Marktanalyse von Tools zum Reglertuning mit Ausrichtung auf die Anwendung
während der Anlageninbetriebnahme.
Referent: Martin ArensFachbereich ElektrotechnikFh-Trier
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Gliederung des Vortrags
Wie kam das Thema dieser Diplomarbeit zustande?
Begriffserklärung
Die am Markt verfügbaren Programme, bzw. deren Unternehmen
Vergleichkriterien der Programme
Ergebnis des Vergleiches
Vorgang der Optimierung beim Programm Rapid
Der Benefit von Optimierungsprogrammen
Anforderungen an die Optimierungsprogramme Regler und Regelstrukturen in der Praxis
Datenaustausch zwischen PLS und Optimierungsprogramm
Welche Regler stellt das PLS zur Verfügung
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Wie kam das Thema dieser Diplomarbeit zustande?
Projekt Pharmazeutische Anlage der Firma Boehringer Ingelheim
Honeywell stellt das Prozessleitsystem Experion PKS®
Honeywell und Lang & Peitler
• Implementierung der verfahrentechnischen Vorgaben
• zuständig für die Inbetriebnahme auf der Softwareseite
In der Anlage existieren ca. 800 Regler
Einstellung der Regelkreise Der Inbetriebnehmer benötigt Erfahrung mit der Einstellung von Reglerparametern
Vorgehensweise bei der Einstellung von Parameter
• Sprungantwort betrachten
• Parameter ändern
Der D-Anteil ist nur sehr schwer von Hand einzustellen
Aufgaben der Diplomarbeit Vergleich von Programmen zur Parametereinstellung
Einsatz während der Inbetriebnahme
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Begriffserklärung (1)
G (s)GR(S)w xye
z
Nomenklatur:
e : Regelabweichung, G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgröße GR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers
x : Regelgröße s : Laplaceoperatory : Stellgrößez : Störgröße
xwe
Der Regelkreis:
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Begriffserklärung (2)
ü
Mg
M
0
0,1
0,1
t
c(t)
Ts
Tr
M *( 1-ε)g
M
pt
Tr : Anstiegszeit, die Zeit bis zum erstmaligen
erreichen des Wertes Mg*(1-ε)
Ts : Ausregelzeit, die Zeit bis zum endgültigen
verharren innerhalb des TodbandesM0 : Wert der Regelgröße vor dem Sprung
Mg : Wert der Führungsgröße nach einem
SprungMpt : Wert für die maximale Regelgröße
ü : Überschwingweite : Definiert die Breite des Todbandes um
die Führungsgrößeε : Definiert den Wert der Regelgröße,
um die Anstiegszeit zu ermitteln.
Sprungantwort:
Reaktion der Regelgröße auf eine sprunghafte Änderung der Führungsgröße.
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Anforderungen an das Optimierungsprogramm
Standardregler Zwei- und Dreipunktregler
P-, PI-, PD- und PID-Regler
Verschaltungen von Standardreglern Kaskadenschaltung
Störgrößen- und Hilfsgrößenaufschaltung
Split-Rang-Regelungen
Feedforward Regelung
Weitere Regelstrukturen und Reglerkonzepte Fuzzy Control
Smith Predictor
Zustandstraumregelung
Adaptive bzw. Predictive Regler
Regler und Reglerstrukturen in der Praxis
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Welche Regler stellt das PLS zur Verfügung
Reglerstrukturen des PLS
Prozessleitsystem Experion PKS® von der Firma Honeywell
Standart PID-Regler
Anforderungen an das Optimierungsprogramm
Das Prozessleitsystem, PLS
PID-Regler, bei dem der D-Anteil von der Regelgröße abhängt
PID-Regler, bei dem der D-Anteil und P-Anteil von der Regelgröße abhängt
I-Regler
P-Regler
Alle vorher genannten Regler können auch als Feedforward realisiert werden
ERP
MES
PLS
SPS / Apparatesteuerung
Unternehmensleitebene
Produktionsleitebene
Prozessleitebene
Feldebene
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Datenaustausch zwischen PLS und Optimierungsprogramm
OPC
Import von ASCII-Dateien
Objekt Linking and Embedding for Process Control
Standart zum Datenaustausch zwischen Industriesteuerungen und Anwenderprogrammen
Datenaustausch erfolgt über die COM-Schnittstelle.
