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Mit Fuzzy Logic und neuronalen Netzen

Automatisierung von Fermentationsprozessen
Mit Fuzzy Logic und neuronalen Netzen

Mit Fuzzy Logic und neuronalen Netzen
FermentationExpert beinhaltet Paletten mit vordefinierten Anlagenteilen, Sensoren sowie Alarm- und Logikblöcken zur Erstellung prozeßspezifischer Anwendungen
Fermentationen sind durch nichtlineare Prozeßdynamiken gekennzeichnet, die von unterschiedlichen Variablen abhängen. Das Entwicklungssystem FermentationExpert trägt diesen komplexen Gegebenheiten Rechnung. Es bietet intelligente Analysetechniken in Echtzeit, für die erweiterte Überwachung, Kontrolle und Planung von Fermentationsprozessen, beginnend bei der Inokulation bis zur Ernte.

Bonnie Haferkamp, Armin Cibulski

FermentationExpert ist ein objektorientiertes, grafisches Entwicklungssystem basierend auf G2 und weiteren Produkten eines amerikanischen Unternehmens. Es stellt umfangreiche Funktionalitäten zur schnellen Konfiguration und Implementierung von Überwachungs- und Steuermechanismen für Fermentationsprozesse zur Verfügung. Seine hierarchische und modulare Struktur gewährleistet Flexibilität und zukünftige Erweiterungsmöglichkeiten. Dies gilt auch für Prozesse außerhalb der Fermentation.
Die Funktionalität von FermentationExpert basiert auf der darunter liegenden Schicht von intelligenten Kerntechnologien, zu denen u. a. neuronale Netze, Fuzzy Logic, die statistische Prozeßkontrolle (SPC) und regelbasierte Ableitungen gehören. So kann man beispielsweise in einer Anwendung neuronale Netze zur Fehlererkennung nutzen, während durch den Einsatz der regelbasierten Technologien die Logik der geeigneten Fehlerbehandlung realisiert wird.
Zur Erstellung prozeßspezifischer Anwendungen beinhaltet FermentationExpert Paletten mit vordefinierten Anlagenteilen, Sensoren sowie Alarm- und Logikblöcken. Zur Erstellung solcher Anwendungen dupliziert man Objekte einer Palette und verbindet diese anschließend zu logischen Prozeßketten. Danach werden die Objekte gemäß der konkreten Gegebenheiten des Fermentationsprozesses konfiguriert.
FermentationExpert verfügt über Schnittstellen zu den meisten externen Standarddatenquellen und Datenspeichern. Auf diese Weise ist online eine bidirektionale Kommunikation mit programmierbaren Logik-Kontrollbausteinen (PLC), verteilten Kontrollsystemen (DCS) und Systemen zur Verwaltung historischer Daten möglich. Zudem können Daten zur Ablaufsteuerung oder für Rezepturen innerhalb von FermentationExpert zwischen externen Datenbanken und speziellen Rezepturverwaltungssystemen transferiert werden. Zur Realisierung von Online-Analysen kann der Anwender intelligente Anzeigen an das System ankoppeln.
Systemeigenschaften
Um spezielle Fermentationsdynamiken zu trainieren, nutzt FermentationExpert sowohl Online- als auch Offline-Prozeßwerte sowie historische Prozeßdaten. Hierdurch werden Mechanismen wie Ableitungen, prädiktive Überwachungen und intelligente Kontrollfunktionen zur Verfügung gestellt.
In der Regel sind bei Fermentationsprozessen große Mengen an historischen Daten zu verwalten. Diese und die zur Laufzeit generierten Daten verwendet FermentationExpert, um Modelle auf Grundlage neuronaler Netze sowie Regeln zur Verarbeitung von Sensordaten und zur Entscheidungsunterstützung bei Prozeßabläufen zu entwickeln. In Form von Regeln ermöglicht FermentationExpert die Einbettung von Erfahrungswissen in die Applikation.
