DE10127788B4 - Integrierte Optimalmodell-Vorhersagesteuerung in einem Prozeßsteuerungssystem - Google Patents

Abstract

Logikeinrichtung zum Gebrauch bei der Steuerung eines Prozesses, umfassend: – eine Vielzahl von Eingängen (IN1, IN2, IN3) zum Empfangen von Prozeßausgangssignalen (CV1, CV2, AV); – einen weiteren Eingang zur Eingabe einer Steuergröße (OCV), der ein Sollwert (OCVSP) zugeordnet ist; – eine Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) zur Abgabe von Steuersignalen (MV1, MV2, MV3) für die Steuerung des Prozesses, wobei jeder der Vielzahl von Ausgängen (MV1, MV2, MV3) einen zugehörigen Restriktionsgrenzwert (MV1CON, MV2CON, MV3CON) hat; – einen Rückführungsweg (25), der einen ausgewählten Ausgang der Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) mit dem weiteren Eingang direkt oder über einen Verstärker (23) verbindet; und – eine Logikeinheit (14), die mit den Eingängen (IN1, IN2, IN3) und den Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) verbunden und so konfiguriert ist, dass sie zur Steuerung des Prozesses die Steuersignale (MV1, MV2, MV3) für die Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) unter Nutzung der Vielzahl von Eingängen (IN1, IN2, IN3) und des weiteren Eingangs erzeugt, und so ausgebildet ist, dass sie den ausgewählten Ausgang einstellt, bis der weitere Eingang den zugehörigen Sollwert (OCVSP) erreicht hat, wobei die Logikeinheit (14) ferner eine Sollwerteinstelleinheit aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie den Sollwert von einer ersten Sollwertvorgabe auf eine zweite Sollwertvorgabe einstellt, wenn einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert (MV1CON, MV2CON, MV3CON) für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten, und wobei die erste Sollwertvorgabe ein Wert ist, der gleich wie der Restriktionsgrenzwert (MV1CON, MV2CON, MV3CON) des ausgewählten Ausgangs ist, und wobei die zweite Sollwertvorgabe ein Wert ist, der in Bezug auf den Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs gelockert ist.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Prozeßsteuerungssysteme und insbesondere die Optimierung der Anwendung einer Modellvorhersagesteuereinheit in einem Prozeßsteuerungssystem.
• Beschreibung des Stands der Technik
• Prozeßsteuerungssysteme wie etwa verteilte oder skalierbare Prozeßsteuerungssysteme wie diejenigen, die in chemischen, Erdöl- oder anderen Prozessen verwendet werden, weisen typischerweise ein oder mehr Prozeßsteuereinheiten auf, die kommunikativ miteinander, mit wenigstens einem Hauptrechner oder einer Workstation und mit ein oder mehr Feldeinrichtungen über analoge, digitale oder kombinierte analoge/digitale Sammelleitungen verbunden sind. Die Feldeinrichtungen, die beispielsweise Ventile, Ventilsteller, Schalter und Meßwertgeber (z. B. Temperatur-, Druck- und Durchflußmengensensoren) sein können, führen innerhalb des Prozesses Funktionen wie etwa das Öffnen oder Schließen von Ventilen und die Messung von Prozeßparametern aus. Die Prozeßsteuereinheit empfängt Signale, die von den Feldeinrichtungen durchgeführte Prozeßmessungen und/oder andere die Feldeinrichtungen beetreffende Informationen bezeichnen, nutzt diese Informationen, um eine Steuerungsroutine zu implementieren, und erzeugt dann Steuersignale, die über die Sammelschienen zu den Feldeinrichtungen geleitet werden, um den Betrieb des Prozesses zu steuern. Informationen von den Feldeinrichtungen und der Steuereinheit werden typischerweise für eine oder mehrere Anwendungen, die vom Bedienerarbeitsplatz ausgeführt werden, verfügbar gemacht, um einem Bediener die Durchführung jeder gewünschten Funktion in bezug auf den Prozeß zu ermöglichen, etwa die Betrachtung des aktuellen Zustands des Prozesses, eine Modifizierung des Prozeßablaufs usw.
• Bisher wurden herkömmliche Feldeinrichtungen genutzt, um analoge (z. B. 4 bis 20 mA) Signale zu und von der Prozeßsteuereinheit über eine analoge Sammelschiene oder Analogleitungen zu senden und zu empfangen. Diese 4 bis 20 mA-Signale waren in ihrer Art insofern beschränkt, als sie Messungen anzeigten, die von den Einrichtungen durchgeführt wurden, oder Steuersignale anzeigten, die von der Steuereinheit erzeugt wurden, um den Betrieb der Einrichtung steuern zu können. In den letzten zehn Jahren haben sich jedoch in der Prozeßsteuerungsindustrie intelligente Feldeinrichtungen durchgesetzt, die einen Mikroprozessor und einen Speicher aufweisen. Zusätzlich zur Durchführung einer Hauptfunktion innerhalb des Prozesses speichern intelligente Feldeinrichtungen Daten, die die Einrichtung betreffen, kommunizieren mit der Steuereinheit und/oder anderen Einrichtungen in einem digitalen oder kombinierten digitalen und analogen Format und führen sekundäre Aufgaben wie etwa eine Selbstkalibrierung, eine Identifikation, Diagnosevorgänge usw. aus. Eine Reihe von standardmäßigen und offenen Kommunikationsprotokollen für intelligente Einrichtungen wie etwa die Protokolle HART^®, PROFIBUS^®, WORLDFIP^®, Device-Net^® und CAN sind entwickelt worden, um es intelligenten Feldeinrichtungen, die von verschiedenen Herstellern stammen, zu erlauben, gemeinsam innerhalb desselben Prozeßsteuerungsnetzes verwendet zu werden.
• Ferner gibt es innerhalb der Prozeßsteuerungsindustrie eine Bewegung in Richtung einer Dezentralisierung von Prozeßsteuerungsfunktionen. Beispielsweise verwendet das vollständig digitale Zweidraht-Busprotokoll, das von der Fieldbus Foundation verbreitet wird und als das FOUNDATION^TM Fieldbus-Protokoll (nachstehend Fieldbus-Protokoll) bekannt ist, Funktionsblöcke, die in verschiedenen Feldeinrichtungen angeordnet sind, um Steuerungsvorgänge auszuführen, die früher innerhalb einer zentralisierten Steuereinheit ausgeführt wurden. Insbesondere kann jede Fieldbus-Feldeinrichtung einen oder mehrere Funktionsblöcke aufweisen und ausführen, von denen jeder Eingänge von anderen Funktionsblöcken empfängt und/oder Ausgänge an andere Funktionsblöcke (und zwar entweder innerhalb derselben Einrichtung oder in verschiedenen Einrichtungen) abgibt, und führt bestimmte Prozeßsteuerungsvorgänge wie etwa die Messung oder das Detektieren eines Prozeßparameters, die Steuerung einer Einrichtung oder die Durchführung eines Steuerungsvorgangs wie etwa die Ausführung einer PID-Steuerungsroutine durch. Die verschiedenen Funktionsblöcke innerhalb eines Prozeßsteuerungssystems sind so ausgebildet, daß sie miteinander (beispielsweise über eine Sammelschiene) kommunizieren, um eine oder mehrere Prozeßsteuerschleifen zu bilden, deren Einzeloperationen durch den gesamten Prozeß verteilt und somit dezentralisiert sind.
• Prozeßsteuereinheiten sind charakteristisch so programmiert, daß sie verschiedene Algorithmen, Subroutinen oder Steuerschleifen (die sämtlich Steuerungsroutinen sind) für jede einer Reihe von verschiedenen Schleifen ausführen, die für einen Prozeß definiert oder darin enthalten sind, etwa Durchflußsteuerschleifen, Temperatursteuerschleifen, Drucksteuerschleifen usw. Allgemein gesagt umfaßt jede solche Steuerschleife einen oder mehrere Eingangsblöcke wie etwa einen Analogeingangs- bzw. AI-Funktionsblock, einen Einzelausgangs-Steuerblock wie etwa einen PID- oder einen Fuzzylogik-Steuerfunktionsblock und einen Einzelausgangsblock wie etwa einen Analogausgangs- bzw. AO-Funktionsblock. Diese Steuerschleifen führen charakteristisch eine Einzeleingangs-/Einzelausgangs-Steuerung durch, weil der Steuerblock einen einzelnen Ausgang erzeugt, der zur Steuerung eines einzelnen Prozeßeingangs wie etwa einer Ventilstellung usw. genutzt wird. In bestimmten Fällen ist jedoch die Anwendung einer Reihe von unabhängig wirkenden Einzeleingangs-/Einzelausgangs-Steuerschleifen nicht sehr effektiv, weil die zu steuernden Prozeßvariablen von mehr als einem einzigen Prozeßeingang beeinflußt werden und jeder Prozeßeingang tatsächlich den Zustand vieler Prozeßausgänge beeinflussen kann. Ein Beispiel dafür kann etwa in einem Prozeß auftreten, der einen Behälter hat, der von zwei Eingangsleitungen befüllt und von einer einzigen Ausgangsleitung entleert wird, wobei jede Leitung von einem anderen Ventil gesteuert wird und wobei Temperatur, Druck und Durchsatz des Behälters so gesteuert werden, daß sie Sollwerte oder nahezu Sollwerte aufweisen. Wie oben angedeutet wird, kann die Steuerung des Durchsatzes, der Temperatur und des Drucks des Behälters unter Verwendung einer gesonderten Durchsatzsteuerschleife, einer gesonderten Temperatursteuerschleife und einer gesonderten Drucksteuerschleife durchgeführt werden. In diesem Fall kann jedoch der Betrieb der Temperatursteuerschleife bei der Änderung der Einstellung eines der Eingangsventile für die Steuerung der Temperatur im Behälter dazu führen, daß der Druck im Behälter ansteigt, was beispielsweise die Drucksteuerschleife veranlaßt, das Auslaßventil zu öffnen, um den Druck zu senken. Dieser Vorgang kann dann die Durchsatzsteuerschleife veranlassen, eines der Eingangsventile zu schließen, wodurch die Temperatur beeinflußt und die Temperatursteuerschleife veranlaßt wird, irgendeinen anderen Vorgang auszuführen. Wie aus diesem Beispiel ersichtlich ist, veranlassen die Einzeleingangs-/Einzelausgangs-Steuerschleifen die Prozeßausgänge (in diesem Fall Durchsatz, Temperatur und Druck), sich auf eine inakzeptable Weise zu verhalten, wobei die Ausgänge schwingen, ohne jemals einen Dauerzustand zu erreichen.
• Eine Modellvorhersagesteuerung oder andere Arten von erweiterter Steuerung werden angewandt, um in solchen Situationen die Steuerung durchzuführen, in denen die gesteuerten Prozeßgrößen mehr als einen Prozeßeingang beeinflussen und jeder Prozeßeingang mehr als einen Prozeßausgang beeinflußt. Im allgemeinen ist die Modellvorhersagesteuerung eine Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Steuerungsstrategie, bei der die Auswirkungen der Änderung jedes einer Reihe von Prozeßeingängen auf jeden einer Reihe von Prozeßausgängen gemessen werden und diese gemessenen Reaktionen dann genutzt werden, um ein Modell des Prozesses zu erzeugen. Das Modell des Prozesses wird mathematisch invertiert und dann als eine Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Steuereinheit genutzt, um die Prozeßausgänge auf der Basis von Änderungen, die an den Prozeßeingängen vorgenommen wurden, zu steuern. In einigen Fällen umfaßt das Prozeßmodell eine Prozeßausgangs-Reaktionskurve für jeden der Prozeßeingänge, und diese Kurven können auf der Basis einer Serie etwa von pseudozufälligen schrittweisen Änderungen, die jedem der Prozeßeingänge zugeführt werden, erstellt werden. Diese Reaktionskurven können auf bekannte Weise zur Modellierung des Prozesses genutzt werden. Die Modellvorhersagesteuerung ist auf dem Gebiet bekannt, und daher werden ihre Einzelheiten hier nicht beschrieben. Die Modellvorhersagesteuerung wird jedoch allgemein von S. Joe Qin und Thomas A. Badgwell in ”An Overview of Industrial Model Predictive Control Technology”, AIChE Conference, 1996, beschrieben.
• Die Modellvorhersagesteuerung kann weiterhin genutzt werden, um eine ausgewählte Prozeßeingangsgröße so zu optimieren, daß der Prozeß in Richtung einer Maximierung und/oder Minimierung der zur Optimierung ausgewählten Größe gesteuert wird. Prozeßeingangsgrößen, die zur Optimierung ausgewählt werden, können beispielsweise die Prozeßeingangsgrößen sein, die die größte Auswirkung auf die Verbesserung des wirtschaftlichen Werts des Prozesses (z. B. Prozeßdurchsatz) haben, oder es können die Größen sein, die die größte Auswirkung auf die Verbesserung der Güte des Prozeßausgangs haben. Charakteristisch ist es erwünscht, den Prozeßdurchsatz und den Produktwert zu maximieren und die Rohstoffkosten zu minimieren.
