Fertiges Modell in sechs Schritten

Dipl.-Ing. (FH) André Bosman

In der Industrie werden seit vielen Jahren datengetriebene mathematische Modelle wie künstliche Neuronale Netze oder Fuzzy-Technologie eingesetzt. Der Nutzen solcher Modelle, Prognosen für die Optimierung eines Prozesses zu erstellen oder den Einfluss der Prozessparameter zu beschreiben, liegt auf der Hand. Trotzdem ist der praktische Einsatz, also eine Online-Anbindung der Modelle an den Prozess, ein eher seltenes Phänomen. Dies hat vor allen Dingen mit den technischen Anforderungen einer Online-Anbindung zu tun, die oftmals nicht zu den Kernkompetenzen der Anbieter mathematischer Modelle gehören. So müssen z. B. Schnittstellen zum Anlagenfahrer geschaffen werden, damit dieser in Echtzeit und automatisiert auf die Prognosen zugreifen kann. Ein weiteres Problem ist eine umfassende Datenlage, die für das Erstellen eines datengetriebenen Modells zwingend erforderlich ist. Hat ein Unternehmen kein System zur Datenarchivierung wie etwa ein BDE oder MES zur Verfügung, müssen die Daten erst oft mühsam zusammengestellt werden.

Mit der ProcessEdition von D.O.M.-Technologies wird allen Problemen einer Online-Anbindung datengetriebener Modelle nun konsequent begegnet. Das der Process-Edition zugrunde liegende Konzept des Optimierungskreislaufs hat für alle Anforderungen eine passende Lösung parat: Datenarchivierung, Modellerstellung und Onlineanbindung. Die einzelnen Module können separat für bestimmte Problemstellungen eingesetzt oder als Gesamtpaket installiert werden. Bestehende Komponenten, wie ein vorhandenes Datenarchivierungssystem oder bereits erstellte Modelle anderer Hersteller, können daher jederzeit in den Optimierungskreislauf eingebunden werden.

Nicht immer werden die Daten, die von der Prozesssteuerung verwendet werden, auch archiviert. Datengetriebene Modelle sind aber auf historische Datenbestände angewiesen, um Zusammenhänge innerhalb eines Prozesses mathematisch abbilden zu können. Um unabhängig von solchen Datenarchiven zu sein, enthält die ProcessEdition den ProcessManager. Dieses Prozessdatenarchivierungs-System liest die Prozessdaten sowohl über definierte Standardschnittstellen wie OPC oder ODBC, aber auch mittels frei programmierbarer Formate aus der Prozesssteuerung aus. Dank der universellen Datenbankschnittstelle können die Daten nun in einer beliebigen Datenbank (Access, Oracle, Foxpro…) gespeichert werden.

Mit dem OPC/ODBC-Explorer können alle Sensoren, deren Daten archiviert werden sollen, per Drag&Drop in den ProcessManager gezogen werden. Sofort beginnt das Programm mit dem Auslesen und Archivieren der Prozessdaten. Selbstverständlich können die Daten jederzeit auch grafisch off- und online betrachtet werden. Optional zu integrierende Chargen- und Rezeptmodule ermöglichen es dem ProcessManager, die Prozessdaten zeitreihenunabhängig den Produkten zuzuordnen.

Zum Erstellen datengetriebener mathematischer Modelle wurde das Programm ProcessAnalysis in die ProcessEdition integriert. Hier wurde besonders darauf geachtet, dem Anwender die Modellierung möglichst einfach zu machen. Ein umfassendes Spezialwissen über den mathematischen Hintergrund ist für die Modellierung also nicht notwendig. Die auf der Programmoberfläche enthaltene Hilfe ermöglicht es dem Anwender innerhalb von nur sechs Schritten ein fertiges Modell zu erstellen.

