CHEMIE

Künstliche Intelligenz im Praxistest erfolgreich

Autonome Steuerung einer Chemieanlage


Steuerungen sind in der Prozessindustrie für ein breites Spektrum von Bereichen wichtig: von der Ölraffination und Petrochemie bis hin zu Hochleistungschemikalien, Glasfasern, Stahl, Pharmazeutika, Lebensmitteln und Wasser. All dies beinhaltet chemische Reaktionen und andere Elemente, die einen äußerst hohen Grad an Zuverlässigkeit erfordern.

Die Yokogawa Electric Corporation und die JSR Corporation geben den erfolgreichen Abschluss eines Praxistests bekannt, bei dem 35 Tage in Folge Künstliche Intelligenz (KI) für den autonomen Betrieb einer Chemieanlage genutzt wurde – eine Premiere weltweit. Mit dem Test konnte bestätigt werden, dass KI mit bestärkendem Lernen in einer bestehenden Anlage auf sichere Weise genutzt werden kann. Es wurde nachgewiesen, dass mit dieser Technologie Tätigkeiten gesteuert werden können, die über die Möglichkeiten bestehender Steuermethoden hinausgehen (PID-Regelung/APC) und bei denen bisher die manuelle Betätigung von Steuerventilen auf Grundlage der Einschätzungen des Anlagenpersonals nötig war. Die hier beschriebene Initiative wurde für das Förderprogramm Projects for the Promotion of Advanced Industrial Safety 2020 des japanischen Ministeriums für Wirtschaft, Handel und Industrie ausgewählt.

Im Praxistest konnte die KI-Lösung erfolgreich die komplexen Bedingungen bewältigen, die erforderlich sind, um die Produktqualität zu gewährleisten und den Flüssigkeitsstand in der Destillationskolonne auf einem angemessenen Niveau zu halten, während gleichzeitig Abwärme als Wärmequelle bestmöglich genutzt wurde. Auf diese Weise konnte die Qualität stabilisiert, ein hoher Ertrag erzielt und Energie gespart werden. Regen, Schnee und andere Witterungseinflüsse waren zwar Faktoren, die den Kontrollzustand durch plötzliche Veränderungen der Lufttemperatur stören konnten, aber die hergestellten Produkte entsprachen strengen Normen und wurden inzwischen ausgeliefert. Da nur qualitativ hochwertige Produkte hergestellt wurden, entfielen außerdem Kraft-stoff-, Arbeits- und Zeitverluste sowie andere Verluste, die bei der Herstellung von Produkten entstehen, die nicht den Spezifikationen entsprechen. Über ein dreistufiges Verfahren konnte ein sicherer Betrieb gewährleistet werden.

Die bei diesem Kontrollexperiment verwendete KI, das Protokoll „Factorial Kernel Dynamic Policy Programming“ (FKDPP), wurde 2018 gemeinsam von Yokogawa und dem Nara Institute of Science and Technology (NAIST) entwickelt und im Rahmen der International Conference on Automation Science and Engineering des IEEE als weltweit erste KI anerkannt, die für das Anlagenmanagement genutzt werden kann. Über Initiativen wie die erfolgreiche Durchführung eines Experiments mit einem Steuerungstrainingssystem im Jahr 2019 und einem Experiment im April 2020, bei dem eine gesamte Anlage mittels eines Simulators nachgebildet wurde, konnte Yokogawa das Potenzial dieser KI für autonome Steuerung bestätigen und von einer Theorie in eine für die praktische Nutzung geeignete Technologie weiterentwickeln. Diese kann in Bereichen genutzt werden, in denen eine Automatisierung mit herkömmlichen Regelungsmethoden (PID-Regelung und APC) bisher nicht möglich war. Eine der Fähigkeiten dieser Technologie ist es, widersprüchliche Ziele zu bewältigen, wie zum Beispiel der Forderung nach hoher Qualität und Energieeinsparung.

Angesichts der zahlreichen komplexen physischen und chemischen Phänomene, die sich auf den Betrieb von Anlagen auswirken, gibt es weiterhin viele Situationen, in denen erfahrenes Fachpersonal eingreifen und die Kontrolle übernehmen muss. Selbst wenn der Betrieb mittels PID-Regelung und APC automatisiert wird, müssen Fachleute mit viel Erfahrung die automatisierte Steuerung anhalten und Konfiguration und Ausgangswerte ändern, wenn beispielsweise eine plötzliche Veränderung der Lufttemperatur aufgrund von Niederschlägen oder anderen Wetterereignissen auftritt. Dies ist ein verbreitetes Problem, das in vielen Anlagen auftritt. Beim Übergang zur industriellen Autonomie besteht eine große Herausforderung darin, eine autonome Steuerung in Situationen einzuführen, in denen bisher ein manuelles Eingreifen unerlässlich war – und zwar mit so wenig Aufwand wie nötig, bei gleichzeitiger Gewährleistung eines hohen Sicherheitsniveaus.

JSR ist überzeugt, dass diese Demonstration das Potenzial von KI für die Bewältigung von Heraus-forderungen zeigt, die in Chemiewerken bisher nicht gelöst werden konnten. Das Unternehmen wird die Anwendung von KI bei weiteren Verfahren und in anderen Werken untersuchen, um weitere Produktivitätssteigerungen zu erzielen. In Zukunft werden beide Unternehmen weiterhin zusammen-arbeiten und Möglichkeiten untersuchen, wie KI in Anlagen genutzt werden kann.

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