PCS 7 Unit Template am Beispiel der Chemischen Industrie · Pigmenten, Polymeren und Arzneimitteln verwendet und können im Batch-, Semi-Batch- oder Konti-Betrieb gefahren werden

PCS 7 Unit Template am Beispiel der Chemischen Industrie "Rührkesselreaktor mit Kalman-Filter”

SIMATIC PCS 7 V9.0

https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/109756215

Siemens Industry Online Support


Rechtliche Hinweise

Kalman-Filter als Soft-Sensor Beitrags-ID: 109756215, V1.0, 06/2018 2

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Rechtliche Hinweise Nutzung der Anwendungsbeispiele

In den Anwendungsbeispielen wird die Lösung von Automatisierungsaufgaben im Zusammen-spiel mehrerer Komponenten in Form von Text, Grafiken und/oder Software-Bausteinen beispielhaft dargestellt. Die Anwendungsbeispiele sind ein kostenloser Service der Siemens AG und/oder einer Tochtergesellschaft der Siemens AG („Siemens“). Sie sind unverbindlich und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Funktionsfähigkeit hinsichtlich Konfiguration und Ausstattung. Die Anwendungsbeispiele stellen keine kundenspezifischen Lösungen dar, sondern bieten lediglich Hilfestellung bei typischen Aufgabenstellungen. Sie sind selbst für den sachgemäßen und sicheren Betrieb der Produkte innerhalb der geltenden Vorschriften verantwortlich und müssen dazu die Funktion des jeweiligen Anwendungsbeispiels überprüfen und auf Ihre Anlage individuell anpassen. Sie erhalten von Siemens das nicht ausschließliche, nicht unterlizenzierbare und nicht übertragbare Recht, die Anwendungsbeispiele durch fachlich geschultes Personal zu nutzen. Jede Änderung an den Anwendungsbeispielen erfolgt auf Ihre Verantwortung. Die Weitergabe an Dritte oder Vervielfältigung der Anwendungsbeispiele oder von Auszügen daraus ist nur in Kombination mit Ihren eigenen Produkten gestattet. Die Anwendungsbeispiele unterliegen nicht zwingend den üblichen Tests und Qualitätsprüfungen eines kostenpflichtigen Produkts, können Funktions- und Leistungsmängel enthalten und mit Fehlern behaftet sein. Sie sind verpflichtet, die Nutzung so zu gestalten, dass eventuelle Fehlfunktionen nicht zu Sachschäden oder der Verletzung von Personen führen.

Haftungsausschluss Siemens schließt seine Haftung, gleich aus welchem Rechtsgrund, insbesondere für die Verwendbarkeit, Verfügbarkeit, Vollständigkeit und Mangelfreiheit der Anwendungsbeispiele, sowie dazugehöriger Hinweise, Projektierungs- und Leistungsdaten und dadurch verursachte Schäden aus. Dies gilt nicht, soweit Siemens zwingend haftet, z.B. nach dem Produkthaftungs-gesetz, in Fällen des Vorsatzes, der groben Fahrlässigkeit, wegen der schuldhaften Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit, bei Nichteinhaltung einer übernommenen Garantie, wegen des arglistigen Verschweigens eines Mangels oder wegen der schuldhaften Verletzung wesentlicher Vertragspflichten. Der Schadensersatzanspruch für die Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist jedoch auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässigkeit vorliegen oder wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit gehaftet wird. Eine Änderung der Beweislast zu Ihrem Nachteil ist mit den vorstehenden Regelungen nicht verbunden. Von in diesem Zusammen-hang bestehenden oder entstehenden Ansprüchen Dritter stellen Sie Siemens frei, soweit Siemens nicht gesetzlich zwingend haftet. Durch Nutzung der Anwendungsbeispiele erkennen Sie an, dass Siemens über die beschriebene Haftungsregelung hinaus nicht für etwaige Schäden haftbar gemacht werden kann.

Weitere Hinweise Siemens behält sich das Recht vor, Änderungen an den Anwendungsbeispielen jederzeit ohne Ankündigung durchzuführen. Bei Abweichungen zwischen den Vorschlägen in den Anwendungs-beispielen und anderen Siemens Publikationen, wie z. B. Katalogen, hat der Inhalt der anderen Dokumentation Vorrang. Ergänzend gelten die Siemens Nutzungsbedingungen (https://support.industry.siemens.com).

Securityhinweise Siemens bietet Produkte und Lösungen mit Industrial Security-Funktionen an, die den sicheren Betrieb von Anlagen, Systemen, Maschinen und Netzwerken unterstützen. Um Anlagen, Systeme, Maschinen und Netzwerke gegen Cyber-Bedrohungen zu sichern, ist es erforderlich, ein ganzheitliches Industrial Security-Konzept zu implementieren (und kontinuierlich aufrechtzuerhalten), das dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Die Produkte und Lösungen von Siemens formen nur einen Bestandteil eines solchen Konzepts. Der Kunde ist dafür verantwortlich, unbefugten Zugriff auf seine Anlagen, Systeme, Maschinen und Netzwerke zu verhindern. Systeme, Maschinen und Komponenten sollten nur mit dem Unternehmensnetzwerk oder dem Internet verbunden werden, wenn und soweit dies notwendig ist und entsprechende Schutzmaßnahmen (z.B. Nutzung von Firewalls und Netzwerk-segmentierung) ergriffen wurden. Zusätzlich sollten die Empfehlungen von Siemens zu entsprechenden Schutzmaßnahmen beachtet werden. Weiterführende Informationen über Industrial Security finden Sie unter: https://www.siemens.com/industrialsecurity.

Die Produkte und Lösungen von Siemens werden ständig weiterentwickelt, um sie noch sicherer zu machen. Siemens empfiehlt ausdrücklich, Aktualisierungen durchzuführen, sobald die entsprechenden Updates zur Verfügung stehen und immer nur die aktuellen Produktversionen zu verwenden. Die Verwendung veralteter oder nicht mehr unterstützter Versionen kann das Risiko von Cyber-Bedrohungen erhöhen.

Um stets über Produkt-Updates informiert zu sein, abonnieren Sie den Siemens Industrial Security RSS Feed unter: https://www.siemens.com/industrialsecurity.

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Inhaltsverzeichnis


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Inhaltsverzeichnis Rechtliche Hinweise .................................................................................................... 2

1 Einführung .......................................................................................................... 5

1.1 Überblick............................................................................................... 5 1.2 Funktionsweise ..................................................................................... 7 1.3 Verwendete Hard- und Software-Komponenten .................................. 8

2 Vorbereitung und Inbetriebnahme ................................................................... 9

2.1 Vorbereitung ......................................................................................... 9 2.2 Inbetriebnahme .................................................................................. 10 2.3 Bestandteile der Prozessvisualisierung ............................................. 11 2.4 Bedienung .......................................................................................... 13 2.4.1 Übersicht ............................................................................................ 13 2.4.2 Szenario A: Durchlauf einer Produktionscharge ................................ 13 2.4.3 Szenario B: Produktionscharge mit Störgrößenaufschaltung ............ 15

3 Integration des Unit Templates ...................................................................... 18

3.1 Vorbereitung ....................................................................................... 18 3.2 Vorlagen kopieren .............................................................................. 18 3.3 Teilanlage kopieren ............................................................................ 19 3.4 OS Projekt anpassen ......................................................................... 20

4 Definition und Konfiguration des Kalman-Filters ........................................ 21

4.1 Modell-Annahmen .............................................................................. 21 4.2 Variablendefinition .............................................................................. 22 4.3 Zustandsdifferentialgleichungen ........................................................ 23 4.4 Algebraische Gleichungen ................................................................. 24 4.5 Ausgangsgleichungen ........................................................................ 25 4.6 Kalman-Konfigurator für den Zustandsbeobachter ............................ 26 4.7 Konfiguration des Kalman-Filters ....................................................... 28

5 Engineering ...................................................................................................... 34

5.1 Technische Funktionen und Messstellen ........................................... 34 5.2 Zufluss "Feed" .................................................................................... 35 5.2.1 Aufbau ................................................................................................ 35 5.2.2 Parametrierung ................................................................................... 36 5.3 Temperaturregelung "Temperature" .................................................. 40 5.3.1 Aufbau ................................................................................................ 40 5.3.2 Parametrierung ................................................................................... 41 5.4 Zustandsbeobachter "StateObserver" ................................................ 46 5.4.1 Aufbau ................................................................................................ 46 5.4.2 Parametrierung ................................................................................... 47 5.5 Prozesssimulation "Sim_Process" ..................................................... 52 5.5.1 Aufbau ................................................................................................ 52 5.5.2 Parametrierung ................................................................................... 57 5.6 Chargensteuerung "Recipe" ............................................................... 60 5.7 Prozesskennzahlen (KPI) ................................................................... 61

6 Wissenswertes ................................................................................................. 63

6.1 Grundlagen ......................................................................................... 63 6.1.1 R&I-Fließschema ................................................................................ 63 6.1.2 Rührkesselreaktor .............................................................................. 63 6.1.3 Temperaturführung ............................................................................. 64 6.1.4 Polymerisation .................................................................................... 64 6.2 Details zum PCS 7 Projekt ................................................................. 65

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6.2.1 Namenskonvention der CFC-Pläne ................................................... 65 6.2.2 Technologische Sicht ......................................................................... 66 6.3 Prozess-Simulation ............................................................................ 67 6.3.1 Mantel-Einlasstemperatur .................................................................. 67 6.3.2 Wärmeübergang zwischen Reaktormantel und

Reaktoinnenraum ............................................................................... 68 6.3.3 Kalman-Konfigurator des Simulationsmodells ................................... 69 6.4 Störgrößenaufschaltung ..................................................................... 70

7 Anhang.............................................................................................................. 72

7.1 Service und Support ........................................................................... 72 7.2 Links und Literatur .............................................................................. 73 7.3 Änderungsdokumentation .................................................................. 73

1 Einführung


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1 Einführung

1.1 Überblick

Rührkesselreaktoren mit Mantelkühlung sind in der chemischen Industrie weit verbreitet. Sie werden beispielsweise zur Herstellung von Feinchemikalien, Pigmenten, Polymeren und Arzneimitteln verwendet und können im Batch-, Semi-Batch- oder Konti-Betrieb gefahren werden.

Die variierenden Produktionsbedingungen, der weite Arbeitsbereich und die nichtlineare Prozessdynamik stellen besondere Anforderungen an die Regelung und Steuerung von Batchprozessen. Im Gegensatz zu kontinuierlichen Prozessen, bei denen über lange Zeit ein vorgegebener Sollwert, z. B. ein Temperatursollwert einzuhalten ist, ergeben sich bei Batchoperationen gar keine oder nur zeitlich begrenzte stationäre Zustände, sodass eine Linearisierung der Strecke um einen Arbeitspunkt nicht praktikabel ist. Eine weitere Schwierigkeit stellt die oftmals zeitveränderliche Dynamik diskontinuierlicher Prozesse dar.

Die Regelung von Batch-Reaktoren wird zudem durch besondere Qualitätsanforderungen erschwert, die nur ein sehr schmales Toleranzband für Abweichungen vom Sollwert erlauben. Bei Polymerisationsprozessen haben schon geringe Abweichungen im Temperaturverlauf erhebliche Einflüsse auf die Produkteigenschaften.

Durch die betriebsparallele Simulation eines dynamischen Prozessmodells des Reaktors in einem Soft-Sensor können alle modellierten inneren Zustände des Reaktors beobachtet werden, auch wenn sie messtechnisch nicht erfassbar sind, wie beispielsweise die aktuelle Reaktionsgeschwindigkeit und die von der exothermen Reaktion freigesetzte Wärme. Die online-Berechnung der Zustände des Reaktors kann im Rahmen der Prozessführung zu verschiedenen Zwecken genutzt werden, u. a. zur Verbesserung der Reglung der Reaktortemperatur, zur Optimierung der Rezeptsteuerung oder zur Planung von Reinigungs- und Instandhaltungsmaßnahmen.

Übersicht Gesamtlösung

Das folgende Bild zeigt das Verfahrensschema einer typischen Chemie-Anlage mit drei Rührkesselreaktoren (rot umrahmt) und zwei Destillationskolonnen.

1 Einführung


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Beschreibung

Am Unit Template "Rührkesselreaktor mit Kalman-Filter" wird die Anwendung des Kalman-Filters als Soft-Sensor gezeigt. Am konkreten Beispiel einer Polymerisationsreaktion werden die damit erzielbaren Vorteile demonstriert. Im Template ist eine Prozess-Simulation enthalten, welche das nichtlineare Verhalten des Prozesses über den gesamten Chargendurchlauf realitätsnah darstellt.

Das PCS 7-Multiprojekt ist folgendermaßen realisiert:

In der Komponentensicht sind jeweils ein Projekt für das Automatisierungssystem (AS) und ein Projekt für die Operator Station (OS) enthalten.

In der technologischen Hierarchie ist für jede technische Funktion des Rührkesselreaktors ein Hierarchieordner angelegt.

Im AS-Projekt sind alle Steuer- und Regelungsfunktionen in Form von CFC-Plänen (Continous Function Chart) realisiert. Außerdem enthält das AS-Projekt einen Hierarchieordner mit Simulationsplänen, die den Ablauf einer chemischen Reaktion innerhalb des Rührkesselreaktors sowie die damit verbundenen physikalischen und thermodynamischen Effekte simulieren.

Alle technischen Funktionen stehen in der Stammdatenbibliothek des Projekts als Messstellentypen zur Verfügung und beinhalten Funktionsbausteine der PCS 7 Advanced Process Library (APL).

Hinweis Technische Funktionen werden im Englischen als Equipment Module bezeichnet, Einzelsteuereinheiten bzw. Einzelsteuereinheitstypen als Control Modules bzw. Control Module Types. In dieser Dokumentation werden die Begriffe Technische Funktion, Control Module (CM) und Control Module Type (CMT) verwendet.

Das OS-Projekt beinhaltet die Visualisierung des Rührkesselreaktors mit allen technischen Funktionen und zeigt:

den schematischen Aufbau eines Rührkesselreaktors

relevante Kenngrößen (KPI: Key Performance Indicators)

Anzeigeelemente für messbare und nicht messbare Zustände des Rührkesselreaktors

Abgrenzung

Dieses Unit Template ist eine Ergänzung zum Unit Template "Rührkesselreaktor" \4\, daher werden nicht alle technischen Funktionen eines Rührkesselreaktors betrachtet, sondern spezielle Aspekte im Zusammenhang mit dem des Kalman-Filters.

Die vorliegende Automatisierungslösung ist für Reaktoren im Batch- oder Fedbatch-Betrieb gedacht, nicht für Konti-Betrieb.

Vorausgesetzte Kenntnisse

Grundlegende Kenntnisse der folgenden Fachgebiete werden vorausgesetzt:

Projektierung mit SIMATIC PCS 7 und APL

Kenntnisse der Regelungstechnik

Grundkenntnisse der Verfahrenstechnik

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1.2 Funktionsweise

Eine genaue Regelung, Online-Optimierung und Überwachung von Prozessen setzt zu jedem Zeitpunkt ein genaues Wissen über den Zustand des jeweiligen Prozesses voraus. In den seltensten Fällen ist es allerdings möglich, den Reaktorzustand komplett messtechnisch zu erfassen. Während einige Prozessgrößen mit Hilfe von Sensoren kontinuierlich und nahezu verzögerungsfrei erfasst werden, sind andere Größen oft gar nicht bestimmbar oder nur mit großem messtechnischen Aufwand. Müssen Messwerte durch eine Proben-Entnahme und zeitintensive Laboranalyse bestimmt werden, so stehen sie der Automatisierungseinrichtung nur selten und mit großen Verzögerungszeiten (Totzeiten) zur Verfügung.

Durch die betriebsparallele Simulation eines dynamischen Prozessmodells im Soft-Sensor wird der Reaktor mit seinem dicken Stahlmantel virtuell zu einem „gläsernen Reaktor“. Dies ermöglicht die Beobachtung aller modellierten inneren Zustände des Reaktors, auch wenn diese messtechnisch nicht erfassbar sind.

Dieses Anwendungsbeispiel enthält einen universellen Rührkesselreaktor, der zur Herstellung verschiedener Polymere mit unterschiedlicher Rezeptur eingesetzt wird. Dabei dient ein erweitertes Kalman-Filter als Soft-Sensor zur Überwachung der chemischen Reaktion. Für diese spezielle Art von Soft-Sensoren ist auch die Bezeichnung „kalorimetrischer Zustandsbeobachter“ üblich, weil sie schwerpunktmäßig die „Kalometrie“, d. h. die Wärmebilanzen des Reaktors abbilden. Die vom Zustandsbeobachter online berechneten Werte lassen sich auf verschiedene Art und Weise vorteilhaft nutzen:

Berechnung der aktuellen Reaktionsgeschwindigkeit 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑘 und der von der exothermen Reaktion freigesetzten Wärme. Die Reaktionsexothermie kann für eine Störgrößenaufschaltung auf die Temperaturregelung verwendet werden.

