Angewandte Regelung und Optimierung in der ... - uni-stuttgart
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Alexan<strong>der</strong> Horch, WS 2011-12<br />
<strong>Angewandte</strong> <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />
12. Zusammenfassung für die Prüfung<br />
© A.Horch<br />
SS 2010 | Slide 1
Inhalt <strong>der</strong> Vorlesung<br />
Module<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 3<br />
1. E<strong>in</strong>führung - Prozessleittechnik<br />
<strong>und</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />
2. <strong>Optimierung</strong>sprojekte -<br />
Wirtschaftliche Motivation<br />
3. PID <strong>Regelung</strong> - nach dem<br />
Design kommt die<br />
Überwachung<br />
4. Anlagenweite Störungsüberwachung<br />
- Detektivarbeit<br />
5. Standards <strong>und</strong> Schnittstellen –<br />
Lösung vs. Werkzeuge<br />
6. Nichtl<strong>in</strong>eare MPC - Optimale<br />
Kesselanfahrt <strong>in</strong><br />
Dampfkraftwerken<br />
Prüfung<br />
Datum: 15. Februar 2012<br />
Raum: xxx<br />
Assistent: Mart<strong>in</strong> Löhn<strong>in</strong>g, IST<br />
7. Modell-basierte <strong>Regelung</strong> -<br />
Dickenregelung <strong>in</strong><br />
Walzanlagen<br />
8. Model-prädiktive <strong>Regelung</strong> von<br />
Drehöfen <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Zement<strong>in</strong>dustrie<br />
9. Kohlemühlenregelgung <strong>in</strong><br />
Kraftwerken<br />
10. <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong> auf<br />
Ölplattformen<br />
11. Produktionsplanung im<br />
Stahlwerk<br />
12. Zusammenfassung <strong>und</strong><br />
Wie<strong>der</strong>holung<br />
Gr<strong>und</strong>lagen<br />
Überwachung<br />
Anwendungen
Allgeme<strong>in</strong>e Themen<br />
• Prozessleittechnik<br />
• Projektvaluierung<br />
• Regelkreisüberwachung<br />
• Standards<br />
• Pr<strong>in</strong>zipien <strong>und</strong> Vorgehen bei <strong>der</strong> gehobenen <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong><br />
<strong>Optimierung</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />
• Allgeme<strong>in</strong>e Eigenschaften von (e<strong>in</strong>igen) Prozess<strong>in</strong>dustrien<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 4
Spezielle Themen<br />
• Prozesse, spezifische Fragestellungen, Charakteristika<br />
• Prozess<strong>in</strong>dustrien <strong>und</strong> Prozesse im Speziellen<br />
• Fossile Dampfkraftwerke (Kessel, Kohlemühle)<br />
• Metallherstellung (Stahlwerk, Kaltwalzwerk)<br />
• Zementherstellung<br />
• Öl- <strong>und</strong> Gas<strong>in</strong>dustrie<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 5
Was nicht Thema <strong>der</strong> Prüfung ist<br />
• Firmenspezifika<br />
• Spezielle Werkzeuge<br />
• Spezielle Standards <strong>und</strong> Details<br />
• Spezielle Methoden <strong>der</strong> Reglerüberwachung<br />
• <strong>Regelung</strong>stechnische Verfahren, die im Detail Stoff von<br />
an<strong>der</strong>en Vorlesungen s<strong>in</strong>d<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 6
Inhalt <strong>der</strong> Vorlesung<br />
E<strong>in</strong>führung (M1)<br />
• Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />
• Charakteristika<br />
• Def<strong>in</strong>itionen<br />
• Beispiele Prozessleittechnik<br />
• Komponenten<br />
• Automatisierungspyramide<br />
• Realisierung von Reglern<br />
• PID Regler<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 7
Inhalt <strong>der</strong> Vorlesung<br />
Valuierung (M2)<br />
• Gr<strong>und</strong>begriffe <strong>der</strong> BWL<br />
• NPV Berechnung<br />
• Werttreiberbaum<br />
• ökonomische Bewertung von Verbesserungsprojekten<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 8
Inhalt <strong>der</strong> Vorlesung<br />
Reglerüberwachung (M3)<br />
• Problemstellung<br />
• Vorgehen<br />
• Typische Probleme <strong>in</strong> Regelkreisen<br />
• E<strong>in</strong>ige e<strong>in</strong>fache Diagnosemöglichkeiten<br />
• Gründe für Schw<strong>in</strong>gungen <strong>in</strong> Regelkreisen<br />
• Stiktion<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 9
Inhalt <strong>der</strong> Vorlesung<br />
Anlagenweite Störungen (M4)<br />
• Problemstellung<br />
• Gr<strong>und</strong>sätzliche Lösungsmöglichkeiten<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 10
Inhalt <strong>der</strong> Vorlesung<br />
Standards (M5)<br />
• Feldbusse<br />
• E<strong>in</strong>ige wichtige Standards <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong><br />
Automatisierungspyramide (OPC, Feldbuss, ISA S95,<br />
IEC61131, …)<br />
• Nur gr<strong>und</strong>legendes Wissen, ke<strong>in</strong>e Details.<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 11
Inhalt <strong>der</strong> Vorlesung<br />
Anwendungen (M6-M11) Allgeme<strong>in</strong><br />
• Herstellungsprozesse<br />
• Dampfkraftwerk (Kessel, Kohlemühle)<br />
• Zementherstellung, Drehofen<br />
• Metallherstellung (Stahlwerk, Walzwerk)<br />
• Öl- <strong>und</strong> Gasför<strong>der</strong>ung <strong>und</strong> -verarbeitung<br />
• Spezifische Probleme <strong>und</strong> Herausfor<strong>der</strong>ungen <strong>in</strong> den<br />
e<strong>in</strong>zelnen Industrien<br />
