Einsatz von Methoden der Computational Intelligence auf Mikrocontrollersystemen zur Realisierung von Prozessführungssystemen am Beispiel der anaeroben Biogasfermentation

Die Arbeit stellt Möglichkeiten zur Realisierung mikrocontrollerbasierter Prozess-führungs-systeme (PFS) unter Verwendung von Strategien der Computational Intelligence (CI) vor. Vom Autor wurde ein erweiterter Designprozess zur Realisierung von PFS auf Basis von Mikrocontrollern (µC) und digitalen Signalprozessoren (DSP) erstellt, um deren Vorteile in Bezug auf hohe Robustheit, hohe Zuverlässigkeit und geringe Kosten nutzbar zu machen. Dabei spielen für die Durchgängigkeit der Entwurfskette die direkte Prozessanbindung durch Verwendung der Onchip-Peripherie der Zielhardwaresysteme als Prozessschnittstelle und die Einbeziehung von Schritten der Datenkonditionierung, einschließlich einer Merkmalsbildung, eine signifikante Rolle. Weiterhin konnte mit EmCoSoft (Embedded Control by Soft-com-puting) ein eigenentwickeltes Softwarewerkzeug geschaffen werden, das ein vollständiges In-stru-mentarium zum PC-gestützten Entwurf und zur Realisierung von PFS auf Ziel-hardwareplattformen mit µC/DSP (Embedded Control) bildet. Mit Hilfe von EmCoSoft wird die Durchgängigkeit und die Transparenz des erweiterten Designprozesses für anwen-dungs-orientierte Benutzer ermöglicht. Entsprechend ihrer großen Bedeutung für die Auto-matisierung und die Führung von Bioprozessen sind eine Reihe von Strategien der CI in der Software implementiert, so dass ein relativ universelles Rahmenwerkzeug vorliegt. Als Applikation dient im Rahmen der Arbeiten der Prozess der anaeroben Biogas-fermentation. In Biogasanlagen lässt sich durch die anaerobe Vergärung von organischen Substraten Biogas gewinnen, das sich aufgrund seiner Eigenschaften zur regenerativen Elektro- und/ oder Wärmeenergieerzeugung eignet. In der Praxis treten jedoch insbesondere bei der Vergärung von Substratgemischen (Co-Substrate) häufig Probleme beim Anlagen-betrieb auf, die eine suboptimale Ausschöpfung der energetischen Potenziale zur Folge haben. Für den Biogasprozess wurden durch Gärversuche relevante Prozesskenngrößen (online und offline) an innerhalb der Forschungsprojekte aufgebauten hochinstrumentierten Labor-bio-gas-anlagen aufgezeichnet. Die generierte Datenbasis mit Prozesskenngrößen bildete die Grundlage für die Extraktion geeigneter Prozessmerkmale und den Entwurf der Prozess-führungs-strategien. Unter Anwendung des erweiterten Designprozesses für PFS wurden mit dem Softwarewerkzeug EmCoSoft drei onlinefähige Systemvarianten (Regelung der Substratzufuhr, Vorhersage der Gasproduktionsrate, Klassifikation des Prozesszustandes) mit Strategien der CI erstellt und in deren Implementierungsform auf der Zielhardware getestet.Der erweiterte Designprozess für PFS mit Zielhardwaresystemen auf Basis von µC bzw. DSP und Funktionalitäten der CI sowie das in diesen eingebettete Softwaretool EmCoSoft können unabhängig von der Optimierung der Prozessführung der anaeroben Biogasfermentation auch für andere Automatisierung- und Optimierungsaufgaben eingesetzt werden.