Industrietaugliche Umsetzung von komplexen Reglern auf Automatisierungsplattformen

Abstract

Das Prinzip der modellprädiktiven Regelung (MPC) bietet gegenüber klassischen PID-Strategien wesentliche Vorteile. Eine Verbreitung auf Steuerungsebene, auf welcher diese dominieren, hat jedoch aufgrund des hohen Entwicklungsaufwands, der benötigen Rechenleistung sowie schlechter Verfügbarkeit bisher kaum stattgefunden. In den letzten Jahren wurde in mehreren Publikationen gezeigt, dass es grundsätzlich möglich ist, lauffähige MPC-Anwendungen auf speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) zu realisieren. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird untersucht, welche Anforderungen eine MPC, über die reine Regelungsfunktion hinaus, erfüllen muss, um im industriellen Umfeld, speziell der Prozessindustrie, einsetzbar zu sein. Eine detaillierte Analyse der ermittelten Anwendungsfälle erfolgt dabei durch Simulationen in MATLAB. Daraus wird eine gekapselte Softwarearchitektur im Zielsystem abgeleitet und implementiert, welche einfache Erweiter- sowie Wiederverwendbarkeit in IEC 61131-3 ermöglicht. Das gewünschte Regelverhalten konnte durch Simulationen auf verschiedenen SPS-Modulen erfolgreich überprüft werden. Performance Tests zeigen, dass eine industrietaugliche MPC auch auf Systemen mit vergleichsweise geringer Leistung erfolgreich zum Einsatz kommen kann.

Model Predictive Control (MPC) offers many advantages compared to conventional PID-strategies, but due to its complex implementation and high demand for computing power, there has been very little penetration into the market of Programmable Logic Controllers (PLC). Over the last years, a number of publications have proved that, despite major obstacles, it is in general possible to implement executable MPC algorithms on PLCs. This taken into account, the following thesis investigates the requirements an industrial, model-based controller has to meet, aside from its basic control function, to be fully operational in the field of process industry. The determined Use-Cases are examined in detail using MATLAB, eventually leading to an encapsulated software architecture design allowing fast and easy adaptations, extensions and reusability of components in IEC 61131-3. The desired functionality is verified on different PLC-modules. Performance tests show that even modules with lower computing power might be well suited for MPC applications in process industry.