Verfahren zur automatischen Steuerung von Herstellungsprozessen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Steu erung von Chargenprozessen mittels einer Prozeßsreuerung be der Automatikprogramme auf ΞinzelablaufSteuerungen zugrei¬ f n.
Chargenprozesse sind Verfahren bei denen nach einer vorgege benen Vorschrift das gewünschte Produkt in einer zeitsequen tiellen Folge von verfahrenstechnischen Teilaufgaben herge¬ stellt wird. Der Ablauf solcher Prozesse kann mi-~els einer automatischen Prozeßsteuerung gesteuert werden. Derartige automatische Prozeßsteuerungen bestehen aus zwei Grunά- blöcken, der Hardware und der Software.
Die Hardware-Komponenten umfassen eine oder mehrere Zentral¬ rechnereinheiten mit internen bzw. externen Speicherein¬ heiten sowie Ein- und Ausgabe-Einheiten, beispielsweise analoge bzw. binäre Ein- und Ausgabekartεn zur Kommunikatio mit den zu steuernden Anlagen; Tastatur, Maus oder Licht¬ griffel zur Bedienung der Prozeßsτieuerung und Bildschirm oder Drucker zur Beobachtung der Prσzeßsteuerung.
Die Software beinhaltet die Rezepturprogramme und/oder allgemeine Verriegelungs- und/oder Ablaufprogramme und die prozeßnahen Software-Komponenten. Die Rezepturprogramme sin die Verfahrensvorschriften mit den Grundoperationen und deren Ablauforganisation zur Herstellung eines Produkts im
zu steuernden Chargenprozeß. Üblicherweise sind solche Re¬ zepturprogramme in Teilrezepturen strukturiert, die die pa¬ rallele oder sequentielle Durchführung von Teilaufgaben in verschiedenen Prozeßeinheiten steuern.
Die Elementarbausteine der Rezepturprogramme oder Teilrezep turen sind die Phasen. Die Phasen-Programme sind struktu¬ riert in den Steuerteil (Ablaufteil) , den Parameterteil und den Kommunikationsteil. Der Steuerteil enthält die Programm elemente für die Schrittfolge der Grundoperationen des Prozesses mit den Angabe der An angsbedingungen, der Verfah rensschritte und ihrer Verknüpfung, der Endbedingungen und die Schrittfolge bei Störungen. Der Parameterteil zur Steu¬ erung eines chemischen Prozesses kann etwa die Einsatzstof und deren Menge, die Normalzeit für einen Prozeßschritt, die Proz ßvariablen (Soll- und. Grenzwerte für Temperatur, Druck etc.) und die zulässigen Bedienungseingriffe umfassen. Der Kommunikationsteil beinhaltet die Programmbestandteile für den Datenaustausch zwischen den Phasen und dem Datenaus¬ tausch mit dem Bediener zur Meldung von Störungen oder des aktuellen Zustandes des Prozesses. Weiter beinhaltet der Kommunikationsteil die Programmelemente zur Ansteuerung der prozeßnahen Software der Einzelsteuerebene, das heißt der Einzelsteuerbausteine, welche beispielsweise die Ansteuerung der Regler, Ventile oder Motoren der Prozeßanlage be¬ werkstelligen.
Bei der prozeßnahen Software, den Bausteinen zur Einzel¬ ansteuerung, handelt es sich um Programme, die von den Ablauf rogrammen (Rezeptur) angesteuert werden und deren Befehle zur Steuerung von einem oder mehreren Operanden (Aktoren) , beispielsweise Regler, Ventile, Motoren, um¬ setzen.
