Die Komplexität der Prozesse in Anlagen und Maschinen ist in den vergangenen Jahren sprunghaft angestiegen. Immer öfter stößt der herkömmliche PID-Regler an seine Grenzen. Mit modellprädiktiven Reglern können komplexe Prozesse viel genauer geregelt werden. Die meisten Anlagenbetreiber schrecken jedoch davor zurück, da diese Regler als arbeitsintensiv gelten.

Bereits seit Mitte der 90-er Jahre wird Advanced Process Control (APC) für sehr komplexe Prozesse mit vielen Regelgrößen eingesetzt. Beispielsweise ist eine moderne Raffinerie mit ihren unzähligen Regelgrößen mit gewöhnlichen PID-Reglern kaum in den Griff zu bekommen. Für APC-Lösungen waren früher jedoch eigene Spezialisten und viel externe Rechenleistung notwendig. Aus dieser Erfahrung heraus stammt die ablehnende Haltung vieler Anlagenbetreiber gegenüber APC und damit auch gegenüber modellprädiktiven Reglern - zu Unrecht, wie die Lösung Aprol APC von B&R beweist.

Näher an die Betriebsgrenze

Dabei würde sich der Einsatz von modellprädiktiven Reglern (MPC, Model Predictive Control) auch in weniger komplexen Prozessen lohnen: Anlagen und Maschinen können wesentlich näher an der Betriebsgrenze gefahren werden, wenn eine vorausschauende Regelung eingesetzt wird. Um im Wettbewerb bestehen zu können, müssen Produktionsprozesse und Energieverbrauch immer weiter optimiert werden. Mit fortgeschrittenen Regelungstechniken können sich Anlagen- und Maschinenbetreiber entscheidende Vorteile verschaffen.

Ein gewöhnlicher PID-Regler reagiert ausschließlich auf Regelabweichungen, ohne das interne Verhalten der Regelstrecke zu kennen. Die modellprädiktive Regelung hingegen basiert auf einem Prozessmodell, welches zur Optimierung der Stellgrößen im MPC-Regler verwendet wird. Damit werden die Möglichkeiten verbessert, vorhersehbare, aber noch nicht eingetretene Ereignisse zu berücksichtigen. Dazu gehören Produktionsplanungsdaten wie Sollwertänderungen und Störgrößen. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Regelgüte, besonders bei gekoppelten Mehrgrößensystemen.

Verschleiß reduzieren - Druckluft sparen

Je nach Prozess ergeben sich teils massive Vorteile. Der Durchsatz wird höher, es werden weniger Einsatz- und Rohstoffe benötigt und bei Pneumatikanwendungen kann teure Druckluft eingespart werden. Da die Regelungen stabiler laufen und weniger schwingen, wird auch der Verschleiß geringer.

Eine der unzähligen Anwendungsmöglichkeiten für MPC sind Schneckenpressen in Kläranlagen. In einer konkreten Anwendung ist die Presse mit einem PID-Regler weit unter der Betriebsgrenze gefahren worden. Dennoch ist der Druck in der Presse immer wieder so weit gestiegen, dass es zu einer Sicherheitsabschaltung kam und die Anlage mehrere Stunden stillstand. Nachdem auf einen modellprädiktiven Regler mit Aprol APC umgestellt wurde, ist es zu keiner einzigen Sicherheitsabschaltung mehr gekommen.

So einfach wie ein PID-Regler

Der entscheidende Vorteil der Aprol-Lösung ist, dass der MPC-Regler so einfach wie ein normaler PID-Regler zu bedienen ist. Die modellprädiktiven Regelungen können zudem mit Standard-Hardware umgesetzt werden. Die Process Automation Library des B&R-Prozessleitsystems Aprol enthält bereits in der Basisausführung einen modellprädiktiven Regler, der eine Regelgröße und eine Stellgröße unter Berücksichtigung eines Störeingangs beherrschen kann (MPC 1x1x1). Damit kann in zahlreichen Anwendungsfällen ein träger PID-Regler ersetzt und aufwändige Zusatzbeschaltungen eingespart werden.

Da der MPC in seinem Regelverhalten auch Grenzen berücksichtigen kann, stimmt auch die errechnete Prognose (Trajektorie). Optional erhältlich ist das MPC-Modul  in einer Ausführung für je bis zu 10 Regel-, Stör- und Stellgrößen (MPC 10x10x10). Damit können mit einem einzigen Bausteinblock höchst komplexe, mehrdimensionale Regelungen einfach und übersichtlich realisiert werden, wie sie zum Beispiel zur Automatisierung von  Rektifikationskolonnen (Destillationskolonnen) benötigt werden.

Perfekt regeln trotz Totzeiten

Besonders hilfreich ist ein MPC-Regler auch bei Prozessen, die lange Totzeiten haben. Im Bergbau zum Beispiel sind lange Förderbänder zur Versorgung der Mahlanlagen mit Erz keine Seltenheit. Sollte die Fördergeschwindigkeit erst dann erhöht werden, wenn am Ende des Förderbandes mehr Material benötigt wird, dauert es lange, bis der Prozess wieder optimal läuft. Zudem können große Puffer nötig werden, damit der Prozess überhaupt weiterlaufen kann. Ein modellprädiktiver Regler, der bereits vor der Regelabweichung reagiert, kann dem entgegenwirken.

Die modellprädiktive Regelung steht nicht nur Anwendern des Prozessleitsystems Aprol offen. Als kompakte, fertig konfigurierte Lösung inklusive eines Industrie-PCs mit vorinstalliertem Prozessleitsystem und eines MPC-Blocks sowie einem Controller kann Aprol MPC als gebrauchsfertige Lösung einfach in bestehende Anlagen mit beliebiger Leittechnik integriert werden. Dazu genügt es, die Ein- und Ausgänge mit einem beliebigen Feldbus zu verbinden und den MPC-Baustein zu konfigurieren. Durch die Verwendung vorgefertigter Module ist kein Expertenwissen nötig, um MPC zu verwenden. Trend- und Alarmsystem sind bereits enthalten, ebenso Faceplates zur Interaktion.