Marktanalyse von Tools zum Reglertuning mit Ausrichtung auf die Anwendung

während der Anlageninbetriebnahme.

Referent: Martin ArensFachbereich ElektrotechnikFh-Trier

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Gliederung des Vortrags

Wie kam das Thema dieser Diplomarbeit zustande?

Begriffserklärung

Die am Markt verfügbaren Programme, bzw. deren Unternehmen

Vergleichkriterien der Programme

Ergebnis des Vergleiches

Vorgang der Optimierung beim Programm Rapid

Der Benefit von Optimierungsprogrammen

Anforderungen an die Optimierungsprogramme Regler und Regelstrukturen in der Praxis

Datenaustausch zwischen PLS und Optimierungsprogramm

Welche Regler stellt das PLS zur Verfügung

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Wie kam das Thema dieser Diplomarbeit zustande?

Projekt Pharmazeutische Anlage der Firma Boehringer Ingelheim

Honeywell stellt das Prozessleitsystem Experion PKS®

Honeywell und Lang & Peitler

• Implementierung der verfahrentechnischen Vorgaben

• zuständig für die Inbetriebnahme auf der Softwareseite

In der Anlage existieren ca. 800 Regler

Einstellung der Regelkreise Der Inbetriebnehmer benötigt Erfahrung mit der Einstellung von Reglerparametern

Vorgehensweise bei der Einstellung von Parameter

• Sprungantwort betrachten

• Parameter ändern

Der D-Anteil ist nur sehr schwer von Hand einzustellen

Aufgaben der Diplomarbeit Vergleich von Programmen zur Parametereinstellung

Einsatz während der Inbetriebnahme

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Begriffserklärung (1)

G (s)GR(S)w xye

z

Nomenklatur:

e : Regelabweichung, G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgröße GR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers

x : Regelgröße s : Laplaceoperatory : Stellgrößez : Störgröße

xwe

Der Regelkreis:

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Begriffserklärung (2)

ü

Mg

M

0

0,1

0,1

t

c(t)

Ts

Tr

M *( 1-ε)g

M

pt

Tr : Anstiegszeit, die Zeit bis zum erstmaligen

erreichen des Wertes Mg*(1-ε)

Ts : Ausregelzeit, die Zeit bis zum endgültigen

verharren innerhalb des TodbandesM0 : Wert der Regelgröße vor dem Sprung

Mg : Wert der Führungsgröße nach einem

SprungMpt : Wert für die maximale Regelgröße

ü : Überschwingweite : Definiert die Breite des Todbandes um

die Führungsgrößeε : Definiert den Wert der Regelgröße,

um die Anstiegszeit zu ermitteln.

Sprungantwort:

Reaktion der Regelgröße auf eine sprunghafte Änderung der Führungsgröße.

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Anforderungen an das Optimierungsprogramm

Standardregler Zwei- und Dreipunktregler

P-, PI-, PD- und PID-Regler

Verschaltungen von Standardreglern Kaskadenschaltung

Störgrößen- und Hilfsgrößenaufschaltung

Split-Rang-Regelungen

Feedforward Regelung

Weitere Regelstrukturen und Reglerkonzepte Fuzzy Control

Smith Predictor

Zustandstraumregelung

Adaptive bzw. Predictive Regler

Regler und Reglerstrukturen in der Praxis

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Welche Regler stellt das PLS zur Verfügung

Reglerstrukturen des PLS

Prozessleitsystem Experion PKS® von der Firma Honeywell

Standart PID-Regler

Anforderungen an das Optimierungsprogramm

Das Prozessleitsystem, PLS

PID-Regler, bei dem der D-Anteil von der Regelgröße abhängt

PID-Regler, bei dem der D-Anteil und P-Anteil von der Regelgröße abhängt

I-Regler

P-Regler

Alle vorher genannten Regler können auch als Feedforward realisiert werden

ERP

MES

PLS

SPS / Apparatesteuerung

Unternehmensleitebene

Produktionsleitebene

Prozessleitebene

Feldebene

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Datenaustausch zwischen PLS und Optimierungsprogramm

OPC

Import von ASCII-Dateien

Objekt Linking and Embedding for Process Control

Standart zum Datenaustausch zwischen Industriesteuerungen und Anwenderprogrammen

Datenaustausch erfolgt über die COM-Schnittstelle.

