T. Bartsch: "Inbetriebnahmewerkzeug für Prozeßregelungen"

<BODY> <H1>www.aud24.net : T. Bartsch: "Inbetriebnahmewerkzeug für Prozeßregelungen"</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.aud24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>11.12.2000</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>Elpro Prozessindustrie und Energieanlagen:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>T. Bartsch: "Inbetriebnahmewerkzeug für Prozeßregelungen"</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Werkzeugunterstützte Inbetriebnahme von Prozeßreglern durch Identifikation von praxisgerechten parametrischen Prozeßmodellen</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Erschienen in A&D KOMPENDIUM 2000, S. 106-107<BR><BR><BR>Vorwort<BR>Bedingt durch die Besonderheiten bei der Inbetriebnahme von Prozeßreglern an verfahrenstechnischen Anlagen sind rechnergestützte Werkzeuge zur Auslegung kaum anzutreffen. Im Artikel werden die Besonderheiten aufgezeigt und an einem Beispiel - dem regelungstechnischen Inbetriebnahmewerkzeug PARIS (Parameteridentifikation industrieller Strecken) - beschrieben. Es wird gezeigt, wie durch die Oberflächengestaltung und die Funktionalität des Werkzeuges die Vorgehensmethodik bei der Identifikation unterstützt wird. Dabei wird auf die sich bietenden Möglichkeiten, Grenzen und Nutzen eines Identifikationswerkes eingegangen.<BR><BR><BR><BR>Die Notwendigkeit des Einsatzes von regelungstechnischen Inbetriebnahmewerkzeugen ist unbestritten, da eine methodische Auslegung eines Mehrgrößenreglers mit Kompensationsnetzwerk bzw. modellgestützte Regelungsverfahren für komplexe verfahrenstechnische Prozesses die Kenntnis des Mehrgrößenmodells voraussetzen. Es existieren eine Vielzahl von Werkzeugen zur Identifikation und dem regelungstechnischen Design, die sich für den praxisnahen Einsatz nicht durchsetzen konnten. Ursache dieser Entwicklung liegt im Anforderungsprofil eines gestandenen Inbetriebnehmers gegenüber dem eines jungen Entwicklers aus dem Hochschulsektor, denn die Mehrzahl dieser Werkzeuge wurde von Mitarbeitern der Hochschulen entwickelt, um Grundlagen der Regelungstechnik bzw. aktuelle Forschungsschwerpunkte als Ergebnis von Dissertationen zu vermitteln. Die Darstellung dieser Erkenntnisse ging jedoch zu Lasten der Bedienbarkeit, so daß die Anwenderfreundlichkeit vernachlässigt wurde.<BR><BR><BR>Spezielle Anforderungen der Inbetriebnahme<BR><BR>Bei der Inbetriebnahme ist entgegen dem Tätigkeitsprofil in einer Entwicklungsabteilung ein Allrounder gefragt, der die Elektrik, Mechanik, die Meßtechnik, die Steuerung und Regelung beherrscht. Es darf nicht erwartet werden, daß er Spezialwissen eines Software-Werkzeuges bei Nichtbenutzung über einen längeren Zeitraum parat hat. Stattdessen muß das Werkzeug ihm den problem- bzw. objektbezogenen Zugang ermöglichen. Dabei wird unter problembezogenem Zugang das intuitive Bedienen des Werkzeuges zur Aufgabenbearbeitung verstanden. Standardisierte Begriffe und Strukturen der Regelungstechnik müssen die Basis der Arbeitsoberfläche sein, damit sich der Inbetriebnehmer wiederfindet. Die Problemlösungsmethodik muß entsprechend einem Vorgehensmodells durch das Werkzeug unterstützt werden. Dabei sind alternative Bedienhandlungen nicht der Konstruktion des Werkzeuges geschuldet, sondern den möglichen zu fällenden Entscheidungen bei der Problembearbeitung. Ergonomische Gesichtspunkte sind, hinsichtlich der maximalen Anzahl der offenen Fenster bei der Installation auf einem Laptop entsprechend zu berücksichtigen. Das besondere eines praxistauglichen Identifikationsprogrammes besteht in der Konzentration auf das Wesentliche, dabei steht die Robustheit und Anwenderfreundlichkeit im Fordergrund, nicht die Anzahl der Modellstrukturen