Berechnung der noch im Reaktor verbleibenden Monomermasse. Wenn der Rohstoff komplett verbraucht ist, kann die Charge beendet werden. Damit kann die Rezeptsteuerung im Hinblick auf die Minimierung der Chargen-Durchlaufzeit optimiert werden.

Berechnung des Wärmeübergangs vom Reaktor zum Kühlmantel, um die Bildung von Belägen („fouling“) zu erkennen. Diese Information ist für die Planung von Reinigungszyklen hilfreich.

Prozessbild

Das Prozessbild eines Rührkesselreaktors besteht aus folgenden Bestandteilen:

Schematische Darstellung der Teilanlage

Bildbausteine zum Steuern der einzelnen Komponenten (Aggregate)

Übersicht relevanter Kenngrößen (Key Performance Indicators) und Anzeige der Chargendauer

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Im Prozessbild erhält der Bediener den Überblick über die gesamte Teilanlage und kann die nötigen Bedieneingriffe vornehmen. Das Prozessbild orientiert sich am R&I-Schema aus Abschnitt 6.1.1.

1.3 Verwendete Hard- und Software-Komponenten

Dieses Anwendungsbeispiel wurde mit folgenden Hard- und Softwarekomponenten erstellt:

Komponente Hinweis

SIMATIC PCS 7 ES/OS IPC547G W7 Für das PCS 7 V9.0 Beispielprojekt

SIMATIC PCS 7 V9.0 Bestandteil von SIMATIC PCS°7 ES/OS IPC547G W7

S7-PLCSIM Bestandteil von SIMATIC PCS°7 V9.0, zusätzliche Lizenzen werden benötigt

APL-Bibliothek V9.0 Bestandteil von SIMATIC PCS°7 V9.0

SIMATIC PCS 7 Kalman-Konfigurator V9.0 Bestandteil von SIMATIC PCS°7 V9.0, separate Installation

Hinweis Der SIMATIC PCS 7 Kalman-Konfigurator V9.0 dient zur Konfiguration eines Soft-Sensors. Den Download und weitere Informationen finden Sie im Beitrag "SIMATIC PCS 7 Kalman-Konfigurator V9.0" unter: https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/109748837

Dieses Anwendungsbeispiel besteht aus folgenden Komponenten:

Komponente Hinweis

109756215_KalFilReactor_PROJ_PCS7V90.zip PCS 7 V9.0 Beispielprojekt

109756215_KalFilReactor_DOC_de.pdf Dieses Dokument


2 Vorbereitung und Inbetriebnahme


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2.1 Vorbereitung

Die folgende Anleitung beschreibt die Inbetriebnahme des Unit Templates, in dem die Steuerung mit dem Programm "S7-PLCSIM" simuliert wird. Liegt eine reale Steuerung vor, müssen Sie in der HW-Konfig die vorliegenden Hardware-Komponenten projektieren.

1. Kopieren Sie die Datei "109756215_KalFilReactor_PROJ_PCS7V90.zip" in einen beliebigen Ordner auf dem Projektierungsrechner und öffnen Sie anschließend den SIMATIC Manager.

2. Klicken Sie in der Menüleiste auf "Datei > Dearchivieren" und wählen Sie die Datei "109756215_KalFilReactor_PROJ_PCS7V90.zip" aus. Bestätigen Sie anschließend mit "Öffnen".

3. Wählen Sie den Ordner aus, in dem das Projekt gespeichert werden soll und bestätigen Sie mit "OK". Das Projekt wird dearchiviert.

4. Bestätigen Sie den Dialog "Dearchivieren" mit "OK" und klicken Sie anschließend im Dialog auf "Ja", um das Projekt zu öffnen.

5. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf "UT_Stirr_KalFil_OS > OS01 > WinCC Appl. > OS(1)" und klicken Sie auf den Menübefehl "Objekt öffnen".

6. Bestätigen Sie den Dialog "Konfigurierter Server nicht verfügbar" mit "OK".

7. Öffnen Sie im WinCC Explorer die Eigenschaften Ihres Rechners und klicken Sie im geöffneten Eigenschaften-Dialog auf die Schaltfläche "Lokalen Rechnernamen übernehmen". Bestätigen Sie die Meldung "Rechnername ändern" mit "OK".

8. Klicken Sie im WinCC Explorer auf "Datei > Beenden" und wählen Sie im folgenden Dialog "WinCC Explorer beenden und Projekt schließen" aus. Bestätigen Sie anschließend mit "OK".

9. Öffnen Sie den WinCC Explorer erneut, wie unter Schritt 5 beschrieben.

10. Öffnen Sie durch Doppelklick den "Variablenhaushalt".

11. Rechtsklicken Sie im "WinCC Configuration Studio" auf "Variablenhaushalt > SIMATIC S7 Protocol Suite > TCP/IP" und wählen Sie den Menübefehl "Systemparameter" aus.

12. Überprüfen Sie im Register "Unit" den eingestellten "Logischen Gerätenamen". Bei Verwendung des Programms "S7-PLCSIM" wird als Gerätename PLCSIM(TCP/IP) ausgewählt. Nach Ändern des Gerätenamens ist ein Neustart des Programms notwendig. Öffnen Sie den WinCC Explorer erneut, wie unter Schritt 5 beschrieben.



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2.2 Inbetriebnahme

Die folgende Anleitung beschreibt, wie Sie das Unit Template "Rührkesselreaktor" in den Initialisierungszustand versetzen.

Für die Inbetriebnahme wird vorausgesetzt, dass der SIMATIC Manager bereits geöffnet und das Projekt in der Komponentensicht angewählt ist.

Simulation (S7-PLCSIM) starten

Gehen Sie zum Starten der Simulation nach folgender Anleitung vor:

1. Wählen Sie im Menü "Extras > Baugruppen simulieren". Das Dialogfenster von "S7-PLCSIM" wird geöffnet.

2. Wählen Sie im Dialog "Projekt öffnen" die Option "Projekt aus Datei öffnen".

3. Wählen Sie die Datei "Stirr_KalFil.plc" aus dem Pfad <Projektpfad>\UT_Stirr_KalFil\UT_S_MP\Stirr_KalFil.plc > aus.

4. Ändern Sie in der Auswahlliste "PLCSIM(MPI)" zu "PLCSIM(TCP/IP)".

5. Wählen Sie im Menü "Ausführen > Position Schlüsselschalter > RUN-P" aus.

6. Wechseln Sie in die Komponentensicht des SIMATIC Manager und markieren Sie "UT_Stirr_KalFil_AS > AS01".

7. Klicken Sie in der Menüleiste auf "Zielsystem > Laden" und bestätigen Sie den Dialog "Laden" mit "Ja". Bestätigen Sie den Dialog "Zielbaugruppe stoppen" mit "OK" und anschließend den Dialog "Laden" mit "Ja".

OS (WinCC Runtime) aktivieren

Gehen Sie zum Aktivieren der OS nach folgender Anleitung vor:

1. Rechtsklicken Sie auf " UT_Stirr_KalFil_OS > OS01 > WinCC Appl. > OS(1)" und klicken Sie auf den Menübefehl "Objekt öffnen".

2. Zum Aktivieren der OS (WinCC Runtime) wählen Sie im WinCC Explorer Menü "Datei > Aktivieren".

3. Geben Sie im Dialog "System Login" als "Login" den Benutzer "Unit" und als Passwort "Template" ein und bestätigen Sie mit "OK".

4. Wählen Sie im Bildbereich das Unit Template "Reactor" aus.



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2.3 Bestandteile der Prozessvisualisierung

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Das Prozessbild des Rührkesselreaktors besteht aus folgenden Hauptbestandteilen:

1. Zufluss von Einsatzstoffen

2. Temperieren

3. Zustände des Systems

4. Prozesssimulation

5. Chargensteuerung

6. Prozesskennzahlen

(1) Zufluss von Einsatzstoffen

Über den Zufluss werden die Einsatzstoffe (Monomer und Lösungsmittel) dem Rührkesselreaktor in einem definierten Mischungsverhältnis zugeführt. Dabei werden die Durchflussmenge und die Temperatur des Monomers sowie des Lösungsmittels erfasst und dem Soft-Sensor zur Verfügung gestellt. Die Dosierung des Zuflusses erfolgt über die Rezeptsteuerung. Ggf. dazu erforderliche standardmäßige Durchfluss-Regelkreise sind in diesem Unit Template nicht dargestellt.

(2) Temperieren

Eine wichtige Voraussetzung für chemische Reaktionen ist die korrekte Temperatur der Reaktanten im Reaktor (Behälter). Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit und der Exothermie bzw. Endothermie chemischer Reaktionen ist die Temperierung von Reaktoren eine besonders anspruchsvolle Aufgabe. Diese Anforderung wird durch Einsatz eines Rührkesselreaktors mit Behältermantel und wärmedurchlässiger Zwischenwand erfüllt. Um eine vorgegebene Temperatur im Inneren des Reaktors zu erreichen, werden über Zuleitungen entweder Heizdampf oder Kühlwasser in den Behältermantel geleitet. Zum Heizen wird dem Kühlkreislauf über das Dampfventil Frischdampf zugeführt. Zum Kühlen wird über das Ablassventil heißes Wasser aus dem Kühlkreislauf abgelassen und über eine separate Mantel-Druck-Regelung



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kaltes Wasser eingespeist. Der Behältermantel beeinflusst mit geringer Verzögerung die Temperatur im Inneren des Reaktors. Es handelt sich also um eine Kaskadenregelung mit einem Führungsregler für die Reaktor-Innentemperatur und einem Folgeregler (mit Split-Range Ausgang) für die Manteltemperatur. Eine solche technische Funktion kann auch unabhängig vom Rührkesselreaktor für andere Aufgabenstellungen eingesetzt werden, bei denen eine Temperatur indirekt über ein Servicemedium geregelt werden soll.

(3) Zustände des Systems

Das Ziel dieses Unit Templates ist es, zu jedem Zeitpunkt die Zustände des Reaktors überwachen zu können. In den seltensten Fällen ist es allerdings möglich, den Reaktorzustand komplett messtechnisch zu erfassen. Während einige Prozessgrößen, wie beispielsweise Temperaturen, mit Hilfe von Sensoren kontinuierlich und nahezu verzögerungsfrei ermittelt werden können, sind andere Größen oft gar nicht oder nur mit großem messtechnischen Aufwand zu bestimmen. Eine Möglichkeit dennoch alle Zustände des Reaktors zu erfassen, ist die betriebsparallele Simulation eines dynamischen Prozessmodells. Dieses berechnet aus den Zuflüssen und anderen Eingangsvariablen alle Systemzustände. Die Teilmenge der Systemzustände, die zu messtechnisch erfassten Variablen korrespondieren, werden mit den entsprechenden Messwerten des realen Reaktors verglichen und zur online-Korrektur der geschätzten Zustände verwendet.

(4) Prozesssimulation

Die Aufgabe der Prozesssimulation ist, die Funktionsweise des Unit Templates insbesondere in Bezug auf das Kalman-Filter verstehen und vorführen zu können. Ein vereinfachtes lineares Verhaltensmodell ist für diesen Anwendungsfall nicht ausreichend, da dies das Verhalten des Polymerisationsprozesses im Batch-Betrieb nicht realitätsnah abbilden kann. Stattdessen wird ein komplettes nichtlineares dynamisches mechanistisches Modell basierend auf Wärmebilanzen, Stoffbilanzen und Reaktionskinetik verwendet. Die Grundlagen der Simulation sind im Kapitel 6.3 beschrieben.

(5) Chargensteuerung

In den Produktionschargen wird das zugeführte Monomer in das gewünschte Polymer umgewandelt. Dabei hat die Chargensteuerung die Aufgabe, alle nötigen Schritte in einer definierten Reihenfolge mit definierten Übergangsbedingungen auszuführen. Für diese Aufgabe werden die Befehle zur Steuerung der einzelnen Batchphasen in einer Ablaufkette (SFC: Sequential Function Chart) implementiert. Um flexibel auf verschiedene Anforderungen reagieren zu können werden einzelne Parameter der Ablaufkette, wie der Sollwert der Reaktortemperatur oder die Gesamtmenge des zugeführten Monomers, in der Operator Station für den Benutzer zugänglich gemacht.

(6) Prozesskennzahlen

Prozesskennzahlen beschreiben betriebswirtschaftlich oder verfahrenstechnisch relevante Aspekte der Prozessführung und können als Hilfsmittel zur Produktivitätssteigerung verwendet werden. In diesem Unit Template werden folgende Kenngrößen erfasst, errechnet und angezeigt:

Chargen-Durchlaufzeit „Batch-Time“.

Maximale Temperatur „MaxT_Reactor“ im Reaktor.

Die maximale während der Reaktion erforderliche Kühlleistung.

Details zur Interpretation der Kennzahlen finden sich in Abschnitt 5.7.



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Hinweis Das PCS 7-Projekt kann durch weitere Prozesskennzahlen wie z. B. Wärmeübergangsfaktor oder erzeugte Polymermasse erweitert werden.

Regelungskonzept

Die Regelung der Reaktortemperatur erfolgt über eine konventionelle Kaskadenregelung. Der PID-Führungsregler (Reaktorregler) gibt dem PI-Folgeregler (Mantelregler) einen Sollwert für die Mantel-Einlasstemperatur vor. Der Folgeregler wirkt über eine Split-Range-Kennlinie auf die beiden Stellventile für Heizdampf und Wasser ein.

Für die Regelung wird der PID-Regler-Funktionsbaustein "PIDConL" der SIMATIC PCS 7 APL sowohl für den Führungs- als auch für den Folgeregler eingesetzt.

Alle weiteren Aktionen (Ventile in Automatikmodus nehmen und Regelkreise schließen) werden per SFC gesteuert.

2.4 Bedienung

2.4.1 Übersicht

Über das Prozessbild lassen sich alle Komponenten des Rührkesselreaktors bedienen und beobachten. Zusätzlich erhält der Anlagenbediener Informationen (KPI’s) zum aktuellen Prozess.

Die folgenden zwei Bedienszenarien fokussieren sich auf die Funktionsweise des Templates insbesondere in Bezug auf das Kalman-Filter.

Szenario A: Durchlauf einer Produktionscharge

Szenario B: Durchlauf einer Produktionscharge mit Störgrößenaufschaltung

In den beiden Szenarien wird jeweils eine Produktionscharge durchlaufen. In der ersten Charge wird die Reaktortemperatur ohne weiteres Wissen über den Zustand des Polymerisationsprozess geregelt. In der zweiten Produktionscharge wird zusätzlich die Reaktionswärme als Störgrößenaufschaltung auf die Temperaturregelung gegeben, um einen besseren Temperaturverlauf der Reaktortemperatur zu erzielen.

2.4.2 Szenario A: Durchlauf einer Produktionscharge

Beschreibung

Diskontinuierliche Herstellungsverfahren (Batch- oder Fed-Batch Prozesse) beispielsweise zur Herstellung von Polymer stellen besondere Anforderungen an die Regelung: variierende Produktionsbedingungen, nichtlineare Prozessdynamik und weiter Arbeitsbereich. Im Gegensatz zu kontinuierlichen Prozessen, bei denen über lange Zeit ein vorgegebener Sollwert eingehalten werden soll, ergeben sich bei Batchoperationen keine oder nur zeitlich begrenzte stationäre Zustände. In diesem Szenario werden die oben genannten Anforderungen an die Regelung gestellt und das Verhalten des Prozesses aufgezeigt.

1. Wechseln Sie in das Detailbild des Reaktors.

2. Betätigen Sie mit der linken Mausetaste die Schaltfläche "Ein / Aus" im Feld "Messstellenname" zum Einblenden der Bausteinbezeichnungen.

3. Klicken Sie auf das Bausteinsymbol der Schrittkette "Recipe"



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4. Klicken Sie in der Menüleiste des SFC auf den Start-Befehl und bestätigen Sie den Dialog zum Starten des SFC mit "OK".

5. Warten Sie ca. 20 Minuten und klicken Sie auf das Symbol "Starten/Stopp", um das Regelergebnis auszuwerten.

Auswertung

In der nachfolgenden Abbildung sind die relevanten geschätzten Zustände aus dem Soft-Sensor dargestellt. Die Farben jeder Kurve korrespondieren zur entsprechenden Ordinatenachse. Die Variablenbezeichnungen werden im nachfolgenden Textabschnitt erläutert.

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Der Durchlauf einer Produktionscharge lässt sich in vier verschiedene Phasen einteilen.

1. Ausgangszustand: Die Temperatur des Reaktors 𝑇𝑅 und die Kühlmantel-Auslasstemperatur 𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡 („jacket out“) entsprechen der Umgebungstemperatur



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𝑇𝐴𝑚𝑏 und der Behälter ist mit Lösungsmittel 𝑚𝑆 („solvent“) und einer kleinen

Menge Polymer 𝑚𝑃 gefüllt.

2. Aufheizphase: Jede Produktions-Charge beginnt mit der Aufheizphase. In dieser Rezeptphase wird der Reaktor auf die Sollwertvorgabe aufgeheizt, indem Heizdampf in den Reaktormantel geleitet wird.