• Im Verlauf der Optimierung bezeichnet ein Anwender oder Bediener im allgemeinen eine Prozeßeingangsgröße, die zu optimieren ist, und bestimmt einen optimalen Prozeßbetriebspunkt, an dem die bezeichnete Prozeßeingangsgröße optimiert wird. Selbstverständlich muß der optimale Prozeßbetriebspunkt auch mit einem Prozeßbetriebspunkt zusammenfallen, der es ermöglicht, ein gewünschtes Prozeßergebnis zu erreichen. Um das gewünschte Prozeßergebnis zu erreichen, müssen eine oder mehrere Prozeßausgangsgrößen auf vorbestimmten Werten oder Einstellwerten, die auch als Sollwerte bezeichnet werden, gehalten werden. Die Prozeßausgangsgrößen werden auf ihren jeweiligen Einstellwerten durch die richtige Einstellung einer Menge von Prozeßeingangsgrößen gehalten. Leider ist eine optimale Prozeßsteuerung komplexer und umfaßt nicht einfach den Betrieb des Prozesses auf dem optimalen Prozeßbetriebspunkt, weil der optimale Prozeßbetriebspunkt charakteristisch an den Grenzen des Prozeßbetriebs existiert. Insbesondere hat jede der Prozeßeingangsgrößen eine physische Restriktionsgrenze, und wenn während des Betriebs am optimalen Prozeßbetriebspunkt zwei oder mehr der Prozeßeingangsgrößen eine ihnen zugeordnete physische Restriktionsgrenze überschreiten, tritt der Prozeß in einen unerwünschten Zustand ein, in dem die Prozeßsteuereinheit nicht in der Lage ist, die Prozeßausgangsgrößen auf ihren jeweiligen Sollwerten zu halten. Wie oben beschrieben wird, umfaßt jedoch der optimale Prozeßbetriebspunkt die Operation der bezeichneten optimalen Prozeßeingangsgröße bei ihrer maximalen (oder minimalen) Einstellung, die typischerweise gleich ihrer physischen Restriktionsgrenze ist. Während also der Ablauf am optimalen Prozeßbetriebspunkt läuft, ist eine der Prozeßeingangsgrößen bereits an ihrer physischen Restriktionsgrenze, so daß, wenn nur eine der anderen Prozeßeingangsgrößen ihre physische Restriktionsgrenze erreicht oder überschreitet, der Prozeß in den unerwünschten Zustand gelangt, in dem die Steuereinheit nicht mehr in der Lage ist, die Prozeßausgangsgrößen auf ihren jeweiligen Sollwerten zu halten. Infolgedessen erfordert die Prozeßoptimierung zusätzlich zum Betrieb an dem optimalen Prozeßbetriebspunkt außerdem die Überwachung der Prozeßeingangsgrößen und das Ergreifen von Maßnahmen, um zu verhindern, daß sie ihre Restriktionsgrenzen erreichen oder überschreiten.
• Herkömmliche Optimierungs-Steueralgorithmen überwachen die Prozeßgrößen während des Ablaufs des Prozesses, um zu erkennen, wenn eine Annäherung an eine oder mehrere der Restriktionsgrenzen erfolgt. Präventive Maßnahmen wie etwa die Einstellung eines Prozeßeingangs werden dann ergriffen, um eine Verletzung der Restriktionsgrenze, an die eine Annäherung erfolgt, zu verhindern. Bei einem herkömmlichen Steuerungssystem muß die Entscheidungsfindung, ob eine Präventivmaßnahme erforderlich ist, konservativer sein, weil die Daten, auf denen diese Entscheidungsfindung beruht, Echtzeit-Prozeßdaten sind, wobei nur sehr wenig Zeit für eine Reaktion bleibt. Infolgedessen muß der Prozeß weiter entfernt von den gewünschten oder optimierten Restriktionsgrenzen arbeiten, was den von dem Prozeß erreichten Optimierungsgrad verringert. Ferner ist eine Präventivmaßnahme nicht jedesmal dann erforderlich, wenn eine Prozeßgröße sich einer Restriktionsgrenze nähert, weil in manchen Fällen die Restriktionsgrenze auch ohne Präventivmaßnahmen in Wirklichkeit nicht überschritten wird. Bei herkömmlichen Steuerungssystemen erlaubt jedoch das Sammeln von Echtzeit-Prozeßdaten keinen Einblick dahingehend, ob die Restriktionsgrenze, an die eine Annäherung stattfindet, tatsächlich überschritten werden wird. Daher muß jede Annäherung an eine Restriktionsgrenze als eine potentielle Überschreitung behandelt und eine Präventivmaßnahme getroffen werden. Infolgedessen sind mindestens einige der Präventivmaßnahmen unnötig, was ebenfalls eine unnötige Verminderung der Optimierung bewirkt.
• Außerdem verwenden bestehende Steuerungssysteme, die eine optimierte Steuerung bieten, charakteristisch einen separaten Optimierungssteuerungs-Algorithmus, um die Optimierung zu erreichen. Die Notwendigkeit für einen gesonderten Optimierungssteuerungs-Algorithmus erhöht die Komplexität des Gesamtsteuerungsschemas und die Komplexität der Steuerungsanlage, die zum Erreichen des Gesamtsteuerungsschemas erforderlich ist.
• Der Artikel „An Overview of Industrial Model Predictive Control (MPC) Technology” von Qin S. Joe und Thomas A. Badgwell bezieht sich auf einen MPC Algorithmus und eine MPC Steuereinheit, in der Stellgrößen und Störgrößen als Eingangssignale und Regelgrößen als Ausgangssignale verwendet werden.
• Die Druckschrift US 5 838 563 A beschreibt ein System zum Konfigurieren einer Prozesssteuerungsumgebung, das ein Computersystem mit einem Anzeigegerät, Mittel zum Präsentieren einer Schablonenansicht, Mittel zum Präsentieren einer Diagrammansicht und eine Benutzerschnittstelle aufweist.
• Der Artikel „Constrained Output Feedback Control of a Multivariable Polymerization Reactor” von Michael J. Kurtz, Guang.-Yan Zhu und Michael A. Henson bezieht sich auf eine Multivariable Nichtlineare Model Predictive Control (NMPC) Steuereinheit für einen Polymerisationsreaktor, wobei die Monomerzulaufkonzentration und die Kühlertemperatur zu den Stellgrößen und die Monomerkonzentration und die Reaktortemperatur zu den Regelgrößen zählen.
• Der Artikel „Feedforward/Feedback Control of Multivariable Nonlinear Processes” von Prodromos Daoutidis, Masoud Soroush und Costas Kravaris beschreibt eine Feedforward/Output Feedback Steuerstruktur aus einer inneren Feedforward/Feedback Schleife und einem multivariablen externen linearen Kontroller. Der Artikel „Contractive Model Predictive Control for Constrained Nonlinear Systems” von Simone Loureiro de Oliveira Kothare und Manfred Morari offenbart ein endliches Horizont-MPC-Schema mit einer Endbeschränkung, das für chemische Prozesse verwendbar ist.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Logikeinrichtung gemäß Anspruch 1 zum Gebrauch bei der Steuerung eines Prozesses. Um eine optimale Steuerung des Prozesses zu ermöglichen, ist ein ausgewählter Steuereinheitsausgang mit einem weiteren Steuereinheitseingang verbunden, der einen zugehörigen Sollwert hat, und die Steuereinheit nutzt den zugeordneten Sollwert, um den ausgewählten Steuereinheitsausgang an seiner Restriktionsgrenze zu halten.
• Des Weiteren richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren gemäß Anspruch 15 zur Steuerung eines Prozesses unter Anwendung einer Logikeinrichtung.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt eine Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logikeinrichtung eine Mehrzahl von Eingängen, die ausgebildet sind zum Empfang von Prozeßausgangssignalen, einen weiteren Eingang, der einen zugeordneten Sollwert hat, und eine Mehrzahl von Ausgängen, die zur Abgabe von Prozeßsteuersignalen zur Steuerung eines Prozesses ausgebildet sind. Die Logikeinrichtung umfaßt ferner einen Rückführungsweg, der einen ausgewählten der Ausgänge mit dem weiteren Eingang verbindet, und eine Logikeinheit wie etwa eine Modellvorhersagesteuereinheit oder eine Fuzzylogik-Steuereinheit, die so ausgebildet ist, daß sie die Mehrzahl von Ausgängen unter Nutzung der Mehrzahl von Eingängen und des weiteren Eingangs erzeugt. Die Logikeinheit ist so ausgebildet, da sie den ausgewählten Ausgang einstellt, bis der weitere Eingang den zugehörigen Sollwert erreicht hat, der gleich wie eine Restriktionsgrenze des ausgewählten Ausgangs eingestellt sein kann.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Vielzahl der Ausgänge eine zugehörige Restriktionsgrenze haben, und die Logikeinheit der Logikeinrichtung kann eine Sollwerteinstelleinheit aufweisen, die den Sollwert von einer ersten Sollwertvorgabe auf eine zweite Sollwertvorgabe einstellt, wenn einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, die diesem Ausgang zugeordnete Restriktionsgrenze zu erreichen oder zu überschreiten. Die erste Sollwertvorgabe kann der Restriktionsgrenze des ausgewählten Ausgangs entsprechen, und die zweite Sollwertvorgabe kann einem Wert entsprechen, der in bezug auf die Restriktionsgrenze des ausgewählten Ausgangs gelockert ist.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Sollwerteinstelleinheit weiterhin so ausgebildet sein, daß sie den Sollwert von der zweiten Sollwertvorgabe auf die erste Sollwertvorgabe verstellt, wenn der eine der Ausgänge nicht mehr dabei ist, die zugeordnete Restriktionsgrenze für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
• Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung kann die Logikeinrichtung ferner folgendes aufweisen: eine Vorhersageeinheit, die für jeden der Ausgänge, die nicht der ausgewählte Ausgang sind, einen Zukunftswert vorhersagt, und eine Vergleichseinheit, die den Zukunftswert für jeden der Vielzahl von Ausgängen mit der Restriktionsgrenze, die diesem Ausgang zugeordnet ist, vergleicht, um zu bestimmen, ob irgendeiner der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, die zugeordnete Restriktionsgrenze für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
• Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung verwendet ein Verfahren zur Steuerung eines Prozesses eine Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logikeinrichtung, die eine Vielzahl von Eingängen, die zum Empfang von Prozeßausgangssignalen ausgebildet sind, und eine Vielzahl von Ausgängen hat, die jeweils eine zugeordnete Restriktionsgrenze haben und ausgebildet sind, um Prozeßsteuersignale zur Steuerung des Prozesses abzugeben. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Verbinden eines ausgewählten der Ausgänge mit einem weiteren Eingang der Logikeinrichtung, Vorgeben eines Sollwerts, der dem weiteren Eingang zugeordnet ist, mit einer ersten Sollwerteinstellung und Einstellen des ausgewählten Ausgangs, bis der weitere Eingang die erste Sollwertvorgabe erreicht hat. Das Verfahren umfaßt ferner die Schritte: Errechnen eines Zukunftswerts für jeden der Vielzahl von Ausgängen, ausgenommen den ausgewählten Ausgang, Vergleichen des für jeden Ausgang errechneten Zukunftswerts mit einer dem Ausgang zugeordneten Restriktionsgrenze, um zu bestimmen, ob irgendeiner der Ausgänge, ausgenommen der ausgewählte Ausgang, dabei ist, die diesem Ausgang zugeordnete Restriktionsgrenze zu erreichen oder zu überschreiten. Der Schritt der Einstellung des Sollwerts von dem ersten Sollwert auf einen zweiten Sollwert wird durchgeführt, wenn einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, die diesem Ausgang zugeordnete Restriktionsgrenze zu erreichen oder zu überschreiten.
• Nach noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Verfahren ferner den Schritt aufweisen: Einstellen des Sollwerts von dem zweiten Sollwert auf den ersten Sollwert, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, daß der eine der Ausgänge nicht mehr dabei ist, die diesem Ausgang zugeordnete Restriktionsgrenze zu erreichen oder zu überschreiten.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 ist ein Blockbild einer integrierten Optimalmodell-Vorhersagesteuereinheit, die so ausgebildet ist, daß sie zur Steuerung eines Prozesses wirksam ist;
• 2 ein Schema eines beispielhaften einfachen chemischen Reaktionsprozesses, der von der integrierten Optimalmodell-Vorhersagesteuereinheit von 1 gesteuert wird;
• 3 ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Durchführung der integrierten Optimalmodell-Vorhersagesteuerung veranschaulicht;
• 4 ein Schema eines Prozeßsteuerungssystems, das eine Steuereinheit hat, die zur Implementierung der integrierten Optimalmodellvorhersage-Steuereinheit von 1 verwendet wird; und
• 5 ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Konfigurieren der Steuereinheit von 4 zeigt, so daß sie als eine integrierte Optimalmodellvorhersage-Steuereinheit wirksam ist.
• BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Gemäß 1 umfaßt ein Prozeßsteuerungssystem 10, das im Blockbildformat dargestellt ist, eine integrierte Optimalmodell-Vorhersagesteuereinheit bzw. IOMPC 12, die eine optimierende Steuerlogik 14 ausführt, die beispielsweise mit einer Softwareroutine zur Durchführung einer Optimalmodellvorhersagesteuerung verkörpert sein kann. Die IOMPC 12 führt die optimierende Steuerlogik 14 aus, so daß sie als eine Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Logikeinrichtung wirkt, die konfiguriert ist, um einen Prozeß 16 zu steuern und insbesondere eine Gruppe von Prozeßsteuereinrichtungen 18, 20, 22, die unter Verwendung von z. B. Ventilen, Stellern usw. implementiert sein können, auf eine Weise zu betätigen, die ein Ansprechen des Prozesses 16 auf eine erwünschte Weise bewirkt, so daß ein erwünschtes Prozeßergebnis erzielt wird. Zur Bestimmung, ob der Prozeß 16 auf die gewünschte Weise anspricht, wird der Prozeß 16 mit einer Gruppe von Meßeinrichtungen 24, 26 und 28 überwacht, die unter Verwendung von z. B. Temperatursensoren, Pegelsensoren usw. implementiert sein können. Gemäß herkömmlicher Terminologie bei der Modellvorhersagesteuerung werden die Prozeßsteuereinrichtungen 18, 20 und 22 verwendet, um Prozeßgrößen zu steuern, die hier als Stellgrößen MV1, MV2 und MV3 bezeichnet werden, weil sie von der IOMPC 12 eingestellt oder manipuliert werden. Die Meßeinrichtungen 24 und 26 dienen der Messung einer Gruppe von Prozeßgrößen, die hier als Steuergrößen CV1 bzw. CV2 bezeichnet werden, weil das Ziel des Prozeßsteuerungssystems 10 darin besteht, diese Größen so zu steuern, daß das erwünschte Prozeßergebnis erreicht werden kann. Die Meßeinrichtung 28 kann dazu dienen, eine Prozeßgröße zu messen, die hier als eine Hilfsgröße AV bezeichnet wird, weil zwar die Überwachung dieser Größe für die ordnungsgemäße Operation des Prozesses wesentlich ist, das Halten der AV auf einem bestimmten Vorgabewert jedoch nicht wesentlich für die Erzielung des erwünschten Prozeßergebnisses ist. Um die integrierte optimale Steuerung des Prozesses 16 auf eine Weise, die nachstehend im einzelnen beschrieben wird, zu ermöglichen, ist die Stellgröße MV3 nicht nur dazu ausgebildet, Steuersignale an die Steuereinrichtung 22 abzugeben, sondern außerdem über einen Rückführungsweg 25 mit einem Eingang des IOMPC 12 gekoppelt, der als optimierte Steuergröße bzw. OCV bezeichnet wird.
• Unter Bezugnahme auf 2 wird der Prozeß 16, für dessen Steuerung die IOMPC 12 ausgebildet ist, zum Zweck der Veranschaulichung als ein einfacher chemischer Reaktionsprozeß beschrieben, bei dem ein chemisches Einsatzmaterial in einen Tank 27 oder anderen geeigneten Behälter eingespeist und auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird. Der Strom des Einsatzmaterials in den Tank 27 wird mit der Prozeßsteuereinrichtung 18 gesteuert, die als ein Einsatzdurchflußventil ausgebildet ist. Die Durchflußmenge durch das Einsatzdurchflußventil 18 ist als die Stellgröße MV1 definiert. Eine nicht gezeigte Wärmequelle erzeugt Dampf, der dem Tank 27 über die Einrichtung 22 zugeführt wird, die beispielsweise unter Verwendung eines Dampfdurchflußsteuerventils 22 implementiert sein kann, das einen Temperaturanstieg des Einsatzmaterials verursacht. Zur weiteren Steuerung der Temperatur des chemischen Einsatzmaterials wird einem Mantel 29, der den Tank 27 umgibt, Kühlwasser zugeführt. Der Wasserstrom in den Mantel 29 wird mit der Prozeßsteuereinrichtung 20 gesteuert, die als ein Wasserdurchflußsteuerventil 20 implementiert ist. Die Wasserdurchflußmenge durch das Wasserdurchflußventil 20 und die Dampfdurchflußmenge durch das Dampfdurchflußventil 22 sind als die Stellgrößen MV2 bzw. MV3 bezeichnet. Die Temperatur des Wassers wird unter Verwendung der Meßeinrichtung 24 gemessen, die als ein Flüssigkeitstemperatursensor 24 implementiert ist, der eine Temperaturmessung an die IOMPC 12 abgibt. Die Dampftemperatur wird unter Verwendung der Meßeinrichtung 26 gemessen, die als Dampftemperatursensor 26 implementiert ist, der eine Dampftemperaturmessung an die IOMPC 12 abgibt. Die von den Temperatursensoren 24 und 26 gemessenen Temperaturen sind als die Steuergrößen CV1 und CV2 definiert und werden daher auf spezielle, vorbestimmte Temperaturen gesteuert, um sicherzustellen, daß das erwünschte Prozeßergebnis, d. h. das Halten des chemischen Einsatzmaterials auf der gewünschten Temperatur, erreicht wird.
• Der Flüssigkeitsstand in dem Tank 27 wird mit der Meßeinrichtung 28 gemessen, die beispielsweise als Pegelsensor 28 implementiert ist, der eine Pegelmessung an die IOMPC 12 liefert. Der Flüssigkeitspegel in dem Tank 27 wird überwacht, um eine Überfüllung des Tanks 27 zu verhindern. Insbesondere ist das Volumen des Tanks 27, in dem sich das chemische Einsatzmaterial befindet, begrenzt, und wenn es überschritten wird, führt das zu einem Überlaufen des Tanks, was nachteilige Auswirkungen haben kann, beispielsweise eine Verschwendung von Einsatzmaterial und eine potentielle Gefährdung, von Einrichtungen, die sich in der Nähe des Tanks 27 befinden. Das von dem Pegelsensor 28 erzeugte Tankpegelsignal wird als die Hilfsgröße AV bezeichnet, die überwacht werden muß, um einen ordnungsgemäßen Ablauf des Prozesses zu gewährleisten. Zur Steuerung des Prozesses 16 werden die Durchflußmengen durch die Ventile 18, 20 und 22 auf solche Weise eingestellt, daß die Temperatur des chemischen Einsatzmaterials, die von den Flüssigkeits- und Dampfsensoren 24 und 26 gemessen wird, innerhalb der vorbestimmten Temperaturbereiche gehalten wird, so daß der Flüssigkeitspegel im Tank 27 einen maximal zulässigen Wert nicht überschreitet. Es versteht sich natürlich, daß der Prozeß 16 nur zum Zweck der Veranschaulichung der Operation der IOMPC 12 gewählt wurde. Somit ist die IOMPC 12 nicht auf die Steuerung eines Prozesses wie etwa des Prozesses 16 beschränkt, der zwei Steuergrößen und eine einzige Hilfsgröße hat. Tatsächlich kann die IOMPC 12 statt dessen zur Steuerung eines Prozesses mit jeder beliebigen Anzahl von Steuergrößen oder Hilfsgrößen verwendet werden.
• Die vorbestimmten Temperaturen, auf denen die Flüssig- und Dampfphasen gehalten werden sollen, werden als Sollwerte bezeichnet, die entweder eine diskrete Temperatur oder einen Bereich von akzeptablen Temperaturwerten umfassen können. Ein Sollwert CV1_SP, der der Steuergröße CV1 zugeordnet ist, und ein der Steuergröße CV2 zugeordneter Sollwert CV2_SP bezeichnen den Temperaturwert oder den Bereich von Werten, auf denen das Wasser bzw. der Dampf zu halten sind, um das erwünschte Prozeßergebnis zu erreichen.
• Zusätzlich zu der Einstellung der Stellgrößen MV1, MV2 und MV3 auf eine Weise, die jede der Steuergrößen CV1 und CV2 dazu bringt, ihre jeweiligen Sollwerte zu erreichen, ist die Optimierungssteuerlogik 14 der IOMPC 12 außerdem so konfiguriert, daß sichergestellt wird, daß jede der Stellgrößen MV1, MV2 und MV3 eine ihr zugeordnete Restriktion nicht überschreitet oder verletzt. Die den Stellgrößen MV1, MV2 und MV3 zugehörigen Restriktionen stellen den maximal zulässigen Wert für diese Stellgröße dar. Diese Restriktionen sind charakteristisch physische Restriktionen, die nicht überschritten werden dürfen, ohne daß der Prozeß 16 oder das Steuerungssystem geschädigt wird, und/oder die wegen der physischen Attribute einer gesteuerten Einrichtung nicht überschritten werden dürfen, beispielsweise kann ein Ventil nur bis zu einem gewissen Grad öffnen. Die Größen MV1_CON, MV2_CON und MV3_CON werden genutzt, um die den Stellgrößen MV1, MV2 bzw. MV3 zugehörigen Restriktionen zu bezeichnen, und die Restriktionen MV1_CON, MV2_CON und MV3_CON werden gleich den maximal zulässigen Durchflußmengen der Stellgrößen MV1, MV2 bzw. MV3 vorgegeben, d. h. der maximalen Einsatzdurchflußmenge, Wasserdurchflußmenge und Dampfdurchflußmenge. Falls gewünscht, können die maximal zulässigen Durchflußmengen MV1_CON, MV2_CON und MV3_CON den vollständig geöffneten Positionen der Ventile 18, 20 bzw. 22 entsprechen. Zusätzlich wird die Restriktion für den Tankfüllstandspegel mit AV_CON bezeichnet und stellt den maximal zulässigen Tankfüllstandspegel dar.
• Im allgemeinen ist die optimierende Steuerlogik 14 der IOMPC 12 so konfiguriert, daß der Prozeß 16 mit einem optimalen Wert abläuft, wobei eine ausgewählte Prozeßleistungscharakteristik optimiert wird. Vor der Konfigurierung der IOMPC 12 so, daß der Prozeß 16 auf einem optimalen Wert abläuft, wird eine Betriebscharakteristik, die nachstehend als Optimierungsziel bezeichnet wird, zur Optimierung ausgewählt. Typischerweise kann das Optimierungsziel beispielsweise die Produktionsrate, die Produktionskosten oder die Produktionsqualität sein.
• Vereinfacht ausgedrückt wird die Optimierung einer Prozeßleistungscharakteristik erreicht, indem eine der Stellgrößen, die nachstehend als die optimierte Stellgröße bzw. OMV bezeichnet wird, auf einem optimalen Vorgabewert gehalten wird. Die optimierte Stellgröße, die zur Optimierung ausgewählt wird, ist diejenige Stellgröße, die die engste und unmittelbarste Beziehung zu der Prozeßleistungscharakteristik hat, so daß, wenn die ausgewählte Stellgröße maximiert oder in manchen Fällen minimiert wird, die Prozeßleistungscharakteristik optimiert wird. Bevorzugt werden auch die Dynamik des Prozesses und die mit der OMV einhergehende Verstärkung in Betracht gezogen, wenn eine Stellgröße zur Optimierung ausgewählt wird. Insbesondere ist es erwünscht, daß die Prozeßdynamik, die mit der OMV in Beziehung steht, relativ langsamer als die Dynamik ist, die mit den anderen Stellgrößen MV1 und MV2 in Beziehung steht, um sicherzustellen, daß die Sollwerte CV1_SP und CV2_SP früher erfüllt sind als das Optimierungsziel. Es ist ferner erwünscht, daß die OMV eine relativ intensive Beziehung mit sämtlichen Steuergrößen CV1 und CV2 hat, d. h. daß die mit der OMV einhergehende Prozeßverstärkung relativ signifikant ist, so daß geringfügige Änderungen oder Einstellungen der OMV relativ signifikante Änderungen oder Einstellungen der gesteuerten Ausgangsgrößen bewirken.
• Zur Veranschaulichung ist die zur Optimierung ausgewählte Leistungscharakteristik des Prozesses 16 die Produktionsrate des Prozesses 16, so daß das Optimierungsziel die Maximierung der Produktionsrate oder des Prozeßdurchsatzes ist. Für die Zwecke dieses Beispiels wird davon ausgegangen, daß die Stellgröße MV3 diejenige Stellgröße ist, die zur der Produktionsrate die engste und unmittelbarste Beziehung hat, und daher wird nachstehend die Stellgröße MV3 als die OMV bezeichnet. Die Optimierungssteuerlogik 14 der IOMPC 12 ist so konfiguriert, daß sie die Produktionsrate optimiert durch Maximierung der OMV (MV3), was das Halten des Dampfdurchflußventils 18 in einer vollständig geöffneten Position umfaßt, wodurch die Dampfdurchflußmenge maximiert und der Durchsatz des Prozesses 16 maximiert wird. Die optimierte Prozeßgröße (d. h. die Dampfdurchflußmenge), die zur Veranschaulichung der Operation der IOMPC 12 ausgewählt ist, ist zwar einem zunehmenden Sollwert zugeordnet, wobei die optimierte Prozeßgröße auf ihrer maximalen Einstellung gehalten wird; die IOMPC 12 ist jedoch nicht auf einen Betrieb mit einer optimierten Prozeßgröße beschränkt, die einen zunehmenden Sollwert hat. Die IOMPC 12 kann statt dessen verwendet werden, um einen Prozeß zu steuern, bei dem die optimale Steuerung durch Halten einer ausgewählten Prozeßgröße auf einem Minimalwert durchgeführt wird, und in diesem Fall hat die zur Optimierung ausgewählte Größe einen abnehmenden Sollwert.
• Herkömmliche Modellvorhersage-Steuereinheiten sind zwar so ausgebildet, daß sie Steuergrößen auf einem bezeichneten Sollwert halten, solche Steuereinheiten sind jedoch nicht typischerweise so konfiguriert, daß sie eine Stellgröße bei einer optimalen Einstellung überwachen und steuern. Um die OMV bei der optimalen Einstellung zu halten und dadurch die optimale Prozeßsteuerung zu erreichen, ist die IOMPC 12 so ausgebildet, daß sie die mit der OMV gekoppelte OCV über den Rückführungsweg 25 einschließt. Der Rückführungsweg 25, der außerdem einen Verstärker 23 mit Einheitsverstärkung hat, bewirkt, daß die OMV mit der OCV durch eine Einheitsverstärkung in Beziehung gebracht wird. Die OCV wird auch als Schatten-Stellgröße bezeichnet, weil die Einheitsverstärkungsbeziehung zwischen der OCV und der OMV die OCV veranlaßt, der OMV zu folgen oder sie zu ”beschatten”. Ein Sollwert OCV_SP ist für die OCV definiert, und der Wert des Sollwerts wird mit dem Restriktionswert der OMV mit einem kleinen Fehlerabschlag vorgegeben. Wenn einer der Sollwerte einschließlich OCV_SP eingestellt wird, spricht die IOMPC 12 auf den eingestellten Sollwert an durch Einstellen der Stellgrößen MV1, MV2 und OMV je nach Erfordernis, um dem eingestellten Sollwert zu genügen. Um dem OCV_SP zu genügen, stellt die IOMPC 12 die OMV ein, bis sie gleich wie OMV_CON ist. Aufgrund der Einheitsverstärkungs-Beziehung zwischen der OCF und der OMV bewirkt die Einstellung der OMV auf diese Weise, daß die OCV nachfolgt. Infolgedessen kann die OCV genutzt werden, um die OMV indirekt auf ihrer optimalen Einstellung OMV_CON zu halten. Es versteht sich, daß zwar die Verstärkung zwischen der OMV und der OCV bevorzugt eine Einheitsverstärkung ist, daß aber statt dessen jede Verstärkung angewandt werden kann unter der Voraussetzung, daß die Optimierungssteuerlogik 14 so programmiert worden ist, daß sie die Verstärkung kompensiert, wenn Einstellungen an dem OCV_SP vorgenommen werden.
