Temat z okładki: Zaawansowane sterowanie przynosi oszczędności

Adaptacja nowych technik może pomóc zoptymalizować działanie fabryki z korzyścią dla środowiska i umożliwi pozyskanie dodatkowej energii

Zaawansowane techniki sterowania mogą być wykorzystane do pozyskania dodatkowej energii z produktów ubocznych reakcji chemicznych, tzw. ?gazów wylotowych?. Gazy wylotowe produkowane przez zakłady chemiczne, petrochemiczne i metalurgiczne mogą być ponownie wykorzystane lub sprzedawane, w zależności od sezonu. Optymalizacja wykorzystania gazów wylotowych stała się jednym ze sposobów utrzymania konkurencyjności, jako że w ostatnich pięciu latach koszty energii wzrosły. Niezbędne techniki, takie jak sterowanie antycypacyjne* (tj. wyprzedzające, przewidujące), mogą zostać zaimplementowane w obrębie istniejącego systemu sterowania, stanowiąc część planu składającego się z czterech
następujących etapów:

  • zrozumienie procesu i zasad jego działania,
  • zrozumienie istniejącego systemu sterowania,
  • zdefiniowanie odpowiednich celów sterowania
  • wartości nastaw,
  • zastosowanie odpowiedniej techniki zaawansowanego sterowania.

 

 

Rys. Początkowy sposób organizacji i wyjściowa metoda regulacji zmierzająca do optymalizacji zużycia gazu poprzez regulowanie poziomu CO w zbiorniku.

A ponieważ zakup wyspecjalizowanych pakietów programowych i oprzyrządowania nie zawsze jest konieczny, możliwe jest uzyskanie bardzo wysokiego zwrotu z inwestycji.

 

Adaptacja do rzeczywistości

Jednym z przykładów praktycznego zastosowania etapów optymalizacji zużycia gazów wylotowych jest fabryka redukcji ilmenitu prowadzona przez QIT-Fer et Titane (Sorel-Tracy, PQ, Kanada). Tlenek węgla w postaci gazowej (CO) powstaje w dużych ilościach jako produkt uboczny procesu odtleniania. Gaz ten ma dużą wartość kaloryczną i jest stosowany jako paliwo gazowe w całym kompleksie metalurgicznym QIT. Hutnicze piece do wytapiania produkują CO, podczas gdy obrotowe piece do suszenia, kotły, suszarki na węgiel, zakład przerobu żużla (UGS) oraz inni użytkownicy wykorzystują go. Zbiornik gazu znajdujący się pomiędzy produkcją a użytkownikami przechowuje CO w celu wytłumienia zakłóceń o dużej częstotliwości (tj. nierównomierności napływu gazu) i utrzymywania stałego ciśnienia gazu w instalacji rurowej. Dach zbiornika to ruchoma membrana, a gaz przebywa w nim poniżej jednej minuty. Schemat na str. 26 pokazuje wcześniejsze rozplanowanie zakładu oraz pierwszą strategię sterowania PID mającą na celu utrzymanie właściwego poziomu gazu w zbiorniku.

Kiedy ilość gazu w zbiorniku osiąga górną dopuszczalną granicę, dwa palniki wyposażone w zawory regulujące są używane do spalania nadmiaru dostarczanego CO. Piece do wypalania spalają zarówno CO ze zbiornika gazu, jak i gaz ziemny, mieszany z tlenkiem węgla w stosunku od 0 do 100%. Gaz ziemny pozwala na utrzymanie pracy pieca wtedy, gdy poziom produkcji CO oraz poziom CO w zbiorniku gazu są zbyt niskie. Jedynym celem starej strategii sterowania było utrzymanie rygorystycznego poziomu w zbiorniku gazu przy użyciu dwóch konwencjonalnych regulatorów PID w układzie kaskadowym. Regulator główny regulował poziom w zbiorniku gazu, podczas gdy regulator podporządkowany regulował stosunek zmieszania komponentów paliwa zasilającego piec. Wyjście regulatora poziomu było podzielone na dwie części, od 0% do X%, i było używane do modulowania zadanego parametru stosunku mieszania komponentów, podczas gdy X% do 100% obsługiwało modulację zaworów palnika.

