
  • a feedforward control according to the invention can comprise state-dependent calculation rules which define a relationship between desired values, controlled variables, further state variables or regulator manipulated variables on the one hand and resulting precontrol manipulated variables on the other hand, for example in the form of a mathematical model.
  • state-dependent calculation rules are used which take into account the behavior of the procedural process to be controlled.
  • pilot controls are used which invert stationary or dynamic behavior.
  • the feedforward control variables are calculated in such a way that the process engineering process follows exactly one setpoint trajectory when the feedforward control variables are applied and the process is not subject to any disturbances.
  • system inversion is easily possible for so-called differentially flat systems and known from the specialist literature.
  • calculation instructions may be predefined, time-dependent and / or state-dependent trajectories, for example, progressions, ramps or other predefined forms of the trajectories piece-wise over time with state-dependent parameters. It is also possible to provide trajectories as calculation rules that have been optimized offline in advance.
  • the structure of a precontrol is determined by various factors, for example the basic type of a calculation rule for precontrol manipulated variables or the combination of variables used for the calculation.
  • a calculation rule is characterized by one or more parameters by means of which feedforward control variables are determined. Which parameters are used depends on the respective structure of the calculation rules. If, for example, the calculation rule is a section-wise constant function, then the points in time that define the sections and the values of the function in the respective sections can be regarded as parameters of the precontrol. Other types of calculation rules result in correspondingly different parameters, for example coefficients in the value range or time range.
  • control algorithms come different approaches in question, as they are known from the literature. Examples are PI or PID algorithms, or switching sliders (Sliding Mode). They may be both regulators, which have a gear and an output, so-called SISO controllers, as well as controllers with multiple inputs and outputs, so-called MIMO controller.
  • SISO controllers which have a gear and an output
  • MIMO controller controllers with multiple inputs and outputs
  • the structure of a control algorithm is characterized by different features such as the basic structure of the algorithm or the assignment of controlled variables and manipulated variables.
  • PI or PID controllers for example, a further structural feature is to be considered as to whether the gain of the control algorithm, that is to say the P component, is designed to be fixed or variable, for example in the form of gain scheduling.
  • the control algorithms Similar to the precontrol, the control algorithms have various parameters that affect the determination of the controller manipulated variables. An example of this is the gain, the lead time and the lag time in a PID algorithm.
  • the control method according to the invention can also be cascaded.
  • the process engineering process is divided into two or more sub-processes for information and control purposes, each of which is assigned at least one controller based on control algorithms as described above.
  • Cascaded means that at least one of the sub-process controllers receives one or more setpoints from a higher-level controller. The one or more setpoint values can be superimposed on a feedforward control variable.
  • Superordinate controllers are also referred to as master controllers (master controllers), subordinate controllers as slave controllers (slave controllers).
  • 4 shows a schematic representation of a cascaded method according to the invention.
  • One master controller can have several slave controllers assigned to it.
  • a follower may itself be a leader for him subordinate follower. Such a configuration is referred to as multiple cascading.
  • at least one resulting manipulated variable is calculated in at least one sub-process from a controller manipulated variable and a precontrol manipulated variable.
  • the process engineering process is subdivided into two or more subprocesses and resulting manipulated variables of at least one master controller and at least one subordinate controller subordinate to it are calculated from the respective controller manipulated variables and their pre-control manipulated variables assigned to them.
  • other superordinate or subordinate controllers can be present, with or without feedforward control.
  • the method according to the invention for controlling process-related processes furthermore comprises a switching logic which can process different information, for example information about desired values and their trajectories, measured or otherwise detected state variables of the process, but also structures and parameters of the control algorithm or the precontrol. External specifications, for example in the form of setpoints, limits or their chronological progression, can also be processed by the switching logic. On the basis of this information as well as given relations between this information, the switching logic determines whether the structures of the control algorithm or the feedforward control are to be changed. It is also possible to make changes to the associated parameters.
  • control algorithm and "precontrol” refer to the entire method according to the invention and are not to be understood strictly in the singular. In a cascaded method, for example, this is understood to mean the control algorithms and pilot controls of all controllers, regardless of how or where they are implemented in terms of information technology.
  • the control method according to the invention is cascaded, resulting manipulated variables of at least one master controller and at least one subordinate controller subordinate to it are calculated from the respective controller manipulated variables and their precontrol manipulated variables, and the structure of the control algorithm and / or the precontrol of the at least one Follow-up controllers are changed by the switching logic.
  • a set of structures and parameters of the control algorithm and the precontrol is referred to below as "switching mode.” If it results from the evaluation of the information in the switching logic that a change is made, there is a changeover from one switching mode to another switching mode Structural changes can be either only in the control algorithm or only in the precontrol, or in both of them, and corresponding parameters can also be changed.
  • Preferred structural changes in the control algorithm relate to a change in the assignment of controlled variables and controller manipulated variables. Another advantageous structural change is the selection of another control algorithm.
  • Structural changes of the precontrol are preferably changes between different state-dependent calculation rules.
  • a structural change can also be that other variables are used for the calculation.
  • a further preferred structural change of the precontrol consists in the selection of one or more further or other pilot control manipulated variables.
  • Also associated with a shift mode are one or more set point trajectories.
  • one or more desired value trajectories are recalculated during the transition from a shift mode to a new shift mode.
  • the switching logic can also cause the recalculation of setpoint trajectories during a switching mode, for example when control variables or other state variables approach limit values, when a threshold value of the control deviation is exceeded or undershot, or because of external specifications.
  • a change in the parameters of the control algorithm or the precontrol can take place.
  • different, temporally successive switching modes arise. The changes from one switching mode to the next can concern the precontrol, the control algorithm, the recalculation of a desired value trajectory or combinations thereof.
  • control method according to the invention is used for monitoring and maintaining limits for one or more state variables.
  • the corresponding limit values are used in the switching logic to determine the conditions for a transition to a new switching mode or to cause the recalculation of setpoint trajectories.
  • control method according to the invention is used to specifically approach limits of one or more state variables. Such a process has the advantage that the process can be run more economically, e.g. in terms of quality requirements or the space-time yield.
  • a control device which has at least one signal generator for the provision of setpoint trajectories for controlled variables, a device for detecting controlled variables and further state variables of the process, a controller which, on the basis of control deviations, is controlled by means of a control algorithm.
  • Manipulated variables determined a feedforward control for the determination of feedforward control variables, a means for calculating resulting manipulated variables from controller manipulated variables and feedforward control variables and means for adjusting the resulting control variables in the process
  • the control device further comprises at least one switching logic which is suitable for changing the structure of the control algorithm and / or the pilot control as a function of controlled variables, further state variables and / or desired value trajectories.
  • Devices for detecting controlled variables and other state variables as well as means for calculating and setting the manipulated variables in the process are known to the person skilled in the art, as well as signal generators, controllers, controller algorithms, pilot controls, as well as options for their hardware and software implementation.
  • precontrol, control algorithms and the calculation rules of the switching logic are implemented in a computer program with program code means, for example in a program created in a programming language or with commercially available software that is suitable for use in a regulation of process engineering processes.
  • the computer program is set up executable on a computer and provided with interfaces for communication with the process engineering process.
  • the communication can be be carried out with a process control system, by means of which many procedural processes are controlled today. In processes that do not have a process control system, communication can be via interfaces that allow data to be exchanged with meters and controllers in the process. Such interfaces and their hardware and software technical implementations are known to the person skilled in the art.
  • the computer can be located in the vicinity of the process engineering process, for example in a control room, but it can also be remote and communicate with the process via standard network connections.
  • feedforward control, control algorithms and the calculation instructions of the switching logic are implemented at least partially as software components in a process control system.
  • pilot control, control algorithms and the calculation rules of the switching logic are completely implemented or integrated in a process control system.
  • the method according to the invention for controlling process engineering processes results in improved process control.
  • the processes can be operated closer to the limits, which usually increases the space-time yield.
  • the method according to the invention can be advantageously applied to a large number of process engineering processes. Particularly advantageous effects are evident in batch processes such as batch or semi-batch processes. This can often be achieved a batch time reduction and the reproducibility of a batch can be improved.
  • Fig. 1 control loop with pilot control and state estimator according to the prior art
  • Fig. 2 control loop in master-slave configuration with feedforward control and state estimator according to the prior art
  • Fig. 3 embodiment of the control method according to the invention with pilot control, state estimator and switching logic
  • Fig. 4 embodiment of the control method according to the invention with pilot control, state estimator and switching logic in master-slave configuration
  • FIG. 6 Schematic diagram of a semi-batch reactor with cooling jacket and inventive control device
  • FIG. 7 shows time profiles of characteristic quantities of the semi-batch process described in the example
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of a further semi-batch reactor with cooling jacket and control device according to the invention
  • Fig. 1 illustrates a feedforward control loop 40 and conditioner 50 as known in the art.
  • a signal generator 10 provides setpoint values w, which are compared with their respective controlled variables y.
  • external setpoint values w ex t can be preset for the signal generator 10, for example by a higher-level system for process automation or as manual input by a system operator.
  • the differences between desired values w and their respective controlled variables y, the so-called control deviations are fed to a controller 20, which calculates controller manipulated variables UCM therefrom.
  • a pre-controller 40 determines from the setpoint values w and further state variables y pre-control manipulated variables UF.
  • the controller manipulated variables UCM From these and the controller manipulated variables UCM, the resulting manipulated variables u, which are set in the process 30, are calculated. This results in controlled variables y, which in turn are used to calculate the control deviations. If all other state variables y can not be measured directly in the process 30, a state estimator 50 is provided which determines the required quantities from measured state variables y * .
  • the control circuit illustrated in FIG. 2 forms an extension of the above-described control circuit from FIG. 1, in that two regulators are used in cascade in a so-called master-slave configuration.
  • the process to be controlled is subdivided into a first sub-process 31 and a second sub-process 32.
  • Controlled variables yi of the first partial process 31 are fed back to calculate the control deviations for the master controller 21 by means of the predetermined setpoint values w.