3. Reaktionsphase: Hat der Reaktor die erforderliche Temperatur erreicht um die Zudosierung von Monomer zu starten, beginnt die Reaktionsphase. Die Monomermasse 𝑚𝑀 im Reaktor nimmt nach dem Start der Dosierung stark zu. Durch die einsetzende Polymerisationsreaktion wird das zugeführte Monomer in Polymer umgewandelt und die Monomermasse nimmt nach Überschreiten eines Maximums wieder ab. Beim Polymerisationsprozess wird durch die Exothermie Reaktionswärme 𝑄𝑅𝑒𝑎𝑐 erzeugt, die per Kühlwasser abgeführt werden muss. Durch die chemische Reaktion (Wachstum von Polymer-Molekülketten) entstehen so lange Polymere, bis das Monomer vollständig umgewandelt ist (alle Monomere sind in Polymerketten eingebaut) und die Charge beendet wird. Der Wärmeübergang 𝑈𝐴 („Wärmeübergangskoeffizient U mal Wärmeübergangsfläche A“) vom Reaktorinneren zum Mantel ändert sich im Verlauf der Charge aufgrund von Änderungen des Füllstands und der Viskosität des Reaktorinhalts. Der Reaktionswärmestrom ist direkt proportional zur Reaktionsgeschwindigkeit. Entsprechend nimmt die Reaktionswärme zu Beginn der Reaktionsphase und dem damit einhergehenden Start der Polymerisationsreaktion zunächst stark zu. Danach fällt sie im Verlauf der Reaktionsphase wieder leicht ab. Mit dem Stopp des Monomerzustroms und dem Abnehmen der Reaktion geht der Reaktionswärmestrom sehr schnell auf null zurück.

4. Abkühlphase: Die Charge wird durch Abpumpen des erzeugten Polymers beendet. In dieser Phase wird der Reaktor wieder auf die Umgebungstemperatur gebracht und für die nächste Charge vorbereitet.

2.4.3 Szenario B: Produktionscharge mit Störgrößenaufschaltung

Beschreibung

Das zweite Szenario zeigt das Verhalten der Regelung, wenn der geschätzte Zustand der Reaktionswärme 𝑄𝑅𝑒𝑎𝑐 als Störgrößenaufschaltung auf die Temperaturregelung gegeben wird. Dazu wird im Übersichtsbild des Reaktors die Störgrößenaufschaltung auf den Regler der Reaktortemperatur aktiviert. Die Grundlagen der Störgrößenaufschaltung sind im Kapitel 6.4 beschrieben.

1. Wechseln Sie in das Detailbild des Reaktors.

2. Betätigen Sie mit der linken Mausetaste die Schaltfläche "Ein / Aus" im Feld "Messstellenname" zum Einblenden der Bausteinbezeichnungen.

3. Klicken Sie auf das Bausteinsymbol "Activate_Ffwd" und wählen Sie unter Befehl "Ein" und bestätigen Sie die Eingabe mit "OK".



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4. Klicken Sie auf das Bausteinsymbol der Schrittkette "Recipe"

5. Starten Sie die Ablaufkette mit Klick auf den Start-Befehl in der Menüleiste und bestätigen Sie den Dialog zum Starten des SFC mit "OK".

6. Warten Sie ca. 20 Minuten und klicken Sie auf das Symbol "Starten/Stopp", um das Regelergebnis auszuwerten.

Auswertung

In der nachfolgenden Abbildung sind die relevanten Zustände aus dem Soft-Sensor dargestellt, wenn die Reaktionswärme als zusätzliche Störgröße auf den Regler aufgeschaltet wird.



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Der Verlauf dieser Produktionscharge ist analog zum Szenario A. Es werden die gleichen vier Phasen innerhalb einer Charge durchlaufen und die Dauer der Produktionscharge ist gleich lang. Im Vergleich mit Szenario A ist ein besserer Temperaturverlauf des Reaktors erkennbar. Die Reaktortemperatur steigt beim Einsetzen der Polymerisationsreaktion nicht so stark an, da die Reaktionswärme 𝑄𝑅𝑒𝑎𝑐 als zusätzliche Störgröße auf den PID-Regler für die Kühlmantel-Einlasstemperatur gegeben wird. Dies ermöglicht eine Reaktion auf die Reaktionswärme bevor die Reaktortemperatur den Sollwert übersteigt.

Der verbesserte Temperaturverlauf des Reaktors ist auch in den Prozesskennzahlen sichtbar, so steigt die maximale Temperatur des Reaktors ohne Störaufschaltung auf 359,32 K, während die Reaktortemperatur mit Störgrößenaufschaltung nicht über 357,36 𝐾 steigt. Die maximale Kühlleistung wird durch das Minimum der Stellgröße des Manteltemperaturreglers repräsentiert und

beträgt ohne Störgrößenaufschaltung -6,79% und mit -8, 44%.

3 Integration des Unit Templates


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3.1 Vorbereitung

1. Kopieren Sie die Datei "109756215_KalFilReactor_PROJ_PCS7V90.zip" auf den Projektierungsrechner und öffnen Sie anschließend den SIMATIC Manager.

2. Klicken Sie in der Menüleiste auf "Datei > Dearchivieren" und wählen Sie die Datei "109756215_KalFilReactor_PROJ_PCS7V90.zip " aus. Bestätigen Sie anschließend mit "Öffnen".

3. Wählen Sie den Ordner aus, in dem das Projekt gespeichert wird und bestätigen Sie mit der Schaltfläche "OK". Das Projekt wird extrahiert.

4. Klicken Sie im Dialog "Dearchivieren" auf die Schaltfläche "OK" und klicken Sie anschließend im Dialog auf "Ja", um das Projekt zu öffnen.

5. Wechseln Sie in die "Technologische Sicht".

6. Öffnen Sie parallel das Projekt, in das der Rührkesselreaktor zu integrieren ist.

3.2 Vorlagen kopieren

Hinweis Sollten Sie in Ihrem bestehenden Projekt bereits mit CMTs gearbeitet haben, dann prüfen Sie vor den folgenden Schritten auf Gleichheit der CMT-Versionen, da es in diesem Falle zu Fehlern in Ihrem bestehenden Projekt oder dem zu integrierenden Unit Template kommen kann.

1. Wechseln Sie in die Ansicht der technologischen Hierarchie.

2. Kopieren Sie aus der Stammdatenbibliothek den Ordner "BCM", der die CMTs enthält, und fügen Sie diesen in das Zielprojekt ein.



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3.3 Teilanlage kopieren

1. Kopieren Sie den Hierarchieordner "UnitPolymerReactor" aus dem AS-Projekt des Unit Templates in die technologische Hierarchie des Zielprojekts.

2. Kopieren Sie das Prozessbild "Reactor" aus dem OS-Projekt des Unit Templates ebenfalls in die technologische Hierarchie des Zielprojekts. Wenn gewünscht, kopieren Sie ebenfalls das Bilder "SimParameter".

Hinweis Achten Sie beim Kopieren der Prozessbilder darauf, dass Sie die Bilder in die Hierarchieebene des Zielprojekts kopieren, die als OS-Bereich parametriert ist.



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3.4 OS Projekt anpassen

Um die Farben im Prozessbild einfach an zentraler Stelle ändern zu können, ist im OS-Projekt des Unit Templates eine zentrale Farbpalette angelegt. Damit diese Farben im Prozessbild Ihres eigenen Projekts ebenfalls dargestellt werden, müssen Sie die zugehörige Farbpalette importieren.

1. Markieren Sie im WinCC Explorer "OS(1)" und wählen Sie im Kontextmenü "Objekteigenschaften" aus.

2. Wählen Sie das Register "Oberfläche und Design" (1) an und klicken Sie auf die Schaltfläche "Bearbeiten" (2).

3. Importieren Sie die Palette mit der Option "Überschreiben" in Ihr eigenes Projekt (3). Die Farbpalette ist im Projektordner des Unit Templates unter dem Pfad: "<Projektpfad>\UT_Stirr_KalFil\UT_Stirr\wincproj\OS\GraCS\ UnitTemplate.xml> " abgelegt. Es werden alle vorhandenen Farben ersetzt.

Hinweis Beachten Sie, dass beim Export/Import von Farbpaletten immer alle Farben verwendet werden. Einzelne Farbtabellen können nicht exportiert werden.

Wenn Sie in Ihrem Projekt eigene Farbtabellen angelegt haben, können Sie auch diese exportieren und die Tabellen mit einem Editor in der XML-Datei zusammenführen. Alternativ erstellen Sie in Ihrem Projekt eine neue Farbtabelle und projektieren die Farben einzeln. Achten Sie auch darauf, dass sich der Farbindex nicht ändert, andernfalls müssten Sie die Farbeinstellungen der Objekte im Prozessbild anpassen. Natürlich bleibt es Ihnen überlassen die Farben Ihren Anforderungen entsprechend abzuändern.

4 Definition und Konfiguration des Kalman-Filters


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4 Definition und Konfiguration des Kalman-Filters Der Kalman-Filter ist ein nichtlinearer stochastischer Zustandsbeobachter, der eine betriebsparallele Echtzeit-Simulationen von dynamischen Prozessmodellen ermöglicht. Dieses berechnet aus dem mathematischen Modell (in Zustandsraumdarstellung) und den Eingangsgrößen die inneren Zustände des Systems. Zur Verbesserung dieser Ergebnisse können die messbaren Zustände des Systems und sporadische Laborproben dem Kalman-Filter als zusätzliche Informationen zur Verfügung gestellt werden.

Der Zustandsbeobachter ermöglicht es also, nicht zugängliche oder nur mit sehr hohem messtechnischem Aufwand zu bestimmende physikalische Größen einer verfahrenstechnischen Unit anhand anderer, leicht zugänglicher Messgrößen wie Temperaturen und Massenströmen zu ermitteln.

4.1 Modell-Annahmen

Im Hinblick auf die Begrenzung der Modell-Komplexität und die Zielsetzung eines möglichst breiten Einsatzbereiches gelten für das Modell folgende Voraussetzungen und Annahmen:

Der Batchreaktor ist ein Rührkesselreaktor beliebiger Geometrie mit idealer Durchmischung und Mantelkühlung.

Im Reaktionsgefäß läuft eine beliebige exotherme (oder endotherme) Reaktion erster Ordnung ab, d.h. es entsteht nur ein Produkt aus genau einem

Monomer.

Das Monomer kann sowohl unverdünnt als auch in Lösung, Suspension oder Emulsion vorliegen. Bei Vorhandensein eines Zusatzstoffes wird allerdings angenommen, dass sein Einfluss auf die Reaktion vernachlässigbar ist.

Monomer und Zusatzstoff werden getrennt dosiert. Die Zuflüsse können dabei einen beliebigen zeitlichen Verlauf aufweisen.

Die Temperaturverteilung innerhalb des Reaktorgemisches wird als homogen betrachtet.

Die Wärmekapazität der Reaktorwand (Stahl) ist klein gegenüber der Wärmekapazität des Reaktorgemisches und wird vernachlässigt.

Die Wärmezufuhr durch das Rührwerk und andere sekundäre thermische Effekte werden ebenfalls vernachlässigt.

Wärmeverluste des Kühlmantels an die Umgebung werden nicht modelliert.



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4.2 Variablendefinition

Dieses Kapitel beschreibt die Definitionen der Variablen, die im Kalman-Filter des Unit Templates verwendet werden.

Die Definition der Eingangsgrößen in das System (und damit in das Kalman-Filter) ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Eingangsgrößen Einheit Bedeutung

𝑢1 K Kühlmantel-Einlasstemperatur 𝑇𝑗𝑖𝑛

𝑢2 K Monomer-Temperatur 𝑇𝑓

𝑢3 K Lösungsmittel-Temperatur 𝑇𝑆𝑓

𝑢4 K Umgebungstemperatur 𝑇𝑎𝑚𝑏

𝑢5 kg s−1 Monomerzustrom ��𝑀𝑓

𝑢6 kg s−1 Lösungsmittelzustrom ��𝑆𝑓

𝑢7 K Kühlmantel-Einlasstemperatur verzögert mit Totzeit 𝑇𝑗𝑖𝑛(𝑡 − 𝛩1)

Die Reaktortemperatur und die Kühlmantel-Auslasstemperatur werden als messbare Größen zur Korrektur der inneren Zustände verwendet. In der folgenden Tabelle ist die Definition der Messgrößen gezeigt.

Ausgangsgrößen Einheit Bedeutung

𝑦1 K Reaktortemperatur 𝑇𝑅

𝑦2 K Kühlmantel-Auslasstemperatur 𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡

Die internen Zustandsgrößen des Kalman-Filters, das im Unit Template eingesetzt wird, sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Zustandsgrößen Einheit Bedeutung

𝑥1 K Reaktortemperatur 𝑇𝑅

𝑥2 K Kühlmantel-Auslasstemperatur 𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡

𝑥3 kg Monomermasse 𝑚𝐴

𝑥4 kg Lösungsmittelmasse 𝑚𝑆

𝑥5 kg Produktmasse 𝑚𝑃

𝑥6 kg zugeführte Monomermasse 𝑚𝐴𝑓

𝑥7 kg Masse Reaktorinhalt 𝑚𝑅

𝑥8 kWK−1 Wärmeübergang 𝑈𝐴 zwischen Reaktorinnenraum und Kühlmantel



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Die Definitionen der Parameter des Kalman-Filters sind in der anschließenden Tabelle dokumentiert.

Parameter Einheit Bedeutung

𝑝1 kJ kmol−1 K−1 Allgemeine Gaskonstante R

𝑝2 kJ kmol−1 Molmasse des Monomers 𝑀𝑊𝑀

𝑝3 kJ kmol−1 Reaktionsenthalpie 𝛥𝐻𝑅

𝑝4 kJ kg−1 K−1 Spezifische Wärmekapazität des Monomers 𝑐𝑝𝑀

𝑝5 kJ kg−1 K−1 Spezifische Wärmekapazität von Wasser 𝑐𝑝𝑊

𝑝6 kJ kg−1 K−1 Spezifische Wärmekapazität des Polymers 𝑐𝑝𝑃

𝑝7 kJ kg−1 K−1 Spezifische Wärmekapazität des Kühlwassers 𝑐𝑝𝐶

𝑝8 kg Wassermasse im Kühlmantel 𝑚𝐶𝐽

𝑝9 K Kühlwassers-Massenstrom 𝑑𝑚𝑐/𝑑𝑡

𝑝10 s−1 Reaktionskonstante Kettenwachstum 𝑘0

𝑝11 kJ kmol−1 Aktivierungsenergie Kettenwachstum 𝐸𝑝

𝑝12 kWK−1 Wärmeübergangskoeffizient mal Fläche Reaktormantel UA

𝑝13 kWK−1 Wärmeverlust an Umgebung 𝑈𝐴𝑙𝑜𝑠𝑠

𝑝14 Zeitraffer 𝑡𝑖𝑚𝑒𝐿𝑎𝑝𝑠𝑒

4.3 Zustandsdifferentialgleichungen

Die nachfolgenden Differentialgleichungen werden als mathematisches Modell im Kalman-Konfigurator hinterlegt, wobei die Nummerierung der Gleichungen zur Bezeichnung im Kalman-Konfigurator korrespondiert. Das Gleichungssystem basiert auf dem bekannten Chylla-Haase Benchmark-Problem \10\.

Die erste Zustandsgleichung, die Wärme-Energiebilanz des Reaktor-Innenraums,

𝑚𝑅𝑐𝑝𝑃𝑑𝑇𝑅(𝑡)

𝑑𝑡= ��𝑀𝑓𝑐𝑝𝑀(𝑇𝑀𝑓 − 𝑇𝑅) + ��𝑆𝑓𝑐𝑝𝑆(𝑇𝑆𝑓 − 𝑇𝑅) + 𝑅𝑝(−∆𝐻𝑅)

− 𝑈𝐴(𝑇𝑅 − ��𝑗) − 𝑈𝐴𝑙𝑜𝑠𝑠(𝑇𝑅 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (f1)

berechnet die Änderung der im Reaktor gespeicherten Wärmeenergie aus Wärmezufuhr durch Monomer- und Lösungsmittelzustrom, Reaktions-Exothermie und Wärmeabfuhr an Mantel und Umgebung.

Die Wärme-Energiebilanz des Reaktor-Mantels (Zustandsgleichung für den zweiten Zustand x2)

𝑚𝐶𝐽𝑐𝑝𝐶𝑑𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡(𝑡)

𝑑𝑡= 𝑈𝐴(𝑇𝑅 − ��𝑗) − ��𝐶𝑐𝑝𝐶 (𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡(𝑡) − 𝑇𝑗𝑖𝑛(𝑡 − Θ1)) (f2)

berechnet die Änderung der im Reaktormantel gespeicherten Wärmeenergie aus Wärmezufuhr vom Innenraum, Wärmeabfuhr mit dem Kühlwasser und Wärmezufuhr vom Manteleingang.