Typowa produkcja i zużycie gazu w ciągu 24 godzin powodowały znaczne zaburzenia poziomu gazu w zbiorniku. Początkowo nie było dynamicznej koordynacji pomiędzy zaworami palników a stosunkiem mieszania. W rezultacie zaburzenia poziomu CO powodowały, że system sterujący spalał nadmiar tlenku węgla, równocześnie zasilając piece gazem ziemnym. Działo się tak pomimo dostępności CO. Okresy braku stabilności trwały zaledwie kilka minut, ale dla QIT były kosztowne, szczególnie że ceny gazu ziemnego szły w górę.

 

Wprowadzenie nowej strategii

Rozwiązanie problemu wymagało nowej strategii z zastosowaniem sterowania antycypacyjnego; zostało wdrożone w zakładzie QIT-Fer et Titane w czterech etapach, w następujący sposób:

  • Zrozumienie procesu i zasad jego działania

W krótkich odcinkach czasu występują znaczne różnice w produkcji i zużyciu gazu CO (patrz: schemat powyżej). Niestety, nie można tego zmienić ze względu na ogólny plan produkcji zakładu oraz inne ograniczenia. Można jednak mierzyć i analizować produkcję i zużycie CO w celu zidentyfikowania występujących w procesie opóźnień powstających w rurociągu. Im większe opóźnienie, tym trudniej systemowi sterowania zrekompensować zakłócenia. Szczegółowa analiza zużycia CO wykazała również, że największe i najczęstsze zakłócenia są spowodowane przez zakład przerobu żużla (UGS). Opóźnienie pomiędzy zbiornikiem gazu a tym właśnie użytkownikiem wynosi 20 sekund. Opóźnienie pomiędzy producentami CO a zbiornikiem gazu wynosi zaledwie połowę tej wartości.

Rys. Typowy przebieg wytwarzania i zużycia CO w ciągu 24 godzin wnosi daleko posunięte nierównomierności wywołujące gwałtowne zmiany poziomu gazu w zbiorniku.

  • Zrozumienie zasad działania istniejącego systemu sterowania

Kiedy zakłócenia pojawiały się na skutek wahań w produkcji lub zużyciu (ze względu na opóźnienia), system sterowania reagowałzbyt agresywnie i za późno. Regulator poziomuw zbiorniku byłustawiony agresywnie, reagował szybko na zakłócenia, powodując wahania wartości nastaw. To z kolei powodowało równoczesne spalanie CO i zwiększanie przepływu gazu ziemnego do pieców.

  • Zdefiniowanie odpowiednich celów sterowania oraz wartości nastaw

W nowej strategii sterowania wartości nastaw są takie same, ale cele inne. Obejmują one utrzymanie poziomu w zbiorniku gazu w pewnym zakresie i koordynowanie pracy palników oraz stosunku mieszania komponentów tak, aby zapobiec spalaniu pozornego nadmiaru CO, kiedy piece są zasilane gazem ziemnym. W starym systemie sterującym jedynym celem była rygorystyczna kontrola poziomu.

Nowa strategia sterowania uwzględnia ?stopień gładkości krzywej? w celu zredukowania wahań wartości nastaw. Wprowadzono również cel ekonomiczny, o którym w aplikacjach przemysłowych zbyt często się zapomina lub nie definiuje się go wystarczająco precyzyjnie i nie realizuje w praktyce. Nowy system wykorzystał również pewne pomiary produkcji i zużycia CO, które były wykonywane w innych celach, ale nie były stosowane w starej strategii sterowania. Żadne dodatkowe oprzyrządowanie nie było potrzebne. Wykazuje to znaczenie dokładnego oszacowania wymogów informacyjnych regulatora w celu uniknięcia niepotrzebnych zakupów nowego oprzyrządowania.

  • Zastosowanie odpowiedniej techniki zaawansowanego sterowania

Uznano, że dla tej aplikacji najbardziej odpowiednią zaawansowaną techniką sterowania będzie sterowanie antycypacyjne, ponieważ zakłócenia są mierzalne, dobrze znane i łatwo modelowane na podstawie danych uzyskanych z procesów. Parametry i stałe czasowe modelu zakłóceń obliczono na podstawie danych procesowych zapisanych w istniejącym programie historian.