OPC-Server und OPC-Client
Für die Inbetriebnahme geeignet, da direkter Datenzugriff möglich ist
American Standard Code for Information Interchange
128 bzw. 256 Zeichen,
Daten werden durch unterschiedliche Separatoren getrennt
• Tabulatoren
• Kommata
• Leerzeichen
• Semikolon
Zur Verarbeitung von archivierten Daten geeignet
Anforderungen an das Optimierungsprogramm
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Anforderungen an de Optimierungsprogramme
Datenaustausch über eine OPC-Schnittstelle
Sollte einen Feedforward Algorithmus berechnen können
Simulationsumgebung um die Ermittelten Parameter zu testen
Möglichst in kurzer Zeit bestmögliche Parameter berechnen
Einfache Bedienbarkeit für den Inbetriebnehmer
Berechnung der Parameter für unterschiedliche Regelstrukturen Integrierendes Verhalten
Selbstregulierendes Verhalten
Berechnung der Parameter für einen P-Regler
PI-Regler
PID-Regler
Festlegung der Art der Optimierung Führungs- oder Störgrößenänderung
Optimierungsverfahren
Angaben zur Ausregelzeit oder Überschwingweite
Daraus resultieren folgende Anforderungen
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Die am Markt verfügbaren Programme, bzw. deren Unternehmen
TOPAS
PROTUNER™
RSTune
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Vergleichskriterien der Programme
Datenakquisition
Optimierungseigenschaften der Programme
Vergleich von berechneten Parametern
simulierten Regelstrecken
Daten von einer realen Anlage
Simulatoren der Programme
Handhabung der Programme
Dokumentation der Optimierung
Preis
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Vorläufiges Ergebnisse des Vergleichs
Vorteile
Nachteile
Kann immer nur drei Signale über OPC aufzeichnen
Bietet dem Benutzer viele Möglichkeiten in die Modellbildung und Optimierung einzugreifen
• größerer Zeitaufwand
• Kenntnisse über die Parametrierungsmöglichkeiten
Einfache Bedienbarkeit des Programms
Viele Möglichkeit die Optimierung zu beeinflussen
Konnte alle simulierten Regelstrecken identifizieren
Kann verschiedene Berechnung von Parametersätzen miteinander vergleich
Übersichtlicher Report
Die Parameter der simulierten Strecken entsprachen fast immer den, welche ein gutes Regelverhalten erzeugen
Datenakquisition über Exceltabellen möglich
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Funktionsweise der Optimierung beim Programm Rapid (1)
Eingabe der allgemeinen Angaben über den Regelkreis Festlegung der Reglerstruktur
Definition der Messbereiche
Führungs- oder Störgrößenänderungen
Festlegung der Abtastzeit
Datenakquisition
Import von Daten aus einer Datei
• Text-, Excel-Dateien, Matlab-Files und Access-Datenbanken
• Zuordnung der Spalten, aus der Datei
Regel-, Stell- und Führungsgröße
OPC: Messstellenbezeichnung F-1311-761.PIDA.PV
Akquirierte Daten können geändert werden
Identifikation der Regelstrecke generiert automatisch ein Modell 1. oder 2. Ordnung
Totzeit, Pole und Nullstellen können angepasst werden
Suchfunktion für komplexere Modelle
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Funktionsweise der Optimierung beim Programm Rapid (2)
Berechnung der Regelparameter Vorgabe der Überschwingweite
Optimierung nach einem Gütemaß
Berechnung streckenspezifischer Daten
• Anstiegszeit
• Ausregelzeit
• Überschwingweite
Simulation von Führungs- und Störgrößen
Gegenüberstellung von unterschiedlichen Parametersätzen
Robustheit der Parameter kann verändert werden
Modell Bewertung Mit neuen Parametern einen Sprung in der realen Anlage erzeugen
Erneutes Aufzeichnen dieser Daten
Vergleich Modell und reale Regelstrecken
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Der Benefit eines Optimierungsprogramms
Lang und Peitler
Anlagenbetreiber
Verbesserte Regeleigenschaften
• kürzere Ausregelzeiten
• Schneller Abarbeitung von Schrittketten
• Schnellere Produktion möglich
geringerer Verschleiß von Stellgliedern
• größere Wartungsintervalle
Sparen von Ressourcen
Beschleunigung der Inbetriebnahme
Verkauf von zusätzlicher Engineering Leistung
Kundenzufriedenheit kann steigen
16
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
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Blockschaltbild eines PID-Regler
G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgrößex : Regelgröße
G (s)w x
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Auswahl geeigneter Regler für den Einsatz in der Praxis
P I PI PD PID
Proportional - ++ ++ - ++
1. Ordnung ++ + ++ + ++
2. Ordnung + + - ++ / ++
n. Ordnung + - - ++ + ++
PTuTg + - ++ + ++