Die Massenbilanz des Monomers im Reaktor (Rohstoff)

𝑑𝑚𝑀(𝑡)

𝑑𝑡= ��𝑀𝑓 − 𝑅𝑝 ∙ 𝑀𝑊𝐴 (f3)

berücksichtigt die Rohstoffzufuhr und den Verbrauch durch chemische Reaktion entsprechend der Reaktionsgeschwindigkeit.



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Die Massenbilanz des Lösungsmittels hängt nur vom zugeführten Lösungsmittel ab:

𝑑𝑚𝑆(𝑡)

𝑑𝑡= 𝑢6. (f4)

Das Polymer (Produkt) wird durch die chemische Reaktion

𝑑𝑚𝑃(𝑡)

𝑑𝑡= 𝑅𝑝 ∙ 𝑀𝑊𝐴 (f5)

erzeugt.

Die Monomer-Zufuhr

𝑑𝑚𝐴𝑓(𝑡)

𝑑𝑡= 𝑢5 (f6)

ist ein Eingangssignal.

Die Massenbilanz des Reaktors

𝑑𝑚𝑅(𝑡)

𝑑𝑡= 𝑢5 + 𝑢6 (f7)

hängt von der Zufuhr von Monomer und Lösungsmittel ab.

Die Ableitungen der Zustandsgrößen 𝑥4, 𝑥6 und 𝑥7 liegen direkt als Eingangsgrößen bzw. deren Summe vor. Die gesamte Reaktormasse 𝑚𝑅 ist als

Zustand 𝑥7 modelliert. Dieser Zustand dient als Hilfsgröße, da die Reaktormasse oft in den Zustandsdifferentialgleichungen benötigt wird. Es ist auch möglich in den Gleichungen jeweils die Summe aus Monomermasse, Lösungsmittelmasse und Polymermasse zu bilden. Beim Wärmeübergang 𝑈𝐴 handelt es sich um einen

zeitvarianten Parameter, der als Pseudo-Zustand 𝑥8 mit Random-Walk-Gleichung

mit 𝑑𝑥8

𝑑𝑡= 0 modelliert wird.

Der Zeitraffer 𝑡𝑖𝑚𝑒𝐿𝑎𝑝𝑠𝑒 = 𝑝14 wird nachträglich als Faktor vor die rechte Seite jeder Differentialgleichung gesetzt und wird im Unit Template auf den Wert 5 gesetzt, d. h. die Simulation läuft fünfmal schneller als Echtzeit.

4.4 Algebraische Gleichungen

Die algebraischen Gleichungen dienen zum Ersetzen der algebraischen Variablen in den Zustandsgleichungen, so dass auf den rechten Seiten nur noch Eingangsvariablen, Zustände und Parameter stehen bleiben.

Die Reaktionsgeschwindigkeit

𝑅𝑝 = 𝑘𝑝𝑒−𝐸𝑝𝑅∙𝑇𝑅 ∙

𝑚𝑀

𝑀𝑊𝑀∙ 𝑔𝑃 ∙ 𝑖 (a2)

wird auf die molare Stoffmenge 𝑛𝑀 =𝑚𝑀

𝑀𝑊𝑀 und die Temperaturabhängigkeit der

chemischen Reaktion bezogen.



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Der Korrekturfaktor

𝑔𝑝 = (1000 ∙ 0,000052 ∙ exp(16,4 ∙ (𝑚𝑃

𝑚𝑅)) ∗ 10

2,3∙(10001,8∙𝑇𝑅

−1,563))

0,4

(a1)

dient zur Berücksichtigung des Geleffektes, welcher abhängig von der Viskosität des Reaktorgemisches ist.

Hinweis Über den Unreinheitsfaktor 𝑖 in Gleichung (a2), der für jede Charge einen zufälligen Wert zwischen 0,8 und 1,2 annehmen kann, können Batch-zu-Batch-Variationen der Reaktionskinetik bedingt durch Verunreinigungen modelliert werden. Im Template ist dieser konstant auf den Wert 𝑖 = 1 gesetzt.

Die Ortsabhängigkeit der Kühlmanteltemperatur (entlang des Kühlmittelflusses im Mantel) bleibt unberücksichtigt. Stattdessen wird die aus Ein- und Auslasstemperatur gemittelte Manteltemperatur

𝑇𝑗(𝑡) =𝑇𝑗𝑖𝑛 + 𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡

2 (a3)

zur Berechnung des Wärmestroms verwendet.

Die Wärmekapazität des Reaktorgemisches

𝑐𝑝𝑅 =𝑚𝑀

𝑚𝑅∙ 𝑐𝑝𝑀 +

𝑚𝑊

𝑚𝑅∙ 𝑐𝑝𝑊 +

𝑚𝑃

𝑚𝑅∙ 𝑐𝑝𝑀 (a4)

ergibt sich aus der Summation der mit ihren Massenanteilen gewichteten spezifischen Wärmekapazitäten der einzelnen Stoffe, wobei 𝑚𝑅 = 𝑚𝑀 +𝑚𝑊 +𝑚𝑃 = 𝑥7 der gesamten Masse im Reaktor entspricht.

4.5 Ausgangsgleichungen

Es werden zwei Arten von Ausgangsvariablen unterschieden, die messbare und die nicht messbare Ausgangsgleichungen. Die messbaren Ausgangsvariablen werden zur Korrektur der Zustände genutzt. Hierfür werden die Zustände

𝑇𝑅 = 𝑥1 (h1)

und

𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡 = 𝑥2 (h2)

verwendet. Als zusätzliche nicht messbare Variable wird der Reaktionswärmestrom

𝑄𝑟𝑒𝑎𝑘 = 𝑅𝑝 ∗ (−∆𝐻𝑅) (z1)

mit Hilfe einer zusätzlichen algebraische Ausgangsgleichung berechnet.

Die Nummerierung der Gleichungen wird ebenfalls bei den Ausgangsvariablen im Kalman-Konfigurator genutzt.



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4.6 Kalman-Konfigurator für den Zustandsbeobachter

Der Zustandsbeobachter wird mit Hilfe des Kalman-Konfigurators erstellt. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Kalman-Konfigurator Sitzung für den Zustandsbeobachter.

Im oberen Bereich der Abbildung sind die Variablendefinitionen entsprechend Kapitel 4.2 eingeblendet, darunter stehen die Startwerte, Ober- und Untergrenzen für die Zustände und Parameter. Unten links sind die Zustands-Differentialgleichungen entsprechend Kapitel 4.3 dargestellt. Auf der rechten unteren Seite sind die algebraischen Gleichungen und die Ausgangsgleichungen.



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In der Ansicht "Simulation" des Kalman-Konfigurators können die Parameter des "KalFilt"-Blocks eingestellt werden. Die Ansicht ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Neben den Startwerten des Kalman-Filters sind in der Ansicht Simulation auch die Diagonalelemente der Kovarianz-Matrizen 𝑄, 𝑅 und 𝑅_𝐿𝑎𝑏 zu parametrieren. Dabei werden die Elemente 𝑄88 und 𝑅_𝐿𝑎𝑏, der Tuning-Parameter des Kalman-Filters,

manuell eingestellt. 𝑄88 wird etwas größer gewählt um die Geschwindigkeit der Anpassung des zeitvarianten Parameters p12 an die Messdaten zu vergrößern. R_Lab wird etwas reduziert, um die Anpassung der inneren Zustände an eine Laborprobe etwas deutlicher auszuführen.



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Unter dem Menüpunkt Simulation können die Simulationsergebnisse des Kalman-Filters auf Basis der geladenen Messdaten angezeigt werden. Mit Hilfe der Funktion "Mosaik anordnen" können alle Grafiken übersichtlich angezeigt werden, wie in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Im Verlauf der Ausgangsgrößen 𝑦1 und 𝑦2 ist eine gute Übereinstimmung mit den

Messdaten zuerkennen. Der Zustand 𝑥3 wird zum Zeitpunkt 520s durch die

Labormessung geringfügige korrigiert.

4.7 Konfiguration des Kalman-Filters

Die Grundlagen für den Entwurf des Kalman-Filters sind das mathematische Modell, das in dem Kapitel 4.3 beschrieben wird, sowie gespeicherte Zeitverläufe relevanten Messwerte. Diese Trendkurven enthalten alle relevanten Eingangsgrößen und die messbaren Ausgangsgrößen. Zusätzlich können noch Trendkurven für die Überprüfung des Reglerentwurfs definiert werden.

Die benötigten Trendkurven können in der CFC-Trendanzeige erstellt und exportiert werden.

Hinweis Weitere Informationen finden Sie in der Hilfe des Kalman-Konfigurators unter "Vorgehensweise der einzelnen Entwurfs-Schritte > Erzeugen von Messreihen unter SIMATIC PCS 7".

Trendaufzeichnung

1. Öffnen Sie das PCS 7-Projekt in der technologischen Sicht.

2. Öffnen Sie den Hierarchieordner "UT_Stirr_KalFil_AS > UnitPolymerReactor > Recator > StateObserver" und doppelklicken Sie auf den Plan "EKF_Lab". Der CFC-Editor wird geöffnet.

3. Öffnen Sie über das Menü "Anzeige > Trendanzeige" die Trendanzeige.

4. Ziehen Sie alle relevanten Prozesswerte in den Trend und stellen Sie für jeden Prozesswert die Ober- und Untergrenze, sowie insgesamt die Länge der Aufzeichnung auf 1200 Werte ein.



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5. Melden Sie die CPU für den Testbetrieb an und starten Sie die Trendaufzeichnung über die Schaltfläche "Start".

6. Wechseln Sie in das Prozessbild (OS) des Reaktors und starten Sie die Schrittkette "Recipe" von Hand.

7. Wechseln Sie zurück zum CFC und Warten Sie ca. 20 Minuten bis die Charge erfasst wurde.

8. Exportieren Sie nach abgeschlossener Anregung die Trendaufzeichnung.



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Prozessidentifikation

1. Öffnen Sie das PCS 7-Projekt in der technologischen Sicht.


3. Markieren Sie den Baustein "KalFilt" und klicken Sie in der Menüleiste auf "Bearbeiten > Kalman-Konfigurator". Der Kalman-Konfigurator wird geöffnet.

4. Verwenden Sie die Definitionen aus den Kapiteln 4.1 um den Kalman-Filter zu parametrieren. Geben Sie dabei auch die Startwerte, Minima und Maxima aller relevanten Größen an.

Hinweis Im Projektpfad "<Projektpfad>\UT_Stirr_KalFil" finden Sie eine vollständig parametrierte Kalman-Konfigurator-Sitzung "EKF_Lab_Session.kf", mit Hilfe der Sie die Schritte 4 und 5 überspringen können.

5. Tragen Sie in die Zustandsdifferential-, Ausgangs- und Algebraischen Gleichungen aus dem gleichnamigen Kapitel dieser Dokumentation ein. Der Kalman-Konfigurator sollte nun wie folgt aussehen.

6. klicken Sie in der Menüleiste auf "Daten > Messdaten laden…" und wählen Sie die Datei mit den exportierten Trendkurven aus. Bestätigen Sie die Auswahl mit "OK". Die ausgewählten Trendkurven werden in die Gruppe "Messdaten" geladen.

Hinweis Im Projektpfad "<Projektpfad>\UT_Stirr_KalFil" finden Sie eine exportierte Trendaufzeichnung "EKF_Lab_Data.csv"

7. Wählen Sie in den Dropdown-Menü rechts neben den Trendanzeigen das dargestellte Signal aus.



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8. Bestimmen Sie den Zeitraum für die Initialisierung der Startwerte und für die Identifikation der Parameter.

9. Geben Sie die Abtastzeit an (die OB-Zykluszeit, in der das Kalman-Filter aufgerufen wird).

10. Klicken Sie in der Gruppe "Simulation" auf die Schaltfläche "Automatische Berechnung". In diesem Schritt könnten ggf. unbekannte aber konstante Parameter aus den Messdaten geschätzt werden. Im vorliegenden Modell sind jedoch alle konstanten Parameter vorab bekannt, und der einzige unbekannte

Parameter 𝑝12 ist zeitvariant.

11. Mit der Funktion "Mosaik anordnen" können die Simulationsergebnisse übersichtlich angeordnet werden.



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Hinweis Zum Tuning des Filters stehen die Diagonalelemente der Matrizen 𝑄, 𝑅 und

𝑅_𝐿𝑎𝑏 zur Verfügung. Die Matrix 𝑄 stellt die Kovarianzmatrix des Systemrauschens dar und beschreibt, wie unsicher die einzelnen Modellgleichungen sind. Die Matrix 𝑅 ist die Kovarianzmatrix des Messrauschens und die Matrix 𝑅_ 𝐿𝑎𝑏 ist die Kovarianzmatrix für das Rauschen der Laborproben.

12. Geben Sie in der Gruppe "Export" die Modell-Nummer für das Prozessmodell an.

Hinweis Die Modell-Nummer des Bausteins, der neu angelegt wird, sollte auf den Wert 5 geändert werden um das vorhandene Kalman-Filter nicht zu überschreiben.

13. Klicken Sie auf die Schaltfläche "SCL-Quellcode generieren" und wählen Sie im folgenden Datei-Auswahldialog den Ordner zum Speichern der SCL-Quelle aus.

14. Geben Sie einen Namen für die Datei ein und klicken Sie auf "Speichern".

15. Bestätigen Sie die Meldung mit "OK" und schließen Sie alle Dialoge des Kalman-Konfigurators und den CFC-Plan.

16. Speichern Sie das Sitzungsgedächtnis des Kalman-Konfigurators mit "Datei > Sitzung speichern unter…".

Baustein aus Prozessmodell generieren

1. Wechseln Sie zur Komponentensicht des Projektes.

2. Wählen Sie im Menü "Datei > Öffnen…". Das Dialogfenster von "Öffne Projekt" wird geöffnet.

3. Wählen Sie die Bibliothek "PCS 7 AP Library V90" unter dem Reiter Bibliotheken aus.

4. Kopieren Sie die Bausteine "StcVector15", "StcMatrix15", "StcKal_DB", "Vector15", "Matrix15" und "Kal_DB" aus dem Ordner "KalFilt BLocks > Blocks" in ihr Projekt unter "UT_Stirr_KalFil_AS > AS01 > CPU 410-5H > S7-Program(1) > Blocks"

5. Rechtsklicken Sie auf "UT_Stirr_KalFil_AS > AS01 > CPU 410-5H > S7-Programm > Sources" und wählen Sie im Menübefehl "Neues Objekt einfügen > Externe Quelle…".

Hinweis Im Projekt finden Sie zwei SCL-Quelle "KalMod3_Simulation.scl" und "KalMod4_EKF_Lab.scl", diese enthalten den Quellcode für die beiden im Projekt befindlichen Kalman-Filter.

6. Wählen Sie die zuvor angelegte SCL-Quelle aus und klicken Sie auf "Öffnen". Die SCL-Quelle wird importiert.

7. Doppelklicken Sie auf die SCL-Quelle und klicken Sie im geöffneten SCL-Editor in der Menüleiste auf "Datei > Übersetzen". Schließen Sie anschließend den SCL-Editor.



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ACHTUNG Wenn Sie eine Modell-Nummer verwenden die existiert, erhalten Sie eine Meldung, ob Sie den Baustein überschreiben wollen. Überschreiben Sie nur Bausteine, die Sie genau kennen. Brechen Sie im Zweifelsfall den Übersetzungsvorgang ab und ändern Sie die Modell-Nummer im Kalman-Konfigurator

Der KalFilt-Funktionsbaustein muss im passenden Weckalarm-OB aufgerufen werden. Die Zykluszeit des OB und die angegeben Zeit "EKF-Abtastzeit" in der Lasche "Simulation" des Kalman-Konfigurator müssen identisch sind.


9. Wählen Sie am Baustein des Kalman-Filters den Eingang "ModelNo" an und ändern Sie in den Wert auf die Nummer, die im Kalman-Konfigurator vergeben worden ist.

Hinweis Das Prozessmodell wird nach Übersetzen und Laden mit einem Neustart der CPU automatisch aktualisiert. Die Modellnummer kann jedoch auch online geändert werden. Dazu muss der Modell-FB in die Steuerung geladen und der Eingang KalFilt.Reset online auf den Wert "Reset" gesetzt werden. Dabei können Sprünge der Zustandsgrößen auftreten.

5 Engineering


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5 Engineering

5.1 Technische Funktionen und Messstellen

Das Unit Template "Rührkesselreaktor mit Kalman-Filter" setzt sich zusammen aus vorgefertigten technischen Funktionen und zusätzlichen Messstellen. Im PCS 7-Projekt basieren alle Messstellen, wie auch die Messstellen der technischen Funktionen auf CMT der Stammdatenbibliothek.

