24. Lunch & Learn 21.02.2014 Kolonnenregelung Praxisbeispiele und APC siemens.com/answers
Einleitung 2 Advanced Process Control (APC) 5 Tipps und Tricks 17 Seite 2
Prozessregelungsmethoden Seite 3 Manuelle Prozessregelung P-, PI-, PID-Regler Split-Range Regelung Kaskadenregelung Störgrößenaufschaltung Fuzzy Control Gain Scheduling Mehrgrößenregelung (MPC) Adaptive Regelung Trajektorenregelung Modellgestützte Regelung Modellbasierte Messungen Statistische Modelle Softsensors Neuronale Netze Optimierung mit Prozessmodellen Konventionelle Methoden Advanced Process Control (APC) Online Optimierung
Einleitung 3 Advanced Process Control (APC) 4 Mehrgrößenregelung 5 Modellgestützte Regelung 10 Tipps und Tricks 17 Seite 4
Model Predictive Control (MPC) Mehrgrößenregelung Konventionelle Regelung PID-Regler Single Input Single Output (SISO) Stellgrößen Störungen Prozess Regelgrößen PID PID PID SP SP SP Seite 5
Model Predictive Control (MPC) Mehrgrößenregelung Model Predictive Control (MPC) Störungen Modell Multiple Input Multiple Output (MIMO) Stellgrößen Prozess Regelgrößen Predictive Modell Regler Sollwerte gemessene Regelgröße Sollwert Berechnete Regelgröße Stellgröße Berechnete Stellgröße Vergangenheit Zukunft Zeit Seite 6
Model Predictive Control (MPC) Mehrgrößenregelung bei Kolonnen Wann ist die Anwendung von MPC 1 sinnvoll? Bei verkoppelten Systemen: eine Stellgröße beeinflusst mehrere Regelgrößen, z.b. Rücklauf beeinflusst Kopfreinheit aber auch Sumpfreinheit Bei langen Antwortzeiten/Totzeiten: bedingt durch großes Volumen bei Kolonnen Seite 7 1 Model Predictive Control
Beispielprojekt: MPC Projekt in Phenolanlage Ausgangssituation Ungeregelte Produktkonzentration einer Destillationskolonne Stellgrößen: Heizdampfmenge Rücklaufmenge Wassereinspeisung Sumpf Ziel Produktkonzentration regeln Sumpftemperatur regeln Energie einsparen (Dampf) Hilfsstoffe einsparen Ergebnisse Erhöhte Automatisierung Vergleichmäßigte Fahrweise Einsparung von Dampf und Hilfsstoffen TI QR APC (MPC) Modell Seite 8
Beispielprojekt: MPC Projekt in Phenolanlage Vorher: ungeregelte Produktkonzentration Konzentration [%] [Tage] Nachher: Produktkonzentration zu 95 % innerhalb der Spezifikation Konzentration [%] Veröffentlichung: Siemens ProcessNews 1/2006, Seite 10ff Seite 9 [Tage]
Modellgestützte Regelung Modellgestützte Regelung am Beispiel einer Extraktivdestillation Seite 10
Extraktivdestillation Grundlagen Einsatzgebiet: Trennung eng-siedender Stoffgemische (A und B) Trennung von Stoffgemischen (A und B) mit Azeotropen Funktionsweise Zugabe eines Extraktionsmittels (E) Verschieben/Aufheben des Azeotropes oder Auflösen des geringen Siedepunktunterschieds Trennen von A und E+B und Trennen von B und E A+B E B+E A B Seite 11 E
Extraktivdestillation Funktionsweise Phasengleichgewicht Konzentration ohne Verdünnung, Extraktionsmittel Azeotrop Kopfreinheit fl. Phase 50 20 Gew.-% Seite 12
Extraktivdestillation Fahrweise und Auswirkung von Störungen E A off spec A+B B B+E Seite 13 E
Extraktivdestillation Fahrweise und Auswirkung von Störungen Höhere Extraktionsmittelmenge A+B E A Höherer Rücklauf als notwendig B B+E Zu hoher Energieverbrauch Seite 14 E
Extraktivdestillation Modellgestützte Kolonnenregelung Stat. Prozessmodell ungeregelt Durch die Kombination aus Auslegungsmodell und herkömmlicher PID-Regelung (feed backward) können die Auswirkungen von Störungen vorhergesagt und besser ausgeregelt werden (feed forward). Feed-Konzentration Produkt Antwort PID Regelung Modelbasierte Regelung Störung Temperatur ( C) Seite 15 Zeit
Einleitung 3 Advanced Process Control (APC) 5 Tipps und Tricks 16 Reboilerregelung 17 Störgrößenaufschaltung 19 Regelung eines Kolonnensystems 21 Seite 16
Praxisbeispiel: Reboiler-Regelung Aufgabe: Regelung der Temperatur im Abtriebsteil Schwierigkeit: leichte Schwankungen im Dampfdruck Folge: Schwankungen in der Kolonne TIC Lösung: Kaskadenreglung mit Temperatur als Führungsregler Durchfluss als Folgeregler Seite 17
Praxisbeispiel: Störgrößenaufschaltung Störgrößenaufschaltung: weitere Messgröße wird auf den Ausgang eines Reglers geschaltet Vorteil: vorhandenes Prozesswissen wird in die Basis-Regelung mit eingebunden FI Seite 18
Praxisbeispiel: Störgrößenaufschaltung an Kolonne mit MPC Siemens Laborkolonne Seite 19
Praxisbeispiel: Störgrößenaufschaltung an Kolonne mit MPC 92 MPC mit Störgröße Konventioneller PID MPC ohne Störgröße 91 CV1 [ C] 90 89 88 0 2000 0,5 4000 1 6000 1,5 8000 2 10000 2,5 12000 3 14000 3,5 [h] [s] CV2 MV2 DV MV1 [%] ; [kg/h] [ C] 117 116 115 114 113 112 111 110 0 2000 0,5 4000 1 6000 1,5 8000 2 10000 2,5 12000 3 14000 3,5 [s] [h] 70 60 50 40 30 unkoordinierte MVs 20 0 2000 0,5 4000 1 6000 1,5 8000 2 10000 2,5 12000 3 14000 3,5 [h] [s] Seite 20
Praxisbeispiel: Kolonnenregelung Problem: Konventionelle Regelung kann Kolonnensystem nicht regeln. Schwankungen bis zum Zusammenbruch der Destillation TIC TIC Seite 21
Praxisbeispiel: Kolonnenregelung Problem: Konventionelle Regelung kann Kolonnensystem nicht regeln. Schwankungen bis zum Zusammenbruch der Destillation TIC TIC Seite 22
Praxisbeispiel: Kolonnenregelung Problem: Konventionelle Regelung kann Kolonnensystem nicht regeln. Schwankungen bis zum Zusammenbruch der Destillation TIC TIC Seite 23
Praxisbeispiel: Kolonnenregelung Problem: Konventionelle Regelung kann Kolonnensystem nicht regeln. Schwankungen bis zum Zusammenbruch der Destillation Lösung: Füllstandregelung für Pufferbehälter verändern. Pufferbehälter nicht Strich fahren! TIC Fazit: APC muss nicht immer sein! TIC Seite 24
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Lead Consultant I IA AS PA EC PD Industriepark Höchst Gebäude B598 Telefon: +49 69 797 84747 E-Mail: michael.schueler@siemens.com siemens.com/answers Seite 25