• Typische Anfor<strong>der</strong>ungen an <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong> <strong>in</strong><br />
den speziellen Industrien<br />
• Lösungsmöglichkeiten für typische Probleme<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 12
Inhalt <strong>der</strong> Vorlesung<br />
Modell-basierte <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
• Modellbildung<br />
• L<strong>in</strong>eare <strong>und</strong> Nichtl<strong>in</strong>eare Modell-Prädiktive <strong>Regelung</strong><br />
• Arten von Modellen <strong>und</strong> E<strong>in</strong>satzbereiche<br />
• Validierung / Schätzung<br />
• Zustandsschätzung<br />
• Mov<strong>in</strong>g Horizon Estimation<br />
• Extended Kalman Filter<br />
• Parameterschätzung<br />
• <strong>Regelung</strong> & <strong>Optimierung</strong><br />
• Überlagerte PID <strong>Regelung</strong>en / Ga<strong>in</strong> schedul<strong>in</strong>g / Vorsteuerung<br />
• Mehrgrössenregler (MPC)<br />
• Entkoppelung<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 13
Realisierung von MPC<br />
E<strong>in</strong>bettung <strong>in</strong> die Automationslandschaft<br />
(statische Opt.)<br />
(dynamische Opt.)<br />
Source: Dittmar & Pfeiffer, 2006<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 14<br />
MPC – Model predictive control
Gehobene <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
1. Problembeschreibung<br />
• Welches Problem soll gelöst werden?<br />
• Welche Lösungsmöglichkeiten werden gesehen?<br />
• Wirtschaftlichkeitsbetrachtung e<strong>in</strong>er möglichen Lösung?<br />
• Im Detail<br />
• Kann die gewünschte Verbesserung gemessen<br />
werden?<br />
• Was s<strong>in</strong>d E<strong>in</strong>flussgrößen?<br />
• Können diese E<strong>in</strong>flussgrößen bee<strong>in</strong>flusst werden?<br />
• Welche Freiheitsgrade exisitieren?<br />
• Ist das formulierte Problem wirklich das eigentliche<br />
Problem?<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 15
Gehobene <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
2. Modellbildung<br />
• Sehr abhängig vom konkreten Problem:<br />
• l<strong>in</strong>ear – nichtl<strong>in</strong>ear<br />
• zeitvariant – zeit<strong>in</strong>variant<br />
• physikalisch (white) – mathematisch (black-box)<br />
• Datenmodell – Physikalisches Modell<br />
• F<strong>in</strong>ite Elemente Modelle – Makroskopische Modelle<br />
• Kont<strong>in</strong>uierlich – diskret<br />
• Dynamisch – statisch<br />
• Meist s<strong>in</strong>d Modelle für ähnliche Zwecke bereits vorhanden<br />
• Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit ist heute von zentraler Bedeutung!<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 16
Gehobene <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
3. Messwerte <strong>und</strong> Modellverifizierung<br />
• Das vorhandene Modell muss an die Wirklichkeit<br />
angepasst werden:<br />
• S<strong>in</strong>d die wesentlichen Effekte modelliert?<br />
• Können die Parameter beschafft / geschätzt werden?<br />
• Ist das Modell steuerbar / beobachtbar?<br />
• Ist das Modell zu komplex / zu e<strong>in</strong>fach?<br />
• Welche Größen können gemessen werden?<br />
• Welche Zustände müssen geschätzt werden?<br />
• Verfügbarkeit von (guten) Messwerten<br />
• Vergleich von Messwerten mit Simulationswerten<br />
• Modelldokumentation (Modelle s<strong>in</strong>d Investitionen!)<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 17
Gehobene <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
4. <strong>Regelung</strong>- / <strong>Optimierung</strong>sproblem<br />
• Mathematische (Standard-) Formulierung des<br />
<strong>Optimierung</strong>sproblems<br />
• Simulation des gesamten <strong>Optimierung</strong>sproblemes <strong>in</strong>klusive<br />
Zustands- <strong>und</strong> Parameterschätzung<br />
• Wird e<strong>in</strong>e s<strong>in</strong>nvolle Lösung <strong>in</strong> akzeptabler Zeit<br />
gef<strong>und</strong>en?<br />
• Wird <strong>in</strong> jedem Fall e<strong>in</strong>e Lösung gef<strong>und</strong>en?<br />
• Ist die Lösung besser als <strong>der</strong> Status Quo?<br />
• Untersuchung aller auftretenden Anfangszustände<br />
• Abschätzung <strong>der</strong> (theoretischen) Verbesserung<br />
• Verallgeme<strong>in</strong>erbarkeit gegeben?<br />
© ABB Group<br />
SS 2010 | Slide 18
Gehobene <strong>Regelung</strong> <strong>und</strong> <strong>Optimierung</strong><br />
5. Implementierung & Pilotierung<br />
• Anpassung des allgeme<strong>in</strong>en Lösung an e<strong>in</strong>e spezielle<br />
Pilotanwendung<br />
• u.U. mit speziellen Anfor<strong>der</strong>ungen<br />
• Enge Komm<strong>uni</strong>kation mit Anlagenfahrern <strong>und</strong><br />
Produktionsverantwortlichen<br />
• Konzept zur E<strong>in</strong>bettung <strong>in</strong> die Automatisierungslandschaft<br />
• Datenqualität <strong>und</strong> Datenquellen gewährleisten<br />
• Sprungfreie Umschaltung <strong>der</strong> neuen Lösung realisieren<br />
• Vergleichsfall def<strong>in</strong>ieren<br />
• H<strong>in</strong>- <strong>und</strong> Herschalten zum Vergleichen <strong>und</strong> Testen<br />
© ABB Group<br />
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