Optimization of Low-Level Controllers and High-Level Polymer Grade Changes
Abstract: Popular Abstract in Swedish Avhandlingen Optimization of Low-Level Controllers and High-Level Polymer Grade Changes är inom ämnesområdet reglerteknik. Det centrala i ämnet reglerteknik är att styra ett system, såsom en motor, ett teleskop eller en kemisk reaktor, så att det uppför sig på ett önskvärt sätt. Detta görs genom att använda mätningar av systemet, en algoritm som beräknar hur systemet ska påverkas och ett ställdon som påverkar systemet enligt beräkningarna. Gemensamt kallas dessa tre delar för ett reglersystem. Ett välanvänt exempel på ett reglersystem är en farthållare i en bil. Den beräknar automatiskt utifrån en mätning av bilens hastighet om ett större eller mindre gaspådrag ska användas för att uppnå förarens önskemål om bilens hastighet. Avhandlingens innehåll är främst riktat mot fabriker inom processindustrin, såsom kemi- eller pappersindustrin. Ett exempel på en sådan fabrik är polyetenfabriken PE3 hos Borealis~AB i Stenungsund som till stor del behandlas i avhandlingen. Polyeten är en plastsort som är vanligt förekommande i t.ex. flaskor, burkar, kläder, påsar och kablar. I figur 1 finns en schematisk bild av PE3, som i stort sett består av tre reaktorer och tre destillationskolonner. Inflödena till de tre reaktorerna är främst råmaterialen för polyeten, dvs. eten, buten och väte. Det finns även inflöde av propan och kväve, som används för utspädning och tryckhållning i reaktorerna, samt katalysator som underlättar reaktionen som gör polyeten av råmaterialen. Genom att ändra råmaterialkoncentrationerna i reaktorerna kan man tillverka olika typer av polyeten. Ett reglersystem på en fabrik i processindustrin kan delas upp i flera olika hierarkiska nivåer och avhandlingen behandlar två av dessa nivåer, vilka båda kan exemplifieras på PE3. I reglersystemets översta nivå finns produktplaneringen som anger vilken typ av polyeten som ska produceras och i vilken takt. Planeringen är ofta relaterad till marknadens råmaterialpriser och säljpriser för de olika polyetentyperna. På en nivå lägre används mätningar från de tre reaktorerna för att beräkna hur stora råmaterialinflödena ska vara för att rätt typ och mängd av polyeten ska produceras enligt specifikationerna från den översta nivån. I avhandlingen behandlas denna nivå av reglersystemet när ett produktionsbyte mellan två olika typer av polyeten ska utföras. Ett sätt att ta fram strategier, dvs. hur inflödena ska ändras, för att göra produktbytet så ekonomiskt som möjligt presenteras i avhandlingen. De beräknade värdena på råmaterialflöde skickas till den lägsta nivån i reglersystemet. Här finns enkla regulatorer som var och en styr t.ex. en pump eller ventil så att det verkliga inflödet av ett råmaterial blir det som beräknats i nivån ovanför. Även denna nivå av reglersystemet behandlas i avhandlingen då specifikationer och designmetoder för dessa regulatorer presenteras. Reglerteknik spelar en viktig roll för fabrikers lönsamhet under dagens rådande marknader och krav. Genom ett väl designat reglersystem så har en fabrik lite råmaterialspill, energiåtgång och miljöpåverkan samtidigt som produkten som produceras har hög kvalitet. Metoder som förbättrar delar av reglersystemet i en fabrik i processindustrin är presenterade i avhandlingen. Optimering av ekonomiska produktbyte i polyetenreaktorer Som nämts ovan behandlar en del av avhandlingen hur polyetenreaktorer ska styras när de ska gå ifrån att producera en typ av polyeten till en annan, dvs. när ett produktbyte ska göras. Olika polyetenvarianter specificeras med hjälp av så kallade kvalitetsvariabler såsom densitet och smältindex. Smältindex är ett mått på hur hårt polyetenet är och hur dess hårdhet påverkas av dess temperatur. De olika användningsområdena för polyeten kräver olika polyetentyper, dvs. kvalitetsvariablerna har olika värden. Vid kontinuerlig drift av polyetenreaktorer är det väldigt svårt att hela tiden producera polyeten med kvalitetsvariabler som har exakt rätt värde. Istället är polyetenet godkänt så länge dess kvalitetsvariabler ligger inom fördefinierade intervall. Till exempel så är en polyetentyp specificerad att ha densiteten 944 kg/m3 och ett smältindex på 0,35 g/10 min, men är godkänd om dess densitet ligger inom intervallet 943--945 kg/m3 och dess smältindex ligger inom intervallet 0,325--0,375 g/10 min. Liknande intervall finns för densitet och smältindex hos andra polyetenvarianter, och även för andra kvalitetsvariabler för polyetenet. Det är dock önskvärt att kvalitetsvariablerna ligger så nära specifikationen som möjligt och inte ute i kanterna av intervallen som anger godkänd