WO2009106095A1 - Control device for a process engineering installation - Google Patents
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- WO2009106095A1 WO2009106095A1 PCT/EP2008/001546 EP2008001546W WO2009106095A1 WO 2009106095 A1 WO2009106095 A1 WO 2009106095A1 EP 2008001546 W EP2008001546 W EP 2008001546W WO 2009106095 A1 WO2009106095 A1 WO 2009106095A1
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- G05B21/00—Systems involving sampling of the variable controlled
- G05B21/02—Systems involving sampling of the variable controlled electric
Definitions
- the invention relates to a control device for a process plant with at least one transmitter for detecting a physical or chemical quantity of a process and with a controller according to the preamble of claim 1.
- transducers for determining physical or chemical properties of the process medium are usually used, which must be fastened by means of expensive flanges or bushings on media-carrying containers or pipes.
- this has the disadvantage that with a transmitter only the prevailing at the installation of the transmitter media properties can be determined.
- a multitude of transmitters is required, which must be installed in each case at the locations at which measured values are to be recorded.
- this procedure is very expensive.
- a control system for process engineering equipment which has sensors and actuators that float in the medium movable.
- the sensors described there are also transducers that serve to detect a physical or chemical size of the medium.
- a location-dependent detection of a physical or chemical size of the medium is possible and processes in which the process medium is not homogeneously mixed, for example, or in which locally different process conditions occur, can be better managed, so that ultimately achieves an increase in the quality of the products produced becomes.
- the well-known transmitter is wireless and works energy self-sufficient. To supply it with the energy required for operation, it is provided with an energy store. Because of the energy consumption associated with the determination of measurements and their wireless data transmission, the energy storage device must be frequently changed or, in the case of a loadable memory, recharged. This is associated with a high maintenance or the service life of the transmitter are limited.
- transducers which are firmly mounted in a process engineering system, but are not constantly fed, for example via a cable with the required auxiliary power and thus also need their own energy storage.
- wireless transducers it is therefore desirable to minimize energy consumption in order, for example, to lengthen the maintenance cycles for battery replacement or to enable the technical feasibility of certain innovative energy supply concepts which can only provide low power.
- Control loops for process variables usually work with a constant cycle time.
- a discrete-time control also called digital control or sampling control, be
- Control variable and target size sampled in fixed, uniform time intervals and converted into digital numerical values, so quantized. Therefore, the transmission of readings from the transmitter to the controller is tied to a fixed cycle that monitors transmitters with wireless data transmission that are suitable for control purposes, or that have a network-wide clock or clock synchronization.
- the invention has for its object to provide a control device for a process engineering plant and a method for operating such a control device, by which a lower power consumption of transducers is made possible.
- the new control device for a process engineering plant of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features.
- Advantageous further developments, a method for operating such a control device, a computer program and a computer program product for carrying out the method are described in the further claims.
- the design of the controller in which, for example, the time constants readjustment time and derivative time of a PID controller are adapted to the time constants of the controlled system, as hitherto done guasi continuously.
- the conversion of the time constants designed for a continuously operating controller into a discrete-time, digital algorithm, to which the Laplace transfer function is usually converted to the Z transfer function or to a difference equation, takes into account a variable duration of the sampling intervals carried out.
- the manipulated variable which the controller outputs to an actuator for influencing the process is therefore not only dependent on setpoints and measured values determined on the process but also on the duration of the last sampling interval and possibly also on further past sampling intervals.
- the dependence on the respective duration of the last sampling interval can consist, for example, in an adjustment of the control algorithm, for example by simple recalculation of at least a part of the coefficients in a difference equation, into which, for example, in a PID controller the ratio of readjustment time can be included in the sampling interval, after receiving the last transmitted reading.
- a manipulated variable calculated with the adjusted control algorithm can then be kept constant until the next measured value of the transmitter is received by the controller.
- a control device is thus obtained which does not require a constant cycle time in the measured value acquisition and thus manages without a clock available throughout the network. An equidistant sampling of process variables is no longer required.
- a design of the controller in such a way that it recalculates a control value on receipt of the second measured value and outputs this, has the advantage that only one control value is transmitted in each sampling interval and the control effort, for example, the energy consumption and wear of a valve as an actuator , reduced accordingly.
- an incremental algorithm as a control algorithm for determining the manipulated value, in which a new control value is equal to the increased increment by a calculated increment, has the advantage that no information from further scanning with lengths of the sampling intervals is required to calculate this increment - are those that may differ from the last sampling interval.
- a continuous controller determined in the design is transformed into a discrete-time controller according to the trapezoidal rule, comparatively many past values must be included and it is necessary to take into account the duration of the various sampling intervals between these historical values.
- Such a control algorithm would therefore be associated with a considerably greater amount of computation, so that in this context the use of an incremental algorithm is recommended.
- the threshold value the changes of currently determined measured values compared to the last transmitted measuring must be exceeded, so that a new measured value is sent, depending on a predetermined control target, depending on predetermined process parameters and / or determined and predetermined depending on a predetermined average number of transmissions of the transmitter per unit time.
- the dimensioning of the threshold value can in fact be regarded as the solution to an optimization problem in which the goal of minimizing the communication effort under the secondary condition of compliance with specific control objectives, such as limiting the variance of the controlled variable or the maximum control deviation, is achieved as well as possible.
- the optimization-based design ensures that the various, sometimes even conflicting, functional objectives for the control loop system are coordinated.
- the transfer function of the process which represents the controlled system in the control loop, is not known in advance, but must first be identified in a phase of process identification on the basis of measured data, it is advantageously possible to determine measured values in fixed modes in a special operating mode of the transmitters To send uniform time intervals, so that the process identification can be performed with the already known for discrete-time arrangements of conventional type known method.
