Hierarchische Optimierung modularer technischer Anlagen

Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Betreiben einer modularen technischen Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein technisches Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 2 und eine computerimplementierte Repräsentation eines technischen Moduls mit den Merkmalen des Anspruchs 3.

Modulare verfahrenstechnische Anlagen umfassen mehrere tech nische Module, die sowohl verfahrenstechnisch als auch über die Automatisierungstechnik miteinander verbunden sind und interagieren. Dabei können die Module von verschiedenen Her stellern stammen und auch unterschiedlich automatisiert sein. Module stellen in gewisser Hinsicht abgeschlossene Einheiten dar, die gewisse Aufgaben erfüllen können. Dazu stellen sie Services bereit, die beispielsweise mittels MTP (Modular Type Package) beschrieben sind.

Ein Service stellt dabei eine Aufgabe oder einen Dienst dar, die durch ein Modul ausgeführt werden kann. Abhängig von der Aufgabe erfordert ein Service im Allgemeinen eine Konfigura tion über Parameter, die für die Erfüllung der Aufgabe not wendig sind. Beispielsweise könnte ein Service „Erhitzen" den Parameter Zieltemperatur benötigen. Der Service wird von der Automatisierung der Gesamtanlage (Prozessführungsebene, PFE, bzw. dem Leitsystem) konfiguriert, parametriert und gestar tet.

Jede Produktionsanlage soll ihre Aufgabe möglichst optimal erfüllen, wobei es keine universelle Definition von dieser optimalen Erfüllung gibt. Wichtige KPIs (key performance in- dicator) bzw. Produktionsziele sind beispielsweise die Pro duktqualität, die produzierte Menge bzw. Produktionsrate und die Kosten der Produktion. Die Produktqualität kann dabei aus mehreren Größen bestehen. Für eine monolithische (= nicht modulare) Anlage, die für ei ne lange Betriebsphase ausgelegt ist, lohnt sich im Allgemei nen eine einmalige Optimierung der Automatisierung und der Fahrweise. Die Flexibilität, die durch eine modulare Anlage entsteht, führt jedoch dazu, dass jede Veränderung auch das Optimierungsproblem ändert und eine einmalige Optimierung nicht mehr tragfähig ist. Häufige Optimierungen sind jedoch mit Aufwand und damit mit Kosten verbunden und lohnen sich ggf. nicht mehr. Der Vorteil der Flexibilität durch Modulari tät wird damit für die Optimierung zum Nachteil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Computerimple mentiertes Verfahren zum Betreiben einer modularen techni schen Anlage anzugeben, welches eine Komplexität der Optimie rung einer modularen technischen Anlage verringert.

Die zuvor formulierte Aufgabe wird durch ein Computerimple mentiertes Verfahren zum Betreiben einer modularen techni schen Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die modulare technische Anlage umfasst wenigstens ein technisches Modul und ein modulübergreifendes Leitsystem. Das erfindungs gemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Übertragen von Randbedingungen und Zielen eines Betriebs der technischen Anlage von dem Leitsystem zu dem wenigstens einen technischen Modul oder zu einer computerimplementierten Repräsentation des technischen Moduls; b) Ermitteln eines optimalen Betriebspunktes des wenigstens einen technischen Moduls in Abhängigkeit der zuvor empfange nen Randbedingungen und Ziele durch das technische Modul selbst oder durch die computerimplementierte Repräsentation des technischen Moduls; c) Ermitteln wenigstens eines zu dem optimalen Betriebspunkt gehörigen Leistungsindikators des technischen Moduls und Übermitteln des wenigstens einen Leistungsindikators von dem technischen Modul oder der computerimplementierten Repräsen tation des technischen Moduls zu dem Leitsystem; d) Orchestrierung des wenigstens einen technischen Moduls durch das Leitsystem unter Einbeziehung des wenigstens einen Leistungsindikators, um die modulare technische Anlage zu be treiben.

Bei der modularen technischen Anlage kann es sich um eine An lage aus der Prozessindustrie wie beispielsweise eine chemi sche, pharmazeutische, petrochemische oder eine Anlage aus der Nahrungs- und Genussmittelindustrie handeln. Hiermit um fasst sind auch jegliche Anlagen aus der Produktionsindust rie, Werke, in denen z.B. Autos oder Güter aller Art produ ziert werden. Modulare technische Anlagen, die zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, können auch aus dem Bereich der Energieerzeugung kommen. Windräder, Solaranlagen oder Kraftwerke zur Energieerzeugung sind ebenso von dem Begriff der technischen Anlage umfasst.

