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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungssystem für einen
industriellen Prozess, und insbesondere die Einstellung eines Prozessregelkreises.
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Grundlagen
der Erfindung
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In
industriellen Prozessen wie bei der Zellstoff- und Papierverarbeitung,
der Refinermahlung, der petrochemischen und chemischen Industrie
werden Materialflüsse
in Prozessen mittels einer Vielzahl von in dem Rohrleitungssystem
einer Anlage angeordneten Regelungsventilen gesteuert bzw. geregelt. Der
Materialfluss kann dabei jedes beliebige fließende (strömende) Material, wie Fluide,
Schlämme, Flüssigkeiten,
Gase und Dämpfe
umfassen. In der einfachsten Konfiguration kann das Regelungsventil ein
manuell einstellbares mechanisches Ventil sein. Im Allgemeinen wird
jedoch eine automatische Steuerung (Regelung) des Ventils verwendet,
so dass das Regelungsventil häufig
mit einer Ventilregelungseinrichtung und einem Betätigungsglied
ausgestattet ist. Die Ventilregelungseinrichtung und das Betätigungsglied stellen
die Position des Regelungsventils (beispielsweise die Öffnung des
Ventils) in Abhängigkeit von
einer Regelungseingabe (beispielsweise eine pneumatische oder elektrische
Regelungseingabe) von dem Prozessregelungssystem ein. Die Ventilregelungseinrichtung
kann ebenfalls als Ventilpositioniereinrichtung bezeichnet werden.
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1 zeigt ein funktionales
Blockschaltbild eines Regelungsventils. Eine Ventilregelungs- bzw. -steuerungseinrichtung
(d.h. eine Positioniereinrichtung) 10 steuert bzw. regelt
die Ventilbewegung/Ventilposition (h) mit Hilfe eines durch ein
Betätigungsglied 11 erzeugten
Drehmoments. Die Positionsinformation (h) wird von dem Betätigungsglied 11 oder
einem Regelungsventil 12 zu einem Addierer am Eingang der
Ventilregelungseinrichtung 10 zurückgeführt. Der Betrieb der Ventilregelungseinrichtung
beruht im Wesentlichen auf einem Fehler (e) zwischen dem Eingangssignal
(Regelungssignal der Prozessregelungseinrichtung) und der Position
(h). Die Ventilregelungseinrichtung 10 wird betrieben zur
Verminderung des Fehlers mittels eines Regelalgorithmus, wie eines
Zustands- oder PID-Algorithmus. Der Regelungsalgorithmus ist auf
jedes Regelungsventil zugeschnitten und kann bei Bedarf während des
Betriebes oder der Installation eingestellt werden. Die Einstellung
kann dabei beispielsweise die Änderung
der Verstärkungsparameter
umfassen. In der Ventilregelungseinrichtung 10 ist es ebenfalls
möglich,
eine oder mehrere zusätzliche
Rückkopplungen
zu verwenden, wie beispielsweise eine Geschwindigkeitsrückkopplung
und eine Druckrückkopplung
eines Betätigungszylinders,
zur Erzielung eines ausgeglichenen und genaueren Ventilpositionierungs-Regelungs-
bzw. -Regelungsvorgangs. Bei spielsweise können die Verstärkungsparameter
der Regelungsalgorithmen in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des Ventils geändert werden. Eine Ventilregelungseinrichtung,
ein Betätigungsglied
und ein Ventil sind üblicherweise
in Form eines Feldgeräts
integriert angeordnet.
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2 zeigt ein typisches Modell
eines Prozessregelkreises, der ein Steuerungs- bzw. Regelungsventil 22 steuert
und damit einen Materialfluß in dem
Prozess. Ein industrieller Prozess kann dabei Hunderte von Regelungsventilen
und jeweilige Prozessregelkreise umfassen. Der Prozessregelkreis umfasst
eine Prozessregelungseinrichtung 21 mit einem Regelungsalgorithmus,
der dem Regelventil 22 ein Regelungssignal Pc1 in
Abhängigkeit
von einem Einstellwert (beispielsweise aus einem Computer eines
Steuerungsraums) und einer gemessenen Prozessvariablen zuführt. Der
Regelalgorithmus kann ein beliebiger, in Regelungssystemen verwendeter Algorithmus
wie beispielsweise ein PID-Algorithmus sein. Das Regelsignal Pc1, das in das Regelventil 22 eingegeben
wird, regelt die Ventilposition, die Ventilbewegung und auf diese
Weise den Materialfluß in dem
Prozess. Eine gewünschte
Prozessvariable wird mittels eines Messübertragers 24 gemessen
und mit einem Einstellwert derselben Prozessvariablen verglichen
zur Bildung eines Fehlersignals e2, das in die Prozessregelungseinrichtung
eingegeben wird. Die Prozessregelungsfunktion dient zur Minimierung
des Regelungsfehlers. Der Prozessregelungsfehler ist typischerweise
verursacht durch Einstellpunktänderungen
und Prozessstörungen.