- the method for operating a control device is preferably implemented in software or in a combination of soft / hardware, so that the invention also relates to a computer program with computer-executable program code instructions for implementing the method.
- the invention also relates to a computer program product, in particular a data carrier or a storage medium, with such a computer program that can be executed by a computer.
- Such a computer program is preferably part of a software function block in the CPU of a process control system or is kept in a memory of the process control system or can be loaded into this memory. so that during operation, the process control system automatically performs a control according to the method for operating the control device.
- the figure shows a schematic representation of a batch reactor with control device.
- a batch reactor 1 to which a process medium 3 can be supplied through an inlet 2 and can be removed again by a drain 4 after completion of a desired reaction, is provided with a device for temperature control.
- a device for temperature control For better mixing of the process medium 3, an agitator 13 is provided in the reactor 1.
- a heating means For heating the process medium 3 is a jacket 5 of the reactor 1, in which a heating means can be introduced through an inlet 6, which flows out through a drain 7 again. The inflow amount of
- Heating means is adjustable with a valve 8.
- the setting of the valve 8 is determined by a control value y, which determines a controller from a controlled variable x and a predetermined setpoint w.
- the controller includes a comparator 9, which determines a control difference e from the desired value w and the control variable x, and a controller core 10, which calculates the control value y from the control difference e.
- An energy-autonomous transmitter 11 floats in the reactor 1, detects the temperature in the process medium 3 as a process variable, determines corresponding measured values and transmits them wirelessly via an antenna.
- the transmission signals are received by a receiver 12 outside of the reactor 1, which also has an antenna, so that values of the temperature are available as controlled variable x for the controller.
- the wireless data transmission between the transmitter 11 and the receiver 12 can take place, for example, via Industrial WLAN, ZigBee, Bluetooth or other radio networks.
- the receiver 12 is, for example, for example, this is an access point
- valve 8 is an electro-pneumatic control valve
- the other components of the control unit are software function blocks which are loaded into a process control system for implementing the control device.
- the transmitter 11 delivers values of the temperature in chronologically equidistant cycles and sends them to the receiver 12.
- a heating experiment is performed for the process identification, that is to say for determining the parameters of a suitable process model, in which the manipulated variable y is set to its maximum value and with the aid of the transmitter 11, the resulting heating curve is determined.
- the transfer function of the temperature control path and a suitable time-continuous controller are designed in a known manner. The time-continuous controller obtained in this way is then converted into an incremental control algorithm of a discrete-time variable-time controller.
- a threshold is set, for example, 0.5 0 C, which determines at which changes in temperature during normal operation by the transmitter 11 again measured values should be transmitted. This measure serves to reduce the frequency of transmission of transmissions over the wireless network, thus minimizing the power consumption of the transmitter 11 and making better use of the available bandwidth of the wireless network.
- the transmitter sends new measured values of the temperature of the process medium 3 only if they deviate by more than 0.5 0 C from the last transmitted measured value.
- the controller Each time a new measured value is received by the controller with the aid of the receiver 12, the measured value corresponding to the controlled variable x in the control device, the manipulated variable y becomes dependent on itself recalculated resulting control difference e and the duration of the last sampling interval, which is taken into account in the control algorithm as a variable size. Subsequently, the position of the valve 8 is kept constant until a new measured value is received. This also reduces the energy consumption of the valve 8 as an actuator and its wear.
- the invention has been described with reference to an embodiment with only one transmitter 11 and only one access point 12.
- a large number of wirelessly communicating transducers, actuators or actuators, regulators and the like are combined in a sensor network.
- the subscribers communicate with each other wirelessly and messages can contain a time stamp which, for example, indicates the time of the measured value acquisition or the time of the manipulated variable calculation. If all subscribers were to transmit constantly in a common clock as before, for example a message every 10 ms for each subscriber, the available bandwidth of the communication network would already be exhausted with relatively few subscribers. In addition, the clock would have to be distributed extensively over the network.
- transducers and controllers are designed to discretely respond to changes in the measured physical or chemical quantities, messages with new measured values are only sent if events have changed. It becomes clear from these statements that the new control method has a particularly advantageous effect on the utilization of the available bandwidth of the communication network.
Abstract
The invention relates to a control device for a process engineering installation and to a method for operating such a control device, with at least one measuring transducer (11) which is intended to record a physical or chemical variable, compares a currently determined measured value with a first measured value transmitted last and transmits the currently determined measured value as a second measured value during normal operation only when the difference determined during the comparison exceeds a predefined threshold value. A controller (9, 10) determines the respective duration of the sampling interval between the first measured value and the second measured value and determines the control value (y) on the basis of this duration. The number of wireless measured value transmitting operations of the measuring transducer 11, and thus the energy consumption of the latter, is reduced as a result of the variable sampling intervals of the time-discrete control. As a result, there is a less frequent need to change the energy store thereof, and better use is made of the available bandwidth of a communication network.
Description
Beschreibungdescription
Regeleinrichtung für eine prozesstechnische AnlageControl device for a process engineering plant
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für eine prozesstechnische Anlage mit zumindest einem Messumformer zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Prozesses und mit einem Regler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a control device for a process plant with at least one transmitter for detecting a physical or chemical quantity of a process and with a controller according to the preamble of claim 1.
