{"id":6572,"date":"2018-11-05T12:07:30","date_gmt":"2018-11-05T11:07:30","guid":{"rendered":"https:\/\/staging.blogs.yokogawa.de\/chemical-pharma\/unkategorisiert\/assistenzsysteme-2-schleuderschutz\/"},"modified":"2022-06-17T07:53:47","modified_gmt":"2022-06-17T05:53:47","slug":"assistenzsysteme-2-schleuderschutz","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.yokogawa.com\/eu\/blog\/chemical-pharma\/de\/assistenzsysteme-2-schleuderschutz\/","title":{"rendered":"Assistenzsysteme &#8211; 2. &#8220;Schleuderschutz&#8221;"},"content":{"rendered":"<p><a href=\"https:\/\/www.yokogawa.com\/eu\/blog\/chemical-pharma\/de\/assistenzsysteme-1-unsere-taeglichen-kleinen-helferlein\/\">Zum Start der Serie<\/a> haben wir uns einige der <strong>Assistenzsysteme<\/strong> am Auto angeschaut und\u00a0festgestellt, dass es durchaus <strong>Gemeinsamkeiten<\/strong> beim &#8220;Auto-fahren&#8221; und &#8220;Anlage-fahren&#8221; gibt. Eine weitere und sehr wichtige Gemeinsamkeit ist, dass Assistenzsysteme den Anlagenfahrer genauso wenig \u00fcberfl\u00fcssig machen wie den Autofahrer. Wie beim Autofahren unterst\u00fctzen sie ihn und lassen ihm daf\u00fcr <strong>mehr Zeit<\/strong> f\u00fcr <strong>wertvollere Aufgaben<\/strong>. Gleichzeitig werden damit\u00a0<strong>Effizienz, Sicherheit und Verf\u00fcgbarkeit gesteigert<\/strong>.<\/p>\n<p>Es gibt aber auch einen wichtigen <strong>Unterschied<\/strong>. Grob gesagt sind alle Assistenzsysteme f\u00fcr alle Autos gleich gut geeignet. Das liegt einfach daran, dass die Autos selbst und die Art, wie sie fahren, ziemlich gleich sind. <strong>Prozess Anlagen<\/strong> sind nicht nur sehr verschieden, sie sind auch oft deutlich <strong>komplexer<\/strong> zu fahren. Daher sind im Gegensatz zum Auto bestimmte Assistenzsysteme auch nur f\u00fcr bestimmte Anlagen geeignet. Und selbst bei Anlagen gleichen Typs ist man gut beraten, vorab eine Nutzen-Aufwand-Rechnung\u00a0aufzustellen.<\/p>\n<p>In diesem und den n\u00e4chsten Teilen unserer kleinen Serie wollen wir uns mit einer <strong>Gruppe von Assistenzsystemen<\/strong> besch\u00e4ftigen, die einige Gemeinsamkeiten aufweist, oft auch <strong>gemeinsam<\/strong> eingesetzt wird, aber auch v\u00f6llig <strong>unabh\u00e4ngig<\/strong> voneinander agieren kann. Wir werden uns anschauen, wie diese Systeme prinzipiell funktionieren, eingebunden sind und genutzt werden. In dieser Gruppe sind folgende Assistenzsysteme zusammengefasst:<\/p>\n<ul>\n<li><strong>APC\/MPC &#8211; Advanced Process Control \/ Model (Multivariable) Predictive Control<\/strong><\/li>\n<li>Digital Twin<\/li>\n<li>RTO &#8211; Real Time Optimierung<\/li>\n<li>MirrorPlant<\/li>\n<\/ul>\n<p>Wie der Titel schon vermuten l\u00e4sst, wollen wir uns in diesem Artikel ein Assistenzsystem etwas genauer anschauen, welches in mehrfacher Hinsicht \u00c4hnlichkeit mit dem ESP beim Auto hat. Hierbei handelt es sich um APC\/MPC, welche schon seit den 1980er im Bereich der Raffinerien und der Chemie\/Petrochemie\u00a0im Einsatz sind.\u00a0APC\/MPC ist somit geradezu ein Veteran unter den Assistenzsystemen in der\u00a0Prozessindustrie.\u00a0Heute finden wir es ebenso im Kraftwerks-, Zement- und anderen Industrien. Genau wie das ESP versieht das APC\/MPC seinen Dienst meist sehr unauff\u00e4llig und wir merken gar nicht, wie oft wir davor bewahrt wurden, &#8220;ins Schleudern&#8221; zu kommen.