Das Anwendungsbeispiel Rührkesselreaktor beinhaltet folgende Bestandteile:

Zufluss "Feed": Zufluss von Einsatzstoffen

Temperaturregelung "Temperature": Regelung der Reaktortemperatur

Zustandsbeobachter "StateObserver": Berechnung der Zustände des Systems (inklusive nicht messbarer Zustände)

Prozesssimulation "Sim_Reactor": Simulieren des Polymerisationsprozesses

Chargensteuerung "Recipe": Schrittkette zum Durchlaufen aller Rezeptschritte einer Charge unter Beachtung der Rezept-Parameter

Hinweis Alle notwendigen Beschreibungen sowie Hinweise zu Konfiguration und Vorgehensweise im Hinblick auf

Aufbau und Funktion von Equipment Modules (technischen Funktionen) inklusive Parametern

Integration von technischen Funktionen

Reglern und Regelverhalten

erhalten Sie in der Anwendungsbeschreibung "Technische Funktionen am Beispiel der Chemischen Industrie". Die Beispielprojekte mit den einzelnen technischen Funktionen und CMTs finden Sie unter folgendem Link: https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/53843373. Die Informationen zu den einzelnen technischen Funktionen finden Sie im Kapitel "Technische Funktionen" und zu den CMTs im Kapitel "Einzelsteuerebene".

In den folgenden Unterkapiteln finden Sie den Aufbau der einzelnen technischen Funktionen im vorliegenden Unit-Template, die durchgeführten Erweiterungen und Änderungen gegenüber den zugrunde liegenden Basisversionen der technischen Funktionen und den verwendeten CMT. Zusätzlich wird der SFC für die Rezeptsteuerung beschrieben. Im Fall einer Mehrproduktanlage könnte die Rezeptsteuerung mit SIMATIC BATCH implementiert werden. Im vorliegenden Template gibt es nur ein Rezept für ein einziges Produkt und daher keine separate Rezeptverwaltung.

Hinweis CMTs sind für unterschiedliche Einsatzbereiche vorprojektiert. Über die Auswahl von Varianten werden die zur konkreten Messwertübertragung passenden Kanalbausteine ausgewählt. Des Weiteren können über die Auswahl von Optionen weitere Zusatzfunktionen ohne manuelle Projektierung an der Instanz aktiviert werden.


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5.2 Zufluss "Feed"

5.2.1 Aufbau

Über den Zufluss werden Monomer und Lösungsmittel mit einem definierten Massenfluss und einer konstanter Temperatur dem Reaktor zugeführt. Dabei werden die Massenströme und die Temperaturen von dem Monomer und Lösungsmittel erfasst.

Hinweis Die Regelung des Zuflusses wird in diesem Beispiel nicht betrachtet. Typischerweise wird sie mit einem Stetigventil und einem PI-Regler entsprechend der standardmäßigen technischen Funktion implementiert.

In der folgenden Tabelle erhalten Sie eine Übersicht der Bestandteile.

CM CMT Aktive Varianten Beschreibung

FI_Monomer "AMon" PV_In PV_Scale

Erfassung des Monomerzustrom

FI_Solvent "AMon" PV_In PV_Scale

Erfassung des Lösungsmittelzustrom

TI_Monomer "AMon" PV_In PV_Scale

Erfassung des Monomer-Temperatur

TI_Solvent "AMon" PV_In PV_Scale

Erfassung des Lösungsmittel-Temperatur

In der folgenden Abbildung ist der Aufbau des Zuflusses mit den Plan-übergreifenden Verschaltungen vereinfacht dargestellt.

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FI_Monomer

I

PV_OUT

PV_In

SimPV_In

FI_Solvent

PV_In

I

PV_OUT

SimPV_In

TI_Monomer

PV_In

I

PV_OUT

SimPV_In

TI_Solvent

PV_In

I

PV_OUT

SimPV_In

Sim_Reactor

SimKalFilt

U6

U5

U2

U3

EKF_Lab

K

U6

U5

U2

U3

Sim_Parameter

SolventFeedOp

SP_Out

MonomerFeedOn

Out

MonomerTempOp

SP_Out

SolventTempOp

SP_Out

MonomerCumulated

In

Die vom Anwender vorgegebenen Parameter der Simulation werden von der Messstelle "Sim_Parameter" an die Anzeigen der Massenströme und Temperaturen weitergegeben. Diese stellen die Zahlenwerte für das Simulationsmodell und den Zustandsschätzer zur Verfügung.

5.2.2 Parametrierung

Simulation

Der Aufbau und die Parametrierung der verwendeten Simulation, inklusive des Zuflusses ist im Kapitel 5.5 erläutert.

FI_Monomer

Die Messstelle "FI_Monomer" ist eine Instanz des CMTs "AMon" mit folgenden selektierten Varianten:

PV_In

PV_Scale

Die folgende Tabelle fasst die Verschaltungen zu anderen Messstellen und die Parametrierung zusammen:

Baustein Anschluss Wert Verwendung

PV_Scale HiScale 0.1 Skalierung der Prozesswertobergrenze

PV_Unit In 1322 Einheit des Prozesswerts in Kilogramm pro Sekunde

I PV_Out

Analoger Ausgangswert (Recipe\\Sim_Parameter\MonomerCumulated.In) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt.U5) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U5)

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PV SimOn

Aktivierung der Simulation am Kanalbaustein (Sim_Process\\Activate_Simulation\ Sim_Act.Out)

PV SimPV_In

Verschaltung zum simulierten Prozesswert (Sim_Process\\Sim_Parameter\ MonomerFeedOn.Out)

PV PV_OutUn

Verschaltung der Einheit des Prozesses (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerFeedOp.SP_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerFeedOp.PV_Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt.U5Unit) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U5Unit)

PV ScaleOut

Verschaltung des Prozesswertbereiches (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerFeedOp.SP_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerFeedOp.PV_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U5LimScale) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U5LimScale)

FI_Solvent

Die Messstelle "FI_Solvent" ist eine Instanz des CMTs "AMon" mit folgenden selektierten Varianten:

PV_In

PV_Scale




PV_Unit In 1322 Einheit des Prozesswerts in Kilogramm pro Sekunde

I PV_Out

Analoger Ausgangswert (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt.U5) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U5)

PV SimOn


PV SimPV_In

Verschaltung zum simulierten Prozesswert (Sim_Process\\Sim_Parameter\SolventFeedOn. Out)

PV PV_OutUn

Verschaltung der Einheit des Prozesses (Sim_Process\\Sim_Parameter\SolventFeedOn. SP_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\SolventFeedOn. PV_Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt.U6Unit) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U6Unit)

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PV ScaleOut

Verschaltung des Prozesswertbereiches (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerFeedOp.SP_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerFeedOp.PV_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U6LimScale) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U6LimScale)

TI_Monomer

Die Messstelle "TI_Monomer" ist eine Instanz des CMTs "AMon" mit folgenden selektierten Varianten:

PV_In

PV_Scale



PV_Scale HiScale 373 Skalierung der Prozesswertobergrenze

PV_Scale LoScale 273 Skalierung der Prozesswertuntergrenze

PV_Unit In 1000 Einheit des Prozesswerts in Kelvin

I PV_Out


PV SimOn Aktivierung der Simulation am Kanalbaustein (Sim_Process\\Activate_Simulation\Sim_Act.Out)

PV SimPV_In

Verschaltung zum simulierten Prozesswert (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerTempOp.Out)

PV ScaleOut

Verschaltung der Einheit des Prozesses (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerTempOp.SP_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerTempOp.PV_Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt.U2Unit) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U2Unit)

PV SimPV_In

Verschaltung des Prozesswertbereiches (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerTempOp.SP_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerTempOp.PV_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U2LimScale) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U2LimScale)

TI_Solvent

Die Messstelle "TI_Solvent" ist eine Instanz des CMTs "AMon" mit folgenden selektierten Varianten:

PV_In

PV_Scale

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I PV_Out


PV SimOn


PV SimPV_In

Verschaltung zum simulierten Prozesswert (Sim_Process\\Sim_Parameter\MonomerTempOp.Out)

PV PV_OutUn

Verschaltung der Einheit des Prozesses (Sim_Process\\Sim_Parameter\SolventTempOp. SP.SP_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\SolventTempOp. SP.PV_Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt.U3Unit) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U3Unit)

PV ScaleOut

Verschaltung des Prozesswertbereiches (Sim_Process\\Sim_Parameter\SolventTempOp. SP_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Parameter\SolventTempOp. PV_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U2LimScale) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U2LimScale)

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5.3 Temperaturregelung "Temperature"

5.3.1 Aufbau

In der Kaskadenregelung wird vom Führungsregler (PID-Regler) die Temperatur des Reaktors geregelt und ein Sollwert für die Manteltemperatur an den Folgeregler übergeben. Der Folgeregler (Split-Range-Regler) regelt die Temperatur des Behältermantels und fordert abhängig vom Sollwert entweder eine Temperaturerhöhung (per Heizdampf) oder Verringerung (per Kühlwasser) an. Das Kühlventil liegt in diesem Beispiel nicht im Kaltwasser-Zulauf sondern im Ablauf des Mantels. Wenn es geöffnet wird, strömt über eine mechanische Druckregelung eine entsprechende Menge Kaltwasser in den Mantel hinein.

Die Verschaltung von Führungs- und Folgeregler der Kaskade entspricht der standardmäßigen technischen Funktion „Temperatur-Durchfluss-Kaskadenregelung“. Die Verschaltung von Folgeregler und Ventilen entspricht der standardmäßigen technischen Funktion „Split-Range Pressure“.

In der folgenden Tabelle erhalten Sie eine Übersicht der Bestandteile.


Activate_Ffwd "DOp" Aktivieren der Störgrößenaufschaltung auf den Temperaturregler des Reaktors

TIC_Reactor "Ctrl" PV_In PV_Scale

Führungsregler zur Regelung der Temperatur im Reaktor

TIC_JacketIn "CtrlSplitRange"

PV_In PV_Scale IF_Master

Folgeregler für die Mantel-Einlasstemperatur: Split-Range

YC_Heat "ValAn" MV_Out IF_Ctrl Rbk

Stellventil für die erste Stellgröße

YC_Cool "ValAn" ValAn_Std Stellventil für die zweite Stellgröße

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In der folgenden Abbildung ist der Aufbau der Temperaturregelung mit den Plan-übergreifenden Verschaltungen vereinfacht dargestellt.

Sim_Temp

Add(50)

Noise+T_jin

Out

In1

TIC_JacketIn

PV_In

SimPV_In

to_Actor1

Out

from_Actor1

In

YC_Heat

from_CTRL

In

to_CTRL

Out

MV>0

In1

to_Actor2

Out

from_Actor2

In

YC_Cool

from_CTRL

In

to_CTRL

Out

TIC_Reactor

PV_In

SimPV_In

to_Actor_Slave

Out

from_Actor_Slave

In

from_Master

In

to_Master

Out

Noise+T_R

Out

C

MV

Der Führungsregler "TIC_Reactor" verwendet die simulierte Reaktortemperatur aus dem Simulationsplan "Sim_Temp" und erzeugt die Sollwertvorgabe für den Split-Range-Folgeregler. Der Folgeregler "TIC_JacketIn" erhält die Sollwertvorgabe vom Führungsregler und regelt die Einlasstemperatur des Reaktormantels, welcher die Wärme auf das Reaktorinnere überträgt. Die Temperaturwerte der Kühlmantel-Einlasstemperatur 𝑇𝑗𝑖𝑛, der Reaktortemperatur 𝑇𝑅 und der Kühlmantel-

Auslasstemperatur 𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡 werden mit einem weißen Rauschen überlagert, das eine

Standardabweichung von 0,1°C besitzt, um Messrauschen zu simulieren. Physikalisch betrachtet wirken die beiden Ventile für Heizdampf und Kühlwasser auf den Prozess ein. Vereinfachend wird hier die bipolare Ausgangsvariable MV des Folgereglers anstelle der beiden unipolaren Ventilstellungen als Eingangsvariable für die Simulation verwendet.


Simulation

Der Aufbau und die Parametrierung der verwendeten Simulation, inklusive des Zuflusses ist im Kapitel 5.5 erläutert.

Activate_Ffwd

Die Messstelle "Activate_Ffwd" ist eine Instanz des CMTs "DOp" mit keinen selektierten Varianten.

Die Messstelle wurde um die folgenden Funktionen erweitertet:

Mul04 – "c= -g_z0 div g_0"

SelA02In – "Sel_Ffwd"

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Mul04 In2 -2.0537 Stationärer Verstärkungsfaktor für die Störgrößenaufschaltung

TIC_Reactor

Die Messstelle "TIC_Reactor" ist eine Instanz des CMTs "Ctrl" mit folgenden selektierten Varianten:

PV_In

PV_Scale




PV_Scale LoScale 200.0 Skalierung der Prozesswertuntergrenze


C Gain 6.985 Regler-Verstärkung

C TI 162.0 Regler-Verzögerung

C TD 0.0 Regler-Differenzierzeit

C SP_InHiLim 1000.0 Maximalwert des internen Sollwerts

C SP_InLoLim 200.0 Minimalwert des internen Sollwerts

C PV_AH_Li 500.0 Alarm bei Grenzwertüberschreitung

C PV_WH_Li 480.0 Warnung bei Grenzwertüberschreitung

C PV_WL_Li 283.0 Warnung bei Grenzwertunterschreitung

C PV_AL_Li 273.0 Alarm bei Grenzwertunterschreitung

C PV_AH_En 1

Alarm bei Grenzwertüberschreitung, wenn PV

≥ PV_AH_Lim

C PV_WH_En 1

Warnung bei Grenzwertüberschreitung, wenn

PV ≥ PV_WH_Lim

C PV_WL_En 1

Warnung bei Grenzwertunterschreitung, wenn

PV ≤ PV_AL_Lim

C PV_AL_En 1

Alarm bei Grenzwertunterschreitung, wenn PV

≤ PV_AL_Lim

to_Actor_Slave Out

Verschaltung zum Folgeregler (TIC_JacketIn\from_Ctrl.In)

from_Actor_Slave In

Verschaltung zum Folgeregler (TIC_JacketIn\to_Ctrl.Out)

PV SimOn

Aktivierung der Simulation am Kanalbaustein (Sim_Process\\Activate_Simulation\Sim_Act. Out)

PV SimPV_In

Verschaltung zum simulierten Prozesswert (Sim_Process\\Sim_Reactor\ Noise+T_R.Out)

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PV PV_OutUnit

Weitergabe der Einheit des Prozesswerts (Sim_Process\\Sim_Parameter\T_Reaction. PV_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\T_Reaction. SP_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\T_StartFeed. PV_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\T_StartFeed. SP_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\MaxT_Reactor.PV_Unit) (StateObserver\\EKF_Lab\K.X1Unit) (StateObserver\\EKF_Lab\K.Y1Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. X1Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. Y1Unit)

PV ScaleOut

Skalierung der Prozesswertes (Sim_Process\\Sim_Parameter\T_StartFeed. PV_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Parameter\T_StartFeed. SP_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Parameter\MaxT_Reactor.PV_OpScale) (StateObserver\\EKF_Lab\K.X1LimScale)

(StateObserver\\EKF_Lab\K.Y1LimScale) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. X1LimScale)

(Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. Y1LimScale)

TIC_JacketIn

Die Messstelle "TIC_JacektIn" ist eine Instanz des CMTs "CtrlSplitRange" mit folgenden selektierten Varianten:

IF_Master

PV_In

PV_Scale




PV_Scale LoScale 273.0 Skalierung der Prozesswertuntergrenze


C Gain 6 Regler-Verstärkung

C NormMV.High NormMV.Low

50 -50

Stellwertbereich zur Normierung der proportionalen Verstärkung

C TI 262.0 Regler-Verzögerung

C TD 0.0 Regler-Differenzierzeit

C SP_InHiLim 500.0 Maximalwert des internen Sollwerts

C SP_InLoLim 273.0 Minimalwert des internen Sollwerts

C PV_AH_Li 500.0 Alarm bei Grenzwertüberschreitung

C PV_WH_Li 480.0 Warnung bei Grenzwertüberschreitung

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C PV_WL_Li 283.0 Warnung bei Grenzwertunterschreitung

C PV_AL_Li 273.0 Alarm bei Grenzwertunterschreitung

C PV_AH_En 1

Alarm bei Grenzwertüberschreitung, wenn PV

≥ PV_AH_Lim

C PV_WH_En 1

Warnung bei Grenzwertüberschreitung, wenn

PV ≥ PV_WH_Lim

C PV_WL_En 1

Warnung bei Grenzwertunterschreitung, wenn

PV ≤ PV_AL_Lim

C PV_AL_En 1

Alarm bei Grenzwertunterschreitung, wenn PV

≤ PV_AL_Lim

C MV

Stellwert (Recipe\\RecipeParam\FreezeMin.In1) (Sim_Process\\Sim_Reactor\Add(50).In1) (Sim_Process\\Sim_Reactor\MV>0.In1)

SplitRange InScale.High InScale.Low

50.0 -50.0 Grenzbereich für das Eingangssignal

SplitRange NeutPos 0.0 Neutrale Position

to_Actor1 Out Verschaltung zum Ventil (YC_Cool\from_Ctrl.In)

to_Actor2 Out Verschaltung zum Ventil (YC_Heat\from_Ctrl.In)

from_Actor1 In Verschaltung zum Ventil (YC_Cool\to_Ctrl.Out)

from_Actor2 In Verschaltung zum Ventil (YC_Heat\to_Ctrl.Out)

PV SimOn

Aktivierung der Simulation am Kanalbaustein (Sim_Process\\Activate_Simulation\Sim_Act. Out)

PV SimPV_In Verschaltung zum simulierten Prozesswert (Sim_Process\\Sim_Reactor\Noise+T_jin.Out)

PV PV_OutUnit

Weitergabe der Einheit des Prozesswerts (StateObserver\\EKF_Lab\K.U1Unit) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U7Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U1Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U7Unit)

PV ScaleOut

Skalierung der Prozesswertes (StateObserver\\EKF_Lab\K.U1LimScale) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U7LimScale) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U1LimScale)

(Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U7LimScale)

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YC_Cool

Die Messstelle "YC_Cool" ist eine Instanz des CMTs "Val" mit folgenden selektierten Varianten:

IF_Ctrl

MV_Out

Rbk



from_Ctrl In Verschaltung zum Regler

(TIC_JacketIn\to_Actror1.Out)

to_Ctrl Out Verschaltung zum Regler

(TIC_Jacket\from_Actror1.In)

Rbk SimOn

Aktivierung der Simulation am Kanalbaustein (Sim_Process\\Activate_Simulation\Sim_Act.Out)

Rbk SimPV_In Verschaltung zum simulierten Prozesswert

(Sim_Process\\Sim_YC_Cool\SimVlv.Out)

MV_Out SimOn


YC_Heat

Die Messstelle "YC_Heat" ist eine Instanz des CMTs "Val" mit folgenden selektierten Varianten:

IF_Ctrl

MV_Out

Rbk



from_Ctrl In Verschaltung zum Regler

(TIC_JacketIn\to_Actror2.Out)

to_Ctrl Out Verschaltung zum Regler

(TIC_Jacket\from_Actror2.In)

Rbk SimOn


Rbk SimPV_In Verschaltung zum simulierten Prozesswert

(Sim_Process\\Sim_YC_Cool\SimVlv.Out)

MV_Out SimOn


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5.4 Zustandsbeobachter "StateObserver"

5.4.1 Aufbau

Der Zustandsbeobachter "EKF-Lab" berechnet aus den Eingangswerten der Messstellen und den Startwerten die internen Zustandsgrößen des Modells. Diese Zustände werden mit den vorhandenen Messwerten des Prozesses verglichen und für eine online-Korrektur der internen Zustandsgrößen verwendet. Der Zustandsbeobachter ermöglicht somit die Bestimmung der physikalischen Variablen einer verfahrenstechnischen Einheit, auf die messtechnisch nicht direkt zugegriffen werden kann oder nur unter sehr großen messtechnischem Aufwand.