Regelungsfehler können nicht
vollständig
infolge von Zeitverzögerungen
in den Prozessen und den Feldgeräten
beseitigt werden. Ferner ist die Genauigkeit bei Messungen und der
Regelung begrenzt. Nach der Installation wird die Prozessregelungseinrichtung 21 derart
eingestellt, dass sie so gut wie möglich in unterschiedlichen
Prozessbelastungssituationen und bei unterschiedlichen Betriebspunkten
arbeitet. Die Einstellung wird üblicherweise
in der Weise ausgeführt,
dass Störungen in
dem Prozess erzeugt werden und eine Messung erfolgt, wie gut die
Prozessregelungseinrichtung diese Störungen behandelt.
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Bekanntermaßen wird
eine Ventilregelungseinrichtung oder eine Feldgeräteregelungseinrichtung
alleine und unabhängig
von der Prozessregelungseinrichtung eingestellt. Diese bekannte
Art der Einstellung bildet jedoch kein optimales Einstellungsverfahren,
da tatsächlich
eine Wechselwirkung zwischen zwei Regelungseinrichtungen besteht.
Die Erfinder haben beobachtet, dass eine Ventilregelungseinrichtung,
die vom Standpunkt des Ventils optimal eingestellt ist, eine verschlechterte
Leistungsfähigkeit
als Prozessregelungseinrichtung aufweisen kann. Andererseits bewirkt
eine Einstellung der Prozessregelung möglicherweise eine Verschlechterung der
Leistungsfähigkeit
einer "optimal" eingestellten Ventilregelungseinrichtung.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Einstellverfahren
und ein Einstellsystem bereitzustellen, die eine optimale Leistungsfähigkeit eines
Prozessregelkreises gewährleisten.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen
eines Prozessregelkreises zur Steuerung eines Materialflusses innerhalb
eines industriellen Prozesses, wobei der Prozessregelkreis eine
Prozessregelungseinrichtung, eine Feldgerätregelungseinrichtung, ein
Feldgerät, eine
erste Rückkoppelung
von dem Feldgerät
zu der Feldgeräteregelungseinrichtung,
den industriellen Prozess und Einrichtungen zum Messen einer Prozessvariablen
in dem Prozess und zum Bereitstellen einer zweiten Rückkopplung
von dem Prozess zu der Prozessregelungseinrichtung aufweist, wobei
das Verfahren die Schritte umfasst
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Einstellen der Prozessregelungseinrichtung,
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Feineinstellen
der Feldgeräteregelungseinrichtung
und der Prozessregelungseinrichtung durch Ermitteln von zwei Regelungsparametern
für die
Regelungseinrichtungen, wobei die Wechselwirkung der Regelungseinrichtungen
eine gewünschte
Prozessvariabilität
ergibt.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Regelungssystem,
mit
einem Prozessregelkreis zur Steuerung bzw. Regelung eines
Materialflusses innerhalb eines industriellen Prozesses, wobei der
Prozessregelkreis eine Prozessregelungseinrichtung, eine Ventilregelungseinrichtung,
ein Feldgerät
in dem Prozess, eine Rückkoppelung
von dem Feldgerät
zu der Feldgeräteregelungseinrichtung
und eine Prozessvariablen-Rückkopplung
von dem Prozess zu der Prozessregelungseinrichtung umfasst,
einem
Einstellungssystem des Prozessregelkreises, wobei das Einstellungssystem
vorgesehen ist für eine
Feineinstellung der Feldgeräteregelungseinrichtung
und der Prozessregelungseinrichtung durch Ermitteln von Regelungsparametern
für die
beiden Regelungsreinrichtungen, wobei die Wechselwirkung zwischen
den Regelungsreinrichtungen eine gewünschte Prozessvariabilität ergibt.
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In
der vorliegenden Erfindung werden sowohl die Prozessregelungseinrichtung
als auch die Feldgeräteregelungseinrichtung,
wie beispielsweise eine Ventilregelungseinrichtung fein eingestellt,
so dass ihre Wechselwirkung zur Ermittlung von Regelungsparametern
berücksichtigt
wird, die eine optimale Leistungsfähigkeit des Regelkreises gewährleisten.
