PREUSSE, Christian (Redtenbacher Strasse 9, Karlsruhe, 76133, DE)
PFEIFFER, Bernd-Markus (Schulplatz 6, Wörth, 76744, DE)
PREUSSE, Christian (Redtenbacher Strasse 9, Karlsruhe, 76133, DE)
| Patentansprüche
1. Regeleinrichtung für eine prozesstechnische Anlage mit zumindest einem Messumformer (11) zur Erfassung einer physika- lischen oder chemischen Größe eines Prozesses sowie zur Bestimmung und zum drahtlosen Senden eines entsprechenden Messwerts (x) und mit einem Regler (9, 10) zur Bestimmung und Ausgabe eines Stellwerts (y) in Abhängigkeit des Messwerts (x) und eines vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwerts (w) , dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer (11) dazu ausgebildet ist, einen aktuell bestimmten Messwert mit einem zuletzt gesendeten, ersten Messwert zu vergleichen und im Normalbetrieb nur dann den aktuell bestimmten Messwert als einen zweiten Messwert zu senden, wenn die beim Vergleich er- mittelte Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, und dass der Regler (9, 10) dazu ausgebildet ist, die jeweilige Dauer des Abtastintervalls zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert zu bestimmen und den Stellwert (y) in Abhängigkeit dieser Dauer zu ermitteln.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (9, 10) dazu ausgebildet ist, bei Empfang des zweiten Messwerts einen Stellwert (y) zu berechnen und auszugeben .
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelalgorithmus des Reglers (9, 10) zur Bestimmung des Stellwerts (y) ein inkrementeller Algorithmus ist.
4. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert in Abhängigkeit eines vorbestimmten Regelungsziels, in Abhängigkeit von vorbestimmten Prozessparametern und/oder in Abhängigkeit von einer vorgegebenen durchschnittlichen Zahl von Sendevorgängen des Messumformers (11) pro Zeiteinheit bestimmt und vorgegeben ist.
5. Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung für eine prozesstechnische Anlage mit zumindest einem Messumformer
(11) zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Prozesses sowie zur Bestimmung und zum drahtlosen Sen- den eines entsprechenden Messwerts (x) und mit einem Regler (9, 10) zur Bestimmung und Ausgabe eines Stellwerts (y) in Abhängigkeit des Messwerts (x) und eines vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwerts, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer (11) einen aktuell bestimmten Messwert mit einem zu- -letzt gesendeten, ersten Messwert vergleicht und in einem Normalbetrieb nur dann den aktuell bestimmten Messwert als einen zweiten Messwert sendet, wenn die beim Vergleich ermittelte Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, und dass der Regler (9, 10) die jeweilige Dauer des Abtastin- tervalls zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert bestimmt und den Stellwert (y) in Abhängigkeit dieser Dauer berechnet.
6. Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach Anspruch 5, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
7. Computerprogrammprodukt, insbesondere Datenträger oder Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren
Computerprogramm gemäß Anspruch 6. |
Beschreibung
Regeleinrichtung für eine prozesstechnische Anlage
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für eine prozesstechnische Anlage mit zumindest einem Messumformer zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Prozesses und mit einem Regler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In prozesstechnischen Anlagen der chemischen, pharmazeutischen, biochemischen oder lebensmitteltechnischen Industrie werden meist Messumformer zur Bestimmung physikalischer oder chemischer Eigenschaften des Prozessmediums verwendet, die mittels aufwendiger Flansche oder Durchführungen an medienführenden Behältern oder Rohren befestigt werden müssen. Das hat jedoch den Nachteil, dass mit einem Messumformer lediglich die am Einbauort des Messumformers vorherrschenden Medieneigenschaften bestimmt werden können. Für eine ortsabhän- gige Erfassung der Eigenschaften des Mediums ist eine Vielzahl von Messumformern erforderlich, die jeweils an den Orten eingebaut werden müssen, an denen Messwerte zu erfassen sind. Diese Vorgehensweise ist jedoch sehr aufwendig.
Aus der WO 2007/061306 Al ist ein Steuerungssystem für prozesstechnische Anlagen bekannt, das Sensoren und Aktuatoren aufweist, die im Medium beweglich schwimmen. Die dort beschriebenen Sensoren sind ebenfalls Messumformer, die zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe des Medi- ums dienen. Dadurch ist eine ortsabhängige Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe des Mediums möglich und Prozesse, in welchen das Prozessmedium beispielsweise nicht homogen durchmischt ist, oder in welchen örtlich unterschiedliche Prozessbedingungen auftreten, können besser geführt werden, so dass schließlich eine Steigerung der Qualität der erzeugten Produkte erzielt wird.