In prozesstechnischen Anlagen der chemischen, pharmazeutischen, biochemischen oder lebensmitteltechnischen Industrie werden meist Messumformer zur Bestimmung physikalischer oder chemischer Eigenschaften des Prozessmediums verwendet, die mittels aufwendiger Flansche oder Durchführungen an medienführenden Behältern oder Rohren befestigt werden müssen. Das hat jedoch den Nachteil, dass mit einem Messumformer lediglich die am Einbauort des Messumformers vorherrschenden Medieneigenschaften bestimmt werden können. Für eine ortsabhän- gige Erfassung der Eigenschaften des Mediums ist eine Vielzahl von Messumformern erforderlich, die jeweils an den Orten eingebaut werden müssen, an denen Messwerte zu erfassen sind. Diese Vorgehensweise ist jedoch sehr aufwendig.In process engineering plants of the chemical, pharmaceutical, biochemical or food-processing industry, transducers for determining physical or chemical properties of the process medium are usually used, which must be fastened by means of expensive flanges or bushings on media-carrying containers or pipes. However, this has the disadvantage that with a transmitter only the prevailing at the installation of the transmitter media properties can be determined. For location-dependent recording of the properties of the medium, a multitude of transmitters is required, which must be installed in each case at the locations at which measured values are to be recorded. However, this procedure is very expensive.
Aus der WO 2007/061306 Al ist ein Steuerungssystem für prozesstechnische Anlagen bekannt, das Sensoren und Aktuatoren aufweist, die im Medium beweglich schwimmen. Die dort beschriebenen Sensoren sind ebenfalls Messumformer, die zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe des Medi- ums dienen. Dadurch ist eine ortsabhängige Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe des Mediums möglich und Prozesse, in welchen das Prozessmedium beispielsweise nicht homogen durchmischt ist, oder in welchen örtlich unterschiedliche Prozessbedingungen auftreten, können besser geführt werden, so dass schließlich eine Steigerung der Qualität der erzeugten Produkte erzielt wird.
Der bekannte Messumformer ist kabellos und arbeitet energieautark. Zu seiner Versorgung mit der zum Betrieb erforderlichen Energie ist er mit einem Energiespeicher versehen. Wegen des mit der Bestimmung von Messwerten und ihrer drahtlosen Datenübertragung verbundenen Energieverbrauchs muss der Energiespeicher häufig gewechselt oder im Falle eines ladbaren Speichers nachgeladen werden. Dies ist mit einem hohen Wartungsaufwand verbunden bzw. die Einsatzzeiten des Messumformers werden begrenzt.From WO 2007/061306 Al a control system for process engineering equipment is known which has sensors and actuators that float in the medium movable. The sensors described there are also transducers that serve to detect a physical or chemical size of the medium. As a result, a location-dependent detection of a physical or chemical size of the medium is possible and processes in which the process medium is not homogeneously mixed, for example, or in which locally different process conditions occur, can be better managed, so that ultimately achieves an increase in the quality of the products produced becomes. The well-known transmitter is wireless and works energy self-sufficient. To supply it with the energy required for operation, it is provided with an energy store. Because of the energy consumption associated with the determination of measurements and their wireless data transmission, the energy storage device must be frequently changed or, in the case of a loadable memory, recharged. This is associated with a high maintenance or the service life of the transmitter are limited.
Dasselbe Problem tritt auch bei Messumformern auf, die in einer prozesstechnischen Anlage zwar fest montiert sind, jedoch nicht ständig beispielsweise über ein Kabel mit der erforderlichen Hilfsenergie gespeist werden und somit ebenfalls einen eigenen Energiespeicher benötigen. Insbesondere bei drahtlosen Messumformern ist somit eine Minimierung des Energieverbrauchs anzustreben, um beispielsweise die Wartungszyklen für den Batteriewechsel zu verlängern oder die technische Realisierbarkeit bestimmter innovativer Energieversorgungskon- zepte überhaupt erst zu ermöglichen, die lediglich eine geringe Leistung zur Verfügung stellen können.The same problem also occurs with transducers, which are firmly mounted in a process engineering system, but are not constantly fed, for example via a cable with the required auxiliary power and thus also need their own energy storage. In the case of wireless transducers in particular, it is therefore desirable to minimize energy consumption in order, for example, to lengthen the maintenance cycles for battery replacement or to enable the technical feasibility of certain innovative energy supply concepts which can only provide low power.
Regelkreise für Prozessgrößen arbeiten üblicherweise mit einer konstanten Zykluszeit. In einer zeitdiskreten Regelung, auch digitale Regelung oder Abtastregelung genannt, werdenControl loops for process variables usually work with a constant cycle time. In a discrete-time control, also called digital control or sampling control, be
Regelgröße und Sollgröße in festen, gleichmäßigen Zeitabständen abgetastet und in digitale Zahlenwerte umgewandelt, also quantisiert. Daher ist auch die Übertragung der Messwerte vom Messumformer zum Regler an einen festen Zyklus gebunden, zu dessen Einhaltung Messumformer mit drahtloser Datenübertragung, die für Regelungszwecke geeignet sind, einen netzwerkweit verfügbaren Takt oder eine Taktsynchronisation besitzen.Control variable and target size sampled in fixed, uniform time intervals and converted into digital numerical values, so quantized. Therefore, the transmission of readings from the transmitter to the controller is tied to a fixed cycle that monitors transmitters with wireless data transmission that are suitable for control purposes, or that have a network-wide clock or clock synchronization.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrich- tung für eine prozesstechnische Anlage und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Regeleinrichtung zu schaffen, durch welche ein geringerer Energieverbrauch von Messumformern ermöglicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Regeleinrichtung für eine prozesstechnische Anlage der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den weiteren Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbil- düngen, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Regeleinrichtung, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.The invention has for its object to provide a control device for a process engineering plant and a method for operating such a control device, by which a lower power consumption of transducers is made possible. To solve this problem, the new control device for a process engineering plant of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features. Advantageous further developments, a method for operating such a control device, a computer program and a computer program product for carrying out the method are described in the further claims.