Diese Anlagen verfügen jeweils über ein Leitsystem oder zu mindest ein computerunterstütztes Modul zur Steuerung und Re gelung des ablaufenden Prozesses oder der Produktion. Zudem weist die modulare technische Anlage eine Vielzahl von tech nischen Modulen auf, die miteinander kombiniert werden kön nen.

Unter einem Leitsystem wird im vorliegenden Kontext ein com putergestütztes technisches System verstanden, das Funktiona litäten zum Darstellen, Bedienen und Leiten eines technischen Systems wie einer Fertigungs- oder Produktionsanlage umfasst. Das Leitsystem umfasst im vorliegenden Fall Sensoren zur Er mittlung von Messwerten sowie verschiedene Aktoren. Zudem um fasst das Leitsystem sogenannte prozessnahe Komponenten, die zur Ansteuerung der Aktoren bzw. Sensoren dienen. Darüber hinaus weist das Leitsystem u.a. Mittel zur Visualisierung der Prozessanlage und zu einem Engineering auf. Unter dem Be griff Leitsystem sind zusätzlich auch weitere Recheneinheiten für komplexere Regelungen und Systeme zur Datenspeicherung und -Verarbeitung zu fassen.

Unter einem technischen Modul wird eine abgeschlossene technische Einheit verstanden, die in eine übergeordnete Steuerungsebene integrierbar ist. Ein solches techni sches Modul kann zum Beispiel ein Zusammenschluss mehre rer Messstellen oder ein größerer Anlagenteil einer in dustriellen Anlage sein. Das technische Modul muss aber nicht dem Feld der Industrieanlagen entstammen, sondern kann beispielsweise auch ein Motormodul eines Automo bils, eines Schiffs oder dergleichen sein.

Eine computerimplementierte Repräsentation eines techni schen Moduls ist beispielsweise eine „Applikation" oder kurz: „App", die auf einem von dem technischen Modul (räumlich) getrennten Rechner oder in einer Cloud- Umgebung ausgeführt wird. Die computerimplementierte Re präsentation ist eine Art digitaler Zwilling des techni schen Moduls. In ihr sind alle Informationen enthalten, die zu einer Charakterisierung des Verhaltens des tech nischen Moduls notwendig sind. Wenn erfindungsgemäß Randbedingungen und Ziele von dem Leitsystem zu der com puterimplementierten (digitalen) Repräsentation übertra gen und von dort wiederum die Leistungsindikatoren emp fangen werden, macht es für das Leitsystem keinen Unter schied, ob es mit dem tatsächlichen (physischen) techni schen Modul oder mit dessen computerimplementierter (di gitaler) Repräsentation interagiert.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Rand bedingungen und Ziele des Betriebs der technischen Anla ge von dem Leitsystem an die Vielzahl an technischen Mo dulen oder an deren computerimplementierte Repräsentati onen übertragen. Randbedingungen können dabei beispiels weise Temperaturgrenzwerte, Materialeigenschaften, phy sikalische Grenzbedingungen oder auch ein aktueller Strompreis sein. Ziele des Betriebs können beispielswei se Produktionsmengen und Produktionsarten sein.

Der optimale Betriebspunkt hängt von den an das technische Modul bzw. der computerimplementierten Repräsentation über mittelten Randbedingungen ab, die im technischen Modul nicht beeinflusst werden können. In der technischen (Gesamt-)Anlage sind diese Größen jedoch bekannt oder können gemessen werden. Diese werden vom Leitsystem dem technischen Modul bzw. der computerimplementierten Repräsentation als Information be- reitgestellt. Basierend auf den Randbedingungen und den Zie len eines Betriebs der technischen Anlage kann jedes techni sche Modul optimal betrieben werden. Beispielsweise kann es je nach Situation andere Qualitätsanforderungen geben. Auch die Menge und die zu Verfügung stehende Produktionszeit kön nen variieren. Dementsprechend variieren auch die Produkti onskosten.