 

Realizacja celów

Nowe cele zostały zrealizowane poprzez wprowadzenie do strategii sterowania trzech nowych elementów. Obejmowały one: regulatory antycypacyjne oparte na obliczeniach wyważenia masowego (porównanie zużycia z produkcją), dynamiczne kompensowanie opóźnień transportowych oraz sprzężenie zaworów płomieni i regulatorów stosunku gazu, aby zapobiec nakładaniu się działań. Zastosowanie zaawansowanej strategii sterowania zredukowało okresy równoczesnego spalania CO i zasilania gazem ziemnym. Zużycie gazu ziemnego zostało zredukowane o 76%, co przyczyniło się do znacznych oszczędności.

Rys. Bardziej zaawansowana strategia regulacji zminimalizowała okresy nadmiernego zużycia gazu ziemnego przy równoczesnym bezużytecznym spalaniu pozornego nadmiaru CO. Zużycie gazu ziemnego zmniejszyło się o 76%, co dało znaczące oszczędności w opłatach za gaz ziemny.

Zastosowano sześć regulatorów antycypacyjnych do obsługi dwóch zmiennych wielkości zakłócających (produkcja CO oraz jego zużycie przez zakład przerobu żużla UGS), trzech wartości nastaw (dwa zawory i stosunek mieszania) oraz jednej wielkości regulowanej (poziom w zbiorniku gazu). Inni użytkownicy nie zostali uwzględnieni w pętli atycypacyjnej, jako że ich zużycie tlenku węgla utrzymuje się na w miarę stabilnym poziomie.

Regulatory antycypacyjne kompensują niedoskonałości regulacji PID dla opóźnień transportowych, w oparciu o modele procesu i zakłóceń. Pętla sprzężenia zwrotnego sterująca poziomem zbiornika gazu została zachowana w nowym systemie strategii, aby utrzymać poziom gazu na wartości zadanej oraz dla korygowania błędów modelu w regulatorach antycypacyjnych. Jednakże parametry PID regulatora poziomu są ustawione mniej agresywnie, ponieważ teraz wprzypadku wystąpienia zakłóceń regulatory antycypacyjne wykonują większe korekty.

 

Zastosowanie symulacji

Do symulacji nowej strategii sterowania wykorzystano oprogramowanie Simulink, zestaw narzędzi Matlab firmy The Mathworks (Natick, MA). Symulację wykonano w celu zminimalizowania kosztów i przyspieszenia harmonogramu realizacji. Symulator zbudowano na podstawie prostych funkcji I rzędu z opóźnieniem, po czym dostrojono przy użyciu zarchiwizowanych danych. Symulacja pomogła w zaprojektowaniu lepszego i szybszego dedykowanego rozwiązania, jak również ułatwiła proces końcowego odbioru systemu.

Nowa strategia sterowania została ustawiona wstępnie na bazie rzeczywistych danych o zużyciu i produkcji CO zaimportowanych do symulatora. Zasymulowano również sytuacje wyjątkowe, takie jak wyłączenie zakładu, aby upewnić się, że zaawansowana strategia sterowania będzie bezpieczna. Następnie strategia została wdrożona na bazie architektury sterowania QIT i sterowników PLC serii Modicon firmy Schneider Electric (North Andover, MA) oraz interfejsu człowiek-maszyna firmy Wonderware (Irvine, CA) bez dodatkowych wydatków na sprzęt czy oprogramowanie. Program został zmodyfikowany za pomocą języka logiki drabinkowej. Od czasu oddania tej zaawansowanej strategii sterowania do użytku zredukowano o 76% okresy równoczesnego spalania błędnie rozpoznanego ?nadmiaru? CO przy jednoczesnym zużywaniu gazu ziemnego. Redukcja odzwierciedla oszczędności kosztów zużycia gazu ziemnego sięgające 1 miliona dolarów kanadyjskich rocznie.

 

Feedforward control ? sterowanie antycypacyjne, sterowanie z dodatnim sprzężeniem zwrotnym

Bernard Pelletier jest inżynierem zaawansowanego sterowania pracującym dla Hatch Associates (Canada). Vance VanDoren jest doradcą redakcyjnym pracującym dla Control Engineering.