Im Messumformer werden Messwerte der physikalischen oder che- mischen Größe des Prozesses zwar vergleichsweise häufig, beispielsweise in einem konstanten Zyklus, gemessen, aber die energieintensive Übertragung durch drahtloses Senden erfolgt nur, wenn sich der Messwert seit der letzten Übertragung um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert geändert hat. Damit empfängt der Regler Messwerte des Messumformers in einem nicht konstanten, nicht deterministischen Zeitabstand. In vorteilhafter Weise kann der Entwurf des Reglers, bei welchem beispielsweise die Zeitkonstanten Nachstellzeit und Vorhaltzeit eines PID-Reglers an die Zeitkonstanten der Regelstrecke angepasst werden, wie bisher guasi kontinuierlich erfolgen. Die Umrechnung der für einen kontinuierlich arbeitenden Regler im Entwurf bestimmten Zeitkonstanten in einen zeitdiskreten, digitalen Algorithmus, zu welcher üblicherweise eine Umsetzung der Laplace-Übertragungsfunktion auf die Z-Übertra- gungsfunktion oder auf eine Differenzengleichung vorgenommen wird, wird unter Berücksichtigung einer variablen Dauer der Abtastintervalle durchgeführt. Der Stellwert, welchen der Regler an ein Stellglied zur Beeinflussung des Prozesses ausgibt, ist daher nicht nur von Sollwerten und am Prozess er- mittelten Messwerten abhängig sondern auch von der jeweiligen Dauer des letzten Abtastintervalls und eventuell auch weiter zurückliegender Abtastintervalle. Die Abhängigkeit von der jeweiligen Dauer des letzten Abtastintervalls kann beispielsweise darin bestehen, dass bei einer Berechnung eines Stell- werts eine Anpassung des Regelalgorithmus beispielsweise durch einfache Neuberechnung zumindest eines Teils der Koeffizienten in einer Differenzengleichung, in welche zum Beispiel bei einem PID-Regler das Verhältnis von Nachstellzeit
zur Dauer des Abtastintervalls einbezogen werden kann, nach dem Empfang des zuletzt gesendeten Messwerts vorgenommen wird. Ein mit dem angepassten Regelalgorithmus berechneter Stellwert kann danach konstant gehalten werden, bis durch den Regler der nächste Messwert des Messumformers empfangen wird. In vorteilhafter Weise wird somit eine Regeleinrichtung erhalten, die keine konstante Zykluszeit bei der Messwerterfassung benötigt und somit ohne einen netzwerkweit verfügbaren Takt auskommt. Eine äquidistante Abtastung von Prozessvariab- len ist nicht mehr erforderlich.In the transmitter, measurements of the physical or chemical size of the process are relatively frequently measured, for example, in a constant cycle, but the energy-intensive transmission by wireless transmission occurs only if the measured value has changed by more than a predetermined threshold since the last transmission Has. This gives the controller measurements from the transmitter in a non-constant, non-deterministic time interval. Advantageously, the design of the controller, in which, for example, the time constants readjustment time and derivative time of a PID controller are adapted to the time constants of the controlled system, as hitherto done guasi continuously. The conversion of the time constants designed for a continuously operating controller into a discrete-time, digital algorithm, to which the Laplace transfer function is usually converted to the Z transfer function or to a difference equation, takes into account a variable duration of the sampling intervals carried out. The manipulated variable which the controller outputs to an actuator for influencing the process is therefore not only dependent on setpoints and measured values determined on the process but also on the duration of the last sampling interval and possibly also on further past sampling intervals. The dependence on the respective duration of the last sampling interval can consist, for example, in an adjustment of the control algorithm, for example by simple recalculation of at least a part of the coefficients in a difference equation, into which, for example, in a PID controller the ratio of readjustment time can be included in the sampling interval, after receiving the last transmitted reading. A manipulated variable calculated with the adjusted control algorithm can then be kept constant until the next measured value of the transmitter is received by the controller. Advantageously, a control device is thus obtained which does not require a constant cycle time in the measured value acquisition and thus manages without a clock available throughout the network. An equidistant sampling of process variables is no longer required.
Wenn Messwerte durch Messumformer nur noch dann drahtlos übertragen werden, falls eine deutliche Veränderung aufgetreten ist, wird der Energieverbrauch der Messumformer deutlich gesenkt, insbesondere wenn sich der Prozess in einem stationären Zustand befindet. Dieser Vorteil ist jedoch nicht mit einem allzu großen Nachteil der Regelgüte bei dynamischen Übergangsvorgängen verbunden, da in solchen Fällen Messwerte wesentlich häufiger gesendet werden und ein mit der Regelein- richtung realisierter Regelkreis somit beherrschbar bleibt.Transmitting measured values wirelessly only if there is a significant change in the transmitter's power consumption is significantly reduced, especially if the process is in a steady state condition. However, this advantage is not associated with too great a disadvantage of the control quality in the case of dynamic transient processes, since in such cases measured values are sent much more frequently and thus a control loop realized with the control device remains manageable.
In größeren Sensornetzwerken, in welchen eine Vielzahl von Messumformern zur drahtlosen Kommunikation miteinander vernetzt sind, ist von besonderem Vorteil, dass sich das Volumen der Datenkommunikation aufgrund der änderungsabhängigen Übertragung neuer Messwerte gegenüber einer Übertragung in festen Zyklen erheblich verringert, so dass für die Übertragung von Messwerten bei gleicher Anzahl von Kommunikationsteilnehmern eine geringere Bandbreite des drahtlosen Kommunikationsnetz- werks benötigt wird oder so dass in einem Netzwerk mit beschränkter Bandbreite mehr Kommunikationsteilnehmer zugelassen werden können. Da zudem kein netzwerkweit verfügbarer Takt mehr erforderlich ist, entfällt die bisher zur Taktsynchronisation erforderliche Kommunikation über das Netzwerk, wodurch ebenfalls Bandbreite der Übertragungskapazität eingespart werden kann.