Die Optimierung auf Modulebene kann unterschiedlich erfolgen. Für einfache Aufgaben der technischen Module reichen algebra ische Gleichungen, Kennlinien, Kennfelder oder Heuristiken aus. Komplexere Aufgaben erfordern ggf. die Nutzung von Simu lationsmodellen zur Optimierung. Die Ergebnisse der Optimie rung, d.h. die für das jeweilige technische Modul unter Be rücksichtigung der vorgegebenen Randbedingungen und Ziele op timalen Betriebsart werden von dem technischen Modul bzw. der computerimplementierten Repräsentation ermittelt und in Form eines Leistungsindikators wieder an das Leitsystem als über gelagerte Orchestrierungsinstanz zurückgegeben.

Bei der Optimierung kann als Ergebnis ein einziger Leistungs indikator ermittelt werden, es muss sich aber nicht um einen einzigen Leistungsindikator handeln. Vielmehr kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine Mehrzahl an Leis tungsindikatoren ermittelt werden. Beispielsweise kann es sich dabei um die Indikatoren „Kosten", „Dauer" oder „Quali tät" handeln. Diese können wiederum von einem oder mehreren Parametern abhängen.

Bei vorgegebenen Randbedingungen und Zielen kann es Frei heitsgrade in dem Betrieb der jeweiligen technischen Module geben, die wesentliche Ziele des Betriebs der technischen An lage (z.B. Produktionsdauer, -kosten, Qualität) beeinflussen. Das Ergebnis der Optimierung, der Leistungsindikator oder die Leistungsindikatoren, wird dem Leitsystem dabei in Form von Kennfeldern über den freien Parametern übergeben. Im Sonder fall eines Freiheitsgrades ergeben sich also Kennlinien der betrachteten Randbedingungen und Ziele.

Oberhalb der technischen Module, auf Ebene des Leitsystems der technischen Anlage, erfolgt anschließend die Orchestrie rung der technische Module. Diese kann eine überlagerte Opti mierung beinhalten. Dabei werden die von den technischen Mo dulen bzw. deren computerimplementierter Repräsentation er haltenen Informationen dazu genutzt, um einen für die techni sche Anlage optimalen Betrieb zu erzielen.

Ein besonders gewichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Ver fahrens liegt darin, dass die Komplexität der jeweiligen technischen Module für die Optimierung eine nur untergeordne te oder zu vernachlässigende Rolle spielt. Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, die durch die Modularisierung ermög lichte Flexibilität nicht mehr als Nachteil für die Optimie rung zu sehen, sondern nutzt geschickt die dabei entstehenden neuen Möglichkeiten. Bei der Konfiguration bzw. Optimierung jedes technischen Moduls muss nur das (überschaubare) Verhal ten dieses technischen Moduls betrachtet werden. Für das technische Modul unbekannte Größen (Randbedingungen, Ziele des Betriebs) werden dafür den technischen Modulen bzw. deren computerimplementierter Repräsentation bereitgestellt. Es ist dabei nicht von Bedeutung, ob die Optimierung nun simulati onsbasiert, algebraisch oder heuristisch erfolgt.

Die zuvor formulierte Aufgabe wird gleichsam gelöst durch ein technisches Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Dieses ist dazu ausgebildet und vorgesehen: a) Randbedingungen und Ziele eines Betriebs einer techni schen Anlage von einem Leitsystem der technischen Anlage zu empfangen; und b) einen optimalen Betriebspunkt in Abhängigkeit der zuvor empfangenen Randbedingungen und Ziele selbst zu ermitteln; und c) wenigstens einen zu dem optimalen Betriebspunkt gehörigen Leistungsindikator des technischen Moduls zu ermitteln und den wenigstens einen Leistungsindikator zu dem Leitsystem zur weiteren Verarbeitung zu übertragen.

Außerdem wird die zuvor formulierte Aufgabe gelöst durch eine computerimplementierte Repräsentation eines technischen Mo duls mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Diese ist dazu ausge bildet und vorgesehen: a) Randbedingungen und Ziele eines Betriebs einer techni schen Anlage von einem Leitsystem der technischen Anlage zu empfangen; und b) einen optimalen Betriebspunkt in Abhängigkeit der zuvor empfangenen Randbedingungen und Ziele selbst zu ermitteln; und c) wenigstens einen zu dem optimalen Betriebspunkt gehörigen Leistungsindikator des technischen Moduls zu ermitteln und den wenigstens einen Leistungsindikator zu dem Leitsystem zur weiteren Verarbeitung zu übertragen.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung des Ausführungsbei spiels, das im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert wird.