produkt. Kvalitetsvariablerna för det producerade polyetenet beror på hur reaktorerna körs, t.ex. vilken koncentration de olika råmaterialen har i reaktorerna, men även vid vilken temperatur och vilket tryck som polyetenet bildas. Dessa faktorer kan regleras genom att ändra inflödena till de olika reaktorerna. Produktbyte i reaktorerna görs under kontinuerlig drift. Det kommer därför att produceras polyeten som inte uppfyller specifikationerna för varken startprodukten eller slutprodukten i ett produktbyte. Detta polyeten måste säljas till ett mycket lägre pris än vad polyeten som ligger innanför specifikationerna kan säljas för. Dessutom är dess säljpris väldigt ofta lägre än produktionspriset. Det finns alltså ett stort ekonomiskt incitament hos polyetentillverkarna att göra produktbyte så bra som möjligt då det handlar om flera hundratusen kronor som går förlorade vid ett dåligt produktbyte. Att ta fram bra sätt att göra produktbyte på är ett svårt problem då sambanden mellan inflöde och polyetenets kvalitetsvariabler är komplexa. Dessutom finns det mängder av begränsningar på t.ex. inflöden, koncentrationer, temperaturer och tryck som man måste ta hänsyn till ur säkerhetsaspekter. Flera forskargrupper har studerat hur övergångar mellan produkter ska göras. Generellt så har de använt metoder som inte direkt kan relateras till polyetentillverkarnas ekonomi, vilket gör det svårt att utvärdera metodernas resultat. Ett stort bidrag i avhandlingen är en metod som tar fram hur råmaterialinflödena ska ändras för att göra produktbytena så ekonomiskt bra som möjligt. Metoden bygger på optimering, dvs. ett kriterium är designat som man sedan försöker maximera genom att ändra inflödena på ett systematiskt sätt. Grunden i kriteriet som designats i avhandlingen är den ekonomiska vinsten som görs under tiden då ett produktionsbyte utförs. Förenklat kan detta skrivas som Vinst = Försäljningsintäkter - Råmaterialkostnader där försäljningsintäkterna beror på försäljningspriset, polyetenets kvalitetsvariabler och produktionstakten medan råmaterialkostnaderna beror på råmaterialens inflöde och priser. Kriteriet som tagits fram i avhandlingen tar hänsyn till de olika intervallen för kvalitetsvariablerna som anger godkänd produkt, vilket inte är så vanligt bland andra forskargrupper. Det ger även ekonomiska incitament för att polyetenet som produceras ska ha kvalitetsvariabler som är exakt som produktspecifikationen, inte bara inom specificerade intervall. För att lösa optimeringsproblemet så används matematiska modeller av reaktorerna och destillationskolonnerna, dvs. ekvationer som bygger på fysikens lagar som beskriver hur polyetenet bildas. Det framtagna kriteriet är använt på två olika modeller. Den första modellen beskriver endast en reaktor, en så kallad stand-alone reaktor. Modellen är välkänd och har använts tidigare av flera olika forskare. Den andra modellen är mycket större och beskriver hela PE3, dvs. tre reaktorer och tre destillationskolonner. Reaktormodellerna är framtagna av Borealis~AB och modellerna för destillationskolonnerna är framtagna i ett samarbete mellan artikelns författare och Borealis AB. I figur 2 visas exempel på fyra stycken olika produktbyte på stand-alone reaktormodellen som är framtagna med hjälp av metoden som presenteras i avhandlingen. Figuren visar densitet och smältindex för det producerade polyetenet och deras intervall som anger godkänd produkt. Resultaten i avhandlingen har visat att man kan karaktärisera de ekonomiskt bästa övergångarna vad gäller inflödenas beteende. Samarbetspartnern Borealis AB har gått igenom resultaten noga och visat stort intresse. I dagens läge görs produktbyte på PE3 av operatörer som manuellt ändrar råmaterialinflödena. En metod liknande den som presenteras i avhandlingen skulle underlätta deras arbete signifikant. Optimeringsresultaten skulle kunna användas för att göra produktbyte på ett systematiskt och automatiserat sätt och därmed förbättra driften av reaktorerna avsevärt. Optimering av låg-nivå regulatorer För att rätt råmaterialinflöde till reaktorerna ska fås med hjälp av pumpar och ventiler behövs enkla regulatorer på den lägsta nivån i reglersystemet. Var och en av dessa regulatorer reglerar t.ex. en pump eller en ventil genom att mäta råmaterialinflödet och beräknar om pumpen ska ändra sitt flöde eller om ventilen ska ändra sin öppning för att uppnå det flöde som specificerats en nivå högre upp i reglersystemet. Dessa regulatorer är oftast av standardtyp och i en normalstor fabrik finns det hundratals av dem. En av de enklaste och mest använda i världen kallas PID-regulatorn och har behandlats ingående i avhandlingen tillsammans med en lite mer ovanlig regulator som kallas PPI. Figur 3 visar ABBs ECA-regulator som innehåller både PID- och PPI-regulatorn och som är välanvänd i processindustrin. Eftersom dessa regulatorer oftast är på den lägsta nivån i reglersystemet i en fabrik så kallas de för låg-nivå regulatorer. Även om låg-nivå regulatorerna har enkla strukturer är de väldigt användbara i många andra situationer än vid reglering av pumpar och ventiler. Avhandlingen behandlar regulatorerna ur ett vidare perspektiv där systemet som ska regleras kan vara mycket mer komplext. När PID- och PPI-regulatorer ska designas, dvs. dess parametrar ska ställas in, finns det i huvudsak tre viktiga egenskaper som måste uppmärksammas. En av dem är reglerprestandan, dvs. hur väl följer t.ex. råmaterialinflödet det specificerade värdet från en nivå högre upp i reglersystemet. I avhandlingen har ett välkänt mått på reglerprestanda använts när både PID- och PPI-regulatorer designats. De två andra egenskaperna, som avhandlingen har gett bidrag till, är robusthet och bruskänslighet, vilka nu kommer förklaras i mer detalj. När design av låg-nivå regulatorer utförs används oftast en modell av systemet som ska regleras. Dock är en modell aldrig en perfekt spegelbild av verkligheten utan innefattar antagande och förenklingar. Dessutom kan systemet som ska regleras variera på grund av t.ex. slitage. Regulatorn som designas med hjälp av modellen ska vara kapabel att reglera det verkliga systemet även om det skiljer sig något åt jämfört med modellen som tagits fram och även också om det verkliga systemet har små variationer i sig. En regulator som klarar detta kallas för en robust regulator. Ett sätt att specificera robustheten hos en regulator, som kan användas när låg-nivå regulatorer designas, är framtaget i avhandlingen. Den sista egenskapen som måste uppmärksammas vid design av låg-nivå regulatorer är, som nämnts ovan, bruskänsligheten. Med hjälp av mätningar från det system som ska regleras bestämmer regulatorn hur systemet ska påverkas så att det uppför sig på önskat sätt. Sensorer som används är inte alltid så bra som önskas utan mätsignalen kan innehålla brus, dvs. oönskade variationer som inte beror på förändringar i systemet. Bruset är oftast snabba variationer i mätsignalen. Regulatorn inte kan skilja på om variationerna kommer från systemet eller från brus, utan antar att variationerna kommer från systemet. Den försöker därför påverka systemet genom snabba förändringar hos ställdon såsom pumpar och ventiler. Detta gör att ställdonen slits onödigt mycket, vilket i sin tur ger merkostnader för fabriken. Regulatorn har till sin hjälp ett mätfilter som ska filtrera bort den största delen av bruset. I avhandlingen har specifikationer tagits fram som kan användas vid design av regulator och mätfilter och som begränsar hur mycket mätbruset får lov att påverka ställdonet och indirekt även slitage och merkostnader. Specifikationerna på robusthet och bruskänslighet som är presenterade i avhandlingen är riktade mot processoperatörer och processtekniker som ställer in låg-nivå regulatorer i fabriker. Specifikationerna är med avsikt enkla och snabba att sätta, vilket är en förutsättning om de ska gå att använda i en industriell miljö när låg-nivå regulatorer ska designas. Låg-nivå regulatorer och mätfilter är optimerade tillsammans i avhandlingen, dvs. deras parametrar är inställda samtidigt. Kriteriet som maximeras vid optimeringen är reglerprestandan. Detta sker samtidigt som det krävs viss robusthet mot modellfel och variationer i systemet som ska regleras och dessutom sätts krav på bruskänslighet. Kraven sätts med hjälp av de specifikationerna som är presenterade i avhandlingen. Design av endast låg-nivå regulatorer har gjorts av många andra forskare. Generellt är det dock bara reglerprestanda och robusthet som använts vid designen. Det som är utmärkande för designen som presenteras i avhandlingen är att reglerprestanda, robusthet och även bruskänslighet används, samtidigt som både regulator och mätfilter optimeras tillsammans. Optimeringarna sker i ett ramverk som är konstruerat av avhandlingens författare och anses vara ett signifikant bidrag i avhandlingen. De designade låg-nivå regulatorerna och mätfilterna har jämförts med mycket mer avancerade regulatorer. En av slutsatserna är att om hårda, men realistiska, krav sätts på regleringen så finns det stora likheter mellan de enkla regulatorerna och de mycket mer avancerade. En annan är att PID- och PPI-regulatorerna har prestanda som är väldigt lika och att det därför inte finns någon anledning att använda den mindre kända PPI-regulatorn istället för den mycket mer kända PID-regulatorn.
CLICK HERE TO DOWNLOAD THE WHOLE DISSERTATION. (in PDF format)