Noch immer sind viele Trocknungsprozesse in der Lebensmittelindustrie nicht energetisch optimiert. Dabei lässt sich dies mithilfe der modellbasierten prädiktiven Regelung – kurz MPC – auch nachträglich sehr einfach realisieren. Dies gilt insbesondere für Prozessleitsysteme wie Simatic PCS 7, die alle dafür erforderlichen Werkzeuge bereits an Bord haben. Die möglichen Energieeinspareffekte können zwischen 3 und 50 % liegen.

Trockenprozesse in der Lebensmittelindustrie lassen sich mit modernen Regelungsstrategien in energetischer Hinsicht optimieren. Einspareffekte zwischen 3 und 50 % sind möglich

Energetisch optimierte Trocknungsprozesse durch modellbasierte prädiktive Regelung

Alle Werkzeuge an Bord

Das MPC-Engineeringtool enthält leistungsfähige Werkzeuge für das Erstellen, Prüfen und Verifizieren von Prozessmodellen sowie den Entwurf und die Simulation von Prädiktivreglern

Ob chargenweise oder kontinuierlich ablaufend, Trocknungsvorgänge erfordern naturgemäß einen hohen Energieeinsatz. Ziel ist es, immer die technisch und wirtschaftlich optimale Trockentemperatur zu erreichen und diese möglichst exakt einzuhalten. Dabei zählt jedes Grad, weil es infolge unzureichender Trocknung zu Qualitätseinbußen oder Nachteilen in anschließenden Prozessschritten, bei der Verarbeitung oder Lagerung kommen kann. Beispielsweise zu Verklumpungen und damit Nacharbeit, aber auch zu Fäulnis und Schimmel und damit vollständiger Unbrauchbarkeit. Oder aber es bleiben unerwünschte Rückstände wie Lösemittel im Trockengut enthalten.

Um auf der „sicheren Seite" zu sein, wird immer noch zu oft einfach die Trockentemperatur erhöht. Aber das Übertrocknen kann dem Produkt schaden, verschwendet Energie und somit Geld und reduziert mitunter auch mit dem Produktgewicht den Verkaufserlös.

Es geht auch anders – und zwar mit den „gehobenen" Regelungsfunktionen des Prozessleitsystems Simatic PCS 7 von Siemens. Diese Advanced-Process-Control-Funktionen (APC) sind zu einem Großteil fester Bestandteil des Prozessleitsystems und müssen nur genutzt werden. Das heißt: In der Regel kommt man ohne Zusatzinvestition und mit geringem Engineeringaufwand ans Ziel.

Enthalten ist auch die leistungsfähigste APC-Methode, der sogenannte modellbasierte prädiktive Regler (MPC) in einer Lean-Version für Regelungskonzepte einer Größe bis zu 4 x 4 x 1, mit bis zu vier miteinander gekoppelten Regelgrößen (CV), vier Stellgrößen (MV) und mit einer messbaren Störgröße (DV). Für noch höhere Ansprüche ist auch eine Large-Version des MPC von Drittanbietern verfügbar, die auf einem externen PC läuft und per OPC angekoppelt wird.

Einfaches Handling

Der schlanke MPC läuft als Standardfunktionsbaustein (ModPreCon) auf Automatisierungssystemen der Baureihe Simatic S7-400 von Siemens. Er ist nahtlos integriert in die grafische Programmiersprache CFC (Continuous Function Chart) und kann wie ein konventioneller PID-Regler mithilfe vorgefertigter Messstellentypen aufwandsarm verschaltet werden. Zum Bedienen und Beobachten ist ein Standard-PCS-7-Bedienbild (Faceplate) enthalten. Das Look & Feel entspricht dem herkömmlicher PID-Regler, was Einarbeitung und Handling an sich vereinfacht. Der MPC erfordert weder eine Überwachung der Kommunikation mit externen PCs noch spezielle Backupstrategien, weil hohe Verfügbarkeit durch den Ablauf direkt in der prozessnahen Komponente gewährleistet ist.

Kern jedes prädiktiven Reglers ist ein dynamisches Prozessmodell, das das Verhalten des realen Prozesses beschreibt, d. h. den Zusammenhang zwischen allen Ein- und Ausgangsgrößen unter Berücksichtigung zeitlicher Verzögerungen wiedergibt. Dieses Modell wird typischerweise anhand von Messdaten identifiziert, sodass die grundsätzliche Vorgehensweise mit der beim PID-Tuning vergleichbar ist:

· Prozess anregen mit Stellgrößensprüngen im Handbetrieb des Reglers, Messdaten aufzeichnen und speichern. Beim MPC-Konfigurator von Simatic PCS 7 erfolgt dies mit dem CFC-Trendkurvenschreiber.

