Optimierungsbasierte Regelung verfahrenstechnischer Prozesse Teilantrag 3: Optimierungsbasierte Regelung des VARICOL-Prozesses
Final Report Abstract
SMB-Prozesse realisieren durch eine Ringschaltung mehrerer chromatographischer Säulen und periodisches Umschaltung der Zufuhr- und Entnahmestellen einen Gegenstrom zwischen Festphase und der die zu trennenden Komponenten enthaltenden Flüssigphase. Beim klassischen SMB-Prozess werden alle Zufuhr- und Entnahmeports zeitgleich geschaltet. Beim VariCol-Prozess erfolgt die Schaltung der einzelnen Zu- und Abläufe zu unterschiedlichen Zeiten, allerdings weiterhin so, dass sich ein periodischer Umlauf ergibt. Wie in diesem Projekt gezeigt wurde, ermöglicht dieser Freiheitsgrad einen effizienteren Betrieb der Anlage, stellt aber noch höhere Anforderungen an die Algorithmen einer modellbasierten automatisierten Prozessführung. In diesem Projekt wurde eine modellbasierte Regelung für SMB- und VariCol-Prozesse entwickelt, die online eine wirtschaftliche Kostenfunktion auf einem endlichen Horizont optimiert. Hierfür wurde eine hocheffiziente Numerik auf Basis der Mehrziel-Optimierung, die im Softwarepaket MUSCODII bereitgestellt wird, verwendet. Der Schwerpunkt der Projektbearbeitung in der zweiten Phase lag auf dem Problem der Zustandsschätzung für SMB-Prozesse. Bisher wurde, auch bei der experimentellen Erprobung, der Systemzustand durch reine Vorwärtssimulation ausgehend von einem aus den Messungen zusammengesetzten Konzentrationsprofil bestimmt. Dies setzt ein sehr präzises Modell und geringe Störungen voraus. Für die Zustandsschätzung wurde angenommen, dass drei online Konzentrationsmessungen verfügbar sind, und zwar in den beiden Produktentnahmeleitungen und an einer festen Stelle zwischen den Säulen. Für die Zustandsschätzung wurden zwei verschiedene Konzepte realisiert und erprobt, eine Schätzung durch Fehlerminimierung über einen endlichen Horizont (moving horizon estimation) mit gleichzeitiger Schätzung von Adsorptionsparametern unter der Annahme identischer Säulen, und eine Schätzung von Konzentrationsprofilen und Parametern einzelner Säulen. In beiden Fällen ist die besondere Herausforderung die Schätzung von einigen Hundert Systemzuständen aus 4-6 verfügbaren Konzentrationssignalen. Das Regelungskonzept wurde experimentell an einer reaktiven Chromatographieanlage nach dem Hashimoto-Prozess zur Trennung Trögerscher Basen erprobt. Nach einer großen Störung (Ausfall einer Pumpe) wurde die Reinheitsvorgabe durch den Regler schnell wieder erfüllt und anschließend der Lösungsmittelverbrauch um ca. 30% reduziert. Simulative Untersuchungen der Auswirkungen von Modellfehlern zeigten, dass der hinsichtlich des Lösungsmittelverbrauchs optimale Betriebspunkt sehr sensitiv gegen Modellparameterfehler ist, so dass die Regelung bei bestimmten Reinheiten nicht befriedigend arbeitet. Erzwingt man einen anderen Arbeitspunkt durch einen zusätzlichen Term im Kostenfunktional, so erhält man ein robustes Verhalten, allerdings bei nicht unwesentlich höherem Lösungsmittelverbrauch. Diese Arbeiten motivierten die spätere Entwicklung eines neuen robusten NMPC-Regelkonzepts.
Publications
- Finite horizon optimizing control of advanced SMB Chromatographie processes. Proceedings of the 16th IFAC World Congress 2005, Part 1, pp. 1674-1674.
Toumi, A., Engell, S., Diehl, M., Bock, H. G., Schiöder, J. P.
(See online at https://dx.doi.org/10.3182/20050703-6-CZ-1902.01675) - Optimization and control of chromatography. Computers and Chemical Engineering, 29, 2005,1243-1252.
