Applikation zur Prozessautomatisierung

Modellbasierte prädiktive Mehrgrößenregelung am Beispiel einer Destillationskolonne

Projektierbeispiel

Gewährleistung, Haftung und Support

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Hinweis Die Anwendungsbeispiele sind nicht bindend und erheben keinen An-spruch auf Vollständigkeit hinsichtlich der dargestellten Schaltkreise, Ausrüstung und Möglichkeiten. Die Anwendungsbeispiele zeigen keine kundenspezifischen Lösungen. Sie dienen lediglich als Unterstützung für typische Anwendungen. Für den richtigen Gebrauch der beschriebenen Produkte sind Sie selbst verantwortlich. Diese Anwendungsbeispiele ent-binden Sie nicht von Ihrer Eigenverantwortung hinsichtlich sicherem und fachgerechtem Gebrauch, Installation, Betrieb und Wartung der Anlage. Mit dem Gebrauch dieser Anwendungsbeispiele erkennen Sie an, dass Siemens nicht für Schäden/Ansprüche über den in der Haftungsklausel beschriebenen Umfang hinaus haftbar gemacht werden kann. Wir behal-ten uns das Recht vor, diese Anwendungsbeispiele jederzeit und ohne vorherige Benachrichtigung zu ändern. Bei Abweichungen zwischen den Empfehlungen, die mit diesen Anwendungsbeispielen gegeben werden, und anderen Siemens-Publikationen - z.B. Katalogen - dann hat der In-halt der anderen Dokumente Vorrang.

Gewährleistung, Haftung und Support Wir übernehmen keine Haftung für die in diesem Dokument enthaltenen In-formationen.

Jegliche Ansprüche gegen uns - gleichgültig auf welcher rechtlichen Grund-lage -, die sich aus dem Gebrauch der Beispiele, Informationen, Program-me, technischen Daten und Leistungsdaten usw. ergeben, die in diesem Anwendungsbeispiel beschrieben sind, sind ausgeschlossen. Dieser Aus-schluss erstreckt sich nicht auf die vorgeschriebene Haftung, z.B. nach dem Produkthaftungsgesetz, bei Vorsatz, grober Fahrlässigkeit oder Ver-letzung des Lebens, Körpers oder der Gesundheit, Garantie für die Qualität eines Produkts, arglistigem Verschweigen eines Mangels oder Verletzung wesentlicher Vertragspflichten. Der Schadensanspruch für die Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist jedoch auf den vertragstypischen, vorher-sehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässig-keit vorliegt oder wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit gehaftet wird. Eine Änderung der Beweislast zum Nachteil des Bestellers ist mit den genannten Regelungen jedoch nicht verbunden.

Copyright© 2009 Siemens Industry Sector IA. Diese Anwendungsbei-spiele oder Auszüge aus ihnen dürfen ohne vorherige schriftliche Ge-nehmigung von Siemens A&D nicht übertragen oder vervielfältigt wer-den. Bei Fragen zu diesem Dokument verwenden Sie bitte die folgende E-Mail-Adresse:

mailto:online-support.automation@siemens.com

Vorwort

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Vorwort

Ziel der Applikation Ziel ist die präzise und schnelle Regelung von Prozessen mit mehreren ge-koppelten Ein- und Ausgangsgrößen. Dabei werden im begleitenden Bei-spiel zwei unterlagerte PID-Regelkreise in einer Kaskadenstruktur vom MPC angesteuert. Das Beispiel mit zwei Stell- und Regelgrößen dient nur als Veranschaulichung. Das Vorgehen kann auf MPC-Regler mit mehr oder weniger Stellgrößen übertragen werden.

Die Applikationsschrift wendet sich an Erstanwender des MPC; auf Spezial-fälle und komplexere Anwendungen wird bewusst nicht eingegangen.

Das vorliegende Projektierungsbeispiel zeigt die Erweiterung der Stan-dardautomatisierung einer Destillationskolonne um einen MPC-Temperaturregler.

Kerninhalte dieser Applikation Folgende Kernpunkte werden in dieser Applikation behandelt:

• Instanzbildung der Messstelle

• Ermittlung der für den MPC notwendigen Messdaten

• Konfiguration mit dem MPC-Konfigurator

• Handhabung von mehr als einer Störgröße

• Beispiel-Simulation mit und ohne MPC, um den potentiellen Nutzen zu zeigen

Gültigkeit … gültig für PCS 7 V7.1, prinzipiell übertragbar auf V7.0.

