Georg Thiele

Design of Fuzzy Control for Maintaining a CSTR in the Steep Section of Its Nonlinear Characteristic

The operation of a continuous stirred tank reactor (CSTR) in the steep domain of its nonlinear process characteristic is studied, using catalyzed hydrogen peroxide decomposition as a model process because of its transparent nonlinear dynamics. Unstable equilibrium states and corresponding limit cycles exist in the steep domain, the latter representing dynamically stable modes of operation where safer control is expected due to the lower educt concentration in the reactor. For CSTR control in the steep domain, a fuzzy approach is applied based on simulations and experimental understanding of the stable and unstable states of the reactor. Simulations are carried out for the set-point control of an unstable equilibrium state, and the tracking control of the corresponding stable limit cycle. The simulation results show that operation in the limit cycle requires much less control energy than that of the corresponding unstable equilibrium state in the case of disturbances, e. g., due to unavoidable modelling errors.

Task-configuration of a pearl-based programmable controller for process automation

Abstract This paper describes the configuration of real-time tasks using a PEARL-based programmable controller (“PEARL-PLC”). It will be shown that tasks can be consistently configured with function-blocks for logic, sequence and feedback control. Furthermore, the synchronization of cooperating tasks, controlling interdependent sub-processes, can also be configured using communication function-blocks based on Multicomputer-PEARL. Moreover, using the explicit task-scheduling offered by PEARL, the needed processor-time can be reduced to a conceptual minimum. Details of the configuration of a sequence-control task and a fuzzy-control task, the latter as a representative of a feedback-control task, are presented. Finally, trends of future developments of the “PEARL-PLC”, e.g. the implementation of fault-tolerance, are pointed out.

Conceptual design and C-implementation of a microcomputer-based programmable multiloop controller

Abstract Design-concept and implementation of a universally configurizable and parametrizable controller as field station for distributed multicomputer automation systems is presented. Aspects of software structure are discussed and available functions are given. As an application example the control of a pyrolysis reactor is demonstrated.

Objekt-basierte Simulation und Implementation der Regelung eines chemischen Prozesses mittels SPS nach IEC 1131

Die Verifizierbarkeit von Realzeit-Software gewinnt in der chemischen Industrie u. a. in dem Mase an Bedeutung, wie erhohte Forderungen an Umsatz und Selektivitat dazu fuhren, das uberpruft wird, ob bisher pragmatisch vermiedene Betriebszustande beherrschbar sind. Ist dies regelungstechnisch der Fall, mussen zusatzlich naturlich erhohte Anforderungen an die Zuverlassigkeit des Automatisierungssystems gestellt werden, was in immer hoherem Mase die Software gegenuber der Hardware betrifft.

Fuzzy-control with a PEARL-based multi-loop controller

To serve the demand for fuzzy control components in automation systems, manufacturers extend the function block libraries of their multi loop and PLC software by respective function blocks. Other demands are for the openness of PLC software and its adaptation to the IEC 1131 standard which, for the first time, gives recommendations with respect to a task model and task communication. The unique idea of the PEARL PLC is to use an adequate high level real time language for PLC software design and implementation facilitating all mentioned user demands in a totally open form. Definition and verification of fuzzy components are described in the paper and further advantages of the use of high level real time languages in PLCs with respect to safety critical aspects are mentioned.

Zur Entwicklung zertifizierbarer fehlertoleranter Realzeit-Software mit Funktionsblock-Diagrammen für die Automatisierung

Die leichte Interpretierbarkeit von Funktionsblock-Diagrammen nach IEC 61131-3 ermoglicht eine weitgehend direkte Umsetzung regelungstechnischer Blockschaltbilder in Realzeit-Software, so das insbesondere auch Fach-Experten der verschiedenen Disziplinen, die an einem Projekt beteiligt sind, an einer “Verifikation durch Inspektion” mitwirken konnen. Dies gilt insbesondere auch fur Fehlertoleranz-gerichtete Komponenten der Realzeit-Software fur SIL 3 und hoher nach IEC 61508, deren Zertifizierung von herausragender Bedeutung ist, da Fehler in Fehlertoleranz-gerichteten Komponenten ein erhohtes Gefahrenpotential darstellen und damit die Akzeptanz solcher Komponenten erschweren bzw. sogar verhindern. Vor dem Hintergrund des Fallbeispiels der Regelung eines chemischen Prozesses werden Voraussetzungen und Moglichkeiten der Zertifizierung Fehlertoleranz-gerichteter Software, u.a. in der Auspragung nichtlinearer Zustands-Beobachter als analytische Redundanz, fur verlasliche, insbesondere sichere Prozesse auf der Basis der “Verifikation durch Inspektion”, diskutiert. Dabei werden Funktionsblock-Diagramm-Architekturen mit “abgeleiteten” Funktionsblocken zur Beherrschung der Komplexitat auf Task-Ebene vorgestellt.