  • the controller manipulated variables UCM determined by the master controller 21 are offset with feedforward control variables UF and result in the resulting manipulated variables of the master controller UM. These manipulated variables act as setpoints for slave controller 22.
  • control variables V2 of the second sub-process 32 control deviations for the slave controller 22, which determines controller manipulated variables ucs. These controller manipulated variables ucs are set in the second sub-process 32.
  • a state estimator 50 can also be provided in this control loop, which determines further state variables y from measured state variables of the first partial process y-1 * and of the second partial process V2 *, which state variables can be used in the precontrol 40 in order to calculate feedforward control variables UF ZU.
  • FIG. 3 illustrates a control circuit according to the invention using the example of a simple control circuit analogous to FIG. 1.
  • Setpoint generator 10, controller 20, process 30, feedforward control 40 and the optional state estimator 50 fulfill the same functions as described with reference to FIG.
  • the control circuit furthermore has a switching logic 60 which can process different information as input signals, for example desired values w, controlled variables y, measured state variables y *, further state variables y, or signals from the controller sc or from the precontrol SF.
  • signals SLC and SLF can be generated in the switching logic 60 by means of state-dependent calculation rules, which signals can be sent to the controller 20 and to the precontrol 40.
  • the switching logic 60 may also affect the signal generator for set point trajectories 10.
  • FIG. 4 shows an example of a cascaded control loop according to the invention, which corresponds in its basic structure to that shown in FIG.
  • Setpoint generator 10 control controller 21, slave controller 22, partial processes 31 and 32, feedforward control 40 and optional state estimator 50 fulfill the same functions as described with reference to FIG.
  • a switching logic 60 is provided which can access various information from the process as a whole or the individual subprocesses, for example desired values w, controlled variables yi and y2, measured state variables yi * and y2 *, further state variables y and signals SCM and scs from the
  • signals SLCM, SLCS and SLF can be generated in the switching logic 60 by means of state-dependent calculation rules, which signals can be sent to the master controller 21, the slave controller 22 and to the feedforward controller 40. Furthermore, the switching logic 60 can also influence the signal generator for setpoint trajectories 10.
  • the signals of the switching logic 60 to the controllers 21, 22 and the feedforward control 40 can cause structures or parameters of the control algorithm or the precontrol 40 to be changed. Structures and parameters can only be changed in one controller, only in feedforward control, but also in several controllers and / or in feedforward control in combination. Preferably, changes in a controller and the associated pilot control are made simultaneously.
  • FIG. 4 a cascaded control loop with a master controller 21 and a slave controller 22 is shown for the sake of clarity.
  • the control method according to the invention is not limited to this configuration, but can be used advantageously in any combination of master and slave controllers.
  • slave controller 22 may in turn be the master controller for further controllers.
  • the switching logic can be used both in control circuits with only one controlled variable and one manipulated variable, so-called SISO systems, as well as in MIMO systems with several control and manipulated variables. Both SISO and MIMO systems can be cascaded, combinations are also included according to the invention, for example in the case of a higher-level MIMO controller with a subordinate SISO controller.
  • Example A preferred embodiment of the method according to the invention was applied to an industrial semi-batch process. It was a strongly exothermic polyaddition reaction.
  • a first feedstock was placed in a stirred tank reactor, as shown schematically in FIG.
  • the addition of a second feed was carried out continuously via a line in the reactor.
  • the flow rate F, n of the second feedstock was detected by means of a flowmeter and adjusted via a control valve.
  • the lower part of the reactor was surrounded by a jacket, which was flowed through by cooling water as the heat transfer medium.
  • the flow rate of the incoming cooling water Fj could be influenced by another control valve. Cooling water inlet Fj and cooling water temperature in inlet Tjjn and in outlet Tj, ou t were recorded by measuring instruments.
  • the pressure in the reactor P and the temperature in the reaction mixture TR were measured. All measuring devices were connected to a control device CM according to the invention, so that the measured values were available to the control method according to the invention as measured state variables y
  • the reaction process should be conducted in such a way that the highest possible space-time yield is achieved.
  • the control method was firstly the reaction temperature TRS, which should be reached as quickly as possible in order to ensure a high reaction conversion.
  • a pressure Ps was set, which should not be exceeded in the reactor. The calculation of this limit was carried out in the connected process control system due to known procedural limits, essentially as a function of the degree of filling of the reactor and the reaction temperature
  • control method according to the invention was implemented in a commercial workstation with the aid of the MATLAB program package (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA) and transmitted via the standard interface OPC (OLE for Process Control) coupled to the process control system.
  • OPC OPC for Process Control
  • the structure of the control method is shown schematically in Fig. 5 and corresponds to the control block "CM" in Fig. 6.
  • Fig. 7 shows the time courses of some selected quantities of the process in standardized values.
  • the upper graph shows the course of the reactor temperature.
  • the dotted line corresponds to the externally set reaction temperature TRS, which should be reached as quickly as possible.
  • the thin solid curve indicates the nominal value trajectory for the reactor temperature provided by the setpoint generator 10, while the bold solid curve represents the actually measured reactor temperature TR.
  • the middle graph shows the actual curves of the manipulated variables feed flow F, n as a solid curve and cooling water inlet Fj as a dash-dotted curve again.
  • the dotted curve indicates the externally set pressure Ps at each time point.
  • the thin solid curve indicates the calculated nominal value trajectory for the pressure, while the bold curve represents the actual measured pressure P.
  • a setpoint trajectory for the controlled variable reactor temperature TR was initially generated on the basis of the current process information.
  • the cooling water inflow Fj was selected as a manipulated variable in order to influence the reactor temperature TR ZU.
  • the feed Fi n feed was not used for control in this mode, but set along a pre-calculated trajectory in the process.
  • the pressure P was monitored so that it could not exceed the predetermined, state-dependent pressure Ps.
  • the setpoint trajectory for the pressure P was recalculated during the switching mode (II). This process was triggered by a rule in the switching logic 60, after the difference between the predetermined pressure Ps and actual pressure P had fallen below a minimum value. However, this recalculation neither changed the structure of the control algorithm nor that of the feedforward control, so that there was no transition to a new switching mode.
  • the accumulation of the starting materials was reduced so much that a corresponding calculation rule in the switching logic 60 triggered the transition to the new switching mode (III). In this switching mode, the reactor temperature was no longer regulated via the cooling water inlet Fj, but via the feed flow F, n as control variable.
  • the cooling water inflow Fj reached its maximum value.
  • the regulation of the reactor temperature TR via the cooling water was thus limited and the switching logic 60 initiated the transition to the switching mode (V), which corresponded in structure to the switching mode (III).
  • the trajectory for the cooling water inflow Fj consisted of a constant value, its maximum value. This mode was maintained for most of the batch runtime.
  • the setpoint trajectory for the pressure P was recalculated twice, because the actual pressure P was below the difference value to the externally set pressure Ps.
  • the switching logic 60 triggered the switching mode (VI).
  • Fig. 8 illustrates another reactor configuration to which the control method of the invention has been successfully used.
  • the difference to the example described above was that the influence of the cooling capacity in the jacket around the reactor was not made by the cooling water inlet, but by the adjustment of the cooling water inlet temperature Tj, in a split-range control.
  • control method according to the invention can be used advantageously.
  • one or more flow rates of supplied feedstocks, flow rates of supplied heat transfer medium, temperature of the supplied heat transfer medium, the power of a heater installed in or on the reactor, the pressure in the reactor or in one with connected to the reactor heat exchanger, and flow rates or temperature of a heat transfer medium to an external heat exchanger are particularly suitable for controlling the flow rates of supplied feedstocks.
  • the invention is not limited to processes in which heat released by a reaction has to be dissipated. Even in processes that have a heat requirement, the inventive method can be used advantageously.
  • the heat transfer medium may be water as described above, but also oil, another liquid or steam, such as water vapor.
  • the method according to the invention makes it possible to improve the process control not only in semi-batch and batch reactors, but also in processes in other process-engineering apparatuses and plants for material conversion or substance separation, e.g. in crystallizers, chromatography columns, distillation, rectification or absorption columns.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von verfahrenstechnischen Prozessen, bei dem Sollwerttrajektorien für Regelgrößen bereitgestellt werden, Regelgrößen und weiteren Zustandsgrößen des Prozesses erfasst werden, Regelabweichungen berechnet und mittels eines Regelalgorithmus daraus Regler-Stellgrößen berechnet werden, ferner Vorsteuerung-Stellgrößen bestimmt werden, aus Regler-Stellgrößen und Vorsteuerung-Stellgrößen resultierende Stellgrößen berechnet und in dem Prozess eingestellt werden, wobei die Struktur des Regelalgorithmus und/oder der Vorsteuerung in Abhängigkeit von Regelgrößen, weiteren Zustandsgrößen und/oder Sollwerttrajektorien verändert wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Regeleinrichtung sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Zwei-Freiheitsgrade-Regelung mit expliziter Umschaltung zur Regelung verfahrenstechnischer Prozesse
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von verfahrenstechnischen Prozessen, bei dem Sollwerttrajektorien für Regelgrößen bereitgestellt werden, Regelgrößen und weitere Zustandsgrößen des Prozesses erfasst werden, Regelabweichungen berechnet und mittels eines Regelalgorithmus daraus Regler-Stellgrößen berechnet werden, ferner Vorsteuerung-Stellgrößen bestimmt werden, aus Regler- Stellgrößen und Vorsteuerung-Stellgrößen resultierende Stellgrößen berechnet und in dem Prozess eingestellt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Regeleinrichtung sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens. Bei verfahrenstechnischen Prozessen im industriellen Maßstab ist in den letzten Jahren ein steigender Trend zur Automatisierung zu beobachten, der nicht zuletzt in dem Wunsch nach Reproduzierbarkeit und Sicherheit der Anlagen begründet ist. Insbesondere in der chemischen und pharmazeutischen Industrie kommen neben kontinuierlichen Prozessen auch vielfach diskontinuierliche Prozesse zur Herstellung, Reinigung oder Konditionierung von Produkten zur Anwendung, die oftmals erhöhte Anforderungen an die Prozessführung stellen.
