Advanced Process Control mit SIMATIC PCS 7
Advanced Process Control mit SIMATIC PCS 7
Advanced Process Control mit SIMATIC PCS 7
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anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
hrung<br />
Erweiterungen<br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
<strong>Advanced</strong> <strong>Process</strong> <strong>Control</strong><br />
<strong>mit</strong> <strong>SIMATIC</strong> <strong>PCS</strong> 7<br />
Dr. B.-M. Pfeiffer<br />
Siemens AG, A&D ATS 32, Karlsruhe<br />
Au t o m a t i o n a n d Drives,<br />
Ad v a n c e d T echnologies and S tandards<br />
T e l . : + 4 9 ( 7 2 1 ) 5 9 5- 5 9 7 3<br />
b e r n d -markus.pfeiffer@siemens.com<br />
http://www.siemens.com/pcs7
Dezentralisierung der Intelligenz<br />
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
ührung<br />
Von der Automatisierungs-Pyramide zum verteilten Leitsystem<br />
h e u t e<br />
morgen<br />
Erweiterungen<br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
Planen<br />
Disponieren<br />
Leiten<br />
Planen<br />
Disponieren<br />
Leiten<br />
Steuern<br />
Messen, Stellen<br />
Steuern<br />
Messen,<br />
Stellen<br />
Steuern<br />
Messen,<br />
Stellen<br />
Steuer<br />
Messe<br />
Stellen
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
hrung<br />
Erweiterungen OS<br />
Single<br />
id<br />
Prototyping<br />
Station<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
(Multi-<br />
VGA)<br />
Architektur moderner Prozessleitsysteme<br />
am Beispiel <strong>SIMATIC</strong> <strong>PCS</strong> 7<br />
Engineerin<br />
g<br />
Station ES<br />
<strong>SIMATIC</strong><br />
PDM<br />
Engineering<br />
Toolset<br />
OS Clients<br />
@<br />
+<br />
SAP R/3<br />
Office LAN Etherne<br />
t<br />
OS- LAN Ethernet<br />
OS-Server<br />
(redundant)<br />
<strong>SIMATIC</strong> BATCH<br />
Clients<br />
@<br />
+<br />
Internet/Intrane<br />
<strong>SIMATIC</strong> IT<br />
t<br />
@<strong>PCS</strong> 7 /<br />
Framework OPC-Server<br />
Components<br />
Batch-Server<br />
(redundant)<br />
Office LAN Ethernet<br />
Plant<br />
Informatio<br />
n<br />
Servic<br />
e<br />
Plant<br />
Maintena<br />
ET<br />
2 0 0 X<br />
DP/AS- I<br />
DP/EI<br />
B<br />
ET<br />
2 0 0 S<br />
AS 417<br />
AS 416<br />
AS 414<br />
PROFIBUS- DP<br />
DP/PA- Link<br />
PROFIBUS-DP<br />
Zone 2<br />
Industrial Ethernet / Fast<br />
Ethernet<br />
OS<br />
ET<br />
200M<br />
Ex- I/O<br />
H A R T<br />
PROFIBUS-<br />
PA<br />
Zone 1<br />
O<br />
P<br />
ET<br />
200iS<br />
PROFIBUS- DP<br />
AS 414<br />
F/FH<br />
AS 417<br />
F/FH<br />
ET<br />
200M<br />
F a i l s a f e<br />
ET<br />
200M<br />
DP/PA- Link<br />
PROFIBUS- PA<br />
PROFIBUS- DP<br />
AS 414 H<br />
AS 417 H<br />
ET<br />
200M<br />
DP/PA- Link<br />
PROFIBUS- PA<br />
Y- Link<br />
C O x , N O x , . . .<br />
~<br />
S<br />
/
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
ührung<br />
Erweiterungen<br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
Basis-Regelungsfunktionen im<br />
Prozessleitsystem<br />
PID-Regler <strong>mit</strong> Zusatzfunktionen (>100 Parameter)<br />
• Betriebsarten: Hand, Automatik, Kaskade, Nachführen<br />
• Sollwertbegrenzung und -rampen<br />
• Anti-Windup, verzögerter D-Anteil, Struktur-Zerlegung<br />
• Stellgrößenbegrenzung, Störgrößenaufschaltung<br />
• Alarm- und Melde-Funktionen, Bedienberechtigungen<br />
Regler-Zubehör<br />
• Split-Range, Rampe, Polygonzug, Verhältnisbaustein<br />
Peripherie-Treiber<br />
• Messwerte, Status-Informationen<br />
Dynamik-Bausteine<br />
• PT1, I, D, (VZ3), keine allg. dynamische Übertragungs-Funktion<br />
• alle zeitdiskret realisiert, aber quasi-kontinuierlich<br />
parametrierbar
Übersicht APC-Methoden<br />
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
ührung<br />
Erweiterungen<br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
Ebene Automatisierungsfunktion Zeithoriz<br />
U n t e r n e h m e n s-<br />
Leitebene<br />
Betriebs-<br />
Leitebene<br />
P r o z e s s-<br />
Leitebene<br />
P r o z e s s n a h e<br />
E b e n e<br />
S u p p l y C h a i n M a n a g e m e n t , l ä n g e r f r i s t i g e P r o d u k t i o n s p l a n u n g ,<br />
K o s t e n a n a l y s e , a n d e r e b e t r i e b s w i r t s c h a f t l i c h o r i e n t i e r t e F u n k t i o n e n<br />
Online-Prozessoptimierung <strong>mit</strong> theoretischen Prozessmodellen,<br />
statische Arbeitspunktoptimierung und Trajektorien-Optimierung,<br />
E r w e i t e r t e P r o t o k o l l i e r u n g u n d B e t r i e b s d a t e n -A r c h i v i e r u n g ( P r o z e s s - u n d<br />
Labor - I n f o r m a t i o n s s y s t e m e ) , P r o c e s s P e r f o r m a n c e M o n i t o r i n g ,<br />
K u r z f r i s t i g e P r o d u k ti o n s p l a n u n g , R e z e p t u r-E r s t e l l u n g u n d -V e r w a l t u n g<br />
B e d i e n e n u n d B e o b a c h t e n , R e g i s t r i e r e n / P r o t o k o l l i e r e n ,<br />
Model Predictive <strong>Control</strong>, Fuzzy-Logik und Fuzzy-<strong>Control</strong><br />
Andere moderne Regelungsverfahren (adaptive Regelungen, robuste<br />
Regelungen, nichtlineare Regelungen, Internal Model <strong>Control</strong>,<br />
Zustandsregelung, Entkopplungsregelungen ...),<br />
Softsensoren (Beobachter, Kalman-Filter, neuronale Netze,<br />
Regressionsmodelle)<br />
Prozessdiagnose, <strong>Control</strong> Performance Monitoring (CPM), St a t i s t i c a l<br />
Proce s s C o n t r o l ( S P C ) , R e z e p t u r - u n d A b l a u f s t e u e r u n g e n<br />
PID -B asisregelungen und vermaschte Regelungen ( K a s k a d e n r e g e l u n g ,<br />
V e r h ä l t n i s r e g e l u n g , S t ö r g r ö ß e n a u f s c h a l t u n g , S p l i t -R a n g e , O v e r r i d e-<br />
Regelung, Gain Scheduling, S<strong>mit</strong>h-Prädiktor, . . . ), Selbsteinstellung<br />
v o n P I D -R e g l e r n , S c h u t z- u n d V e r r i e g e l u n g s f u n k t i o n e n<br />
F e l d e b e n e S e n s o r e n u n d A k t o r e n m s<br />
Tage<br />
M o n a<br />
h...Ta<br />
s . . m i n<br />
ms..s
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
ührung<br />
Erweiterungen<br />
<strong>Advanced</strong><br />
<strong>Process</strong> <strong>Control</strong><br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
PID-<br />
Erweiterungen<br />
Neuro /<br />
Fuzzy<br />
Prädiktivregler<br />
(MPC)<br />
Rapid<br />
Prototyping<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
Gain-<br />
Scheduling<br />
S<strong>mit</strong>h - Prädiktor<br />
Störgrößen -<br />
aufschaltung<br />
Optimierung /<br />
Selbsteinstell.<br />
Funktions -<br />
bausteine<br />
<strong>mit</strong><br />
Echtzeit-<br />
Schnittstelle<br />
zum<br />
PLS<br />
PC-<br />
Engineering-<br />
Tool<br />
Modellbasierte<br />
prädiktive<br />
Mehrgrößenregler<br />
:<br />
auf ext . PC,<br />
<strong>mit</strong><br />
PLS-<br />
Koppel -<br />
bausteinen<br />
Ankopplung<br />
Matlab /<br />
Simulink
PID-Erweiterungen<br />
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
hrung<br />
Erweiterungen<br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
Templates für PID-Strukturen<br />
• Kaskadenregelung<br />
• (Dynamische) Störgrößenaufschaltung (Lead-Lag)<br />
• Gain-Scheduling für nichtlineare Strecken<br />
• Override <strong>Control</strong> (Ablösende Regelung)<br />
• S<strong>mit</strong>h-Prädiktor für Totzeitstrecken<br />
w<br />
k(s)<br />
u<br />
g<br />
(s)<br />
y<br />
g m (s)<br />
PID-Tuner <strong>mit</strong> Zusatzfunktionen z.B. Verifikation, Simulatio<br />
Signal-Glättung <strong>mit</strong> Butterworth-Filter
<strong>Control</strong> Performance Monitoring<br />
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
hrung<br />
Erweiterungen<br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
• Funktionsbaustein im PLS<br />
(„Rucksack“ zum PID-Baustein)<br />
• Generierung von Alarmen<br />
• falls Überschwinger zu groß oder<br />
• stochast. Regelgüte zu schlecht<br />
• Merkmale für langfristige<br />
Beobachtung und Archivierung z
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
hrung<br />
Erweiterungen<br />
Fuzzy-<strong>Control</strong> in <strong>PCS</strong> 7:<br />
Architektur <strong>mit</strong> CFC-Einbettung<br />
OS / ES<br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
CFC<br />
Fuzzy<strong>Control</strong>++<br />
Ind.<br />
Ethernet<br />
Softnet S7<br />
AS: S7-400<br />
Instanz-DB<br />
Adresse<br />
Fuzzy<br />
Anwender-DB<br />
Fuzzy-FB
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
Nahtlose Integration von Prädiktivreglern<br />
wie z.B. INCA od. DMC+ in <strong>SIMATIC</strong> <strong>PCS</strong> 7<br />
hrung<br />
Erweiterungen<br />
id<br />
Prototyping<br />
MPC<br />
Station:<br />
PC,<br />
Windows<br />
2000/XP<br />
Operator<br />
Station:<br />
Win2000/XP<br />
<strong>SIMATIC</strong> <strong>PCS</strong>7 OS (W i n C C ):<br />
• Bedienen und Beobachten<br />
• Standard - F a c e p l a t e s, auch f. M<br />
• T r e n d s<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
INCA-Suite<br />
Office-<br />
Ethernet,<br />
OPC<br />
On -Line:<br />
• Scheduler<br />
• DataServer<br />
• INCAengine<br />
• INCAview<br />
Identifikation,<br />
Engineering:<br />
• INCAtest<br />
• INCAm o d e l e r<br />
Simatic<br />
<strong>PCS</strong> 7<br />
S7-4 0 0 ( A S )<br />
<strong>PCS</strong>7 AS, CFC:<br />
PID-Basisregelung,<br />
A P C -Koppelbaustei<br />
• Betriebsartenlogik<br />
• Sicherheitsfunktion<br />
(Watchdog )
APC Koppelbausteine für Prädiktivregler<br />
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
hrung<br />
Erweiterungen<br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
• Überwachung der<br />
Kommunikation<br />
• Zentrale Betriebsarten -<br />
umschaltung<br />
• Neue Betriebsart „Programm“=<br />
Kaskade <strong>mit</strong> Sollwert von APC<br />
• Stoßfreie Umschaltung<br />
• Bedienung von MV -<br />
Parametern<br />
• Erstellen von Status-Bytes<br />
• Messwert-Filterung<br />
• Ausreißer-Detektion<br />
• Bedienung des<br />
Prädiktivreglers ähnlich w<br />
bei einem PID- Regler<br />
• Erstellen von Status-Byt<br />
aliv<br />
e<br />
A C _ G R P<br />
A C - S u p e r v i so r<br />
INCA<br />
MV<br />
D e m u x<br />
A C _ P I D<br />
P I D<br />
A C _ P V _ S P<br />
D e m u<br />
P r ä d i kt i v r e g l e r<br />
A C - K o p p e l b a u st e i n<br />
D u r c h f l u ss-Re g l e r<br />
PV<br />
Dru c h f l u ss-<br />
S t r e c ke<br />
T e m p e r a t u r -<br />
S t r e c ke<br />
AC-M e ssw e r t b a u st e i n
APC Zusammenfassung<br />
anced<br />
hnologies and<br />
dards<br />
hrung<br />
Erweiterungen<br />
id<br />
Prototyping<br />
y <strong>Control</strong> / neur.<br />
e<br />
ellbas.<br />
iktivregelung<br />
Definition APC: alle Regelungsverfahren, die über<br />
standardmäßige PID Regelungen und Ablaufsteuerungen<br />
hinausgehen:<br />
• PID-Optimierung und PID-Erweiterungen<br />
• Rapid Prototyping<br />
• Fuzzy <strong>Control</strong>, Neuronale Netze<br />
• Modellbasierte prädiktive Mehrgrößenregelungen (MPC)<br />
Kundennutzen: Optimierung der Prozessführung<br />
• Durchsatz C, Wirkungsgrad C<br />
• Produktqualität C , Reproduzierbarkeit C<br />
• Einsatzkosten (Energie, Rohstoffe) D, Störeinflüsse/Varianzen D<br />
•Zu einer APC-Lösung gehören<br />
• APC-Produkt incl. Engineering-Tool<br />
• Anwendungserfahrung<br />
• Branchen/Prozess-Know-how u. ggf. Prozess-Modell<br />
• Automatisierungs-Know-how
Change language