<\/p>\n<h2>APC?\u00a0MPC? &#8211; Definition<\/h2>\n<p>APC (Advanced Process Control) ist urspr\u00fcnglich der <strong>Oberbegriff<\/strong> f\u00fcr verschiedene Techniken und Technologien im Bereich der <strong>Prozess Regelung<\/strong>. Man kann grob sagen, dass alles, was komplexer als ein Standard-PID-Regler ist, darunter f\u00e4llt. So zum Beispiel auch der MPC, welcher als <strong>Model<\/strong> Predictive Controler oder <strong>Multivariable<\/strong> Predictive Controler bezeichnet wird. Heutzutage wird der Begriff APC mehrheitlich, wenn auch nicht korrekt, benutzt, wenn man MPC meint. Ob das dann nun &#8220;Model&#8221; oder &#8220;Multivariable&#8221; ist, spielt keine Rolle, da die\u00a0MPC L\u00f6sungen \u00fcblicherweise beides sind. Also M2PC w\u00e4re korrekt (Multivariable Model Predictive Controler). Oft beinhaltet die Software gleich ein ganzes B\u00fcndel an<strong> Tools &amp; Funktionen<\/strong>, wie auch Yokogawa&#8217;s APC\/MPC L\u00f6sung <a href=\"https:\/\/www.yokogawa.com\/solutions\/products-platforms\/solution-based-software\/optimization\/advanced-process-control-platform-for-advanced-control-and-estimation\/\"><strong>PACE<\/strong><\/a>. PACE steht f\u00fcr &#8220;Platform for Advanced Control and Estimation&#8221;, sprich: Neben einem APC\/MPC mit entsprechenden Tools &amp; Funktionen\u00a0ist auch eine Software zur Absch\u00e4tzung nicht messbarer bzw. nicht sofort verf\u00fcgbarer Parameter vorhanden, sozusagen eine <strong><a href=\"https:\/\/de.wikipedia.org\/wiki\/Softsensor\">Soft-Sensor<\/a>&#8211;<\/strong>Funktion.<\/p>\n<h2>APC\/MPC &#8211; der &#8220;Schleuderschutz&#8221;<\/h2>\n<h3>Zum Verzweifeln<\/h3>\n<p>Es ist zum Verzweifeln. Der F\u00fcllstand im Kolonnensumpf ist einfach <strong>nicht stabil<\/strong> zu kriegen <strong>und schwankt<\/strong> wie ein volltrunkener Matrose. <strong>Prozessleitsystem (PLS) und Anlagenfahrer<\/strong> sind permanent damit besch\u00e4ftigt, diese Schwankungen soweit im Griff zu haben, dass die Anlage wenigstens l\u00e4uft und nicht andauernd irgendein <strong>Alarm ausgel\u00f6st<\/strong> wird. Und was haben wir nicht schon alles versucht. Tunen der Regelkreise im PLS, Verbesserung der Instrumentierung, suchen nach verfahrens- oder regelungstechnischen Zusammenh\u00e4ngen, die diese Probleme verursachen und so weiter. Nicht, dass dies gar nichts gebracht h\u00e4tte, aber die Verbesserungen haben insgesamt immer noch zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis gef\u00fchrt. Hinzu kommt, dass wir, selbst wenn wir Zusammenh\u00e4nge herausfinden (z.B. Totzeit zwischen Messung im Zulauf und dem Kolonnensumpf), nicht mit Sicherheit sagen k\u00f6nnen, wie\u00a0bzw. wie stark diese sind.<\/p>\n<h3>Unerfreuliche Folgen<\/h3>\n<p>Ist die Auslastung des PLS und des Anlagenfahrers schon unerfreulich, so ist der Blick auf Produktionsleistung und Produktqualit\u00e4t\u00a0unter Umst\u00e4nden noch unerfreulicher. Denn:<\/p>\n<ol>\n<li>Man kann nicht an den maximalen und minimalen <strong>Durchsatz<\/strong> fahren, da durch die starken <strong>Schwankungen<\/strong> dauernd Alarme ausgel\u00f6st w\u00fcrden.