Weit verbreitet sind beispielsweise Reaktoren, die in Batch- oder Semi-Batch- Fahrweise betrieben werden und bei denen die Produktqualität entscheidend von dem Verlauf der Prozessbedingungen wie Druck und Temperatur über die Batch-Dauer abhängt. Insbesondere bei Reaktionen, die mit einer starken Temperaturerhöhung oder -erniedrigung einhergehen bzw. stark exotherm oder endotherm sind, ergeben sich häufig anspruchsvolle Regelungsaufgaben, die mit klassischen Regelungsverfahren nicht oder nur unbefriedigend gelöst werden können. In den letzten Jahren wurden diese Regelungsaufgaben zusätzlich durch den Trend zu immer größeren Reaktoren erschwert, da hierbei das Verhältnis von Reaktionsvolumen zu wärmeübertragender Fläche ungünstiger wird.
Schwierig zu lösende Regelungsaufgaben stellen sich allerdings nicht nur beim Betrieb von Reaktoren, sondern ebenso beim Betrieb weiterer verfahrenstechnischer Apparate und Anlagen zur Stoffumwandlung und Stofftrennung, z.B. bei Kristallisatoren, Chromatographiesäulen, Destillations-, Rektifikations- oder Absorptionskolonnen.
Bei klassischen Regelungsverfahren wie PI- oder PID-Regelungen wird lediglich der Verlauf der Abweichung einer Regelgröße von ihrem Sollwert berücksichtigt, um daraus eine Stellgröße zu ermitteln, die der Regelabweichung entgegen wirken soll. Bei Prozessen der oben dargestellten Art, die beispielsweise sensitiv auf Änderungen der Prozessbedingungen reagieren, ist eine einfache PID-Regelung oft nicht ausreichend, um das gewünschte Ziel zu erreichen. Eine Verbesserung verspricht in manchen Fällen eine kaskadierte Regelung, bei der ein übergeordneter Regler Sollwerte für einen untergeordneten Regler generiert. Daneben wurden etliche weitere Regelungskonzepte entwickelt, um bestimmte Klassen von Regelungsproblemen zu lösen, beispielsweise adaptive Regler, lernende Regler wie Neuronale Netze, oder modell- und optimierungsbasierte Regelungsverfahren wie die modellprädiktive Regelung. Die Patentschrift US 6, 144,897 offenbart einen modellpradiktiven Regler für chemische Reaktionsprozesse. Sowohl das Modell, auf dem die Prädiktion beruht, als auch der Regler selbst können an den jeweiligen Anlagenzustand angepasst werden. Gegenüber anderen modellprädiktiven Regelungsverfahren zeichnet sich dieses Verfahren durch ein mathematisches Modell aus, das einfach zu lösen ist und damit eine schnelle Prädiktion von Komponenten im Reaktionsgemisch gestattet.
Ein anderer Ansatz wird in der Offenlegungsschrift DE 102 26 670 A1 verfolgt, die ein Regelungsverfahren offenbart, das Besonderheiten bei nichtlinearen, zeitvarianten Prozessen berücksichtigt. Als Beispiel dient ein verfahrenstechnischer Batch-Prozess, bei dem zunächst der Reaktorinhalt während einer Aufheizperiode auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird und anschließend während der Reaktionsphase diese Temperatur konstant gehalten wird. Das Regelungsverfahren ist geeignet für Prozesse, bei denen der Verlauf von Regelgrößen und Regler-Stellgrößen von vornherein prinzipiell bekannt ist, beispielsweise bei Batch-Prozessen, die wiederholt mit gleichen Einsatz- Stoffen und derselben Rezeptur durchgeführt werden. Vorab ermittelte Verläufe dieser Größen werden als Trajektorien abgespeichert und während des Prozessverlaufs abgerufen und auf den Regler sowie den Prozess aufgegeben. Die eigentliche Regelung des Prozesses erfolgt entlang der vorbestimmten Trajektorien, beispielsweise mit Pl- oder PID-Reglern.
Ein vielversprechendes Konzept stellen Regelungsverfahren mit Vorsteuerung dar, die je nach Ausprägung auch als Zwei-Freiheitsgrade-Regelung bezeichnet werden. So offenbart EP 1 267 229 B1 ein Regelungsverfahren zum An- und Abfahren von verfahrenstechnischen Prozessen, z.B. in Kraftwerken, das modellgestützte Vorsteuerungen einsetzt, um Stellgrößen für den zu regelnden Prozess vorzugeben. Dazu werden vorab offline Simulationsrechnungen durchgeführt, um optimale Sollwerttrajektorien zu erhalten, die abgespeichert und während des Prozessablaufs ausgelesen und zur Beeinflussung der Stellgrößen verwendet werden. Das Modell kann auch dem aktuellen Prozesszustand nachgeführt und darauf basierende Optimierungsrechnungen wieder- holend durchgeführt werden.
In dem Artikel„Feedforward control with online parameter estimation applied to the Chylla-Haase reactor benchmark" von K. Graichen, V. Hagenmeyer und M. Zeitz (Jour- nal of Process Control, 16, 2006, S. 733-745) wird anhand eines in der Fachliteratur bekannten, beispielhaften Semi-Batch-Prozesses (Chylla-Haase Polymerisationsreaktor) die Leistungsfähigkeit eines Reglers mit Vorsteuerung demonstriert. Ein erweitertes Kalman-Filter wird eingesetzt, um nicht messbare Zustandsgroßen zu schätzen, die zur Anpassung der Vorsteuerung verwendet werden.
Ein ähnliches Verfahren wird in dem Artikel„Flatness-based two-degree-of-freedom control of industrial semi-batch reactors using a new Observation model for an exten- ded Kaiman filter approach" von V. Hagenmeyer und M. Nohr (International Journal of Control, Vol. 81 , No. 3, 2008, S. 428-438) beschrieben. Dort wird ein Regelungsverfahren mit Vorsteuerung auf einen industriellen Semi-Batch-Reaktor angewandt, um die Temperatur während einer chemischen Umsetzung der Einsatzstoffe im Reaktor zu regeln. Der Reaktor ist mit einem Kühlmantel versehen, der von einem Wärmeträgermedium durchflössen wird. Als Regler-Stellgröße dient die Eingangstemperatur des Wärmeträgermediums. Um die für die Regelung notwendigen Größen Reaktionswärme und Wärmeübergangskoeffizient zu bestimmen, die nicht direkt im Prozess messbar sind, kommt ein erweitertes Kalman-Filter zur Anwendung.
Aber auch mit diesem Ansatz lassen sich nicht sämtliche Regelungsaufgaben zufrie- densteilend lösen. Insbesondere trifft dies auf Prozesse zu, bei denen die eigentliche Regelungsaufgabe Beschränkungen unterworfen ist. Bei der Regelung von Batch- oder Semi-Batch-Reaktoren beispielsweise ist die Reaktortemperatur eine typische Regelgröße. Dabei sind häufig Beschränkungen wie minimal und maximal zulässige Werte der Kühlkapazität oder des Druckes im Reaktor einzuhalten.
Der im Folgenden beschriebenen Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung von verfahrenstechnischen Prozessen bereitzustellen, das eine optimierte Prozessführung unter zuverlässiger Einhaltung von Beschränkungen gewährleistet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Regelungsverfahren gemäß Anspruch 1 und eine Regeleinrichtung gemäß Anspruch 14 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 13 dargestellt. Ferner wird ein Computerprogramm gemäß Anspruch 15 vorgeschlagen. Verfahrenstechnische Prozesse, auf die das erfindungsgemäße Regelungsverfahren angewandt werden kann, lassen sich in der Regel durch Zustandsgroßen charakterisieren. Mit Hilfe dieser Zustandsgroßen lassen sich Aussagen über den Zustand des Prozesses zu einem beliebigen Zeitpunkt treffen. Manche der Zustandsgroßen lassen sich üblicherweise direkt im oder am Prozess messen, beispielsweise Volumen- oder Massenströme, Druck, Temperatur, Dichte, Viskosität oder auch Konzentrationen von einzelnen Komponenten eines Stoffgemisches oder einer Klasse von Substanzen. Andere Zustandsgroßen lassen sich nur mit hohem Aufwand oder gar nicht messen, bei- spielsweise die vollständige Zusammensetzung eines Stoffgemisches, Partikelgrößenverteilungen, Kettenlängenverteilungen, Melt Flow Index oder Kühlkapazitäten.
Einige der nicht messbaren Zustandsgroßen lassen sich mit Hilfe von mathematischen Modellen aus anderen, messbaren oder nicht messbaren, Zustandsgroßen ermitteln. Ein einfaches Beispiel hierfür ist ein Stoffsystem aus zwei Substanzen, deren Konzentrationen über Phasengleichgewichtsbeziehungen aus Messwerten für Druck und Temperatur eindeutig berechnet werden können. Die Ermittlung nicht messbarer Zustandsgroßen kann sowohl auf aktuellen Messwerten basieren als auch auf Informationen über den bisherigen Verlauf bestimmter Größen.
Im Folgenden werden als Regelgrößen solche Zustandsgroßen eines verfahrenstechnischen Prozesses bezeichnet, deren Werte gezielt durch das erfindungsgemäße Verfahren beeinflusst werden sollen. Typischerweise sind dies Zustandsgroßen, die einen großen Einfluss auf die zu erreichenden Ziele aufweisen, beispielsweise eine Konzentration einer Komponente in einem Produktabzug einer Destillationskolonne oder die Temperatur in einem Reaktor, deren Wert kritisch für die Produktqualität ist. Oftmals werden als Regelgrößen auch solche Zustandsgroßen ausgewählt, für die vorgegebene Grenzen nicht über- oder unterschritten werden dürfen, wie ein maximaler Druck oder Füllstand in einem Behälter. Regelgrößen können messbare oder nicht messbare Zustandsgroßen sein. Selbstverständlich kann beim Vorhandensein mehrerer Regelgrößen auch eine Regelgröße direkt gemessen werden, während eine andere Regelgröße indirekt aus anderen Zustandsgroßen bestimmt wird. Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren kann neben Regelgrößen noch weitere Zustandsgroßen verwenden, beispielsweise zur Berechnung von nicht direkt messbaren Regelgrößen. Diese Größen werden im Folgenden als„weitere Zustandsgroßen" bezeichnet. Auch diese können im oder am Prozess gemessen werden oder auf Basis anderer weiterer Zustandsgroßen bestimmt werden.