• Unter Bezugnahme auf 3 führt die Optimierungssteuerlogik 14, wenn sie von der IOMPC 12 ausgeführt wird, ein integriertes Optimierungsverfahren aus, das beispielsweise als eine Gruppe von Softwareprogrammblöcken implementiert sein kann und an einem Block 30 beginnt. Vor der Ausführung des Blocks 30 wird davon ausgegangen, daß sich der Prozeß 16 in einem abgeschalteten Modus befindet, so daß das Prozeßsteuerungssystem 10 nicht in Betrieb ist. Alternativ können vor der Ausführung des Blocks 30 einzelne Steuerschleifen des Prozesses 16 unter der Steuerung durch eine Gruppe von individuellen lokalen Einzelschleifensteuereinheiten wie etwa einzelnen PID-Steuereinheiten (nicht gezeigt) sein. Es versteht sich ferner, daß vor der Durchführung des Optimierungsverfahrens nach 3 die IOMPC 12 auf die oben beschriebene Weise konfiguriert worden ist, beispielsweise ist die OMV mit der OCV gekoppelt worden, und daß ein Modell des Prozesses geschaffen worden ist, um bei der Steuerung des Prozesses 16 genutzt zu werden. Der Block 30 gibt die Sollwerte CV1_SP und CV2_SP gleich Werten vor, die geeignet sind, um den Prozeß richtig zu steuern, und gibt den OCV_SP gleich wie den OMV_CON vor. Als nächstes errechnet ein Block 32 die Einstellungen von MV1, MV2 und OMV, die erforderlich sind, um die Steuergrößen-Sollwerte CV1_SP und CV2_SP und den optimierten Steuergrößen-Sollwert OCV_SP zu erfüllen, auf die gleiche Weise wie eine herkömmliche Modellvorhersage-Steuereinheit. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, umfaßt die herkömmliche Modellvorhersagesteuerung das Errechnen von zukünftigen Prozeßzuständen unter Anwendung eines Prozeßmodells und der aktuellen Prozeßgrößeninformation und die anschließende Nutzung der errechneten zukünftigen Prozeßzustände, um an den Prozeßeingangsgrößen Einstellungen vorzunehmen, wobei die Einstellungen dazu führen, daß die Steuergrößen ihre jeweiligen Sollwerte erreichen oder sie halten. Wenn beispielsweise der Block 32 versucht, CV1_SP und CV2_SP zu erfüllen, nutzt der Block 32 das Prozeßmodell, um die Einstellungen an MV1 und MV2 zu definieren, die dazu führen, daß CV1 und CV2 jeweils CV1_SP bzw. CV2_SP erreichen.
• Als nächstes stellt ein Block 34 MV1, MV2 und OMV ein unter Nutzung der in dem Block 32 errechneten Einstellungen. Es versteht sich, daß die Einstellung von OMV an dem Block 34 dazu führen kann, daß CV1 und CV2 von ihren jeweiligen Sollwerten abweichen, und in diesem Fall können weitere Einstellungen an MV1 und MV2 erforderlich sein, um sicherzustellen, daß die Sollwerte CV1_SP und CV2_SP weiterhin gehalten erden. Durch die Kopplung der OMV mit der OCV gemäß. 1 umfaßt das Einstellen der OMV auf eine Weise, die dem OCV_SP genügt, nur das Einstellen der OMV, bis die OCV dem OCV_SP genügt. Infolgedessen wird der OCV_SP nicht nur zur Steuerung der OCV, sondern auch zur Steuerung der OMV genutzt. Durch die Kopplung der OMV mit der OCV wird es der IOMPC 12 ermöglicht, eine Stellgröße, d. h. die OMV, auf die gleiche Weise zu steuern, wie sie die Steuerung einer Steuergröße, d. h. der OCV, durchführt, jedoch ohne weitere Komponenten zu benötigen.
• Nachdem die OCV den OCV_SP erreicht hat und MV1 und MV2 nach Bedarf eingestellt worden sind, um CV1_SP und CV2_SP zu genügen, fährt die Steuerung mit Block 36 fort, der die Stellgrößen und die Steuergrößen MV1, MV2, OMV, CV1, CV2 und AV nutzt, um eine Menge von Zukunftswerten MV1_FUT und MV2_FUT für die Stellgrößen MV1 und MV2 vorherzusagen/zu errechnen. Wie oben gesagt wurde, umfaßt die herkömmliche Modellvorhersagesteuerung natürlich das Errechnen von zukünftigen Prozeßzuständen. Insbesondere können herkömmliche Modellvorhersage-Steuereinheiten so konfiguriert werden, daß sie die Zukunftswerte der Stellgrößen MV1_FUT und MV2_FUT auf eine von mehreren möglichen Weisen errechnen, beispielsweise 1) durch Berechnen der Stellgrößenbewegungen über den gesamten Steuerungshorizont (d. h. über die Anzahl von zukünftigen Stellgrößenbewegungen, die von der Modellvorhersage-Steuereinheit berechnet werden); 2) durch Anwendung einer zusätzlichen MPC-Steuereinheit, in der ein Steuerungshorizont gleich Eins vorgegeben ist, so daß er zur Schätzung von Zukunftswerten der Stellgrößen genutzt werden kann; oder 3) durch Verwendung eines Vorhersagemodells, um die Auswirkung zu bestimmen, die Änderungen der OMV auf MV1 und MV2 haben werden.
• Als nächstes nutzt ein Block 38 die Werte von MV1_FUT und MV2_FUT, um zu bestimmen, ob der Prozeß 16 in einen unerwünschten Zustand eintreten wird, in dem zwei oder mehr der Stellgrößen an oder über ihren jeweiligen Restriktionswerten sind. Dieser Zustand ist unerwünscht, weil beim Betrieb in diesem Zustand die Optimierungssteuerlogik 14 unfähig ist, die Steuerung von einer oder mehreren der Steuergrößen CV1 und/oder CV2 aufrechtzuerhalten, wodurch CV1 und/oder CV2 von ihren jeweiligen Sollwerten abweichen. Insbesondere kann in diesem unerwünschten Zustand die Optimierungssteuerlogik 14 die Stellgrößen MV1 und MV2 nicht so einstellen, daß CV1 und CV2 ihre jeweiligen Sollwerte erreichen, ohne daß außerdem bewirkt wird, daß eine oder mehrere der Stellgrößen MV1, MV2 und/oder OMV ihre jeweiligen Restriktionen verletzen. Um also zu bestimmen, ob der Prozeß in den unerwünschten Zustand eintreten wird, werden die Werte von MV1_FUT und MV2_FUT geprüft, um festzustellen, ob einer davon seine jeweilige Restriktion verletzt, wodurch eine Restriktionsverletzung verursacht wird. Es ist zu beachten, daß dadurch, daß der Prozeß 16 in dem Optimalmodus abläuft, die OMV sich bereits an ihrer zugehörigen Restriktionsgrenze OMV_CON befindet. Daher braucht nur eine von entweder MV1_FUT oder MV2_FUT ihre jeweilige Restriktionsgrenze zu verletzen, und der Prozeß wird in den unerwünschten Zustand eintreten. Wenn MV1_FUT oder MV2_FUT MV1_CON bzw. MV2_CON verletzt, dann stellt ein Block 40 den Wert des OCV_STPT in einer nichtoptimalen oder gelockerten Richtung um einen Betrag gleich Δs ein, wobei Δs wie folgt errechnet werden kann:

  

  wobei ΔMV1_above, ΔMV2_above und ΔAV_above die Mengen bezeichnen, um welche MV1, MV2 und AV jeweils MV1_CON, MV_CON und AV_CON überschreiten, und wie folgt bestimmt werden können: ΔMV1_above = MV1_current + ΔMV1 – MV1_limit (2) ΔM2_above = MV2_current + ΔMV2 – MV2_CON (3) ΔAV_above = AV_current + ΔAV_predicted – AV_CON (4)
• In den Gleichungen (2), (3) und (4) bezeichnen ΔMV1 und ΔMV2 den Betrag, um den die Werte der Stellgrößen MV1 und MV2 (der Einsatzdurchflußmenge und der Wasserdurchflußmenge) bei einer oder mehreren zukünftigen Prozeßbewegungen eingestellt werden müssen; MV1_current und MV2_current bezeichnen die aktuellen Werte von MV1 und MV2; AV_current bezeichnet den Vorhersagewert der Hilfsgröße AV auf der Basis der aktuellen Werte der Prozeßgrößen. In der Gleichung (1) bezeichnen G_MV1-OMV, G_MV2-OMV und G_AV-OMV die Verstärkungen am Ende des Vorhersagehorizonts, d. h. die Änderungen, die an dem Einsatzdurchfluß, dem Wasserdurchfluß und dem Tankfüllstand als Reaktion der Einstellung von OCV_SP um einen Einheitswert bei geschlossener Prozeßschleife (wenn die IOMPC 12 aktiv ist) auftreten werden. Wie noch nachstehend beschrieben wird, werden die Verstärkungen G_MV1-OMV, G_MV2-OMV und G_AV-OMV automatisch durch die Optimierungssteuerlogik 14 während der Konfigurierung der Modellvorhersage-Steuereinheit bestimmt.
• Es versteht sich, daß die Einstellung des Werts des OCV_SP in einer nichtoptimalen Richtung davon abhängt, ob der OCV_SP ein zunehmender Sollwert oder ein abnehmender Sollwert ist. Wenn dabei der OCV_SP ein zunehmender Sollwert ist, dann wird ΔS von dem OCV_SP in Block 40 subtrahiert, und wenn der OCV_SP ein abnehmender Sollwert ist, dann wird ΔS dem OCV_SP in Block 40 hinzuaddiert.
• Nachdem der OCV_SP von dem Block 40 eingestellt worden ist, springt die Steuerung zu Block 32 zurück, wo OMV gelockert wird, bis die OCV den neu eingestellten OCV_SP erreicht hat. Somit wird die OMV unter Anwendung der Steuergröße OCV und des Rückführungswegs 25 auf dem OCV_SP gehalten.
• Es ist zu beachten, daß nach der Lockerung der OMV von ihrem optimalen Vorgabewert durch den Block 34 die Steuerung an den Blöcken 36 und 38 wie oben beschrieben fortgesetzt wird. In Block 38 kann einer von MV1_FUT oder MV2 immer noch an oder über seiner Restriktionsgrenze sein, und in diesem Fall fließt die Steuerung erneut zu Block 40, und der OCV_SP wird erneut um Δs in einer nichtoptimalen Richtung eingestellt. Die Steuerung wird weiter durch die Blöcke 32 bis 40 fortgesetzt, bis der Block 38 bestimmt, daß weder MV1_FUT noch MV2 an oder über seiner jeweiligen Restriktionsgrenze ist.
• Der Fachmann versteht natürlich, daß der Prozeß 16 niemals tatsächlich in den unerwünschten Zustand eintritt, weil die Optimierungssteuerlogik 14 so konfiguriert ist, daß die vorhergesagten Zukunftswerte MV1_FUT und MV2_FUT überwacht werden und die Reaktion auf diese vorhergesagten Zukunftswerte derart ist, daß verhindert wird, daß die Stellgrößen MV1 und MV2 jemals ihre entsprechenden Restriktionen erreichen oder verletzen, so daß dadurch verhindert wird, daß der Prozeß 16 in den unerwünschten Zustand gelangt. Infolgedessen ist die IOMPC 12 so, wie sie konfiguriert ist, besonders robust hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Überschreitungen von Restriktionen vor deren Auftreten zu vermeiden. Außerdem reagiert die IOMPC 12 erst, wenn eine zukünftige Verletzung vorhergesagt ist. Daher führt eine Stellgröße, die sich sehr nahe an ihrer jeweiligen Restriktionsgrenze befindet, nicht unnötigerweise zu einer Abweichung des Systems vom Optimalmodus, so daß der Prozeß 16 näher an den Prozeßrestriktionen ablaufen kann, jedoch gleichzeitig deren Verletzung vermeidet.