In Figur 1 ist das Prinzip der Prozeßsteuerung eines Char-
genprozesses wie es dem Stand der Technik entspricht darge¬ stellt:
Das Rezepturprogramm zur Steuerung des Gesamtprozesses bein¬ haltet mehrere Teilrezepturen, hier Automatikprogramme ge¬ nannt. Während des Programmverlaufs greifen die Automatik¬ programme direkt auf die Hardware der Anlage zu oder steuern einen oder mehrere Einzelsteuerbausteine zur Ansteuerung oder Verriegelung von Reglern, Ventilen oder Motoren an. Die Einzelsteuerbausteine steuern dabei jeweils einen Aktor im Feld an. Während des Ablaufs der Prozeßsteuerung erfolgen Rückmeldungen über den Zustand der Geräte im Feld an die Einzelsteuerebene bzw. an die Automatikprogramme sowie an das Prozeßbedien/beobachtungssystem.
Im Programmverlauf greifen dabei unter Umständen unter¬ schiedliche Automatikprogramme gleichzeitig auf einen Ξin- zelsteuerbaustein oder auf einen Aktor im Feld zu. Die Häufigkeit solcher gleichzeitigen Ansteuerungen bzw. ihrer Verriegelungen nimmt mit steigender Komplexizität der Soft¬ wareprogramme dramatisch zu. Werden dem Bedienungspersonal bei solch komplexen Programmen nun Störungen im Prozeßablauf gemeldet, beispielsweise "Öffnen eines Ventils ist verrie¬ gelt", läßt sich nicht zweifelsfrei analysieren wo der Feh¬ ler herrührt. Die Störung kann von einem defekten Sensor herrühren, der Fehler kann in der Hardware der Prozeßsteu- erung liegen (Karte defekt, Sicherung gefallen) , es kann sich um einen Programmfehler in der Ablaufkette der Rezep¬ turprogramme handeln, ein Bedienungsfehler kann vorliegen (Ventil steht in Handbedienung) oder die Verriegelung kann durch die Prozeßbedingungen ausgelöst worden sein (Druck im Behälter zu hoch, daher Öffnen des Ventils verriegelt) .
Wenn die Softwareanbindung der Rezepturprogramme an die Hardware nach dem Stand der Technik über eine Einzelsteuer¬ ebene wie in Figur 1 durchgeführt wird, hat das Bedienungs-
personal in der Meßwarte zwar immerhin die Möglichkeit zu unterscheiden ob der Fehler in den Feldgeräten liegt. Wei¬ tergehende Aussagen, ob der Fehler nun in den Auto atikpro- gra men oder in der Hardware liegt, sind jedoch nicht mög¬ lich. Welches aktuell zugreifende Automatikprogramm gerade welche Funktion bewirkt ist nicht ohne weiteres feststell¬ bar. Die Ursachen beispielsweise einer MaschinenschutzVer¬ riegelung, einer verfahrenstechnischen Verriegelung oder einer Ansteuersperre sind nicht zu erkennen. Mit den bisher bekannten Verfahren zur Prozeßsteuerung ist es zwar möglich den Status eines Aktors f stzustellen; wie dieser Status entstanden ist, durch welche Zugriffe welcher Grundfunktio¬ nen der Phasen der ProzeßSteuerung, ist allerdings nicht nachvollziehbar. -
Es bestand daher die Aufgabe ein Verfahren zur automatischen Steuerung von Chargenprozessen, mittels einer Prozeßsteu¬ erung bei der Automatikprogramme auf Einzelablaufsteuerungen zugreifen, zu entwickeln, mittels dessen die aktuellen An- steuerungen auf die Einzelansteuerungen der Aktoren im Feld erkennbar werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur automatischen Steuerung von Chargenprozessen mittels einer Prozeßsteuerung bei der Automatikprogramme auf Einzelsteuerbausteine zu¬ greifen, dadurch gekennzeichnet, daß a) die in den Teilrezepturen oder Phasen des Rezepturpro¬ gramms enthaltenen Steueranweisungen und Parameterdefi¬ nitionen für die Ansteuerung, Verriegelung und Ein¬ schaltsperre von Aktoren im Feld in einer separaten Programmebene gespeichert werden, b) in der separaten Programmebene die Steueranweisungen und Parameterdefinitionen für jeden anzusteuernden Aktor aktorweise zusammengefaßt und gegebenenfalls logisch verknüpft werden, und
c) die aktuell wirksamen Ansteuerungen, Verriegelungen und Einschaltsperren aktorweise an das Prozeßbedien/beobach- tungssystem ausgegeben werden.
