Fortschrittliche Steuerungstechnik zählt zu den wichtigsten Technologien in der modernen industriellen Großproduktion. Durch ihren Einsatz lassen sich diverse Probleme lösen, die mit konventionellen Steuerungsmethoden nicht bewältigt werden können. Sie erfüllt die Anforderungen an Sicherheit, Effizienz, Qualität und geringen Ressourcenverbrauch in Produktionsprozessen und ermöglicht es Anwendern, mit vergleichsweise geringen Investitionen höhere wirtschaftliche Vorteile zu erzielen. Laut einschlägigen Statistiken sind im Ausland bereits über 5.000 bekannte Softwarepakete für fortschrittliche Steuerungstechnik im Einsatz und konkurrieren derzeit in China um Marktanteile. Zahlreiche chinesische Universitäten, Forschungseinrichtungen und große petrochemische Unternehmen begannen Ende der 1980er-Jahre mit der Erforschung und Anwendung verschiedener Theorien und Technologien der fortschrittlichen Steuerungstechnik. Sie führten angewandte Forschung an komplexen industriellen Prozessen durch und erzielten dabei beachtliche Forschungsergebnisse und sammelten wertvolle technische Erfahrungen. Soda, auch Natriumcarbonat (Na₂CO₃) genannt, ist ein wichtiger industrieller Rohstoff, bekannt als „Grundlage der Chemie“. Produktion und Verbrauch von Soda dienen häufig als Indikatoren für den industriellen Entwicklungsstand eines Landes. Aufgrund des langen und kontinuierlichen Produktionsprozesses von Soda mit seinen starken Korrelationen und Kopplungseigenschaften kann die konventionelle Steuerung die komplexen Probleme der industriellen Produktionssteuerung jedoch nicht effektiv lösen. Ein Großunternehmen der Sodaproduktion führte als erstes die fortschrittliche Steuerungssoftware APC-Adcon und intelligente Steuerungstechnologien in seinen Produktionsprozess ein. Durch die Kombination von Prozesssteuerungskonzepten für Sodaanlagen mit praktischer Betriebserfahrung entwickelte das Unternehmen ein fortschrittliches Steuerungssystem für die Sodaanlage. Dies verbesserte die Stabilität und Regelungsleistung des Anlagenbetriebs, reduzierte den Energieverbrauch und verringerte die Arbeitsbelastung der Bediener. Die fortschrittliche Steuerungstechnologie steigerte die Regelungseffektivität des Sodaproduktionsprozesses signifikant und fand breite Beachtung in der Sodaindustrie und der Öffentlichkeit. Architektur der fortschrittlichen Steuerungssoftware: Die von Zhejiang Zhongkong Software Technology Co., Ltd. entwickelte Software APC-Adcon ist eine Software für die multivariate prädiktive Regelung industrieller Prozesse. Sie eignet sich für die Steuerung großtechnischer Prozesse in der Ölraffinerie, Petrochemie, Chemie und Metallurgie und ist besonders geeignet für komplexe multivariate Prozesse, die mehrere Regelungsstrategien und -strukturen erfordern. Sie lässt sich problemlos in jedes DCS- oder SPS-Steuerungssystem integrieren. Zu den Grundfunktionen gehören: Sicherstellen, dass jede Regelgröße ihren Sollwert gemäß der vorgegebenen Regelgüte erreicht, vorausgesetzt, die Regel- und Stellgrößen erfüllen die vorgegebenen Positions- und Geschwindigkeitsbeschränkungen; Vorsteuerung messbarer Störungen; und lokale Optimierung. APC-Adcon berücksichtigt umfassend die vielfältigen Anforderungen realer Steuerungssysteme und gewährleistet so Systemleistung und Reglerrobustheit. Die fortschrittliche, prädiktive Mehrgrößenregelungssoftware von APC-Adcon ermöglicht die Echtzeitsteuerung von Produktionsprozessen, bietet eine Upload-Schnittstelle und kann relevante Daten in Echtzeit an das Unternehmensmanagementnetzwerk übermitteln. Dies erleichtert die Datenintegration zwischen Prozessleitsystemen und Informationssystemen. APC-Adcon nutzt fortschrittliche und ausgereifte Technologien aus den Bereichen Informatik, Netzwerkkommunikation, Industrieautomation und Technologiemanagement und sichert sich damit eine führende Position in Schlüsseltechnologien. Das System basiert auf einer fortschrittlichen, verteilten, mehrschichtigen, komponentenorientierten Anwendungsarchitektur und bietet verteilte Software- und Anwendungsstrukturen. Es findet heute breite Anwendung in wichtigen Raffinerien, petrochemischen Anlagen und Chemieanlagen, beispielsweise für katalytisches Cracken, kontinuierliches Reformieren, PTA und PX, und zählt zu den besten kommerziell erhältlichen Engineering-Softwareprodukten für die fortschrittliche Mehrgrößen-Prozesssteuerung. Die Struktur der COM-basierten, komponentenorientierten Steuerungssoftware ist in Abbildung 1 dargestellt. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, dient jedes Funktionsmodul des fortschrittlichen Reglers als Standardkomponente, die verschiedene fortschrittliche Steuerungsalgorithmen und -funktionen bündelt und sprachunabhängig ist, was eine Plug-and-Play-Funktionalität ermöglicht. Darüber hinaus müssen die Steuergeräte je nach den Anforderungen vor Ort eins zu eins den fortschrittlichen Steuerungsalgorithmen entsprechen. Das modulare Framework erfüllt diese Anforderung optimal, vereinfacht die Programmierung und erhöht die Stabilität des Steuerungssystems erheblich. Anwendung von APC-Adcon im Soda-Produktionsprozess: 1. Einführung in den Produktionsprozess und die Steuerungsprobleme: Ein großes Soda-Unternehmen nutzt das Ammoniak-Soda-Verfahren zur Alkaliherstellung. Der Prozess umfasst im Wesentlichen die Raffination von Rohsalz zu gesättigter Sole und die anschließende Absorption von Ammoniak zur Bildung von Ammoniaksole. Die Ammoniaksole reagiert in einem Reinigungsturm mit Kohlendioxid, das beim Kalzinieren von Kalkstein entsteht, zu einer vorkarbonisierten Flüssigkeit. Diese wird in einem Karbonisierungsturm mit hochkonzentriertem Kohlendioxid zu einer Natriumhydrogencarbonat-Suspension umgesetzt. Die entstehenden Natriumhydrogencarbonat-Kristalle werden filtriert und in einem Kalzinierungsofen kalziniert, um Soda und hochkonzentriertes Kohlendioxid zu gewinnen. Das Kohlendioxid wird nach Kühlung und Kompression in den Karbonisierungsturm zurückgeführt, um an der Karbonisierungsreaktion teilzunehmen. Die Mutterlauge, aus der das Natriumhydrogencarbonat abfiltriert wird, wird erhitzt und destilliert, um Ammoniak zu gewinnen. Der Hauptprozess der Ammoniak-Soda-Herstellung umfasst: Salz- und Soleaufbereitung, Ammoniak-Wasser-Herstellung, Karbonisierung und Schweralkalifiltration, Schweralkalikalzinierung, Ammoniakrückgewinnung und Kalksteinkalzinierung. Durch die Implementierung eines Prozessleitsystems (DCS) an allen Produktionsstationen der Soda-Produktionslinie konnte die Produktionseffizienz deutlich gesteigert und die Fehlerrate erheblich reduziert werden. Die konventionelle Regelungstechnik ist jedoch aufgrund der komplexen Eigenschaften des Soda-Herstellungsprozesses, wie z. B. großer reiner Zeitverzögerungen und multivariater Kopplung, nicht ausreichend. Wichtige Prozessparameter erfordern weiterhin die manuelle Steuerung durch Bediener, was zu Kompromissen bei den Prozessparametern und der Produktqualität sowie zu einem hohen Arbeitsaufwand führt. Um den Automatisierungsgrad weiter zu verbessern, haben wir in Schlüsselprozessen der Soda-Herstellung – dem Kalkofenprozess, dem Karbonisierungsprozess und dem Kompressionsprozess – fortschrittliche Regelungstechnologien implementiert. Der Einsatz dieser Technologien verbessert die Betriebsstabilität der Anlage und reduziert die Schwankungsbreite wichtiger Prozessparameter, wie z. B. der Kalkofen-Austrittstemperatur, der Temperatur in der Mitte des Karbonisierungsturms, des Karbonisierungsturmdrucks und der Alkali-Austrittstemperatur des Karbonisierungsturms. Aufbauend auf der Prämisse der Verbesserung der Stabilität des fortschrittlichen Steuerungssystems realisiert das Projekt automatische Ascheaustrags- und Dosierfunktionen im Kalkofen, optimiert die Produktionslastverteilung und den Betriebszustandsausgleich im Kalkofen und Karbonisierungsturm