Úloha
Na optimálne prevádzkovanie kolón je potrebné často zasahovať do výrobného procesu a manuálne ho vyregulovať. Pomocou Lean-APC (Advanced Process Control) chcela chemická fabrika dosiahnuť optimalizáciu riadenia procesu a konštantnú prevádzku.
Na rad prišlo riadenie založené na jednoduchších prediktívnych algoritmoch bez online optimalizácie a s malým počtom akčných zásahov a regulovaných veličín. Tieto takzvané štíhle (lean) prediktívne regulátory (Model Predictive Control – MPC) potrebujú na online výpočet akčných zásahov iba niekoľko maticových súčinov a vyžadujú si tým pádom oveľa nižšie nároky na výpočtový výkon. Vďaka tomu je možné tieto regulátory implementovať ako konvenčné PID regulátory vo forme funkčného prvku na procesnej úrovni.
Postup
Implementáciu MPC regulátora zabezpečoval tamojší prevádzkový inžinier zodpovedný za časť merania a regulácia. To si najskôr vyžadovalo analýzu kolóny a jej prevádzky. Následne sa vypracoval zjednodušený koncept riadenia. Základné regulačné okruhy na nižšej úrovni už boli medzičasom dobre nastavené, takže sa mohlo upustiť od prípadného ladenia regulátorov. Na identifikáciu modelu kolóny sa zrealizovali adekvátne skokové zmeny a sledovala sa odozva sústavy. Z nich sa potom pomocou MPC konfigurátora dali identifikovať modely a parametrizovať regulátory.
Hlavným nástrojom sa stal štíhly (lean) regulátor s viacerými výstupmi zo štandardnej knižnice SIMATIC PCS 7. Tento prediktívny regulátor (MPC) s viacerými výstupmi spracováva maximálne štyri akčné zásahy a regulované veličiny ako aj jednu merateľnú poruchovú veličinu v v štandardnom funkčnom bloku.
Prediktívna regulácia viacerých riadených veličín na základe modelu bola v tomto prípade ideálnou voľbou, pretože v kontinuálnych procesoch dokáže z potenciálu vylepšení veľa vyťažiť. Lean-APC sa optimálne hodí na kolóny s reguláciou malého počtu riadiacich
a regulačných veličín. V neposlednom rade kladie Wacker veľký dôraz na nízke náklady na inžiniering a údržbu.
Riadenie zahŕňa kolónu, vzduchové chladenie, tepelný výmenník a dodatočnú kondenzáciu. Ako regulačné, poruchové a akčné veličiny slúžia koncentrácia, teplota, refluxný pomer, zásobovanie parou, prísun prísad do kolóny a vonkajšia teplota.
Jednoduchá integrácia do riadiaceho systému PCS 7
Základný postup sprevádzkovania prediktívneho regulátora sa opiera o prácu PID regulátorov s počítačovou podporou, k čomu je potrebných len niekoľko krokov. Implementácia prebieha jednoducho spôsobom „drag and drop“ a prepojením signálov v nástroji SIMATIC Manager. Obslužný modul ako aj všetky hlásenia automaticky vygeneruje SIMATIC PCS 7. Po vložení modulu do bežiaceho zariadenia sa môže testovať prediktívny MPC.
Identifikácia modelu z odozvy skokových zmien a parametrizovanie MPC sa uskutočňuje prostredníctvom MPC konfigurátora iba niekoľkými úkonmi. Výsledkom sú prenosové funkcie ako aj obraz modelu. MPC konfigurátor vytvára tiež SCL kód, ktorý je následne zakomponovaný do nástroja SIMATIC Manager. Po týchto krokoch má operátor zariadenia k dispozícii pre kolónu funkčný prediktívny regulátor na základe modelu.
S obsluhou sa operátori v závode v Burghausene rýchlo zoznámili, keďže MPC regulátor sa vizuálne ponáša na konvenčné PID regulátory. Počas prechodnej fázy má operátor k dispozícii dodatočný prepínač, ktorý slúži na prepínanie medzi starým a novým riadením.
Lean-APC nie sú žiadne čary
S Lean-APC a novým spôsobom riadenia sa závodu Wacker Chemie v Burghausene podarilo oveľa stabilnejšie udržiavať kritickú koncentráciu v hornej časti kolóny. Vďaka tomu je počas výrobného procesu potrebných oveľa menej manuálnych zásahov do jeho riadenia. Úspech nasadeného MPC regulátora spočíva v zlepšení vyregulovania poruchových veličín a kratších časov regulácie.
Prax ukazuje, že štíhle APC funkcie zabudované do systému SIMATIC PCS 7 ponúkajú efektívnu a nenákladnú možnosť optimalizácie procesu. Výhody Lean-APC sa ukazujú už pri menších aplikáciách. Aj preto vo Wacker Chemie uvažujú nad využitím tohto spôsobu riadenia aj v iných aplikáciách.