Dies führt
zu einer erheblichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Regelkreises d.h.
in eine niedrige Prozessvariabilität im Vergleich zu den bekannten
Einstellungsverfahren, die die Wechselwirkung zwischen Regelungseinrichtungen
nicht berücksichtigen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird zuerst eine grobe Einstellung der Prozessregelungseinrichtung
während
des normalen Prozessbetriebes unter Verwendung einer kombinierten
Feldeinrichtung bzw. eines Feldgeräts und eines Prozessmodels
durchgeführt,
d.h. das Feldgerät, beispielsweise
ein Ventil, wird als Teil des Prozesses angesehen. Danach erfolgt
eine Feinstellung der Prozessregelungseinrichtung und des Feldgeräts (beispielsweise
des Ventils) in einem oder mehren Einstellungszyklen, so dass die
Feldgeräteregelungseinrichtung
derart eingestellt wird, dass sie optimal mit der Prozessregelungseinrichtung
und umgekehrt arbeitet, in dem die Regelungsparameter ermittelt
werden, die eine gewünschte
Leistungsfähigkeit
des Regelkreises gewährleisten.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die Feineinstellung während einer Prozessabschaltung
durchgeführt.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird ein reales Feldgerät
wie ein Ventil zur Steuerung eines simulierten Prozesses verwendet.
Mit anderen Worten, die Prozessregelungseinrichtung steuert ein
reales Ventil, und eine gemessene Ventilposition wird beispielsweise
in dem simulierten Prozess eingegeben.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die Feineinstellung durchgeführt unter Verwendung eines
simulierten Prozesses und eines simulierten Feldgeräts (beispielsweise
eines Ventils), das mittels der Prozessregelungseinrichtung gesteuert
bzw. geregelt wird. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine
Off-line-Einstellung der Prozessregelungseinrichtung auch während eines
normalen Prozessbetriebs ohne Störung
des Prozesses. Nach Ermitteln der optimalen Regelungsparameter des
Feldgeräts
(wie beispielsweise Ventilregelungsparameter) werden die Parameter
in die Feldgeräte-Regelungseinrichtung
zur Regelung eines realen Feldgeräts, beispielsweise eines Ventils
eingegeben.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme
auf bevorzugte Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den zugehörigen
Figuren beschrieben.
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1 zeigt ein funktionales
Blockdiagramm eines Regelungsventils,
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2 veranschaulicht ein typisches
Modell eines Prozessregelkreises,
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3 veranschaulicht eine Direktdigitalregelungssystemarchitektur
(DDC),
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4 veranschaulicht eine verteilte
Regelungssystemarchitektur (DCS),
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5 veranschaulicht eine Feldregelungssystemarchitektur
(FCS),
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5 zeigt ein Blockschaltbild
eines Prozessregelkreises, der mit einem Einstellungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestattet ist,
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7 zeigt ein funktionales
Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Feinstellung mit einem realen
Ventil und einem simulierten Prozess,
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8 zeigt ein funktionales
Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Feinstellung mit einem simulierten
Ventil und einem simulierten Prozess,
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9 zeigt eine Darstellung
zur Veranschaulichung der Änderung
der Prozessvariabilität während des
Einstellvorgangs gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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10 zeigt ein Ablaufdiagramm
zur Veranschaulichung eines Feineinstellungsvorganges der Prozessregelungseinrichtung
und der Ventilregelungseinrichtung, und
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11 zeigt eine Darstellung
zur Veranschaulichung der Prozessvariabilität als eine Funktion des Ventilregelungseinrichtungsverstärkungsfaktors
für unterschiedliche
Einstellungen der Prozessregelungseinrichtung.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung kann bei einem industriellen Prozess verwendet
werden, der zumindest einen Prozessregelkreis aufweist mit einer
Prozessregelungseinrichtung, einer Feldgeräteregelungseinrichtung und
einem Feldgerät.
Die Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes Feldgerät beschränkt, vielmehr
kann die Erfindung bei einer Vielzahl von Feldgeräten, wie
beispielsweise Prozesseinrichtungen wie Regelungsventile, Pumpen
und Bildschirme verwendet werden, die den Prozess steuern bzw. regeln
und einen speziellen Regelungsalgorithmus aufweisen, der eingestellt
werden kann. Pumpen werden typischerweise verwendet zum Vorwärts pumpen von
Material innerhalb des Prozesses oder in eine Prozess hinein oder
aus diesem heraus. Mit einer Pumpe kann die Feldgeräteregelungseinrichtung
ein Inverter sein, der die Drehzahl der Pumpe steuert. In der Zellstoff-
und Papierindustrie werden beispielsweise Siebe benutzt zum Sieben
von Fasern in eine gewünschte
Größe und eine
nicht akzeptable Größe. In einem
Sieb kann eine Feldgeräteregelungseinrichtung
ein Inverter und eine zugeordnete Regelungsschaltung zur Steuerung
der Drehzahl des Siebes sein. Nachfolgend werden jedoch die bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Verwendung von Regelungsventilen und Ventilregelungseinrichtungen
als Beispiele beschrieben.