und passt die Kompressordrehzahl in Echtzeit an den wechselnden Bedarf an Gesamtgasmengen für Reinigungsgas, Zwischengas und Nachgas im Karbonisierungsprozess an. 2. Fortschrittliches Steuerungskonzept: Dieses Projekt umfasst drei APC-Adcon-Regler zur Steuerung von Kalkofen, Karbonisierungsturm und Kompressoreinheiten im Soda-Produktionsprozess: I. Kalksystemregler mit Kalkprozessregler; II. Karbonisierungssystemregler mit Karbonisierungsprozessregler; III. Kompressionssystemregler mit Kompressionsprozessregler. Die Verbindungen zwischen den Reglern werden durch Materialbilanzen und Prozessberechnungen abgebildet. Für die speziellen Anforderungen der Anlage wurden auf Basis kundenspezifischer Reglertechnologie spezielle Steuerungs- und Optimierungsstrategien für Kalkofen, Karbonisierungsturm und Kompressoreinheiten entwickelt. Das Gesamtkonzept des fortschrittlichen Steuerungssystems ist in Abbildung 2 dargestellt. Das fortschrittliche Steuerungssystem der Soda-Produktionsanlage dieses Unternehmens ist auf der verteilten Steuerungssystemplattform DCS implementiert, und die zugehörige Software läuft auf dem Host-Rechner dieses Systems. Der Host-Rechner nutzt die vom DCS bereitgestellte Schnittstellensoftware als OPC-Server und führt über einen Hub einen bidirektionalen Datenaustausch durch, wodurch eine zuverlässige bidirektionale Datenkommunikation zwischen Host-Rechner und DCS gewährleistet wird. 3. Reglerstruktur des fortschrittlichen Steuerungssystems Die Reglerstruktur beschreibt die Regel- und Stellgrößen vollständig im Hinblick auf die Steuerungsanforderungen. Die von APC-Adcon verwendete Reglerstruktur zeichnet sich durch hohe Flexibilität aus; sie kann vom Benutzer online konfiguriert oder angepasst werden. Die Reglerstruktur von APC-Adcon ist in Abbildung 3 dargestellt und umfasst: (1) Beschreibung der Stellgrößen: • Beschränkungen: Minimum, Maximum und Drehzahl • Idealer Verweilwert (IRV): Wert und Annäherungsgeschwindigkeit an den IRV-Wert • Maximierung (bzw. Minimierung): Wert und Annäherungsgeschwindigkeit an den Maximal- (bzw. Minimal-)Wert (2) Beschreibung der Regelgrößen (Hilfsgrößen): • Beschränkungen: Minimum, Maximum und Drehzahl • Sollwertregelung: Zeitverhalten des geschlossenen Regelkreises • Sollwertregelung: Zeitverhalten des geschlossenen Regelkreises (Grenze, innerhalb und außerhalb der Sollwertgrenze) • Idealer Verweilwert (IRV): Wert und Annäherungsgeschwindigkeit an den IRV-Wert • Maximierung (bzw. Minimierung): Wert und Annäherungsgeschwindigkeit an den Maximal- (bzw. Minimal-)Wert (3) Fehlertolerante Regelungsfunktion: Das Regelungsziel kann je nach Betriebsbedingungen und Betriebsart variieren, und auch die spezifischen Anforderungen an die verschiedenen Variablen können unterschiedlich sein. Bei Ausfall eines Sensors oder Aktors ändert sich die Regelgröße. Für solche unerwarteten Situationen bietet APC-Adcon sichere Lösungen, darunter die Anpassung der Regel- und Stellgrößen, die Echtzeit-Planungssteuerung usw. 4. Analyse der Betriebswirkung von APC-Adcon: Die fortschrittlichen Steuerungssysteme für den Soda-Produktionsprozess – das Kalkofen-Steuerungssystem, das Karbonisierungsturm-Steuerungssystem und das Kompressor-Steuerungssystem – haben nach der Inbetriebnahme signifikante Wirkungen gezeigt, insbesondere in folgenden Aspekten: Die fortschrittlichen Steuerungssysteme passen relevante Parameter automatisch in Echtzeit gemäß den vorgegebenen Zielwerten an, wodurch die Arbeitsbelastung der Bediener reduziert und Störungen durch manuelle Anpassungen deutlich minimiert werden; Die fortschrittlichen Steuerungssysteme stabilisieren die Betriebsparameter jeder Einheit und reduzieren Schwankungen; Die fortschrittlichen Steuerungssysteme koordinieren die Produktionslasten basierend auf den Betriebsbedingungen paralleler Produktionseinheiten und nutzen so das Potenzial jeder Einheit voll aus, während gleichzeitig die Betriebsbedingungen