Der Zustandsbeobachter verwendet alle relevanten Variablen aus vorhandenen Messstellen. In der folgenden Tabelle sind die beiden zusätzlichen Temperaturmessstellen aufgeführt, deren Werte angezeigt und im Beobachter verwendet werden.


TI_Ambient "AMon" PV_In PV_Scale

Erfassung der Umgebungstemperatur

TI_JacketOut "AMon" PV_In PV_Scale

Erfassung des Kühlmantel-Auslasstemperatur

Zusätzlich zu den beiden CMTs "TI_Ambient" und "TI_JacketOut" wird der CFC "EKF_Lab" verwendet, der das erweiterte Kalman-Filter enthält. Weil das Kalman-Filter typischerweise Werte aus vorhandenen Messstellen verwendet, gibt es keinen eigenen CMT für das Kalman-Filter.

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In der folgenden Abbildung ist der Aufbau des Zustandsbeobachter mit den Plan-übergreifenden Verschaltungen vereinfacht dargestellt.

TI_Ambient

I

PV_OUT

PV_In

SimPV_In

TIC_JacketIn

C

PV_OUT

TI_JacketOut

PV_In

I

PV_OUT

SimPV_In

Sim_Temp

TjinDelay

Noise+T_jout

PV_OUT

Out

Sim_Param

AmbientTempOp

Out

EKF_Lab

K

U4

X1Start

Y2

U1

U2

U3

U7

U6

U5

Y1

X2Start

TI_Monomer

I

PV_OUT

TI_Solvent

I

PV_OUT

FI_Solvent

I

PV_OUT

FI_Monomer

I

PV_OUT

TIC_Reactor

C

PV_OUT

Der Zustandsbeobachter "EKF_Lab" verwendet die simulierten Messwerte aus den Messstellen "TI_Ambient", "TI_JacketOut", "TI_JacketIn", "TI_Monomer", "TI_Solvent", "FI_Monomer", "FI_Solvent" und "TIC_Reactor" und berechnet die internen Zustandsgrößen des Modells. Die Messwerte 𝑦1 und 𝑦2 korrespondieren

mit den Zustandsvariablen 𝑥1 und 𝑥2, und werden daher auch als Startwerte für

die beiden Zustände verwendet.


Simulation

Der Aufbau und die Parametrierung der verwendeten Simulation ist im Kapitel 5.5 erläutert.

EKF_Lab



K U1 Eingangsvariable 1 (Temperature\\TIC_JacketIn\C.PV_Out)

K U1Unit Einheit der Eingangsvariable 1 (Temperature\\TIC_JacketIn\PV_In.PV_OutUnit)

K U1LimScale Skalierung der Eingangsvariable 1 (Temperature\\TIC_JacketIn\PV_In.PV_OutScale)

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K U2 Eingangsvariable 2 (Temperature\\TI_Monomer\C.PV_Out)

K U2Unit Einheit der Eingangsvariable 2 (Temperature\\TI_Monomer\PV_In.PV_OutUnit)

K U2LimScale Skalierung der Eingangsvariable 2 (Temperature\\TI_Monomer\PV_In.PV_OutScale)

K U3 Eingangsvariable 3 (Temperature\\TI_Solvent\C.PV_Out)

K U3Unit Einheit der Eingangsvariable 3 (Temperature\\TI_Solvent\PV_In.PV_OutUnit)

K U3LimScale Skalierung der Eingangsvariable 3 (Temperature\\TI_Solvent\PV_In.PV_OutScale)

K U4 Eingangsvariable 4 (Temperature\\TI_Ambient\C.PV_Out)

K U4Unit Einheit der Eingangsvariable 4 (Temperature\\TI_Ambient\PV_In.PV_OutUnit)

K U4LimScale Skalierung der Eingangsvariable 4 (Temperature\\TI_Ambient\PV_In.PV_OutScale)

K U5 Eingangsvariable 5 (Temperature\\FI_Monomer\C.PV_Out)

K U5Unit Einheit der Eingangsvariable 5 (Temperature\\FI_Monomer\PV_In.PV_OutUnit)

K U5LimScale Skalierung der Eingangsvariable 5 (Temperature\\FI_Monomer\PV_In.PV_OutScale)

K U6 Eingangsvariable 6 (Temperature\\FI_Solvent\C.PV_Out)

K U6Unit Einheit der Eingangsvariable 6 (Temperature\\FI_Solvent\PV_In.PV_OutUnit)

K U6LimScale Skalierung der Eingangsvariable 6 (Temperature\\FI_Solvent\PV_In.PV_OutScale)

K U7 Eingangsvariable 7 (Sim_Process\\Sim_Temp\TjinDelay.Out)

K U7Unit Einheit der Eingangsvariable 7 (Temperature\\TIC_JacketIn\PV_In.PV_OutUnit)

K U7LimScale Skalierung der Eingangsvariable 7 (Temperature\\TIC_JacketIn\PV_In.PV_OutScale)

K Y1 Ausgangsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\C.PV_Out)

K Y1Unit Einheit der Ausgangsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\PV_In.PV_OutUnit)

K Y1LimScale Skalierung der Ausgangsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\PV_In.PV_OutScale)

K Y2 Ausgangsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\I.PV_Out)

K Y2Unit Einheit der Ausgangsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\PV_In.PV_OutUnit)

K Y2LimScale

Skalierung der Ausgangsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\PV_In. PV_OutScale)

K EYPScale 2.0 Skalierung für Schätzfehler

K Z1Unit 1438 Einheit der zusätzlichen Ausgangsvariable 1 in Kilojoule pro Sekunde

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K X1Start Startwert der Zustandsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\C.PV_Out)

K X1Unit Einheit der Zustandsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\PV_In.PV_OutUnit)

K X1LimScale Skalierung der Zustandsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\PV_In.PV_OutScale)

K X2Start Startwert der Zustandsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\I.PV_Out)

K X2Unit Einheit der Zustandsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\PV_In.PV_OutUnit)

K X2LimScale

Skalierung der Zustandsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\PV_In. PV_OutScale)

K X3Start Startwert der Zustandsvariable 3 (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt.X3)

K X3Unit 1088 Einheit der Zustandsvariable 3 in Kilogramm

K X3LimScale.High 10 Oberer Skalierungsfaktor der Zustandsvariable 3







K X6LimScale.High 10 Oberer Skalierungsfaktor der Zustandsvariable 6




K X8Unit 1999 Einheit der Zustandsvariable 8 (Spezielle Einheite)

K R11 0.001 Diagonale Elemente der Kovarianz-Matrix für das Messrauschen R11

K R22 0.001 Diagonale Elemente der Kovarianz-Matrix für das Messrauschen R22

K Q11 0.002 Diagonale Elemente der Kovarianz-Matrix für das Prozessrauschen Q11





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K SampleEn 1 Freigabe für sporadische Labormessungen

K LoadParam Load dat Laden der Parameter von dem FC

K UserAna1 Analogwerteanzeige 1 (Sim_Process\\Sim_Reactor\K.X1)

K UA1Unit 1000 Einheit der Analogwerteanzeige 1 in Kelvin


K UA2Unit 1000 Einheit der Analogwerteanzeige 2 in Kelvin


K UA3Unit 1088 Einheit der Analogwerteanzeige 3 in Kilogramm










K UA8Unit 1999 Einheit der Analogwerteanzeige 8 (Spezielle Einheite)

TI_Ambient

Die Messstelle "TI_Ambient" ist eine Instanz des CMTs "AMon" mit folgenden selektierten Varianten:

PV_In

PV_Scale






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I PV_Out



PV SimPV_In

Verschaltung zum simulierten Prozesswert (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.Out)

PV ScaleOut

Verschaltung der Einheit des Prozesses (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.SP_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.PV_Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt.U4Unit) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U4Unit)

PV SimPV_In

Verschaltung des Prozesswertbereiches (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.SP_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.PV_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U2LimScale) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U2LimScale)

TI_JacketOut

Die Messstelle "TI_JacketOut" ist eine Instanz des CMTs "AMon" mit folgenden selektierten Varianten:

PV_In

PV_Scale






I PV_Out

Analoger Ausgangswert (StateObserver\\EKF_Lab\K.X2Start) (StateObserver\\EKF_Lab\K.Y2)


PV SimPV_In

Verschaltung zum simulierten Prozesswert (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.Out)

PV ScaleOut

Verschaltung der Einheit des Prozesses (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.SP_Unit) (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.PV_Unit) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt.U4Unit) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U4Unit)

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PV SimPV_In

Verschaltung des Prozesswertbereiches (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.SP_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Parameter\AmbientTempOp.PV_OpScale) (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKalFilt. U2LimScale) (StateObserver\\EKF_Lab\K.U2LimScale)

5.5 Prozesssimulation "Sim_Process"

5.5.1 Aufbau

Die Aufgabe der Prozess-Simulation innerhalb des Templates besteht darin, die Funktionsweise des Templates insbesondere in Bezug auf das Kalman-Filter verstehen oder vorführen zu können.

Die im Ordner "Sim_Process" enthaltene Simulation besteht aus folgenden Teilen:

Simulation des Prozesses (CFC "Sim_Reactor")

Simulation der Kühlmantel-Einlasstemperatur (CFC "Sim_Temp")

Vorgabe der Parameter der Simulation (CFC "Sim_Parameter")

Hinweis Um die Dauer der Simulation zu verkürzen, ist ein Zeitraffer implementiert, der die Simulationszeit um den Faktor fünf reduziert. Ein kompletter Batch-Durchlauf dauert somit weniger als eine halbe Stunde.

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Sim_Reactor

Im CFC "Sim_Reactor" wird das dynamische mechanistische Modell des Polymerisationsprozesses verwendet um den Reaktor zu simulieren. Die Grundlagen der Simulation sind im Kapitel 6.3 beschrieben. Das Prozessmodell entspricht in weiten Teilen dem Modell nach Kapitel 4, das auch im Zustandsbeobachter verwendet wird. Der Funktionsbaustein KalFilt bietet die Möglichkeit, als Zustandsbeobachter oder als Prozess-Simulator verwendet zu werden.

In der folgenden Abbildung ist der Aufbau der Simulation des Reaktors mit den Plan-übergreifenden Verschaltungen vereinfacht dargestellt.

TIC_JacketIn

C

PV_OUT

TI_Monomer

I

PV_OUT

TI_Solvent

I

PV_OUT

FI_Solvent

I

PV_OUT

FI_Monomer

I

PV_OUT

TI_Ambient

C

PV_OUT

Sim_Reactor

SimKalFilt

U1

U7

U2

U3

U4

X1Start

U5

X2Start

U6

SimKalFilt

Y1Filt

Y2Filt

Sim_Temp

Noise+T_R

In2

Noise+T_jout

In1

T_joutDelay

In

T_jinDelay

Out

Das Prozessmodell im "Sim_Reactor" verwendet die Simulationsparameter aus den Messstellen "TIC_JacketIn", "TI_Monomer", "TI_Solvent", "TI_Ambient", "FI_Monomer", "FI_Solvent" und "Sim_Temp" und berechnet die internen Zustandsgrößen des Modells, die als simulierte Ersatzwerte für echte Messungen des Prozesses dienen.

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Sim_Temp

Im CFC "Sim_Temp" wird eine nichtlineare Temperaturänderung durch Heizdampf oder Kühlwasser im Reaktormantel simuliert. Die Formeln für die Einlasstemperatur sind im Kapitel 6.3.1 beschrieben und verteilen sich auf drei Teilblättern.

Die folgende Abbildung zeigt den Teilplan A mit der Berechnung des Temperaturoffsets 𝐾𝑝 nach der Formel (p3).

1

2

3

1. Berechnung des Temperaturoffsets 𝐾𝑝 für den Kühlvorgang

2. Berechnung des Temperaturoffsets 𝐾𝑝 für den Heizvorgang

3. Auswahl des Temperaturoffsets 𝐾𝑝

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Die folgende Abbildung zeigt den Teilplan B mit der Berechnung des der Mantel-Einlasstemperatur 𝑇𝑗𝑖𝑛 nach der Formel (p1).

Die Differentialgleichung für 𝑇𝑗𝑖𝑛 wird im CFC aus elementaren Bausteinen

aufgebaut und der Integrator am rechten Bildrand speichert den Zustand der Kühlmantel-Einlasstemperatur.

Die folgende Abbildung zeigt den Teilplan C mit der Simulation des Messrauschen und der Totzeit der Mantel-Einlasstemperatur.

1

2

1. Erzeugen und Addition des Messrauschen auf die Temperaturmesswerte

2. Verzögerung der Kühlmantel-Einlasstemperatur

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Sim_Parameter

Der CFC "Sim_Parameter" beinhaltet die Parameter des Simulationsmodells, die vom Benutzer in der Runtime verändert werden können. Eine Übersicht über die Parameter ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Parameter Standardwert

Monomer-Temperatur 𝑇𝑓 305.37 K

Lösungsmittel-Temperatur 𝑇𝑆𝑓 305.37 K

Umgebungstemperatur 𝑇𝑎𝑚𝑏 305.37 K

Kühlwassertemperatur 𝑇𝑐𝑜𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡 284.26 K

Heizdampftemperatur 𝑇𝑆𝑡𝑒𝑎𝑚 449.82 K

Monomerzustrom 𝑚𝑀𝑓 0.01 kg/s

Lösungsmittelzustrom 𝑚𝑆𝑓 0.0 kg/s

Die folgende Abbildung zeigt den Teilplan A von CFC-Plan "Sim_Parameter" mit den Bedienparametern für die verschiedenen Temperaturen.

1

2

3

4

5

1. Bedien- und Anzeigebaustein für die Monomer-Temperatur

2. Bedien- und Anzeigebaustein für die Lösungsmittel-Temperatur

3. Bedien- und Anzeigebaustein für die Umgebungstemperatur

4. Bedien- und Anzeigebaustein für die Kühlwassertemperatur

5. Bedien- und Anzeigebaustein für die Heizdampftemperatur

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Die folgende Abbildung zeigt den Teilplan B von CFC-Plan "Sim_Parameter" mit den Bedienparametern für die Zuflüsse von Monomer und Lösungsmittel.

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3

4

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1. Bedien- und Anzeigebaustein für die Monomerzustrom

2. Bedien- und Anzeigebaustein für die Lösungsmittelzustrom

3. Aktivierung des Monomerzustroms

4. Aktivierung des Lösungsmittelzustrom

5. Summierung des Monomerzustroms


Sim_Reactor

Die Messstelle "Sim_Reactor" beinhaltet den erweiterten Kalman-Filter, der das nichtlineare Prozessmodell simuliert.