· Prozessmodell identifizieren: Daten in den MPC-Konfigurator laden, CVS, MVs und DVs zuweisen, Zeitausschnitt wählen und gegebenenfalls filtern.

· Modell verifizieren, d. h. im Idealfall mit anderen Messdaten als den Lerndaten simulieren.

Der Konfigurator schlägt automatisch eine sinnvolle Abtastzeit für den Regler vor. Im Rahmen des Reglerentwurfs kann der Anwender noch Vorgaben für das Gütekriterium machen und verschiedene Regelgrößen unterschiedlich gewichten, beispielsweise „Sicherheit geht vor Produktqualität", „ Produktqualität geht vor Ressourceneinsparung". Oder der Anwender kann Stellgrößenänderungen verschiedener Stellkanäle unterschiedlich bestrafen. Mit der Größe der Bestrafung wird das Verhalten dieser Stellgröße langsamer und die entsprechenden Stellglieder werden schonender bewegt.

Vor der Anwendung in der realen Anlage wird das Verhalten des geschlossenen Regelkreises üblicherweise noch anhand des identifizierten Prozessmodells simuliert und bei Bedarf feinjustiert. Danach kann der ModPreCon in Betrieb genommen und in der Praxis getestet werden.

Beispiel aus der Praxis

Je größer die Einsparung, umso schneller amortisiert sich die Investition, sodass sich unter bestimmten Voraussetzungen sogar die Neuanschaffung des Prozessleitsystems Simatic PCS 7 rechnet. Das war bei einem Hersteller von Speiseöl der Fall, der den Prozess des Entbenzinierens und Toastens von Sojaschrot optimieren und den Dampfverbrauch reduzieren wollte. Das vorhandene Prozessleitsystem ließ sich jedoch nicht um die Advanced-Process-Control-Funktionalität erweitern. Deshalb wurde in Abstimmung mit einem lokalen Systemintegrator und Siemens schließlich nur für diesen Teil der Anlage nachträglich ein Simatic PCS 7-System mit dem modellbasierten prädiktiven Regler installiert.

Der MPC wurde in einer Kaskadenschaltung mit dem vorhandenen PID-Regler gekoppelt und zur Regelung der Menge (MV) des direkt in den Toasterteil eingeleiteten Dampfes abhängig von der Brüdentemperatur (CV, 70°C) und dem schwankenden Massenstrom des Sojaschrotes (DV) am Einlauf genutzt. Damit lässt sich die Sollmenge in wesentlich engeren Grenzen auf konstantem Niveau halten, was zu einer Reduzierung des Dampfverbrauchs gegenüber der zuvor manuell eingestellten PID-Regelung um bis zu 50 % geführt hat – bei gleichzeitig höherer Prozess- und Produktqualität.

Durch die hohe Einsparung hat sich die gesamte Neuinvestition innerhalb des ersten Betriebsjahres voll amortisiert. Basis für die Arbeit des lokalen Systemintegrators war eine telefonische Vorabinformation durch Siemens. Die Umsetzung erfolgte in kürzester Zeit. Beides verdeutlicht die einfache Handhabung. Der Anlagenbetreiber ist mit der neuen Lösung durchweg zufrieden und wird diese auf weitere Anlagen an anderen Standorten übertragen und auch dort Kosten reduzieren.

Auch in modernen, mit den herkömmlichen Werkzeugen und Methoden optimierten Trocknungsprozessen der Lebensmittelindustrie wurden mit der modellbasierten prädiktiven Regelung unter Simatic PCS 7 bereits Energieeinsparungen zwischen 3 und 10 % erzielt. Wer das Prozessleitsystem Simatic PCS 7 ohnehin schon nutzt, kann dieses Einsparpotenzial mit geringem Engineeringaufwand ausschöpfen. Neben der besprochenen Anwendung beim Entbenzinieren/Toasten in der Speiseölherstellung hat sich die modellbasierte prädiktive Regelung auch beim Vakuumtrocknen bei der Trockenmilchherstellung oder beim Wirbelschichttrocknen in der Zuckerindustrie bewährt.

Online-Info www.dei.de/0411408

Dipl-Ing. Alexander Scholl