Auch im laufenden Betrieb heißt es, Maschinen und Anlagen in Produktionsprozessen permanent zu optimieren. Viele einmal eingestellte PID-Regler werden jedoch häufig vernachlässigt. Es scheint zu aufwändig, sie ständig neu einzustellen. Einfacher geht es mit vorgefertigten Bausteinen, mit denen Anwender die Qualität von Regelkreisen ermitteln und gegebenenfalls optimieren können.

Ein Blick in die Fabrik zeigt häufig: Allein aus Redundanzgründen sind mehrere ähnliche Produktionslinien im Einsatz. Auch wenn sie gleiche Produkte produzieren, sind sie in der Regel aus Maschinen und Komponenten verschiedener Lieferanten zusammengesetzt. Für den Betreiber zählt in erster Linie der reine Output. Weicht dieser jedoch bei vergleichbaren Linien ab, geht die Fehlersuche los. Die an der Linie beteiligten Maschinen werden dabei jedoch eher selten betrachtet.

Das liegt unter anderem daran, dass es lange Zeit nicht möglich war, Daten einzelner Maschinen genauer zu analysieren. Heutige Technologien lassen da ganz andere Einblicke in das Maschinengeschehen zu. Mit einem Edge Controller zum Beispiel hat ein Anwender heute ein Werkzeug an der Hand, mit dem er Regelkreise und Assets wie Wärmetauscher und Kreiselpumpen einfach überwachen und ständig optimieren kann.

Der Vergleich macht’s möglich

Bisher haben Ingenieure PID-Parameter, um zum Beispiel Druck oder Temperatur zu regeln, häufig nach Annahmen und groben Einstellregeln ermittelt. Zwei Drittel der Regelkreise sind auf diese Weise so eingestellt, dass sie zwar stabil laufen, aber nicht optimal. Das Potenzial für Verbesserungen ist also groß. Doch bei den absoluten Kennzahlen eines PID-Reglers hat der Anwender es schwer herauszufinden, welche davon aus dem Ruder laufen. Bei einem Vergleich zweier gleichartiger Maschinen oder Anlagen hingegen geht das einfacher – und das sogar ohne irgendein Wissen über den Prozess zu haben.

Ein solcher Vergleich ist die Basis für ein Bewertungsverfahren, das unter dem Begriff Control Performance Monitoring (CPM) zusammengefasst wird. Bei B&R ist dies Bestandteil der Regellösung Advanced Process Control (APC). APC kann dabei als alleinstehendes Lösungspaket oder als Bestandteil der B&R-Automatisierungsplattform Aprol eingesetzt werden. Das Control Modul für CPM lässt sich über OPC UA auch mit externen Systemen verbinden und bringt so auch die Möglichkeit mit, Daten unterschiedlicher Standorte miteinander zu vergleichen.

PID-Regelkreise mit Kennzahlen bewerten

Das CPM vereint Methoden und Funktionen, mit denen sich PID-Regelkreise mit einer Vielzahl von Kennzahlen bewerten und im Anschluss mittels effizienter Tuning-Methoden optimal einstellen lassen. Dazu gehört auch Asset-Monitoring, wie das Überwachen von Wärmetauschern auf Fouling hin oder das Überwachen von Kreiselpumpen bezüglich Kavitation.

Für das CPM haben wir verschiedene Werkzeuge entwickelt: So betrachtet etwa der Loop-Report nur einen PID-Regelkreis, der Plant-Report hingegen mehrere oder alle Regelkreise einer Anlage. Anhand dieser Reports kann der Anwender erkennen, welche Parameter auffällig sind; er bekommt sozusagen eine Aussage über die Qualität der PID-Parametrierung. Das CPM sieht auch, wie oft der Maschinenbediener per Hand eingreifen muss und wie oft der Regelkreis an seine Regelgrenzen kommt.

Mit minimalen Eingriffen optimieren

Hat der Anwender über den Vergleich mit CPM Optimierungspotenzial an einer Maschine festgestellt, kann er mithilfe von Tuning-Bausteinen die PID-Regler optimal einstellen. Dazu stehen ihm verschiedene Methoden in der APC-Bibliothek von B&R zur Verfügung. Diese ermitteln automatisch, wie der Regelkreis funktioniert und errechnen die optimalen PID-Parameter. Bisher haben die Anwender häufig am I- oder D-Wert gedreht und geschaut, was passiert. Das ist mit unseren Bausteinen nicht mehr notwendig.

Einer der Tuning-Bausteine ermöglicht die Verwendung der Finite-Frequenzen-Methode. Dabei reichen sehr kleine Anrege-Signale aus, um den Regler zu optimieren. Bereits eine Modulations-Amplitude von nur ±0.5% reicht aus, um einen PID-Regler gut einzustellen.