Figur 2 zeigt am Beispiel eines Chargenprozesses aus der chemischen Industrie das erfindungsgemäße Prinzip einer Pro¬ zeßsteuerung bei der die Ansteuerung von Reglern und Venti¬ len, die Verriegelung von Ventilen und die Einschaltsperre von Ventilen in einer separaten Programmebene (Zwischen- ebene) gespeichert sind. Die Automatikprogramme greifen nicht direkt auf die Hardware der Anlage oder die prozeßna¬ hen Einzelbausteine zur Ansteuerung bzw. Verriegelung von Aktoren, beispielsweise Reglern oder Ventilen, zu, sondern greifen über die separate Programmebene (Zwischenebene) auf die Einzelbausteine für die Steuerung bzw. Verriegelung der Regler und Ventile zu. Während des Prozeßablaufs erfolgen Rückmeldungen über den Status der Verriegelungen bzw. den Status der Einschaltsperren an die Zwischenebene der Software der Prozeßsteuerung. Der Status der aktuell wirksamen Ansteuerungen und Verriegelungen wird an das Prozeßbedien/beobachtungssystem ausgege-ben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Steueranwei¬ sungen und Parametrierungen für einzelne oder mehrere An¬ steuerungen und/oder Verriegelungen und/oder Einschaltsper¬ ren eines oder mehrerer Aktoren in der genannten Zwischen¬ ebene gespeichert. Vorzugsweise werden die Steueranweisungen und Parametrierungen für alle Ansteuerungen und/oder Verriegelungen und/oder Einschaltsperren aller von der Prozeßsteuerung angesteuerten Aktoren in der genannten Zwischenebene gespeichert. Die Bestandteile der Automatik¬ programme, die erfindungsgemäß in der Zwischenebene gespei¬ chert werden, enthalten keine Anweisungen zur Ablaufsteuer¬ ung. Die aktorenbezogenen Ansteuerungen, Verriegelungen und Einschaltsperren sind jeweils prozeßspezifisch mit "und"-
oder "oder"-Verknüpfung verbunden.
Bei der Ansteuerung von Reglern als Aktoren erfolgt vorzugs¬ weise eine "oder"-Verknüpfung. Der Einzelsteuerbaustein ei¬ nes Reglers wird nur bei eindeutiger Ansteuerung der Zwi¬ schenebene mit einem Sollwert aus der Zwischenebene (Ran¬ gierebene) angesteuert. Ansonsten erfolgt keine Ansteuerung oder eine Ansteuerung mit einem Sicherheits-Sollwert.
Zur Bedienbeobachtung der Prozeßsteuerung können einzelne, mehrere oder alle der vorhandenen Ansteuerungen und/oder Verriegelungen und/oder Einschaltsperren eines Aktors in den Prozeßbedien/beobachtungssystemen dargestellt werden. Die Ansteuerungen, Verriegelungen und/oder Einschaltsperren werden aktorweise (beispielsweise für ein spezielles Ventil) oder aktor-gruppenweise unter Darstellung der logischen Verknüpfungen zwischen den Zuständen der Aktoren im Bedien/- beobachtungssystem dargestellt. Vorzugsweise werden die Ansteuerungen, Verriegelungen und Sperren eines Aktors im Prozeßbedien/beαbachtungssystem zu einem Bild zusammenge¬ faßt. In einer besonders bevorzugten Ausführung können diese Anzeigen noch durch die Anzeige statischer Betriebszustände ergänzt werden. Für ein Ventil wären dies zum Beispiel Angaben über Ventilöffnungs- bzw. -schließzeiten, Betriebs- zustand der automatischen ProzeßSteuerung (aus/ein) , manuelle Sperre (ja/nein) .