Die Figur zeigt schematisch ein Leitsystem 1 einer als Pro zessanlage ausgebildeten technischen Anlage sowie ein erstes technisches Modul 2, ein zweites technisches Modul 3 und ein drittes technisches Modul 4. Das erste technische Modul 2, das zweite technische Modul 3 und das dritte technische Modul 4 stehen in einem direkten Kontakt mit dem Leitsystem 1. Das erste technische Modul 2 umfasst einen Reaktionsbehälter, in den Zitronensäure, Natriumcitrat und Natriumsulfat in eine wässrige Lösung zudosiert werden können, um pH-Wert, Dichte und Leitfähigkeit zu verändern. In dem Reaktionsbehälter be findet sich ein Rührer, um die notwendige Durchmischung si cherzustellen. Nachfolgend wird lediglich der pH-Wert und die Dosierung von Zitronensäure betrachtet. Das erste technische Modul 2 bietet im Rahmen einer modularen Automatisierung der Prozessanlage den folgenden Service / Dienst an: pH-Wert Einstellen: vorgegebenen pH-Wert einstellen Parameter: pH-Wert, Rührerdrehzahl, Menge

Das zweite technische Modul 3 umfasst einen Fermenter, der über einen Mantel beheizt und gekühlt werden kann. Üblicher weise finden darin Fermentationsprozesse statt. Das zweite technische Modul 3 bietet den folgenden Service / Dienst an:

Fermentation: Aufheizen (15min), vorzugebende Solltemperatur halten (Dauer abhängig von Menge und Solltemperatur), Abküh len (20min)

Parameter: Solltemperatur, Menge, pH-Wert

In dem dritten technischen Modul 4 wird die zuvor produzierte Flüssigkeit abgefüllt. Das dritte technische Modul 4 bietet den folgenden Service / Dienst an:

Abfüllen des Produkts mit 11/min Parameter: Menge

Die drei technischen Module 2, 3, 4 sind über eine in der Fi gur nicht dargestellte Infrastruktur derart miteinander ver bunden, dass ein beliebiger Austausch von Flüssigkeiten zwi schen den technischen Modulen 2, 3, 4 stattfinden kann.

Ein Ziel des Betriebs der Prozessanlage ist die Produktion und Abfüllung von drei Chargen: CI: 301 unfermentiertes Produkt mit pH-Wert 2; Fertig stellung in 1,5h

C2: 301 unfermentiertes Produkt mit pH-Wert 3; Fertig stellung in 2h

C3: 301 fermentiertes Produkt mit pH-Wert 4; Fertigstel lung in 4h

Innerhalb der angegebenen Fertigstellungszeiten sollen die Chargen CI, C2, C3 produziert und fertig abgefüllt sein.

Im vorliegenden Fall sind die Mengen und pH-Werte fest vorge geben und können den technischen Modulen 2, 3, 4 als Informa tion von dem Leitsystem 1 vorab bereitgestellt werden. Damit wird jedes technische Modul 2, 34 an sich optimiert und die Abhängigkeit eines Leistungsindikators von Rührerdrehzahl bzw. Solltemperatur bestimmt.

Für des erste technische Modul 2 wird angenommen, dass vom Hersteller Tabellen abgelegt wurden, wie lange, abhängig von Menge, pH-Wert und Rührerdrehzahl, gerührt werden muss. Dar aus werden Stützstellen für die Kennlinien mit der verblei benden Abhängigkeit Rührerdrehzahl als Leistungsindikator er mittelt.

Für das zweite technische Modul 3 wird angenommen, dass ein verfahrenstechnisches Simulationsmodell zur Verfügung steht. Die Simulation wird mit den nun bekannten Parametern Menge und pH-Wert für verschiedene Temperatursollwerte ausgeführt und die Ergebnisse als Stützstellen in eine Kennlinie als Leistungsindikator überführt.

In dem dritten technischen Modul 4 ist die algebraische Glei chung T = R*V mit der Abfüllrate R=ll/min hinterlegt, die für V=301 direkt zu T = 30min ausgewertet werden kann.