Da Produktionsprozesse ganz unterschiedlich ablaufen, gibt es verschiedene Arten von Regelungen wie Split-Range-Regelung, Ablöseregelung und viele weitere. Solche Regelungen von Grund auf zu entwickeln, ist aufwändig. Um dem Anwender dies zu ersparen, hat B&R unterschiedliche Regelungen entwickelt, mit denen sich der klassische PID-Regler erweitern lässt. So ist es zum Beispiel mit dem Gain Scheduling möglich, einen Regler zu implementieren, der die PID-Parameter abhängig vom Arbeitspunkt automatisch anpasst. Wie die Tuning-Bausteine sind auch diese Regelungen in der APC-Bibliothek gelistet.

Betriebsgrenzen festsetzen

Wenn sich jedoch bei einem Regelkreis mehrere Größen gegenseitig beeinflussen, reichen klassische PID-Regler nicht aus. Dennoch setzen die meisten Anwender nach wie vor auf diese Regler, obwohl dies nicht nur zu einem weniger gut funktionierenden Regelkreis führen kann, sondern auch bei Entgleisen eines Wertes zum Stillstand einer Maschine oder Anlage.

Mit Mehrgrößenreglern lassen sich in diesen Fällen deutlich bessere Ergebnisse erzielen. Daher hat B&R einen modellprädiktiven Regler (MPC) entwickelt, der jeweils bis zu zehn Regel-, Stör- und Stellgrößen hat. Zwar muss auch der MPC empirisch eingestellt werden, doch das ist beherrschbar: Über ein Faceplate sucht sich der Automatisierungstechniker das Übertragungsverhalten aus und stellt noch einige Parameter ein. Mit ein paar Optimierungsgängen sollte der MPC dann optimal laufen. Die Einführung eines MPC-Reglers hat teilweise zu beeindruckenden Ergebnissen geführt: Anlagen, die bisher mehrmals pro Woche ungewollt abgeschaltet wurden, laufen mit MPC monatelang durch, ohne dass der Prozess aus dem Ruder läuft.

Im Gegensatz zum PID-Regler kann der Anwender beim MPC Grenzen festsetzten, die nicht überschritten werden dürfen. Doch wie ist das möglich? Hinter dem MPC steht ein Modell des Prozesses, mit dem laufend berechnet wird, wie sich die Werte in der Zukunft entwickeln werden. Der Regler stellt also frühzeitig fest, wenn ein Wert Gefahr läuft, zukünftig eine Grenze zu überschreiten und steuert rechtzeitig dagegen. Ausfälle lassen sich so fast vollständig vermeiden. Zudem kann der Prozess näher an der Betriebsgrenze gefahren werden, da ein Überschreiten der Grenze zuverlässig verhindert wird.

Effizienter mit optimierten Regelkreisen

Regelkreise und Assets lassen sich mit modernen Technologien einfach überwachen und ständig optimieren. Die Betreiber können ihre Maschinen und Anlagen so einfacher auf ein Optimum einstellen, sie näher an den Betriebsgrenzen fahren. Ungewollte Maschinenstillstände lassen sich mit einem optimal eingestellten Regelkreis vermeiden, was zu wirtschaftlicheren und effizienteren Maschinen und Anlagen führt.

Die Regelungsalgorithmen von Aprol APC stehen nicht nur Anwendern dieses Prozessleitsystems offen. Als kompakte, fertig konfigurierte Lösung inklusive eines Industrie-PC lassen sich diese Algorithmen auch in bestehende Anlagen integrieren. Für die vorgefertigten Module benötigt der Anwender kein Expertenwissen. Zudem lässt sich der Industrie-PC zugleich als Edge Controller verwenden, der Daten vorverdichtet und an übergeordnete Systeme – zum Beispiel in die Cloud – zur Analyse und für weitere Services weiterleitet.

Aprol 4.2

Das neue Release 4.2 des Prozessleitsystems Aprol von B&R enthält umfangreiche Business-Intelligence-Lösungen, ein optimiertes Alarmmanagement, erweiterte APC Funktionalität und neue Möglichkeiten zur Cloud-Anbindung mit OPC UA und MQTT. Es verfügt standardmäßig über Redundanz auf allen Ebenen. Damit wird der Aufbau hochverfügbarer Systeme auch für kleine Anwendungen attraktiv. Mit dem neuen Dark Style und dem übersichtlichen Spinnendiagramm lässt sich der Anlagenstatus auf einen Blick erkennen.