Referenz zum Automation and Drives Service & Support Dieser Beitrag stammt aus dem Internet Applikationsportal des Industry Au-tomation and Drives Service & Support. Durch den folgenden Link gelan-gen Sie direkt zur Downloadseite dieses Dokuments.

http://support.automation.siemens.com/WW/view/de/37361208

Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis......................................................................................................... 4

1 Grundlagen zur Modellbasierten Prädiktivregelung ................................... 5

2 Implementierung des MPCs........................................................................... 6 2.1 Installation......................................................................................................... 6 2.2 Projektierung: Instanzbildung der Messstelle ................................................... 6

3 Generierung von Identifikationsdaten ........................................................ 12

4 Parametrierung und Inbetriebnahme des MPCs........................................ 16 4.1 MPC-Konfigurator ........................................................................................... 16 4.2 Einbindung der Reglerparameter.................................................................... 22 4.3 Parametrierung im Betrieb.............................................................................. 23

5 Prädiktivregelung mit mehr als einer messbaren Störgröße.................... 24

6 Simulationsbeispiel ...................................................................................... 26 6.1 Destillationskolonne........................................................................................ 26 6.2 Konventionelle Eingrößenregelung................................................................. 27 6.3 Regelung mit MPC.......................................................................................... 30

7 Fazit................................................................................................................ 33

8 Historie .......................................................................................................... 35

9 Literatur ......................................................................................................... 35

Grundlagen zur Modellbasierten Prädiktivregelung

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1 Grundlagen zur Modellbasierten Prädiktivregelung

Die Grundlagen zur Modellbasierten Prädiktivregelung können Sie dem White Paper „Wie verbessern Sie die Performance Ihrer Anlage mit Hilfe der passenden Funktionen aus dem SIMATIC PCS 7 APC-Portfolio?“ ent-nehmen.

http://pcs.khe.siemens.com/efiles/pcs7/support/marktstudien/WP_PCS7_APC_DE.pdf

PCS 7-embedded MPC: Arbeitsweise und Einsatzbereich Der ModPreCon-Baustein wird für Mehrgrößenregelungen dynamischer Prozesse verwendet (siehe Online-Hilfe zum Funktionsbaustein). Er be-herrscht bis zu vier miteinander gekoppelte Stell- und Regelgrößen sowie eine messbare Störgröße.

Im Einzelfall kann der Baustein ModPreCon auch für dynamisch besonders schwierige Eingrößen-Regelungen herangezogen werden. Er ist beispiels-weise bei Strecken mit nicht-phasenminimalem oder stark schwingendem Verhalten einem PID-Regler überlegen.

Der ModPreCon-Algorithmus arbeitet nur für stabile Prozesse mit einer Sprungantwort, die in endlicher Zeit auf einen festen Wert einschwingt. Falls der Prozess instabil ist oder einen Integrator enthält (z.B. Füllstands-regelung) muss die entsprechende Teil-Übertragungsfunktion mit einem unterlagerten Regler stabilisiert werden.

Hinweis Die Laufzeit des Mehrgrößenreglers ist prinzipbedingt deutlich höher als bei PID-Reglern, da im Algorithmus in jedem Abtastschritt sehr große Matrizen multipliziert werden müssen. Die Laufzeit wird auch bestimmt durch die Anzahl der in den Regelalgorithmus einbezogenen Regel- und Stellgrößen. Daher ist der Mehrgrößenregler für schnelle Regelungen nicht geeignet und wird vorrangig für langsame und komplexe Regelauf-gaben eingesetzt. Die Rechenzeitbelastung der CPU entschärft sich da-durch, dass für die typischen ModPreCon-Applikationen sehr langsame Abtastzeiten von > 20s gebraucht werden. Der ModPreCon liegt dann typischerweise im OB30 und kann von schnelleren OBs unterbrochen werden.

Implementierung des MPCs

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2 Implementierung des MPCs

Die grundsätzliche Vorgehensweise zur Inbetriebnahme eines Prädiktiv-reglers ist angelehnt an die rechnergestütze Inbetriebnahme von PID-Reglern. Da es sich bei den „Reglerparametern“ um Matrizen handelt, ist das Zusammenspiel zwischen Regler-Baustein und Konfigurations-Werkzeug etwas anders organisiert. Die Projektierung erfolgt in mehreren Schritten (siehe auch Online-Hilfe zum ModPreCon-Baustein), die in den folgenden Kapiteln genauer erläutert werden:

• Regen Sie den Prozess im Handbetrieb des Reglers durch eine Folge von Stellwertsprüngen an.

• Zeichnen Sie die Messdaten mit der CFC Trendanzeige auf und expor-tieren Sie diese in eine Archivdatei.

• Erstellen Sie mit Hilfe des MPC-Konfigurators einen SCL-Quellcode für den Anwender-Datenbaustein (DB). Er enthält die für eine ModPreCon-Instanz erforderlichen Modelle und Matrizen.

• Übersetzen Sie den SCL-Quellcode im Engineering-System und laden ihn ins AS.

.1 Installation

Die Installation der PCS 7 Advanced Process Library erfolgt über das PCS 7 Rahmensetup V7.1.

Hinweis Einen MPC als Funktionsbaustein und Messstellentyp gibt es bereits in der PCS 7 APC Library V7.0 SP1 unter dem Namen „MPC_CTRL“. Die Beschreibung in der vorliegenden Application Note bezieht sich auf die Advanced Process Library von PCS 7 V7.1. Die grundsätzliche Vorge-hensweise ist jedoch auch auf die APC-Library von PCS 7 V7.0 SP1 an-wendbar.

2.2 Projektierung: Instanzbildung der Messstelle

Die folgenden Arbeitsschritte erfolgen für den MPC in gleicher Weise wie bei jedem anderen Messstellentyp.

