Modellbasierte Prozessoptimierung

Die wichtigsten Methoden in der Regelungstechnik für die Analyse und den Entwurf von Regelsystemen stützen sich auf ein Modell des Prozesses oder der Anlage. Solche Modelle werden meistens aus physikalischen Betrachtungen und Bilanzgleichungen hergeleitet und anschliessend anhand praktischer Messungen mit der existierenden Anlage abgestimmt. Mit der Verfügbarkeit des Anlagemodells wird eine Prozessoptimierung, zum Beispiel im Hinblick auf Betriebskosten und im Speziellen auf die Energieeffizienz, mit einem optimalen Automationskonzept durchgeführt. Der Entwurf für eine praktische Implementierung eines Automationskonzeptes mit Berücksichtigung der modellbasierten Prozessoptimierung beinhaltet die folgenden Bausteine:

Die Messtechnik ist ein sehr wichtiger Schritt in der Modellbasierten Prozessoptimierung, denn allein die Aufnahme der statischen und dynamischen Prozesskenngrössen sagt viel über das Verhalten und den Energieverbrauch der Anlage aus. Ausserdem wird die Messtechnik für die Abstimmung des theoretischen Modells mit der existierenden Anlage gebraucht. Bei der Implementierung eines Automationskonzeptes gehört die Bereitstellung aller Sensorsignale für die entsprechende nachgeschaltete Steuerung/Regelung auch zu der Messtechnik. Für die Aufnahme, Aufbereitung, Speicherung und Darstellung von Prozessgrössen wird das Softwaretool LabVIEW verwendet.

Ein mathematisches Modell einer Anlage wird anhand physikalischer Betrachtungen von Energie-Bilanzgleichungen hergeleitet. Dabei soll man die so genannte Top Down Approach wählen. Dies bedeutet, dass das erste Modell so einfach wie möglich herzuleiten ist. Die Modellkomplexität soll erst mit dem entsprechenden Bedarf wachsen. In der Praxis ist die Herleitung eines mathematischen Modells für eine Anlage nicht immer möglich, bzw. zu komplex und zu aufwändig. Für solche Fälle wird die Anlage mit Testsignalen Betrieben und das entsprechende Anlagemodell wird experimentell identifiziert. Für die Modellbildung, Simulation und Identifikation werden die Softwaretools MATLAB^®/Simulink^® eingesetzt.

Anhand eines Anlagemodells kann ein entworfenes Automationskonzept zuerst mit Hilfe von Simulationsmodellen verifiziert werden. Das Ziel ist, möglichst viele Aspekte des Automationskonzeptes zu prüfen, bevor mit der existierenden Anlage Probeläufe unternommen werden. Dadurch werden Betriebskosten während der Prototypenphase eingespart. Änderungen beziehungsweise Erweiterungen des Automationskonzeptes können leicht während dieser Entwicklungsphase mit Hardware-in-the-Loop oder Software-in-the-Loop realisiert werden, bevor die endgültige Implementierung der Prozessregelung stattfindet.