Einfach mehr Effizienz im Anlagenbetrieb mit Advanced Process Control (APC) Integration von APC in SIMATIC PCS 7 SIMATIC PCS 7. Answers for industry.

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1 Einfach mehr Effizienz im Anlagenbetrieb mit Advanced Process Control (APC) Integration von APC in SIMATIC PCS 7 SIMATIC PCS 7 Answers for industry.

2 Moderne Regelungstechnik in der industrie Als Antwort auf den immer härter werdenden globalen Wettbewerb ist es für die industrie unerlässlich, ihre Produktionsprozesse permanent zu optimieren. Vor diesem Hintergrund wird der Ruf nach innovativen Strategien für die effiziente führung und damit den effizienten Anlagenbetrieb immer lauter. Advanced Process Control Regelungskonzepte in der industrie basieren heute fast ausschließlich auf PID-Reglern. Sie lassen sich zwar einfach implementieren und problemlos in das Leitsystem integrieren, stoßen bei höherer Komplexität jedoch schnell an ihre Grenzen. Neue Möglichkeiten eröffnet Advanced Process Control (APC). Mit APC lassen sich selbst komplexe Zusammenhänge von parametern bzw. -variablen mathematisch beschreiben und für einen automatischen und flexiblen Anlagenbetrieb nutzen. Dabei steht APC für eine führung, die den Einsatz von Energie und Rohstoffen deutlich verringern kann, die konstante Einhaltung hoher Qualitätsanforderungen ermöglicht und zu einer flexibleren Produktion beiträgt. Integrierter Hebel für mehr Effizienz Bislang stand APC in dem Ruf, teuer und kompliziert zu sein. Mit seinem innovativen leitsystem SIMATIC PCS 7 zeigt Siemens, dass es auch anders geht dass sich selbst anspruchsvolle APC-Anwendungen einfach und kosteneffizient umsetzen lassen. Zum Lieferumfang von SIMATIC PCS 7 gehört eine Standardbibliothek mit zahlreichen höherwertigen Regelungen für APC-Funktionen, die einen Großteil der gehobenen Regelungsaufgaben in der industrie abdecken. Das erschließt dem Anwender auf einfache Weise den Zugang zu diesen höherwertigen Funktionen ohne Mehrkosten. Die Regelbausteine werden ausgiebig getestet und fortlaufend gepflegt, Optimierungen über Updates weitergegeben. So erhalten Anwender über den gesamten Lebenszyklus hinweg Unterstützung für diese Regler. 2 Darüber hinaus bieten wir weitere gehobene Regelungsfunktionen für spezielle Anforderungen als Add-ons, die sich nahtlos in das leitsystem integrieren lassen.

3 Intelligente Anlagenoptimierung inklusive Vorteile auf einen Blick Standardabweichungen werden minimiert (typischerweise um bis zu 200 %) und lassen sich im Bedarfsfall schneller ausregeln Die Ausbeute wird erhöht (typischerweise um 2 bis 10 %) Durchsatz wird deutlich gesteigert (typischerweise um 1 bis 5 %) bei konstanter Produktqualität Energieverbrauch wird deutlich reduziert (typischerweise um 3 bis 10 %) ebenso wie der Rohstoffeinsatz Manuelle Eingriffe sind signifikant seltener erforderlich das führt zu einer spürbaren Reduzierung der Operator-Belastung Übergänge zwischen verschiedenen Arbeitspunkten werden optimiert, d. h. schnellerer Arbeitspunkt-Wechsel und geringere Produktions-Fehlzeit Lebensdauer der Anlage wird mit der bestehenden Automatisierung erhöht bei gleichzeitig weniger Instandhaltungsaufwand Das verständnis wird dank Modellierung und Prädiktion verbessert Die Standardbibliothek unseres leitsystems SIMATIC PCS 7 beinhaltet zahlreiche Musterlösungen für gehobene Regelungsfunktionen. Diese bilden die ideale Basis, um APC- Methoden höchst effizient einzusetzen auch bereits bei kleineren und mittleren Anlagen. Einfach und wirtschaftlich Mit unserem wegweisenden Konzept profitieren Anwender in jeder Hinsicht: Der bei herkömmlichen Methoden anfallende Investitionsaufwand erübrigt sich und die Projektierung der APC- Funktionen lässt sich denkbar einfach und ohne fremde Hilfe durchführen für eine Fülle von Anwendungen. Dazu gehören: die Regelung von Reaktoren, Destillationskolonnen und gekoppelten Systemen, die Steuerung von Anfahr-, Last- und Produktwechselvorgängen etc. In jedem Fall bietet der Einsatz unserer gehobenen Regelungsfunktionen eine Fülle von Vorteilen: Unerwünschte Schwankungen bei kritischen größen lassen sich drastisch reduzieren, Rohstoffeinsatz und Energieverbrauch spürbar senken und das bei einer Reduzierung der Operator-Belastung. Damit nicht genug: Denn Anwender erzielen gleichzeitig eine erhebliche Steigerung von Durchsatz und Produktqualität. Sofort einsatzbereit Ein echtes Highlight bei den in SIMATIC PCS 7 integrierten APC-Funktionen ist die problemorientierte Vorgehensweise: Anhand einer vorhandenen Regelungsaufgabe werden der passende Messstellentyp aus der Bibliothek benutzt sowie Parameter vergeben und hochgeladen. Sollte dieser standardisierte APC-Messstellentyp nicht der Regelungsaufgabe entsprechen, lässt er sich einfach modifizieren durch seine Offenheit, geordnete Struktur und gute Dokumentation. 3