Erfindungsgemäß werden für Regelgrößen Vorgaben in Form von Sollwerten gemacht. Dies können zum einen Werte sein, die über die Zeitspanne des Prozessverlaufs konstant bleiben, zum anderen aber auch Werte, die über die Zeitspanne veränderlich sind. Sollwertvorgaben über eine gewisse Zeitdauer werden als Sollwerttrajektorien bezeichnet. Dabei kann es sich beispielsweise um über Zeitabschnitte konstante Werte, um Rampen, Polygonzüge oder andere kontinuierliche, stetige oder unstetige Verläufe der Sollwerte handeln. Auch der Sonderfall eines über die gesamte Zeitspanne des Prozessverlaufs konstanten Sollwertes ist somit von dem Begriff der Sollwerttrajek- torie umfasst.
Die Erfassung von Regelgrößen oder weiteren Zustandsgroßen kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Abhängig von der zu erfassenden Größe und des konkreten verfahrenstechnischen Prozesses können solche Größen beispielsweise mit Hilfe bekann- ter physikalischer Messprinzipien ermittelt werden. Beispiele hierfür sind klassische Durchflussmessgeräte, Druckaufnehmer oder Temperatursensoren. Konzentrationen etlicher Substanzen können z.B. mittels Gaschromatografie oder spektroskopischer Verfahren bestimmt werden wie NMR (nuclear magnetic resonance) oder NIR (Nahin- frarotspektroskopie).
Die Erfassung nicht direkt messbarer Regelgrößen oder weiterer Zustandsgroßen kann häufig mittels sehr einfacher bis komplexer mathematischer Beziehungen erfolgen. Sehr einfach lässt sich beispielsweise der Mengenstrom einer einzelnen Komponente in einem Gemisch, der selbst nicht direkt messbar ist, aus einem gemessenen Gesamtmengenstrom und der gemessenen Konzentration der betreffenden Komponente berechnen.
Bei komplexeren Zusammenhängen zwischen messbaren und nicht messbaren Zu- Standsgrößen können vorteilhaft Zustandsschätzverfahren zur Erfassung der interessierenden Größen eingesetzt werden. Beispiele solcher Zustandsschätzverfahren sind Luenberger-Beobachter, Kaiman-Filter oder erweiterte Kaiman-Filter, wie sie z.B. in den oben zitierten Artikeln von Graichen / Hagenmeyer / Zeitz bzw. Hagenmeyer / Nohr beschrieben sind. Die Verfahren als solches wie auch Möglichkeiten der Anpas- sung an den jeweilig zu regelnden Prozess sind bekannt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein erweitertes Kaiman-Filter als Zustandsschätzverfahren eingesetzt, das auf im Prozess direkt messbaren Zustandsgroßen (y*) basiert, um Regelgrößen (y) und/oder weitere Zustandsgroßen (y) zu erfassen. Durch einen Vergleich von Regelgrößen mit ihren aktuellen, jeweiligen Sollwerten werden Regelabweichungen berechnet. Auf Basis dieser Regelabweichungen wiederum werden mittels eines Regelalgorithmus Regler-Stellgrößen bestimmt. Als Stellgrößen werden üblicherweise Größen gewählt, deren Änderung im Prozess einen möglichst großen Einfluss auf die Regelgrößen hat, um den Regelabweichungen entgegen zu wirken. Soll beispielsweise der Füllstand in einem Behälter geregelt werden, bieten sich als Stellgrößen die Zulauf- oder Ablaufmenge an. Stellgrößen des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens können dabei selbst Sollwerte von unterlagerten Regelungen sein. Im Beispiel der Füllstandsregelung könnte also die Zulaufmenge ein Sollwert für eine unterlagerte Regelung sein, die als Stellgröße wiederum beispielsweise die Ventilstellung eines Ventils im Zulauf zum Behälter hat.
Im Folgenden wird der Begriff„resultierende Stellgröße" verwendet für Werte der Stellgrößen, die im Prozess eingestellt werden. Eine resultierende Stellgröße kann mit einer durch den Regelalgorithmus bestimmten Regler-Stellgröße identisch sein. Erfindungs- gemäß wird allerdings mindestens eine resultierende Stellgröße aus einer Regler- Stellgröße und einem weiteren Anteil, einer Vorsteuerung-Stellgröße, berechnet. Zusätzlich ist es auch möglich, Werte durch externe Vorgaben zu beeinflussen, z.B. durch manuelle Eingabe oder durch ein von einem informationsverarbeitenden System bereitgestelltes Signal.
Unter Vorsteuerung wird im Folgenden verstanden, dass auf der Basis von Sollwerten, Regelgrößen oder weiteren Zustandsgrößen mittels eines Algorithmus Vorsteuerung- Stellgrößen bestimmt werden. Dabei wird Prozesswissen genutzt, um die Regelung des Prozesses zu entlasten und zu verbessern. Eine erfindungsgemäße Vorsteuerung kann zustandsabhängige Berechnungsvorschriften umfassen, die eine Beziehung zwischen Sollwerten, Regelgrößen, weiteren Zustandsgrößen oder auch Regler- Stellgrößen einerseits und daraus resultierenden Vorsteuerung-Stellgrößen andererseits definieren, beispielsweise in Form eines mathematischen Modells.
Bevorzugt werden solche zustandsabhängigen Berechnungsvorschriften verwendet, die das Verhalten des zu regelnden verfahrenstechnischen Prozesses berücksichtigen. Insbesondere kommen Vorsteuerungen zum Einsatz, die das stationäre oder dynamische Verhalten invertieren. Das bedeutet, dass die Vorsteuerung-Stellgrößen so berechnet werden, dass der verfahrenstechnische Prozess exakt einer Sollwerttrajektorie folgt, wenn die Vorsteuerung-Stellgrößen aufgeschaltet werden und der Prozess keinen Störungen unterliegt. Eine solche Berechnung, die sogenannte Systeminversion, ist für sogenannte differenziell flache Systeme leicht möglich und aus der Fachliteratur bekannt.
Ferner kann es sich bei den Berechnungsvorschriften um vordefinierte, zeit- und/oder zustandsabhängige Trajektorien handeln, beispielsweise stückweise über die Zeit kon- stante Verläufe, Rampen oder andere vordefinierte Formen der Trajektorien mit zustandsabhängigen Parametern. Es ist auch möglich, als Berechnungsvorschriften Trajektorien vorzusehen, die vorab offline optimiert worden sind.
Die Struktur einer Vorsteuerung ist durch verschiedene Faktoren bestimmt, beispiels- weise die grundlegende Art einer Berechnungsvorschrift für Vorsteuerung-Stellgrößen oder die Verknüpfung von für die Berechnung verwendeten Größen. Daneben wird eine Berechnungsvorschrift durch einen oder mehrere Parameter geprägt, mittels derer Vorsteuerung-Stellgrößen bestimmt werden. Welche Parameter Verwendung finden, hängt von der jeweiligen Struktur der Berechnungsvorschriften ab. Handelt es sich bei- spielsweise bei der Berechnungsvorschrift um eine abschnittsweise konstante Funktion, so können die Zeitpunkte, die die Abschnitte definieren, sowie die Werte der Funktion in den jeweiligen Abschnitten als Parameter der Vorsteuerung angesehen werden. Für andere Arten von Berechnungsvorschriften ergeben sich entsprechend andere Parameter, beispielsweise Koeffizienten im Wertebereich oder Zeitbereich.
Als Regelalgorithmen kommen unterschiedliche Ansätze in Frage, wie sie aus der Fachliteratur bekannt sind. Beispiele sind PI- oder PID-Algorithmen, oder schaltende Regler (Sliding Mode). Es kann sich dabei sowohl um Regler handeln, die einen Ein- gang und einen Ausgang aufweisen, sogenannte SISO-Regler, als auch um Regler mit mehreren Ein- und Ausgängen, sogenannte MIMO-Regler. Die Struktur eines Regelalgorithmus ist durch unterschiedliche Merkmale geprägt wie den prinzipiellen Aufbau des Algorithmus oder die Zuordnung von Regelgrößen und Stellgrößen. Bei PI- oder PID- Reglern beispielsweise ist als weiteres Strukturmerkmal anzusehen, ob die Verstärkung des Regelalgorithmus, also der P-Anteil, fix oder variabel ausgestaltet ist, z.B. in Form eines Gain-Scheduling. Ähnlich der Vorsteuerung weisen die Regelalgorithmen verschiedene Parameter auf, die sich auf die Bestimmung der Regler-Stellgrößen auswirken. Ein Beispiel hierfür sind die Verstärkung, die Vorhaltezeit sowie die Nach- stellzeit bei einem PID-Algorithmus.
Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren kann auch kaskadiert sein. Dabei ist der verfahrenstechnische Prozess informations- und regelungstechnisch in zwei oder mehr Teilprozesse gegliedert, denen jeweils mindestens ein Regler zugeordnet ist, der auf Regelalgorithmen wie oben beschrieben basiert. Kaskadiert bedeutet, dass mindestens einer der Teilprozess-Regler einen oder mehrere Sollwerte von einem übergeordneten Regler erhält. Dem einen oder den mehreren Sollwerten kann eine Vorsteuerung- Stellgröße überlagert sein. Übergeordnete Regler werden auch als Führungsregler (Master-Regler) bezeichnet, untergeordnete Regler als Folgeregler (Slave-Regler). Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen, kaskadierten Verfahrens. Einem Führungsregler können mehrere Folgeregler zugeordnet sein. Ebenso kann ein Folgeregler selbst Führungsregler für ihm untergeordnete Folgeregler sein. Eine solche Konfiguration wird als multiple Kaskadierung bezeichnet. Erfindungsgemäß wird mindestens eine resultierende Stellgröße in mindestens einem Teilprozess aus einer Reg- ler-Stellgröße und einer Vorsteuerung-Stellgröße berechnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der verfahrenstechnische Prozess in zwei oder mehr Teilprozesse gegliedert und resultierende Stellgrößen von mindestens einem Führungsregler sowie mindestens einem ihm untergeordneten Folgeregler werden aus den jeweiligen Regler-Stellgrößen sowie ihnen zugeordneten Vorsteuerung-Stellgrößen berechnet. Daneben können weitere über- oder untergeordnete Regler vorhanden sein, mit oder ohne Vorsteuerung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung verfahrenstechnischer Prozesse um- fasst ferner eine Schaltlogik, die unterschiedliche Informationen verarbeiten kann, beispielsweise Informationen über Sollwerte und deren Trajektorien, gemessene oder anderweitig erfasste Zustandsgrößen des Prozesses, aber auch Strukturen und Parameter des Regelalgorithmus oder der Vorsteuerung. Auch externe Vorgaben, beispielsweise in Form von Sollwerten, Grenzen oder deren zeitlichen Verläufen, können von der Schaltlogik verarbeitet werden. Auf der Basis dieser Informationen sowie vorgegebener Beziehungen zwischen diesen Informationen ermittelt die Schaltlogik, ob Strukturen des Regelalgorithmus oder der Vorsteuerung verändert werden sollen. Dabei können auch Änderungen an den zugehörigen Parametern vorgenommen werden. Die Begriffe„Regelalgorithmus" und„Vorsteuerung" beziehen sich auf das gesamte erfindungsgemäße Verfahren und sind nicht streng in der Einzahl zu verstehen. Bei einem kaskadierten Verfahren beispielsweise werden darunter die Regelalgorithmen und Vorsteuerungen sämtlicher Regler verstanden, unabhängig davon, wie oder wo sie informationstechnisch realisiert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Regelungsverfahren kaskadiert, resultierende Stellgrößen von mindestens einem Führungsregler sowie mindestens einem ihm untergeordneten Folgeregler werden aus den jeweiligen Regler- Stellgrößen sowie ihnen zugeordneten Vorsteuerung-Stellgrößen berechnet, und die Struktur des Regelalgorithmus und/oder der Vorsteuerung des mindestens einen Folgereglers werden durch die Schaltlogik verändert. Ein Satz von Strukturen und Parametern des Regelalgorithmus und der Vorsteuerung wird im Folgenden als„Schaltmodus" bezeichnet. Ergibt sich aus der Auswertung der Informationen in der Schaltlogik, dass eine Änderung vorgenommen wird, liegt ein Umschalten von einem Schaltmodus in einen anderen Schaltmodus vor. Dabei kann es sich um Strukturänderungen entweder nur im Regelalgorithmus oder nur der Vorsteue- rung oder auch in beiden handeln. Dabei können auch zugehörige Parameter verändert werden.
Bevorzugte Strukturänderungen im Regelalgorithmus beziehen sich auf eine Änderung der Zuordnung von Regelgrößen und Regler-Stellgrößen. Eine weitere vorteilhafte Strukturänderung stellt die Auswahl eines anderen Regelalgorithmus dar.
Bei Strukturänderungen der Vorsteuerung handelt es sich vorzugsweise um Wechsel zwischen verschiedenen zustandsabhängigen Berechnungsvorschriften. Vorteilhaft kann eine Strukturänderung auch darin bestehen, dass andere Größen zur Berech- nung verwendet werden. Eine weitere bevorzugte Strukturänderung der Vorsteuerung besteht in der Auswahl einer oder mehrerer weiterer oder anderer Vorsteuerung- Stellgrößen.
Einem Schaltmodus zugeordnet sind außerdem eine oder mehrere Sollwerttrajektorien. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens werden beim Übergang von einem Schaltmodus in einen neuen Schaltmodus eine o- der mehrere Sollwerttrajektorien neu berechnet. Die Schaltlogik kann auch während eines Schaltmodus die Neuberechnung von Sollwerttrajektorien veranlassen, beispielsweise wenn sich Regelgrößen oder weitere Zustandsgrößen Grenzwerten annä- hern, bei Über- oder Unterschreitung eines Schwellenwertes der Regelabweichung, oder aufgrund von externen Vorgaben. Nach einer Neuberechnung einer oder mehrerer Sollwerttrajektorien kann eine Änderung der Parameter des Regelalgorithmus oder der Vorsteuerung erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich in Abhängigkeit von der Schaltlogik und den jeweiligen Prozessbedingungen unterschiedliche, zeitlich aufeinander folgende Schaltmoden. Die Änderungen von einem Schaltmodus zum nächs- ten können die Vorsteuerung, den Regelalgorithmus, die Neuberechnung einer Soll- werttrajektorie oder Kombinationen davon betreffen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Regelungsverfahren eingesetzt zur Überwachung und Einhaltung von Grenzen für eine oder mehrere Zustandsgroßen. Die entsprechenden Grenzwerte werden in der Schaltlogik verwendet, um die Bedingungen für einen Übergang in einen neuen Schaltmodus zu bestimmen oder auch die Neuberechnung von Sollwerttrajektorien zu veranlassen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Regelungsverfahren eingesetzt, um Grenzen einer oder mehrerer Zustandsgroßen gezielt anzufahren. Eine derartige Prozessführung hat den Vorteil, dass sich der Prozess wirtschaftlicher betreiben lässt, z.B. im Hinblick auf Qualitätsanforderungen oder die Raum-Zeit- Ausbeute.
Zur Umsetzung des Regelungsverfahrens ist bevorzugt eine Regeleinrichtung vorge- sehen, die je mindestens einen Signalgenerator zum Bereitstellen von Sollwerttrajektorien für Regelgrößen, eine Einrichtung zum Erfassen von Regelgrößen und weiteren Zustandsgroßen des Prozesses, einen Regler, der auf der Basis von Regelabweichungen mittels eines Regelalgorithmus Regler-Stellgrößen bestimmt, eine Vorsteuerung zur Bestimmung von Vorsteuerung-Stellgrößen, ein Mittel zur Berechnung von resultie- renden Stellgrößen aus Regler-Stellgrößen und Vorsteuerung-Stellgrößen und ein Mittel zum Einstellen der resultierenden Stellgrößen in dem Prozess umfasst, wobei die Regeleinrichtung ferner mindestens eine Schaltlogik aufweist, die geeignet ist, in Abhängigkeit von Regelgrößen, weiteren Zustandsgroßen und/oder Sollwerttrajektorien die Struktur des Regelalgorithmus und/oder der Vorsteuerung zu verändern. Einrich- tungen zum Erfassen von Regelgrößen und weiteren Zustandsgroßen sowie Mittel zur Berechnung und zum Einstellen der Stellgrößen im Prozess sind dem Fachmann bekannt, ebenso Signalgeneratoren, Regler, Regleralgorithmen, Vorsteuerungen, sowie Möglichkeiten zu ihrer hard- und softwaretechnischen Realisierung. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Vorsteuerung, Regelalgorithmen und die Berechnungsvorschriften der Schaltlogik in einem Computerprogramm mit Programmcodemitteln realisiert, beispielsweise in einem in einer Programmiersprache erstellten Programm oder mit Hilfe einer kommerziell verfügbaren Software, die sich zum Einsatz in einer Regelung verfahrenstechnischer Prozesse eignet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Computerprogramm auf einem Computer ablauffähig eingerichtet und mit Schnittstellen zur Kommunikation mit dem verfahrenstechnischen Prozess versehen. Die Kommunikation kann beispielswei- se mit einem Prozessleitsystem erfolgen, mittels dessen heutzutage viele verfahrenstechnische Prozesse gesteuert werden. Bei Prozessen, die nicht über ein Prozessleitsystem verfügen, kann die Kommunikation über Schnittstellen erfolgen, die einen Datenaustausch mit Messgeräten und Reglern im Prozess ermöglichen. Solche Schnitt- stellen und ihre hard- und softwaretechnische Realisierungen sind dem Fachmann bekannt. Der Computer kann sich dabei in der Nähe des verfahrenstechnischen Prozesses befinden, z.B. in einer Messwarte, er kann aber auch räumlich entfernt sein und über übliche Netzwerkverbindungen mit dem Prozess kommunizieren. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Vorsteuerung, Regelalgorithmen und die Berechnungsvorschriften der Schaltlogik zumindest teilweise softwaretechnisch als Bausteine in einem Prozessleitsystem implementiert. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Vorsteuerung, Regelalgorithmen und die Berechnungsvorschriften der Schaltlogik komplett in einem Prozessleitsystem imple- mentiert oder integriert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung verfahrenstechnischer Prozesse bewirkt eine verbesserte Prozessführung. Die Prozesse können in aller Regel näher an Grenzen betrieben werden, wodurch sich meist die Raum-Zeit-Ausbeute steigern lässt. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf eine Vielzahl von verfahrenstechnischen Prozessen vorteilhaft anwenden. Besonders vorteilhafte Auswirkungen zeigen sich bei absatzweisen Prozessen wie Batch- oder Semi-Batch-Prozessen. Hierbei kann häufig eine Batchzeitverkürzung erreicht und die Reproduzierbarkeit eines Batches verbessert werden.
