Temperatuurregeling voor een chips-extruder

Bij PEPSICO wordt een extruder gebruikt om van ruwe grondstoffen Hamka’s chips te maken. Dit gebeurt door verschillende ingredienten te mixen in een extruder, waar het na verschillende verwarmings ‘zones’ geextrudeerd wordt tot een ‘Hamka’ vormpje. Na deze extrusie wordt het ‘Hamka’ vormpje gebakken, en in een zakje gestopt. Hierbij is een nauwkeurige temperatuursbeheersing in de extruder nodig, want als de vormpjes te heet geextrudeerd worden, zetten ze teveel uit. De klant ondervond hierbij het probleem dat de Hamka chipjes niet meer in het zakje pasten, of er zelfs uit barsten, omdat ze soms te groot waren. Ze hebben Dotx Control Solutions gevraagd om de regeling van de extruder te verbeteren. Om de temperatuursbeheersing te verbeteren, heeft Dotx Control Solutions eerst een simulatiemodel gemaakt het proces. Hiermee is een optimale regelaar ontworpen, geimplementeerd, en getest tijdens productie.

Introductie

PEPSICO gebruikt voor hun proces een extruder. De extruder wordt gevoed door met meerdere ingredienten. De ingredienten gaan door verschillende zones heen van de extruder. Het is belangrijk dat de temperatuur in elke zone op setpoint wordt gehouden. Elke zone in de extruder is voorzien van zijn eigen verhittingselementen. De productkwalitiet is sterk afhankelijk van de juiste temperatuur in elke zone. De huidge temperatuurbeheersing voldoet hier niet aan, er is een maximale absolute afwijking van ongeveer 3 graden, zie figuur 1.

Figuur 1: Temperaturen in 3 zones tijdens productie.

Analyse van de huidige aansturing

De extruder heeft meerdere verhittingszones. Elke verhittingszone in de extruder is voorzien van zijn eigen PID regelaar. De uitgang van de regelaar gaat naar een split range. Als het signaal, MV, kleiner is dan nul, dan wordt een PWM signaal uitgestuurd als aansturing van de koelklep. Als MV groter is dan nul, dan wordt de verhitter aangestuurd.

De temperatuurvariaties treden op in een regelmatig patroon. Dit kan worden veroorzaakt door een externe storingvariabele, door niet continue verstelbare actuatoren, of door onjuist ingestelde PID regelingen. Door de implementatie van de PWM, ontstaat er een niet lineaire relatie tussen de uitgang van de PID regeling, MV en de te regelen variabele, de temperatuur.
Daarnaast is er een minimum flow van 6% van de maximale flow. De minimum flow moet zo laag mogelijk gehouden worden. Ten slot werkt de huidige PID regeling maar met één set instellingen voor zowel verhitten als koelen.

Resultaat

Aan de hand van de aangegeven punten in de analyse zijn de volgende oplossingen naar boven gekomen:

  • Er is een alternatieve berekening voor het PWM signaal geprogrammeerd waardoor de relatie tussen de PID uitsturing en de opwarming en koeling lineair is.
  • Er is een split-range regeling geimplementeerd, waardoor er nu twee PID regeling zijn: 1 voor koelen, en 1 voor verwarmen. Dit was nodig omdat de dynamica voor koelen en verwarmen sterk verschillen.
  • Er is een nieuwe PID regelaar geprogrammeerd om een ‘bumpless’ overgang te kunnen realiseren.

Testen

Op basis van de geïmplementeerde verbeteringen zullen er tests worden gedaan voor het verhitten en verkoelen.

Testen bij verhitten

Het effect van verhitten op de temperatuur is als volgt gemodelleerd.

 T = \frac{50 e^{-250s}}{61340 s + 1} MV

Met
 T = temperatuur (graden C)
 MV = uitsturing naar verhitter (%)
 s = Laplace variable

Daarnaast kan de oude PID regeling als volgt worden gemodelleerd.

 MV = KpSc \left( K_p e + k_i \frac{1}{s} e - K_d T_s \right)
 e = SP - T

Met
 KpSc = 0.3 (schalingsfactor, gevonden door fitten van data)
 K_p = 20 = proportionele versterking
 K_i = 1/270  s^{-1} = integrerende versterkings-factor
 K_d = 180 s = differentiërende factor
 SP = setpoint

Het gesloten lus gedrag is gevalideerd met een setpoint stap experiment, zie figuur 2. Het model en de meting komen goed overeen. Dus kan er worden onderzocht of er betere PID regeling mogelijk is. Verder lijkt de huidige regeling te onvoldoende gedempt.

Figuur 2: Verificatie experiment

In figuur 3 is te zien dat de nieuwe regeling, via de SIMC methode, de temperatuur beter regelt. Er is een verbetering in de MSE van een factor 2.

Testen bij koelen

Het regelen van de temperatuur bij koelen is aangepast: zowel het PWM signaal, als de PID regeling zelf is aangepast. De wijzigingen worden hieronder toegelicht.

De basisperiode van het signaal PMW is aangepast, zie Figuur 4. Daarbij is het signaal nu lineair afhankelijk van de uitgang van de PID regelaar.

Figuur 4: PMW signaal

Om de PID instellingen aan te passen, is eerst het model geïdentificeerd op basis van een black-box methode. Verder is de Dotx PID Regelaar geimplementeerd. Deze gedraagt zich als volgt:

 MV = Kp \left( e + \frac{1}{T_i s} e - \frac{T_ds}{a T_d s + 1} T \right)
 e = SP - T

Met deze twee modellen is een gesloten lus verificatie uitgevoerd, waaruit blijkt dat model en meting goed overeenkomen, zie figuur 5.

Figuur 5: verificatie experiment

Verder zijn er nog tests uitgevoerd tijdens de productie met hamka’s en ringlings. Onderstaande figuur laat zien hoe de Dotx regeling de temperatuur snel weer op setpoint krijgt, na een verstoring.

Figuur 6: Tests met beide PID regelingen tijdens de productie

Conclusie

Terugkomend op de hoofdvraag:

Kan de temperatuursbeheersing van de extruder worden aangepast, zodat de productkwaliteit in orde is?

Luidt het antwoord: Ja, door de relevante processen van de extruder te modeleren zijn er een aantal verbeteringen doorgevoerd aan de regeling, zoals een split-range regelaar, output linearisatie, en optimale PID instellingen. Daardoor zijn temperatuursvariaties afgenomen van 3C tot 0.5C.

nl_NLDutch