<\/li>\n<li>Man muss wahrscheinlich auch mit <strong>Qualit\u00e4tsschwankungen<\/strong> rechnen. Das ist schon schlimm genug, wenn nach dem Apparat das Endprodukt anf\u00e4llt, aber noch schlimmer, wenn hier Zwischenprodukte anfallen, die weiterverarbeitet werden sollen. Die ganze <strong>Produktionskette<\/strong> leidet dann unter dem <strong>schlechten &#8220;Start&#8221;<\/strong>.<\/li>\n<li>Man muss mit eine h\u00f6heren <strong>Verschlei\u00df<\/strong> der Anlage rechnen, da sie dauernd in den\u00a0<strong>Grenzbereich<\/strong> ger\u00e4t und diesen manchmal auch \u00fcberschreitet.<\/li>\n<\/ol>\n<p>Mit Effizienz, Sicherheit und Verf\u00fcgbarkeit ist es also nicht zum Besten bestellt. Was kann man also\u00a0tun?<\/p>\n<h3>Die L\u00f6sung &#8211; &#8220;Schleuderschutz&#8221;<\/h3>\n<p>Hier\u00a0kommen nun\u00a0die St\u00e4rken des <strong>APC\/MPC<\/strong> zum Tragen: <strong>Multivariabel und Modell Pr\u00e4diktiv<\/strong>.<br \/>\n(M\u00f6gen mir die APC\/MPC Gurus unter Ihnen die eine oder andere Vereinfachung verzeihen.)<\/p>\n<h4>Multivariabel<\/h4>\n<p><strong>Multivariabel<\/strong> bedeutet hier f\u00fcr uns, dass wir alle identifizierten (m\u00f6glichen) Variablen in das APC\/MPC einbringen k\u00f6nnen, selbst wenn wir nicht sicher wissen, wie sich die <strong>Zusammenh\u00e4nge<\/strong> darstellen. Der APC\/MPC stellt uns Mittel zur Verf\u00fcgung, mit denen wir diese Zusammenh\u00e4nge <strong>untersuchen<\/strong> k\u00f6nnen. Dieser Ansatz ist\u00a0<strong>sehr hilfreich<\/strong>.\u00a0Der APC\/MPC schert sich weder um die Verfahrenstechnik noch um irgendwelche regelungstechnische Zusammenh\u00e4nge, welche wir ihm ja auch oft nicht mit Sicherheit sagen k\u00f6nnten. Er schaut nur danach, was\u00a0 am <strong>Ausgang<\/strong> passiert, wenn ich am <strong>Eingang<\/strong> etwas \u00e4ndere.\u00a0Damit verlieren Totzeiten oder andere f\u00fcr uns nicht immer offensichtliche oder schwer verifizierbare\u00a0Zusammenh\u00e4nge ihren Schrecken. Der klassische PID-Regelkreis kennt hier \u00fcblicherweise nur einen Ein- und einen Ausgang und wir m\u00fcssen ihm auch noch den &#8220;Zusammenhang erkl\u00e4ren&#8221;. Das reicht auch f\u00fcr die Mehrzahl der Regelaufgaben,\u00a0sonst w\u00e4ren ja\u00a0mehr APC\/MPC als PLS im Einsatz, aber halt nicht immer.<\/p>\n<h4>Modell Pr\u00e4diktiv<\/h4>\n<p>Gleichzeitig &#8220;erstellt&#8221; der APC\/MPC ein <strong>&#8220;Modell*&#8221;<\/strong>\u00a0aus diesen Variablen und Zusammenh\u00e4ngen. Nicht nur, dass es damit die Verkn\u00fcpfung der verschiedenen Variablen darstellt, nein, es kann damit auch<strong> &#8220;ein bisschen in die Zukunft schauen&#8221;<\/strong> (pr\u00e4diktiv). Diese beiden F\u00e4higkeiten nutzt der APC\/MPC nun, um die entsprechenden Regelkreise in unserem PLS zu orchestrieren.<\/p>\n<p>Ganz klar,\u00a0letztendlich regelt immer noch das PLS die Anlage und es ist daher &#8220;gut in Schuss&#8221; zu halten. Nur hat es jetzt im Hintergrund ein System, dass es davor bewahrt, ins &#8220;Schleudern&#8221; zu geraten. \u00dcblicherweise besteht keine direkte <strong>Interaktion<\/strong> mit dem Anlagenfahrer.\u00a0Das APC\/MPC arbeitet permanent im Hintergrund und greift direkt auf das PLS zu.