• Wenn der Block 38 bestimmt, daß keine Verletzungen von Restriktionen auftreten werden, d. h. daß weder MV1_FUT noch MV2_FUT an seiner jeweiligen Restriktionsgrenze ist oder diese verletzt, dann geht die Steuerung weiter zu Block 42, in dem der Wert des OCV_SP geprüft wird, um zu bestimmen, ob OCV_SP mit dem OMV_CON vorgegeben ist. Wenn der OCV_SP nicht mit dem OMV_CON vorgegeben ist, geht die Steuerung weiter zu Block 44, in dem der Wert des OCV_SP um einen vorbestimmten Betrag wie etwa ein oder zwei Prozent des Prozeßmaßstabs in einer optimalen Richtung eingestellt wird. Dann springt die Steuerung zu Block 32 und zu den darauf folgenden Blöcken zurück. Es versteht sich, daß dann, wenn der OCV_SP ausgehend von seiner optimalen Voreinstellung von OMV_CON verstellt wurde und in Block 38 keine weiteren zukünftigen Verletzungen von Restriktionen vorhergesagt werden, die Optimierungslogik 14 die Schleife durch die Blöcke 32, 34, 36, 38, 42 und 44 weiter durchläuft, wobei der OCV_SP während jedes Durchlaufs inkrementell erhöht wird, bis er auf den Wert des OMV_CON zurückgebracht ist. Infolgedessen kann die Betriebsart, in der die Prozeßsteuerung weiter durch die Schleife der Blöcke 32, 34, 36, 38, 42 und 44 läuft, als eine suboptimale Betriebsart bezeichnet werden, denn während des Schleifendurchlaufs durch diese Blöcke ist der OCV_SP nicht auf den optimalen Wert von OMV_CON eingestellt, sondern befindet sich auf einer suboptimalen Einstellung.
• Wenn der Block 42 bestimmt, daß der OCV_SP gleich wie OMV_CON ist, dann springt die Steuerung zu Block 32 zurück, und die Optimierungssteuerlogik 14 durchläuft die Schleife durch die Blöcke 32, 34, 36, 38 und 42 weiter, bis von dem Block 38 bestimmt wird, daß entweder MV1_FUT oder MV2_FUT ihre jeweiligen Restriktionen verletzen, und in diesem Fall verzweigt sich die Steuerung zu Block 40 und den darauf folgenden Blöcken, wie oben beschrieben wurde. Die Betriebsart, in der die Prozeßsteuerung die Schleife durch die Blöcke 32, 34, 36, 38 und 42 weiter durchläuft, kann als eine optimale Betriebsart bezeichnet werden, denn während der Ausführung dieser Blöcke ist der OCV_SP bei seinem optimalen Einstellwert, d. h. OMV_CON, und somit arbeitet die OMV mit ihrer maximalen Einstellung. Die Steuerung des Prozesses 16 kann auf die oben beschriebene Weise die Blöcke in der Schleife für unbestimmte Zeit oder so lange, bis ein Bediener das System abschaltet, durchlaufen.
• Wie oben beschrieben wird, umfaßt die herkömmliche Modellvorhersage-Steuerung die Anwendung des Prozeßmodells und der aktuellen Prozeßgrößen, um einen zukünftigen Prozeßzustand vorherzusagen, und die Nutzung dieses zukünftigen Prozeßzustands, um eine Menge von Einstellungen zu errechnen, die an den Stellgrößen vorzunehmen sind und die Steuergrößen veranlassen, ihren jeweiligen Sollwerten zu genügen. Infolgedessen kann eine herkömmliche Modellvorhersage-Steuereinheit so ausgebildet sein, daß sie sämtliche Schritte ausführt, die während der Ausführung der Blöcke 30 bis 46 ausgeführt werden, natürlich unter der Voraussetzung, daß die Modellvorhersage-Steuereinheit so konfiguriert worden ist, daß sie die OCV aufweist, die mit der OMV durch eine Einheitsverstärkung (wie in 1 gezeigt) in Beziehung steht, und daß die Modellvorhersage-Steuereinheit so ausgebildet wurde, daß sie die OCV gemäß dem Verfahren steuert, das durch das Flußdiagramm von 3 repräsentiert ist. Infolgedessen führt die IOMPC 12 die optimale Modellvorhersage-Steuerung auf eine Weise aus, die in die herkömmliche Modellvorhersage-Steuerungstechnologie vollständig integriert sein kann, ohne daß zusätzliche Steuereinrichtungen benötigt werden. Gemäß 4 kann die IOMPC 12 von 1 unter Anwendung einer Prozeßsteuereinheit 50 implementiert werden, die mit einem Datenhistoriker 52 und mit einer oder mehreren Hauptworkstations oder Computern 54 (die jede Art von PC, Workstation usw. sein können), die jeweils einen Bildschirm 56 haben, verbunden ist. Die Steuereinheit 50 kann ferner mit den Prozeßsteuereinrichtungen 18, 20 und 22 und mit den Prozeßmeßeinrichtungen 24, 26 und 28 über Ein-Ausgabe-Karten bzw. E-A-Karten 58 und 60 verbunden sein. Der Datenhistoriker 52 kann jede gewünschte Art von Datensammeleinheit sein, die jede gewünschte Speicherart und jede gewünschte oder bekannte Software, Hardware oder Firmware hat, um Daten zu speichern, und kann ein Teil einer der Workstations 54 oder davon separat (wie in 4 gezeigt) sein. Die Steuereinheit 50, die beispielsweise die DeltaV^TM Steuereinheit ist, die von Fisher-Rousemount Systems entwickelt/hergestellt wird, ist mit den Hauptrechnern 54 und dem Datenhistoriker 52 beispielsweise über eine Ethernetverbindung oder jedes andere gewünschte Kommunikationsnetz kommunikativ verbunden. Die Steuereinheit 50 ist ferner kommunikativ mit den Prozeßsteuereinrichtungen 18, 20 und 22 und den Prozeßmeßeinrichtungen 24, 26 und 28 verbunden unter Anwendung jeder gewünschten Hardware und Software, die beispielsweise Standardeinrichtungen von 4–20 mA zugeordnet sind, und/oder jedem intelligenten Kommunikationsprotokoll wie etwa dem Fieldbus-Protokoll, dem HART-Protokoll usw.
• Obwohl das Steuerungssystem 10, wie oben gesagt, unter Bezugnahme auf die Steuerung des chemischen Reaktionsprozesses 16 beschrieben wird, kann es statt dessen verwendet werden, um jede Art von Prozeß zu steuern. Außerdem können die Feldeinrichtungen 18, 20, 22, 24, 26 und 28 mit jeder Art von Einrichtungen wie etwa Sensoren, Ventilen, Meßwertgebern, Stellelementen usw. implementiert werden, und die E-A-Karten 58 und 60 können jede Art von E-A-Einrichtung sein, die zu einem gewünschten Kommunikations- oder Steuereinheits-Protokoll passen. Beispielsweise können die Feldeinrichtungen 18, 20, 22, 24, 26 und 28 unter Verwendung von 4–20 mA-Standardeinrichtungen implementiert werden, die über Analogleitungen mit der E-A-Karte 58 kommunizieren, oder können statt dessen unter Verwendung von intelligenten Einrichtungen wie etwa Fieldbus-Feldeinrichtungen implementiert werden, die über einen Digitalbus mit der E-A-Karte 58 unter Nutzung von Fieldbus-Protokoll-Kommunikationen in Verbindung treten. Allgemein gesagt ist das Fieldbus-Protokoll ein vollständig digitales, serielles Zweiwege-Kommunikationsprotokoll, das eine standardisierte physische Schnittstelle zu einer Zweidrahtschleife oder einem Zweidrahtbus bildet, der Feldeinrichtungen miteinander verbindet. Tatsächlich bildet das Fieldbus-Protokoll ein lokales Datennetz für Feldeinrichtungen innerhalb eines Prozesses, das es diesen Feldeinrichtungen ermöglicht, Prozeßsteuerfunktionen (unter Nutzung von Funktionsblöcken, die nach dem Fieldbus-Protokoll definiert sind) an Stellen auszuführen, die in einer Prozeßanlage verteilt sind, und miteinander vor und nach der Durchführung dieser Prozeßsteuerfunktionen zu kommunizieren, um eine Gesamtsteuerungsstrategie zu implementieren. Es versteht sich, daß das Fieldbus-Protokoll zwar ein relativ neues, vollständig digitales Kommunikationsprotokoll ist, das zur Verwendung in Prozeßsteuerungsnetzen entwickelt wurde, dieses Protokoll jedoch im Stand der Technik bekannt und im einzelnen in zahlreichenen Artikeln, Broschüren und Beschreibungen beschrieben wurde, die unter anderem von der Fieldbus Foundation, einer gemeinnützigen Organisation mit dem Sitz in Austin, Texas, veröffentlicht, verteilt und verfügbar gemacht werden. Infolgedessen werden die Einzelheiten des Fieldbus-Kommunikationsprotokolls hier nicht im Detail beschrieben. Selbstverständlich könnten die Feldeinrichtungen 18, 20, 22, 24, 26 und 28 irgendwelchen anderen gewünschten Standards oder Protokollen einschließlich solchen Standards oder Protokollen, die noch entwickelt werden, entsprechen.
• Es wird weiterhin auf 4 Bezug genommen; zur Steuerung des Prozesses 16 kann die Steuereinheit 50 so ausgebildet sein, daß sie eine weiterentwickelte Steuerschleife 62 (die eine Vielfacheingangs-/Vielfachausgangs-Steuerschleife ist) implementiert, die einen weiterentwickelten Steuerblock 64 hat, der drei analoge Eingangsssignale von einer Gruppe von Analogeingangs- bzw. AI-Funktionsblöcken 66 empfängt und drei analoge Ausgangssignale an eine Gruppe von Analogausgangs- bzw. AO-Funktionsblöcke 68 abgibt. Jeder Analogeingangs-Funktionsblock 66 ist einem der Sensoren 24, 26 und 28 zugeordnet, und jeder der Analogausgangs-Funktionsblöcke 68 ist einem der Ventile 18, 20, 22 zugeordnet. Wie nachstehend beschrieben wird, ist der weiterentwickelte Steuerblock 64 so ausgebildet, daß er die integrierte optimale Modellvorhersage-Steuerung ausführt (d. h. als die IOMPC 12 von 1 wirkt). Gemäß der herkömmlichen Terminologie von Steuerungssystemen repräsentiert jeder Funktionsblock einen Teil (z. B. eine Subroutine) der gesamten Steuerungsroutine, und jeder Funktionsblock wirkt gemeinsam mit den anderen Funktionsblöcken (über als Verbindungen bezeichnete Kommunikationsmittel) zur Implementierung der Prozeßsteuerschleife 62 innerhalb des Prozeßsteuerungssystems 10. Funktionsblöcke führen typischerweise eine von einer Eingangsfunktion, wie sie etwa einem Meßumformer, einem Sensor oder anderen Meßeinrichtungen für Prozeßparameter zugeordnet sind, einer Steuerfunktion, wie sie etwa einer Steuerungsroutine zugeordnet ist, die PID-, Fuzzylogik-, MPC-Steuerung usw. ausführt, oder einer Ausgangsfunktion, die die Aktivität einer Einrichtung wie etwa eines Ventils steuert, aus, um eine physische Funktion innerhalb des Prozeßsteuerungssystems 10 auszuführen. Die Funktionsblöcke 66 und 68 sind in der Steuereinheit 50 gespeichert und werden von dieser ausgeführt, aber sie können alternativ in den Feldeinrichtungen 18, 20, 22, 24, 26 und 28 gespeichert sein und von diesen implementiert werden.
• Wie 4 zeigt, umfaßt eine der Workstations 54 eine weiterentwickelte Steuerblock-Erzeugungsroutine 70, die dazu dient, den weiterentwickelten Steuerblock 64 auf eine noch zu beschreibende Weise zu erschaffen, herunterzuladen und zu implementieren. Die weiterentwickelte Steuerblock-Erzeugungsroutine 70 kann zwar in einem Speicher in der Workstation 54 gespeichert sein und von einem dort befindlichen Prozessor ausgeführt werden, aber diese Routine (oder jeder Teil davon) kann außerdem oder alternativ in anderen Einrichtungen innerhalb des Prozeßsteuerungssystems 10 gespeichert sein und davon ausgeführt werden, wenn das gewünscht wird. Im allgemeinen umfaßt die weiterentwickelte Steuerblock-Erzeugungsroutine 70 eine Steuerblock-Erschaffungsroutine 72, die den erweiterten Steuerblock 64 erschafft und den erweiterten Steuerblock 64 in das Prozeßsteuerungssystem einfügt, eine Prozeßmodellierroutine 74, die ein Prozeßmodell für den Prozeß oder einen Teil davon auf der Basis von Daten, die von dem erweiterten Steuerblock 64 gesammelt werden, erschafft, und eine Steuerlogikparameter-Erschaffungsroutine 76, die Steuerlogikparameter für den erweiterten Steuerblock 64 aus dem Prozeßmodell erschafft und diese Steuerlogikparameter in dem erweiterten Steuerblock 64 speichert oder in ihn herunterlädt, um sie bei der Steuerung des Prozesses 16 zu nutzen. Es versteht sich, daß die Routinen 72, 74 und 76 aus einer Reihe von verschiedenen Routinen zusammengestellt sein können, beispielsweise einer ersten Routine, die ein erweitertes Steuerelement erschafft, das Steuereingänge hat, die ausgebildet sind zum Empfang von Prozeßausgängen, und Steuerausgänge hat, die ausgebildet sind, um Steuersignale an Prozeßeingänge zu liefern, einer zweiten Routine, die es einem Anwender ermöglicht, das erweiterte Steuerelement innerhalb der Prozeßsteuerungsroutine (die eine Routine jeder gewünschten Konfiguration sein kann) kommunikativ einzufügen, einer dritten Routine, die das erweiterte Steuerelement nutzt, um Anregungswellenformen an jeden der Prozeßeingänge zu liefern, einer vierten Routine, die das erweiterte Steuerelement nutzt, um Daten zu sammeln, die die Reaktion jedes der Prozeßausgänge auf die Anregungswellenformen reflektieren, einer fünften Routine, die aus den gesammelten Daten ein Prozeßmodell erschafft, einer sechsten Routine, die erweiterte Steuerlogikparameter aus dem Prozeßmodell entwickelt, und einer siebten Routine, die die erweiterte Steuerlogik und im Bedarfsfall das Prozeßmodell in dem erweiterten Steuerelement plaziert, um dem erweiterten Steuerelement zu ermöglichen, den Prozeß zu steuern.