Der bekannte Messumformer ist kabellos und arbeitet energieautark. Zu seiner Versorgung mit der zum Betrieb erforderlichen Energie ist er mit einem Energiespeicher versehen. Wegen des mit der Bestimmung von Messwerten und ihrer drahtlosen Datenübertragung verbundenen Energieverbrauchs muss der Energiespeicher häufig gewechselt oder im Falle eines ladbaren Speichers nachgeladen werden. Dies ist mit einem hohen Wartungsaufwand verbunden bzw. die Einsatzzeiten des Messumformers werden begrenzt.
Dasselbe Problem tritt auch bei Messumformern auf, die in einer prozesstechnischen Anlage zwar fest montiert sind, jedoch nicht ständig beispielsweise über ein Kabel mit der erforderlichen Hilfsenergie gespeist werden und somit ebenfalls einen eigenen Energiespeicher benötigen. Insbesondere bei drahtlosen Messumformern ist somit eine Minimierung des Energieverbrauchs anzustreben, um beispielsweise die Wartungszyklen für den Batteriewechsel zu verlängern oder die technische Realisierbarkeit bestimmter innovativer Energieversorgungskon- zepte überhaupt erst zu ermöglichen, die lediglich eine geringe Leistung zur Verfügung stellen können.
Regelkreise für Prozessgrößen arbeiten üblicherweise mit einer konstanten Zykluszeit. In einer zeitdiskreten Regelung, auch digitale Regelung oder Abtastregelung genannt, werden
Regelgröße und Sollgröße in festen, gleichmäßigen Zeitabständen abgetastet und in digitale Zahlenwerte umgewandelt, also quantisiert. Daher ist auch die übertragung der Messwerte vom Messumformer zum Regler an einen festen Zyklus gebunden, zu dessen Einhaltung Messumformer mit drahtloser Datenübertragung, die für Regelungszwecke geeignet sind, einen netzwerkweit verfügbaren Takt oder eine Taktsynchronisation besitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrich- tung für eine prozesstechnische Anlage und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Regeleinrichtung zu schaffen, durch welche ein geringerer Energieverbrauch von Messumformern ermöglicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Regeleinrichtung für eine prozesstechnische Anlage der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den weiteren Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbil- düngen, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Regeleinrichtung, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.
Im Messumformer werden Messwerte der physikalischen oder che- mischen Größe des Prozesses zwar vergleichsweise häufig, beispielsweise in einem konstanten Zyklus, gemessen, aber die energieintensive übertragung durch drahtloses Senden erfolgt nur, wenn sich der Messwert seit der letzten übertragung um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert geändert hat. Damit empfängt der Regler Messwerte des Messumformers in einem nicht konstanten, nicht deterministischen Zeitabstand. In vorteilhafter Weise kann der Entwurf des Reglers, bei welchem beispielsweise die Zeitkonstanten Nachstellzeit und Vorhaltzeit eines PID-Reglers an die Zeitkonstanten der Regelstrecke angepasst werden, wie bisher guasi kontinuierlich erfolgen. Die Umrechnung der für einen kontinuierlich arbeitenden Regler im Entwurf bestimmten Zeitkonstanten in einen zeitdiskreten, digitalen Algorithmus, zu welcher üblicherweise eine Umsetzung der Laplace-übertragungsfunktion auf die Z-übertra- gungsfunktion oder auf eine Differenzengleichung vorgenommen wird, wird unter Berücksichtigung einer variablen Dauer der Abtastintervalle durchgeführt. Der Stellwert, welchen der Regler an ein Stellglied zur Beeinflussung des Prozesses ausgibt, ist daher nicht nur von Sollwerten und am Prozess er- mittelten Messwerten abhängig sondern auch von der jeweiligen Dauer des letzten Abtastintervalls und eventuell auch weiter zurückliegender Abtastintervalle. Die Abhängigkeit von der jeweiligen Dauer des letzten Abtastintervalls kann beispielsweise darin bestehen, dass bei einer Berechnung eines Stell- werts eine Anpassung des Regelalgorithmus beispielsweise durch einfache Neuberechnung zumindest eines Teils der Koeffizienten in einer Differenzengleichung, in welche zum Beispiel bei einem PID-Regler das Verhältnis von Nachstellzeit
zur Dauer des Abtastintervalls einbezogen werden kann, nach dem Empfang des zuletzt gesendeten Messwerts vorgenommen wird. Ein mit dem angepassten Regelalgorithmus berechneter Stellwert kann danach konstant gehalten werden, bis durch den Regler der nächste Messwert des Messumformers empfangen wird. In vorteilhafter Weise wird somit eine Regeleinrichtung erhalten, die keine konstante Zykluszeit bei der Messwerterfassung benötigt und somit ohne einen netzwerkweit verfügbaren Takt auskommt. Eine äquidistante Abtastung von Prozessvariab- len ist nicht mehr erforderlich.
