Von Dr. Otmar Lorenz, Dr. Bernd-Markus Pfeiffer

Neben echten Package-Units, zum Beispiel Vakuumanlagen und Verpakkungsmaschinen, gibt es viele Anlagenteile, die immer wieder in ähnlicher Form vorkommen und sich damit bis zu einem bestimmten Grad klassifizieren beziehungsweise standardisieren lassen – bei Destillationskolonnen etwa 80 % der Regelungsstrukturen. Diese Units bestehen in verfahrenstechnischen Anlagen aus Fluidik und Mechanik (Anlagenkomponente/Apparat/Maschine) inklusive der Sensorik, Aktorik und zugeordneter Automatisierungs-Software. Die Grundidee einer unit-orientierten Automation ist, die gesamte Automatisierungstechnik für solche Anlagenteile in Form von Templates zu vereinheitlichen und als Musterlösung vorgefertigt auszuliefern. Aus diesen Templates lassen sich beliebig viele Instanzen erzeugen, die nur noch unterschiedlich parametriert werden müssen. Anlagenkomponenten wie Apparate, Behälter, Maschinen, Rohrleitungen sowie Geräte sind dazu in verschiedene Grundtypen eingeteilt. Dies reduziert den Engineering-Aufwand und die Know-how-Anforderungen für die konkrete Applikation auf die Instanz einer Unit. Die Automatisierungslösung für eine Unit wird als Software-Modul in das zentrale Prozessleitsystem eingebunden und ist damit nicht an eine dedizierte lokale Automatisierungshardware gebunden, wie das bei echten Package-Units der Fall ist.

Im Rahmen solcher Musterlösungen kann das Erfahrungswissen des Systemlieferanten an Kunden weitergegeben und das zur Applikationsentwicklung erforderliche Know-how beim Anwender reduziert werden. Aus diesem Grund besteht speziell im Bereich von Applikationen mit Advanced Process Control (APC) ein besonderes Interesse an unitorientierten Lösungen. Für Destillationskolonnen gibt es inzwischen ein Template, das sich auf zahlreiche Rektifikationskolonnen in Konti-Anlagen ohne Veränderungen anwenden lässt. Darüber hinaus sind davon abweichende Varianten, beispielsweise eine Differenzdruckregelung im Kolonnenkopf, mit weniger Aufwand umzusetzen.

Die funktionalen Facetten

Da eine APC-Lösung in das Automatisierungsumfeld eingepasst sein muss, wird ein ganzheitlicher Automatisierungsansatz verfolgt. Deswegen umfasst das Template von Destillationskolonnen mindestens die Facetten Basisautomatisierung, Advanced Control und Human Machine Interface. Hinzu kommen bei Bedarf Asset Management, Performance Monitoring und Alarm-Management. Das Template für das Prozessleitsystem Simatic PCS7 enthält alle zur Automatisierung einer Anlagenkomponente erforderlichen Funktionen wie CFC-Pläne (Continuous Function Charts, Instanzen von Messstellen-Typen), SFC-Pläne (Sequential Function Charts) und HMI-Bilder für die Operator-Stationen. Sämtliche Funktionen werden in einem Hierarchie-Behälter (Ordner) der technologischen Sicht des Engineering-Werkzeugs (Simatic Manager) zusammengefasst. Instanzen dieser Musterlösung lassen sich mit Hilfe einer Import/Export-Datei generieren. Obwohl es die Möglichkeit zum Anlegen von Musterlösungen im PCS7-Engineering-System bereits seit Jahren gibt, wurde diese Funktion bisher eher selten genutzt. Das Template für Destillationskolonnen nimmt daher eine Vorreiterrolle ein.

Mit der „Advanced Control Library“ von Simatic PCS 7 (V7.0 SP1) stehen Messstellen-Typen für gehobene Regelungsfunktionen zur Verfügung, zum Beispiel für modellbasierte Prädiktiv-Regelungen (MPC). Im Gegensatz zu voll ausgestatteten MPC-Softwarepaketen wie DMC+ von der Firma AspenTech oder INCA von Ipcos, die einen externen PC für die Regelung benötigen, ist der prädiktive Mehrgrößenregler von Simatic in das Prozessleitsystem integriert. Der MPC-Funktionsbaustein beherrscht bis zu vier miteinander gekoppelte Stell- und Regelgrößen sowie eine Störgröße. Ein solcher „embedded“ MPC-Funktionsbaustein entspricht in punkto Verfügbarkeit einem konventionellen PID-Regler. Daher sind keine Backup-Strategien und Maßnahmen zur Überwachung der Kommunikation mit externen PCs erforderlich. Ebenso können bei Bedarf redundante Automatisierungssysteme genutzt werden. Als Teil des Template lässt sich der MPC-Baustein wie ein konventioneller PID-Regler mit den vorgefertigten Messstellen-Typen (Muster-Signalflusspläne im CFC) verschalten. Bedienung und Beobachtung erfolgen über einen Standard-Bildbaustein (Faceplate). Weil das Look&Feel so weit wie möglich an konventionelle PID-Regler angelehnt ist, reduziert sich der Einarbeitungs- und Implementierungsaufwand erheblich. Der Bedarf, externe Dienstleister für spezielle MPC-Softwarepakete hinzuzuziehen, entfällt. Insgesamt sinken die Kosten für eine schlüsselfertige MPC-Applikation. Damit wird die Technologie auch für kleinere Anwendungen lukrativ, bei denen sich die Kosten für externe MPC-Implementierungen nicht amortisieren.

