Anforderung an den verwendeten Prozessregler
Wichtige Anforderungen an den Prozessregler sind die Fähigkeit, Paketausfälle zu kompensieren, die bei der drahtlosen Kommunikation durch Interferenzen und sonstige Übertragungsfehler auftreten können. Weiterhin muss ein Regler auf veränderliche Übertragungstotzeiten reagieren, die durch die Auslastung eines drahtlosen Netzwerks oder bei Veränderungen in der Netzwerktopologie zustande kommen können. Außerdem ist eine diskrete und ausreichend langsame Auslegung des Anlagenreglers erforderlich, da neue Messwerte immer erst nach einem großen Zeitintervall durch die drahtlose Übertragungsstrecke am Anlagenregler ankommen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde ein Zustandsraummodell der zu regelnden Anlage erstellt. Dieses Modell wird in einem Predictive Outage Controller (POC) genutzt, parallel zum zu regelnden System ausgeführt und schätzt kontinuierlich die Zustände des realen Anlagenprüfstands. Falls ein Paket ausfällt, kann ein vom Modell geschätzter Wert als Ersatz für den verlorenen Messwert genutzt werden. Außerdem ist es möglich, die berücksichtigte Totzeit des Schätzers in ganzen Abtastschritten anzupassen.
Simulation und Messung am Anlagenprüfstand
In diesem Abschnitt werden eine Simulation und eine Messung der entworfenen Regelung mit WirelessHart als Übertragungsprotokoll für die drahtlose Rückführung gezeigt. Die Totzeit wurde in allen Simulationen und Messungen als konstant angenommen. Es wurden Paketausfälle vorgegeben und die Simulation und Messung mit einem PID-Regler mit und ohne die Kompensation von Paketausfällen durchgeführt. Das Resultat aus den Simulationen und Messungen ist in Abbildung 3 zu sehen. Ausgeregelt werden in diesem Beispiel einige Sprünge und eine Rampe. Bei der Rampe entsteht ein Schleppfehler, der durch einen zusätzlichen Integrator im Regler beseitigt werden kann. Durch die hellblaue Linie werden Paketausfälle dargestellt. Immer wenn sie bei fünf ist, treten Paketausfälle auf und bei vier werden Pakete erfolgreich übertragen. Insgesamt fallen in diesem Beispiel 50 Prozent der zu übertragenden Messwerte aus. Die Abtastrate und der Übertragungsintervall von Messwerten beträgt 2s. Es ist zu erkennen, dass es beim traditionellen PID-Regler sowohl bei der Simulation als auch bei der Messung aufgrund der Paketausfälle zu einem Überschwingen kommt (rote und lila Linie). Beim Regelkreis mit einem POC hingegen wird durch die Zustandsschätzung bei Paketausfällen ein Überschwingen verhindert (hellgrüne und orange Linie). Somit ist WirelessHart auch als Übertragungsprotokoll im Regelkreis geeignet.
Weitere Schnittstellen zu Industrie 4.0
Das soeben vorgestellte Szenario beinhaltet ausschließlich eine Prozessregelung für Daten, die mittels des WirelessHart-Protokolls übertragen werden. Jedoch hat WirelessHart ebenfalls großes Potential zur Umsetzung der Industrie-4.0-Idee. So können beispielsweise gleichzeitig neben den Messwerten für die Prozessregelung, Daten zur Leitwarte und in umgekehrter Richtung Konfigurationsdatensätze zur Prozessregelung übermittelt werden (siehe Abbildung 4). Über eine am WirelessHart-Gateway verfügbare Ethernet-Schnittstelle, kann mittels Hart-IP oder Modbus eine Verbindung zum übergeordneten Unternehmensnetzwerk aufgebaut werden. Dadurch können beispielsweise für das am Anlagenprüfstand genutzte Ventil Betriebsdaten erfasst werden und gegebenenfalls eine vorbeugende Instandhaltung betrieben werden. Bestimmte Prozessdaten können dem Qualitätsmanagement zur Prozessüberwachung bereitgestellt werden. Zusätzlich haben übergeordnete Koordinationsebenen eines Unternehmens die Möglichkeit, ebenfalls Daten über Prozesse, Anlagenauslastungen und Betriebszustände bestimmter Anlagenkomponenten abzufragen und dies völlig ohne zusätzlichen Verdrahtungsaufwand.