Wirtschaftliche Fehlertoleranz in Funktionsblock-konfigurierbaren Feldstationen

The tendency to design the system-software of modern Programmable Logic Controllers (PLCs) on the basis of the features of well known realtime operating systems has influenced the IEC 1131 Standard for PLCs with respect to the inclusion of an explicit task model. This is a signiflcant step towards the inclusion of fault-tolerance, e.g. tolerating the missing of task-deadlines. The constructs for exception-handling and reconsguration of modern realtime-languages, e.g. PEARL 90, are well suited for a transparent and dependable implementation of fault-tolerance mechanisms in PLCs.

Fuzzy-Regelung mit einem PEARL-basierten freikonfigurierbaren Automatisierungsgerät

Bei der Automatisierung technischer Prozesse werden in der prozesnahen Ebene in modernen Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) neben konventionellen Reglern (z.B. PID) zunehmend auch Fuzzy-Regler eingesetzt. Die Verwendung von Fuzzy-Regel- ungen ist u.a. dann vorteilhaft, wenn technische Prozesse geregelt werden sollen, fur die ein analytisches Modell schwer ermittelbar ist. Bei einem Fuzzy-Regler tritt dabei an die Stelle des analytischen Modells das in Form von WENN-DANN-Regeln formulierte Prozeswissen. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie es mit dem in [3] als „PEARL-SPS“ vorgestellten Automatisierungsgerat moglich ist, neben konventionellen Regelungen und Steuerungen auch Fuzzy-Regelungen funktionsblockori- entiert zu konfigurieren, wobei nur drei zusatzliche Funktionsblocktypen benotigt werden. Besondere Eigenschaften des hier vorgestellten Systems sind u.a. die Online-Konfigurierbarkeit und -Parametrierbarkeit, die Durchgangigkeit der Konfigurierung mit beliebigen Funktionsbiocktypen und die Einplanbarkeit der konfigurierten Regler und Steuerungen als konkurrierende Tasks mit beliebig wahlbarer Abtastperiode und Prioritat unter der pre- emptiven PEARL-TaskVerwaltung. Die gesamte Software der „PEARL- SPS“ ist in PEARL auf einem VMEbus-Rechner (MC 68020, 16 MHz) unter RTOS-UH implementiert. Im Hinblick auf die Anwendung in der Ausbildung ist die Konfigurierung mit der fur die konventionelle Regelung in der PEARL-SPS verwendeten Windows-orientierten Benutzeroberflache auch ohne zusatzliche Fuzzy- Konfigurierungsunterstutzung moglich. Die Funktionsweise der neu implementierten Fuzzy-Funktionsblocke wird durch Vergleich des Verhaltens simulierter typischer Regelkreise mit konventioneller und mit Fuzzy-Regelung verifiziert.

Task-configuration of a pearl-based programmable controller for process-automation

Abstract This paper describes the configuration of real-time tasks using a PEARL-based programmable controller (“PEARL-PLC”). It will be shown that tasks can be consistently configurated with function-blocks for logic-, sequence-, and feedback-control. Furthermore, the synchronization of cooperating tasks, controlling interdependent sub-processes, can also be configurated using communication function-blocks based on Multicomputer-PEARL. Moreover, using the explicit task-scheduling offered by PEARL, the needed processor-time can be reduced to a conceptual minimum. Details of the configuration of a sequence-control task and a fuzzy-control task, the last one as a representative of a feedback-control task, are presented. Finally, trends of future developments of the “PEARL-PLC”, e.g. the implementation of fault-tolerance, are pointed out.

PEARL-Implementierung eines konfigurierbaren und parametrierbaren Automatisierungsgeräts

Im vorliegenden Beitrag werden der PEARL-orientierte Entwurf und die PEARL- Implementierung eines Automatisierungsgerats beschrieben, bei dem eine funktionsblockorientierte Konfigurierung konsistent fur Regelungs- und Steuerungstasks moglich ist. Dies geschieht bei den Steuerungen dadurch, das diese in Anlehnung an DIN 40719 (Funktionsplan) mit Hilfe von Funktionsblocken fur logische Funktionen und fur den Schrittblock konfiguriert werden. Zur Losung regelungstechnischer Probleme enthalt die Funktionsblockbibliothek auserdem eine Vielzahl von konventionellen und modernen Regelungsalgorithmen. Daruberhinaus stehen z.B. Funktionsblocke zur Parameterschatzung, Filterung und Prozes-I/O zur Verfugung. Die Kommunikation von konfigurierten Tasks in verteilten Systemen, z.B. zur Prozes-Beobachtung und Prozes-Visualisierung in der Leitstation, ist mit Hilfe von Kommunikationsfunktionsblocken in Anlehnung an Mehrrechner-PEARL moglich.