Blaupause für Destillationskolonnen

Destillation ist das wichtigste Trennverfahren der chemisch-pharmazeutischen Industrie. Es wird genutzt, um ein flüssiges Gemisch verschiedener, ineinander löslicher Stoffe durch die unterschiedliche relative Verdampfung und die verschiedenen Siedepunkte zu trennen. Typische Anwendungen sind das Brennen von Alkohol und das Destillieren von Erdöl in der Raffinerie. Prinzipiell gibt es die Varianten Batch-Destillation und Konti-Destillation (Rektifikation, extraktive oder reaktive Destillation). Bei der Rektifikation (Gegenstrom-Destillation) wird ein Flüssigkeits-Gemisch in mindestens zwei Ströme zerlegt. Am Kopf der Rektifikations-Kolonne wird das Kopfprodukt (Leichtsieder) abgezogen, am Sumpf der Schwersieder. Aufgrund der starken thermodynamischen Kopplungen in der Destillationskolonne lässt sich mit konventionellen Strategien entweder die Produktqualität (Temperatur) am Kopf oder am Sumpf der Kolonne regeln. Daher gibt es mindestens fünf verschiedene Varianten zur Regelung von Kolonnen über eine einzige Temperatur.

Das Unit-Konzept vereinheitlicht die gesamte Automatisierungslösung in Form von Templates und wird als Musterlösung vorgefertigt ausgeliefert.

Mit dem Mehrgrößenregler des Template und seinen jeweils zwei Regel- und Stellgrößen können erstmals fast alle Kolonnen-Typen, die bisher mit einem der fünf konventionellen Regelungs-Schemata gefahren wurden, mit einer Qualitäts-Regelung für beide Produkte ausgerüstet werden: Die Regelung von Kopf- und Sumpftemperatur erfolgt über Rücklaufverhältnis und Heizdampfmenge. Über Priorisierungen im Gütekriterium des Prädiktiv-Reglers kann der Anlagenfahrer im Einzelfall vorgeben, welche Regelgröße ihm besonders wichtig ist.

Die Musterlösung deckt folgende Facetten der Automatisierung von Destillationskolonnen ab: Die Basisautomatisierung einschließlich PI-Füllstandsregelungen im Sumpf der Kolonne und im Sammelbehälter für den Rücklauf, PI-Druckregelung am Kopf der Kolonne, PI-Durchflussregelungen der Rohstoffzufuhr, der Heizdampfmenge und des Rücklaufs.

APC-Qualitäts-Regelung: Bei der verfahrenstechnischen Auslegung der Kolonne wird ein S-förmiges, vertikales Temperaturprofil innerhalb der Kolonne festgelegt, das zum gewünschten Konzentrationsprofil und damit zur Reinheit der Produkte führt. Zudem werden zwei für die Regelung repräsentative Temperaturmessstellen im Verstärkungs- und Abtriebsteil der Kolonne platziert. Der modell-prädiktive Mehrgrößenregler kennt den Zusammenhang zwischen diesen beiden Temperaturen und den zwei wesentlichen Stelleingriffen am Kopf und Sumpf: der Rücklaufmenge und der Verdampfungsmenge als Sollwerte für die jeweiligen Durchflussregler. Als wesentliche messbare Störgröße wird die Zulaufmenge berücksichtigt, um vorausschauend auf deren Änderungen mit Anpassungen von Rücklauf und Dampfmenge reagieren zu können, ohne dass die Produktqualität wesentlich vom Sollwert abweicht.

Das integrierte Performance-Monitoring berechnet und überwacht KPI-Kennzahlen (Key Performance Indicator) wie die Produktionsmengen (Kopf- und Sumpfprodukt), das Rücklaufverhältnis, den relativen Energieverbrauch und den Druckverlust der Kolonne.