1. Öffnen Sie im SIMATIC Manager über „Datei > Öffnen > Bib-liotheken“ die PCS 7 AP Library V71.

Implementierung des MPCs

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Abbildung 2-1: Öffnen der PCS 7 AP Library V71

2. Kopieren Sie den Messstellentyp „ModPreCon“ aus dem Verzeichnis „Templates“ in die Stammdatenbibliothek Ihres PCS 7 Multiprojekts.

3. Modifizieren Sie den Messstellentyp ggf. entsprechend den generellen Vorgaben Ihrer Applikation.

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Abbildung 2-2: Auswahl des Messstellentyps

4. Kopieren Sie den Messstellentyp aus der Stammdatenbibliothek in den Projektteil <Projektname>_Prj Ihres Multiprojekts, in den vorgesehenen Zielordner (Anlage > Teilanlage etc.) der technologischen Hierarchie. Sie erhalten damit eine Instanz dieses Messstellentyps (eine „Messstel-le“) d.h. einen CFC-Plan, der durch seine symbolische Darstellung die Herkunft von einem Messstellentyp anzeigt.

5. Benennen Sie den neuen CFC-Plan geeignet um und überprüfen Sie, ob der zyklische Weckalarm-OB (im CFC-Plan über Ablaufreihenfolge) richtig gesetzt ist.

6. Öffnen Sie den CFC-Plan und führen Sie folgende Verschaltungen durch:

• Regelgrößen: Verschalten Sie die analogen Eingangsbausteine „Pcs7AnIn“ für die beiden Regelgrößen „CV1“ und „CV2“ (siehe Abbildung 2-3, Nummer 1) mit den symbolischen Namen der ent-sprechenden Peripheriesignale aus der Hardware-Konfiguration. Passen Sie dabei über die Eingänge „PV_InUni“ die Einheiten der Größen an.

• Störgröße: Liegt eine messbare Störgröße vor, so muss diese dem MPC-Regler (Block ModPreCon) über dessen Eingang „DV1“ zuge-führt werden (siehe Abbildung 2-3, Nummer 2). Bei mehr als einer messbaren Störgröße können diese nach Kapitel 5 ebenfalls einge-bunden werden.

Stellgrößen: Die beiden Stellgrößen „MV1“ und „MV2“ werden über die analogen Ausgangsbausteine „Pcs7AnOu“ über den Ausgang „PV_Out“ mit

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der Peripherie verschaltet (siehe Abbildung 2-3, Nummer 3 für die Original-form der Messstelle). Stellen diese Stellgrößen jedoch, wie in unserem An-wendungsbeispiel, externe Sollwerte für unterlagerte PID-Regler dar, so sind die Verschaltungen anders durchzuführen. Hier müssen die Ausgänge „MV1“ bzw. „MV2“ des MPC-Reglers direkt mit dem jeweiligen Eingang „SP_Ext“ (externer Sollwert) des zugehörigen unterlagerten PID-Reglers verbunden werden (siehe Abbildung 2-4, Nummer 3 für die Kaskadenstruk-tur). Um dem MPC-Regler Rückmeldung über die erzielten Regelgrößen der unterlagerten PID-Regler zu geben, müssen die Eingänge „MV1Trk“ und „MV2Trk“ des MPC-Reglers (siehe Abbildung 2-3, Nummer 4 bzw. Abbildung 2-4, Nummer 4) mit den jeweiligen Prozessgrößen der PID-Regler verbunden werden. Dazu muss die bereits bestehende Verbindung zwischen den Ausgängen „MV1“ bzw. „MV2“ und den Eingängen „MV1Trk“ bzw. „MV2Trk“ am MPC-Block aufgehoben werden. Die Einstellung der Einheiten der Stellgrößen des MPCs erfolgt in der Originalform über den Eingang „PV_InUni“ der analogen Ausgangsblöcke „Pcs7AnOu“ bzw. bei einer Kaskadenstruktur über die Einheit für den Prozesswert im Fol-geregelkreis.

Überwachung: Um eine Überprüfung der Verbindungen der Kaskaden zu ermöglichen, muss für jede Kaskade ein weiterer Oder-Block eingefügt werden. Der erste Eingang wird dabei jeweils von dem Ausgang des Blo-ckes „CV_Bad“ (siehe Abbildung 2-4, Nummer 5) zur Überwachung der Prozesswerte des MPCs gebildet. Als zweiter Eingang muss zusätzlich der Ausgang „CacaCut“ des jeweiligen unterlagerten PID-Regelkreises verbun-den werden.

Hinweis Solange der Regler nicht auf den Prozess angepasst ist (d.h. noch kein zur konkreten Applikation passender Anwender-Datenbaustein erstellt und geladen ist), kann er nur im Handbetrieb gefahren wer-den.

7. Übersetzten und laden Sie nun die gemachten Änderungen. Für die Einbindung des neuen MPC-Bildbausteins muss die OS neu übersetzt werden.

Damit haben Sie den MPC-Regler erfolgreich in Ihre Anlage eingebaut. In einem nächsten Schritt muss dieser nun geeignet parametriert werden. Um eine Identifikation des vorliegenden Teilprozesses zu ermöglichen, müssen zunächst Messdaten generiert werden.