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Die
grundlegenden funktionalen Modelle für einen Prozessregelkreis und
ein Regelungsventil sind in den 1 und 2 gezeigt, wie es vorstehend beschrieben
wurde. Dabei ist zu beachten, dass die funktionalen Modelle lediglich
einen Weg der Beschreibung des Regelkreises und des Regelungsventils
darstellen, und dass unterschiedliche Abwandlungen in der Darstellung
und Modellierung möglich
sind, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Unterschiedliche
Regelungssystemarchitekturen sind in den 3,4 und 5 veranschaulicht. Das automatische
System umfasst Steuerungsraumprogramme und Datenbanken sowie Prozessregelungsprogramme
und Benutzerschnittstellen, die im einzelnen in den 3 bis 5 mittels
der Regelungscomputer 30, 40 und 50 dargestellt
sind. Es gibt verschiedene alternative Möglichkeiten der Anordnung der
Verbindung zwischen dem Steuerungsraumcomputer und den Feldgeräten.
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Gemäß der Darstellung
in 3 sind üblicherweise
die Feldgeräte 31 bis 33 mit
dem Regelungssystem mittels verdrillter Leitungspaarschleifen mit
zwei Leitungen verbunden, wobei jedes Gerät mit dem Regelungssystem mit
einem einzigen verdrillten Leitungspaar 35 verbunden ist
und wobei ein 4 bis 20 mA analoges Eingangssignal bereitgestellt
wird. Die Prozessregelungseinrichtung (PID) wurde in einem zentralisierten
Computersystem 30 in einem Steuerungsraum angeordnet. Dieses
Prozessregelungssystem wird häufig
als direktes digitales Regelungssystem (Direct Digital Control,
DDC) bezeichnet. In einer zweiten Phase der Entwicklung derartiger
Regelungssysteme wird ein verteiltes Regelungssystem (Distributed
Control System, DCS) gemäß der Darstellung
in 4 verwendet, bei
dem die Prozessregelungseinrichtung (PIDs) in verschiedenen Computern 45 bis 47 in
der Anlage verteilt sind. Die verteilten Computer und der Zentralcomputer 40 in
dem Steuerungsraum können
beispielsweise mit einem lokalen Datennetzwerk oder einem Datenbus 48 verbunden
sein, während
jedoch die entfernten Feldgeräte 43 bis 44 nach
wie vor mit den Prozessregelungseinrichtungen durch zweidrahtige
verdrillte Leitungspaare 49 verbunden sind. In jüngster Zeit
wurden neue Lösungen
in Regelungssystemen verwendet, wie das Highway Addressable Remote
Transducer Protocol (HART), das die Übertragung von digitalen Daten
zusammen mit den bekannten 4 bis 20 mA Analogsignalen in einer verdrillten
Leitungspaarschleife ermöglicht.
In der jüngsten
Entwicklungsphase verwendet ein Feldregelungssystem (Field Control
System, FCS) gemäß der Darstellung
in 5 ein vollständig digitales
Hochgeschwindigkeitsnetzwerk oder einen Datenbus 55 zur
Verbindung des Steuerungsraumcomputer 50 mit den Feldgeräten 51 bis 54.
Die bekannten analogen 4 bis 20 mA Signale werden in dem Field Control
System weggelassen. Eines neues Kommunikationsprotokoll, das im
Allgemeinen als Feldbus bezeichnet wird, wurde durch die Instrument
Society of America (ISA) definiert.
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Die
bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in Form einer Anwendung in einer Feldregelungssystemarchitektur
(FCS-Architektur) beschrieben. Gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung sind die Prozessregelungseinrichtungen (beispielsweise
PID) über
die Feldgeräte
verteilt, d.h. sie sind mit der jeweiligen Ventilregelungseinrichtung,
dem Betätigungsglied
und dem Regelungsventil integriert. Diese Anordnung weist verschiedene
Vorteile auf, die nachstehend beschrieben werden. Die vorliegende
Erfindung kann jedoch auch bei einer anderen Regelungssystemkonfiguration
und bei anderen Architekturen angewendet werden.
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6 zeigt ein funktionales
Blockdiagramm eines Prozessregelkreises, der mit dem erfindungsgemäßen Einstellungssystem
ausgestattet ist. Die Prozessregelungseinrichtung 21, das
Steuerungs- bzw. Regelungsventil 22, der Prozess 23 und
die Übertragungseinrichtung 24 können in ähnlicher Form
wie die mit Bezug auf 2 beschriebenen Einrichtungen
vorgesehen sein. Der innere Aufbau des Regelungsventils 22 kann
in gleicher Weise aufgebaut sein, wie es in 1 gezeigt ist. Ein Einstellungssystem 65 ist
vorgesehen zur Steuerung der Prozessregelungseinrichtung 21 und
des Regelungsventils 23 sowie zum Empfangen von Informationen be züglich des
Status, der Steuerung und der Messungen derselben. Das Einstellungssystem 65 ist ebenfalls
vorgesehen zum Erhalten von Prozessvariabilitätsmessdaten des Prozesses 23 oder
Daten, aus denen die Prozessvariabilität abgeleitet werden kann. In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 empfängt das Einstellungssystem 65 die
gemessene Prozessvariable von der Übertragungseinrichtung 24.
