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Intelligente Prozessoptimierung in der Verfahrenstechnik Einführung Die Produktfamilie DataEngine ermöglicht die effiziente Nutzung von Prozessdaten zur Verbesserung der Prozessführung. Durch den Einsatz intelligenter Technologien können zusätzliche Informationen über das Prozessverhalten gewonnen werden. Methoden der Fuzzy-Technologie und der neuronalen Netze stehen als Softwarebausteine zur Verfügung, um relevante Einflussgrößen für die Modellierung eines chemisch-technischen Verfahrens zu finden, ein Prozessmodell zu identifizieren und die Anlageneinstellung oder die Prozesssteuerung zu optimieren. Ziel des vorliegenden Berichts ist es, einen Überblick über verfahrenstechnische Anwendungsgebiete dieser intelligenten Technologien zu geben, dabei einen Eindruck von den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und den jeweils erzielten Verfahrensverbesserungen zu vermitteln. Die Verbesserungen lassen sich verglichen mit konventionellen Modellierungs- und Optimierungsmethoden durch einen geringeren Aufwand im Rahmen einer Projektdurchführung realisieren. Dieser Bericht skizziert die dazu erforderlichen Arbeitsschritte. Im folgenden werden zunächst die Begriffe Prozess und Prozessoptimierung im Kontext der Verfahrenstechnik inhaltlich abgegrenzt, um eine einheitliche Sichtweise des betrachteten Anwendungsfeldes zu gewährleisten. Der zweite Abschnitt umfasst eine Beschreibung von Grundkonzepten und Vorgehensweisen bei der Durchführung eines Projektes zur Prozessoptimierung. Abschnitt drei beschreibt industriell realisierte Anwendungen von DataEngine zur Prozessoptimierung in sieben Kurzberichten aus verschiedenen Branchen sowie drei detailliertere Applikationen. Sie beziehen sich auf die typischen Anwendungsfelder Führung von Chargenprozessen, Betriebspunktoptimierung von Fließprozessen und das modellgestützte Messen in der Verfahrenstechnik. Als Prozess bezeichnet man die Umformung, den Transport und/oder die Speicherung von Materie, Energie und/oder Information.(1) Neben dieser ganz allgemeinen Definition für einen Prozess stehen im folgenden jedoch chemisch-technische Verfahren im Vordergrund. Kennzeichen von technischen Prozessen ist, dass deren Zustandsgrößen mit technischen Mitteln gemessen, gesteuert und/oder geregelt werden können. Kennzeichen von chemischen Prozessen ist, dass Stoffe unter Einwirkung von Informationen bei Energieumsetzung ihre Eigenschaften ändern.(2) Jeder chemisch-technische Herstellungsprozess (Verfahren) besteht aus einer Aufeinanderfolge von Teilvorgängen, die als Grundverfahren bezeichnet werden. Ändern die Grundverfahren die am Verfahren beteiligten Stoffe nicht, dann spricht man von physikalischen Grundverfahren, z.B. Zerkleinern oder Trennen von Stoffen. Die Teilverfahren, die den chemischen Umsatz, eine Veränderung der am Verfahren beteiligten Stoffe herbeiführen, bezeichnet man als chemische Grundverfahren. Dazu zählen alle chemischen Reaktionen überhaupt bzw. das Verbinden von Einsatzstoffen zu einem neuen Ausgangsstoff. Die Gewinnung, Herstellung oder Beseitigung von Stoffen oder Produkten in einem verfahrenstechnischen ProduktionsProzess in einer Folge von chemischen, physikalischen oder biologischen Vorgängen lässt sich mit Hilfe des Phasenmodells der Produktion strukturieren. In Abbildung 1 stellen die rechteckigen Kästchen jeweils Produktionsabschnitte dar, in denen durch Operationen die eingesetzten Stoffe in erzeugte Produkte umgeformt werden. Die Kreise der Knoten symbolisieren jeweils Produkte mit definierten Produkteigenschaften. Die Eigenschaften der Teilprozesse werden durch Sensoren erfasst und durch Aktoren beeinflusst. Tabelle 1 verdeutlicht, was unter Produkt- und Prozesseigenschaften zu verstehen ist. Der Ablauf, nach dem auf den Prozess eingewirkt wird bzw. nach dem die Operationen ausgeführt werden, um aus Einsatzstoffen das gewünschte Produkt zu erzeugen, wird in einer Herstellvorschrift beschrieben. Zusammen mit einer Vorschrift über die einzusetzenden Stoffe und die zu verwendenden Apparate bilden diese drei Bestandteile die Rezeptur des Produkts. Abbildung 1: Phasenmodell der Produktion nach Polke(3). [Ei]=Produkteigenschaft, [Pj]=Prozesseigenschaft