SimKaltFilt U1 Eingangsvariable 1 (Temperature\\TIC_JacketIn\C.PV_Out)

SimKaltFilt U1Unit Einheit der Eingangsvariable 1 (Temperature\\TIC_JacketIn\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt U1LimScale Skalierung der Eingangsvariable 1 (Temperature\\TIC_JacketIn\PV_In.PV_OutScale)

SimKaltFilt U2 Eingangsvariable 2 (Temperature\\TI_Monomer\C.PV_Out)

SimKaltFilt U2Unit Einheit der Eingangsvariable 2 (Temperature\\TI_Monomer\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt U2LimScale Skalierung der Eingangsvariable 2 (Temperature\\TI_Monomer\PV_In.PV_OutScale)

SimKaltFilt U3 Eingangsvariable 3 (Temperature\\TI_Solvent\C.PV_Out)

SimKaltFilt U3Unit Einheit der Eingangsvariable 3 (Temperature\\TI_Solvent\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt U3LimScale Skalierung der Eingangsvariable 3 (Temperature\\TI_Solvent\PV_In.PV_OutScale)

SimKaltFilt U4 Eingangsvariable 4 (Temperature\\TI_Ambient\C.PV_Out)

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SimKaltFilt U4Unit Einheit der Eingangsvariable 4 (Temperature\\TI_Ambient\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt U4LimScale Skalierung der Eingangsvariable 4 (Temperature\\TI_Ambient\PV_In.PV_OutScale)

SimKaltFilt U5 Eingangsvariable 5 (Temperature\\FI_Monomer\C.PV_Out)

SimKaltFilt U5Unit Einheit der Eingangsvariable 5 (Temperature\\FI_Monomer\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt U5LimScale Skalierung der Eingangsvariable 5 (Temperature\\FI_Monomer\PV_In.PV_OutScale)

SimKaltFilt U6 Eingangsvariable 6 (Temperature\\FI_Solvent\C.PV_Out)

SimKaltFilt U6Unit Einheit der Eingangsvariable 6 (Temperature\\FI_Solvent\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt U6LimScale Skalierung der Eingangsvariable 6 (Temperature\\FI_Solvent\PV_In.PV_OutScale)

SimKaltFilt U7 Eingangsvariable 7 (Sim_Process\\Sim_Temp\T_jinDelay.Out)

SimKaltFilt U7Unit Einheit der Eingangsvariable 7 (Temperature\\TIC_JacketIn\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt U7LimScale Skalierung der Eingangsvariable 7 (Temperature\\TIC_JacketIn\PV_In.PV_OutScale)

SimKaltFilt Y1 Ausgangsvariable 1 (Sim_Process\Sim_Reactor.Y1Filt)

SimKaltFilt Y1Unit Einheit der Ausgangsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt Y1LimScale Skalierung der Ausgangsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\PV_In.PV_OutScale)

SimKaltFilt Y2 Ausgangsvariable 2 (Sim_Process\Sim_Reactor.Y2Filt)

SimKaltFilt Y2Unit Einheit der Ausgangsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt Y2LimScale

Skalierung der Ausgangsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\PV_In. PV_OutScale)

SimKaltFilt X1Start Startwert der Zustandsvariable 1 (Temperature\\TI_Ambient\C.PV_Out)

SimKaltFilt X1Unit Einheit der Zustandsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt X1LimScale Skalierung der Zustandsvariable 1 (Temperature\\TIC_Reactor\PV_In.PV_OutScale)

SimKaltFilt X2Start Startwert der Zustandsvariable 2 (Temperature\\TI_Ambient\I.PV_Out)

SimKaltFilt X2Unit Einheit der Zustandsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\PV_In.PV_OutUnit)

SimKaltFilt X2LimScale

Skalierung der Zustandsvariable 2 (Temperature\\TIC_JacketOut\PV_In. PV_OutScale)

SimKaltFilt X3Unit 1088 Einheit der Zustandsvariable 3 in Kilogramm

SimKaltFilt X3LimScale.High 10 Oberer Skalierungsfaktor der Zustandsvariable 3


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SimKaltFilt X8Start 0.2 Startwert der Zustandsvariable 8

SimKaltFilt X8Unit 1999 Einheit der Zustandsvariable 8 (Spezielle Einheite)

SimKaltFilt R11 0.001 Diagonale Elemente der Kovarianz-Matrix für das Messrauschen R11

SimKaltFilt R22 0.001 Diagonale Elemente der Kovarianz-Matrix für das Messrauschen R22

SimKaltFilt LoadParam Load dat Laden der Parameter von dem FC

SimKaltFilt UserAna1 Analogwerteanzeige 1 (Sim_Process\\Sim_Reactor\SimKaltFilt.X1)

SimKaltFilt UA1Unit 1000 Einheit der Analogwerteanzeige 1 in Kelvin


SimKaltFilt UA2Unit 1000 Einheit der Analogwerteanzeige 2 in Kelvin


SimKaltFilt UA3Unit 1088 Einheit der Analogwerteanzeige 3 in Kilogramm










SimKaltFilt UA8Unit 1999 Einheit der Analogwerteanzeige 8 (Spezielle Einheite)

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5.6 Chargensteuerung "Recipe"

Die Chargensteuerung dient zur automatischen Initialisierung des PCS 7 Projekts und zum Durchlaufen der einzelnen Batch-Phasen im Reaktor. Des Weiteren können Rezeptparameter, wie die Reaktortemperatur und die Menge des zugeführten Monomers, vom Benutzer in der Operator Station eingestellt werden. Hierfür enthält der Hierarchieordner "Recipe" folgende Komponenten:

Ablaufsteuerung für eine Produktionscharge (SFC "Recipe")

Vorgabe der Parameter des Rezeptes (CFC "RecipeParam")

RecipeParam

Der CFC-Plan "RecipeParam" beinhaltet die Parameter des Rezeptes, die vom Benutzer in der Operator Station verändert werden können. Eine Übersicht über die Parameter ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Parameter Standardwert

Reaktortemperatursollwert 𝑇𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 355.0 K

Starttemperatur des Monomerzufuhr 𝑇𝑆𝑡𝑎𝑟𝑡𝐹𝑒𝑒𝑑 352.0 K

Gesamtmenge des Monomerzufuhr 𝑚𝑀𝑜𝑛𝑜𝑚𝑒𝑟𝑆𝑢𝑚 6.384 kg

1

2

3

1. Bedien- und Anzeigebaustein für den Sollwert der Reaktortemperatur

2. Bedien- und Anzeigebaustein für den Sollwert der Starttemperatur des Monomerzustrom

3. Bedien- und Anzeigebaustein für die Gesamtmenge des Monomerzustrom

Recipe

Der SFC „Recipe“ dient zum automatischen Durchlaufen eines Batch-Rezepts im Reaktor. Dafür werden zunächst die Temperaturregler im Automatikmodus gestartet und das Kalman-Filter initialisiert. Danach erhalten die Regler die für den Produktionsprozess relevanten Sollwerte und die Charge beginnt.

In der Ablaufkette werden folgende Schritte nacheinander durchgeführt:

1. Die Temperaturregler für Mantel und Reaktor werden gestartet und die Kaskade geschlossen. Dazu werden zuerst Heiz- und Kühlventil geschlossen und die beiden Regler in Nachführen genommen, dann zunächst der Folgeregelkreis und dann der Führungsregelkreis geschlossen.

2. Danach wird das Kalman-Filter initialisiert.

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3. Der Aufheizvorgang beginnt mit der Vorgabe des externen Sollwerts für die Reaktortemperatur aus dem Rezeptparameter „T_Reaction“. Die Temperatur steigt zunächst im Mantel steil an, mit einer gewissen Verzögerung folgt die Reaktor-Innentemperatur.

4. Die Dosierung von Monomer beginnt nach dem Erreichen der Grenztemperatur aus dem Rezeptparameter „T_StartFeed“.

5. Es wird so lange konstant Monomer zu dosiert, bis die im Rezeptparameter „m_MonomerSum“ spezifizierte Gesamtmenge erreicht ist.

6. Danach reagiert der Rohstoff komplett ab, bis er vollständig in Polymer umgewandelt ist.

7. Die Charge wird beendet, wenn kein Rohstoff mehr vorhanden ist. Zum Abschluss wird der Reaktor wieder heruntergekühlt.

Die Übergangsbedingungen prüfen jeweils, ob der davorliegende Schritt erfolgreich abgeschlossen worden ist.

Hinweis Der SFC ist als Anhaltspunkt zu verstehen und muss ggf. für den Einsatz an realen Anlagen modifiziert werden.

5.7 Prozesskennzahlen (KPI)

Der CFC-Plan "KPI" beinhaltet Kennzahlen, die den Bediener über die charakteristischen Leistungsmerkmale für die jeweilige Charge informieren. Folgende Kennzahlen werden ermittelt und in der Visualisierung angezeigt:

Chargen-Durchlaufzeit „Batch-Time“: Die Dauer für den Durchlauf einer Charge bestimmt den auf diesem Reaktor erzielbaren Durchsatz.

Maximale Temperatur „MaxT_Reactor“ im Reaktor: Die maximal während der Reaktion erreichte Temperatur ist ein Maß für die Güte der Temperaturregelung. Im Hinblick auf die Sicherheit der Anlage sind hierfür strikte Obergrenzen einzuhalten.

Die maximale während der Reaktion erforderliche Kühlleistung ist erkennbar am Minimum der Stellgröße „MinMV“ des Manteltemperaturreglers. Aus Sicherheitsgründen muss im Zusammenhang mit einer exothermen Reaktion immer eine gewisse Reserve-Kühlleistung vorgehalten werden, um in Notfällen ein „Durchgehen“ der Reaktion zu verhindern. Die verfügbare Kühlleistung begrenzt damit die im Reaktor erreichbare Reaktionsgeschwindigkeit, damit die freigesetzte Reaktionswärme noch abgeführt werden kann.

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Die Implementierung zur Erfassung der KPIs ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

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1. Ermittlung und Anzeige der Chargendauer

2. Ermittlung und Anzeige der maximalen Temperatur im Reaktor

3. Ermittlung und Anzeige der maximalen Kühlleistung

Die Ermittlung der Extremwerte für die KPIs wird in diesem Beispiel mit SelA02In-Bausteinen realisiert. Dazu wird der aktuelle Messwert mit dem Ausgabewert des letzten Abtastschritts verglichen, so dass der SelA02In-Baustein abhängig vom Eingangsparameter SelMode den Extremwert ausgibt. Bei der Verwendung des SelMode = 2 wird der Maximalwert und bei SelMode = 1 der Minimalwert ausgegeben. Um den Extremwert zurückzusetzten oder einzufrieren zu können wird die Schaltung um zwei weitere SelA02In-Bausteine erweitert. Das Rücksetzen erfolgt über das Aufschalten eines entgegengesetzten Extremwertes anstelle des ermittelten Extremwerts. Beim Einfrieren wird der Extremwert anstatt des aktuellen auf den Eingang des SelA02In-Bausteins geschaltet.

Als Alternative zur vorgestellten Lösung kann der Extremwert auch durch manuelle Auswertung der Archivdaten bestimmt werden.

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6 Wissenswertes

6.1 Grundlagen

6.1.1 R&I-Fließschema

Das folgende Bild zeigt die einzelnen Bestandteile eines Rührkesselreaktors im Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema.

TI

JacketOut

YC

Heat

TIC

Reactor

YC

Cool

TIC

JacketIn

Heizdampf

Kühlwasser

FI

Solvent

Ablauf

FI

Monomer

TI

Solvent

TI

Monomer

TI

Ambient

Zulauf

6.1.2 Rührkesselreaktor

Der Reaktor wird zur Herstellung verschiedener Polymere mit unterschiedlicher Rezeptur eingesetzt. Zu Beginn jeder Charge werden Wasser und eine bestimmte Menge Polymer in den Reaktor eingebracht und auf die vorgegebene Reaktionstemperatur erwärmt. Es folgen eine oder mehrere Dosierphasen, in denen Monomer mit definierten Massenfluss und konstanter Temperatur zugeführt wird. An jede Dosierphase schließt sich eine Abreaktionsphase an, während der die Reaktortemperatur konstant zu halten ist.

Die Temperatur des Reaktors kann während des Prozesses durch das Zu- oder Abführen von Wärme über den Kühlmantel des Reaktorgefäßes beeinflusst werden. Zum Heizen wird dem Kühlkreislauf über das Dampfventil Frischdampf zugeführt. Zum Kühlen wird über das Ablassventil heißes Wasser aus dem Kühlkreislauf abgelassen und über eine separate Mantel-Druck-Regelung kaltes Wasser eingespeist. Die Mantel-Druck-Regelung ist im R&I-Fließschema nicht dargestellt.

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Hinweis Im Hinblick auf das Heiz-/Kühlsystem von Reaktoren gibt es in der Praxis verschiedene Bauformen: Heizdampf kann direkt in den Mantel eingedüst oder über einen Wärmetauscher geführt werden, die Mantel-Druck-Regelung kann mechanisch oder elektrisch ausgeführt werden, der Mantelregler kann das Kühlwasser-Zulaufventil oder das Ablaufventil ansteuern, im Mantelkreislauf kann noch ein externer Wärmetauscher zur Steigerung der Kühlleistung eingebaut sein. Das grundsätzliche Verhalten der Temperaturregelung ist bei den verschiedenen Varianten zwar ähnlich, aber nicht genau gleich. Daher ist es in einer konkreten Applikation wichtig, im Modell für einen Soft-Sensor die tatsächlich vorliegende Form des Heiz/Kühlsystems in den Gleichungen realistisch abzubilden.

6.1.3 Temperaturführung

Die Wärmeproduktion im Reaktor steigt bei exothermen chemischen Reaktionen proportional zur Reaktionsgeschwindigkeit an. Abhängig vom chemischen Prozess und der Reaktionsphase ist entweder eine Abkühlung oder Erwärmung der Reaktanten (Temperaturführung) notwendig. Zur Temperaturführung wird der Mantel (Doppelmantel) des Rührkesselreaktors erwärmt oder abgekühlt. Der Wärmeübergang und die damit verbundenen Verzögerungszeiten sind dabei abhängig von der Stärke (Dicke) und Wärmeleitfähigkeit des Mantels sowie der Reaktorinnenwand. Durch die Bildung von Belägen ("Fouling") kann sich der Wärmeübergang im laufenden Anlagenbetrieb ändern.

6.1.4 Polymerisation

Die Polymerisation ist eines der bedeutendsten Syntheseverfahren zur Herstellung von Kunststoffen. Dabei lagern sich niedermolekulare, ungesättigte Verbindungen, die Monomere, in sehr großer Zahl kettenförmig aneinander und bilden so Polymermoleküle. Die zugrundeliegenden Polyreaktionen können durch das Monomer selbst ausgelöst werden (selbstinitiiert, thermisch), spontan (d.h. durch Einwirkung von Licht oder Spuren von Verunreinigungen) entstehen oder explizit durch Zugabe eines Initiators gestartet werden. Polymerisationsprozesse sind in der Regel exotherm, d.h. verlaufen unter Abgabe von Wärme.

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6.2 Details zum PCS 7 Projekt

6.2.1 Namenskonvention der CFC-Pläne

Für die Bezeichnung der Messstellen wurde eine einheitliche Namenskonvention verwendet, wobei die Funktion nach der Europäische Norm EN 62424 bezeichnet wird. Die folgende Abbildung zeigt, wie eine Messstellenbezeichnung zusammengesetzt ist:

TIC_JacketIn

Funktion

T = Temperatur(Erstbuchstabe)

I = Anzeige (Folgebuchstabe)

C = Regelung (Folgebuchstabe)

Bezeichnung

Die folgende Tabelle enthält alle im Anwendungsbeispiel verwendeten Buchstaben und deren Bedeutung:

Erstbuchstabe Bedeutung

F Durchfluss ("Flow")

L Füllstand ("Level")

N Motor

P Druck ("Pressure")

T Temperatur ("Temperature")

Y Stellventil

Folgebuchstabe Bedeutung

C Regelung ("Control")

I Anzeige ("Indication")

F Verhältnis ("Fraction")

S Binäre Steuerungsfunktion oder Schaltfunktion (nicht

sicherheitsrelevant) ("Switching")

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6.2.2 Technologische Sicht

Das Unit Template "Rührkesselreaktor mit Kalman-Filter" ist als Multiprojekt aufgebaut und in der technologischen Sicht in ein OS- und AS-Projekt strukturiert.

Im Hierarchieordner des OS-Projekts befinden sich alle Prozessbilder, während im AS-Projekt das Automatisierungsprogramm strukturiert abgelegt ist. Die folgende Abbildung zeigt die Struktur in der technologischen Sicht.