Implementierung des MPCs

MPC 37361208 Abbildung 2-3: Wichtige Verschaltungen des Messstellentyps in der Originalform mit direktem Zugriff auf

die Stellglieder

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MPC 37361208 Abbildung 2-4: Wichtige Verschaltungen des Messstellentyps in Kaskadenstruktur

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…/P

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Generierung von Identifikationsdaten

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3 Generierung von Identifikationsdaten

Prozessanregung und Aufzeichnung von Lerndaten

Der Prozess wird im Handbetrieb des Reglers mit Stellgrößensprüngen und falls möglich mit Sprüngen in der Störgröße angeregt. Die Messdaten wer-den dabei mit dem CFC-Trendkurvenschreiber aufgezeichnet und an-schließend in eine Archivdatei exportiert.

1. Zum Öffnen der Trendanzeige wählen Sie im CFC-Plan unter dem Me-nüpunkt „Ansicht“ die „Trendanzeige“ aus.

Abbildung 3-1: CFC-Trendanzeige

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2. Legen Sie eine neue Trendanzeige an. Im Bereich „Aufzeichnung“ kön-nen Sie unter „Ändern“ mehrere Einstellungen vornehmen:

• die Anzahl der Messwerte, welche aufgezeichnet werden können; • der Erfassungszyklus: Dieser muss ein ganzzahliges Vielfaches des

eingestellten Weckalarms sein und sollte groß genug gewählt wer-

Generierung von Identifikationsdaten

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den, damit genügend Sprunganregungen erfasst werden können. Als Faustregel gilt dabei, dass der kürzeste Einschwingvorgang (Sprungantwort) mit ca. 200 Messwerten erfasst werden soll. Dabei ergibt sich der maximale Zeitbereich, der mit diesen Einstellungen erfasst werden kann, aus der Multiplikation der Anzahl der Mess-werte mit dem Erfassungszyklus.

Abbildung 3-2: Einstellungen für die Aufzeichnung

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3. Als nächstes sind die Variablen (Stell-, Regel- und Störgrößen) auszu-wählen, welche aufgezeichnet werden sollen. Dazu ziehen Sie die je-weiligen Signale per Drag&Drop aus dem CFC-Plan des MPC-Reglers in die Trendanzeige.

4. Wählen den Value-Teil der Datenstruktur aus und weisen ihr einen frei-en Kanal zu.

5. Fahren Sie den Prozess in den Arbeitspunkt und warten Sie den statio-nären Zustand ab. Ist dieser erreicht, kann mit der Datenaufzeichnung begonnen werden. Zuvor sollten Sie sich allerdings überlegt haben, welche Sprünge Sie in den Stell- und den Störgrößen vornehmen möchten. Dabei ist zu beachten, dass für eine erfolgreiche Identifikation die Messdaten symmetrisch zum Arbeitspunkt sein sollten. Damit reicht eine einfache Sprungantwort nicht aus. Ebenso sollte möglichst die ge-

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samte Dynamik des Prozesses angeregt werden. So wäre es z.B. mög-lich, zunächst die Sprünge für die erste Stellgröße durchzuführen, wo-bei stets zwischen zwei Änderungen der stationäre Zustand erreicht sein sollte. Im Anschluss daran sollte das gleiche Szenario für die ande-re Stellgröße und die Störgröße erfolgen. Abbildung 3-3 zeigt ein Bei-spiel.

Hinweis Weitere Hinweise zur Auswahl der Anregungssignale sind in der Online-Hilfe des MPC-Konfigurators unter „Details zu den einzelnen Entwurfs-Schritten > Aufnahme von Messreihen“ zu finden.

6. Bevor Sie mit der eigentlichen Aufzeichnung starten, vergessen Sie nicht die externen Sollwerte der unterlagerten PID-Regler zu aktivieren („SP_ExtOp=1“ für „SP_LiOp=0“ als Default-Wert bzw. „SP_ExtLi=1“ für „SP_LiOp=1“).

7. Starten Sie nun die Aufzeichnung der Trendanzeige. Dazu muss sich der CFC im Testmodus befinden. Führen Sie dann die von Ihnen ge-planten Sprünge in den Stellgrößen und der Störgröße nacheinander aus.

Generierung von Identifikationsdaten

MPC 37361208 Abbildung 3-3: Aufzeichnung von Messdaten (zeitlicher Ausschnitt)

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8. Sind alle Sprünge durchgeführt und das System befindet sich wieder in einem stationären Zustand, kann die Aufzeichnung mit „Anhalten“ ge-stoppt werden.

9. Exportieren Sie die Daten über die Schaltfläche „Exportieren“ in eine csv-Datei. Behalten Sie dabei die vordefinierten Einstellungen bei.

10. Generieren Sie evtl. auf den gleichen Weg einen weiteren Messdaten-satz mit unterschiedlicher Signalform der Anregungen, welcher für die Validierung des identifizierten Modells verwendet werden kann.

