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Handlungsunterstützung für Biogasanlagen mit dem System ISAR |
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| Download Isar-Bericht (pdf) |
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Aufgabe
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Der
Produktion von Biogas aus landwirtschaftlich produzierter
Biomasse oder auch aus Bioabfall als alternative Energiequelle
wird ein enormes Wachstum in den nächsten Jahren
bescheinigt. Das Betreiben dieser Bioreaktoren mit anaerober
Vergärung erfordert viel Fingerspitzengefühl
und Erfah-rung, das die Anlagenbediener im Laufe der
Zeit ansammeln müssen. Deshalb ist es wichtig,
die Erfahrungen der verschiedenen Bediener zu konservieren,
um das Wissen über die bestmögliche Fahrweise
des Bioreaktors zur Verfügung zu haben. Dies kann
man erreichen, indem das in phänomenologischen
Modellen konservierte Wissen oder das in den Messdaten
verborgene Wissen des Bedieners der Anlage genutzt wird.
Aus diesen Wissen können Regeln als Ursache-Wirkungsbeziehung
in Abhängigkeit zu den jeweils durchgeführten
Handlungen bzw. Regelungen abgeleitet werde. Eine Handlungsunterstützung
aus diesen Regeln erlaubt es dann, kritische Situa-tionen
im Reaktor rechtzeitig zu erkennen und für deren
Bewältigung Unterstützung zu offerieren. |
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Lösung |
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Es wurde ein System entwickelt mit den Komponenten |
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- Vorbehandlung der Daten (Plausibilitätsanalyse),
- Erkennen kritischer Prozesszustände,
- Prozessmodell, angepasst an den jeweiligen Betrieb des Reaktors und
- regelbasierte Handlungsunterstützung.
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In einer Lernphase mit historischen Daten aus dem Betrieb des Reaktors werden eine Wissensextraktion mithilfe neuronaler Netze durchgeführt und anschließend automatisch dynamische Regeln als Ursache-Wirkungsbeziehung generiert. Dabei wird die Beschickung der Anlage als "Ursache" für den Prozessverlauf während einer Beschickungsperiode betrachtet. |
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Ergebnisse |
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In der beispielhaften Anwendung in der Biogasanlage Fürstenwalde beschreibt das Prozessmodell den Prozessverlauf einer ca. zweistündigen Beschickungsperiode. Das Modell besteht dann aus den wahrscheinlichen Übergängen zwischen Prozesszuständen im 5-Minutenrythmus und aus Übergän-gen zwischen Prozessverläufen (Abbildung 2). Ein problematischer Prozessverlauf ist z.B. Schaumbil-dung im Reaktor oder im Vorratsbe-hälter. |
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Eine Handlungsunterstützung gibt vor, welche Verränderung der Beschickung und der veränderlichen Prozessführung notwendig sind, um den kritischen Prozessverlauf in eine gewünschte Richtung zu beeinflussen. Dazu werden im Zusammenspiel zwischen Prozessmodell, aktuellen Messungen und Prognose dynamische Regeln abgeleitet. Das schematische Vorgehen einer solchen Regelgenerierung zeigt. |
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In der Menüführung, die auch an bestehende Prozessleitsysteme angepasst werden kann, werden der Prozessverlauf der aktuellen Beschickungsperiode als klassifizierte Größe bzw. die Originalmesswerte und die prognostizierten folgenden Verläufe angezeigt (Abbildung 1). Wenn darunter der gewünschte Prozessverlauf ist, zeigt ein weiteres Fenster die dazu notwendigen Handlungen an. Das System muss von Zeit zu Zeit nachgelernt werden, was automatisch erfolgt, um neu aufgetretene Prozesssituationen einzubinden. Wenn der Prozess zufriedenstellend läuft, ist die Handlungsunterstützung auf das Erkennen von Fehlfunktionen (Fehlmessung, Sensorausfall, Ausfall von Geräten), das Erkennen von kritischen Prozesszuständen (Schaumbildung wird begünstigt, bisher noch nicht aufgetretener Prozessverlauf)) und Information zum System ISAR (Neutraining notwendig) ausgerichtet. |
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Nutzen |
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Das System ISAR wird als Ergänzung zu einem bestehenden Prozessleitsystem eingesetzt. In einer ersten Lernphase werden die Klassifikatoren, das Prozessmodell und die Regelgenerierung mit den Daten des speziellen Reaktors angelernt. Mit diesem so extrahierten Wissen aus der jeweiligen Datenbasis kann die bestmögliche Prozessführung erkannt und abgerufen werden, wie und mit welchen Erfolg in der Vergangenheit kritische Situationen gemeistert wurden. Im Zusammenspiel mit dem automatischen Erkennen von Fehlmessungen und Fehlfunktionen bietet das System so hilfreiche Zusatzinformationen und Handlungsanweisungen, die das System zu jeweils vorgege-benen Ergebnissen führen. |
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