Das Einstellungssystem 65 umfasst beispielsweise eine Benutzerschnittstelle 66 für eine Zusammenarbeit
mit dem Personal des Steuerungsraums. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Hauptteil des Einstellungssystems 65 in
demselben Feldgerät
mit der Prozessregelungseinrichtung und dem Regelungsventil angeordnet.
Die Benutzerschnittstelle 66 und die Einstellungswerkzeuge bezüglich eines
Zusammenwirkens mit dem Benutzer sind hingegen vorzugsweise in dem
Steuerungsraumcomputer oder in einer dafür vorgesehenen Station (Work
Station) in dem Regelungssystem angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht die
Verwendung der gleichen Einstellwerkzeuge für sämtliche Feldgeräte in dem
Prozess. Die örtliche
Anordnung unterschiedlicher Funktionen des Einstellungssystems ist jedoch
bei der vorliegenden Erfindung nicht kritisch, da die unterschiedlichen
Funktionen in unterschiedlichen Elementen des Regelungssystems bedarfsweise
angeordnet oder auf diese verteilt werden können.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst das Einstellungssystem 65 drei Hauptbetriebsarten.
Die erste Betriebsart umfasst eine Modellidentifikation und eine
Berechnung grober Einstellungsparameter während des normalen Prozessbetriebes.
Hierbei sind drei unterschiedliche Modelle online oder offline vorgesehen
(oder bestimmt), insbesondere ein Prozessmodell, ein Ventilmodell
und ein kombiniertes Ventil- und Prozessmodell (d.h. ein Prozessmodel,
dass sein eigenes Ventilmodell beinhaltet). Das Prozessmodell und
das kombinierte Ventil- und Prozessmodell sind beispielsweise Modelle
erster Ordnung oder Totzeitmodelle, und das Ventilmodell ist ein
nicht lineares physikalisches Modell. Identifikationsdaten werden
aus Messdaten aus einem Prozess erzeugt, entweder während eines
normalen Prozessablaufs oder durch Addieren eines geeigneten Testsignals
zu der Prozessregelungseinrichtungsausgabe während einer speziellen Identifikationsperiode.
Geeignete Identifikationsverfahren umfassen beispielsweise die Methode
der kleinsten Quadrate (LS, Least Squares), Rekursive Methode der
kleinsten Quadrate (RLS, Recursive LS) und neue neuronale Netzwerke.
Eine bestimmte Systemtotzeit kann durch Kreuzkorrelationsverfahren
ermittelt werden. Das physikalische Modell des Ventils beruht auf
der bekannten physikalischen Struktur und den Dimensionen des Ventils
und einigen variablen Parametern wie einem Reibungskoeffizienten.
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In
der ersten Betriebsart nach der Identifikation der unterschiedlichen
erforderlichen Modelle kann eine grobe Einstellung der Prozessregelungseinrichtung 21 beispielsweise
unter Verwendung eines kombinierten Ventil- und Prozessmodels und λ-Einstellregeln
durchgeführt
werden. Die Aktivierung und die grobe Einstellung der Prozessregelungseinrichtung
kann vorzugsweise nur durch eine Benutzeranforderung über die
Benutzerschnittstelle 66 erfolgen.
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Die
zweite Betriebsart betrifft eine Feinstellung während einer Prozessabschaltung.
In dieser Betriebsart steuert ein reales Ventil 22 einen
simulierten Prozess 71, wie es in 7 dargestellt ist. Mit anderen Worten,
die Prozessregelungseinrichtung 21 steuert ein reales Ventil,
und eine gemessene Ventilposition (beispielsweise die Positionsinformation
h in 2) wird in einem
simulierten Prozess 71 eingeführt. In Abhängigkeit von der eingegebenen
Positionsinformation (h) stellt der simulierte Prozess eine Prozessvariable
bereit, die zu der Prozessregelungseinrichtung 21 und zu
dem Einstellungssystem 65 in gleicher Weise wie die gemessene
Prozessvariable in 6 zurückgeführt wird.
Ein Fehlersignal e2 wird aus dem Einstellpunkt der Prozessvariablen
abgeleitet, und es wird ein Prozessregelkreis mittels eines simulierten
Prozesses bereitgestellt. Das Einstellungssystem 65 kann
eine simulierte Belastungsstörung
in dem Prozess 71 durch beispielsweise Addieren eines Testsignals
zu dem Eingabesignal Pc1 zu dem realen Ventil
oder durch Ändern
geeigneter Parameter in dem simulierten Prozess 71 bewirken.