Parametrierung und Inbetriebnahme des MPCs

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4 Parametrierung und Inbetriebnahme des MPCs

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4.1 MPC-Konfigurator

Die Parametrierung erfolgt mit dem MPC-Konfigurator. Markieren Sie dazu den MPC-Regler im CFC-Plan und rufen Sie den MPC-Konfigurator unter dem Menüpunkt „Bearbeiten > MPC konfigurieren“ auf. Abbildung 4-1: Startansicht des MPC-Konfigurators

1. Wählen Sie mit „Daten laden“ Ihre zuvor aufgezeichneten Identifikati-onsdaten aus. Alle aufgezeichneten Variablen werden daraufhin auto-matisch in dem Fenster angezeigt.

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Abbildung 4-2: Einstellungen für Identifikationsdaten

2. Wählen Sie für jede Variable aus, ob es sich um eine Stell-, Regel- oder Störgröße handelt oder ob sie nicht relevant ist.

3. In dem unteren Bereich des Fensters mit dem Titel „Parameter“ können Sie den oben gezeigten Zeitbereich einschränken. Sind in dem Prozess Totzeiten (Verzögerung) vorhanden, so sollte dies hier für die Identifika-tion vermerkt werden. Ebenso ist es möglich mittels eines Rauschfilters die Daten zu glätten bzw. mit einer Unterabtastung die Datenmenge zu reduzieren.

Auf diese Weise können auch mehrere unterschiedliche Datensätze bzw. gleiche Datensätze mit unterschiedlichen Zeitbereichen geladen werden. Für die Identifikation werden alle geladenen Daten berücksichtigt.

Parametrierung und Inbetriebnahme des MPCs

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4. Zum Entfernen eines Datensatzes aus den Identifikationsdaten klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Namen der zugehörigen Datei in der Datenauswahl.

5. Die Identifikation wird über die Schaltfläche„Identifizieren“ gestartet. Im daraufhin erscheinenden Fenster (siehe Abbildung 4-3) werden die Ergebnisse der Identifikation aufgezeigt.

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Abbildung 4-3: Ergebnisse der Identifikation

6. Werten Sie diese sorgfältig aus und entscheiden Sie, ob das so gefun-dene Modell für den Reglerentwurf die benötigte Genauigkeit besitzt.

• Durch Klicken auf die Sprungantworten können zusätzlich die Bode-Diagramme analysiert werden.

• Ein Anklicken der Regelgrößen liefert den genauen Vergleich zwischen Mess- und Modelldaten wie im Beispiel in Abbildung 4-4 zu sehen.

Parametrierung und Inbetriebnahme des MPCs

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• Insgesamt sollte die Modellgüte so groß wie möglich sein und mindes-tens 50% betragen, die Dynamik ausreichend erfasst sein und stabile Sprungantworten vorliegen.

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Abbildung 4-4: Modellgüte (Werte von 99% können nur mit simulierten Daten erreicht werden.)

Ist das Modell identifiziert so kann im nächsten Schritt der Reglerentwurf erfolgen. Dieser basiert auf der Minimierung eines Gütemaßes aus Regel-fehler und Stellgrößenänderung:

( ) ( ) uQuywRywJTT

Δ⋅⋅Δ+−⋅⋅−= .

Dabei bilden die Diagonalmatrizen R und Q Gewichtungen, welche die Stärke des Regeleingriffes beeinflussen.

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Reglerparametrierung

Zur Reglerparametrierung können in dem Fenster aus Abbildung 4-3 einige Einstellungen getroffen werden:

• Gewichtung der Regelgrößen: Diese entspricht dem zur jeweiligen Regelgröße zugehörigen Diagonalelementen der Matrix R über den gesamten Prädiktionshorizont. Sie gibt die Bedeutung einer Regel-größe an. Ist sie z.B. für Regelgröße 1 größer als für Regelgröße 2, wird Regelgröße 1 schneller und genauer ihrem Zielwert nachge-führt als Regelgröße 2.

• Bestrafung der Stellgrößen: Dies entspricht dem zur jeweiligen Stellgrößenänderung zugehörigen Diagonalelementen der Matrix Q über den gesamten Steuerhorizont. Je größer sie gewählt wird, des-to stärker wird eine Änderung in der Stellgröße bestraft. Somit wird der Regler langsamer mit dieser Stellgröße reagieren und dafür an Robustheit gewinnen.

• Reglerabtastzeit: Der MPC-Konfigurator schlägt auf Basis des iden-tifizierten Prozessmodells einen sinnvollen Wert für die Abtastzeit vor, und zwar so, dass die langsamste Sprungantwort mit maximal 100 Abtastschritten erfasst werden kann. Im Allgemeinen sollten Sie die vorgeschlagene Reglerabtastzeit nicht ändern, und die CFC-Ablaufgruppe mit dem MPC-Messstellentyp in die Weckalarmebene verschieben, die mit der vorgeschlagenen Abtastzeit aufgerufen wird. Wird die Reglerabtastzeit in der Oberfläche des MPC-Konfigurators in Rot angezeigt, ist eine Abtastzeit größer als 20 s gefordert. Sie müssen den Funktionsbaustein dann in den lang-samsten Weckalarm, nämlich den OB30 einbauen. Der Funktions-baustein wird dann alle 20s aufgerufen, aber der Regler wird durch eine interne Taktuntersetzung mit der angezeigten Abtastzeit akti-viert.