Durch die Neuberechnung der Parameter eines zeitdiskreten Reglers bei Veränderung der Dauer des Abtastintervalls kann ein nahezu zeitinvariantes dynamisches Verhalten des Reglers erreicht werden, obwohl in der zeitdiskreten Regelung Abtast- werte nicht in festen, gleichmäßigen Zeitabständen an den Regler gegeben werden. Im Unterschied zur bisherigen, taktsynchronen und quasikontinuierlichen Regelung wird nun eine ereignisdiskrete Regelung erhalten, die bei geeignetem Entwurf in der Lage ist, weiterhin die Aufgaben einer kontinu- ierlichen Regelung hinreichend gut zu erfüllen.In larger sensor networks, in which a plurality of transducers for wireless communication are networked together, is of particular advantage that the volume of data communication due to the change-dependent transmission of new measured values compared to a transmission in fixed cycles significantly reduced, so that for the transmission of measured values With the same number of communication subscribers, a smaller bandwidth of the wireless communication network is required or so that more communication subscribers can be admitted in a network with limited bandwidth. In addition, since no more network-wide available clock is required, eliminates the previously required for clock synchronization communication over the network, which also bandwidth of the transmission capacity can be saved. By recalculating the parameters of a discrete-time controller when changing the duration of the sampling interval, a nearly time-invariant dynamic behavior of the controller can be achieved, although in discrete-time control sampling values are not given to the controller at fixed, uniform time intervals. In contrast to the previous isochronous and quasi-continuous control, an event-discrete control is now obtained which, with a suitable design, is able to continue to perform the tasks of a continuous control sufficiently well.
Eine Ausbildung des Reglers derart, dass er bei Empfang des zweiten Messwerts einen Stellwert neu berechnet und diesen ausgibt, hat den Vorteil, dass in jedem Abtastintervall nur ein Stellwert übertragen wird und sich der Stellaufwand, zum Beispiel der Energieverbrauch und der Verschleiß eines Ventils als Stellglied, entsprechend verringert.A design of the controller in such a way that it recalculates a control value on receipt of the second measured value and outputs this, has the advantage that only one control value is transmitted in each sampling interval and the control effort, for example, the energy consumption and wear of a valve as an actuator , reduced accordingly.
Die Verwendung eines inkrementellen Algorithmus als Regelal- gorithmus zur Bestimmung des Stellwerts, bei welchem ein neuer Stellwert gleich dem um ein berechnetes Inkrement erhöhten früheren Stellwert ist, hat den Vorteil, dass zur Berechnung dieses Inkrements keine Informationen aus weiter zurückliegenden Abtastvorgängen mit Längen der Abtastintervalle erfor- derlich sind, die von dem letzten Abtastintervall abweichen können. Wird alternativ dazu ein im Entwurf ermittelter, kontinuierlicher Regler nach der Trapezregel in einen zeitdiskreten Regler umgeformt, so müssen vergleichsweise viele Vergangenheitswerte einbezogen werden und es ist eine Berück- sichtigung der Dauer der verschiedenen Abtastintervalle zwischen diesen Vergangenheitswerten erforderlich. Ein derartiger Regelalgorithmus wäre daher mit einem erheblich größeren Rechenaufwand verbunden, so dass sich in diesem Zusammenhang der Einsatz eines inkrementellen Algorithmus empfiehlt.The use of an incremental algorithm as a control algorithm for determining the manipulated value, in which a new control value is equal to the increased increment by a calculated increment, has the advantage that no information from further scanning with lengths of the sampling intervals is required to calculate this increment - are those that may differ from the last sampling interval. Alternatively, if a continuous controller determined in the design is transformed into a discrete-time controller according to the trapezoidal rule, comparatively many past values must be included and it is necessary to take into account the duration of the various sampling intervals between these historical values. Such a control algorithm would therefore be associated with a considerably greater amount of computation, so that in this context the use of an incremental algorithm is recommended.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Regeleinrichtung, bei welcher der Schwellwert, den Änderungen aktuell bestimmter Messwerte gegenüber dem zuletzt gesendeten Mess-
wert übersteigen müssen, damit ein neuer Messwert gesendet wird, in Abhängigkeit eines vorbestimmten Regelungsziels, in Abhängigkeit von vorbestimmten Prozessparametern und/oder in Abhängigkeit von einer vorgegebenen durchschnittlichen Zahl von Sendevorgängen des Messumformers pro Zeiteinheit bestimmt und vorgegeben ist. Die Dimensionierung des Schwellwerts kann nämlich als Lösung eines Optimierungsproblems angesehen werden, in welchem das Ziel der Minimierung des Kommunikations- aufwands unter der Nebenbedingung der Einhaltung spezifischer Regelungsziele, wie beispielsweise eine Begrenzung der Varianz der Regelgröße oder der maximalen Regelabweichung, möglichst gut erreicht wird. Durch den optimierungsbasierten Entwurf kann sichergestellt werden, dass die verschiedenen, sich manchmal sogar widersprechenden funktionalen Ziele für das Gesamtsystem Regelkreis koordiniert erfüllt werden.Particularly advantageous is an embodiment of the control device, in which the threshold value, the changes of currently determined measured values compared to the last transmitted measuring must be exceeded, so that a new measured value is sent, depending on a predetermined control target, depending on predetermined process parameters and / or determined and predetermined depending on a predetermined average number of transmissions of the transmitter per unit time. The dimensioning of the threshold value can in fact be regarded as the solution to an optimization problem in which the goal of minimizing the communication effort under the secondary condition of compliance with specific control objectives, such as limiting the variance of the controlled variable or the maximum control deviation, is achieved as well as possible. The optimization-based design ensures that the various, sometimes even conflicting, functional objectives for the control loop system are coordinated.