\u00a0Es ist somit\u00a0<strong>Online Closed Loop<\/strong> eingesetzt und ist zust\u00e4ndig f\u00fcr unmittelbare Aktionen,\u00a0sehr \u00e4hnlich zum ESP.<\/p>\n<h3>Einsatzbereiche<\/h3>\n<p><img decoding=\"async\" class=\"wp-image-7460 size-full alignright\" src=\"https:\/\/www.yokogawa.com\/eu\/blog\/app\/uploads\/sites\/8\/2022\/06\/APC-Curve_EN_resized-e1541415198778.png\" alt=\"\" width=\"468\" height=\"328\" \/>Die beiden klassischen Aufgaben des APC\/MPC sind zum einen die oben beschriebene, n\u00e4mlich die Anlage <strong>stabil<\/strong> in einem Arbeitspunkt zu halten. Die andere ist,\u00a0die Anlage von einem Arbeitspunkt in den n\u00e4chsten zu fahren bzw. eine <strong>&#8220;vorhersehbare \u00c4nderung&#8221;<\/strong> m\u00f6glichst effizient\u00a0auszuregeln. Hierbei\u00a0kann es sich z.B. \u00a0um den <strong>Grade Change<\/strong> in einer <strong>Polymer-Anlage<\/strong> handeln oder das <strong>Umschalten<\/strong> von Anlagenteilen in einem <strong>Delayed Coker<\/strong> (verursacht durch das periodische Decoking).\u00a0Beides sind komplexe Vorg\u00e4nge, bei denen es sehr hilfreich ist,\u00a0die Zusammenh\u00e4nge vieler verschiedener Variablen automatisch zu ber\u00fccksichtigen und immer ein klein wenig in die Zukunft schauen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n<p>APC\/MPC sind grunds\u00e4tzlich f\u00fcr alle <strong>kontinuierlichen<\/strong> und <strong>semi-kontinuierlichen<\/strong>\u00a0Prozesse geeignet. F\u00fcr <strong>Batch-Prozesse<\/strong> kommt es sehr auf den Prozess an und manchmal braucht das APC\/MPC dann auch Unterst\u00fctzung durch weitere L\u00f6sungen wie z.B. einen &#8220;Fahrautomaten&#8221;.\u00a0 APC\/MPC wird an vielen Anlagen in vielen\u00a0<strong>Industriebereichen<\/strong> eingesetzt. So z.B. in Raffinerien, in der Chemie \/ Petrochemie, in Kraftwerken, Zement, Kl\u00e4ranlagen, D\u00fcngemittelfabriken, Fl\u00fcssiggasanlagen, der Papier- und Zellstoffindustrie usw.<\/p>\n<h3>Herausforderung und Nutzen<\/h3>\n<p>Die <strong>Herausforderungen,<\/strong> denen man sich mit APC\/MPC stellt, sind\u00a0<strong>komplexer<\/strong> Art. Oft geht es, wie im Beispiel beschrieben, um verfahrens- und regelungstechnische Zusammenh\u00e4nge, die mit dem klassischen PLS schwer in den Griff zu bekommen sind. Zudem ergeben sich noch weitere Randbedingungen durch z.B.\u00a0Regularien (<strong>Umwelt<\/strong>), \u00f6konomische Erfordernisse (<strong>Wettbewerb<\/strong>) und\u00a0deren \u00c4nderungen. Da interagieren sehr viele Variablen und Bedingungen\u00a0miteinander.\u00a0Um diese im Griff zu haben, unterst\u00fctzt\u00a0das APC\/MPC den Anlagenfahrer. Gleichzeitig werden damit\u00a0<strong>Effizienz, Sicherheit und Verf\u00fcgbarkeit gesteigert<\/strong>.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" class=\"alignright wp-image-7454 \" src=\"https:\/\/www.yokogawa.com\/eu\/blog\/app\/uploads\/sites\/8\/2022\/06\/APC-Benefits-IEE-1024x608.png\" alt=\"\" width=\"496\" height=\"294\" \/>In den\u00a0drei Bereichen <strong>Ertrag<\/strong>, <strong>Kapazit\u00e4t<\/strong> und <strong>Energie<\/strong> generiert ein APC\/MPC\u00a0am meisten &#8220;Geld&#8221;. Beim Ertrag wird dies haupts\u00e4chlich durch eine <strong>Minimierung<\/strong> der <strong>Qualit\u00e4tsvarianz<\/strong> um typischerweise 10 bis 20% erreicht. Eine <strong>Durchsatzsteigerung<\/strong> von 3-5% erh\u00f6ht die Kapazit\u00e4t und im Bereich <strong>Energie<\/strong> sind <strong>Einsparungen<\/strong> bei Strom und Brennstoff um 3 bis 5% m\u00f6glich. Zudem sinken durch Letzteres auch\u00a0die Emissionswerte. (Quelle: IEEE 2011: Control in the Process Industries).