Verfahren zur automatischen Optimierung von Ventil-Hook-Ups

Pneumatische Stellventile werden heutzutage wegen ihrer hohen Stellgeschwindigkeiten und wirtschaftlichen Effizienz in der Prozessindustrie immer noch häufig eingesetzt. Für eine hohe Regelgüte der Prozesse sind zufriedenstellende Stellverhalten der Stellventile Voraussetzung. Hierfür ist die Auslegung des Ventil-Hook-Ups von zentraler Bedeutung. Das Ventil-Hook-Up beschreibt die Auswahl und die Verschaltung der pneumatischen Anbaugeräte (u. a. Stellungsregler, Booster, Druckregler und Rohrverbindungen). In der vorliegenden Arbeit wird eine modellbasierte Systemoptimierung der pneumatischen Stellventilen vorgestellt. Hierzu wird vor allem ein Simulationsmodell entwickelt, welches das Stellverhalten eines Stellventils präzise simuliert. Auf dieser Basis erfolgt eine Systemoptimierung des Ventil-Hook-Ups mit den zwei heuristischen Verfahren, „Genetische Algorithmen“ und „Tabu-Suche“. Bei der Implementierung werden die beiden Verfahren problemspezifisch gestaltet und ggf. modifiziert, um die Effizienz der Optimierung zu erhöhen. Damit liegt die erzielte Lösung möglichst nahe am globalen Optimum. Im Hinblick auf die Qualität der erzielten Lösung und den dazu erforderlichen Ressourcenaufwand erweist sich die modifizierte Tabu-Suche als am besten geeignetes Verfahren. Zum Schluss wird die zusätzliche Frage behandelt, wie die Prozessströmung das Stellverhalten eines Stellventils beeinflusst und wie negative Strömungseinflüsse im Bedarfsfall verringert werden können.

Pneumatic control valves are often used in the process industry today because of their high control speeds and good economic efficiency. For a high-quality control of the processes, a control valve must achieve a satisfactory control behavior, which depends on the design of a valve hook up. The valve hook up describes the selection and interconnection of pneumatic attachments (such as positioner, booster, pressure regulator and piping). In this work, a model-based system optimization of pneumatic control valves is presented. A simulation model is developed to predict the behavior of a control valve precisely. Based on this simulation model, two heuristic optimization methods, “genetic algorithms” and “taboo search”, implemented with certain modifications, are applied. With regard to the quality of the solution and the requirement of resources, the modified taboo search is rated as the most appropriate method. Finally, the influences of the process flow on the real behavior of an operating control valve are considered and the approaches to reduce the negative effects are investigated.