Das Einstellungssystem 65 misst die Systemvariabilität am Ausgang
des simulierten Prozesses 71 und ändert die Parameter der Prozessregelungseinrichtung 21 und der
Ventilregelungseinrichtung in dem realen Ventil 22, bis
der eingestellte Regelungsparameter, der die beste oder gewünschte Leistungsfähigkeit
ergibt, ermittelt wurde, wie es nachstehend im einzelnen noch beschrieben
wird. In der Praxis kann der simulierte Prozess 71 das
Prozessmodell innerhalb des Einstellungssystems 65 sein
oder alternativ an einer anderen Stelle innerhalb des Regelungssystems.
Die Entscheidung, wann die optimale oder gewünschte Regelkreisleistungsfähigkeit
erreicht wurde, kann entweder automatisch durch das Einstellungssystem
erfolgen oder durch den Benutzer mittels der Benutzerschnitt stelle 66.
Die ausgewählten
Regelungsparameter können
diejenigen sein, die die minimale Prozessvariabilität während des
Feineinstellungsprozesses bilden, oder die ungünstigsten Parameter, die unterhalb
eines vorbestimmten Schwellenwerts fallen. Die Regelungsparameter,
die während
der Feineinstellung geändert
oder eingestellt werden, können beispielsweise
den Verstärkungsfaktor
der Regelungseinrichtung (beispielsweise des Faktors P in dem PID-Regler)
umfassen. Die Feineinstellung während
der Prozessabschaltung und die Verwendung des simulierten Prozesses
ermöglichen
die Einstellung der Regelungseinrichtungen bzw. der Regler mit einer
größeren Variation
bezüglich
der Prozessbelastungsstörungen,
als dies während
des normalen Prozessbetriebes möglich
ist.
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Die
dritte Betriebsart betrifft die Feineinstellung mit einem simulierten
Ventil 82 und einem simulierten Prozess 81. Mit
anderen Worten, das Regelungssignal Pc1 der
Prozessregelungseinrichtung 21 wird in das simulierte Ventil 82 eingegeben,
das mittels eines physikalischen Modells eines realen Ventils 22 eine
simulierte Ventilposition bereitstellt. Diese simulierte Ventilposition
wird in den simulierten Prozess 81 eingegeben, der mittels
des Prozessmodells eine Prozessvariable ausgibt. Diese Prozessvariable wird
zu der Prozessregelungseinrichtung 21 und dem Einstellungssystem 65 zurückgeführt. Es
wird erneut ein Fehlersignal e2 aus dem Einstellpunkt und der geschätzten Prozessvariablen
gebildet und in die Prozessregelungseinrichtung 21 eingegeben.
Auf diese Weise wird ein Prozessregelkreis mit einem simulierten
Ventil und einem simulierten Prozess bereitgestellt. In der Praxis
können
das simulierte Ventil 82 und der simulierte Prozess 81 das
physikalische Ventilmodell und das Prozessmodell innerhalb des Einstellungssystems 65 sein.
Das Einstellungssystem 65 bewirkt eine Feineinstellung
der Prozessregelungseinrichtung und der Ventilregelungseinrichtung des
simulierten Ventils 82 in gleicher Weise, wie es in 7 beschrieben ist.
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Gemäß den vorstehenden
Angaben gibt es verschiedene Alternativen zu der Hardware-Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung. Das Implementieren des Feldbus (FCS-Architektur}
bietet eine Umgebung mit einer Flexibilität und dem größten Realismus
zum Testen des Betriebs der neuen Einstellungsparameter mittels
der Simulation. Zum Implementieren dieser Konzepte in das vorstehend
beschriebene Einstellungssystem ist lediglich das Implementieren
eines einfachen Simulationsblocks (d.h. einer Simulationssoftware,
die das Prozess- und Ventilmodell
für die
Simulation des Ventils und des Prozesses verwendet) in dem selben
Feldgerät
als die Regelungseinrichtungen oder in einem zusätzlichen Feldgerät oder Personalcomputer
erforderlich. Diese Maßnahme
umfasst die direkte Verwendung der implementierten Regelungsstruktur
bei der Simulation und dem Testen. Dies bedeutet, dass nicht nur ein
einfacher Prozessregelkreis sondern der gesamte Prozess auf einfacher
Weise überprüft werden kann.
Somit kann die Auswirkung der Einstellung eines Prozessregelkreises
in dem gesamten Prozess auf einfache Weise analysiert werden. Ferner
gewährleistet
das korrekte Plazieren der Identifikation, der Simulation und der
Einstellungsalgorithmen in dem Feldgerät eine exakte Abtastzeit (eine
genaue zeitliche Steuerung der Abtastung), und auf diese Weise eine
genauere Modellidentifikation, Simulation und Einstellung.