Trotz seiner Einfachheit in der Oberflächenbedienung besticht ProcessAnalysis durch die besonderen Eigenschaften des Prognosealgorithmus. So basiert das mathematische Verfahren auf modernster Fuzzy-Technologie. Die Regeln, mit denen das Modell Prognosen erstellt, werden aber vom Programm selbst erstellt. Neben den analogen Werten eines Sensors oder einer Analyse können aber auch Zustände, wie etwa „Ein/Aus” oder „Gut/Schlecht” sowohl für die Eingangsdaten, als auch für die Ausgänge verwendet werden. Daneben erstellt das regelbasierte Modell über den gesamten Datenraum eine Matrix mit eigenen Funktionen. Das bedeutet, dass nicht eine einzige Funktion die Zusammenhänge des Prozesses abbilden muss, sondern mehrere, wobei auch Sonderfälle und Ausreißer berücksichtigt werden. Diese Universalmatrix ermöglicht es dem Modell Prognosen zu machen, auch wenn noch gar nicht alle Eingangswerte vorhanden sind. Dies ist gerade bei Verfahren mit hohem analytischem Aufwand von Vorteil, da man sich so die eine oder andere Messung ersparen kann. Des Weiteren erlaubt der Regel-Editor dem Anwender, das Modell, im Gegensatz zu Neuronalen Netzen, zu modifizieren und anzupassen. Prognosen in einem Datenbereich, der praktisch nicht sein kann oder darf, wie etwa Sicherheitsgrenzen in Kühlwasserkreisläufen, können somit von vorneherein ausgeschlossen werden. Ein weiteres Feature von ProcessAnalysis ist die Sensitivitätsanalyse, mit der die Einflüsse der einzelnen Prozessparameter auf die Zielgröße analysiert und bestimmt werden.

Prozessoptimierung, im Sinne der Verbesserung eines verfahrenstechnischen Prozesses, bedeutet in der Regel die Bestimmung und Optimierung von beeinflussbaren Prozessgrößen. Die Prognosen eines solchen Modells sind, wenn sie nicht gerade offline in der Entwicklung eingesetzt werden, schließlich nur dann von wirtschaftlichem Nutzen, wenn sie online einen laufenden Prozess verbessern. Im letzten, aber entscheidenden Schritt des Optimierungskreislaufs, geht es daher um die Anbindung der mathematischen Modelle an den Prozess.

Um die Stellwerte für bestimmte Prozessgrößen abhängig von festen und variablen Einflussgrößen zu bestimmen, benötigt man einen mathematischen Optimierer. Dieser errechnet, basierend auf dem Prognosemodell und den aktuellen Prozessparametern, für einen oder mehrere Prozessgrößen den bestmöglichen Einstellungswert. D.O.M.-Technologies verwendet dafür einen evolutionären Algorithmus, der innerhalb der vom Anwender vorgegebenen Grenzen die Optima für einzelne Prozessgrößen errechnet.

Um dies in der Praxis möglichst unkompliziert zu realisieren, ist eine grafische Oberfläche namens ProcessOnline entwickelt worden. Per Drag&Drop werden Datenquellen und -senken wie OPC oder ODBC sowie Modelle und Optimierer auf der Oberfläche platziert und via Datenlinks miteinander verbunden. Alle Daten können als XY-Grafik online betrachtet werden. Dem Anwender werden so die aktuellen Prognosen für seinen Prozess und die optimalen Einstellungen seiner Parameter präsentiert. Ob und wie er darauf reagieren wird, hängt dann von seinem Ermessen ab.

Um möglichst allen unterschiedlichen Anforderungen, die natürlich jeder Anwender an seinen Optimierungskreislaufs hat, gerecht zu werden, gibt es im Prinzip zwei Möglichkeiten: Zum einen könnte man ein oder mehrere Programme entwickeln, die nahezu alle Bedürfnisse befriedigen, was aber bei der Fülle der möglichen Anforderungen fast unmöglich scheint. Die andere Möglichkeit ist, ein skalierbares System aus Komponenten zu schaffen, das getestet und praxistauglich für spezielle Anforderungen zusammengestellt und notfalls erweitert werden kann. D.O.M.-Technologies hat sich für den zweiten Ansatz entschieden, da sich diese Technik als sehr robust, aber äußerst flexibel erwiesen hat. Im Grunde besteht auch die ProcessEdition aus Komponenten, die zu den einzelnen Clients zusammengefügt wurden. Die Vorteile der Komponenten-orientierten Entwicklung sind neben der kürzeren und vor allen Dingen kostengünstigeren Programmierung auch die Möglichkeit des Anwenders, eigene Applikationen zu entwickeln. Das Programmiermodell der ProcessEdition kann dazu in alle gängigen Office-Produkte und Entwicklungsumgebungen von Microsoft eingebunden werden.

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