Prozeßüberwachung, Validierung, Diagnose und Entscheidungsunterstützung
Viele Systeme zur Prozeßüberwachung verfügen über Elemente zur Fehlererkennung, Sensordatenvalidierung und über Alarmfunktionen. Wegen ihrer Nichtlinearität nehmen Fermentationsprozesse hier eine Sonderstellung ein. Dieses Problem löst FermentationExpert, indem es nichtlineare Klassifikationsschemata und Fuzzy Logic zur Fehlererkennung und Sensordatenvalidierung einsetzt. Diese Systeme können so konfiguriert und trainiert werden, daß sie Prozeß-, System- und Anlagenfehler mit Hilfe von historischen Daten erkennen und Ursache-Wirkungs-Relationen extrahieren.
Ein entscheidender Vorteil von FermentationExpert ist die Fähigkeit, Verunreinigungen und Folgealarme unter Nutzung von regelbasierten Ableitungen und Fuzzy Logic zu minimieren. Das System ist in der Lage, durch
• Prioritätenvergabe bei Regeln,
• Verwendung von Informationen zur Fehlererkennung und
• die Nutzung von fuzzyfizierten Charakterisierungen von Prozeßvariablen und Trends
Fehlerursachen auf Grundlage der am meisten verbreiteten Fehler zu finden. Ferner hilft es dem Anwender bei der Behebung der entsprechenden Fehler.
Die Komponenten zur Beobachtung und zur Alarmierung sind in Form von konfigurierbaren logischen Blöcken, die miteinander kombinierbar sind, implementiert. In allen Prozeß- und Kulturwachstumsphasen kann der Anwender Alarme aktivieren und deaktivieren.
Virtuelle Sensoren
Qualitätskenngrößen wie Biomasse-, Substrat- und Produktkonzentrationen können nicht direkt gemessen, sondern nur offline betimmt werden. Für ihre Bestimmung bietet FementationExpert virtuelle Sensoren. Mit Hilfe dieser Sensoren können anhand von Modellen die erwähnten Qualitätskenngrößen online abgeschätzt werden. Basis für die verwendeten Modelle sind historische Qualitäts- und Prozeßdaten.
Während des Trainings dieser Modelle werden aus den gemessenen Qualitäts- und Prozeßdaten Korrelationen extrahiert und in das Modell der virtuellen Sensoren eingebracht. Zusammen mit den online gewonnenen Meßwerten schätzen die virtuellen Sensoren die Qualitätskenngrößen ab.
Trends von Prozeßvariablen stellen Muster dar, die bei ähnlichen Fermentationen wieder auftreten. Während des Fermentationsprozesses durchlaufen die Fermentationskulturen Wachstumsphasen, die durch bestimmte Prozeßvariablen, wie die Sauerstoffaufnahmerate (Oxygen Uptake Rate), gekennzeichnet sind. Verschiebungen in der Substratverwertung führen ebenfalls zu bestimmten Mustern in den Trends von Prozeßvariablen. Durch die Nutzung von neuronalen Netzen, Fuzzy Logic und von regelbasierten Ableitungen ermöglicht FermentationExpert die Indentifizierung von Wachstumsphasen und Substratverschiebungen.
Intelligente Kontrollstrategien
Die Sensordatenvalidierung bestätigt die Genauigkeit der Prozeßdatenerfassung. Zudem kann man mit Hilfe von validierten Sensorwerten virtuelle Sensoren und Zustandsabschätzungen realisieren. Ist der Status des Fermentationsprozesses einmal hinreichend bestimmt, können intelligente Kontrollstrategien zur Überführung des Prozesses in den gewünschten Zustand angewendet werden.
