Allgemein

Schwierige Prozesse in den Griff bekommen

PCD2.M487 von Saia-Burgess
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Fertigungsprozesse, die sich sehr langsam verändern, die nicht linear sind oder bei denen schon geringfügig veränderte Sollgrößen zu erheblichen Abweichungen führen, erfordern eine äußerst präzise Regelung. Während herkömmliche PID-Regler hier an ihre Grenzen stoßen, können adaptive Regler bei diesen Anwendungen ihre Vorteile ausspielen. Denn im Gegensatz zu den PID- Typen, die auf feste Parametersätze zurückgreifen, arbeiten sie mit einem umfangreich getesteten Prozessmodell.

Die Wettbewerbsfähigkeit eines produzierenden Unternehmens hängt wesentlich von der Fähigkeit ab, die Herstellung der Produkte mit gleichbleibender Qualität zu gewährleisten. Die Einhaltung der geforderten Qualität ist die Grundvoraussetzung dafür, die Produkte überhaupt zu vermarkten, die Reduzierung von Ausschuss ermöglicht die kostengünstige Produktion. Dabei müssen alle Maßnahmen mit einem optimierten Kosten/Nutzen Verhältnis erzielt werden.

Je besser ein Prozess beherrscht wird, desto besser ist die Qualität der Ergebnisse. Wer die Prozesse beherrscht, erzielt (fast) automatisch gute Ergebnisse. Dieser grundsätzliche Ansatz der DIN ISO 9001:2000 gilt für alle unterschiedlichen Prozesse in einem Betrieb. In der automatisierten Produktion sind Steuerungen und Regelungen für diese Aufgabe zuständig.
Langsame Prozesse sind besonders kritisch
Der klassische PID-Regler, der nach wie vor in den meisten Fällen zum Einsatz kommt, hat den systembedingten Nachteil, dass sein Ergebnis von Erfahrungen aus der Vergangenheit abhängt. Die relevanten Parameter werden fest eingegeben, Störgrößen, die damit nicht abgedeckt sind, werden erst durch negative Auswirkungen auf den Prozess erkennbar. In der Praxis führt dies typischerweise zu Änderungen an den Einstellungen bis hin zu Situationen, in denen eigentlich automatisierte Anlagen manuell gefahren werden. Besonders kritisch ist das bei sehr langsamen Prozessen, also dort, wo Einflüsse erst mit erheblicher Verzögerung sichtbar werden, oder auch bei nicht-linearen Prozessen.
Diese Situation, die insbesondere in der Chemischen Industrie häufig anzutreffen ist, hat die Firma i.p.a.s.-systeme dazu bewogen, einen adaptiven Regler zu entwickeln. Der Adco-Regler (Adaptiver Controller) passt sich automatisch allen auf den Prozess einwirkenden Änderungen an. Grundlage des Adco-Reglers ist das sogenannte Square Root Information Filter Verfahren (SRIF), auch bekannt unter der Bezeichnung Discrete Square Root Filtering (DSRF). Während der Phase der Adaption errechnet der Regler ein Modell des zu regelnden Prozesses, indem er den Einfluss von Sollwert-Änderungen und Störgrößen auswertet (Prozessidentifikation). Durch die provozierten Abweichungen lernt er, wie der Prozess reagiert und kann dadurch Prozessverhalten vorhersagen.
Ausgiebige Tests garantieren genaue Prozessmodelle
Um zu verhindern, dass der Regler ein Modell annimmt, das nicht optimal im Hinblick auf die Regelgüte ist, wird das entstandene Prozessmodell umfangreich getestet (Prozessvalidierung), bevor die geeignete Stellgröße ermittelt wird (Reglersynthese). Die Vielzahl der berücksichtigten Parameter und die Genauigkeit bei der Modellüberwachung sichern die Überlegenheit des Adco-Reglers gegenüber herkömmlichen PID-Reglern.
Adco-Regler werden seit vielen Jahren in unterschiedlichen Anlagen genutzt. Bei einem französischen Automobilhersteller konnte damit zum Beispiel eine kritische Aufgabenstellung nachhaltig gelöst werden, die mit einem klassischen PID-Regler nur unzureichend beherrscht wurde. Beim Einkleben der Frontscheibe in ein Fahrzeug müssen Temperatur und Viskosität des Klebers sowie Anpressdruck exakt aufeinander eingestellt sein. Bereits geringfügige Schwankungen der Umgebungstemperatur, der Luftfeuchtigkeit und des Luftdruckes führen zu erheblichen Prozessabweichungen. Der Einfluss einer schlecht eingebauten Frontscheibe auf die Gesamtqualität des Fahrzeugs bedarf keiner gesonderten Erwähnung!
Nicht nur in der Chemischen Industrie stellt die Neutralisierung von Abwässern eine besondere Herausforderung an die Regelungstechnik dar. Ein pH-Wert Regler hat starke Schwankungen in der Menge und im pH-Wert des anfallenden Abwassers auszuregeln. Darüber hinaus ist der zulässige Bereich des pH-Werts sehr eng, wobei die Kennlinie der Regelstrecke nicht-linear ist. Auch hier kann der Adco-Regler uneingeschränkt überzeugen, was sich bereits in zahlreichen verfahrenstechnischen Anlagen gezeigt hat.
Viele Parameter verlangen hohe Rechenleistung
Die Vorteile eines adaptiven Reglers kommen insbesondere bei Prozessen zur Geltung, in denen viele Parameter berücksichtigt werden müssen. Dies stellt an die verwendete Steuerung hohe Anforderungen an Rechenleistung und Verarbeitungsgeschwindigkeit. Der Adco-Regler ist als Step7-Funktionsbaustein für die Siemens-Steuerungen der Baureihen S7 318 und S7 400 geschrieben worden. Hohe Hardwarekosten standen der weiten Verbreitung dieser Regler bisher im Wege.
Ausführliche Tests und praktische Erfahrungen in realisierten Anlagen haben gezeigt, dass die Software als Step7-Funktionsbaustein ohne Einschränkungen auch auf Saia-Burgess-Steuerungen der Baureihen PCD2.xx7 lauffähig ist. In einem konkreten Anwendungsfall wur de eine S7 318 gegen ein PCD2.M487 getauscht. Der Adco-Regler lieferte unter identischen Bedingungen eine auf die Hälfte reduzierte Verarbeitungszeit. Und das bei einer Kosteneinsparung von rund 65%.
Der Step7-Funktionsbaustein „Adco-Regler“ kann in das Betriebssystem der Saia PCD integriert werden, um es gegen Auslesen und Kopieren aber auch vor nicht berechtigten Manipulationen zu schützen. Auf der höchsten wählbaren Sicherheitsebene wird der Funktionsbaustein sogar in compilierter Form im Betriebssystem hinterlegt. Damit liegt das Programm nicht mehr in Step7-Codierung vor, sondern ist Bestandteil der Firmware der Steuerung geworden. Positiver Nebeneffekt ist die Tatsache, dass Programmbausteine, die als Betriebssystemerweiterung realisiert werden, im Speicher des Betriebssystems abgelegt werden. Der Arbeitsspeicher der Steuerung wird dadurch nicht belastet und steht uneingeschränkt für die Anwendung zur Verfügung.
Wirtschaftliche Vorteile durch schnellere Inbetriebnahme
In den letzten Jahren sind die Entscheidungen, neue Anlagen zu erstellen oder bestehende Anlagen zu modernisieren, oftmals aufgeschoben oder zumindest verspätet getroffen worden. Neben der schwachen konjunkturellen Lage und der Unsicherheit über die weitere ökonomische Entwicklung sind hier auch die Auswirkungen des Basel II Abkommens spürbar. Unternehmen, die nicht in der Lage sind, entsprechende Investitionen aus eigener Kraft zu schultern, treffen zur Zeit auf sehr zurückhaltende Gesprächspartner bei den Banken. Während ein Unternehmen bis zum Anlauf der neuen oder erneuerten Produktionsanlage warten muss, ehe die notwendigen Investitionen beginnen sich zu amortisieren, belasten die Kosten dafür bereits in der Entstehungsphase das laufende wirtschaftliche Ergebnis.
Wenn eine Anlage ihren störungsfreien Betrieb mit der geforderten Verfügbarkeit schneller aufnehmen kann, setzt der Kapitalrückfluss ebenfalls schneller ein. Der beschriebene Adco-Regler hat in der Praxis gezeigt, dass sich bei der Inbetriebnahme 10 bis 20% Zeitersparnis bezogen auf die gesamte Inbetriebnahmezeit für eine Anlage gegenüber herkömmlichen Lösungen erzielen lassen. Bei einer komplexen Produktionsanlage in der Chemischen Industrie kann dies eine Einsparung von mehreren Tagen bedeuten. Neben dem dadurch reduzierten Aufwand für die Inbetriebnahme spart die Firma auch die Zinskosten für das investierte Kapital. Bei einer Investitionssumme von 50 Mio. ® und einem angenommenen Zinssatz von 8% bedeutet jeder Tag, der früher produziert wird, eine Einsparung von rund 11 000 ® allein bei den Zinsen.
eA 453