4 Modularer Baukasten zur Umsetzung von APC-Funktionen Als langjähriger Partner der industrie unterstützt Siemens Sie dabei, die Effizienz Ihrer Anlagen mit möglichst wenig Aufwand zu steigern. Aus diesem Grund haben wir in der Standardbibliothek von SIMATIC PCS 7 bereits zahlreiche höherwertige Regelungsfunktionen integriert. Darüber hinaus bieten wir zahlreiche gehobene Regelungsfunktionen für spezielle Anforderungen anders als Drittanbieter, deren APC-Methoden über Schnittstellen an das Leitsystem angebunden werden. Diese Add-ons können separat erworben werden und fügen sich nahtlos in SIMATIC PCS 7 ein.... bereits integriert in die Standard-Bibliothek von SIMATIC PCS 7 Neben zahlreichen Standard-Messstellentypen für technologische Funktionen wie z. B. für die Überwachung von Messwerten oder die Ansteuerung von Ventilen oder Motoren sind selbstverständlich auch Messstellentypen (Templates) für grundlegende Regelungsfunktionen in der Standard-Bibliothek enthalten wie: PID-Regelung Kaskadenregelung (Cascade Loop Control) Split-Range Regelung Verhältnisregelung (Ratio Control) Darüber hinaus sind im Standard aber auch höherwertige Regelungsfunktionen ohne Aufpreis verfügbar wie: Gesteuerte Adaption (Gain Scheduling) Ablösende Regelung (Override Control) Dynamische Störgrößenaufschaltung (Lead-Lag Feed-Forward Control) PID Tuning Überwachung der Regelungsgüte (Control Performance Monitoring) Smith Prädiktor (Smith Predictor) Modellbasierte Prädiktive Mehrgrößenregelung (Model-based Predictive Control)... als Add-on-Produkte nahtlos in SIMATIC PCS 7 integriert Fuzzy Control Soft Sensor Operator Training Simulator 4

5 Gesteuerte Adaption (Gain-Scheduling) Geeignet für nicht-lineare e Zur Verfügung stehen 3 komplette Parametersätze für 3 Arbeitspunkte - ph-regelung (Neutralisierung) mit nicht-linearer Titrations-Kurve - Temperatur-Regelung von Heizkesseln - Batch-e mit chemischen Reaktionen (nicht-lineare Reaktionskinetik) - - PID - Regler 1 (z.b. FIC) PID - Regler 2 (z.b. PIC) Entscheidungs- Logik Ablösende Regelung (Override Control) Zwei (oder mehrere) Regler teilen sich ein gemeinsames Stellglied Zugriff auf Stellglied wird anhand des -Zustandes entschieden - Primäre größe: Durchfluss-Regelung - Sekundäre größe: Druckbegrenzung (wegen Sicherheit) Dynamische Störgrößenaufschaltung (Lead-Lag / Feed-Forward Control) Störgröße - Kompensation C(s ) PID Regler Stör-Übertragungsfkt. Stellgröße g(s) Istwert Zur Kompensation bekannter, starker Störungen, deren Ursache messbar ist und die auf den Regelkreis einwirken Kompensation greift ein, bevor sich die Störung sehr negativ auswirken kann Fertiges Template (CFC-Plan) auf Basis von Standard-Bausteinen - Temperaturregelung an einem Industrieofen (Störgröße: Durchfluss) - Konzentrationsregelung in einem Rührkesselreaktor (Störgröße: Zulaufkonzentration) PID Tuning PID Tuner PID Regler - Stellgröße Regler- Parameter Istwert Optimierung von PID-Regelkreisen Anwendbar für Standard PID-Regler und auch für andere Bausteine aus anwenderspezifischen Bibliotheken Simulation von geschlossenen Regelkreisen Applikations-Beispiel: - Optimierung der Regelparameter von PID-Reglern (in beliebigen Anwendungen) 5

