NN-Tool

Prognose * Simulation * Optimierung

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Optimierung

Nach der Erstellung neuronaler Netze sollen diese Modelle im Allgemeinen zu bestimmten Aufgaben eingesetzt werden. Eine wichtige Fragestellung bilden sogenannte Optimierungsaufgaben. Im Gegensatz zur Simulation, bei der das vorhandene Modell mit neuen Eingangsdaten gefüttert wird und die entsprechenden Ausgangsgrößen vorhersagt, wird bei der Optimierung umgekehrt vorgegangen. Man möchte gewünschte Ausgangsgrößen (z.B. das Eigenschaftsprofil bei Rezepturoptimierungen) vorgeben können, und das System soll die dazu passenden Eingangsgrößen (z.B. die Rezeptur) ermitteln. Daher wird diese Aufgabe auch als "inverse Fragestellung" bezeichnet. Diese Aufgabe kann von einem empirischen Modell (einem neuronalen Netz) im Allgemeinen nicht unmittelbar beantwortet werden. Es ist stattdessen erforderlich, das Modell in ein Optimierungsverfahren einzubetten. Dabei können dann auch die üblicherweise noch auftretenden Nebenbedingungen erfüllt werden. NN-Tool umfasst zwei Optimierungsmodule für die beiden verfahrenstechnischen Hauptanwendungsgebiete:

 

 

Komplexe Optimierungsprobleme - Rezepturoptimierungen

NN-Tool stellt eine Umgebung zur Definition und Lösung komplexer Optimierungsprobleme zur Verfügung. Der Optimierer ermöglicht die Berechnung optimaler Rezepturen (Mischungen) und Betriebs­punkte auf der Basis eines mit NN-Tool erstellten neuronalen Netzes. Bei der Optimierung kann eine Vielzahl von Nebenbedingungen (incl. Mixed-Integer NB) berücksichtigt werden. Insbesondere können die beiden Hauptanwendungsbereiche "Optimierung von Betriebspunkten" und "Rezepturoptimierung" vollständig abgedeckt werden.



Für die Eingangsgrößen gilt im Einzelnen:

  • Für jede Eingangsgröße kann festgelegt werden, ob sie mitoptimiert oder auf ihrem Start­wert festgehalten wird. Bei Optimierung können obere und untere Grenzen festgelegt werden.
  • Die Eingangsgrößen können beliebigen Komponentengruppen (z.B. Gruppe der Katalysa­toren, der Stabilisatoren, Flammhemmer etc.) zugeordnet werden. Für jede derartige Gruppe können obere und untere Grenzen sowie die Maximalzahl der eingesetzten Komponenten vorgegeben werden. Beispiel: von den 20 verfügbaren Katalysatoren sollen höchstens 3 mit einer Gesamtkonzentration zwischen 2 und 5 Prozent eingesetzt werden. Gleichzeitig soll genau ein Flammschutzmittel mit einer Konzentration von 5 % eingesetzt werden.
  • Neben den Rezepturkomponenten können weitere kontinuierliche Größen z.B. Druck, Temperatur, Verweilzeit mitberücksichtigt werden, d.h. diese Größen können entweder mitoptimiert oder auf Vorgabewerten gehalten werden.
  • Als weitere Eingangsgrößen können zusätzliche Klassifikatoren mitoptimiert werden. Es kann zum Beispiel die optimale Rezeptur zusammen mit dem geeignetsten Rührertyp ermittelt werden.
  • Auf die Berücksichtigung von Rezepturkomponenten kann vollständig verzichtet werden. In diesem Fall liefert das System eine Berechnung optimaler Betriebspunkte.

 

 

Bei den Ausgangsgrößen bestehen die Optionen:

  • Es können genaue Zielwerte angestrebt, oder nur das Über- bzw. Unterschreiten bestimmter Qualitätsmerkmale verhindert werden. Darüber hinaus können zulässige Band­breiten vorgegeben werden.
  • Klassifikatoren können mitoptimiert werden: „berechne farbneutrale Mischung mit den folgenden weiteren Eigenschaften...“
  • Rezepturkosten können mitoptimiert werden.

 

 

Es stehen drei Lösungstrategien zur Verfügung, die dem System unterschiedliche „Kreativität“ ermöglichen:

  • Das System erstellt die zu berechnende Rezeptur von Grund auf (maximale Kreativität).
  • Das System geht von bestehenden Rezepturen aus, kann aber eingesetzte Komponenten gegen andere austauschen.
  • Das System bestimmt die optimale bestehende Rezeptur und variiert nur die Konzentrationen, d.h. es tauscht insbesondere keine Komponenten aus (minimale Kreativität).

Mittels der genannten Strategien wird eine Startnäherung ermittelt, die dann vom Lösungsalgorithmus sukzessive angepasst wird.

 

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Online-Anwendungen - Anbindung an Prozessleitsysteme 

Zur Realisierung von Online-Anwendungen, z.B. Softsensor-Anwendungen oder modellgestützten Regelungen, auf der Basis von NN-Tool Prozessmodellen, steht die zusätzlich lieferbare Softwarekomponente „NNControlServer“ (.NET-Library) zur Verfügung. Die Komponente ermöglicht die Integration der entsprechenden Softwaremodule in Prozessleitsysteme. Es stehen u.a. die folgenden Funktionalitäten zur Verfügung:

  • Einbindung in beliebige Programme
  • Laden einer entsprechenden NN-Tool Applikation
  • Prognose einzelner Datensätze für definierte Zeitintervalle in der Zukunft
  • Bereitstellung eines Schieberegisters für Totzeiten
  • Glättungsfilter für verrauschte Eingangsdaten
  • Offsetkompensation von Modellfehlern, falls zeitversetzte Ausgangsgrößen verfügbar
  • Berechnung von Stellgrößen für Regelungsanwendungen („Model Based Predictive Control“)

 




Die Konvertierung und Anpassung eines NN-Tool-Netzes für die spezifischen Belange von Online-Anwendungen erfolgt in NN-Tool selbst. In dieser Umgebung kann die Funktionalität dann auch direkt mittels Simulationen getestet werden.

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