• Die erweiterte Steuerblockerzeugungsroutine 70 kann ferner ein graphisches Schnittstellenprogramm 78 aufweisen, das einem Anwender die Kommunikation mit der erweiterten Steuerblockerzeugungsroutine 70 erlaubt, um dadurch Konfigurationsinformation bereitzustellen, die von der erweiterten Steuerblockerzeugungsroutine 70 genutzt wird, um das Prozeßsteuerungssystem 10 für die Steuerung des Prozesses 16 auszubilden und zu konfigurieren.
• Gemäß 5 zeigt ein Flußdiagramm 80 die Schritte eines Verfahrens zur Ausbildung/Konfigurierung der erweiterten Steuerschleife 62 für die Durchführung der integrierten Optimalmodellvorhersage-Steuerung des Prozesses 16. Das Verfahren beginnt in Schritt 82, in dem das Optimierungsziel ausgewählt wird. Wie oben beschrieben wird, ist das für die Optimierung ausgewählte Optimierungsziel bei dem dargestellten Beispiel die Produktionsrate, d. h. der Prozeßdurchsatz.
• Als nächstes beginnt der Anwender in Block 84 mit der Konfigurierung des Prozeßsteuerungssystems 10 durch Zuführen von Konfigurationsinformation zu der Steuerblockerzeugungsroutine 70 über das graphische Benutzeroberflächenprogramm 78. Das graphische Benutzeroberflächenprogramm 78 fordert nach Initiierung den Benutzer bevorzugt auf, die Steuerungsstrategie zu spezifizieren, die zur Konfigurierung des Steuerungssystems verwendet wird. Wie bereits beschrieben wurde, kann eine Steuerungsstrategie, die Funktionsblöcke verwendet, angewandt werden, um das Steuerungssystem 10 darzustellen, und in diesem Fall antwortet der Benutzer auf die Aufforderung durch Bezeichnen einer Funktionsblock-Steuerungsstrategie. Wenn der Benutzer eine alternative Steuerungsstrategie verwenden möchte, beispielsweise Leiterlogik oder Sequenzarbeitspläne, kann der Benutzer natürlich die gewählte Strategie entsprechend bezeichnen. Nach der Benennung der Steuerungsstrategie kann das graphische Benutzeroberflächenprogramm 78 den Benutzer auffordern, die Anzahl der Funktionsblöcke, die zur Implementierung des Prozeßsteuerungssystems 10 verwendet werden, zu benennen. In bezug auf den Prozeß 16 gibt der Benutzer beispielsweise an, daß die erweiterte Steuerschleife 62 die drei Analogeingangs-Funktionsblöcke 66, die drei Analogausgangs-Funktionsblöcke 68 und den erweiterten Steuerblock 64 umfaßt. Nachdem die Anzahl der Funktionsblöcke angegeben ist, kann das graphische Benutzeroberflächenprogramm 58 veranlassen, daß die Steuerblockerschaffungsroutine 72 initiiert wird. Nach der Initiierung erzeugt die Steuerblockerschaffungsroutine 72 sieben Steuerblöcke, und zwar jeweils einen zur Darstellung der sechs Analogeingangs- und Analogausgangs-Funktionsblöcke 66 und 68 und einen zur Darstellung des erweiterten Steuerblocks 64. Während der Erzeugung der Steuerblöcke, die die Analogeingangs- und -ausgangs-Funktionsblöcke 66, 68 darstellen, fordert die Steuerblockerschaffungsroutine 72 den Benutzer auf, die Art und Weise zu benennen, in der jeder der Funktionsblöcke 66 und 68 mit dem erweiterten Steuerblock 64 zu verbinden ist, und fordert den Benutzer ferner auf, die Funktion zu benennen, die von jedem der Funktionsblöcke auszuführen ist, d. h. daß jeder der Analogeingangs-Funktionsblöcke 66 einem der Sensoren 24, 26 und 28 zugeordnet ist und daß jeder der Analogausgangs-Funktionsblöcke 68 einem der Ventile 18, 20 und 22 zugeordnet ist. Ferner wird der Benutzer aufgefordert, jede weitere Information zu benennen, die erforderlich ist, um die Funktionsblöcke 66, 68 zu erschaffen/zu konfigurieren, was beispielsweise die eventuellen Verstärkungsfaktoren, die den Funktionsblöcken 66, 68 zugeordnet sind, und/oder eine Skalierung umfaßt, die an den Signalen, die von den Funktionsblöcken erzeugt werden, durchgeführt werden muß.
• Wenn die Steuerblockerschaffungsroutine 72 den erweiterten Steuerblock 64 erschafft, kann der Benutzer ferner aufgefordert werden, das Steuerverfahren zu benennen, das von dem erweiterten Steuerblock 64 durchzuführen ist. Als Antwort gibt der Benutzer an, daß der erweiterte Steuerblock 64 so konfiguriert werden soll, daß er die integrierte Optimalmodellvorhersage-Steuerung durchführt, d. h. er gibt an, daß der erweiterte Steuerblock 64 als die IOMPC 12 (siehe 1) wirksam sein soll. Als nächstes wird der Benutzer aufgefordert, die zu dem Prozeß 16 gehörenden Eingänge und Ausgänge zu bezeichnen. Unter gleichzeitiger Bezugnahme auf 1 ist der Prozeß 16 so dargestellt, daß er drei Eingänge X1, X2, X2 aufweist, die den Positionen der drei Ventile 18, 20 und 22 zugeordnet sind, und der Prozeß hat ferner drei Ausgänge Y1, Y2 und Y3, die jeweils den Messungen zugeordnet sind, die von den Sensoren 24, 26 bzw. 28 geliefert werden. Nachdem die Prozeßeingänge X1, X2, X3 und Y1, Y2, Y3 bezeichnet worden sind, konfiguriert die Steuerblockerschaffungsroutine 72 den erweiterten Steuerblock 64 so, daß er als eine IOMPC wirkt und drei Ausgänge OUT1, OUT2 und OUT3 hat, die mit den Prozeßeingängen X1, X2 und X3 gekoppelt sind, und drei Eingänge IN1, IN2 und IN3 hat, die mit den Prozeßausgängen Y1, Y2 und Y3 gekoppelt sind.
• Es wird weiterhin auf 5 Bezug genommen. In Schritt 84 der Benennung der Konfiguration veranlaßt die Steuerblockerschaffungsroutine 72 das graphische Benutzeroberflächenprogramm 78, den Benutzer zur Bezeichnung der OMV aufzufordern. Wie oben beschrieben wird, wird bei dem gezeigten Beispiel davon ausgegangen, daß die Dampfdurchflußmenge MV3 zu optimieren ist, um die Produktionsrate zu maximieren, und daher wird MV3 der Steuerblockerschaffungsroutine 72 vom Benutzer als die OMV genannt. Nachdem die Identität der OMV der Steuerblockerschaffungsroutine 72 zugeführt wurde, erschafft die Steuerblocke 72 automatisch eine optimierte Steuergröße (OCV), die mit der OMV in Beziehung steht. Gemäß der oben gegebenen Beschreibung der OCV entspricht die OCV keinem der tatsächlichen Prozeßausgänge, d. h. Y1, Y2, Y3, sondern ist statt dessen als eine Steuergröße konfiguriert, die mit der OMV durch eine Einheitsverstärkung in Beziehung steht.
• Während des Schritts 84 kann die Steuerblockerschaffungsroutine 72 den Benutzer weiterhin auffordern, die Standardwerte der Sollwerte CV1_SP und CV2_SP und die Werte der Restriktionen MV1_CON, MV2_CON und OMV_CON zu nennen. Nach Erhalt des Werts für die OMV_CON erschafft die Steuerblockerschaffungsroutine 72 einen Sollwert für die OCV, der als OCV_SP bezeichnet wird und gleich dem Wert der OMV_CON ist.
• In Schritt 84 kann es erforderlich sein, zusätzlich weitere Logikparameter für die Steuerblockerschaffungsroutine 72 zu benennen, beispielsweise den Zeitrahmen, über den Steuerungsänderungen vorzunehmen sind (z. B. die Sollwertverlaufsbahn-Filterzeitkonstanten), die maximale oder minimale Bewegung (Ratengrenzwert) eines MPC-Ausgangs oder eines Prozeßausgangs, ob irgendwelche der gesteuerten Parameter integrierte Steuerparameter sind, IOMPC-Optimierungsfaktoren, Variablen oder Abstimmparameter, den Steuerungshorizont des IOMPC-Steuerblocks 64, d. h. um wie viele Vorwärtsschritte Stellgrößenwerte zu berechnen sind, um einen gewünschten Zustand zu steuern, die Auslegungseinheitsbereiche für jeden der Eingänge und Ausgänge des IOMPC-Blocks 64, welche der gesteuerten Variablen herabgesetzt werden darf oder nicht realisiert wird, wenn eine der Restriktionen verletzt wird, den Wert von Parametern, die auf die Aggressivität oder Robustheit der MPC bezogen sind, usw.
• Als nächstes wird in 5 in Schritt 86 die erweiterte Steuerschleife 62, die in Block 84 konfiguriert wurde, automatisch in die Steuereinheit 50 heruntergeladen, und die Eingänge und Ausgänge des erweiterten Steuerblocks 64 werden kommunikativ mit den entsprechenden Prozeßein- und -ausgängen verbunden. Wie 1 zeigt, wo der erweiterte Steuerblock 64 durch die IOMPC 12 dargestellt ist, werden dabei die Prozeßausgänge Y1–Y3 kommunikativ mit den IOMPC-Eingängen IN1–IN3 und die Prozeßeingänge X1–X3 kommunikativ mit den IOMPC-Ausgängen OUT1–OUT3 verbunden. Der Einfachheit halber sind der Analogeingangs-Funktionsblock 66 und der Analogausgangs-Funktionsblock 68 aus dem Blockbild von 1 weggelassen, sie werden aber als mit den Eingängen und Ausgängen der IOMPC 12 gekoppelt angenommen. Selbstverständlich kann der Benutzer den erweiterten Steuerblock 64 auf jede gewünschte Weise mit dem Prozeß 16 verbinden und verwendet im allgemeinen die gleiche Steuerkonfiguration oder das gleiche Auslegungsprogramm, das der Benutzer verwendet, um andere Steuerschleifen wie Einzelschleifen-Steuerroutinen innerhalb des Prozeßsteuerungssystems 10 zu erschaffen. Beispielsweise kann der Benutzer jede gewünschte graphische Programmierroutine anwenden, um die Verbindungen zwischen dem erweiterten Steuerblock 64 und den Prozeßein- und -ausgängen zu bezeichnen. Auf diese Weise wird der erweiterte Steuerblock 64 auf die gleiche Weise wie andere Steuerblöcke, Elemente oder Routinen unterstützt, was die Konfigurierung und Verbindung des erweiterten Steuerblocks 64 und die Unterstützung dieses Blocks innerhalb des Steuerungssystems 10 gleich wie die Konfiguration, Verbindung und Unterstützung der anderen Blöcke innerhalb des Systems macht. Bei einer Ausführungsform sind der erweiterte Steuerblock 64 sowie die anderen Blöcke im Steuerungssystem 10 Funktionsblöcke, die so ausgebildet sind, daß sie gleich oder ähnlich wie Fieldbus-Funktionsblöcke sind. Bei dieser Ausführungsform kann der erweiterte Steuerblock 64 die gleichen oder ähnlichen Arten von Eingängen, Ausgängen usw. haben, wie sie in dem Fieldbus-Protokoll bezeichnet oder vorgesehen sind, und ist imstande, beispielsweise durch die Steuereinheit 50 unter Anwendung von Kommunikationsverbindungen implementiert zu werden, die gleich oder gleichartig wie diejenigen des Fieldbus-Protokolls sind. Eine Methode der graphischen Erschaffung von Prozeßsteuerroutinen und Elementen davon ist von Dove et al. in der US-PS 5 838 563 mit dem Titel ”System for Configuring a Process Control Environment” beschrieben, die hier summarisch eingeführt wird. Selbstverständlich könnten auch andere Steuerschleifen- oder Steuermodul-Auslegungsstrategien angewandt werden, was solche einschließt, die andere Arten von Funktionsblöcken oder andere Routinen, Subroutinen oder Steuerelemente innerhalb eines Prozeßsteuerungs-Konfigurationsparadigmas anwenden.
• Wie 1 zeigt, kann der in Schritt 86 in die Steuereinheit 50 heruntergeladene (siehe 5) erweiterte Steuerblock 64 folgendes aufweisen: eine Datensammelroutine 100, die alternativ in dem Datenhistoriker 52 gespeichert sein kann, einen Wellenformgenerator 101, eine generische Steuerlogik 102, einen Speicher 103 zur Speicherung von Steuerparametern und ein Prozeßmodell 104. Die generische Steuerlogik 102 kann beispielsweise eine generische MPC-Routine sein, die Koeffizienten oder andere Steuerparameter benötigt, um in einem bestimmten Fall die Steuerung durchzuführen. In einigen Fällen kann die generische Logik 102 auch ein Prozeßmodell für den zu steuernden Prozeß benötigen.