Zur übersichtlicheren Visualisierung können die Ansteuer- ungs-, Ver iegelungs- und Einschaltsperren-Zustände mit Klartext belegt werden und die möglichen und aktuell wirksa¬ men Zustände durch Text- oder Farbumschlag unterschieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden am Beispiel eines Ethylenregelventils (VE 1219) demonstriert werden.
welches die Ethylenzufuhr zu einem Reaktor regelt.
Figur 3 zeigt eine Visualisierung des aktuellen Zustands des Ethylenregelventils wie sie mit Prozeßsteuerungssystemen er¬ halten wird, die dem Stand der Technik entsprechen und bei denen die Automatikprogramme direkt die Einzelsteuerbaustei¬ ne ansteuern.
Man erhält folgende Rückmeldungen vom Ausgang der Einzel¬ steuerebene:
STR 1 = Ansteuerung aus Automatikebene RMA 1 = Rückmeldung aus Prozeß - Ventil auf RMZ 0 = Rückmeldung aus Prozeß - Ventil nicht zu
Rückmeldungen vom Eingang der Einzelsteuerebene:
H = 0; A = 1 Ansteuerung aus Automatikprogrammen aktiv
H = 1; A = 0 Ansteuerung aus Handebene aktiv wenn Handebene aktiv, kann gesteuert werden:
AU = l; ZU = 0 Handbedienung AUF
AU = 0; ZU = 1 Handbedienung ZU
Rückmeldungen aus Einzelsteuer-Überwachung zur Störerken¬ nung:
ZUE 0 = Zeitüberwachung nicht angesprochen STOE 0 = Keine Störung SA 0 = Einschaltsperre aus
Man erhält damit nur die Information, daß der Einzelsteuer- baustein des Ethylen-Regelventils durch das Automatikpro¬ gramm angesteuert wird und das Ventil geöffnet ist. Durch welche Grundfunktion des Automatikprogramms das Ventil ange¬ steuert wird und durch welche Verknüpfungen zwischen den Grundfunktionen der verschiedenen Ansteuerungen und Verrie¬ gelungen das Ventil geöffnet wird, ist nicht zu erkennen.
Figur 4 zeigt die erfindungsgemäße Visualisierung der An-
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Steuerungen, Verriegelungen und Einschaltsperren (Schutz aus) des Ethylenregelventils VE 1219 bei Prozeßsteuerung mi der erfindungsgemäßen Verfahrensweise:
Links sind die Bedingungen aufgeführt für die Inaktivierung der Einschaltsperre SA. Die Abkürzungen haben folgende
Bedeutung:
GLRD RUEHRER 1.0. = Gleitringdichtung Rührer ist offen
VE0605 NICHT AUF = Ventil 0605 nicht auf TEMP.REAKTOR = Temperatur im Reaktor < Grenzwert GOS 1249 N. ZU = Rückmeldung Ventil 1249 nicht zu GOS 1244 N. ZU = Rückmeldung Ventil 1244 nicht zu GOS 1243 N. ZU = Rückmeldung Ventil 1243 nicht zu GOS 1248 N. ZU = Rückmeldung Ventil 1248 nicht zu B0DENV.K1 N. ZU = Bodenventil Kl nicht zu VAM-VORL. N. ZU = Zulauf Vinylacetat-Monomer nicht zu WW-GR.MENG.N. ZU = Zulauf Weichwasser nicht zu SP.W.VENT. N. ZU = Spülwasserventil nicht zu PROBENAHME N. ZU = Probenahmehahn nicht zu BERSTSCH. EAKTOR = Berstscheibe nicht gebrochen BERSTSCH. EAKTOR = Berstscheibe nicht gebrochen RUEHRER STEHT = Betriebszustand Rührer VOSA 2 = Übergeordnete Schutzaus-Funktion
Sind diese Bedingungen erfüllt ist die Zustandsanzeige (0,1) dunkel hinterlegt. Die einzelnen Bedingungen sind in der erfindungsgemäßen Zwischenebene mit "oder"-Logik verknüpft, ist eine davon nicht erfüllt wird "Schutz aus" d.h. Ein¬ schaltsperre aktiviert. Diese hat Priorität vor allen Ver- riegelungs- oder Ansteuerbedingungen, sowohl in der Automa¬ tik- als auch in der Handebene (keine Verknüpfung mit diesen Grundfunktionen) .