Anhand der Zeichnungen wird im Folgenden die Erfindung weiter erläutert, wobei die Zeichnungen als Prinzipdarstellungen zu verstehen sind. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung dar, beispielsweise im Hinblick auf strukturelle Merkmale oder Anwendungen. Es zeigen:
Fig. 1 : Regelkreis mit Vorsteuerung und Zustandsschätzer gemäß dem Stand der Technik
Fig. 2: Regelkreis in Master-Slave-Konfiguration mit Vorsteuerung und Zustandsschätzer gemäß dem Stand der Technik
Fig. 3: Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens mit Vorsteuerung, Zustandsschätzer und Schaltlogik
Fig. 4: Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens mit Vorsteuerung, Zustandsschätzer und Schaltlogik in Master-Slave-Konfiguration
Fig. 5: Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens mit Vorsteue- rung, Zustandsschätzer, Schaltlogik und Auswahlblöcken
Fig. 6: Prinzipskizze eines Semi-Batch-Reaktors mit Kühlmantel und erfindungsgemäßer Regeleinrichtung Fig. 7: Zeitverläufe charakteristischer Größen des im Beispiel beschriebenen Semi- Batch-Prozesses
Fig. 8: Prinzipskizze eines weiteren Semi-Batch-Reaktors mit Kühlmantel und erfindungsgemäßer Regeleinrichtung
Liste der verwendeten Bezugszeichen
10 .. Signalgenerator für Sollwerttrajektorien
20 .. Regler
21 .. Führungsregler
22 .. Folgeregler
30 .. Prozess
31 .. erster Teilprozess
32 .. zweiter Teilprozess
40 .. Vorsteuerung
50 .. Zustandsschätzer
60 .. Schaltlogik
61 .. Auswahlblock am Reglereingang
62 .. Auswahlblock am Reglerausgang
63 .. Auswahlblock am Vorsteuerungsausgang
Liste der verwendeten Symbole
CM ■■ Regeleinrichtung
Fin . . Einsatzstoffzufluss
Fj .. Kühlmittelzufluss
P .. Druck
Ps .. vorgegebener Druck
Sc .. Signale von Regler an Schaltlogik
SCM ■■ Signale von Regler an Schaltlogik (Führungsregler)
Scs .. Signale von Regler an Schaltlogik (Folgeregler)
SF . . Signale von Vorsteuerung an Schaltlogik
SLC . . Signale von Schaltlogik an Regler
SLCM ■■ Signale von Schaltlogik an Regler (Führungsregler)
SLCS . . Signale von Schaltlogik an Regler (Folgeregler)
SLF . . Signale von Schaltlogik an Vorsteuerung
SLS . . Signale von Schaltlogik an Auswahlblock
Tjjn ■■ Temperatur des Kühlmittel-Zulaufs
Tj,out ■■ Temperatur des Kühlmittel-Ablaufs
TR . . Temperatur im Reaktionsgemisch
TRS . . vorgegebene Reaktionstemperatur
u resultierende Stellgröße
Uc .. Regler-Stellgröße UCM ... Regler-Stellgröße (Führungsregler)
ucs ... Regler-Stellgröße (Folgeregler)
UF ... Vorsteuerung-Stellgröße
UFM ... Vorsteuerung-Stellgröße (Führungsregler)
UFS ... Vorsteuerung-Stellgröße (Folgeregler)
UM ... resultierende Stellgröße (Führungsregler)
us ... resultierende Stellgröße (Folgeregler)
w ... Sollwert
Wext ... externer Sollwert
wt ... Sollwerttrajektorie
y ... Regelgröße
yi ... Regelgröße (Führungsregler)
y2 ... Regelgröße (Folgeregler)
y ... weitere Zustandsgröße
y* ... gemessene Zustandsgröße
yi* ... gemessene Zustandsgröße des ersten Teilprozesses
y2* ... gemessene Zustandsgröße des zweiten Teilprozesses
Fig. 1 stellt einen Regelkreis mit Vorsteuerung 40 und Zustandsschatzer 50 dar, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ein Signalgenerator 10 stellt Sollwerte w zur Verfügung, die mit ihren jeweiligen Regelgrößen y verglichen werden. Dem Signalge- nerator 10 können dabei externe Sollwerte wext vorgegeben werden, beispielsweise durch ein überlagertes System zur Prozessautomatisierung oder als Handeingabe eines Anlagenfahrers. Die Differenzen zwischen Sollwerten w und ihren jeweiligen Regelgrößen y, die sogenannten Regelabweichungen, werden einem Regler 20 zugeführt, der daraus Regler-Stellgrößen UCM berechnet. Parallel dazu bestimmt eine Vor- Steuerung 40 aus den Sollwerten w und weiteren Zustandsgroßen y Vorsteuerung- Stellgrößen UF. AUS diesen und den Regler-Stellgrößen UCM werden die resultierenden Stellgrößen u berechnet, die in dem Prozess 30 eingestellt werden. Es ergeben sich Regelgrößen y, die wiederum verwendet werden, um die Regelabweichungen zu berechnen. Können nicht alle weiteren Zustandsgroßen y direkt im Prozess 30 gemessen werden, wird ein Zustandsschatzer 50 vorgesehen, der die benötigten Größen aus gemessenen Zustandsgroßen y* bestimmt.
Der in Fig. 2 dargestellte Regelkreis bildet eine Erweiterung des oben beschriebenen Regelkreises aus Fig. 1 , indem zwei Regler kaskadiert in einer sogenannten Master- Slave-Konfiguration eingesetzt werden. Der zu regelnde Prozess ist in einen ersten Teilprozess 31 und einen zweiten Teilprozess 32 untergliedert. Regelgrößen yi des ersten Teilprozesses 31 werden zurückgeführt, um mittels der vorgegebenen Sollwerte w die Regelabweichungen für den Führungsregler 21 zu berechnen. Die vom Führungsregler 21 bestimmten Regler-Stellgrößen UCM werden mit Vorsteuerung- Stellgrößen UF verrechnet und ergeben die resultierenden Stellgrößen des Führungsreglers UM. Diese Stellgrößen fungieren als Sollwerte für den Folgeregler 22. Aus ihnen werden durch Vergleich mit Regelgrößen V2 des zweiten Teilprozesses 32 Regelabweichungen für den Folgeregler 22 gebildet, der daraus Regler-Stellgrößen ucs bestimmt. Diese Regler-Stellgrößen ucs werden im zweiten Teilprozess 32 eingestellt. Auch in diesem Regelkreis kann ein Zustandsschatzer 50 vorgesehen werden, der aus gemessenen Zustandsgrößen des ersten Teilprozesses y-ι* und des zweiten Teilprozesses V2* weitere Zustandsgrößen y bestimmt, die in der Vorsteuerung 40 verwendet werden können, um Vorsteuerung-Stellgrößen UF ZU berechnen.
Fig. 3 illustriert einen erfindungsgemäßen Regelkreis am Beispiel eines einfachen Re- gelkreises analog zu Fig. 1. Sollwertgenerator 10, Regler 20, Prozess 30, Vorsteuerung 40 sowie der optionale Zustandsschatzer 50 erfüllen die gleichen Funktionen wie bei Fig. 1 beschrieben. Erfindungsgemäß weist der Regelkreis weiterhin eine Schaltlogik 60 auf, die unterschiedliche Informationen als Eingangssignale verarbeiten kann, beispielsweise Sollwerte w, Regelgrößen y, gemessene Zustandsgrößen y*, weitere Zustandsgrößen y, oder Signale vom Regler sc oder von der Vorsteuerung SF. Auf Basis dieser Informationen können in der Schaltlogik 60 mittels zustandsabhängiger Berechnungsvorschriften Signale SLC und SLF generiert werden, die an den Regler 20 sowie an die Vorsteuerung 40 gesendet werden können. Abhängig von diesen Signalen können Strukturen oder Parameter des Regelalgorithmus oder der Vorsteuerung 40 verändert werden. Weiterhin kann die Schaltlogik 60 auch den Signalgenerator für Sollwerttrajektorien 10 beeinflussen.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen, kaskadierten Regelkreises, der in seinem Grundaufbau dem in Fig. 2 abgebildeten entspricht. Sollwertgenerator 10, Füh- rungsregler 21 , Folgeregler 22, Teilprozesse 31 und 32, Vorsteuerung 40 sowie der optionale Zustandsschätzer 50 erfüllen die gleichen Funktionen wie bei Fig. 2 beschrieben. Erfindungsgemäß ist eine Schaltlogik 60 vorgesehen, die auf verschiedene Informationen aus dem Prozess als Ganzem oder den einzelnen Teilprozessen zugreifen kann, beispielsweise Sollwerte w, Regelgrößen yi und y2, gemessene Zustands- großen yi* und y2*, weitere Zustandsgrößen y, sowie Signale SCM und scs von den
Reglern oder Signale SF der Vorsteuerung. Ausgehend von diesen Informationen können in der Schaltlogik 60 mittels zustandsabhängiger Berechnungsvorschriften Signale SLCM, SLCS und SLF generiert werden, die an den Führungsregler 21 , den Folgeregler 22 sowie an die Vorsteuerung 40 gesendet werden können. Weiterhin kann die Schaltlo- gik 60 auch den Signalgenerator für Sollwerttrajektorien 10 beeinflussen.
Die Signale der Schaltlogik 60 an die Regler 21 , 22 und die Vorsteuerung 40 können bewirken, dass Strukturen oder Parameter des Regelalgorithmus oder der Vorsteuerung 40 verändert werden. Dabei können Strukturen und Parameter nur in einem Reg- ler, nur in der Vorsteuerung, aber auch in mehreren Reglern und/oder der Vorsteuerung in Kombination verändert werden. Bevorzugt werden Änderungen in einem Regler und der zugeordneten Vorsteuerung simultan vorgenommen. In Fig. 4 ist der Übersichtlichkeit halber ein kaskadierter Regelkreis mit einem Führungsregler 21 und einem Folgeregler 22 dargestellt. Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren ist allerdings nicht auf diese Konfiguration beschränkt, sondern lässt sich bei beliebigen Kombinationen von Master- und Folgereglern vorteilhaft anwenden. So kann beispielsweise der Folgeregler 22 im Fall einer multiplen Kaskadierung des Regelkreises selbst wiederum Führungsregler für weitere Regler sein. Die Schaltlogik ist sowohl bei Regelkreisen mit nur einer Regelgröße und einer Stellgröße, sogenannten SISO-Systemen, einsetzbar wie auch bei MIMO-Systemen mit mehreren Regel- und Stellgrößen. Sowohl SISO- als auch MIMO-Systeme können kaskadiert sein, auch Kombinationen sind erfindungsgemäß umfasst, beispielsweise im Fall eines übergeordneten MIMO-Reglers mit einem untergeordneten SISO-Regler.