Wenn Messwerte durch Messumformer nur noch dann drahtlos übertragen werden, falls eine deutliche Veränderung aufgetreten ist, wird der Energieverbrauch der Messumformer deutlich gesenkt, insbesondere wenn sich der Prozess in einem stationären Zustand befindet. Dieser Vorteil ist jedoch nicht mit einem allzu großen Nachteil der Regelgüte bei dynamischen übergangsvorgängen verbunden, da in solchen Fällen Messwerte wesentlich häufiger gesendet werden und ein mit der Regelein- richtung realisierter Regelkreis somit beherrschbar bleibt.
In größeren Sensornetzwerken, in welchen eine Vielzahl von Messumformern zur drahtlosen Kommunikation miteinander vernetzt sind, ist von besonderem Vorteil, dass sich das Volumen der Datenkommunikation aufgrund der änderungsabhängigen übertragung neuer Messwerte gegenüber einer übertragung in festen Zyklen erheblich verringert, so dass für die übertragung von Messwerten bei gleicher Anzahl von Kommunikationsteilnehmern eine geringere Bandbreite des drahtlosen Kommunikationsnetz- werks benötigt wird oder so dass in einem Netzwerk mit beschränkter Bandbreite mehr Kommunikationsteilnehmer zugelassen werden können. Da zudem kein netzwerkweit verfügbarer Takt mehr erforderlich ist, entfällt die bisher zur Taktsynchronisation erforderliche Kommunikation über das Netzwerk, wodurch ebenfalls Bandbreite der übertragungskapazität eingespart werden kann.
Durch die Neuberechnung der Parameter eines zeitdiskreten Reglers bei Veränderung der Dauer des Abtastintervalls kann ein nahezu zeitinvariantes dynamisches Verhalten des Reglers erreicht werden, obwohl in der zeitdiskreten Regelung Abtast- werte nicht in festen, gleichmäßigen Zeitabständen an den Regler gegeben werden. Im Unterschied zur bisherigen, taktsynchronen und quasikontinuierlichen Regelung wird nun eine ereignisdiskrete Regelung erhalten, die bei geeignetem Entwurf in der Lage ist, weiterhin die Aufgaben einer kontinu- ierlichen Regelung hinreichend gut zu erfüllen.
Eine Ausbildung des Reglers derart, dass er bei Empfang des zweiten Messwerts einen Stellwert neu berechnet und diesen ausgibt, hat den Vorteil, dass in jedem Abtastintervall nur ein Stellwert übertragen wird und sich der Stellaufwand, zum Beispiel der Energieverbrauch und der Verschleiß eines Ventils als Stellglied, entsprechend verringert.