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Die
Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung auf die Prozessvariabilität ist in 9 dargestellt. Die Y-Achse
zeigt einen Wert einer gesteuerten Variablen, wie ein Strömungs- bzw.
Fliessvolumen oder eine andere gewünschte Variable. Der Zweck des
Prozessregelkreises ist die Aufrechterhaltung der gesteuerten Variablen
bei dem Einstellwert so gut wie möglich. In allgemeiner Form
bezeichnet die Prozessvariabilität
die Veränderung
der gesteuerten Variablen im Verlauf der Zeit. Je kleiner die Prozessvariabilität ist, desto
besser ist die Leistungsfähigkeit des
Regelkreises. Es bestehen verschiedene geeignete Verfahren zur Messung
der Prozessvariabilität wie
die maximale Abweichung, ITAE, ITE, ITSE, ISTE, die Varianz und
dergleichen.
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Entsprechend
der Bezugnahme auf 9 ist die
Prozessvariabilität
in dem Zeitbereich von 0 bis 50 Sekunden sehr groß. Bei 50 Sekunden
wird das Einstellungssystem 65 auf die Grobeinstellungsbetriebsart
eingestellt und die Prozessregelungseinrichtung 21 wird
gemäß der vorstehend
beschriebenen Weise grob eingestellt. Im Ergebnis wird die Prozessvariabilität erheblich
vermindert. Bei 100 Sekunden tritt das Einstellungssystem 65 in
die dritte Betriebsart ein und bewirkt eine Feineinstellung der
Prozessregelungseinrichtung und der Ventilregelungseinrichtung zur
Erzielung einer guten Zusammenarbeit derselben unter Verwendung
des simulierten Ventils und des simulierten Prozesses während eines
normalen Betriebs. Nach der Feineinstellung ist die Prozessvariabilität minimiert.
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Die
bevorzugten Ausführungsbeispiele
des durch das Einstellungssystem 65 durchgeführten Einstellungsvorgangs
wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 10 und 11 beschrieben.
Zuerst wird angenommen, dass das Prozessmodell, das physikalische
Ventilmodell und das kombinierte Prozess- und Ventilmodell vor dem Starten des
Einstellungsvorgangs identifiziert wurden. In einem ersten Einstellungszyklus
wird gemäß Schritt 101 die Prozessregelungseinrichtung 21 grob
eingestellt. In Schritt 101 entscheidet das Einstellungssystem 65 oder
entscheidet der das Einstellungssystem 65 betätigende
Benutzer, ob die Grobeinstellung vollständig abgeschlossen ist oder
nicht. Die Entscheidung kann in Abhängigkeit von einem Kriterium
entsprechend beispielsweise dem Prozess, der gesteuerten Prozessvariablen
und dem Einstellungsalgorithmus getroffen werden. Beispielsweise
kann die Grobeinstellung als erfolgreich abgeschlossen betrachtet werden,
wenn die gemessene Prozessvariabilität innerhalb eines vorbestimmten
Bereiches (unterhalb eines vorbestimmten Stellenwerts) liegt. Die
Grobeinstellung erfolgt entsprechend der Iteration durch die Schleife 101 und 102,
bis in Schritt 102 ermittelt wurde, dass die Einstellung
vollständig
abgeschlossen ist, und das Regelungssystem 65 tritt in
entweder die zweite oder die dritte Betriebsart gemäß der vorstehenden
Beschreibung ein. In Schritt 103 wird die Ventilregelungseinrichtung 22 in
Abhängigkeit
von dem verwendeten Einstellungsverfahren eingestellt. Beispielsweise
kann die Ventilregelungseinrichtung derart eingestellt werden, dass
die gemessene Prozessvariabilität
mit den gegenwärtigen
Regelungsparametern der Prozessregelungseinrichtung 22 minimiert
ist. Gemäß 11 wird nun ange nommen, dass
die Kennlinie PID1 die gemessene Prozessvariabilität als Funktion
des Positionierungsverstärkungsfaktors
(des Verstärkungsfaktors
der Ventilregelungseinrichtung) und der grob eingestellten Prozessregelungseinrichtung 21 veranschaulicht.
Die Einstellung der Ventilregelungseinrichtung dauert in der Schleife
der Schritte 103 und 104 an und überprüft unterschiedliche
Verstärkungsfaktorwerte,
bis der Positionierungsverstärkungsfaktorwert
gefunden wird, der zu dem kleinsten Prozessvariabilitätswert der
Kennlinie PID1 führt,
d.h. der Positionierungsverstärkungsfaktor
g1 in 11. Sodann wird
der Verstärkungsfaktor
der Ventilregelungseinrichtung 22 auf den Wert g1 eingestellt,
und der Einstellungsvorgang geht von Schritt 104 zu Schritt 105 über. In Schritt 105 überprüft das Einstellungssystem 65,
ob die gewünschte
Prozessvariabilität
bereits erreicht wurde. Die Überprüfung kann
entweder durch den Benutzer oder automatisch mittels des Einstellungssystems 65 erfolgen.
