Modellbasierte prädiktive Regelung - Eine Einführung für Ingenieure

1.1 Entwicklung der Prozessführung im gegenwärtigen wirtschaftlichen Umfeld (S. 1 - 3)

Die Prozessindustrie steht heute mehr denn je vor der Herausforderung, ihre Kapitalrendite zu erhöhen oder unter schwierigen Randbedingungen zu halten. Gleichzeitig geraten die Gewinnmargen in globalen und saturierten Märkten unter Druck und neigen zu marktbedingten Schwankungen. Erschwerend kommt hinzu, dass Umweltauflagen und -richtlinien dem Emissionsausstoß immer engere Grenzen setzen. Diese Randbedingungen zwingen die Prozessindustrie, ihren Produktionsprozess permanent zu optimieren. Die wirtschaftliche Situation ist gekennzeichnet durch folgende Anforderungen und Merkmale:

• Die Zunahme der globalen Konkurrenz erhöht den Kostendruck, die Produktionskosten müssen gesenkt werden, z.B. durch Verringerung der spezifischen Rohstoff- und Energieverbräuche.

• Die Anlagen werden noch enger an ihre Betriebsgrenzen herangefahren.

• Die erforderliche Personalstärke für Betriebsführung und Instandhaltung der Anlagen wird ständig hinterfragt.

• Eine Fülle gesetzlicher Auflagen für Umweltschutz, Anlagensicherheit und Produkthaftung muss eingehalten werden.

• Die Produktspezifikationen und Qualitätsparameter sollen genauer und gleichmäßiger eingehalten werden. Man will weder Ausschuss produzieren bzw. Produkte nachbearbeiten noch zu hohe Qualitäten verschenken („giveaway"). Angestrebt wird eine „Null- Fehler-Produktion".

• Auf Änderungen der Marktbedingungen bezüglich verfügbarer Roh- und Hilfsstoffe, nachgefragter Produkte und Preisentwicklungen müssen die Anlagenbetreiber schnell reagieren. Das verlangt eine erhöhte Flexibilität der Prozessanlagen.

• Fahrweisenwechsel müssen mit geringeren Umstellzeiten und verringerter Ausschussproduktion durchgeführt werden.

Diese Anforderungen an den Produktionsprozess haben einen großen Einfluss auf die erforderlichen Prozessführungs- und Regelungsstrategien. Typische Anforderungen an eine moderne Prozessführung sind:

• Minimierung der Störeinflüsse auf die Produktion:

Externe Störungen sollen so schnell wie möglich in der Teilanlage ausgeregelt werden, in der sie auftreten, und nicht durch die gesamte Anlage wandern. Interne Störungen, wie z. B. Produkt- oder Lastwechsel, müssen zügig eingefangen werden. Der neue Arbeitspunkt ist automatisch, d. h. vorhersagbar und reproduzierbar anzufahren.

• Stabile Anlagenfahrweise nahe der Kapazitätsgrenze, um einen hohen Durchsatz bei gleichzeitig geringem Ausschuss sicherzustellen.

• Hohe Bedienerfreundlichkeit: Die Anlagenfahrer sollen möglichst selten manuell eingreifen müssen. Produkt- und Lastwechsel sowie Störungen sollen im Automatikmodus bewältigt werden.

• Kontinuierliche Nutzung aller Freiheitsgrade der Prozessführung für die Optimierung der Produktions- und Energiekosten.

• Möglichst geringe Schwankungen der Prozesswerte, um eine lange Lebensdauer der Anlage zu gewährleisten.

Diesen steigenden Anforderungen steht aber auch eine zunehmende Zahl von technischen Möglichkeiten gegenüber, die durch die Entwicklung bestimmter Technologien gefördert werden:

• Fortschritte in der Messtechnik (insbesondere Sensorik für Zusammensetzung von Stoffgemischen, modellgestützte Messtechnik),

• zunehmende Ausrüstung auch kleiner und mittlerer Anlagen mit digitalen Prozessleitsystemen und dadurch effiziente Realisierung von Steuerungs- und Regelungsstrategien unter Verwendung von Software-Standardfunktionsbausteinen, Fortschritte in der Bedienbarkeit durch Verwendung grafischer Bedienoberflächen,

• anhaltend revolutionäre Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik, dadurch Erhöhung der Rechen- und Speicherkapazität von Automatisierungssystemen, Möglichkeit zur Abarbeitung rechenintensiver Algorithmen im Echtzeitbetrieb, zunehmende Verwendung von Software-Standardprodukten und Erhöhung der Software- Zuverlässigkeit,

• horizontale und vertikale (auch anlagen- und standortübergreifende) Vernetzung von Rechnersystemen, Integration von technisch und ökonomisch orientierten Informationsverarbeitungsprozessen.