Falls die Übertragungsfunktion des Prozesses, welcher im Regelkreis die Regelstrecke darstellt, nicht im Voraus bekannt ist, sondern in einer Phase der Prozessidentifikation zu- nächst anhand von Messdaten identifiziert werden muss, ist es in vorteilhafter Weise möglich, in einer Sonderbetriebsart der Messumformer Messwerte in festen, gleichmäßigen Zeitabständen zu senden, so dass die Prozessidentifikation mit den bereits für zeitdiskrete Regelungen herkömmlicher Art bekann- ten Verfahren durchgeführt werden kann.If the transfer function of the process, which represents the controlled system in the control loop, is not known in advance, but must first be identified in a phase of process identification on the basis of measured data, it is advantageously possible to determine measured values in fixed modes in a special operating mode of the transmitters To send uniform time intervals, so that the process identification can be performed with the already known for discrete-time arrangements of conventional type known method.
Das Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung ist bevorzugt in Software oder in einer Kombination Soft/Hardware implementiert, so dass die Erfindung auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens betrifft. In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren derartigen Compu- terprogramm. Ein solches Computerprogramm ist bevorzugt Bestandteil eines Softwarefunktionsbausteins in der CPU eines Prozessleitsystems oder wird in einem Speicher des Prozess- leitsystems vorgehalten oder ist in diesen Speicher ladbar,
so dass beim Betrieb das Prozessleitsystem eine Regelung nach dem Verfahren zum Betreiben der Regeleinrichtung automatisch ausführt.The method for operating a control device is preferably implemented in software or in a combination of soft / hardware, so that the invention also relates to a computer program with computer-executable program code instructions for implementing the method. In this context, the invention also relates to a computer program product, in particular a data carrier or a storage medium, with such a computer program that can be executed by a computer. Such a computer program is preferably part of a software function block in the CPU of a process control system or is kept in a memory of the process control system or can be loaded into this memory. so that during operation, the process control system automatically performs a control according to the method for operating the control device.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Reference to the drawing, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.
Die Figur zeigt in einer Prinzipdarstellung einen Batch- Reaktor mit Regeleinrichtung.The figure shows a schematic representation of a batch reactor with control device.
Ein Batch-Reaktor 1, dem durch einen Zulauf 2 ein Prozessmedium 3 zugeführt und durch einen Ablauf 4 nach Beendigung einer gewünschten Reaktion wieder entnommen werden kann, ist mit einer Einrichtung zur Temperaturregelung versehen. Zur besseren Durchmischung des Prozessmediums 3 ist im Reaktor 1 ein Rührwerk 13 vorgesehen. Zur Aufheizung des Prozessmediums 3 dient eine Ummantelung 5 des Reaktors 1, in welche ein Heizmittel durch einen Zulauf 6 eingeleitet werden kann, das durch einen Ablauf 7 wieder ausströmt. Die Zulaufmenge desA batch reactor 1, to which a process medium 3 can be supplied through an inlet 2 and can be removed again by a drain 4 after completion of a desired reaction, is provided with a device for temperature control. For better mixing of the process medium 3, an agitator 13 is provided in the reactor 1. For heating the process medium 3 is a jacket 5 of the reactor 1, in which a heating means can be introduced through an inlet 6, which flows out through a drain 7 again. The inflow amount of
Heizmittels ist mit einem Ventil 8 einstellbar. Die Einstellung des Ventils 8 wird durch einen Stellwert y vorgegeben, den ein Regler aus einer Regelgröße x und einem vorgegebenen Sollwert w bestimmt. Der Regler enthält einen Vergleicher 9, der eine Regeldifferenz e aus dem Sollwert w und der Regelgröße x bestimmt, und einen Reglerkern 10, der aus der Regeldifferenz e den Stellwert y berechnet. Ein energieautarker Messumformer 11 schwimmt in dem Reaktor 1, erfasst im Prozessmedium 3 die Temperatur als Prozessgröße, bestimmt ent- sprechende Messwerte und sendet diese über eine Antenne drahtlos aus. Die Sendesignale werden durch einen Empfänger 12 außerhalb des Reaktors 1, der ebenfalls über eine Antenne verfügt, empfangen, so dass Werte der Temperatur als Regelgröße x für den Regler vorliegen. Die drahtlose Datenübertra- gung zwischen dem Messumformer 11 und dem Empfänger 12 kann beispielsweise über Industrial WLAN, ZigBee, Bluetooth oder andere Funknetzwerke erfolgen. In einer realen prozesstechnischen Anlage handelt es sich bei dem Empfänger 12 beispiels-
weise um einen Access Point, bei dem Ventil 8 um ein elektro- pneumatisches Regelventil und bei den übrigen Komponenten der Regeleinrichtung um Software-Funktionsbausteine, die in ein Prozessleitsystem zur Implementierung der Regeleinrichtung geladen sind.Heating means is adjustable with a valve 8. The setting of the valve 8 is determined by a control value y, which determines a controller from a controlled variable x and a predetermined setpoint w. The controller includes a comparator 9, which determines a control difference e from the desired value w and the control variable x, and a controller core 10, which calculates the control value y from the control difference e. An energy-autonomous transmitter 11 floats in the reactor 1, detects the temperature in the process medium 3 as a process variable, determines corresponding measured values and transmits them wirelessly via an antenna. The transmission signals are received by a receiver 12 outside of the reactor 1, which also has an antenna, so that values of the temperature are available as controlled variable x for the controller. The wireless data transmission between the transmitter 11 and the receiver 12 can take place, for example, via Industrial WLAN, ZigBee, Bluetooth or other radio networks. In a real process-technical installation, the receiver 12 is, for example, For example, this is an access point, valve 8 is an electro-pneumatic control valve, and the other components of the control unit are software function blocks which are loaded into a process control system for implementing the control device.