ausgeglichen werden; Die fortschrittlichen Steuerungssysteme halten durch die Stabilisierung verschiedener Betriebsindikatoren der Einheiten ein hohes Niveau an effektiver Kalksteinzersetzungsrate, Ofengaskonzentration und Karbonisierungsumwandlungsrate aufrecht; Die fortschrittlichen Steuerungssysteme erfüllen die Echtzeitanforderungen des Karbonisierungsprozesses für Reinigungsgas, Zwischengas und Vorstufengas durch die Echtzeit-Anpassung der Kompressordrehzahl. Dies reduziert den Arbeitsaufwand und stabilisiert die Produktion. Im Folgenden wird der Betriebszustand der drei Teilsysteme im Soda-Produktionsprozess vor und nach der Inbetriebnahme der fortschrittlichen Steuerungssysteme beschrieben. (1) Kalkofensystem: Die Bodentemperatur des Kalkofensystems ist ein wichtiger Steuerungsparameter und ein wesentlicher Indikator für den Betriebszustand des Kalkofens. Nachfolgend ein Vergleich vor und nach der Inbetriebnahme des fortschrittlichen Steuerungssystems: Vor Inbetriebnahme des fortschrittlichen Steuerungssystems des Kalkofens : Nach Inbetriebnahme des fortschrittlichen Steuerungssystems des Kalkofens: (2) Karbonisierungsturmsystem: Die mittlere Temperatur und der Bodendruck des Karbonisierungsturms sind wichtige Indikatoren für den Karbonisierungsprozess. Diese Parameter geben direkt Aufschluss darüber, ob der Karbonisierungsturm stabil arbeitet und ob die Umwandlungsrate den Anforderungen entspricht. Daher ist die Kontrolle dieser Betriebsindikatoren Voraussetzung für hohe Qualität und hohe Ausbeute. Nachfolgend ein Vergleich der Druckänderungen im Boden des Karbonisierungsturms vor und nach Inbetriebnahme des fortschrittlichen Steuerungssystems. Bodendruck des Alkaliturms vor Inbetriebnahme des fortschrittlichen Steuerungssystems: Bodendruck des Karbonisierungsturms nach Inbetriebnahme des fortschrittlichen Steuerungssystems: (3) Kompressorsystem: Das fortschrittliche Steuerungssystem des Kompressors passt den Gesamtstrom von Reinigungsgas, Gas im mittleren und unteren Bereich in Echtzeit durch die Anpassung der Kompressordrehzahl an, um den Bedarfsänderungen des Gesamtstroms der drei Gasbereiche während des Karbonisierungsprozesses gerecht zu werden und einen Gasausgleich zu gewährleisten. Nachfolgend ein Vergleich der Änderungen im Gas im mittleren Bereich vor und nach Inbetriebnahme des fortschrittlichen Steuerungssystems. Soll- und Istwerte des Gasdurchflusses im Zwischenabschnitt vor Inbetriebnahme des fortschrittlichen Regelsystems des Kompressors: Soll- und Istwerte des Gasdurchflusses im Zwischenabschnitt nach Inbetriebnahme des fortschrittlichen Regelsystems des Kompressors: Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Implementierung der fortschrittlichen Regelung im Kalkofen, im Karbonisierungsturm und in der Kompressoreinheit des Soda-Produktionsprozesses Störungen und Verzögerungen effektiv beseitigt, den Automatisierungsgrad der Anlage deutlich erhöht, die Bedienungsmethoden vereinheitlicht, die Arbeitsbelastung der Bediener reduziert und die Stabilität der Prozessparameter der Anlage stabilisiert. Gleichzeitig werden optimale Betriebsbedingungen der Anlage gewährleistet, der Output maximiert und die Qualität optimiert. Das fortschrittliche Regelsystem ist einfach zu bedienen und erzielt eine hohe Regelgenauigkeit, was es bei Verfahrenstechnikern und Anlagenbedienern beliebt macht. Die fortschrittliche Regelung zählt zu den wichtigsten Technologien in modernen industriellen Großproduktionsprozessen. Durch den Einsatz fortschrittlicher Steuerungstechnik lassen sich verschiedene Probleme lösen, die mit herkömmlichen Steuerungsmethoden nicht bewältigt werden können. Bis zu einem gewissen Grad können so die Anforderungen der Menschen an Sicherheit, Effizienz, Qualität und geringen Verbrauch im Produktionsprozess erfüllt werden, wodurch die Anwender mit relativ geringen Investitionen größere wirtschaftliche Vorteile erzielen können.