Beispiel Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde auf einen industriellen Semi-Batch-Prozess angewandt. Es handelte sich dabei um eine stark exotherme Polyadditionsreaktion. Ein erster Einsatzstoff wurde in einem Rührkesselreaktor vorgelegt, wie er in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Die Zugabe eines zweiten Einsatzstoffes erfolgte kontinuierlich über eine Leitung in den Reaktor. Die Flussrate F,n des zweiten Einsatzstoffes wurde mittels eines Durchflussmessgerätes erfasst und über ein Regelventil eingestellt. Der untere Teil des Reaktors war von einem Mantel umgeben, der von Kühlwasser als Wärmeträgermedium durchflössen wurde. Die Flussrate des zufließenden Kühlwassers Fj konnte über ein weiteres Regelventil beeinflusst werden. Kühlwasserzufluss Fj sowie Kühlwassertemperatur im Zulauf Tjjn und im Ablauf Tj,out wurden durch Messgeräte erfasst. Weiterhin wurden der Druck im Reaktor P sowie die Temperatur im Reaktionsgemisch TR messtechnisch erfasst. Sämtliche Messgeräte waren mit einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung CM verbunden, sodass die gemessenen Werte dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren als gemessene Zustandsgrößen y* zur Verfügung standen.
Der Reaktionsprozess sollte so geführt werden, dass eine möglichst hohe Raum-Zeit- Ausbeute erreicht wird. Als externe Vorgaben wext erhielt das Regelungsverfahren zum einen die Reaktionstemperatur TRS, die möglichst schnell erreicht werden sollte, um einen hohen Reaktionsumsatz zu gewährleisten. Zum anderen wurde abhängig vom aktuellen Zustand des Prozesses ein Druck Ps vorgegeben, der im Reaktor nicht überschritten werden sollte. Die Berechnung dieses Grenzwertes erfolgte im angeschlossenen Prozessleitsystem aufgrund bekannter verfahrenstechnischer Grenzen, im Wesentlichen in Abhängigkeit des Füllgrades des Reaktors und der Reaktionstemperatur
Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren wurde in einem handelsüblichen Arbeitsplatzrechner mit Hilfe des Programmpakets MATLAB (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA) implementiert und über die Standardschnittstelle OPC (OLE for Process Control) an das Prozessleitsystem angekoppelt. Der Aufbau des Regelungsverfahrens ist in Fig. 5 schematisch wiedergegeben und entspricht dem Regelungsblock„CM" in Fig. 6. Um eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute zu erzielen, war es erforderlich, den Prozess 30 möglichst nahe an einer oder mehreren gegebenen Grenzen zu betreiben. Neben der Grenze für den Druck bestanden weitere Beschränkungen in der maximal möglichen Flussrate an zweitem Einsatzstoff F,n und der Flussrate des Kühlwasserzuflusses Fj. Diese beiden Flussraten wurden als Stellgrößen u gewählt. Als Regelgrößen y wurden der Druck P im Reaktor sowie die Temperatur im Reaktionsgemisch TR gewählt. Die Grundlage des Regelalgorithmus bildeten drei SISO-Regler 20 mit entsprechender Vorsteuerung 40 mit folgender Zuordnung von Stell- und Regelgrößen:
Einsatzstoffzufluss F,n - Druck P
Einsatzstoffzufluss Fin - Reaktortemperatur TR
Kühlwasserzufluss FJ - Reaktortemperatur TR
Von diesen drei Einzelreglern waren höchstens zwei gleichzeitig aktiv geschaltet, indem aufgrund von Signalen SLS der Schaltlogik 60 an die Auswahlblöcke 61 und 62 die betreffenden Regelgrößen y und Stellgrößen uc ausgewählt wurden. Analog wurden basierend auf Signalen SLS der Schaltlogik 60 an den Auswahlblock 63 die korrespondierenden Vorsteuerung-Stellgrößen UF ausgewählt. Einem aktiven Regler (61 , 20, 62) war jeweils die zugehörige flachheitsbasierte Vorsteuerung (40, 63) zugeordnet. In der Vorsteuerung 40 wurde mittels Systeminversion eines mathematischen Modells auf- grund von Regelgrößen y, gemessenen Zustandsgrößen y* und durch den Beobachter 50 ermittelten Zustandsgrößen y eine Vorsteuerungsstellgröße UF ermittelt, welche die optimale Stellgröße bezüglich der gewünschten Sollwertänderung und aktuell einwirkenden, berücksichtigten Störgrößen des Modellsystems darstellte. Im Folgenden wird anhand eines beispielhaften Batch-Laufes das erfindungsgemäße Regelungsverfahren näher erläutert. Fig. 7 zeigt die Zeitverläufe einiger ausgewählter Größen des Prozesses in normierten Werten. In der oberen Grafik ist der Verlauf der Reaktortemperatur wiedergegeben. Die punktierte Gerade entspricht der extern vorgegebenen Reaktionstemperatur TRS, die möglichst schnell erreicht werden soll. Die dünn durchgezogene Kurve zeigt die durch den Sollwertgenerator 10 bereitgestellte Soll- werttrajektorie für die Reaktortemperatur an, während die fett durchgezogene Kurve die tatsächlich gemessene Reaktortemperatur TR darstellt. Die mittlere Grafik gibt die tatsächlichen Verläufe der Stellgrößen Einsatzstoffzufluss F,n als durchgezogene Kurve und Kühlwasserzufluss Fj als strichpunktierte Kurve wieder. In der unteren Grafik be- zeichnet die punktierte Kurve den extern vorgegebenen Druck Ps zu jedem Zeitpunkt. Analog zur oberen Grafik zeigt die dünn durchgezogene Kurve die berechnete Soll- werttrajektorie für den Druck an, während die fett durchgezogene Kurve den tatsächlich gemessenen Druck P darstellt. Mit Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens wurde zunächst auf Basis der aktuellen Prozessinformationen eine Sollwerttrajektorie für die Regelgröße Reaktortemperatur TR generiert. In diesem ersten Schaltmodus (I) wurde als Stellgröße der Kühlwasserzufluss Fj gewählt, um die Reaktortemperatur TR ZU beeinflussen. Der Zufluss an Einsatzstoff Fin wurde in diesem Modus nicht zur Regelung verwendet, sondern entlang einer vorab berechneten Trajektorie im Prozess eingestellt. Der Druck P wurde dahingehend überwacht, dass er den vorgegebenen, zustandsabhängigen Druck Ps nicht überschreiten durfte. Die Sollwerttrajektorie für die Reaktortemperatur TR wurde zum Zeitpunkt t=0,022 neu berechnet, da die Abweichung zwischen aktuellem Wert und Sollwert zu groß geworden war. In Fig. 7 ist diese Neuberechnung durch den senkrechten Abfall der dünn durchgezogenen Kurve in der oberen Grafik zu erkennen. Bei dem zugrundeliegenden Reaktionssystem besteht prinzipiell die Gefahr, dass sich Einsatzstoffe akkumulieren, ohne zu reagieren. Im Falle einer plötzlich einsetzenden Reaktion könnten sich Druck und Temperatur sehr schnell erhöhen, sodass der Prozess außer Kontrolle geraten könnte. Daher wurde im Beobachter 50 eine Berechnungsvorschrift für den aktuellen Umsatzgrad implementiert und in der Schaltlogik 60 ein zugehöriger Grenzwert vorgegeben. Zum Zeitpunkt t=0,031 wurde dieser Grenzwert erreicht. Auf Basis der in der Schaltlogik 60 hinterlegten Regeln wurde daraufhin von einer festen Trajektorie für den Einsatzstoffzufluss F,n auf eine zustandsabhängige Trajektorie umgeschaltet, was eine Strukturumschaltung in der Vorsteuerung 40 bedeutete. Die Zuordnung der Stellgröße Kühlwasserzufluss Fj zur Regelgröße Reaktor- temperatur TR blieb in dem neuen Schaltmodus (II) unverändert.
Wie in Fig. 7 in der unteren Grafik zu entnehmen ist, wurde die Sollwerttrajektorie für den Druck P während des Schaltmodus (II) neu berechnet. Ausgelöst wurde dieser Vorgang durch eine Vorschrift in der Schaltlogik 60, nachdem die Differenz zwischen vorgegebenem Druck Ps und tatsächlichem Druck P einen Minimalwert unterschritten hatte. Allerdings wurde durch diese Neuberechnung weder die Struktur des Regelalgorithmus noch die der Vorsteuerung geändert, sodass kein Übergang in einen neuen Schaltmodus vorlag. Zum Zeitpunkt t=0,062 war die Akkumulation der Einsatzstoffe soweit reduziert, dass eine entsprechende Berechnungsvorschrift in der Schaltlogik 60 den Übergang in den neuen Schaltmodus (III) auslöste. In diesem Schaltmodus wurde die Reaktortemperatur nicht mehr über den Kühlwasserzufluss Fj, sondern über den Einsatzstoffzufluss F,n als Stellgröße geregelt. Analog wurde auch die Berechnung der Vorsteuerung- Stellgrößen geändert. Mithin fand eine Strukturänderung von Regelalgorithmus und Vorsteuerung statt. Auch die Sollwerttrajektorie für die Reaktortemperatur TR wurde zu diesem Zeitpunkt neu berechnet, da die Abweichung vom Sollwert für die Umschaltung auf den Einsatzstoffszufluss F,n als Stellgröße zu groß war. Für den Kühlwasserzufluss Fj wurde eine Trajektorie berechnet und im Prozess eingestellt. Der Druck P wurde weiterhin überwacht.
Zum Zeitpunkt t=0,089 wurde erneut die Akkumulationsgrenze erreicht, sodass in den neuen Schaltmodus (IV) umgeschaltet wurde. Dieser Schaltmodus entspricht in seiner Struktur dem oben bereits geschilderten Schaltmodus (II), sodass erneut eine Strukturänderung von Regelalgorithmus und Vorsteuerung erfolgte. Eine Neuberechnung der Sollwerttrajektorie für die Reaktortemperatur TR erfolgte nicht, da die Abweichung zwischen Sollwert und realem Wert zu diesem Zeitpunkt gering war.