Beispielsweise kann die gewünschte
Prozessvariabilität
unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegen, wie beispielsweise die
Prozessvariabilität
PVth In 11.
Da die minimale Prozessvariabilität auf der Kennlinie PID1 größer ist
als der Schwellenwert PVth, kehrt der Einstellungsvorgang
zu Schritt 101 zurück
zum Beginnen eines neuen Einstellungszyklus. In der Schleife der
Schritte 101 bis 102 wird die Prozessregelungseinrichtung 22 eingestellt
zur Bereitstellung der bestmöglichen
Regelkreisleistungsfähigkeit
mit den neuen Parametern der Ventilregelungseinrichtung 22.
Wurden in Schritt 102 die optimalen Parameter, PID2, gefunden,
dann wird die Prozessregelungseinrichtung 21 derart eingestellt,
dass sie mit den neuen Parametern arbeitet. Die Einstellung der
Ventilregelungseinrichtung 22 wird sodann mit den neuen
Prozessregelungseinrichtungsparametern durchgeführt. Es werden erneut unterschiedliche
Positionierungsverstärkungsfaktorwerte überprüft und es
werden die jeweiligen Prozessvariabilitätswerte in der Schleife der
Schritte 103 bis 104 gemessen, bis der Verstärkungsfaktorwert gefunden
wurde, der zu der minimalen Prozessvariabilität führt. Unter Bezugnahme auf 11 wird nun angenommen,
dass die Kennlinie PID2 die Prozessvariabilitätswerte als Funktion des Positionierungsverstärkungsfaktors
für die
neuen Prozessregelungsparameter PID2 veranschaulicht. Die minimale
Prozessvariabilität
befindet sich bei einem Verstärkungsfaktor
g2, der als neuer Verstärkungsfaktor
der Ventilregelungseinrichtung 22 eingestellt wird. Danach wir
die erhaltene Prozessvariabilität
mit dem Schwellenwert PVth gemäß Schritt 105 verglichen.
Gemäß der Darstellung
in 11 ist die Prozessvariabilität noch immer
größer als
der Schwellenwert PVth, und der Einstellungsvorgang kehrt zu Schritt 101 zurück. In der
Schleife der Schritt 101 bis 102 wird die Prozessregelungseinrichtung 21 eingestellt
zur Bereitstellung einer optimalen Regelkreisleistungsfähigkeit mit
dem neuen Ventilregelungseinrichtungsverstärkungsfaktor g2. Danach werden
in der Schleife 103 bis 104 unterschiedliche Positionierungsverstärkungsfaktorwerte überprüft, bis
der Verstärkungsfaktorwert
gefunden ist, der zu einer minimalen Prozessvariabilität führt. Unter
erneuter Bezugnahme auf 11 wird
nun angenommen, dass die Kennlinie PID3 die Prozessvariabilität als eine
Funktion des Positionierungsverstärkungsfaktors für die neuen Prozessregelungsparameter
PID3 veranschaulicht. Das Minimum der Prozessvariabilität wird nun
bei dem Positionierungsverstärkungsfaktor
g3 gefunden. Der Verstär kungsfaktor
der Ventilregelungseinrichtung wird auf den Wert g3 eingestellt
und der Einstellungsvorgang geht zu Schritt 105 über. Hier
ist nun die Prozessvariabilität
bei dem Verstärkungsfaktor
g3 niedriger als der Schwellenwert PVth, d.h. die gewünschte Prozessvariabilität ist erreicht
und der Einstellungsvorgang wird beendet. Wie es aus 11 erkennbar ist, bewirkt
die Einstellung der Prozessregelungseinrichtung und Ventilregelungseinrichtung im
Hinblick auf die optimale Zusammenarbeit eine erheblich niedrigere
Prozessvariabilität
als bei den Einstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik (die
zu einer Prozessvariabilität
entsprechend der Kennlinie PID1 oder größer führen würde).
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Es
ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die vorstehende Beschreibung
des Ablaufdiagramms von 10 lediglich
ein veranschaulichendes Beispiel der Einstellung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist. Das Ablaufdiagramm gemäß 10 kann auf viele unterschiedliche Arten
implementiert werden. Ferner ist das vorliegende Einstellungsverfahren
nicht auf das Ablaufdiagramm gemäß 10 beschränkt, vielmehr
kann die vorliegende Erfindung durch eine beliebige Einstellungssequenz implementiert
werden, durch die die Prozessregelungseinrichtung und Ventilregelungseinrichtung
im Hinblick auf eine optimale Zusammenarbeit eingestellt werden
können.
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Die
Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele sind
nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt, vielmehr
können
diese innerhalb des Bereiches der zugehörigen Patentansprüche variieren.