eA-INFO-TIPP
Weitere Informationen zu den beschriebenen Adco-Reglern finden Sie unter:
Wer sich für die theoretischen Grundlagen adaptiver Regelungen interessiert, dem bietet das Dokument www.zid.tuwien.ac.at/projekte/1997/97–328–1.pdf weitergehende Informationen. Dort wird die Entwicklung eines Algorithmus für adaptive Regler in einem geschlossenen Regelkreis beschrieben.
Typische Anwendungen für adaptive Regler sind nicht-lineare Systeme. Die mathematischen Grundlagen solcher Systeme und ihre Regelung beschreibt das Dokument:
esr.e-technik.uni-dortmund.de/ Downloads/FuzzyControl/Folien/ Nichtlineare%20Systeme.pdf

praxis plus
Da klassische PID-Regler mit fest eingebenen Parametersätzen arbeiten, haben sie den Nachteil, dass Störgrößen, die dadurch nicht abgedeckt sind, erst durch negative Auswirkungen auf den Prozess erkannt werden. Adaptive Regler basieren dagegen auf einem ausgiebig getesteten Modell des Prozesses und können daher besser das Prozessverhalten auf Störgrößen und Sollwert-Änderungen vorhersagen. In Prozessen mit vielen Parametern, für die sich adaptive Regler besonders eignen, werden hohe Anforderungen an die Rechenleistung gestellt. Der beschriebene Adco-Regler ist daher als Step7-Funktionsbaustein geschrieben worden und ist neben den Siemens-Steuerungen S7 318 und S7 400 auch auf Baureihe PCD2.xx7 von Saia-Burgess lauffähig.
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