• Es wird erneut auf 5 Bezug genommen; nachdem der erweiterte Steuerblock 64 in Schritt 86 in die Steuereinheit heruntergeladen wurde, wird Schritt 88 durchgeführt, in dem der erweiterte Steuerblock 64 über die Prozeßmodellierroutine 74 angewiesen wird, die nächste Entwicklungsphase des erweiterten Steuerblocks 64 zu beginnen, in der für jeden der Prozeßausgänge Daten zur Nutzung bei der Erschaffung eines Prozeßmodells gesammelt werden. Nach entsprechender Anweisung durch den Benutzer (oder zu einer anderen gewünschten Zeit) beginnt dabei der Wellenformgenerator 101 des erweiterten Steuerblocks 64 mit der Erzeugung einer Serie von Wellenformen an seinen Ausgängen OUT₁–OUT₃, um Anregungswellenformen an jeden der Prozeßeingänge X₁–X₃ zu liefern. Falls gewünscht, können diese Wellenformen von Software innerhalb der Benutzerworkstation 54 an den Generator 101 geliefert werden, aber bevorzugt werden sie von dem Generator 101 erzeugt. Die von dem Wellenformgenerator 101 erzeugten Wellenformen sind bevorzugt so ausgebildet, daß sie den Prozeß 16 veranlassen, über die verschiedenen Bereiche von Eingängen wirksam zu sein, die während des Normalbetriebs des Prozesses zu erwarten sind. Für eine richtige Auslegung des erweiterten Steuerblocks 64 sollten die den Prozeßeingängen IN1, IN2 und IN3 zugeführten Eingangswellenformen den Durchflußmengen des Einsatzmaterials, des Wassers und des Dampfs anstelle der Stellungen der Ventile 18, 20 und 22 entsprechen. Wenn sie also nicht bereits bekannt sind, ist es notwendig, die Durchflußmengen entsprechend den verschiedenen Ventilstellungen zu errechnen und diese Mengen der IOMPC-Erschaffungsroutine 72 zuzuführen.
• Der Wellenformgenerator 101 kann jedem der Prozeßeingänge X₁–X₃ eine Serie von unterschiedlichen Mengen von Impulsen zuführen, wobei die Impulse innerhalb jeder der Mengen von Impulsen gleiche Amplitude, jedoch pseudozufällige Längen haben und wobei die Impulse innerhalb der verschiedenen Mengen von Impulsen unterschiedliche Amplituden haben. Die Menge von Impulsen kann für jeden der verschiedenen Prozeßeingänge X₁–X₃ sequentiell, jeweils einzeln zu einem Zeitpunkt, erzeugt und dann zugeführt werden. Während dieses Zeitraums sammelt die Datensammeleinheit 100 innerhalb des erweiterten Steuerblocks 64 die Sammeldaten – oder koordiniert die Sammeldaten auf andere Weise –, die die Reaktion der Prozeßausgänge Y₁–Y₃ auf jede der von dem Wellenformgenerator 101 erzeugte Wellenform bezeichnen, und kann Daten, die sich auf die erzeugte Anregungswellenform beziehen, sammeln oder deren Sammeln koordinieren. Diese Daten können in dem erweiterten Steuerblock 64 gespeichert werden, werden jedoch bevorzugt automatisch dem Datenhistoriker 52 zur Speicherung und/oder zu der Workstation 54 übermittelt, wo diese Daten auf dem Bildschirm 56 angezeigt werden können.
• Auf diese Weise liefert der erweiterte Steuerblock 64 eine Menge von Anregungswellenformen an den Prozeß 16 und mißt die Antwort des Prozesses 16 auf diese Anregungswellenformen. Selbstverständlich können die von dem Wellenformgenerator 101 erzeugten Anregungswellenformen jede gewünschte Wellenform sein, die als nützlich bei der Entwicklung eines Prozeßmodells für eine Modellvorhersage-Steuereinheit bekannt sind, und diese Wellenformen können jede heute bekannte oder in Zukunft für diesen Zweck entwickelte Form haben. Da Wellenformen, die zum Anregen eines Prozesses für die Zwecke der Datensammlung zur Entwicklung eines Prozeßmodells für die Modellvorhersagesteuerung dienen, wohlbekannt sind, werden diese Wellenformen hier nicht näher beschrieben.
• Es ist zu beachten, daß der Wellenformgenerator 101 jede gewünschte Form haben kann und beispielsweise in Hardware, Software oder einer Kombination aus beiden implementiert sein kann. Wenn er in Software implementiert ist, kann der Wellenformgenerator 101 einen Algorithmus speichern, der zum Erzeugen der gewünschten Wellenformen genutzt werden kann, kann digitale Darstellungen der zu erzeugenden Wellenformen speichern oder kann jede andere Routine oder andere gespeicherte Daten zum Erschaffen solcher Wellenformen nutzen. Wenn er in Hardware implementiert ist, kann der Wellenformgenerator 101 beispielsweise ein Rechteckwellengenerator sein. Falls gewünscht, kann der Benutzer aufgefordert werden, bestimmte Parameter einzugeben, die zur Bildung der Wellenformen erforderlich sind, etwa die ungefähre Ansprechzeit des Prozesses, die Schrittgröße der Amplitude der den Prozeßeingängen zuzuführenden Wellenformen usw. Der Benutzer kann nach diesen Informationen gefragt werden, wenn der erweiterte Steuerblock 64 erstmals erschaffen wird oder wenn der Benutzer den erweiterten Steuerblock 64 anweist, mit der Einrichtung oder Anregung des Prozesses zu beginnen und Prozeßdaten zu sammeln.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform sammelt die Datensammeleinheit 100 Daten (oder stellt auf andere Weise das Sammeln von Daten sicher) als Reaktion auf jede der Anregungswellenformen mit der drei- bis fünffachen Ansprechzeit für einen Einzelausgangsprozeß und bis zur zehnfachen oder noch höheren Ansprechzeit für einen Vielfachgrößen-Prozeß, um sicherzustellen, daß ein vollständiges und exaktes Prozeßmodell entwickelt werden kann. Daten können jedoch auch innerhalb jedes anderen Zeitraums gesammelt werden. In jedem Fall ist der erweiterte Steuerblock 64 bevorzugt wirksam, bis der Wellenformgenerator 101 die Abgabe aller notwendigen Anregungswellenformen an jeden der Prozeßeingänge X₁–X₃ beendet hat und die Datensammeleinheit 100 Daten für die Prozeßausgänge Y₁–Y₃ gesammelt hat. Selbstverständlich kann während dieses Datensammelvorgangs die Operation des erweiterten Steuerblocks 64 unterbrochen werden, falls dies gewünscht wird oder notwendig ist.
• Es wird weiterhin auf 5 Bezug genommen; nachdem die Anregungsdaten gesammelt sind, werden sie zur Erzeugung des Prozeßmodells genutzt. Das Prozeßmodell kann unter Anwendung jeder bekannten Art von Prozeßmodellieranalyse erzeugt werden, und das entwickelte Prozeßmodell kann jede Form wie etwa ein mathematischer Algorithmus, eine Serie von Ansprechkurven usw. sein. Da die Qualität des erzeugten Prozeßmodells von der Qualität der gesammelten Anregungsdaten abhängig ist, wird im allgemeinen ein Datenscreening durchgeführt, bevor das Prozeßmodell erzeugt wird, um Ausreißer und andere unzuverlässige Datenpunkte aus der Datenmenge zu entfernen. Das Prozeßmodell, das erzeugt wird, kann automatisch in jeder gewünschten Datenbank gesichert werden, um für den späteren Gebrauch verfügbar zu sein.
• Nachdem das Prozeßmodell erschaffen ist, wird in Schritt 90 die Steuerlogikparameter-Erschaffungsroutine 76 ausgeführt, um dadurch eine Menge von IOMPC-Prozeßmodellkoeffizienten/Steuereinheitskoeffizienten oder Steuerlogikparametern zu erzeugen. Die Steuerlogikparameter, die von dem erweiterten Steuerblock 64 zur Steuerung des Prozesses 16 genutzt werden, werden erzeugt durch Invertieren der Matrix, die das Prozeßmodell darstellt. Die Einzelheiten der Erschaffung eines Prozeßmodells aus gesammelten Daten für einen Prozeß und der Erzeugung von MPC oder anderen Steuerlogikparametern aus diesem Prozeßmodell durch Invertierung der Matrix von gesammelten Daten ist im Stand der Technik bekannt, und diese Vorgänge werden hier nicht näher beschrieben. Es versteht sich, daß der hier beschriebene Vorgang zum Erzeugen der Logikparameter zwar die Invertierung der Prozeßmodellmatrix umfaßt, daß aber statt dessen jede andere gewünschte Erschaffungsroutine für die Logikparameter angewandt werden kann.
• Es wird weiterhin auf 5 Bezug genommen; nachdem die IOMPC-Steuerlogikparameter erschaffen sind, können die IOMPC-Steuerlogikparameter oder Koeffizienten in Schritt 92 getestet werden, wobei ein Prozeßsimulationsblock verwendet wird. Dieser Simulationsblock kann im allgemeinen aus dem für den Prozeß erschaffenen Prozeßmodell entwickelt werden und mit dem erweiterten Steuerblock 64 in einer Prüfumgebung verbunden werden, um zu testen, ob die erschaffene IOMPC-Steuerlogik über den Bereich des normalen Prozeßbetriebs zufriedenstellend arbeitet. Wenn die IOMPC-Logik nicht befriedigend ist, können die Schritte 86, 88 und 90 entweder einzeln oder sämtlich wiederholt werden, um eine andere IOMPC-Steuerlogik zu entwickeln. Wenn jedoch die IOMPC-Steuerlogik zufriedenstellend ist, werden die IOMPC-Steuerlogikparameter und das Prozeßmodell, die in dem Parameterspeicher 103 und dem Prozeßmodellspeicher 104 gespeichert sind, von dem erweiterten Steuerblock 64 in Schritt 94 genutzt, um den Prozeß 16 zu steuern. Auf diese Weise werden die von der IOMPC-Steuerlogik benötigten Parameter dem erweiterten Steuerblock 64 zugeführt und sind darin enthalten, und der erweiterte Steuerblock 64 kann damit beauftragt werden, die Steuerung als die IOMPC 12 innerhalb des Prozesses entsprechend der IOMPC-Steuerlogik 102 tatsächlich auszuführen. Falls gewünscht, kann natürlich die eigentliche IOMPC-Logik 102 gemeinsam mit den dafür erforderlichen Parametern in der Workstation 54 erschaffen und in den IOMPC-Block 64 heruntergeladen werden.
• Für den Fachmann sind bestimmte Modifikationen ersichtlich. Beispielsweise kann die IOMPC 12 so konfiguriert werden, daß sie mehr als ein Optimierungsziel optimiert, und in diesem Fall werden zwei oder mehr Stellgrößen in Abhängigkeit von der Zahl von Optimierungszielen für die Optimierung bezeichnet. Wenn es dabei erwünscht ist, sowohl den Produktdurchsatz als auch die Produktionskosten zu optimieren (d. h. den Durchsatz zu maximieren und die Kosten zu minimieren), werden die Stellgrößen, die für die Optimierung dieser Merkmale genutzt werden (d. h. die Stellgrößen, die auf diese Merkmale den größten Einfluß haben), bezeichnet. Als nächstes wird eine separate Optimierungssteuergröße für jede optimierte Stellgröße zugeordnet, und die IOMPC wird so konfiguriert, daß jede der OMV mit ihrer jeweiligen OCV durch eine Einheitsverstärkung verknüpft ist. Die IOMPC kann so programmiert werden, daß sie die OMVs auf identische Weise oder auf Prioritätsbasis verwaltet. Wenn dabei der Prozeß auf optimale Weise betrieben wird, wobei die OMV bei ihren optimalen Werten aktiv sind, und wenn ein Zukunftswert einer Stellgröße, die von den OMV verschieden ist, seine jeweilige Restriktion überschreitet, kann die IOMPC so programmiert sein, daß sie eine gleichzeitige Abweichung beider OMV von ihren Optimalwerten verursacht. Alternativ können den OMV Prioritäten zugeordnet werden, so daß im Fall einer überschrittenen Restriktion die IOMPC die OMV veranlaßt, von ihren optimalen Werten in einer Reihenfolge, die auf der zugeordneten Priorität basiert, abzuweichen.
• Es versteht sich natürlich, daß die Anzahl der Stellgrößen, die ihre jeweiligen Restriktionsgrenzen erreichen oder überschreiten müssen, damit der Prozeß in den unerwünschten Zustand eintritt, von der Anzahl von Prozeßeingangsgrößen, die dem Prozeß zugeordnet sind, abhängig ist. Insbesondere definiert die Anzahl von Prozeßeingangsgrößen die Freiheitsgrade für ein Prozeßsteuerungssystem, und je größer die Zahl der Freiheitsgrade ist, um so größer ist die Zahl von Stellgrößen, die an oder über ihren jeweiligen Restriktionen wirksam sein können, ohne daß der Prozeß veranlaßt wird, in den unerwünschten Zustand einzutreten. Obwohl also, wie das unter Bezugnahme auf den Prozeß 16 von 2 beschrieben wird, ein unerwünschter Zustand eintritt, wenn zwei oder mehr der Stellgrößen (einschließlich der OMV) ihre jeweiligen Restriktionsgrenzen erreichen oder überschreiten, kann ein Prozeß, der eine größere Zahl von Prozeßeingangsgrößen hat, imstande sein, mit einer größeren Zahl von Stellgrößen bei oder über ihren jeweiligen zu Restriktionsgrenzen arbeiten, ohne daß der Prozeß in den unerwünschten Zustand gelangt.
• Ferner kann die durch die Blöcke 30–44 in 3 dargestellte Methode statt dessen unter Verwendung einer Fuzzylogik-Steuereinheit implementiert werden, um eine integrierte optimale Fuzzylogik-Steuerung auszuführen.