UnitTemplate_OS

UnitTemplate_AS

Reactor

Reactor

Reactor

PDL

AS - Projekt

OS - Projekt

Feed

CFC

FI_Monomer

CFC

FI_Solvent

CFC

TI_Monomer

CFC

TI_Solvent

KPI

CFC

KPI

Recipe

SFC

Recipe

CFC

RecipeParam

StateObserver

CFC

EKF_Lab

CFC

TI_Ambient

CFC

TI_JacketOut

Temperature

CFC

TIC_JacketIn

CFC

TIC_Reactor

CFC

YC_Cool

CFC

YC_Steam

Sim_Process

SimParameter

PDL

Sim_Process

CFC

Activate_Simulation

CFC

Sim_Parameter

CFC

Sim_Reactor

CFC

Sim_Temp

CFC

Sim_YC_Cool

CFC

Sim_YC_Heat

SFC

StartUpSim

CFC

Activate_FFD

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6.3 Prozess-Simulation

Die Aufgabe der Prozess-Simulation innerhalb des Templates besteht darin, die Funktionsweise des Templates insbesondere in Bezug auf das Kalman-Filter verstehen oder vorführen zu können. Im Gegensatz zu den meisten anderen Unit-Templates ist hier kein vereinfachtes lineares Verhaltensmodell des Prozesses hinterlegt, sondern es wird das komplette mechanistische Modell gemäß Kapitel 4 verwendet, weil nur dadurch das nichtlineare Verhalten über die verschiedenen Phasen der Chargensteuerung realitätsnah abgebildet werden kann.

Das physikalisch-chemische Modell des Reaktors ist in einer zweiten Instanz des Kalman-Filter Funktionsbausteins implementiert. Es entspricht im Wesentlichen dem im Soft-Sensor verwendeten Modell. Die Simulation der Mantel-Einlasstemperatur in Abhängigkeit der Stellgröße des Kaskaden-Folgereglers ist jedoch nicht im Kalman-Filter enthalten und wird daher separat im CFC implementiert. Der Wärmeübergang zwischen Reaktormantel und Reaktorinnenraum ist im Soft-Sensor ein unbekannter zeitvarianter Parameter 𝑝12, der als Pseudo-Zustand 𝑥8 online geschätzt wird. Im Simulator muss der

Wärmeübergang dagegen explizit berechnet werden.

Die verfügbaren Messgrößen sind die Reaktortemperatur 𝑇𝑅 und die Kühlmantel-Auslasstemperatur 𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡. Zur Simulation von Messrauschen werden beide Größen

mit weißem Rauschen mit einer Standardabweichung von 0,1°C überlagert.

6.3.1 Mantel-Einlasstemperatur

Die Dynamik der Kühlwasserkreislauf-Rückführung kann gemäß \10\ durch ein Totzeit-Verhalten beschrieben werden. Die Kühlmantel-Einlasstemperatur

𝑑𝑇𝑗𝑖𝑛(𝑡)

𝑑𝑡=𝑑𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡(𝑡 − 𝛩2)

𝑑𝑡+𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡(𝑡 − 𝛩2) − 𝑇𝑗𝑖𝑛(𝑡)

𝜏𝑝+𝐾𝑝(𝑡)

𝜏𝑝 (p1)

ergibt sich aufgrund der Zirkulation des Kühlmediums um die Totzeit 𝛩2 verzögerter und weist ein 𝑃𝑇1-verzögertes Einwirken um den Temperaturoffset 𝐾𝑝

auf. Wärmeverluste an die Umgebung bleiben auch hier unberücksichtigt.

Die Laufzeit des Kühlwassers in der Rückführung

𝛩2 =𝑚𝐶𝑅𝐿

��𝐶 (p2)

errechnet sich aus der Masse im Kühlmittelrücklauf 𝑚𝐶𝑅𝐿 und den Massenstrom

des Kühlmittels ��𝐶.

Der Temperaturoffset 𝐾𝑝 in der Gleichung für die Kühlmanteltemperatur

𝐾𝑝 =

{

0.8 ∙ 30

−(𝑐(𝑡)+50%50%

)∙ (𝑇𝑐𝑜𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡 − 𝑇𝑗𝑖𝑛) 𝑓ü𝑟 − 50% < 𝑐 < 0%

0 𝑓ü𝑟 𝑐 = 0%

0.15 ∙ 30(𝑐(𝑡)+50%50%

−2)∙ (𝑇𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 − 𝑇𝑗𝑖𝑛) 𝑓ü𝑟 0% < 𝑐 < 50%

(p3)

ist eine nichtlineare und nichtstetige Funktion des Reglerausgangs 𝑐. Für 𝑐 < 0% ist das Ablassventil geöffnet (Kühlmodus). Für 𝑐 > 0% hingegen wird das

Dampfventil angesprochen (Heizmodus).

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Die nachfolgende Abbildung stellt die Kennlinie für den Temperaturoffset 𝐾𝑝(𝑐) in

Abhängigkeit von der Stellgröße 𝑐 des Manteltemperaturreglers dar.

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50-40

-30

-20

-10

0

10

20

c [%]

Kp(c)

� / %

𝐾𝑝 𝑐

6.3.2 Wärmeübergang zwischen Reaktormantel und Reaktoinnenraum

Zur Berechnung des Wärmeübergangs ist eine Reihe von Rechenschritten aus dem Original-Modell erforderlich, die in einer separaten Kalman-Konfigurator-Sitzung *_Simulator.kf für das Simulationsmodell als zusätzliche algebraische Gleichungen (a5) bis (a9) ergänzt sind:

(a5) Wandtemperatur

(a6) Viskosität des Reaktorgemisches in unmittelbarer Nähe der Reaktorwand in Abhängigkeit von der Wandtemperatur

(a7) Effektiver Wärmedurchgangskoeffizient in Abhängigkeit von der Viskosität

(a8) Wärmeaustauschfläche in Abhängigkeit vom Füllstand

(a9) Wärmeübergang 𝑝12

In allen Zustandsgleichungen wird der unbekannte, zeitvariante Parameter 𝑝12 durch das Berechnungsergebnis (a9) ersetzt. Zu Vergleichszwecken wird der

Wärmeübergang vom Simulator als zusätzliche Ausgangsvariable 𝑧2 ausgegeben.

Im Simulationsmodell wird angenommen, dass es keinen Modellfehler gibt, und daher alle Elemente der Q-Matrix des Prozessrauschens auf null gesetzt, so dass kein Abgleich mit den nicht vorhandenen Messwerten stattfindet.

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6.3.3 Kalman-Konfigurator des Simulationsmodells

Die Kalman-Konfigurator Sitzung für das Simulationsmodell ist ähnlich der Sitzung des Zustandsbeobachters. Zusätzlich werden beim Simulationsmodell auch die algebraischen Gleichungen zur expliziten Berechnung des Wärmeübergangs verwendet. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Kalman-Konfigurator Sitzung des Simulationsmodells.

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6.4 Störgrößenaufschaltung

Eine Störgrößenaufschaltung ermöglicht eine Reaktion des Reglers auf eine Störung bevor die Wirkung der Störung am Ausgang des Prozesses erfassbar wird. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Regelgüte. Die Voraussetzung hierfür ist, dass eine bekannte Störung auf den Prozess einwirkt, deren Ursache gemessen werden kann.

Im Unit Template wirkt die Reaktionswärme 𝑄𝑅𝑒𝑎𝑐 als zusätzliche Größe auf die Reaktortemperatur. Um diesen Einfluss zu verringern wird die geschätzt Reaktionswärme 𝑄𝑅𝑒𝑎𝑐 vom Kalman-Filter für die Störgrößenaufschaltung auf den

Reaktortemperaturregler verwendet.

Die Übertragungsfunktion einer idealen Störgrößenaufschaltung 𝑐(𝑠) kann von der

Anforderung abgeleitet werden, dass die Auswirkung der Störung 𝑧 auf die Regelgröße 𝑦 = 𝑃𝑉 gleich Null sein soll für jedes beliebige Störsignal 𝑧(𝑠):

𝑔𝑧(𝑠) ∙ 𝑧 + 𝑐(𝑠) ∙ 𝑔(𝑠) ∙ 𝑧 = (𝑔𝑧(𝑠) ∙ 𝑐(𝑠) + 𝑔(𝑠)) ∙ 𝑧 = 0 (1)

Um diese Gleichung zu erfüllen, muss der Kompensations-Baustein die Gleichung

𝑐(𝑠) = −𝑔𝑧(𝑠)

𝑔(𝑠) (2)

so gut wie möglich approximieren.

Die Störübertragungsfunktion

𝑔𝑧(𝑠) =𝑦(𝑠)

𝑧(𝑠) (3)

muss bekannt sein und die Übertragungsfunktion

𝑔(𝑠) =𝑦(𝑠)

𝑢(𝑠), 𝑢 = 𝑀𝑉 (4)

invertiert werden.

In einigen Anwendungsfällen ist eine statische Kompensation in Form eines konstanten Übertragungsfaktors c ausreichend.

Hinweis Weitere Informationen finden Sie in Handbuch "SIMATIC Prozessleitsystem PCS 7 Advanced Process Library (V9.0)" im Kapitel 21.8" unterfolgendem Link: https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/view/109482346


6 Wissenswertes


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Zur Berechnung des stationären Kompensationsfaktors werden die zeitlichen Ableitungen aller Zustände gleich null gesetzt. Dadurch wird aus der ersten Zustandsgleichung die stationäre Wärme-Energiebilanz des Reaktor-Innenraums:

0 = ��𝑀𝑓𝑐𝑝𝑀(𝑇𝑀𝑓 − 𝑇𝑅) + ��𝑆𝑓𝑐𝑝𝑆(𝑇𝑆𝑓 − 𝑇𝑅) + 𝑅𝑝(−∆𝐻𝑅) − 𝑈𝐴(𝑇𝑅 − ��𝑗)

− 𝑈𝐴𝑙𝑜𝑠𝑠(𝑇𝑅 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (5)

Des Weiteren wird die stationäre Wärme-Energiebilanz des Reaktor-Mantels (zweite Zustandsgleichung)

0 = 𝑈𝐴(𝑇𝑅 − ��𝑗) − ��𝐶𝑐𝑝𝐶 (𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡(𝑡) − 𝑇𝑗𝑖𝑛(𝑡 − Θ1)) (6)

nach der Kühlmantel-Auslasstemperatur 𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡 aufgelöst und die gemittelte

Manteltemperatur 𝑇𝑗(𝑡) =𝑇𝑗𝑖𝑛+𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡

2 (a3) verwendet. Im stationären Zustand ist

𝑇𝑗𝑖𝑛(𝑡 − Θ1) = 𝑇𝑗𝑖𝑛(𝑡)

𝑇𝑗𝑜𝑢𝑡 =𝑈𝐴 (𝑇𝑅 − 0.5 𝑇𝑗𝑖𝑛) + ��𝐶 𝑐𝑝𝐶 𝑇𝑗𝑖𝑛

0.5 𝑈𝐴 + ��𝐶 𝑐𝑝𝐶 (7)

Wird (7) in die erste Zustandsgleichung eingesetzt, ergibt sich folgende Formel:

(��𝑀𝑓 𝑐𝑝𝑀 + ��𝑆𝑓 𝑐𝑝𝑆 + 𝑈𝐴 + 𝑈𝐴𝑙𝑜𝑠𝑠 −(𝑈𝐴)2

𝑈𝐴 + 2��𝐶 𝑐𝑝𝐶) ∙ 𝑇𝑅

= 𝑅𝑝(−∆𝐻𝑅) + UA Tjin

1 +−0.5 UA + mC �pC

0.5 UA + mC �pC

2.

(8)

Aus dieser Formel lassen sich die stationäre Verstärkung der Störübertragungsfunktion 𝑔𝑧 und der Hauptstrecke g berechnen. Hierfür werden die konstanten Terme auf der rechten Seite der Formel weggelassen, die weder von der Störgröße noch von der Stellgröße abhängen.

Für die Bestimmung der stationären Verstärkung 𝑔𝑧0 der Störübertragungsfunktion

auf die Reaktortemperatur wird der von der Störgröße 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑘 = 𝑅𝑝 ∙ (−∆𝐻𝑅 )

abhängige Teil der Formel nach 𝑇𝑅 aufgelöst:

𝑔𝑧0 =1

��𝑀𝑓𝑐𝑝𝑀 + ��𝑆𝑓𝑐𝑝𝑆 + 𝑈𝐴 + 𝑈𝐴𝑙𝑜𝑠𝑠 −𝑈𝐴

0.5 +��𝐶 𝑐𝑝𝐶𝑈𝐴

(9)

Analog zur Vorgehensweise für die stationäre Verstärkung der Störung kann die stationäre Verstärkung 𝑔0 von Reglerausgang auf die Reaktortemperatur

berechnet werden, indem der von der Kühlmantel-Einlasstemperatur 𝑇𝑗𝑖𝑛

abhängige Teil von Formel (8) nach 𝑇𝑅 aufgelöst wird.

𝑔0 =UA

1 +−0.5 UA +mC�pC0.5 UA +mC�pC

2

��𝑀𝑓𝑐𝑝𝑀 + ��𝑆𝑓𝑐𝑝𝑆 +𝑈𝐴 + 𝑈𝐴𝑙𝑜𝑠𝑠 −𝑈𝐴

0.5 +��𝐶 𝑐𝑝𝐶𝑈𝐴

. (10)

Mit (9) und (10) für die stationären Verstärkungen kann der stationäre

Verstärkungsfaktor 𝑐 für die Störgrößenaufschaltung

𝑐 = −𝑔𝑧𝑔= −

0.5 𝑈𝐴 + ��𝐶 𝑐𝑝𝐶

𝑈𝐴��𝐶 𝑐𝑝𝐶 (11)

berechnet werden.

7 Anhang


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7.1 Service und Support

Industry Online Support

Sie haben Fragen oder brauchen Unterstützung?

Über den Industry Online Support greifen Sie rund um die Uhr auf das gesamte Service und Support Know-how sowie auf unsere Dienstleistungen zu.

Der Industry Online Support ist die zentrale Adresse für Informationen zu unseren Produkten, Lösungen und Services.

Produktinformationen, Handbücher, Downloads, FAQs und Anwendungsbeispiele – alle Informationen sind mit wenigen Mausklicks erreichbar: https://support.industry.siemens.com

Technical Support

Der Technical Support von Siemens Industry unterstützt Sie schnell und kompetent bei allen technischen Anfragen mit einer Vielzahl maßgeschneiderter Angebote – von der Basisunterstützung bis hin zu individuellen Supportverträgen.

Anfragen an den Technical Support stellen Sie per Web-Formular: www.siemens.de/industry/supportrequest

SITRAIN – Training for Industry

Mit unseren weltweit verfügbaren Trainings für unsere Produkte und Lösungen unterstützen wir Sie mit innovativen Lernmethoden.

Mehr zu den angebotenen Trainings und Kursen sowie deren Standorte und Termine erfahren Sie unter: www.siemens.de/sitrain

Serviceangebot

Unser Serviceangebot umfasst folgendes:

Plant Data Services

Ersatzteilservices

Reparaturservices

Vor-Ort und Instandhaltungsservices

Retrofit- und Modernisierungsservices

Serviceprogramme und Verträge

Ausführliche Informationen zu unserem Serviceangebot finden Sie im Servicekatalog: https://support.industry.siemens.com/cs/sc

Industry Online Support App

Mit der App "Siemens Industry Online Support" erhalten Sie auch unterwegs die optimale Unterstützung. Die App ist für Apple iOS, Android und Windows Phone verfügbar: https://support.industry.siemens.com/cs/ww/de/sc/2067


http://www.siemens.de/industry/supportrequest

http://www.siemens.de/sitrain

https://support.industry.siemens.com/cs/sc

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7.2 Links und Literatur

Nr. Thema

\1\ Siemens Industry Online Support

https://support.industry.siemens.com

\2\ Link auf die Beitragsseite des Anwendungsbeispiels


\3\ SIMATIC PCS 7 Übersicht (Link-Sammlung zu FAQ, Handbüchern, Kompendium, Forum, Anwendungsbeispielen und Multimedia)


\4\ PCS 7 Unit Template am Beispiel der Chemischen Industrie "Rührkesselreaktor"


\5\ Technische Funktionen für PCS 7 am Beispiel der Chemischen Industrie


\6\ PCS 7 Unit Template am Beispiel der Chemischen Industrie "Fermenter"


\7\ PCS 7 Unit Template am Beispiel der Chemischen Industrie "Destillationskolonne"


\8\ PCS 7 Unit Template am Beispiel der Chemischen Industrie "Polymerisationsreaktor"


\9\ Wie beziehen Sie Dokumentationen zu PCS 7 (Inklusive der PCS 7 Manual Collection)?


\10\ Chylla, R. W.; Haase, D. R.: Temperature Control of Semibatch Polymerization Reactors. In: Computers & Chemical Engineering, Bd. 17, Nr. 3 (1993), S. 257-264. Corrigenda. In: Computers & Chemical Engineering, Bd. 17, Nr. 12 (1993), S. 1213.

\11\ SIMATIC Prozessleitsystem PCS 7 Advanced Process Library (V9.0)


7.3 Änderungsdokumentation

Version Datum Änderung

V1.0 06/2018 Erste Ausgabe











Documents

PCS 7 Unit Template am Beispiel der Chemischen Industrie · Pigmenten, Polymeren und Arzneimitteln verwendet und können im Batch-, Semi-Batch- oder Konti-Betrieb gefahren werden