Unit-spezifische Prozess- und Instandhaltungs-Meldetexte vorprojektiert

 Darüber hinaus sind unit-spezifische Prozess- und Instandhaltungs-Meldetexte vorprojektiert, wobei überflüssige Alarme unterdrückt werden. Falls die Zulaufmenge eine bestimmte Grenze übersteigt, erscheint zuerst die Meldung „Kolonne droht geflutet zu werden“. Erst wenn der Füllstand im Sumpf die obere Alarmgrenze übersteigt, meldet das System „Kolonne geflutet“. Da das Rücklaufverhältnis explizit berechnet und überwacht wird, ist eine separate Kontrolle der Absolutwerte des Rücklaufes nicht erforderlich. Die entsprechenden Meldungen sind daher deaktiviert. Falls die Regelabweichung am ersten Kanal des Mehrgrößenreglers zu stark negativ wird, erscheint die Meldung „Qualität Destillat – Konzentration Leichtsieder sehr niedrig“.

Ausschnitt aus einem Anlagen-Übersichtsbild (links) mit einer Instanz des Kolonnen-Stellvertreters und zwei Ansichten des Bildbausteins.

Ist die Regelabweichung am zweiten Kanal des Mehrgrößenreglers zu groß, erscheint die Meldung „Qualität Sumpfprodukt – Konzentration Leichtsieder sehr hoch.“ Der Mehrgrößen-Charakter des Prozesses wird soweit möglich bei der Regelkreisüberwachung berücksichtigt: Befindet sich einer der zwei Temperaturregelkreise nicht im stationären Zustand, unterdrückt der Regler entsprechende Regelgüte-Alarme im jeweils anderen Temperaturregelkreis sowie in den beiden Füllstandregelkreisen. Die Folgeregler von Kaskadenschaltung (FIC_Reflux und FIC_Vapor) benötigen keine Regelkreisüberwachung, da ihre Varianz stark von den Sollwerten abhängt, die wiederum der Führungsregler aufprägt. Bei geringen Ansprüchen an die Regelgüte der Füllstandregler lässt sich auch hier auf eine Regelkreisüberwachung verzichten. Wird der Druckverlust über der Kolonne zu groß, löst der Funktionsbaustein Asset-Monitor einen Instandhaltungs-Alarm aus. Über diesen universellen Funktionsbaustein zur Überwachung mechanischer/verfahrenstechnischer Assets lassen sich ebenso periodische Instandhaltungs-Anforderungen über Betriebsstundenzähler automatisiert anstoßen.

Die HMI-Facette des Template umfasst mehrere Bausteine. Im Übersichtsbild einer verfahrenstechnischen Anlage werden typischerweise mehrere Destillationskolonnen dargestellt. Hierzu gibt es einen speziellen Kolonnen-Stellvertreter-Baustein, der die wichtigsten Performance-Kennzahlen kompakt darstellt: die Qualität von Kopf- und Sumpfprodukt (Abweichung der Regeltemperaturen von ihren Sollwerten) und deren Mengen.

Die detaillierte Standard-Sicht des Kolonnen-Faceplate visualisiert neben den Werten des Übersichtsbildes zusätzlich das Rücklaufverhältnis, den relativen Energieverbrauch und den Druckverlust als Zahlen und Balken. In einer weiteren Sicht (Parameter) lässt sich das vertikale Temperaturprofil entlang der Kolonne punktuell darstellen. Dies ist aber nur sinnvoll, wenn neben den beiden Regeltemperaturen weitere Temperaturmessstellen installiert wurden.

APC-Verfahren stellen einen entscheidenden Hebel zur Verbesserung der Anlagen-Performance dar. Typische Erfahrungswerte sind:

• Durchsatz-Steigerungen bis zu 5 %;
• eine zwischen 2 % und 10 % höhere Ausbeute;
• ein bis zu 10 % geringerer Energieverbrauch.

Darüber hinaus reduzieren sich die Standardabweichungen von Prozessgrößen auf 25 bis 50 % der bisherigen Werte und die Arbeitsbelastung der Anlagenfahrer sinkt (weniger Handbetrieb). Die vorgefertigte Musterlösung mit integrierten APC-Funktionen verringert den Engineering-Aufwand und das erforderliche Know-how, um diese Potenziale in Applikationen zu aktivieren.

Autoren

Dr. Otmar Lorenz ist Manager im Bereich Konzepte und Technologie für die chemische Industrie bei Siemens Industrial Automation in Karlsruhe.

Dr. Bernd-Markus Pfeiffer ist Vorfeld-Projektleiter „Asset-Management“ und Experte „Advanced Process Control“ bei Siemens Industrial Automation.