Die Verwendung eines inkrementellen Algorithmus als Regelal- gorithmus zur Bestimmung des Stellwerts, bei welchem ein neuer Stellwert gleich dem um ein berechnetes Inkrement erhöhten früheren Stellwert ist, hat den Vorteil, dass zur Berechnung dieses Inkrements keine Informationen aus weiter zurückliegenden Abtastvorgängen mit Längen der Abtastintervalle erfor- derlich sind, die von dem letzten Abtastintervall abweichen können. Wird alternativ dazu ein im Entwurf ermittelter, kontinuierlicher Regler nach der Trapezregel in einen zeitdiskreten Regler umgeformt, so müssen vergleichsweise viele Vergangenheitswerte einbezogen werden und es ist eine Berück- sichtigung der Dauer der verschiedenen Abtastintervalle zwischen diesen Vergangenheitswerten erforderlich. Ein derartiger Regelalgorithmus wäre daher mit einem erheblich größeren Rechenaufwand verbunden, so dass sich in diesem Zusammenhang der Einsatz eines inkrementellen Algorithmus empfiehlt.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Regeleinrichtung, bei welcher der Schwellwert, den änderungen aktuell bestimmter Messwerte gegenüber dem zuletzt gesendeten Mess-
wert übersteigen müssen, damit ein neuer Messwert gesendet wird, in Abhängigkeit eines vorbestimmten Regelungsziels, in Abhängigkeit von vorbestimmten Prozessparametern und/oder in Abhängigkeit von einer vorgegebenen durchschnittlichen Zahl von Sendevorgängen des Messumformers pro Zeiteinheit bestimmt und vorgegeben ist. Die Dimensionierung des Schwellwerts kann nämlich als Lösung eines Optimierungsproblems angesehen werden, in welchem das Ziel der Minimierung des Kommunikations- aufwands unter der Nebenbedingung der Einhaltung spezifischer Regelungsziele, wie beispielsweise eine Begrenzung der Varianz der Regelgröße oder der maximalen Regelabweichung, möglichst gut erreicht wird. Durch den optimierungsbasierten Entwurf kann sichergestellt werden, dass die verschiedenen, sich manchmal sogar widersprechenden funktionalen Ziele für das Gesamtsystem Regelkreis koordiniert erfüllt werden.
Falls die übertragungsfunktion des Prozesses, welcher im Regelkreis die Regelstrecke darstellt, nicht im Voraus bekannt ist, sondern in einer Phase der Prozessidentifikation zu- nächst anhand von Messdaten identifiziert werden muss, ist es in vorteilhafter Weise möglich, in einer Sonderbetriebsart der Messumformer Messwerte in festen, gleichmäßigen Zeitabständen zu senden, so dass die Prozessidentifikation mit den bereits für zeitdiskrete Regelungen herkömmlicher Art bekann- ten Verfahren durchgeführt werden kann.
Das Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung ist bevorzugt in Software oder in einer Kombination Soft/Hardware implementiert, so dass die Erfindung auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens betrifft. In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren derartigen Compu- terprogramm. Ein solches Computerprogramm ist bevorzugt Bestandteil eines Softwarefunktionsbausteins in der CPU eines Prozessleitsystems oder wird in einem Speicher des Prozess- leitsystems vorgehalten oder ist in diesen Speicher ladbar,
so dass beim Betrieb das Prozessleitsystem eine Regelung nach dem Verfahren zum Betreiben der Regeleinrichtung automatisch ausführt.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Die Figur zeigt in einer Prinzipdarstellung einen Batch- Reaktor mit Regeleinrichtung.
Ein Batch-Reaktor 1, dem durch einen Zulauf 2 ein Prozessmedium 3 zugeführt und durch einen Ablauf 4 nach Beendigung einer gewünschten Reaktion wieder entnommen werden kann, ist mit einer Einrichtung zur Temperaturregelung versehen. Zur besseren Durchmischung des Prozessmediums 3 ist im Reaktor 1 ein Rührwerk 13 vorgesehen. Zur Aufheizung des Prozessmediums 3 dient eine Ummantelung 5 des Reaktors 1, in welche ein Heizmittel durch einen Zulauf 6 eingeleitet werden kann, das durch einen Ablauf 7 wieder ausströmt. Die Zulaufmenge des
Heizmittels ist mit einem Ventil 8 einstellbar. Die Einstellung des Ventils 8 wird durch einen Stellwert y vorgegeben, den ein Regler aus einer Regelgröße x und einem vorgegebenen Sollwert w bestimmt. Der Regler enthält einen Vergleicher 9, der eine Regeldifferenz e aus dem Sollwert w und der Regelgröße x bestimmt, und einen Reglerkern 10, der aus der Regeldifferenz e den Stellwert y berechnet. Ein energieautarker Messumformer 11 schwimmt in dem Reaktor 1, erfasst im Prozessmedium 3 die Temperatur als Prozessgröße, bestimmt ent- sprechende Messwerte und sendet diese über eine Antenne drahtlos aus. Die Sendesignale werden durch einen Empfänger 12 außerhalb des Reaktors 1, der ebenfalls über eine Antenne verfügt, empfangen, so dass Werte der Temperatur als Regelgröße x für den Regler vorliegen. Die drahtlose Datenübertra- gung zwischen dem Messumformer 11 und dem Empfänger 12 kann beispielsweise über Industrial WLAN, ZigBee, Bluetooth oder andere Funknetzwerke erfolgen. In einer realen prozesstechnischen Anlage handelt es sich bei dem Empfänger 12 beispiels-
weise um einen Access Point, bei dem Ventil 8 um ein elektro- pneumatisches Regelventil und bei den übrigen Komponenten der Regeleinrichtung um Software-Funktionsbausteine, die in ein Prozessleitsystem zur Implementierung der Regeleinrichtung geladen sind.