OPC-Server und OPC-Client

Für die Inbetriebnahme geeignet, da direkter Datenzugriff möglich ist

American Standard Code for Information Interchange

128 bzw. 256 Zeichen,

Daten werden durch unterschiedliche Separatoren getrennt

• Tabulatoren

• Kommata

• Leerzeichen

• Semikolon

Zur Verarbeitung von archivierten Daten geeignet

Anforderungen an das Optimierungsprogramm

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Anforderungen an de Optimierungsprogramme

Datenaustausch über eine OPC-Schnittstelle

Sollte einen Feedforward Algorithmus berechnen können

Simulationsumgebung um die Ermittelten Parameter zu testen

Möglichst in kurzer Zeit bestmögliche Parameter berechnen

Einfache Bedienbarkeit für den Inbetriebnehmer

Berechnung der Parameter für unterschiedliche Regelstrukturen Integrierendes Verhalten

Selbstregulierendes Verhalten

Berechnung der Parameter für einen P-Regler

PI-Regler

PID-Regler

Festlegung der Art der Optimierung Führungs- oder Störgrößenänderung

Optimierungsverfahren

Angaben zur Ausregelzeit oder Überschwingweite

Daraus resultieren folgende Anforderungen

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Die am Markt verfügbaren Programme, bzw. deren Unternehmen

TOPAS

PROTUNER™

RSTune

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Vergleichskriterien der Programme

Datenakquisition

Optimierungseigenschaften der Programme

Vergleich von berechneten Parametern

simulierten Regelstrecken

Daten von einer realen Anlage

Simulatoren der Programme

Handhabung der Programme

Dokumentation der Optimierung

Preis

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Vorläufiges Ergebnisse des Vergleichs

Vorteile

Nachteile

Kann immer nur drei Signale über OPC aufzeichnen

Bietet dem Benutzer viele Möglichkeiten in die Modellbildung und Optimierung einzugreifen

• größerer Zeitaufwand

• Kenntnisse über die Parametrierungsmöglichkeiten

Einfache Bedienbarkeit des Programms

Viele Möglichkeit die Optimierung zu beeinflussen

Konnte alle simulierten Regelstrecken identifizieren

Kann verschiedene Berechnung von Parametersätzen miteinander vergleich

Übersichtlicher Report

Die Parameter der simulierten Strecken entsprachen fast immer den, welche ein gutes Regelverhalten erzeugen

Datenakquisition über Exceltabellen möglich

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Funktionsweise der Optimierung beim Programm Rapid (1)

Eingabe der allgemeinen Angaben über den Regelkreis Festlegung der Reglerstruktur

Definition der Messbereiche

Führungs- oder Störgrößenänderungen

Festlegung der Abtastzeit

Datenakquisition

Import von Daten aus einer Datei

• Text-, Excel-Dateien, Matlab-Files und Access-Datenbanken

• Zuordnung der Spalten, aus der Datei

Regel-, Stell- und Führungsgröße

OPC: Messstellenbezeichnung F-1311-761.PIDA.PV

Akquirierte Daten können geändert werden

Identifikation der Regelstrecke generiert automatisch ein Modell 1. oder 2. Ordnung

Totzeit, Pole und Nullstellen können angepasst werden

Suchfunktion für komplexere Modelle

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Funktionsweise der Optimierung beim Programm Rapid (2)

Berechnung der Regelparameter Vorgabe der Überschwingweite

Optimierung nach einem Gütemaß

Berechnung streckenspezifischer Daten

• Anstiegszeit

• Ausregelzeit

• Überschwingweite

Simulation von Führungs- und Störgrößen

Gegenüberstellung von unterschiedlichen Parametersätzen

Robustheit der Parameter kann verändert werden

Modell Bewertung Mit neuen Parametern einen Sprung in der realen Anlage erzeugen

Erneutes Aufzeichnen dieser Daten

Vergleich Modell und reale Regelstrecken

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Der Benefit eines Optimierungsprogramms

Lang und Peitler

Anlagenbetreiber

Verbesserte Regeleigenschaften

• kürzere Ausregelzeiten

• Schneller Abarbeitung von Schrittketten

• Schnellere Produktion möglich

geringerer Verschleiß von Stellgliedern

• größere Wartungsintervalle

Sparen von Ressourcen

Beschleunigung der Inbetriebnahme

Verkauf von zusätzlicher Engineering Leistung

Kundenzufriedenheit kann steigen

16

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

17

Blockschaltbild eines PID-Regler

G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgrößex : Regelgröße

G (s)w x

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Auswahl geeigneter Regler für den Einsatz in der Praxis

P I PI PD PID

Proportional - ++ ++ - ++

1. Ordnung ++ + ++ + ++

2. Ordnung + + - ++ / ++

n. Ordnung + - - ++ + ++

PTuTg + - ++ + ++

dominante Totzeit - ++ ++ - +

Integral ++ - ++ + ++

Doppelt Integral - - - ++ -

ohne Verzugszeit ++ - ++ / ++

mit Verzugszeit + - ++ / ++

Regler

Streckenverhalten

mit

Aus

glei

choh

ne

Aus

glei

ch

- : ungeeignet für Regelung, da Instabilität+ - : nur bedingt einsetzbar,

ausreichendes Ergebnis + : geeignet für eine Regelung++ : gut geeignet für eine Regelung  : am besten geeignete Regler

für dieses Problem / : keine Informationen in der

Literatur gefunden

PTuTg : Proportionales (P) Streckenverhalten mit

Verzugszeit (Tu) und Ausgleichzeit (Tg)