Im vorliegenden Fall sind alle Bedingungen erfüllt, die Ein¬ schaltsperre ist nicht aktiv.
In der Mitte sind die Bedingungen zur Öffnung der Verriege¬ lung des Ventils aufgeführt. Diese Bedingungen: Einhalten definierter Druckbereiche und Temperaturbereiche sowie ge¬ schlossener Probeentnahmehahn für Latex, sind in der Zwi¬ schenebene "und"-verknüpft, das heißt sie müssen kumulativ erfüllt sein (dunkel hinterlegt) damit keine Verriegelung des Ventils erfolgt.
Die Abkürzungen haben folgende Bedeutung: DR.PUFFER>60BAR = Druckpuffer größer 60 bar DRUCK Kl < 75 BAR = Reaktordruck kleiner 75 bar PROBE LATEX ZU = Probenahmehahn geschlossen Kl TEMP < SOLL+io = Reaktortemperatur < Sollwert -*- 10°C
Rechts sind die Ansteuerungen des Ventils aufgeführt, mit welchen aus Grundfunktionen GF (hier GF1250, GF1361, GF1211) , aus der Motoreinzelsteuerebene ME (hier MΞ1234) oder aus der Ventileinzelsteuerebene VE (hier VE1210, VE1211) das Ventil angesteuert werden kann.
Die Ansteuerungen sind "oder"-verknüpft, das heißt eine An¬ steuerung genügt um das Ventil zu öffnen. Wird das Ventil aus einer Ansteuerung (hier GF1211) angesteuert, ist das Feld (0,1) dunkel hinterlegt.
Der aktuelle Zustand des Ethylenregelventils im vorliegenden Fall ist, wie am rechten Rand erkennbar (Pfeilsymbol, dunkel hinterlegte 0): "geschlossen". Obwohl das Ventil angesteuert wird und die Einschaltsperre nicht aktiviert ist, ist das Ventil aber dennoch nicht geöffnet. Nach den bisher bekannten Verfahren, ohne Zwischenebene, wäre die Ursache dafür erst nach längeren Nachforschungen feststell¬ bar gewesen.
Wie Figur 4 zeigt, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ursache auf einen Blick feststellbar: Eine der "und"- verknüpften Bedingungen zur Öffnung der Verriegelung ist
nicht erfüllt - Probeentnahmehahn ist geöffnet. Da die Ver- riegelungsbedingungen und die Ansteuerungen mit "und"-Logik verknüpft sind, bleibt das Ethylenregelventil trotz Ansteu¬ erung geschlossen, da der Steuerbit der Einzelansteuerung nicht aktiviert wird (Anzeige SZU dunkel hinterlegt) .
Figur 5 zeigt wiederum die Visualisierung des Zustands der in der Zwischenebene wirksamen Programmteile der Prozeßsteu¬ erung. Wie in Figur 4 ist auch hier das Ethylenregelventil geschlossen obwohl es durch die Grundfunktion GF1211 ange¬ steuert wird. Im Gegensatz zu Figur 4 sind hier jedoch alle Bedingungen zur Inaktivierung der Verriegelungen erfüllt. Die "undπ-Logik zwischen Verriegelungsblock und Ansteuer- block setzt den Steuerbit für die Ξinzelansteuerung des Ventils auf "SAUF". Ursache für das Nichtöffnen ist hier, daß eine der Bedingungen zur Inaktivierung der Einschalt¬ sperre nicht erfüllt ist: das Bodenventil Kl ist geöffnet. Da damit im Schutzaus-Block, in dem die Bedingungen mit 11oder"-Logik verknüpft sind, eine der Bedingungen nicht erfüllt ist, kann das Ventil weder im Automatik-Modus noch mit Handbedienung angesteuert werden.