oder realisierten Identifikationsverfahren. Entscheidend ist ein brauchbares Ergebnis auf Knopfdruck. Der Kostendruck und das Qualitätsbewußtsein führen dazu, daß eine Informationsvergeudung über den Weg zum Ziel der Problemlösung nicht mehr hinnehmbar ist. Aus diesem Grund ist die automatische Dokumentation des bearbeiteten Projektes durch das Software-Werkzeug zwingende Voraussetzung für den Informationsrückfluß in die Planungs- und Entwicklungsabteilungen. Diese im Rahmen der Einleitung definierten Merkmale weist das Identifikationswerkzeug PARIS für die Problemlösung auf.<BR><BR><BR>Funktionalität und Oberflächengestaltung des Werkzeuges<BR><BR>Das Identifikationswerkzeug PARIS gestattet die Parameterermittlung von industriellen Regelstrecken zur regelungstechnischen Modellbildung aus Meßdaten des Prozesses. Dabei sind lineare Differentialgleichungen mit konstanten Parametern die Grundlage für die Modellbildung der Regelstrecken. Es können Mehrgrößenprozesse mit maximal vier Eingangs- und vier Ausgangsgrößen identifiziert werden. Hierbei können die den zeitlichen Verlauf der Zustands- und Ausgangsgrößen beschreibenden Parameter des Modells durch eine menügestützte Vorgabe unter verschiedenen Zeitbasen ermittelt werden. Dafür ist eine Strukturannahme je Teilsystem notwendig. Es werden je Teilsystem zwei Modelltypen angeboten. Das sind:<BR>* eine Differentialgleichung 1. Ordnung und<BR>* eine Differentialgleichung 2. Ordnung.<BR>Damit läßt sich ein Differentialgleichungssystem zur Problembeschreibung mit maximal vier Gleichungen je 8. Ordnung formulieren. Die Lösung des Differentialgleichungssystems erfolgt über ein Runge-Kutta-Verfahren 4. Ordnung. Das Nachführungsproblem des Prozeßmodells wird als Optimierungsproblem formuliert. Je nach Optimierungsfortschritt wird zwischen einem gradientenartigen Verfahren, einem modifizierten Newton-Raphson-Verfahren und einer heuristischen Suche umgeschaltet. Für die Bewertung der Parameteridentifikation können die gemessenen Ausgangsgrößen mit den berechneten Modellantworten des Prozesses über die Zeit durch Visualisierung verglichen und gespeichert werden. Ein Verifikationslauf gestattet die Validierung des Prozeßmodells. Das Werkzeug PARIS visualisiert des weiteren: <BR>* die identifizierten Streckenparameter,<BR>* die zur Erregung des Prozesses genutzten Eingangsgrößen,<BR>* den numerischen Wert des Gütefunktionals,<BR>* den Wert des Gütefunktionals als Graph der Fortschrittsanzeige,<BR>* die Anzahl der durchlaufenen Iterationsschritte,<BR>* situationsbedingte Reaktionen des Werkzeuges in der Statuszeile und<BR>* Eigenwerte des Prozesses.<BR>Zur konzentrierten Darstellung aller relevanten Informationen des bearbeiteten Projektes ist eine Berichtsfunktion integriert. Die Ergebnisse des Identifikationslaufes lassen sich für die Dokumentation in einer Projektdatei abspeichern und weiterverarbeiten.<BR>Das Programm PARIS ist auf allen Rechnern oder Notebooks mit Pentium II/233 - Prozessor oder höher mit mindestens 16 Mbyte Hauptspeicher unter Windows NT und Windows 95 arbeitsfähig. Es benötigt ca. 1,2 Mbyte Speicherplatz.<BR>Das Bedienkonzept des Werkzeuges PARIS unterstützt die klassische Bedienphilosophie von Windows- Anwendungen, d.h. es wird die Bedienung durch die Menü- und Funktionsleiste gewährleistet. Außerdem wurde für den fortgeschrittenen Anwender die Bedienung der Objekte der Arbeitsoberfläche realisiert. Die Arbeitsoberfläche wird in Abb. 1 gezeigt.<BR><BR>(Abb. 1)<BR><BR>Es ist der Wirkungsplan der Objekte der Arbeitsoberfläche dargestellt. Die unter dem Menüpunkt “Identifikation_ verwirklichten Untermenüs sind entsprechend dem logischen Vorgehen bei der Problembearbeitung angeordnet. Ein Menüpunkt, der in der Menüliste weiter unten steht, wird erst dann freigegeben, wenn alle vorherigen Konfigurationshandlungen erfolgreich durchgeführt wurden.