6 Überwachung der Regelungsgüte (Control Performance Monitoring) - Control Performance Index PID Regler ConPerMon Stellgröße Istwert Online-Überwachung der Regelgüte Identifikation von Regelkreisen in einer Anlage: - die mit höchster Dringlichkeit optimiert werden sollten - bei denen sich Fehler anbahnen Konfigurierbare Alarmgrenzen für Standardabweichung und Überschwinger ermöglichen die vorbeugende Instandhaltung und schnelle Lokalisierung von Störungen Grafische Auswertung Applikations-Beispiel: - Großanlagen mit vielen Regelkreisen, z. B. Raffinerie Smith-Prädiktor - - PID Regler Stellgröße g(s) Modell g m (s) e s Totzeit e s - Istwert Für e mit langen Totzeiten, die bekannt und (in der Regel) konstant sind. Konzept Internal Model Control - -Modell läuft parallel zum realen - Totzeitfreier, virtueller Istwert wird dem modell entnommen und auf den Regler rückgeführt - Abweichung von Modell-Ausgang und real gemessenem Istwert wird ebenfalls rückgeführt PI(D)-Reglerentwurf - Geht vom totzeitfreien Teil des modells aus - Liefert deutlich präzisere Reglereinstellung - Polymerisation - Regelung von Analysenwerten (aufgrund der Analysen-Totzeit) Modellbasierte Prädiktivregelung (MPC) 6 DV1 ModPreCon MV1 MV2 G(1,d) G(1,1) G(2,1) G(1,2) G(2,2) G(2,d) CV1 CV2 Leistungsfähigste APC-Funktion Skalierbare MPC-Applikationen - bis zu 4 x 4: interner ( lean ) MPC - mehr als 4 x 4: externer full-blown MPC Schlank und easy to use, braucht weder Kommunikations- Überwachung noch Backup-Strategien - 2 x 2-Anwendungen: Zweistoff-Destillation, Papierherstellung, Zweitank-System - 3 x 2-Anwendungen: Stahl-Bleichprozess - 3 x 3-Anwendungen: Schlaufenreaktor, Verdampfer, Destillationskolonne - 3 x 4-Anwendungen: Zementmühle - 4 x 4-Anwendungen: Dreistoff-Destillation, Flüssiggasverdampfer, Ofen mit 4 Brennern

7 Ein Beispiel aus der Praxis: MPC in vier Schritten projektieren Welche Vorteile die problemorientierte Vorgehensweise bietet, lässt sich am besten anhand eines Beispiels veranschaulichen hier anhand des modellbasierten prädiktiven Reglers (MPC): Der schlanke Mehrgrößen-MPC verarbeitet bis zu vier Stell- und Regelgrößen sowie eine messbare Störgröße in einem Standard-Funktionsbaustein. Zur vollständigen Projektierung dieses Reglers sind lediglich vier Schritte notwendig: Schritt 1: Funktionsbaustein implementieren Die Implementierung erfolgt ganz einfach per Drag & Drop: Im SIMATIC Manager, der zentralen Projektverwaltung, den MPC-Baustein aus der Bibliothek in den CFC-Plan ziehen und verschalten und SIMATIC PCS 7 generiert automatisch den Bedienbaustein sowie sämtliche Meldungen. Schritt 2: Sprungversuch durchführen Im so genannten Sprungversuch lernt der Regler automatisch die Anlagendynamik kennen: Auf einen wird ein Einheitssprung gegeben. Durch die Verzögerung des es lässt sich mathematisch ableiten, wie das Verhalten beeinflusst wird. Die Reaktion wird im Trenddisplay angezeigt. Auf diesen Kurvenverlauf wird ein mathematisches Verfahren angewendet, das daraus ein Modell generiert. Schritt 3: Modellierung mit wenigen Klicks Die Hierarchie der Regel- und Stellgrößen wird mit wenigen Handgriffen erstellt. Dabei entscheidet die Gewichtung der Parameter darüber, ob der MPC eher aggressiv oder konservativ konfiguriert ist. Schritt 4: Übersetzen und ins laufende System laden Per Knopfdruck erfolgt die Erzeugung des modellierten Bausteins, der abschließend in die laufende Anlage geladen und getestet wird. Jetzt steht dem Operator ein funktionsfähiger modellprädiktiver Regler zur Verfügung, der sich über einen automatisch generierten Bildbaustein (Faceplate) bedienen lässt. 7

8 Siemens AG Industry Sector Industry Automation Postfach NÜRNBERG DEUTSCHLAND Änderungen vorbehalten 09/08 Bestell-Nr.: E20001-A220-P280 Dispostelle /15666 MK.AS.PS.XXXX WS Gedruckt in Deutschland Siemens AG 2008 Die Informationen in dieser Broschüre ent halten lediglich allgemeine Beschreib ungen bzw. Leistungs merk male, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungs merkmale sind nur dann ver bindlich, wenn sie bei Vertrags schluss ausdrück lich ver einbart werden. Alle Erzeugnisbezeich nungen können Marken oder Erzeugnis namen der Siemens AG oder anderer, zu liefern der Unternehmen sein, deren Benutzung durch Dritte für deren Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann.