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Alexander Horch

Angewandte Regelung und Optimierung

in der Prozessindustrie

Einführung

© A.Horch

SS 2010 | Slide 1


Myself

Alexander Horch

• *1968 Fehmarn, Ostsee

• 1989-90 Physikstudium, CAU Kiel

• 1990-95 Technische Kybernetik, Universität Stuttgart

• 1996-2000 Promotion Process Control, Royal Institute of

Technology, Stockholm

• 2001-2006 Wiss. Mitarbeiter, ABB Forschungszentrum

• 2006- Gruppenleiter, ABB Forschungszentrum

• Gremien: VDI-GMA, NAMUR, ISA, ZVEI, …

• Veröffentlichungen (Konferenzen, Zeitschriften, Bücher)

• Project Management Professional, Certified Automation

Professional

• Und sonst: Klettern, Triathlon, Musik, Segeln, ...

© ABB Group

SS 2010 | Slide 2


© ABB Group

SS 2010 | Slide 3

Edward Tufte: ‚The cognitive style of Powerpoint‘


Inhalt

• Die Vorlesung

• Motivation

• Überblick

• Organisatorisches

• ABB? Nie gehört!

• Anwendungsfeld Prozessindustrie

• Was ist Prozessleittechnik?

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SS 2010 | Slide 4


Motivation

Warum das Ganze?

• Studium: Wie löse ich ein Problem?

• Promotion: Welches Problem löse ich?

• Industrie: Mit welchem Aufwand lohnt es sich, ein Problem zu

lösen?

• Einblicke in spezielle Fragestellungen der gehobenen Regelung

und Optimierung in der Prozessindustrie geben.

• Verständnis wecken für die über die theoretischen Verfahren

hinausgehenden Probleme in der industriellen Anwendung, z.B.

Inbetriebnahme, Instandhaltung, Überwachung.

• Grundverständnis für Prozessleitsysteme und Infrastruktur

vermitteln, in denen gehobene Anwendungen realisiert werden.

• Neben der Technologie ein Verständnis für wirtschaftliche

Fragestellungen wecken.

• Einführung in Probleme verschiedener (Prozess-)Industrien

geben.

© ABB Group

SS 2010 | Slide 5


Inhalt der Vorlesung

Module (Planung)

26.4.10

• Einführung - Prozessleittechnik und

Prozessindustrie

• Optimierungsprojekte -

Wirtschaftliche Motivation

• PID Regelung - nach dem Design

kommt die Überwachung

• Anlagenweite Störungsüberwachung

- Detektivarbeit

• Standards und Schnittstellen –

Lösung vs. Werkzeuge

• Nichtlineare MPC - Optimale

Kesselanfahrt in Dampfkraftwerken

• Modell-basierte Regelung -

Dickenregelung in Walzanlagen

• Constraint-monitoring auf

Ölplattformen

• Hybrider MPC - Wasserverteilung

im Baseler Stadtnetz

• Modell-prädiktive Direkte

Momentenregelung

• Optimierung von

Papierbahnschnittmustern

• Produktionsfeinplanung in der

Metallherstellung

• Dynamische Optimierung einer

gesamten Zellstofffabrik

• Prüfung

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SS 2010 | Slide 6


Vorlesungstermine

• Regulär: Montags 8.15 – 9.45

• Keine Vorlesungen am 10.3. und 21.6.

• Zusatztermin(e) mit zwei Vorlesungen

• Am 3.3. zu bestimmen

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SS 2010 | Slide 7


Inhalt der Vorlesung

Prüfung

• Die Prüfung findet mündlich statt und dauert ca. 20’

• Keine Abfrage speziellen Wissens einzelner Anwendungen

• Allgemeines Wissen um die Automatisierung /

Prozessleittechnik / allgemeines Wissen aus der Vorlesung

• ‘Praktische Vernunft’

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SS 2010 | Slide 8


ABB in Deutschland

Ein Überblick

© A.Horch

SS 2010 | Slide 9


Der ABB-Konzern

© ABB Group

SS 2010 | Slide 10


Fakten und Zahlen

Führend in der Energie- und Automationstechnik

• Fokussiert auf Energie- und Automationstechnik

• Konzernsitz: Zürich, Schweiz

• 120.000 Mitarbeiter in über 100 Ländern

• Auftragseingang 2009: $31,0 Milliarden

• Umsatz 2009: $31,8 Milliarden

• EBIT $4,1 Milliarden (13% Marge)

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SS 2010 | Slide 11


Unsere Vision

Power and productivity for a better world

Als globaler Technologieführer ermöglichen wir unseren

Kunden, Energie effizient zu nutzen, die industrielle

Produktivität zu steigern und gleichzeitig die

Umweltbelastung zu reduzieren.

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SS 2010 | Slide 12


Technikgeschichte

Pioniere seit 1883

Gründungsväter

Dampfturbine

Turbolader

Gasturbine

1900

1920 1930 1940

Industrieroboter

Gasisolierte

Schaltanlage

Getriebeloser Direktantrieb

HVDC

1950

1980

1970

1960

Drehzahlgeregelte

Antriebe

Elektrischer Antrieb

Erweiterte

Leittechnik

Ultrahochspannung

1990 2000

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SS 2010 | Slide 13


Weltweite Projekte

Technische Meilensteine

Fördersystem für

größtes Kali-

Bergwerk

Größte Batterie

Erstes kommerzielles

Wellenkraftwerk

Längste Unterwasser-

Stromverbindung

Erste Plattform mit Stromnetz

vom Festland verbunden

Stromanbindung des am weitesten

von der Küste entfernten Offshore-

Windparks (BorWin)

Europas größtes

thermisches

Solarkraftwerk

Größte Installation von

statischer Blindleistungskompensation

Längste und

kapazitätsstärkste

Stromverbindung

Größtes Förderband

Automation der

größten Aluminiumanlage

Größter Ringmotor

(zum Erz mahlen)

Erste 600 kV

Stromleitung

Größte Anlage zur

Aufbereitung von

Meerwasser

Energie und

Automation für die

größte chemische

Zellulose-Anlage

Größte SCADA

Netzleittechnik

Längste unterirdische

Stromverbindung

Schaltanlage im

höchsten Gebäude der

Welt

© ABB Group

SS 2010 | Slide 14


Unsere Kompetenz

Energie und Automation in fünf Divisionen

Energietechnik-

Produkte

Energietechnik-

Systeme

Niederspannungsprodukte

Prozessautomation

Industrieautomation

und Antriebe

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SS 2010 | Slide 15


Energietechnik-Produkte

Portfolio

• Energietechnik für Mittel- und

Hochspannung

• Transformatoren

• Schaltanlagen

• Schaltgeräte

• Verteilnetzautomatisierung

• Geräte und Zubehör

• Service

Globale Präsenz mit 34.000 Mitarbeitern;

davon 2.400 in Deutschland

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SS 2010 | Slide 16


Energietechnik-Systeme

Portfolio

• Schlüsselfertige Systeme

• Elektro- und Leittechnik für Kraftwerke

• Schaltanlagen

• Netzleittechnik

• Elektrische Netze (HVDC, HVDC Light und FACTS)

• Service

Globale Präsenz mit 16.000 Mitarbeitern; davon 1.600 in Deutschland

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Niederspannungsprodukte

Portfolio

• Schaltanlagen

• Sicherungsautomaten und Schalter für

elektrische Schutzeinrichtungen

• Elektroinstallationstechnik

• Leistungselektronik

• Service

Globale Präsenz mit 19.000 Mitarbeitern

© ABB Group

SS 2010 | Slide 18


Prozessautomation

Portfolio

• Systemlösungen für die Prozessindustrien

• Integrierte Leittechnik und Management-Informationssysteme

• Kraftmesstechnik, Analysentechnik

• Instrumentierung

• Turbolader

• Service

Globale Präsenz mit 29.500 Mitarbeitern

© ABB Group

SS 2010 | Slide 19


Industrieautomation und Antriebe

Portfolio

• Motoren und Antriebe

• Automatisierung von Maschinen und

Anlagen

• Roboterautomation und -produkte

• Lackierautomation und Karosseriebau

• Software und Simulation

• Engineering

• Service

Globale Präsenz mit 19.000 Mitarbeitern

© ABB Group

SS 2010 | Slide 20


Die größten Standorte

Ratingen

Bad Honnef

Friedb

Frankfurt/Main erg

Hamburg

Minden

Hannover

Göttingen

Brilon

Lüdenscheid

Bad Berleburg-Aue

Hanau

Alzenau

Halle

Ferch

Leipzig

Dresden

Ladenburg

Mannheim

Nürnberg

Heidelberg

Roigheim

Neusäß

Sasbach

München

Hornberg

Bobingen

Berlin

Cottbus

Mitarbeiter

Alzenau 240

Aue 280

Bad Honnef 360

Berlin 70

Bobingen 180

Brilon 170

Cottbus 170

Dresden 80

Ferch 80

Frankfurt/M. 360

Friedberg 440

Göttingen 300

Halle 170

Hanau 550

Hannover 60

Heidelberg 1630

Hornberg 150

Ladenburg 600

Leipzig 20

Lüdenscheid 730

Mannheim 2050

München 20

Minden 620

Neusäß 30

Nürnberg 40

Ratingen 1020

Roigheim 250

Stand Juni 2009

Hamburg 100

Sasbach 370

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Forschung & Entwicklung

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Weltweite Forschung

Deutschland im Konzernverbund

• Weltweit 6.500 Mitarbeiter in der Forschung & Entwicklung

• F&E konzernweit 2009: $1,2 Milliarden, 6 Prozent Steigerung

• Sieben Forschungszentren, eins davon in Deutschland

• Forschungszentrum Ladenburg

• 100 Wissenschaftler / Ingenieure

• Fokus auf Automatisierungstechnologien für die

Prozess-, und Fertigungsindustrie und

Versorgungsunternehmen

© ABB Group

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Entwicklungsschwerpunkte

Herausforderungen der Zukunft

• Zuverlässiges Stromnetz

• „Smart Grids“- Intelligente Netze

• Energieeffizienz

• Einspeisung erneuerbarer Energien

• Produktivitätssteigerung

• Anlagensicherheit

• Technische Konvergenz von

Fertigungs- und Prozessautomation

• Drahtfreie Automatisierung

• Integration und Zusammenwachsen von

Elektrotechnik und Automation auf

Feldebene

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Smart Grids

ABB gestaltet die Evolution der Stromnetze

Traditionelles

Netz

Smart Grid

Smart Grids sind der Schlüssel zum

Erreichen der klimapolitischen Ziele

Europas

Smart Grids bedeuten

• Beobachtbarkeit des gesamten Netzes

bis zum Endverbraucher

• Einbeziehung der Last in die

Systembetriebsführung

• Flexibilität in Übertragungs- und

Verteilungsnetzen

Smart Grids werden unterstützt durch

• Einführung kommunikationsfähiger,

elektronischer Zähler

• Erkenntnisse aus Pilotprojekten

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Klimaschutz:

Energieeffizienz und

erneuerbare Energien

© ABB Group

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ABB-Lösungen steigern die Energieeffizienz

Wertschöpfungen entlang der gesamten Energiekette

Energiekette

Stromerzeugung

Stromübertragung und

-verteilung

Industrie

Gebäude

Energieverluste

ABB-Lösungen können

Energieverluste um

20 bis 30 % reduzieren

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Erneuerbare Energien

Windenergie: Anbindung Offshore-Windparks

Foto rechts: Zur Verfügung

gestellt von

E.ON

• Netzanbindung von BorWin 1 in der Nordsee

• Erste Gleichstromanbindung in Deutschland

erste Offshore-Gleichstromanbindung der Welt

• Länge: circa 200 km (128 km Seekabel, 75 km Landkabel)

• In Rekordzeit von 26 Monaten und unter schwierigsten

Bedingungen auf dem offenen Meer fertig gestellt

• Meilenstein für die Einbindung großer Offshore-Windparks,

weltweit keine vergleichbare Anlage

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SS 2010 | Slide 28


Erneuerbare Energien

Solarenergie: Schlüsselfertige Photovoltaikanlagen

• Schlüsselfertige Lieferung der Anlage Totana in Spanien in

nur vier Monaten

• Totana erzeugt 2,2 Gigawattstunden Elektrizität in

Netzqualität im Jahr

• Vermeidung von rund 2.200 Tonnen CO2 im Jahr

• Innovative Solar-Tracker und patentierte

Optimierungstechnologie

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SS 2010 | Slide 29


Erneuerbare Energien

Solarenergie: ABB unterstützt DESERTEC-Konzept

Quelle:

DESERTEC

Foundation

• Weltweit größte Einzelmaßnahme zur Senkung von CO 2

• Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in den

Wüsten Nordafrikas

• Effiziente Übertragungssysteme wie HGÜ-Leitungen

bringen Solar-Strom bis nach Europa

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SS 2010 | Slide 30

• Gründung der DII GmbH am 30.10.09 durch die

DESERTEC Foundation und 12 Unternehmen, darunter

ABB


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SS 2010 | Slide 31


Prozessindustrie

Einführung

© A.Horch

SS 2010 | Slide 32


Prozessindustrie

Industrien

• Förderung, Rohstoffabbau

• Öl- und Gasindustrie; Bergbau (Minen, Tagebau)

• Rohstoffverarbeitung, Rohprodukte

• Raffinerien, Petrochemie, Chemie, Gasverarbeitung,

Pharmazie, Lebensmittel-, Zellstoff-, Papier-, Glas-,

Stahl- und Zementherstellung, (Kraftwerke)

• End-Produktherstellung

• Feinchemie, Nahrungs- und Genussmittel,

• (Diskrete Fertigung)

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SS 2010 | Slide 33


Prozessindustrie

Definitionen

• Die Prozessindustrie verarbeitet Stoffe und Materialien in

chemischen, physikalischen, biologischen oder anderen

technischen Prozessen und Verfahren. Stoffe und Materialien

werden dabei beispielsweise umgesetzt, geformt, vermischt oder

entmischt, gegossen, gepresst, u. a. m.

• Einige typische Prozesse sind chemische Reaktionen und die

Aufarbeitung der Reaktionsprodukte etwa durch Destillation oder

Kristallisation, die Erdöl-Aufbereitung etwa durch Rektifikation, das

Schmelzen von Glas, aber auch das Backen von Brot (zumindest

in industriellem Maßstab).

• Zu den Verfahren und Techniken, die in der Prozessindustrie

verwendet werden, zählen Labor- und allgemeine

Analysetechniken, thermische (etwa Destillieren) und

mechanische (etwa Sieben) Verfahren, Regelungs-, Mess- und

Leittechnik, Stofftransporttechniken (etwa mit Pumpen und

Förderbändern). Ein wichtiger Teil der Prozessindustrie ist der

Anlagenbau.

© ABB Group

SS 2010 | Slide 34


Prozessindustrie

Charakteristika 1(3)

• Unterschiedlichste Prozesse und Verfahren

• Unterschiedlichste ökonomische Anforderungen (einfach

und billig bis komplex und high-end)

• Betrieb erfordert Zusammenarbeit unterschiedlichster

Disziplinen

• Die Prozessphysik ist oft komplex und nur näherungsweise

erfassbar

• Modell-basierte Verfahren erwünscht, aber Modellbildung

oft zu aufwändig

• Prozessführung fokussiert meist auf Standardmessgrössen

• Druck, Temperatur, Durchfluss, Stand, pH-Wert,

Geschwindigkeit, Analysemesswerte, …

• Nach wie vor enormes Verbesserungpotential

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Prozessindustrie

Charakteristika 2(3)

• Investitionszyklen für Prozessleittechnik bis 15 Jahre

• Viele Anlagen sind >>30 Jahre alt

• Einbauvorschriften für Komponenten sind oft nicht erfüllt

• Regelkreise werden oft gar nicht oder selten eingestellt

• Alarmgrenzen sind oft falsch gesetzt Alarmflut

• Investitionskosten der Anlagen oft mehrere hundert M€

• Anlage und Anlagendokumentation stimmen oft nicht

überein

• Konservative Industrien – Neuerungen werden nur

zögerlich eingeführt (Beispiele: Digitale Regelung;

Distributed Control System; Feldbus; Microsoft PCs;

Drahtlose Sensorik)

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SS 2010 | Slide 36


Prozessindustrie

Charakteristika 2(3)

• Ständig steigender Kostendruck

• Personalabbau durch Automatisierung kaum mehr möglich

• Zusammenlegung von Leitwarten

• Remote Access (z.B. On-shore Betrieb von Ölplattformen)

• Starke Variation der Rohstoffqualität (z.B. Ölsand, Holz)

• Flexibilisierung der Produktion und Produktpalette

• Viele Rezepte und Qualitäten auf einer Anlage

• ‘Schnelles’ Optimierungspotential in einigen Bereichen

bereits gehoben

• Weniger Personal muss zunehmend anspruchsvolle

Aufgaben übernehmen (z.B. Analogtechnik vs.

Feldbustechnik; Object-orientierte Leitsysteme; IT Security)

© ABB Group

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Prozessleittechnik

Einführung

© A.Horch

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© ABB Group

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© ABB Group

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© ABB Group

SS 2010 | Slide 41


© ABB Group

SS 2010 | Slide 42


© ABB Group

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© ABB Group

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2020+

What’s next?

Technology push

© ABB Group

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2020+

Web 2.0 in Automation?

• Read was has happened with the alarm in the past

• Rate existing advice

• Add more knowledge over time

© ABB Group

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2020+

What’s next?

© ABB Group

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2020+

What’s next?

© ABB Group

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Prozessleitsystem

Architekturprinzip

Beispiele

Sek Min Std Tag Woche Monat Jahr

Unternehmensleitebene: Strategie, Kontrolle

Betriebsleitebene: Planen, Ausführen

Prozessleitebene: Steuern, Regeln

Feldebene: Komponenten; Prozess

Ist eigentlich eine 4-seitige Pyramide mit versch. Seiten: Automation; Regelung;

Planning & Scheduling; Asset Mgt; …

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Prozessleitsystem

Architektur

© ABB Group

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Prozessleitsystem

Architektur

© ABB Group

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© ABB Group

SS 2010 | Slide 52


Prozessleitsystem

Das Engineering

© ABB Group

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Prozessleitsystem

Das Engineering

© ABB Group

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Prozessleitsystem

Implementierung von Leitsystemfunktionen

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Prozessleitsystem

Wo leben nun APC Lösungen?

• Durch die systematische Datendurchgängigkeit (Netzwerk)

prinzipiell überall möglich.

Prozessnah

Information direkt verfügbar

Keine Netzwerkprobleme

Schneller Zugriff

Engineering Info vorhanden

- Sollbruchstelle schwieriger

- Unflexibler

- Leitsystemabhängig

Prozessfern

Leitsystemunabhängig

Remote Zugriff leicht möglich

Security, Safety kein Problem

Software as a service möglich

- Abhängig von

Netzwerkkommunikation

- Extra Anwenderinterface

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SS 2010 | Slide 56


Prozessleitsystem

Anfordungen zur Realisierbarkeit von APC

• Messdaten müssen in ausreichender Datenqualität und

akzeptabler Verzögerung vorliegen

• Daten- und Integrationsstandards müssen bekannt sein

• Die Lösung muss rückwirkungsfrei für den Prozess sein

• Eine sprungfreie Umschaltung muss jederzeit möglich sein

• Black-box magic ist den Anlagenbedienern oft unheimlich

• Komplexe Lösungen müssen schrittweise realisiert werden

• Berechnungen müssen innerhalb der Abtastzeit berechnet

werden können

© ABB Group

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PID Controller Block

3 Parameter – doch nicht so einfach?

Laut Lehrbuch ist nur folgende Gleichung zu implementieren.

© ABB Group

SS 2010 | Slide 58


PID Controller Block

3 Parameter – doch nicht so einfach?

Für ein Leitsystem fehlen noch einige Blöcke darum herum.

© ABB Group

SS 2010 | Slide 59


PID Controller Block

3 Parameter – doch nicht so einfach?

Regelfehler

PID Block

K, Ti, Td, Tf

Stellgröße

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SS 2010 | Slide 60


PID Controller Block

Funktionsblock im Leitsystemcontroller

• Ausreichend Möglichkeiten,

Fehler zu machen.

• Unendliche Freiheit.

• 99,9% Default-Werte

• Kann bis zu weit über 100

Parameter enthalten

• Achtung!

• Die Implementierung von

PID Reglern ist in fast

jedem System

unterschiedlich gelöst.

• Beim Reglerdesign wird

eine gewisse Struktur

angenommen.

• Die Parameter müssen auf

das Zielsystem

umgerechnet werden (bei

modernen Werkzeugen

geschieht das automatisch).

© ABB Group

SS 2010 | Slide 61


PID Controller

Wie sieht er im Leitsystem aus?

Control Modul

Funktionsblock

Trend

Grafikdisplay

Bedienschirm

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Alarmliste

Faceplates (für Eingriffe)


Prozessleittechnik

Trends

© A.Horch

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IT: Challenge and Opportunity

Well-proven technology and

15-20 years life time

Standardized

products

Customized

solutions

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SS 2010 | Slide 64

Build on fast

development in

IT and electronics


Process trends: increased integration

Process buffers at all levels get trimmed:

supply chain, company, site, plant, unit

© ABB Group

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Process trends: tightening constraints

Constraints and boundaries tighten,

consequences of violation

become increasingly severe

$$

$$$

© ABB Group

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Trend: broader scope, more complex models

V-11

V-1

P-123

O626 P-214

P-154

FI

421I209

P-144

P-167

E-99

FI

424I301

Vatten

Press7+

Blekeri2

FI

424I302

T2

P-112 P-113

221Q105

CI

221I328

FI

424I303

FCA51

424I312

P-117

LI

424I450

LI

424I460

HC2

HC3

LC

542I286

P-60

DI

542I271

lab

542Q110

© ABB Group

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© ABB Group

SS 2010 | Slide 68

• 620,000 ton

• Three fiber lines

• Six paper machines

• 620,000 ton

• Three fiber lines

• Six paper machines

Containerboard

Sack

Kraft

Market pulp

Trend: broader scope, more complex models

542Q124

O799

411Q101

412Q101

542Q126

DI

542I271

542Q129

542Q128

LVA02

541I901

LVA06

542I901

LVA01

541I901

FI

541I647

TLB

TLL

KV

SULF

SPL

OX

SVL

VL

MESA

KALK

GL3

GL2

GL1

TJL T5

TJL

UTSK

HC4

NSM

KVM

BT

T1

HC1

T18

T3

T2

HC5

T17

HC2

HC3

RL

SK2

P-2

P-3

Tvätt+

Sileri

Tvättvatten

SK2

P-9

P-10

P-11

P-12

O2

P-13

NaOH

Tv.vätska

BV 24

P-22

P-23

Flis

Vitlut

Indunst.

P-28

P-33

P-34

P-35

SK1

P-36

BT

Tvätt+

Sileri

P-37

Na/S förluster

I massan

pp

Blekeri1

Vatten

P-43

P-44

P-45 Skrubber

starkgasdestr

P-51

P-53

P-54

Rökgaser

P-56

P-57

PD11

P-58

P-59

P-60

Mix-PD31

P-61

P-62

Vatten

Mesaugn+

Filter

P-64

P-65

Vatten

P-70

P-71

Spill, div

SO2

P-75

VitlutsOx

P-77

Svavelugn+

Abs.torn

P-79

Svavel Make-up

NaOH Make-up

P-83

P-84

NS

P-85

Flis

P-88

P-89 PM6

P-90

P-91

P-92

P-93

Hartskokeri

TO

BO

P-104

P-106

Björkolja till Mesaugnsförbränning

P-108

P-109

P-110

Tvättvatten

SK1

P-111

Press7+

Blekeri2

P-112 P-113

P-117

P-118

T19

V-1

Tryckdiffusör

Oblekt fiber

P-120

P-121

P-123

P-124

P-125

V-2

P-126

V-4

P-128

P-129

P-130

P-131

V-5

P-134

P-135

P-136

V-6

P-140

P-141

Flis

P-144

Vatten

BUL

BLL

P-148

E-87

Elfiteraska

E-88

E-89

V-7

P-150

P-152

P-151

E-91

E-92

E-95

E-96

P-135

E-97

E-99

P-154

P-131

E-100

P-156

E-103

P-60

E-104

P-57

E-106

NaOH

H2SO4

P-161

Vitlut till Hartskokeriskrubber

P-167

Filter

Sileriförlust

Sileriförlust

P-171

Survatten till ClO2

Kalkgrus

P-174

Svavel i varmvatten

BLB

P-179

P-180

P-182

E-112

P-34

E-113

Tallolja för avsalu

MgSO4

P-188

P-189

P-189

P-191

BV25

P-192

E-124

P-161

V-8

P-193

P-181

Kondensat

P-194

P-195

P-196

V-9

Slam

V-10

P-193

E-126

P-200

P-201

P-203

NaOH

P-205

Sodapanna+

skrubber

P-206

P-207

Vatten

P-210

P-211

P-212

MeOH

V-11

P-214

P-215

P-216

P-217

FCA01

542I216

FCA01

542I212

FCA01

542I220

LC

542I548

P-218

FI

542I263

FCA01

543I301

FC

542I291

LC

542I293

LC

542I286

FI

523I626

LC

542I285

FI

523625

FC

542I282

LI

543I326

LI

543I328

FC

542I550

FI

542I506

LC

542I223

LI

542I247

LI

542I249

DCA01

523I621

FC

542I220

FC

542I212

FC

542I216

LVA04

542I901

LVA04

542I904

LVA04

542I907

542Q123

FC

543I301

DC

543I302

AI

543I360

AI

543I322

P-219

FCA02

543I315

FCA01

543I315

FC

543I306

FI

523I627

LC

542I457

LC

542I458

lab

542Q102

lab

542Q101

lab

542Q110

lab

523Q101

lab

523Q102

lab

523Q113

AI

523I531

AI

521I532

AI

521I535

FC

523I513

LC

541I621

FCA01

541I620

FC

541I620

AI

541I614

AI

501I644

FC

541I643

FC

541I645

FC

721I101

SC

721I247

FDA02

523I577

A02

523I577

DI

523I583

FIA01

523I722

LI

513I597

LI

513I592

LC

523I540

LI

513I124

LC

513I718

LI

512I179

LI

512I177

FCA01

512I315

FCA01

543I315

FC

513I721

DC

513I717

LI

501I870

L889

L887

FC

512I183 P-220

FC

513I735

FC

513I709

FC

513I714

FI

421I499

FI

513I705

FC

721I159

MV

I495

FC

513I706

FIA01

512I187

FI

513I723

FC

513I109

FC

513I733

FI

513I733

LV

513I911

DI

513I437

LVA01

513I912

LV

513I903

LI

513I710

LI

513I736

LV

513I901

LI

513I707

A01-SP

721I127

A01-SP

721I129

TC-SP

721I127

TC-EGU

721I127

SC

721I373

FI

721I327

LI

731I197

A01

721I331

A01

721I341

A01

721I351

FC

731I166

LI

731I177

FC

731I113

LI

731I101

6ICO.ARTONH

FI

303I301

SCA51

421I162

FC

542I441

FC

421I375

FC

421I409

FC

421I410

FC

421I464

FC

421I860

E-130

P-221

P-222

FC

421I103

FC

421I441

M51

O472

P-223

FI

422I641

FC

422I510

FC

422I509

FC

422I618

FC

422I654

FCA55

422I559

FCA51

422I559

FCA51

422I565

FCA53

422I566

FC51

422I258

FCA51

422I255

LI

422I501

LI

422I506

FCA51

421I441

FCA51

422I642

FCA51

422I622

LI

422I670

LC

422I629

LC

422I639

FCA52

422I642

FCA51

422I618

FCA51

422I654

T101

FC

421I428

LC

422I552

T114

FC051

421I103

LC

421I445

FCA52

421I428

T121

T178

A51

T107

T114

A51

T103

T111

T105

A51

T119

A51

T171

A51

T233

A51

T258

T226

LI

424I309

vatten

T269

FI

421I209

FCA51

424I312

LI

424I450

LI

424I460

FI

424I301

FI

424I302

FI

424I303

LI

611I611

O779

O626

FI

304I409

O101

M51

O101

A51

O258

O258

O271

FC

411I118

FC

411I258

O331

O425

M51

O333

O401

O334

O333

O404

M51

O143

O602

FC

412I749

LI

C625

FC

413I468

C526

LI

413I571

FA01

413I468

611.dryout

P-229

542Q114

DC

513I762

DC

513I761

LI

513I701

DC

513I734

LC

513I731

LI

513I738

DI

513I345

LC

513I772

DI

513I823

LI

513I798

LI

513I792

AIMV1

523I578

FCA03

542I212

421Q105

421Q103

M856

FCA01

523I284

542Q119

FCA52

423I105

A51

423I119

XD

423Q113

CI

221I328

LVA01

542I903

LVA01

542I906

LVA01

542I909

MIHAST

523T027

FI

523I510

FI

501I764

413Q109

411Q106

41Q105

412Q102

O473

O648

O775

422Q104

LC

541I658

lab

721I901

LI

721I186

541Q103

541Q101

LV

721I902

541Q102

541Q106

541Q107

541Q109

541Q104

541Q105

A05

721I101

A01

721I101

FC

541I628

FC

501I683

FC

501I761

FC

523I514

FI

512I163

541I613

P-230

FCA51

421I428

221Q105

P-231

QC

413i467

FC

411I260

MV

O110

AI

501I644

AI

501I633


Today: Nonlinear Dynamic Model

25 Production units

38 Buffer tanks

250 Streams

250 Measurements

2500 Variables

inletPulp

Dynamic

mass balance

Lockmannkolonn

Connection of units,

pipes and measurements

SK1

FC

542I441

AIP Server

k

SQL Server

Parameters

( xk

) vk

y =Measurement g +

inletSteam

inletWL

6

7

outletNCG

outletBL

Diffusören är

inbakad i kokaren

Flash 1-spliten är en

intern loop

outletCondensate

8

( x )

k

uk

wk

x +

k

=

1st + 1

forder ,

mass

balance

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SS 2010 | Slide 69

inletWater

outletPulp


Example: Boiler start-up

DT Kugelstück (Innen- und Mittelfaser

03RA05T002I und 03RA05T002M)

FD-Menge

RA07F901

FD-Temperatur

RA07T901

Ü V

EK IV/1

Ü IV

Ü III

EK II/1

Dampftemp

nach Ü V

RA01T004

Temp

Dampftemp

EK IV/1

Dampftemp

vor EK IV/1

Dampftemp

vor EK III/4

Dampftemp

nach EK II/1

Dampftemp

vor EK II/1

Ü V

RG-Temp v Ü V

NR05T010 und 20

RV EK IV/1

EK IV/4

Dampftemp. vor

EK IV/4 NA44T004

Ü IV

RG-Temp v Ü IV

NR04T010 und 20

Dampftemp vor EK

III/4 NA34T004

RV EK II/1

2

Ü II

Ü III

EK II/4

Dampftemp vor EK II/4

NA24T004

Dampftemp nach

Ü V RA04T004

4

Dampftemp nach

EK IV/4 NA44T008

6

Dampftemp nach

EK II/4 NA24T008

FD-Druck

RA07P901

RV EK II/4

RL24S002

RV EK IV/4

RL44S002

DT Sammler IV/4 (Innen- und

Mittelfaser NA44T010I und NA44T010M)

3 Kombination Strahlung/Konvektion

DT Sammler III/4 (Innen- und Mittelfaser

NA34T010I und NA34T010M)

DT Sammler II/4 (Innen- und Mittelfaser

NA24T010I und NA24T010M)

Stellungsbefehl Y

HDU 1...4 RA08C000

RA 80

Druck kalte ZÜ

RC12P007

ZÜ I

7

DT Hosenstück (Innen- und Mittelfaser

03RA07T003I und 03RA07T003M)

HD

HD-Einlaß-RV Turbine

SA11S016-46

Generatorleistung

SP10E927

MD-RV

Turbine

Anordnung ist 4-strängig

(4 HDUs, 4 HD-Turbinen-

RV)

Radkammerdruck

SA11P020

MD/

ND

MDU

G

Hauptentwässerungen

zu den Abscheidern 1 - 3

Dampftemp n EK I/1

NA11T007

RV EK I/1

RL11S002

EK I/1

Verdampfer

Verdampfermenge

NA01F001

Temp Speisesewasser vor

Verdampfer NA01T001

Dampftemp vor

EK I/2 NA12T007

Eco

1

EK I/2

RV EK I/2

RL12S002

Ü I

Umwälzmenge

NB05F901

ECO Speisew.-

Menge RL15F001

Dampftemp nach

Abscheider 4 NA16T005

Abscheider

4

pD Anfahrflasche NB01P003

Niveau Anfahrflasche

NB01L901

Summe Menge

Notabläufe RK10F001

SPW-Pumpe

1 8

ZÜ II

5

Zwischenüberhitzer (ZÜ)

rauchgasseitige Reighenfolge

der Überhitzer

SPW-

Behälter

Kondensatpumpe

ND-

Vorwärmer

© ABB Group

SS 2010 | Slide 70

8

Temp Speisew vor ECO

RL15T004

HD-Vorwärmer

SPW-Druck vor HD-

Vorwärmer

RL10P002


Object-oriented modeling

• Graphical flowsheet modeling

• Combine commodity models with proprietary knowledge

• Automatic generation of stand-alone executable code

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SS 2010 | Slide 71


NMPC Integration with Control System

NMPC with 800xA

• Seamless integration with

operator station

• Data serving (Aspect

Server, Basic History)

• Connectivity to process

databases

• Connectivity to major

control systems

• Further synergies,

e.g. alarm handling

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SS 2010 | Slide 72


Thickness Control in Cold Rolling Mills

• Conventional control:

• Single control loops

• Feed forward strategies

• Limited performance

• Task and objectives:

• Improve tolerance over

the whole strip length

• Improve quality during rampup

/ ramp-down

• Better disturbance rejection

to allow higher speed

Roll position

Uncoiler torque

Input thickness

Output thickness

Uncoiler tension

Coiler torque

Coiler tension

Rolling stand

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SS 2010 | Slide 73


Comparison: Conventional vs Advanced

Conventional control: h0 = 575µm, h1 = 400µm, width = 1244mm

Advanced control: h0 = 575µm, h1 = 400µm, width = 1285mm

Conventional control

• Standard deviation:

• Body 3σ = 1,18%

•Total 3σ = 1,32%

New Advanced Control

• Standard deviation:

• Body 3σ = 0,49%

•Total 3σ = 0,66%

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SS 2010 | Slide 74


Life-cycle optimization: The Next Loop?

Reference

Actuation

Sensing &

Estimation

Economic life-cycle

cost estimate

Control

Process

Life-Cycle

Cost Model

Economic

Optimization

Context, e.g. market

price, weather forecast

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SS 2010 | Slide 75


Zusammenfassung

• Prozessindustrie

• Unterschiedlichste Anforderungen

• Modellbeschreibungen oft schwierig oder unvollständig

• Großes Optimierungspotential

• Lange Innovationszyklen

• Prozessleittechnik

• Moderne Systeme sind sehr leistungsfähig

• IT prägt neue Systeme stark

• Zunehmend weitgehendere Aufgaben

• Gehobene Regelung und Optimierung

• Meist problemgetriebene Anwendungen, wenig Standards

• Die wissenschaftliche Lösung ist nur ein kleiner Teil

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SS 2010 | Slide 76


Literatur

• Martin Hollender: Prozessleittechnik, Vorlesungsunterlagen

Universität Darmstadt, 2009.

• Martin Hollender: Collaborative Process Automation

Systems, ISA 2009.

• Ulrich Epple: Prozessleittechnik, Vorlesungsunterlagen

RWTH Aachen

• Früh, Maier, Schaudel: Handbuch der

Prozessautomatisierung, Oldenbourg 2008.

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SS 2010 | Slide 77


Collaborative Process Automation System

CPAS

www.isa.org/cpas

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SS 2010 | Slide 78


Kontakt

Dr. Alexander Horch

ABB Forschungszentrum

Wallstadter Straße 59

68526, Ladenburg, GERMANY

Links

www.abb.de/forschung

www.abb.de/karriere

Phone: +49 6203716021

Telefax: +49 6203 716253

Mobile: +49 171 307 6403

Email: alexander.horch@de.abb.com

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SS 2010 | Slide 79

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