In Figur 5 sind auch noch Zusatzinformationen zu den stati¬ schen Zuständen des Ventils visualisiert: Hardware-Verriege¬ lung, Ventilöffnungs- und schließzeiten, Sicherheitsstel¬ lung, Betriebszustand der Automatikst uerung. Die Bedeutung der Abkürzungen ist folgende: HW-VERR : KEINE = keine Hardware-Verriegelung VE TAUF : 7 SEC = Ventil-Einzelsteuerung Zeit auf VE TZU : 3 SEC = Ventil-Einzelsteuerung Zeit zu SICHERHEITSSTELLUNG : ZU = Ventil in Sicherheitsstellung verriegelt AS-BETRIEB : AUTO = Automatisierungsprogramm läuft AUSGANG AS-AUSFALL.-SPEICHERND = bei Ausfall des Automati¬ sierungsprogramms werden die zuletzt ausgeführten Funktionen
weiter ausgeführt
Figur 6, 7 und 8 zeigen die in Figur 4 in ihrer logischen Verknüpfung dargestellten Blöcke der Einschaltsperrren (Fig.6) , der Verriegelungen (Fig.7) und der Ansteuerungen (Fig.8) in Einzeldarstellung am Prozeßbedien- und beobachtungssystem.
Figur 9 und Figur 10 zeigen die Ansteuerung des Reglers RAN1100 über die Rangierebene (Zwischenebene) R1100. Die Zwischenebene kann mit Sollwerten aus verschiedenen Grundfunktionen (hier GF1191, GF1182, GF1130) , Regelfunktio¬ nen (hier R-1101) und einem Sicherheits-Sollwert über verschiedene Eingänge (hier ANAO bis ANA8) angesteuert werden.
In Figur 9 wird aus der Grundfunktion GF1191 mit einem Sollwert angesteuert und der Sollwert wird auf den Ausgang durchrangiert - die Regelgröße wird eingestellt. In Figur 10 erfolgt keine Freigabe aus der Zwischenebene, sondern es wird der Sicherheits-Sollwert ausgegeben. Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sind die Ursachen für diesen Freigabe-Fehler erkennbar: Die Zwischenebene wird nicht mit einem eindeutigen Regelwert angesteuert, sondern über zwei verschiedene Grundfunktionen GF1191 bzw. GF1130 mit zwei unterschiedlichen Sollwerten.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen da¬ rin, daß die bisher in unterschiedlichen Automatikprogrammen enthaltenen Ansteuerungen, Verriegelungen und Einschaltsper¬ ren jetzt aktorbezogen in einer separaten Programmebene (Zwischenebene) gespeichert und visualisiert werden. Durch die Einführung und Normierung der Zwischenebene zum Beispiel bei Ventilen und Motoren in Ansteuer- (ANST) , Verriegelungs- (VER) und Einschaltsperren-Ebene (SA) und bei Sollwertauf- Schaltungen auf Regler in Rangierebene (RAN) wurde eine
weitgehende Ent aschung der Automatikprogramme erreicht. Weiter werden die Automatikprogramme durch diese Auslagerun von belastender Nebensoftware befreit und damit zwangsweise übersichtlicher, was sich positiv auf die Qualitätssicherun der Automatikprogramme auswirkt.
Die konsequente Visualisierung dieser normierten Zwischen¬ ebene wirkt für das Bedienungspersonal der Prozeßsteuerung wie ein Fenster in die Automatikprogramme und zeigt ihm für die einzelnen Aktoren die dynamischen Zustände (aktuell wirksame Ansteuerungen, Verriegelungen und Einschaltsperren und auch die statischen Zustände (Sicherheitsstellung, Öffnungs- und Schließzeiten) . Damit werden eindeutige Aussa gen über Störungen und deren Ursachen möglich, welche unum¬ gänglich für die Störungsbeseitigung und entscheidende Faktoren für die Sicherheit, Verfügbarkeit und Wirtschaft¬ lichkeit einer Anlage sind.