• DB Nr.: Die Nummer des zu dieser Parametrierung gehörenden Da-tenbausteins muss von Hand eingetragen werden. Verwenden Sie eine DB-Nummer die in Ihrem Projekt bisher nicht verwendet wird, um ein Überschreiben eines vorhandenen Bausteins zu vermeiden.

Sind alle Einstellungen gewählt kann mit „Regler entwerfen“ der Regler be-rechnet werden (Abbildung 4-3).

Parametrierung und Inbetriebnahme des MPCs

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Regler Entwurf 1. Im Fenster „Verifikation und Simulation“ kann im oberen Bereich der

zuvor aufgezeichnete Datensatz für die Validierung geladen werden. Dadurch erfolgt automatisch ein Vergleich zwischen diesem Messda-tensatz und den zugehörigen Modellergebnissen.

2. Die Ergebnisse können durch Anklicken detaillierter betrachtet werden.

Abbildung 4-5: Validierung

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3. Im mittleren Bereich wird mit Betätigen der Schaltfläche „Regelkreis si-

mulieren“ der Regler im geschlossenen Regelkreis in einer Simulation getestet.

4. Durch Betätigen des rechten Feldes mit der Kurvenanzeige können die Ergebnisse näher begutachtet werden.

5. Zeigt sowohl das Modell als auch der Regler das gewünschte Verhal-ten, kann der Anwender-Datenbaustein für den Regler über „SCL-Quelle exportieren“ exportiert werden.

Parametrierung und Inbetriebnahme des MPCs

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4.2 Einbindung der Reglerparameter

Zunächst muss die vom MPC-Konfigurator erzeugte SCL-Quelle importiert werden. 1. Gehen Sie dazu analog zu Abbildung 4-6 in die Komponentensicht Ih-

res SIMATIC Managers und markieren Sie den Ordner „Quellen“ unter den S7-Programmen in der CPU.

2. Über „Neues Objekt einfügen > Externe Quelle“ im Kon-textmenü kann die gewünschte SCL-Quelle ausgewählt werden.

Abbildung 4-6: SCL-Quelle einfügen

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3. Zum Übersetzen der Quelle wählen Sie „übersetzen“ im Kontextmenü Ihrer eingefügten SCL-Quelle aus.

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4. Anschließend kann der neue DB direkt aus dem SCL-Editor in das Ziel-system geladen werden.

5. Um den MPC-Regler die richtigen Parameter zuzuweisen, muss nun im CFC-Plan der Eingang des MPC-Reglers „DB_No“ mit der richtigen DB-Nummer parametriert werden. Die Inhalte dieser neuen oder veränder-ten DB werden nur dann geladen, wenn der Regler neu initialisiert wird. Dies erfolgt durch Setzen des Eingangs „Restart“ des MPC-Reglers im online-Modus.

6. Nun müssen die Sollwerte richtig gesetzt und der Regler in den Auto-matikbetrieb umgeschaltet werden.

4.3 Parametrierung im Betrieb

Zeigt der Regler ein zu aggressives Verhalten, so kann im Betrieb das Re-gelverhalten durch Verwendung eines Sollwertfilters verlangsamt werden. Dieser führt eine Sollwertänderung nicht sprunghaft sondern gemäß einer asymptotischen Trajektorie durch. Als Einstellwert kann dabei für jeden Sollwert die Zeitkonstante (Eingang „PreFilt“ am MPC-Regler) vorgegeben werden. Dies entspricht in etwa der gewünschten Einschwingzeit der zuge-hörigen Regelgröße nach einem Sollwertsprung.

Prädiktivregelung mit mehr als einer messbaren Störgröße

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5 Prädiktivregelung mit mehr als einer messbaren Stör-größe

Falls Sie bei einer Applikation mehr als eine messbare Störgröße berück-sichtigen wollen und nicht alle vier Stellgrößen des ModPreCon-Bausteins brauchen, können Sie den ersten bisher unbenutzten Stellkanal für eine Störgrößenaufschaltung umwidmen.

Beispiel (siehe Abbildung 5-1): 1. Sie haben nur zwei Stelleingriffe zur Verfügung, verwenden also nur

„MV1“ und „MV2“.

2. Schalten Sie die zusätzliche messbare Störung „DV2“ auf den Ein-gangsparameter „MV3Trk“ und setzen „MV3TrkOn=1“.

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Abbildung 5-1: CFC-Plan mit zusätzlicher Störgröße, verschaltet auf den Eingang MV3Trk

Prädiktivregelung mit mehr als einer messbaren Störgröße

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3. Bei der Aufzeichnung von Lerndaten für den Prädiktivregler deklarieren Sie „MV3Trk“ als dritte Stellgröße und zeichnen mit dem CFC-Trendkurvenschreiber auch die Auswirkung von Änderungen von „DV2“ auf alle Regelgrößen auf.