Die konfigurierten Services, die dem Leitsystem 1 als Leis tungsindikatoren zur Verfügung gestellt werden, lauten damit: pH-Wert Einstellen (V=301, pH-Wert=2) T = 40min- 2min/5%* (N-50%); K = l€/50%*(N-50%)+4€; Q = 1; jeweils für Rührerdrehzahl (N) im Bereich 50%-100% pH-Wert Einstellen (V=301, pH-Wert=3) T = 60min- 3min/5%* (N-50%); K = l€/50%*(N-50%)+6€; Q = 1; jeweils für Rührerdrehzahl (N) im Bereich 50%-100% pH-Wert Einstellen (V=301 pH-Wert=4) T = 50min- lmin/2%* (N-50%); K = l€/50%*(N-50%)+5€; Q = jeweils für Rührerdrehzahl (N) im Bereich 50%-100%

Fermentation (V=301, pH-Wert=4) T = 3h-lh/10°C*(Temp- 80°C); K = 1€/1°C*(Temp-80°C)+20€; Q = 1-1/100°C*(Temp- 80°C); jeweils für Solltemperatur (Temp) im Bereich 80- 90°C

Abfüllen (301) T = 30min; K = 2€; Q = 1; keine Frei- heitsgrade

Dabei werden mit T eine Dauer, mit K Produktionskosten und mit Q eine Produktionsqualität bezeichnet. Hierbei handelt es sich um Leistungsindikatoren, die dem überlagerten Leitsystem 1 zur Verfügung gestellt werden.

Überlagert kann nun die optimierte Orchestrierung der Ser vices erfolgen. Die Produktionsziele sind dabei einzuhalten. Die Mindestqualität beträgt 0,95 und die Kosten sollen mini miert werden, also ergibt sich das zu minimierende Gütekrite rium J=K.

Das hier beschriebene Optimierungsproblem enthält binäre Op timierungsparameter (in welcher Reihenfolge werden die Ser vices gestartet) sowie kontinuierliche (die beschriebenen Freiheitsgrade) . Redundanzen in der Produktion sind hier nicht verfügbar. Im Allgemeinen können beispielsweise belie bige Verfahren des MINLP (mixed-integer nonlinear program- ming) zum Einsatz kommen. In diesem Fall sind die Abhängigkeiten und das Gütekriterium linear, sodass die Lösung mathematisch einfach ist. Dabei er geben sich die folgenden Parametrierungen der Services in der dargestellten Reihenfolge:

0:00h 1. Modul: pH-Wert Einstellen (V=301, pH-Wert=4, N ^: 90%) 0:30h 2. Modul: Fermentation (V=301, pH-Wert=4, Temp=80 C) 0:30h 1. Modul: pH-Wert Einstellen (V=301, pH-Wert=2, N ^: 75%) 1:00h 3. Modul: Abfüllen (V=301, pH-Wert=2) 1:00h 1. Modul: pH-Wert Einstellen (V=301, pH-Wert=3, N ^: 100%) 1:30h 3. Modul: Abfüllen (V=301, pH-Wert=3) 3:30h 3. Modul: Abfüllen (V=301, pH-Wert=4).

Die geplanten Fertigstellungzeiten werden damit exakt er füllt. Gleichzeitig erfolgt die Fermentation mit der nied rigsten Solltemperatur, was zu minimalen Kosten und maximaler Qualität führt. Beim Einstellen der pH-Werte können die Rühr erdrehzahlen reduziert werden, um mit der verfügbaren Zeit die Kosten weiter zu reduzieren. Insgesamt ergeben sich die Gesamtkosten zu

5,80€ + 20€ + 4,50€ + 2€ + 7€ + 2€ + 2€ = 43,30 €.

Findet keine optimierte Orchestrierung in dem Leitsystem 1 statt, sondern wird lediglich mit den Fertigstellungszeiten priorisiert (Reihenfolge CI, C2, C3), so wird zwar CI und C2 rechtzeitig fertig, die Fertigstellung von C3 verzögert sich jedoch um ca. lh, was ohne die Optimierung der Services auf Modulebene und die Bereitstellung der Kennfelder vorab gar nicht bekannt ist.

Angenommen, das Zeitproblem wird trotzdem vorab grundsätzlich erkannt, so kann jeder Service entsprechend der minimalen Laufzeit gewählt werden, was Kosten von 6€ + 30€ + 5€ +2€ + 7€ +2€ + 2€ = 54 € ergibt. Trotzdem wird C345 Minuten zu spät fertig. Gleich zeitig erhöhen sich die Kosten im Vergleich zur optimierten Lösung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren um 25%. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel und die Figuren näher illustriert und beschrie ben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.