Bei der ersten Inbetriebnahme der Regeleinrichtung werden alle Komponenten in eine Sonderbetriebsart versetzt. Der Messumformer 11 liefert in dieser Betriebsart in zeitlich äqui- distanten Zyklen Werte der Temperatur und sendet diese an den Empfänger 12. Es wird zunächst zur Erozessidentifikation, das heißt zur Bestimmung der Parameter eines geeigneten Prozessmodells, ein Heizexperiment durchgeführt, in welchem die Stellgröße y beispielsweise auf ihren maximalen Wert einge- stellt und mit Hilfe des Messumformers 11 die sich ergebende Aufheizkurve ermittelt wird. Mit den nun vorliegenden Daten werden in bekannter Weise die Übertragungsfunktion der Temperaturregelstrecke und ein dafür geeigneter zeitkontinuierlicher Regler entworfen. Der so gewonnene zeitkontinuierliche Regler wird anschließend in einen inkrementellen Regelalgorithmus eines zeitdiskreten Reglers mit variabler Abtastzeit überführt. In Abhängigkeit der Prozessvorgaben, beispielsweise dass die Temperatur auf 2 0C genau eingestellt werden soll, wird ein Schwellwert festgelegt, beispielsweise 0,5 0C, der bestimmt, bei welchen Änderungen der Temperatur im Normalbetrieb durch den Messumformer 11 erneut Messwerte übertragen werden sollen. Diese Maßnahme dient dazu, die Häufigkeit von Messwertübertragungen über das drahtlose Netzwerk zu vermindern, so dass der Energieverbrauch des Messumformers 11 minimiert und die zur Verfügung stehende Bandbreite des drahtlosen Netzwerks besser genutzt wird. Im daran anschließenden Normalbetrieb der Regeleinrichtung sendet der Messumformer nur noch dann neue Messwerte der Temperatur des Prozessmediums 3, wenn diese um mehr als 0,5 0C vom zuletzt übertragenen Messwert abweichen. Bei jedem Empfang eines neuen Messwerts durch den Regler mit Hilfe des Empfängers 12, wobei der Messwert der Regelgröße x in der Regeleinrichtung entspricht, wird die Stellgröße y in Abhängigkeit der sich
ergebenden Regeldifferenz e und der Dauer des letzten Abtastintervalls, welche in dem Regelalgorithmus als variable Größe berücksichtigt wird, neu berechnet. Anschließend wird die Stellung des Ventils 8 solange konstant gehalten, bis ein neuer Messwert empfangen wird. Dadurch reduziert sich auch der Energieverbrauch des Ventils 8 als Stellglied sowie dessen Verschleiß.When the control device is first put into operation, all components are put into a special operating mode. In this operating mode, the transmitter 11 delivers values of the temperature in chronologically equidistant cycles and sends them to the receiver 12. First, a heating experiment is performed for the process identification, that is to say for determining the parameters of a suitable process model, in which the manipulated variable y is set to its maximum value and with the aid of the transmitter 11, the resulting heating curve is determined. With the data now available, the transfer function of the temperature control path and a suitable time-continuous controller are designed in a known manner. The time-continuous controller obtained in this way is then converted into an incremental control algorithm of a discrete-time variable-time controller. Depending on the process specifications, for example, that the temperature is to be set exactly to 2 0 C, a threshold is set, for example, 0.5 0 C, which determines at which changes in temperature during normal operation by the transmitter 11 again measured values should be transmitted. This measure serves to reduce the frequency of transmission of transmissions over the wireless network, thus minimizing the power consumption of the transmitter 11 and making better use of the available bandwidth of the wireless network. In the subsequent normal operation of the control device, the transmitter sends new measured values of the temperature of the process medium 3 only if they deviate by more than 0.5 0 C from the last transmitted measured value. Each time a new measured value is received by the controller with the aid of the receiver 12, the measured value corresponding to the controlled variable x in the control device, the manipulated variable y becomes dependent on itself recalculated resulting control difference e and the duration of the last sampling interval, which is taken into account in the control algorithm as a variable size. Subsequently, the position of the valve 8 is kept constant until a new measured value is received. This also reduces the energy consumption of the valve 8 as an actuator and its wear.
Zur besseren Anschaulichkeit wurde die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit nur einem Messumformer 11 und nur einem Access Point 12 beschrieben. In realen prozesstechnischen Anlagen ist selbstverständlich eine große Anzahl kabellos kommunizierender Messumformer, Stellglieder oder Aktuato- ren, Regler und Ähnliches in einem Sensornetzwerk zusammenge- schlössen. Die Teilnehmer kommunizieren untereinander kabellos und Meldungen können einen Zeitstempel, der beispielsweise den Zeitpunkt der Messwerterfassung oder den Zeitpunkt der Stellwertberechnung kennzeichnet, enthalten. Wenn alle Teilnehmer wie bisher ständig in einem gemeinsamen Takt senden würden, zum Beispiel eine Meldung alle 10 ms für jeden Teilnehmer, wäre die verfügbare Bandbreite des Kommunikationsnetzes schon mit relativ wenigen Teilnehmern erschöpft. Zudem müsste der Takt aufwendig über das Netz verbreitet werden. Sind dagegen nun Messumformer und Regler dafür ausgelegt, er- eignisdiskret auf Veränderungen der gemessenen physikalischen oder chemischen Größen zu reagieren, werden sinnvollerweise Meldungen mit neuen Messwerten nur noch dann gesendet, wenn sich ereignisrelevante Veränderungen ergeben haben. An diesen Ausführungen wird deutlich, dass sich das neue Regelungsver- fahren besonders vorteilhaft auf die Nutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite des Kommunikationsnetzwerks auswirkt .