<BR><BR><BR>Modellbildung<BR><BR>Das Vorgehensmodell zur Identifikation wird wie folgt beschrieben. Planung und Durchführung von aktiven Experimenten zur Erzeugung von Meßdaten, die die Information über die Dynamik des Prozesses enthalten. Laden der Meßdatei, die das dynamische Verhalten des Prozesses in Form der gemessenen Ein- und Ausgangsgrößen enthält. Zuordnung der Prozeßgrößen zu den maximal vier Ein- und Ausgängen des Prozeßmodells. Auswahl des Modelltyps für die Teilübertragungsfunktionen. Festlegung der Startwerte und des Parameterintervalls, in dem die Parameter des Modells ermittelt werden sollen. Vorgabe der Anfangswerte des Differentialgleichungssystems, d.h. unter diesen beiden Menüpunkten können a priori-Informationen über den Prozeß vorgegeben werden. Danach erfolgt die Vorgabe der C-Matrix der Zustandsdarstellung. Sind alle Parametrierhandlungen ausgeführt, erfolgt durch Betätigung der Schaltfläche "Start" die Identifikation des Prozeßmodells. Daran schließt sich die Validierung des Prozeßmodells an. Die verifizierten Parameter können jetzt zur Reglereinstellung herangezogen werden.<BR><BR><BR>Abschätzung der Möglichkeiten, Grenzen und Nutzens<BR><BR>Durch die rechnergestützte Identifikation läßt sich anhand von konkretem Datenmaterial der Anlage die Kommunikation zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber verbessern. Funktionale Zusammenhänge zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen lassen sich bei Bedarf visualisieren, so daß einer gelegentlichen Argumentationsnot des Inbetriebnehmers begegnet wird. Die Realisierung moderner Zustandsregelungen ist an die Ermittlung der Eigenwerte des Prozesses geknüpft, diese werden von PARIS nach erfolgter Identifikation ausgewiesen. Bei Problemen, die die Kommunikation mit einem Spezialisten erforderlich macht, können die Dateien via e-Mail versandt werden. Dem Spezialisten stehen jetzt die gleichen Dateien unter Verwendung des gleichen Werkzeuges zur Verfügung, Mißverständnisse lassen sich dadurch vermeiden.<BR>Die Grenzen des Werkzeuges werden durch die Anwendung und den Bediener vorgegeben. Ein erfahrener Regelungstechniker wird nichts Unmögliches verlangen, wenn z.B. die zur Identifikation benutzten Prozeßsignale stark verrauscht sind oder die Signale nicht die Information über die Dynamik des Prozesses enthalten. Die ermittelten Prozeßmodelle haben dann zwangsläufig nur Näherungscharakter, so daß eine höhere Berechungsgenauigkeit keine weitere Verbesserung der Modellgüte bringt. Die Akzeptanz eines Werkzeuges steht und fällt mit den umgesetzten Wünschen der Anwender. Deshalb werden auch bei weiteren Versionen von PARIS die Anforderungen der Anwender das Maß aller Dinge sein.<BR>Der Kostenvorteil eines Werkzeuges läßt sich dadurch ermitteln, indem der Handentwurf einem auf der Grundlage der identifizierten Parameter des Prozeßmodells entworfenen Reglers gegenübergestellt wird. Das kaufmännisch erfaßbare Potential wird bei einfachen Regelungen auf ca. 20 % bei komplexen Regelungen auf etwa 50 % geschätzt. <BR><BR><BR>Zusammenfassung<BR><BR>Neben der direkten Kostenreduzierung scheinen durch die Verwendung von PARIS vor allem andere Vorteile wie die höhere Mitarbeiterproduktivität, die gestiegene Qualität der Projektabwicklung, eine effiziente Kommunikation zwischen Projektpartnern sowie ein tieferes Systemverständnis schwerer zu wiegen. Das Interesse an leistungsfähigen modellgestützten Regelungsverfahren wird geweckt, da die mittels PARIS ermittelten Systemparameter die Grundlage für diese Art des Reglerentwurfes sind.<BR><BR><BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 22.09.2006, 13:53 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>