<\/p>\n<p>Hinzu kommen, weniger direkt geldlich messbar, eine <strong>Entlastung<\/strong> der Anlagenfahrer, so dass diese mehr Zeit f\u00fcr wichtigere Aufgabe haben, und eine Verbesserung der Anlagenstandzeiten durch <strong>verringerte Abnutzung<\/strong>. Typische ROI-Zeiten bei APC\/MPC-Projekten betragen sechs bis zw\u00f6lf Monate. Aber auch drei Monate sind keine Seltenheit.<\/p>\n<h3>Zusammenfassung<\/h3>\n<p>Moderne APC\/MPC-L\u00f6sungen sind, aufgabenbezogen,\u00a0ein <strong>hilfreiches<\/strong> Werkzeug, wenn es darum geht,\u00a0<a href=\"https:\/\/www.yokogawa.com\/solutions\/solutions\/approach\/operational-excellence-transformation\/\"><strong>Operational Excellence<\/strong><\/a> zu erreichen. Ihre &#8220;Kinderkrankheiten&#8221; hinsichtlich<strong> Implementierung<\/strong>, <strong>Nutzung<\/strong>\u00a0und <strong>Wartung<\/strong> haben sie \u00fcber die Jahre\u00a0\u00fcberwunden. Als Softwarel\u00f6sung erf\u00fcllt APC\/MPC alle Voraussetzungen, Teil der <strong>digitalisierten Produktion<\/strong> zu sein, ihre F\u00e4higkeiten zu teilen und Daten produktions\u00fcbergreifend und auch au\u00dferhalb der Produktion zu nutzen. Auch in der <strong>Industrie 4.0<\/strong> werden daher APC\/MPC-L\u00f6sungen weiterhin,\u00a0vermutlich sogar\u00a0verst\u00e4rkt, ihre Rolle haben.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>*Modell: Bei einem APC\/MPC ist das Modell eine mathematische Darstellung der dynamischen Zusammenh\u00e4nge zwischen den Ein- und Ausgangsvariablen. Dieses Modell hat nichts mit den rigorosen** verfahrenstechnischen Modellen in einer Prozess-Simulations-Software zu tun.<\/p>\n<p>**rigoros = beruht auf physikalischen, chemischen, mechanischen etc. Grundlagen<\/p>\n<hr \/>\n<blockquote class=\"wp-embedded-content\" data-secret=\"5U2CYF8nra\"><p><a href=\"https:\/\/www.yokogawa.com\/eu\/blog\/chemical-pharma\/de\/automation-de\/assistenzsysteme-1-unsere-taeglichen-kleinen-helferlein\/\">Assistenzsysteme &#8211; 1. Unsere t\u00e4glichen kleinen Helferlein<\/a><\/p><\/blockquote>\n<p><iframe class=\"wp-embedded-content\" sandbox=\"allow-scripts\" security=\"restricted\" style=\"position: absolute; clip: rect(1px, 1px, 1px, 1px);\" title=\"&#8222;Assistenzsysteme &#8211; 1. Unsere t\u00e4glichen kleinen Helferlein&#8220; &#8212; Chemical Pharma Blog\" src=\"https:\/\/www.yokogawa.com\/eu\/blog\/chemical-pharma\/de\/automation-de\/assistenzsysteme-1-unsere-taeglichen-kleinen-helferlein\/embed\/#?secret=K7Y7su0xKQ#?secret=5U2CYF8nra\" data-secret=\"5U2CYF8nra\" width=\"500\" height=\"282\" frameborder=\"0\" marginwidth=\"0\" marginheight=\"0\" scrolling=\"no\"><\/iframe><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Es ist zum Verzweifeln. Der F\u00fcllstand im Kolonnensumpf ist einfach nicht stabil zu kriegen und schwankt wie ein volltrunkener Matrose. 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