Tabelle 1: Prozess- und Produkteigenschaften Abhängig von der Rezeptur und der daraus resultierenden Prozessführung können verfahrenstechnische Produktionsprozesse nach der Betriebsweise in Chargen- und Fließprozesse klassifiziert werden. Chargenprozesse verlaufen diskontinuierlich mit schubweisem Stofffluss im Zyklus Füllen, Bearbeiten, Entleeren. Die charakteristischen Zustandsgrößen Druck, Temperatur und Konzentration sind bei idealer Durchmischung ortsunabhängig, aber zeitvariant. Der Prozess verläuft instationär. Fließprozesse hingegen werden stetig betrieben mit ununterbrochenen Stoff- und Energieströmen. Bei Idealbetrieb sind die charakteristischen Zustandsgrößen Druck, Temperatur und Konzentration entlang des Strömungsweges im Apparat örtlich verschieden, aber zeitinvariant. Der Prozess verläuft stationär. Die Überwachung, Steuerung und Regelung der Chargen- und Fließprozesse wird von einem Prozessautomatisierungssystem(4) unterstützt. Unabhängig von der Betriebsweise des Herstellungsverfahrens ist es Aufgabe der Prozessleittechnik, aus Kenntnis des Prozesszustands so auf die Stellgeräte einzuwirken, dass bei den vorgegebenen Randbedingungen das Produkt in erforderlicher Menge und Qualität mit geringsten Kosten produziert wird. Auf diese Teilaufgabe der Prozessautomatisierung soll im folgenden Abschnitt näher eingegangen werden. Viele verfahrenstechnische Anlagen arbeiten nicht unter Nutzung ihres vollen Potentials. Durch Optimierung von Anlagenteilen und der Prozessführung kann dann die Anlageneffizienz noch gesteigert und ein größerer Gewinn realisiert werden. Die Prozessoptimierung umfasst die Bestimmung und Einstellung solcher Prozesszustände, die ein festgelegtes Zielkriterium optimieren, so dass gleichzeitig vorgegebene Restriktionen eingehalten werden. Sofern erforderlich, wird im Rahmen der Prozessoptimierung zunächst eine verfahrenstechnische Verfeinerung oder Verbesserung vorgenommen und die Übertragbarkeit von Prozessanalyseergebnissen auf die Produktionsanlage geprüft (Fertigungsmitteloptimierung), bevor die Betriebspunktoptimierung durchgeführt wird. Die Fertigungsmitteloptimierung umfasst also alle Aspekte der strukturellen Konfiguration der verfahrenstechnischen Anlage. Ziel hierbei ist, die Komponenten der Produktionsanlage, insbesondere auch die Sensorik, so auszuwählen, dass für die Prozesssicherheit(1) und Reproduzierbarkeit optimale Voraussetzungen geschaffen werden. Gleichzeitig werden damit Randbedingungen für eine Betriebspunktoptimierung festgelegt. Die Betriebspunktoptimierung ermittelt dann die optimalen Sollwerte für die Prozessführung. Allgemein können Zielgrößen der Prozessoptimierung Aspekte der Produktivität und Wirtschaftlichkeit, Operabilität und Verfügbarkeit, Produktqualität, Bedienbarkeit, Sicherheit und der Umweltschutz sein. Eine weitergehende Aufschlüsselung dieser Ziele in Teilziele ist in Tabelle 2 enthalten.
Tabelle 2: Einige Ziele der Prozessoptimierung.(2) Das in einer Anlage bestehende Optimierungspotential lässt sich durch Anwendung von Techniken gehobener Prozessführungsstrategien erschließen, weil hierbei
Tabelle 3: Auswahl von Methoden der gehobenen Prozessführung(3) Einige Techniken gehobener Prozessautomatisierung sind in Tabelle 3 aufgelistet. Die konventionellen Techniken werden durch moderne Methoden der intelligenten Prozessoptimierung wesentlich erweitert. Kombinationen aus beiden Bereichen sind möglich, z.B. adaptive Fuzzy Controller. Die Entscheidung, intelligente Methoden wie neuronale Netze und Fuzzy Systeme zur Prozessmodellierung und -optimierung einzusetzen, statt konventionelle Modellierungstechniken zu verwenden, ist insbesondere bei Prozessen mit den folgenden Eigenschaften zu empfehlen:
Viele verfahrenstechnische Prozesse besitzen gerade diese speziellen Eigenschaften, hinzu kommen noch Totzeiten und eine Vermaschung der Stoff- und Energieströme in den Anlagen. Konventionelle, meist lineare Techniken versagen dann, wenn sie zur Auswahl der dominanten Einflussgrößen eines Prozesses oder zur Beschreibung des Wirkungszusammenhangs zwischen den Prozessgrößen herangezogen werden sollen. |