Aufgrund schwankender Rohstoffpreise und der schwachen Kundennachfrage herrscht eine relativ große Unsicherheit über das kostenoptimierte Fahren der Produktionsanlagen. Vielen Unternehmen und den Prozessingenieuren fehlt es dazu an Erfahrungswerten hinsichtlich der Regelstrategien bei einem stark verringerten Durchsatz. Die Konsequenz: Die Betriebskosten von Anlagen sind zu hoch und die Unternehmen haben mit einer nachlassenden Marge zu kämpfen.

Ein zusätzliches Problem stellt - trotz Wirtschaftskrise - der nach wie vor bestehende Fachkräftemangel dar: Es gibt nicht genügend Ingenieure, die über das notwendige Know-how verfügen, um die komplexen Prozesse zu optimieren. Eine effiziente Möglichkeit, Kosten zu senken ohne Einbußen an Produktqualität, Durchsatz oder Flexibilität hinnehmen zu müssen, bietet Advanced Process Control. Solche modellbasierten, multivariablen und prädiktiven Regelungen stellen die Regelkreise der untergeordneten Prozessleitsysteme so ein, dass die Prozesse bestmöglich gesteuert werden.

Dabei variiert ein sogenannter Optimierer die üblichen Stellgrößen - bei Kolonnen beispielsweise Dampfzufuhr, Temperatur oder Durchfluss - so lange, bis die korrelierende Produktmenge und Qualität die aus finanzieller Sicht optimalen Werte erreichen - unter gleichzeitiger Einhaltung aller technischer und kommerzieller Randbedingungen.

Bei chemischen Kolonnen ist es das Ziel, den Durchsatz bei gleichzeitiger Reduzierung des Energie-Einsatzes (Dampfmenge) zu erhöhen. Das Prinzipschaltbild einer APC-Applikation zeigt das Zusammenspiel der einzelnen Elemente (Bild 1 in der Bildergalerie): Mit Hilfe des multivariablen Modells, welches das dynamische Verhalten der Kolonne wiedergibt, und des entsprechenden Reglers wird in einem ersten Schritt die Varianz der Regelgröße reduziert (Bild 2 in der Bildergalerie). Finanziell bringt das zwar noch nicht unbedingt einen Vorteil, technisch gesehen verhält sich das System aber wesentlich stabiler.

Die kleinere Varianz der Regelgröße ermöglicht es, den Prozess dichter an der maximalen Durchflussmenge zu fahren. Doch wie nah kann die Anlage am Limit betrieben werden, ohne die Grenzwerte zu verletzen? Schließlich sind bei einem multivariablen System alle vom Zufluss abhängigen Größen wie Drücke, Temperaturen, Energiezufuhr und Qualitätsparameter einzuhalten. Aufgrund der vielen Variablen gibt es innerhalb harter Grenzwerte unendlich viele Kombinationen dieser Variablenwerte.

Den Sicherheitsabstand verringern

Ohne Advanced Control werden Bediener von Anlagen sich immer in einem sicheren Bereich bewegen (siehe folgendes Bild), um nicht zu schnell an Grenzen zu stoßen, deren Verletzung eine Gefährdung bedeuten könnte oder hinsichtlich der Kosten nicht optimal sind. Der Optimierer (LP: Linear Programming) bestimmt auf Basis des statischen Anlagenmodells und einer Zielfunktion die optimalen Zielwerte für die zu regelnden Größen (Durchsatz, Qualität) und für die Stellgrößen, indem er die einzelnen Parameter (finanziell) gewichtet. Der APC-Regler übernimmt diese Sollwerte und fährt die zu regelnden Größen mit einer einstellbaren Dynamik auf diese Sollwerte.

Ohne APC werden Anlagen immer mit zu viel „Sicherheitsabstand“ gefahren.

© Aspen Tech

Der Zufluss kann so auf einen wirtschaftlich optimalen Wert erhöht werden, ohne Gefährdung der Anlage und ohne Verletzung aller Randbedingungen. Bei einer Reduzierung des Durchsatzes - bedingt durch eine geringere Nachfrage - lassen sich mit APC alle Parameter so einstellen, dass trotz geringerem Durchsatz noch eine relativ gute Marge erhalten bleibt. Bei einer Kolonne steigerte APC den finanziellen Vorteil durch eine höhere Ausbeute um jährlich 2,5 Mio. US-Dollar. Im Teillast-Betrieb sorgt dieselbe APC-Technik nun für geringere Energiekosten (spart 180 000 US-Dollar jährlich) durch eine verringerte Dampfzufuhr beim Pre-Heater.

Die Auswertung von über 6000 Applikationen zeigt, dass die Senkung von Energiekosten bei gleichzeitigem Einhalten aller Randbedingungen eines der wichtigsten Ziele bei der Implementierung von APC ist. Unternehmen sparen durchschnittlich 10 % des Energieverbrauchs ein - bei höherer Prozessstabilität, Zuverlässigkeit sowie Sicherheit der Anlagen. Zusätzlich gehen die Abweichungen vom definierten Qualitätsniveau um 50 % zurück, während die Marge um 3 % und die Fertigungskapazität um 4 % steigen. Der durchschnittliche Return on Investment der APC-Projekte liegt zwischen sechs Monaten und einem Jahr.

Optimierung kleiner Anlagen

Advanced Process Control ist eine Kernfunktion der Software Aspen-One V7 MSC (Manufacturing and Supply Chain), deren aktuelle Version eine schnelle und effiziente Implementierung gerade auch in kleinen Anlagen unterstützt. Dabei helfen insgesamt drei verschiedene Arten von Regelungsmodellen:   

• FIR-Model (Finite Impulse Response) und DMCplus- Controller 
• LSS-Model (Linear State Space)
• Non Linear State Space Model

APC-Applikationen lassen sich damit in einer integrierten Umgebung erstellen, pflegen und an Leitsysteme anbinden. Im Einzelnen unterstützt das Tool:

• eine einfache Konvertierung der Prozessmodelle und Reglerstruktur, zum Beispiel von FIR nach LSS;
• die Erfassung und Archivierung von kontinuierlichen, Batch- und Metadaten; ■ die Untersuchung und Optimierung des prädiktiven und regelungstechnischen Verhaltens der Prozessmodelle;
• die Kopplung der Modelle an verschiedene Datenquellen sowie
• die Überwachung und Dokumentation von Änderungen während der Instandsetzung. 

Mit der Plattform können regelungstechnische Aufgabenstellungen mit komplexen Dynamiken sowohl im linearen als auch im nicht-linearen Bereich gelöst werden. Lineare und nicht-lineare Regelungen lassen sich kombinieren und von einem Modelltyp zum anderen konvertieren. Der Aspen-Process-Controller übernimmt automatisch sowohl das Modell als auch die Reglerkonfiguration und Tuning-Parameter.

Die Software führt den Entwickler bei der Erstellung eines APC-Reglers durch alle Abläufe - von der Erstellung der Modelle und Reglerstrukturen über das Testen bis hin zum Verteilen der Regler und der dazugehörigen Applikationen. Drag&Drop-Funktionen vereinfachen dabei die Konfiguration.

Autor: Norbert Meierhöfer ist Director Business Consulting Chemical Industry bei der Firma AspenTech in Wiesbaden.