Zum Zeitpunkt t=0,136 erreichte der Kühlwasserzufluss Fj seinen maximalen Wert. Die Regelung der Reaktortemperatur TR über das Kühlwasser war somit begrenzt und die Schaltlogik 60 leitete den Übergang in den Schaltmodus (V) ein, der in der Struktur dem Schaltmodus (III) entsprach. Die Trajektorie für den Kühlwasserzufluss Fj bestand im Schaltmodus (V) allerdings aus einem konstanten Wert, seinem Maximalwert. Dieser Modus wurde über den Großteil der Batch-Laufzeit beibehalten. Gegen Ende der Laufzeit wurde die Sollwerttrajektorie für den Druck P zweimal neu berechnet, da der aktuelle Druck P den Differenzwert zum extern vorgegebenen Druck Ps unterschritt. Als der aktuelle Druck P zum Zeitpunkt t=0,970 seinen Sollwert überschritten hatte, wurde durch die Schaltlogik 60 der Schaltmodus (VI) ausgelöst. Es erfolgte eine Strukturänderung von Regelalgorithmus und Vorsteuerung dahingehend, dass der Druck P nun erstmals über den Einsatzstoffzufluss F,n geregelt wurde und die Reaktortemperatur TR wieder über den Kühlwasserzufluss Fj. Dieser Modus wurde bis zum Ende der Batch-Laufzeit beibehalten. Das Ende des Batch-Laufs wurde durch die Rezeptursteuerung im Prozessleitsystem anhand der dosierten Einsatzstoffmenge bestimmt und dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren mitgeteilt.
Bei sämtlichen Änderungen der Reglerstruktur wurden die Parameter der nach der Umschaltung aktiven Regler neu initialisiert.
Fig. 8 stellt eine weitere Reaktorkonfiguration dar, an der das erfindungsgemäße Regelungsverfahren erfolgreich eingesetzt wurde. Der Unterschied zu dem oben beschriebenen Beispiel bestand darin, dass die Beeinflussung der Kühlleistung im Mantel um den Reaktor nicht durch den Kühlwasserzufluss erfolgte, sondern durch die Einstellung der Kühlwasserzulauf-Temperatur Tj, in über eine Split-Range-Regelung.
Im Vergleich zu dem bisherigen Prozessführungskonzept, das keine Umschaltung von Regelalgorithmus oder Vorsteuerung vorsah, konnte bei beiden Reaktorkonfiguratio- nen durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduzierung der Dosierzeit um 10% bis 30% erzielt werden, abhängig von der Rezeptur des Batches. Weiterhin konnte die Reproduzierbarkeit gleichartiger Batches erhöht werden. In obigem Beispiel lief der verfahrenstechnische Prozess im Wesentlichen in einem Semi-Batch-Reaktor ab, der von einem mit Kühlwasser als Wärmeträgermedium durchflossenen Mantel umgeben war. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf dieses Beispiel beschränkt. So sind dem Fachmann beispielsweise weitere Einrichtungen zum Wärmeaustausch bei Reaktoren bekannt wie Halbschlangen außerhalb oder innerhalb des Reaktors, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden, aber auch Einrichtungen im Reaktor wie durchströmte Rohrschlangen oder elektrische Heizungen. Eine weitere gebräuchliche Art der Wärmeabfuhr ist die Siedekühlung, insbesondere bei Polymerisationsprozessen, bei denen eine Gasphase vorhanden ist oder durch die Reaktion entsteht. Man unterscheidet dabei die interne Siedekühlung im Reaktor von der externen Siedekühlung, bei der ein Teil des gasförmigen Reaktorinhalts in einen mit dem Reaktor verbundenen Wärmetauscher geleitet und dort kondensiert wird. Auch eine flüssige Phase kann in einem externen Wärmetauscher gekühlt oder erwärmt werden, als Wärmetauscher kommen dabei sämtliche bekannten Bauarten in Betracht, insbesondere auch solche, die sich auf der Wärmeträgerseite das Prinzip der Siedekühlung zunutze machen.
Auch bei derartigen Abwandlungen des oben dargestellten Beispiels lässt sich das erfindungsgemäße Regelungsverfahren vorteilhaft anwenden. In Abhängigkeit der je- weiligen apparativen Gegebenheiten eignen sich dabei als Stellgrößen insbesondere eine oder mehrere Flussraten an zugeführten Einsatzstoffen, Flussraten an zugeführtem Wärmeträgermedium, Temperatur des zugeführten Wärmeträgermediums, die Leistung einer im oder am Reaktor angebrachten Heizung, der Druck im Reaktor oder in einem mit dem Reaktor verbundenen Wärmetauscher, sowie Flussraten oder Tem- peratur eines Wärmeträgermediums zu einem externen Wärmetauscher.
Ebenso ist die Erfindung nicht auf Prozesse beschränkt, bei denen durch eine Reaktion freigesetzte Wärme abgeführt werden muss. Auch bei Prozessen, die einen Wärmebedarf aufweisen, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft anwenden. Das Wärmeträgermedium kann dabei wie oben beschrieben Wasser sein, aber auch Öl, eine sonstige Flüssigkeit oder auch Dampf, beispielsweise Wasserdampf.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich die Prozessführung nicht nur bei Semi-Batch- und Batch-Reaktoren verbessern, sondern auch bei Prozessen in ande- ren verfahrenstechnischen Apparaten und Anlagen zur Stoffumwandlung oder Stofftrennung, z.B. bei Kristallisatoren, Chromatographiesäulen, Destillations-, Rektifikati- ons- oder Absorptionskolonnen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Regelung von verfahrenstechnischen Prozessen, umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen von Sollwerttrajektorien (wt) für Regelgrößen (y),
- Erfassen von Regelgrößen (y) und weiteren Zustandsgrößen (y) des Prozesses,
- Berechnen von Regelabweichungen aus dem Vergleich von Regelgrößen (y) und ihren Sollwerten (w),
- Bestimmung von Regler-Stellgrößen (uc) auf Basis der Regelabweichungen mittels eines Regelalgorithmus,
- Bestimmung von Vorsteuerung-Stellgrößen (UF),
- Berechnung von resultierenden Stellgrößen (u) aus Regler-Stellgrößen (uc) und Vorsteuerung-Stellgrößen (UF) und
- Einstellen der resultierenden Stellgrößen (u) in dem Prozess,
wobei die Struktur des Regelalgorithmus und/oder der Vorsteuerung in Abhängigkeit von Regelgrößen (y), weiteren Zustandsgrößen (y) und/oder Sollwerttrajektorien (wt) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren kaskadiert ist und resultierende Stellgrößen von mindestens einem Führungsregler sowie mindestens einem ihm untergeordneten Folgeregler aus den jeweiligen Regler-Stellgrößen sowie ihnen zugeordneten Vorsteuerung-Stellgrößen berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Struktur des Regelalgorithmus und/oder der Vorsteuerung des mindestens einen Folgereglers verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Veränderung der Struktur des Regelalgorithmus und/oder der Vorsteuerung dadurch gekennzeichnet ist, dass sich aufeinander folgende Schaltmoden ergeben.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei beim Übergang auf einen neuen Schaltmodus oder während eines Schaltmodus eine oder mehrere Sollwerttrajektorien (wt) neu berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Veränderung der Struktur des Regelalgorithmus eine Änderung der Verknüpfung von Regelgrößen (y) und Regler-Stellgrößen (uc) umfasst.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Veränderung der Struktur der Vorsteuerung einen Wechsel zwischen verschiedenen zustandsabhängi- gen Berechnungsvorschriften oder vorgegebenen Vorsteuerung-Stellgrößen (UF) umfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine oder mehrere Vorsteuerung-Stellgrößen (UF) während mindestens eines Schaltmodus durch Systeminversion gebildet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zum Erfassen von Regelgrößen (y) und/oder weiterer Zustandsgrößen (y) ein Zustandsschätzverfahren eingesetzt wird, das auf im Prozess direkt messbaren Zustandsgrößen (y*) basiert.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem Zustandsschätzverfahren um ein erweitertes Kaiman-Filter handelt.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der verfahrenstechnische Prozess in Batch- oder Semi-Batch-Fahrweise betrieben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei der zu regelnde Prozess einen Batch- oder Semi-Batch-Reaktor mit Einrichtungen zum Wärmeaustausch umfasst. 13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei mindestens eine Stellgröße aus folgender Liste ausgewählt wird:
- Flussrate an zugeführtem Einsatzstoff
- Flussrate an zugeführtem Wärmeträgermedium
- Temperatur des zugeführten Wärmeträgermediums
- Leistung einer im oder am Reaktor angebrachten Heizung
- Druck im Reaktor oder einem mit dem Reaktor verbundenen Wärmetauscher
- Flussrate oder Temperatur eines Wärmeträgermediums zu einem externen Wärmetauscher
14. Regeleinrichtung zur Regelung von verfahrenstechnischen Prozessen, umfassend je mindestens
- einen Signalgenerator (10) zum Bereitstellen von Sollwerttrajektorien (wt) für Regelgrößen (y),
- eine Einrichtung zum Erfassen von Regelgrößen (y) und weiteren Zustandsgrößen (y) des Prozesses,
- einen Regler (20, 21 , 22), der auf der Basis von Regelabweichungen mittels eines Regelalgorithmus Regler-Stellgrößen (uc) bestimmt, - eine Vorsteuerung (40) zur Bestimmung von Vorsteuerung-Stellgrößen (UF),
- ein Mittel zur Berechnung von resultierenden Stellgrößen (u) aus Regler- Stellgrößen (uc) und Vorsteuerung-Stellgrößen (UF) und
- ein Mittel zum Einstellen der resultierenden Stellgrößen (u) in dem Prozess, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung ferner mindestens eine
Schaltlogik (60) aufweist, die geeignet ist, in Abhängigkeit von Regelgrößen (y), weiteren Zustandsgroßen (y) und/oder Sollwerttrajektorien (wt) die Struktur des Regelalgorithmus und/oder der Vorsteuerung zu verändern.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, einem Prozessleitsystem oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird.
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