4. Mit dem MPC-Konfigurator ermitteln Sie dann ein Prozessmodell, das auch die Auswirkungen von „MV3=DV2“ beschreibt.

5. Beim Reglerentwurf im MPC-Konfigurator setzen Sie die Bestrafung der Stellgrößenänderungen für „MV3“ auf einen sehr viel höheren Wert (z.B. Faktor 100) als bei den beiden wirklichen Stellkanälen „MV1“ und „MV2“. Damit wird der Regler kaum versuchen, „MV3“ aktiv zu bewe-gen, was er ja tatsächlich auch nicht kann, da sich externe Störgrößen vom Regler nicht beeinflussen lassen.

Falls sich jedoch die Störgröße „DV2“ im Automatikbetrieb des Reglers durch äußere Einflüsse ändert, werden die Auswirkungen dieser Änderung über „MV3Trk“ bei der Vorhersage des zukünftigen Prozessverhaltens be-rücksichtigt und können in vorausschauender Art und Weise kompensiert werden. Die Güte der Störgrößenkompensation ist genauso hoch wie bei der regulären Störgrößeaufschaltung über den Eingangsparameter „DV“ und „DV_On=1“.

Falls Sie diese Störgrößenkompensation durch die umgewidmete Stellgrö-ße „MV3“ im laufenden Betrieb deaktivieren wollen, müssen Sie vor den Eingang „MV3Trk“ einen Selektor-Baustein „SelA02In“ setzen. Dadurch können Sie anstelle des Messwerts „DV2“ eine konstante Null auf „MV3Trk“ schalten, wodurch jeder Einfluss von „MV3“ auf die Prädiktion unterbunden wird („MV3TrkOn“ muss wegen der Umwidmung immer auf 1 bleiben, damit der Wert von „MV3“ vom Regler nicht verändert werden kann).

Simulationsbeispiel

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6 Simulationsbeispiel

6.1 Destillationskolonne

Abbildung 6-1 zeigt eine Destillationskolonne mit Basisautomatisierung wie sie hier im Folgenden als Grundlage verwendet wird. Nähere Informationen zur Regelung einer Destillationskolonne sind [1.] zu entnehmen.

Abbildung 6-1: Basisautomatisierung einer Destillationskolonne

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Diese soll nun um eine Temperaturregelung für das Destillat erweitert wer-den. Wegen des Zusammenhangs zwischen Temperaturen und Konzentra-tionen im Phasengleichgewicht (von Dampf und Flüssigkeit) wird durch die-se Temperaturregelung indirekt eine Konzentrationsregelung, d.h. eine Qualitätsregelung, für den Prozess der Stofftrennung bei der Destillation er-reicht. Dazu wird eine Kaskadenregelung aufgebaut, welche als unterlager-ten Regler den PID-Regler für den Durchfluss im Rücklauf verwendet. Zu-

Simulationsbeispiel

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nächst soll der überlagerte Temperaturregler ebenfalls als ein einzelner PID-Regler realisiert werden. Im Anschluss daran werden mit Hilfe eines MPC-Reglers zusätzlich die Kopplung der Temperatur des Destillats mit der des Sumpfes und der Störeinfluss der Zulaufmenge berücksichtigt. Beide Ansätze werden in einer Simulation miteinander verglichen. Dazu werden zwei Szenarien getestet: eine Sprungvorgabe für die Sollgröße, sowie ein Sprung in der Störgröße.

6.2 Konventionelle Eingrößenregelung

Die Erweiterung der Automatisierung mit einem überlagerten PID-Regler ist in folgender Abbildung gezeigt.

Abbildung 6-2: Automatisierung mit PID-Führungsregler für die Kopftemperatur

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Simulationsbeispiel

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Der Regler gibt aufgrund der gemessenen Temperatur des Destillats einen externen Sollwert an den unterlagerten Durchflussregler weiter. Er wurde mit dem PID-Tuner auf Führungsverhalten hin parametriert.

Abbildung 6-3 zeigt die Ergebnisse des PID-Reglers bei einem Sprung in der Sollwertvorgabe für die Temperatur des Destillats (in rot). Der schwin-gungsfreie Übergang zur neuen Solltemperatur gelingt nur durch einen langsamen Regeleingriff. Die Temperatur des Sumpfes wird dabei in uner-wünschter Weise permanent verändert, weil keine Regelung für die Sumpf-temperatur vorhanden ist.

Der Einfluss einer Änderung in der Störgröße des Durchflusses im Zulauf ist in Abbildung 6-4 zu sehen. Beide Temperaturen verändern sich deutlich durch den veränderten Zufluss, wobei der PID-Regler nur die Temperatur des Destillats langsam auf ihren Sollwert zurückführt.

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Abbildung 6-3: Sollwertsprung an der Destillat-Temperatur mit PID-Regler

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Abbildung 6-4: Sprungförmige Störung im Zulauf mit PID-Regler

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6.3 Regelung mit MPC

Im Folgenden wird nun die Temperaturregelung mit MPC betrachtet.