dominante Totzeit - ++ ++ - +
Integral ++ - ++ + ++
Doppelt Integral - - - ++ -
ohne Verzugszeit ++ - ++ / ++
mit Verzugszeit + - ++ / ++
Regler
Streckenverhalten
mit
Aus
glei
choh
ne
Aus
glei
ch
- : ungeeignet für Regelung, da Instabilität+ - : nur bedingt einsetzbar,
ausreichendes Ergebnis + : geeignet für eine Regelung++ : gut geeignet für eine Regelung : am besten geeignete Regler
für dieses Problem / : keine Informationen in der
Literatur gefunden
PTuTg : Proportionales (P) Streckenverhalten mit
Verzugszeit (Tu) und Ausgleichzeit (Tg)
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Blockschaltbild einer Kaskadenschaltung
xwz
wH y
xH
G (s)GR(S)1 GR(S)2
G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s)1 : Übertragungsfunktion des ersten Reglers
GR(s)2 : Übertragungsfunktion des zweiten Reglers
w : Führungsgrößex : Regelgrößey : Stellgrößez : Störgröße xH : Hilfsregelgröße
wH : Hilfsführungsgröße, Führungsgröße des Hilfsreglers
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Blockschaltbild eines Regelkreise mit Störgrößenaufschaltung
w x
z
y G (s)GR(S)
GZ(s)
G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers
Gz(s) : Übertragungsfunktion der Störung
x : Regelgrößey : Stellgrößez : Störgröße w : Führungsgröße
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Blockschaltbild eines Regelkreise mit Hilfsgrößenaufschaltung
GR(S) G (s)w xz
y
xH
G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers
x : Regelgrößey : Stellgrößez : Störgröße w : FührungsgrößexH : Hilfsregelgröße
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Blockschaltbild einer Feedforward-Regelung
w xz
yGR(S) G (s)
Feedforward
G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers
x : Regelgrößey : Stellgrößez : Störgröße w : Führungsgröße
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Blockschaltbild eines Smith Predictors
GR(S) G (s)
e -Tt*sG (s)
e -Tt*sw x
G(s) : Übertragungsfunktion der StreckeGR(s) : Übertragungsfunktion des Reglers
x : Regelgrößew : FührungsgrößeTt : Totzeit
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Standart PID-Regler (EQA)
G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgrößex : Regelgröße T1 : NachstellzeitT2 : Vorhaltezeita : Konstanter Faktor kleiner einsa * T2 : T0 Zeitkonstante
)(*)
*1
11(*
2
2
1
1 WXsTa
sT
sTLKXÜbertragungsfunktion:
G (s)w x
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PI D-Regler (EQB)
G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgrößex : Regelgröße T1 : NachstellzeitT2 : Vorhaltezeita : Konstanter Faktor kleiner einsa * T2 : T0 Zeitkonstante
Übertragungsfunktion:
)*)
11(*)
*1
11(*
12
2
1
1 WsT
XsTa
sT
sTLKX
G (s)w x
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I PD-Regler (EQC)
G(s) : Übertragungsfunktion der Streckew : Führungsgrößex : Regelgröße T1 : NachstellzeitT2 : Vorhaltezeita : Konstanter Faktor kleiner einsa * T2 : T0 Zeitkonstante
Übertragungsfunktion:
)*)
1(*)
*1
11(*
12
2
1
1 SPPssT
XsTa
sT
sTLKX
G (s)w x
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Datenakquisition
ProgrammeOPC
VerbindungASCII
DateienExcel
Tabellen Matlab Dateien
ACCESS Datenbank
Control Station --- ja --- --- ---
Loop Optimizer ja ja --- --- ---
Protune ja ja --- --- ---
Rapid ja ja ja ja ja
Topas --- ja --- --- ---
TuneWizard ja ja --- --- ---
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Vergleich bei simulierten Strecken
Reglerparameter Einheit RaPID ProtuneControl Station
Loop Optimizer
Tune Wizard
TOPAS
Verstärkung - 1.94 2.05 1.98 0.26 1.23 4.10
Nachstellzeit min 0.35 0.34 0.34 0.20 0.23 0.32
Vorhaltezeit min 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
statistische Werte
Anstiegszeit s 19.5 18.0 19.0 120.5 26.0 10.5
Ausregelzeit s 29.5 32.0 32.0 140.5 74.0 80.5
Überschwingweite % 1.9 4.2 3.1 0.2 8.5 53.8
se
ssG *5*
1*20
1
Übertragungsfunktion der Strecke:
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Vergleich bei Simulierten Strecken
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
5
10
15
Anstiegszeit = 19.5 sAusregelzeit = 29.5 s
Überschw ingw eite = 1.9 %
SP
[l/m
in]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
5
10
15
20
25
K = 1.96I = 0.35 minD = 0 min
t [s]
OP
[%
]
30
Preise der Programme
ProgrammeKomplettes
ProgrammpaketOptimierungs-
umgebungDownlaod im
Internet
Control Station 895 $ 495 $
Loop Optimizer 6,300 € 3,800 €
Protune 6.375 $
Rapid 3,300 €
Topas 2,000 €
TuneWizard 7.500 $
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Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!