FermentationExpert stellt grundsätzlich zwei Kontrollstrategien zur Verfügung, ebenso wie die Möglichkeit, eigene proprietäre Strategien zum Einsatz bei spezifischen Fermentationsprozessen zu entwickeln. In einer typischen G2-Fermentationsapplikation werden die Kontrollschleifen in den PLCs oder DCS-Systemen gehalten, während G2 die Stellwerte bestimmt. Kontrollmechanismen kann der Anwender auf unterschiedliche Weise implementieren, einschließlich open-loop, closed-loop, automatische oder rückfragegesteuerte Anweisungen. Kontrollstrategien lassen sich auf dem gleichen Weg erzeugen wie die anderen Komponenten: dupliziere, verbinde und konfiguriere. Sie können ereignisabhängig aktiviert oder deaktiviert werden. Da es sich bei G2 um eine grafische Entwicklungsumgebung handelt, ist eine visuelle Darstellung des aktuellen Bearbeitungszustandes möglich.
Optimierung des Transfers
Während eines Fermentationsschrittes müssen Entscheidungen über den Transfer von Substraten, beispielsweise vom Nährstofftank in den Produktionstank oder vom Produktionstank in den Erntetank, getroffen werden. Derartige Entscheidungen basieren oft auf Zielsetzungen, die im Konflikt zu den Bedingungen innerhalb der Produktionsanlage stehen können.
Durch den Einsatz von virtuellen Sensoren kann der Anwender mit FermentationExpert die Ertragsraten des laufenden Fermentationsprozesses abschätzen. Auf Grundlage dieser Daten kann er im Vorfeld die Transfers zwischen Tanks mit niedriger vorhergesagter Ertragsrate und Tanks mit hoher vorhergesagter Ertragsrate planen. Sollten – gemäß der abgeschätzten Erträge oder Variabilitäten – die Prioritäten bei Anlagenteilen größer als bei Transfertanks sein, kann er Kontrollstrategien starten, die letztlich zu einer Modifikation der vorher festgelegten Transferzeiten bei gleichzeitiger Beachtung der Planungsbedingungen führen.
Batch- und Rezepturmanagement
Die Rezepturverwaltung in FermentationExpert ist sowohl eigenständig als auch in Kombination mit externen Systemen nutzbar. Im letzteren Fall kann der Datenfluß zwischen dem externen System und FermentationExpert transparent konfiguriert werden. Die Rezepturverwaltung wurde mit dem gleichen „Look and Feel“ realisiert wie die anderen Funktionalitäten. Es werden ebenfalls logische Blöcke von Paletten dupliziert, mit anderen Blöcken verbunden und anwendungsspezifisch konfiguriert. Durch die Kombination von virtuellen Sensoren mit der Erkennung von Ereignissen ermöglicht FermentationExpert konfigurierbare und intelligente Kontrollstrategien, Alarmstrategien sowie eine metabolisch basierte Überwachung und Kontrolle.
Die Batchverwaltungsfunktion macht Informationen beispielsweise zu folgenden Punkten zugänglich:
• manueller oder automatischer Wechsel des Stellwertes,
• Bedieneraktionen,
• Offline-Dateneingabe und Fehlerentdeckung,
• Ereignisentdeckung einschließlich Änderungen der Wachstumsphasen und des Substrats,
• abgeleitete Werte wie Gesamtzufuhr des Substrats oder Herleitung von Prozeßvariablen.
Die Batch-Management-Funktionalitäten nutzen die Rezepturverwaltungsmöglichkeiten von FermentationExpert, um Einzelheiten des Batchprozesses in einer relationalen Datenbank oder in flachen Textdateien zu speichern bzw. sie wieder auszugeben. Sie können ebenfalls problemlos in vorhandene Batch-Management-Systeme des Endanwenders integriert werden.
Historische Trend-Analysen
Mit den Trend-Diagrammen in FermentationExpert verfügt der Anwender über schnelle Vergleichsmöglichkeiten zwischen der gerade stattfindenden Fermentation und bereits durchgeführten Fermentationen. Zuzüglich zu den standardmäßig von G2 zur Verfügung gestellten grafischen Darstellungsformen gibt es in FermentationExpert folgende vorkonfigurierten Trenddiagramme: Single-Batch Trend, Multi-batch Trend und PID-Schleifen-Trenddiagramme.
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