• Es ist ferner zu beachten, daß jede hier beschriebene Software, falls sie implementiert ist, in jedem computerlesbaren Speicher wie etwa auf einer Magnetplatte, einer Laserplatte oder einem anderen Speichermedium, in einem RAM oder Rom eines Rechners oder Prozessors usw. gespeichert werden kann. Ebenso kann diese Software einem Benutzer, einem Prozeßsteuerungssystem oder dem Rechner nach jeder bekannten oder gewünschten Methode zugeführt werden, was beispielsweise eine computerlesbare Platte oder einen anderen transportierbaren Computerspeichermechanismus einschließt, oder über einen Kommunikationskanal wie etwa eine Telefonleitung, das Internet, das World Wide Web, jedes andere lokale Datennetz oder weiträumige Netz usw. (diese Abgabe wird als gleich oder austauschbar mit der Bereitstellung dieser Software über ein transportables Speichermedium angesehen). Ferner kann diese Software direkt ohne Modulation bereitgestellt werden, oder sie kann unter Nutzung jeder geeigneten Modulationsträgerwelle moduliert werden, bevor sie über einen Nachrichtenkanal übertagen wird.
• Ferner ist zu beachten, daß jede Steuerungsroutine oder jedes der Elemente, die hier beschrieben werden, Teile haben kann, die von verschiedenen Steuereinheiten oder anderen Einrichtungen implementiert oder ausgeführt werden, wenn das gewünscht wird. Ebenso können die hier beschriebenen Steuerroutinen oder Elemente, die in dem Prozeßsteuerungssystem 10 zu implementieren sind, jede Form einschließlich Software, Firmware, Hardware usw. haben. Für die Zwecke der Erfindung kann ein Prozeßsteuerungselement jeder Teil oder Bereich eines Prozeßsteuerungssystems sein, was beispielsweise eine Routine, einen Block oder ein Modul umfaßt, die auf irgendeinem computerlesbaren Medium gespeichert sind. Steuerungsroutinen, die Module oder irgendein Teil eines Steuerungsablaufs wie etwa eine Subroutine, Teile einer Subroutine (wie etwa Codezeilen) usw. sein können, können in jedem gewünschten Softwareformat wie etwa unter Verwendung von Leiterlogik, sequentiellen Funktionsdiagrammen, Funktionsblockdiagrammen oder einer anderen Softwareprogrammiersprache oder einem anderen Entwurfsparadigma implementiert sein. Ebenso können die Steuerungsroutinen beispielsweise in einem oder mehreren EPROM, EEPROM, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC) oder irgendwelchen anderen Hardware- oder Firmwareelementen festcodiert sein. Außerdem können die Steuerungsroutinen unter Anwendung irgendwelcher Entwurfswerkzeuge einschließlich graphischer Entwurfswerkzeuge oder irgendwelchen anderen Arten von Software/Hardware/Firmware-Programmier- oder -Entwurfswerkzeugen entworfen werden.

Claims (20)

1. Logikeinrichtung zum Gebrauch bei der Steuerung eines Prozesses, umfassend: – eine Vielzahl von Eingängen (IN1, IN2, IN3) zum Empfangen von Prozeßausgangssignalen (CV1, CV2, AV); – einen weiteren Eingang zur Eingabe einer Steuergröße (OCV), der ein Sollwert (OCV_SP) zugeordnet ist; – eine Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) zur Abgabe von Steuersignalen (MV1, MV2, MV3) für die Steuerung des Prozesses, wobei jeder der Vielzahl von Ausgängen (MV1, MV2, MV3) einen zugehörigen Restriktionsgrenzwert (MV1_CON, MV2_CON, MV3_CON) hat; – einen Rückführungsweg (25), der einen ausgewählten Ausgang der Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) mit dem weiteren Eingang direkt oder über einen Verstärker (23) verbindet; und – eine Logikeinheit (14), die mit den Eingängen (IN1, IN2, IN3) und den Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) verbunden und so konfiguriert ist, dass sie zur Steuerung des Prozesses die Steuersignale (MV1, MV2, MV3) für die Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) unter Nutzung der Vielzahl von Eingängen (IN1, IN2, IN3) und des weiteren Eingangs erzeugt, und so ausgebildet ist, dass sie den ausgewählten Ausgang einstellt, bis der weitere Eingang den zugehörigen Sollwert (OCV_SP) erreicht hat, wobei die Logikeinheit (14) ferner eine Sollwerteinstelleinheit aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie den Sollwert von einer ersten Sollwertvorgabe auf eine zweite Sollwertvorgabe einstellt, wenn einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert (MV1_CON, MV2_CON, MV3_CON) für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten, und wobei die erste Sollwertvorgabe ein Wert ist, der gleich wie der Restriktionsgrenzwert (MV1_CON, MV2_CON, MV3_CON) des ausgewählten Ausgangs ist, und wobei die zweite Sollwertvorgabe ein Wert ist, der in Bezug auf den Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs gelockert ist.
2. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (14) eine Modellvorhersage-Steuereinheit ist.
3. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit (14) eine Fuzzylogik-Steuereinheit ist.
4. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sollwert (OCV_SP) ein Restriktionsgrenzwert für den ausgewählten Ausgang zugeordnet ist.
5. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerteinstelleinheit ferner so ausgebildet ist, dass sie den Sollwert von der zweiten Sollwertvorgabe auf die erste Sollwertvorgabe einstellt, wenn der eine der Ausgänge nicht mehr dabei ist, den diesem Ausgang zugeordneten Restriktionsgrenzwert zu erreichen oder zu überschreiten.
6. Logikeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerteinstelleinheit ferner so ausgebildet ist, dass sie den Sollwert von der zweiten Sollwertvorgabe in einer Serie von schrittweisen Einstellungen auf die erste Sollwertvorgabe einstellt.
7. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Vielzahl von Ausgängen einen zugeordneten Restriktionsgrenzwert hat, und dass die Logikeinheit aufweist: eine Vorhersageeinheit, die so ausgebildet ist, dass sie für jeden der Vielzahl von Ausgängen einen zukünftigen Wert vorhersagt, und eine Vergleichseinheit, die so ausgebildet ist, dass sie den zukünftigen Wert für jeden der Vielzahl von Ausgängen mit dem diesem Ausgang zugeordneten Restriktionsgrenzwert vergleicht, um zu bestimmen, ob irgendeiner der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
8. Logikeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit ferner eine Sollwerteinstelleinheit aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie den Sollwert von einer ersten Sollwertvorgabe auf eine zweite Sollwertvorgabe einstellt, wenn einer der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten, wobei die erste Sollwertvorgabe ein Wert ist, der gleich wie der Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs ist, und wobei die zweite Sollwertvorgabe ein Wert ist, der in bezug auf den Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs gelockert ist.
9. Logikeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerteinstelleinheit ferner so ausgebildet ist, dass sie fortfährt, den Sollwert in einer gelockerten Richtung relativ zu der zweiten Sollwertvorgabe einzustellen, wenn der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, immer noch dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten, wenn der Sollwert die zweite Sollwertvorgabe ist.
10. Logikeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Eingang einen ersten weiteren Eingang aufweist, der zugeordnete Sollwert einen ersten Sollwert aufweist, der Rückführungsweg einen ersten Rückführungsweg aufweist und der ausgewählte Ausgang einen ersten ausgewählten Ausgang aufweist, und dass die Logikeinrichtung ferner einen zweiten weiteren Eingang, der einen zweiten Sollwert hat, und einen zweiten Rückführungsweg aufweist, der einen zweiten ausgewählten Ausgang direkt mit dem zweiten weiteren Eingang verbindet, wobei die Sollwerteinstelleinheit ferner so ausgebildet ist, dass sie den zweiten Sollwert von einer dritten Sollwertvorgabe auf eine vierte Sollwertvorgabe einstellt, wenn der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten, wobei die dritte Sollwertvorgabe der Restriktionsgrenzwert des zweiten ausgewählten Ausgangs ist und die vierte Sollwertvorgabe in Bezug auf den Restriktionsgrenzwert des zweiten ausgewählten Ausgangs gelockert ist.
11. Logikeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sollwert und der zweite Sollwert jeweils eine Prioritätsstufe haben und dass die Sollwerteinstelleinheit ferner so ausgebildet ist, dass sie den ersten Sollwert und den zweiten Sollwert in einer Reihenfolge entsprechend der Prioritätsstufe des ersten Sollwerts und des zweiten Sollwerts einstellt.
12. Logikeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerteinstelleinheit ferner so ausgebildet ist, dass sie den ersten Sollwert und den zweiten Sollwert gleichzeitig einstellt.
13. Logikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungsweg (25) einen Verstärker (23) aufweist.
14. Logikeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (23) eine Einheitsverstärkung hat.
15. Verfahren zur Steuerung eines Prozesses unter Anwendung einer Logikeinrichtung, die eine Vielzahl von Eingängen (IN1, IN2, IN3) hat, die zum Empfangen von Prozeßausgangssignalen (CV1, CV2, AV) ausgebildet sind, und eine Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) hat, die zur Abgabe von Prozeßsteuersignalen (MV1, MV2, MV3) zur Steuerung des Prozesses ausgebildet sind, wobei jeder der Ausgänge (OUT1, OUT2, OUT3) einen zugeordneten Restriktionsgrenzwert (MV1_CON, MV2_CON, MV3_CON) hat, wobei ein ausgewählter der Ausgänge mit einem weiteren Eingang der Logikeinrichtung (14) verbunden ist, wobei die Logikeinrichtung (14) die folgenden Schritte durchführt: Setzen eines Sollwerts (OCV_SP) der dem weiteren Eingang zugeordnet ist, auf eine erste Sollwertvorgabe; Einstellen des ausgewählten Ausgangs, bis der zugeordnete, weitere Eingang die erste Sollwertvorgabe erreicht hat; Errechnen eines zukünftigen Werts für jeden der Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) mit Ausnahme des ausgewählten Ausgangs; Vergleichen des für jeden der Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) mit Ausnahme des ausgewählten Ausgangs errechneten zukünftigen Werts mit dem zugeordneten Restriktionsgrenzwert (MV1_CON, MV2_CON, MV3_CON) für den jeweiligen Ausgang (OUT1, OUT2, OUT3), um zu bestimmen, ob einer der Ausgänge (OUT1, OUT2, OUT3), der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert (MV1_CON, MV2_CON, MV3_CON) für diesen Ausgang (OUT1, OUT2, OUT3) zu erreichen oder zu überschreiten; und Einstellen des Sollwerts (OCV_SP) von der ersten Sollwertvorgabe auf eine zweite Sollwertvorgabe, wenn der Entscheidungsschritt bestimmt, dass einer der Ausgänge (OUT1, OUT2, OUT3), der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert (MV1_CON, MV2_CON, MV3_CON) für diesen Ausgang (OUT1, OUT2, OUT3) zu erreichen oder zu überschreiten; Einstellen des Sollwerts von der zweiten Sollwertvorgabe auf die erste Sollwertvorgabe, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, dass der eine der Ausgänge (OUT1, OUT2, OUT3) nicht mehr dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten; und die erste Sollwertvorgabe gleich wie ein Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs ist und dass die zweite Sollwertvorgabe gleich wie ein Wert ist, der relativ zu dem Restriktionsgrenzwert des ausgewählten Ausgangs gelockert ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner gekennzeichnet durch den Schritt der weiteren Einstellung des Sollwerts in einer Richtung, die relativ zu der zweiten Sollwertvorgabe gelockert ist, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, dass der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, immer noch dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten, wenn der Sollwert auf die zweite Sollwertvorgabe eingestellt ist.
17. Verfahren nach Anspruch 15, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Errechnens der Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) aus der Vielzahl von Eingängen (IN1, IN2, IN3) und dem weiteren Eingang unter Anwendung einer Modellvorhersage-Steuerungstechnik.
18. Verfahren nach Anspruch 15, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Errechnens der Vielzahl von Ausgängen (OUT1, OUT2, OUT3) aus der Vielzahl von Eingängen (IN1, IN2, IN3) und dem weiteren Eingang unter Anwendung einer Fuzzylogik-Steuerungstechnik.
19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der weitere Eingang einen ersten weiteren Eingang aufweist, der zugeordnete Sollwert einen ersten Sollwert aufweist und der ausgewählte Ausgang einen ersten ausgewählten Ausgang aufweist, wobei ein zweiter ausgewählter der Ausgänge mit einem zweiten weiteren Eingang verbunden ist, wobei die Logikeinrichtung (14) zusätzlich die folgenden Schritte durchführt: Setzen eines zweiten Sollwerts, der dem zweiten weiteren Eingang zugeordnet ist, auf eine dritte Sollwertvorgabe; Einstellen des zweiten ausgewählten Ausgangs, bis der zweite weitere Eingang die dritte Sollwertvorgabe erreicht hat; Einstellen des zweiten Sollwerts von der dritten Sollwertvorgabe auf eine vierte Sollwertvorgabe, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, dass der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten; und Einstellen des Sollwerts von der vierten Sollwertvorgabe auf die dritte Sollwertvorgabe, wenn der Vergleichsschritt bestimmt, dass der eine der Ausgänge, der nicht der ausgewählte Ausgang ist, nicht mehr dabei ist, den zugeordneten Restriktionsgrenzwert für diesen Ausgang zu erreichen oder zu überschreiten.
20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Zuordnen einer Prioritätsstufe zu jedem von dem ersten Sollwert und dem zweiten Sollwert, und Durchführen der Einstellungen an jedem von dem ersten Sollwert und dem zweiten Sollwert in einer Reihenfolge entsprechend der Prioritätsstufe, die dem ersten Sollwert und dem zweiten Sollwert zugeordnet ist.

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