Computers & Chemical Engineering, Vol. 29. 2005, Issue 6, pp. 1243–1252.
Engeil, S., Toumi, A.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.compchemeng.2005.02.034) - SMBOpt: A Software package for the optimal Operation of continuous moving bed Chromatographie processes. In: Bock, H. G., Kostina, E. H., Phu, X. und Rannacher, R. (Hrsg.): Modelling, Simulation and Optimization of Complex Processes. Springer, 2005, pp 471-484.
Toumi, A., Engell, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1007/3-540-27170-8_36) - Efficient Optimization of simulated moving bed processes. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Vol. 46. 2007, Issue 11, pp. 1067–1084.
Toumi, A., Engell, S., Diehl, M., Bock, H. G., Schiöder, J. P.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.cep.2006.06.026) - Feedback control for optimal process Operation. Journal of Process Control, Vol. 17. 2007, Issue 3, pp. 203–219.
Engeil, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.jprocont.2006.10.011) - Non-linear model predictive control of the Hashimoto simulated moving bed process. In: Findeisen, R., Biegler, L., Allgöwer, F.
(Hrsg.): Assessment and Future Directions of Nonlinear Model Predictive Control. Lecture Notes in Control and Information Science, Vol. 358. 2007, pp. 473-483.
Küpper, A., Engell, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1007/978-3-540-72699-9_39) - Optimizing Control of the Hashimoto SMB Process: Experimental Application. Proc. 8th International Symposium on Dynamics and
Control of Process Systems (DYCOPS), Cancun, 2007. pp. 789-794.
Küpper, A., Engeil, S.
- Effiziente Zustands- und Parameterschätzung auf bewegtem Horizont für Simulated Moving Bed Prozesse. Proc. Automation 2008, Baden-Baden, VDI-Berichte, 2032, Düsseldorf, 2008, S. 215-218.
Küpper, A., Diehl, M., Engell, S., Bock, H. G.
- Engineering of Online Optimizing Control - A Case Study: Reactive SMB Chromatography. Proceedings of the 17th IFAC World Congress,
Seoul, 2008, pp. 964-969.
Küpper, A., Engell, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.3182/20080706-5-KR-1001.00165) - Efficient moving horizon state and parameter estimation for SMB processes. Journal of Process Control, Vol. 19. 2009, Issue 5, pp. 785–802.
Küpper, A., Diehl, M., Schiöder, J. P., Bock, H. G., Engell, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.jprocont.2008.10.004) - Efficient moving horizon state and parameter estimation for the Varicol SMB process. Proc. 7th IFAC International Symposium on Advanced Control of Chemical Processes, Istanbul, 2009, pp. 590-595.
Küpper, A., Diehl, M., Schiöder, J. P., Bock, H. G., Engell, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.3182/20090712-4-TR-2008.00095) - Online Optimizing Control: The Link between Plant Economics and
Process Control. Proc. 10th International Symposium on Process Systems Engineering (PSE'09), Salvador da Bahia. Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 27. 2009, Ppp. 79–86.
Engell, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/S1570-7946(09)70234-2) - Optimierungsbasierte Regelung des Hashimoto-SMB-Prozesses. at - Automatisierungstechnik Methoden und Anwendungen der Steuerungs-, Regelungs- und Informationstechnik, Bd. 57. 2009, Heft 7, S. 360–370.
Küpper, A., Engell, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1524/auto.2009.0779) - Real-time Moving Horizon State and Parameter Estimation for SMB Processes". Proc. 10th International Symposium on Process Systems Engineering (PSE'09), Salvador da Bahia, Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 27. 2009, pp. 1233–1238.
Küpper, A., Diehl, M., Schiöder, J. P., Bock, H. G., Engell, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/S1570-7946(09)70596-6) - Online identification of adsorption isotherms in SMB processes via efficient moving horizon state and parameter estimation. Computers & Chemical Engineering, Vol. 34. 2010, Issue 12, pp. 1969–1983.
Küpper, A., Wirsching, L., Diehl, M., Schiöder, J. P., Bock, H. G., Engell, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.compchemeng.2010.07.005)