Abbildung 6-5: Automatisierung mit MPC-Regler

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Dazu gibt der MPC-Regler auf Grundlage der gemessenen Temperaturen des Destillats und des Sumpfes sowie dem bekannten Störeinfluss des Zu-laufs externe Sollwerte an die unterlagerten PID-Regler. Diese regeln zum einen den Durchfluss im Rücklauf sowie den Durchfluss der Heizdampf-menge.

Abbildung 6-6 zeigt das Ergebnis des MPC-Reglers bei einem Sollwert-sprung in der Temperatur des Destillats. Die Temperatur wird schnell und schwingungsfrei nachgeführt, sowie die Temperatur des Sumpfes auf ihren ursprünglichen Wert geregelt.

Simulationsbeispiel

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Abbildung 6-6: Sollwertsprung der Destillat-Temperatur mit MPC

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Der Einfluss der gleichen Änderung in der Störgröße wie zuvor bei dem PID-Regler wird nun für den MPC-Regler inAbbildung 6-7 gezeigt. Die Stö-rung wird nahezu ideal kompensiert, d.h. es ist fast keine Veränderung der Temperaturverläufe zu erkennen.

Hinweis Im Sinne der Vergleichbarkeit stimmt die Skalierung der Ordinate und die Länge der Abszisse bei allen Diagrammen überein.

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Abbildung 6-7: Sprungförmige Störung im Zulauf mit MPC-Regler

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Die Vorteile des MPCs gegenüber dem PID-Regler sind hier deutlich zu er-kennen. Durch die Betrachtung des Mehrgrößensystems wird die thermo-dynamische Kopplung zwischen Kopf und Sumpf der Kolonne mitberück-sichtigt. Die Rückführung der messbaren Störgröße ermöglicht ein schnel-les Ausgleichen der störenden Einflüsse der Zulaufmenge. Da es sich bei dem vorliegenden Beispiel um ein System mit Totzeit handelt, kann der MPC-Regler prinzipiell sein Regelziel schneller (schwingungsfrei) als der PID-Regler erreichen.

Fazit

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7 Fazit

Eine Gegenüberstellung des konventionellen PID-Reglers und eines MPC-Reglers ist in Tabelle 7-1 gezeigt. Ein Vergleich zu einem PID-Regler mit Smith-Prädiktor wird in einer separaten Application Note zum Thema Smith-Prädiktor beschrieben.

Tabelle 7-1: Vergleich von PID-Ein- und MPC-Mehrgrößenregelung an einer Destillationskolonne

PI(D)-Regler (kon-ventionell)

MPC

Eingrößen / Mehrgrößenfall Nur Eingrößenfall Ein- oder Mehr-größenfall

Regelgüte Gering Sehr gut Engineering-Aufwand Gering Mittel Ressourcen-Bedarf in der AS (Speicherplatz, Rechen-zeit)

Gering Hoch

Regelung von Totzeitpro-zessen

Nur langsam Sehr gut

Störgrößenaufschaltung Kann ergänzt werden. Bereits integriert.

Hardware-Variante zur MPC-Evaluierung Falls Sie den MPC an einer Anlage erproben wollen, in der bisher noch ei-ne ältere Version als PCS7 V7.0 SP 1 (d.h. ohne MPC Software) installiert ist, gibt es folgende Möglichkeit für einen temporären Testaufbau:

• Koppeln Sie eine aktuelle PCS 7 BOX V7.1 mit MPC an Ihr bestehen-des PCS 7 System (ab PCS7 V5.x aufwärts) an. Der Datenverkehr zwi-schen dem ModPreCon-Baustein in der Slot-CPU und den Funktions-bausteinen der bestehenden Anlage wird per AS-AS-Kommunikation projektiert.

Fazit

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Abbildung 7-1: Testaufbau zur Evaluierung der APC-Funktionalität als temporäre Lösung

Version V1.0 9.7.2009 34/35

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PCS 7 OS ClientsPCS 7Engineering Station

PCS 7OS-Server (redundant)

PCS 7ControllerAS 414FHAS 417FH

ET 200M(Safety)

ET 200M

DP/PA-Link

PCS 7ControllerAS 414AS 416AS 417

ET 200M

ET 200M

Profibus PA

Prof

ibus

DP

Prof

ibus

DP

PCS 7 BOX(V7.1)

APC(MPC)

bestehende SIMATIC PCS 7-Anlage (älter als

Version V7.0 SP1)

bestehende SIMATIC PCS 7-Anlage (älter als

Version V7.0 SP1)

SIMATIC PCS 7 BOX (in Version V7.1) als „APC-

Erweiterung“

SIMATIC PCS 7 BOX (in Version V7.1) als „APC-

Erweiterung“

AS-AS KommunikationAS-AS Kommunikation

Historie

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8 Historie Tabelle 8-1 Historie

Version Datum Änderung

V1.0 Juli 2009 Erste Ausgabe

9 Literatur

[1.] Pfeiffer, B.-M., Lorenz, O.: Unit-orientierte Musterlösungen für Ad-vanced Control (Unit-oriented solution templates for advanced control) – Beispiel Destillationskolonne (Example distillation column). Automati-on 2008, Baden-Baden. VDI-Berichte 2032, S. 11-14, VDI-Verlag, Düs-seldorf.