Bei der ersten Inbetriebnahme der Regeleinrichtung werden alle Komponenten in eine Sonderbetriebsart versetzt. Der Messumformer 11 liefert in dieser Betriebsart in zeitlich äqui- distanten Zyklen Werte der Temperatur und sendet diese an den Empfänger 12. Es wird zunächst zur Erozessidentifikation, das heißt zur Bestimmung der Parameter eines geeigneten Prozessmodells, ein Heizexperiment durchgeführt, in welchem die Stellgröße y beispielsweise auf ihren maximalen Wert einge- stellt und mit Hilfe des Messumformers 11 die sich ergebende Aufheizkurve ermittelt wird. Mit den nun vorliegenden Daten werden in bekannter Weise die übertragungsfunktion der Temperaturregelstrecke und ein dafür geeigneter zeitkontinuierlicher Regler entworfen. Der so gewonnene zeitkontinuierliche Regler wird anschließend in einen inkrementellen Regelalgorithmus eines zeitdiskreten Reglers mit variabler Abtastzeit überführt. In Abhängigkeit der Prozessvorgaben, beispielsweise dass die Temperatur auf 2 0 C genau eingestellt werden soll, wird ein Schwellwert festgelegt, beispielsweise 0,5 0 C, der bestimmt, bei welchen änderungen der Temperatur im Normalbetrieb durch den Messumformer 11 erneut Messwerte übertragen werden sollen. Diese Maßnahme dient dazu, die Häufigkeit von Messwertübertragungen über das drahtlose Netzwerk zu vermindern, so dass der Energieverbrauch des Messumformers 11 minimiert und die zur Verfügung stehende Bandbreite des drahtlosen Netzwerks besser genutzt wird. Im daran anschließenden Normalbetrieb der Regeleinrichtung sendet der Messumformer nur noch dann neue Messwerte der Temperatur des Prozessmediums 3, wenn diese um mehr als 0,5 0 C vom zuletzt übertragenen Messwert abweichen. Bei jedem Empfang eines neuen Messwerts durch den Regler mit Hilfe des Empfängers 12, wobei der Messwert der Regelgröße x in der Regeleinrichtung entspricht, wird die Stellgröße y in Abhängigkeit der sich
ergebenden Regeldifferenz e und der Dauer des letzten Abtastintervalls, welche in dem Regelalgorithmus als variable Größe berücksichtigt wird, neu berechnet. Anschließend wird die Stellung des Ventils 8 solange konstant gehalten, bis ein neuer Messwert empfangen wird. Dadurch reduziert sich auch der Energieverbrauch des Ventils 8 als Stellglied sowie dessen Verschleiß.
Zur besseren Anschaulichkeit wurde die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit nur einem Messumformer 11 und nur einem Access Point 12 beschrieben. In realen prozesstechnischen Anlagen ist selbstverständlich eine große Anzahl kabellos kommunizierender Messumformer, Stellglieder oder Aktuato- ren, Regler und ähnliches in einem Sensornetzwerk zusammenge- schlössen. Die Teilnehmer kommunizieren untereinander kabellos und Meldungen können einen Zeitstempel, der beispielsweise den Zeitpunkt der Messwerterfassung oder den Zeitpunkt der Stellwertberechnung kennzeichnet, enthalten. Wenn alle Teilnehmer wie bisher ständig in einem gemeinsamen Takt senden würden, zum Beispiel eine Meldung alle 10 ms für jeden Teilnehmer, wäre die verfügbare Bandbreite des Kommunikationsnetzes schon mit relativ wenigen Teilnehmern erschöpft. Zudem müsste der Takt aufwendig über das Netz verbreitet werden. Sind dagegen nun Messumformer und Regler dafür ausgelegt, er- eignisdiskret auf Veränderungen der gemessenen physikalischen oder chemischen Größen zu reagieren, werden sinnvollerweise Meldungen mit neuen Messwerten nur noch dann gesendet, wenn sich ereignisrelevante Veränderungen ergeben haben. An diesen Ausführungen wird deutlich, dass sich das neue Regelungsver- fahren besonders vorteilhaft auf die Nutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite des Kommunikationsnetzwerks auswirkt .