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Blockschaltbild einer Kaskadenschaltung

xwz

wH y

xH

G (s)GR(S)1 GR(S)2

G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s)1 : Übertragungsfunktion des ersten Reglers

GR(s)2 : Übertragungsfunktion des zweiten Reglers

w : Führungsgrößex : Regelgrößey : Stellgrößez : Störgröße xH : Hilfsregelgröße

wH : Hilfsführungsgröße, Führungsgröße des Hilfsreglers

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Blockschaltbild eines Regelkreise mit Störgrößenaufschaltung

w x

z

y G (s)GR(S)

GZ(s)

G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers

Gz(s) : Übertragungsfunktion der Störung

x : Regelgrößey : Stellgrößez : Störgröße w : Führungsgröße

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Blockschaltbild eines Regelkreise mit Hilfsgrößenaufschaltung

GR(S) G (s)w xz

y

xH

G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers

x : Regelgrößey : Stellgrößez : Störgröße w : FührungsgrößexH : Hilfsregelgröße

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Blockschaltbild einer Feedforward-Regelung

w xz

yGR(S) G (s)

Feedforward

G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers

x : Regelgrößey : Stellgrößez : Störgröße w : Führungsgröße

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Blockschaltbild eines Smith Predictors

GR(S) G (s)

e -Tt*sG (s)

e -Tt*sw x

G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers

x : Regelgrößew : FührungsgrößeTt : Totzeit

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Standart PID-Regler (EQA)

G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgrößex : Regelgröße T1 : NachstellzeitT2 : Vorhaltezeita : Konstanter Faktor kleiner einsa * T2 : T0 Zeitkonstante

)(*)

*1

11(*

2

2

1

1 WXsTa

sT

sTLKXÜbertragungsfunktion:

G (s)w x

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PI D-Regler (EQB)

G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgrößex : Regelgröße T1 : NachstellzeitT2 : Vorhaltezeita : Konstanter Faktor kleiner einsa * T2 : T0 Zeitkonstante

Übertragungsfunktion:

)*)

11(*)

*1

11(*

12

2

1

1 WsT

XsTa

sT

sTLKX

G (s)w x

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I PD-Regler (EQC)

G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgrößex : Regelgröße T1 : NachstellzeitT2 : Vorhaltezeita : Konstanter Faktor kleiner einsa * T2 : T0 Zeitkonstante

Übertragungsfunktion:

)*)

1(*)

*1

11(*

12

2

1

1 SPPssT

XsTa

sT

sTLKX

G (s)w x

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Datenakquisition

ProgrammeOPC

VerbindungASCII

DateienExcel

Tabellen Matlab Dateien

ACCESS Datenbank

Control Station --- ja --- --- ---

Loop Optimizer ja ja --- --- ---

Protune ja ja --- --- ---

Rapid ja ja ja ja ja

Topas --- ja --- --- ---

TuneWizard ja ja --- --- ---

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Vergleich bei simulierten Strecken

Reglerparameter Einheit RaPID ProtuneControl Station

Loop Optimizer

Tune Wizard

TOPAS

Verstärkung - 1.94 2.05 1.98 0.26 1.23 4.10

Nachstellzeit min 0.35 0.34 0.34 0.20 0.23 0.32

Vorhaltezeit min 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

statistische Werte

Anstiegszeit s 19.5 18.0 19.0 120.5 26.0 10.5

Ausregelzeit s 29.5 32.0 32.0 140.5 74.0 80.5

Überschwingweite % 1.9 4.2 3.1 0.2 8.5 53.8

se

ssG *5*

1*20

1

Übertragungsfunktion der Strecke:

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Vergleich bei Simulierten Strecken

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

5

10

15

Anstiegszeit = 19.5 sAusregelzeit = 29.5 s

Überschw ingw eite = 1.9 %

SP

[l/m

in]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

5

10

15

20

25

K = 1.96I = 0.35 minD = 0 min

t [s]

OP

[%

]

30

Preise der Programme

ProgrammeKomplettes

ProgrammpaketOptimierungs-

umgebungDownlaod im

Internet

Control Station 895 $ 495 $

Loop Optimizer 6,300 € 3,800 €

Protune 6.375 $

Rapid 3,300 €

Topas 2,000 €

TuneWizard 7.500 $

31

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!