For better clarity, the invention has been described with reference to an embodiment with only one transmitter 11 and only one access point 12. Of course, in real process engineering plants, a large number of wirelessly communicating transducers, actuators or actuators, regulators and the like are combined in a sensor network. The subscribers communicate with each other wirelessly and messages can contain a time stamp which, for example, indicates the time of the measured value acquisition or the time of the manipulated variable calculation. If all subscribers were to transmit constantly in a common clock as before, for example a message every 10 ms for each subscriber, the available bandwidth of the communication network would already be exhausted with relatively few subscribers. In addition, the clock would have to be distributed extensively over the network. If, on the other hand, transducers and controllers are designed to discretely respond to changes in the measured physical or chemical quantities, messages with new measured values are only sent if events have changed. It becomes clear from these statements that the new control method has a particularly advantageous effect on the utilization of the available bandwidth of the communication network.
Claims
1. Regeleinrichtung für eine prozesstechnische Anlage mit zumindest einem Messumformer (11) zur Erfassung einer physika- lischen oder chemischen Größe eines Prozesses sowie zur Bestimmung und zum drahtlosen Senden eines entsprechenden Messwerts (x) und mit einem Regler (9, 10) zur Bestimmung und Ausgabe eines Stellwerts (y) in Abhängigkeit des Messwerts (x) und eines vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwerts (w) , dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer (11) dazu ausgebildet ist, einen aktuell bestimmten Messwert mit einem zuletzt gesendeten, ersten Messwert zu vergleichen und im Normalbetrieb nur dann den aktuell bestimmten Messwert als einen zweiten Messwert zu senden, wenn die beim Vergleich er- mittelte Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, und dass der Regler (9, 10) dazu ausgebildet ist, die jeweilige Dauer des Abtastintervalls zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert zu bestimmen und den Stellwert (y) in Abhängigkeit dieser Dauer zu ermitteln.1. Control device for a process plant with at least one transmitter (11) for detecting a physical or chemical size of a process and for determining and wireless transmission of a corresponding measured value (x) and with a controller (9, 10) for determining and Output of a control value (y) as a function of the measured value (x) and a predetermined or predefinable setpoint (w), characterized in that the transmitter (11) is adapted to compare a currently determined measured value with a last transmitted, first measured value and in normal operation, only to transmit the currently determined measured value as a second measured value if the deviation determined during the comparison exceeds a predefined threshold value, and that the controller (9, 10) is designed to determine the respective duration of the sampling interval between the first measured value and the second measured value and to determine the manipulated variable (y) as a function of this duration ln.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (9, 10) dazu ausgebildet ist, bei Empfang des zweiten Messwerts einen Stellwert (y) zu berechnen und auszugeben .2. Control device according to claim 1, characterized in that the controller (9, 10) is adapted to calculate and output a control value (y) upon receipt of the second measured value.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelalgorithmus des Reglers (9, 10) zur Bestimmung des Stellwerts (y) ein inkrementeller Algorithmus ist.3. Control device according to claim 2, characterized in that the control algorithm of the controller (9, 10) for determining the control value (y) is an incremental algorithm.
4. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert in Abhängigkeit eines vorbestimmten Regelungsziels, in Abhängigkeit von vorbestimmten Prozessparametern und/oder in Abhängigkeit von einer vorgegebenen durchschnittlichen Zahl von Sendevorgängen des Messumformers (11) pro Zeiteinheit bestimmt und vorgegeben ist. 4. Control device according to one of the preceding claims, characterized in that the threshold value is determined and predetermined as a function of a predetermined control target, as a function of predetermined process parameters and / or as a function of a predetermined average number of transmissions of the transmitter (11) per unit time.
5. Verfahren zum Betreiben einer Regeleinrichtung für eine prozesstechnische Anlage mit zumindest einem Messumformer5. A method for operating a control device for a process plant with at least one transmitter
(11) zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe eines Prozesses sowie zur Bestimmung und zum drahtlosen Sen- den eines entsprechenden Messwerts (x) und mit einem Regler (9, 10) zur Bestimmung und Ausgabe eines Stellwerts (y) in Abhängigkeit des Messwerts (x) und eines vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwerts, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer (11) einen aktuell bestimmten Messwert mit einem zu- -letzt gesendeten, ersten Messwert vergleicht und in einem Normalbetrieb nur dann den aktuell bestimmten Messwert als einen zweiten Messwert sendet, wenn die beim Vergleich ermittelte Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, und dass der Regler (9, 10) die jeweilige Dauer des Abtastin- tervalls zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert bestimmt und den Stellwert (y) in Abhängigkeit dieser Dauer berechnet.(11) for detecting a physical or chemical quantity of a process and for determining and wirelessly transmitting a corresponding measured value (x) and with a controller (9, 10) for determining and outputting a control value (y) as a function of the measured value ( x) and a predetermined or predefinable setpoint, characterized in that the transmitter (11) compares a currently determined measured value with a last-sent, first measured value and in a normal mode only then transmits the currently determined measured value as a second measured value, if the deviation determined during the comparison exceeds a predetermined threshold value, and that the controller (9, 10) determines the respective duration of the sampling interval between the first measured value and the second measured value and calculates the manipulated variable (y) as a function of this duration.
6. Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach Anspruch 5, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.A computer program comprising computer executable program code instructions for implementing the method of claim 5 when the computer program is run on a computer.
7. Computerprogrammprodukt, insbesondere Datenträger oder Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren7. Computer program product, in particular data carrier or storage medium, with an executable by a computer
Computerprogramm gemäß Anspruch 6. Computer program according to claim 6.
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