Een biofarmaceutisch bedrijf heeft DotX gevraagd om:
On-site assistentie bij het toepassen van de PID Tuner om 4 regellussen af te stemmen in twee 2000 L bioreactoren.
On-site training in PID-afstemming met behulp van de DotX PID Tuner-software.
In deze post leggen we uit hoe we hebben samengewerkt en de geweldige resultaten hebben behaald.
De uitdagingen op het gebied van controle
De bioreactor in kwestie is een modern en hoogtechnologisch apparaat met PID-regellussen voor pH, opgelost zuurstof (DO) en temperatuur. Het meest uitdagende om te controleren is DO, omdat dit wordt geregeld door een mix van gassen, waaronder zuurstof, CO2 en lucht. De PID-uitvoer van de DO-lus is de invoer voor een schema van deze gassen.
Analyse van de PID-lussen
We hebben de regelschema’s en gegevens van de laatste batch geanalyseerd. Uit onze analyse bleek het volgende:
Alle PID-regelafstemmingen konden met minstens een factor 2 worden verbeterd (in termen van reactietijd en demping van de gesloten lus).
Er was een probleem met het schema voor gassen die worden gebruikt om DO te regelen: op een gegeven moment veroorzaakte dit schema instabiel lusgedrag.
Het was nuttig om laagdoorlaatfilters toe te voegen aan het DO-signaal om pieken te voorkomen bij het toepassen van de D-actie in de PID-regelaar.
Resultaat met de DO-lus
Hieronder ziet u gemeten gegevens van de DO-lus vóór optimalisatie (verzameld in een batch ervoor) en daarna (verzameld in de batch na het wijzigen van de PID-instellingen). Duidelijk is dat rond t=75 uur de afwijkingen van het streefdoel met meer dan een factor 10 zijn verminderd. Dit is gedeeltelijk te danken aan de veranderingen in het gasschema en de verbeterde PID-afstemming.
Resultaat met de pH-lus
Hieronder ziet u gemeten gegevens van de pH-lus vóór optimalisatie (verzameld in een batch ervoor) en daarna (verzameld in de batch na het wijzigen van de PID-instellingen). Het is duidelijk dat de reactietijd van de gesloten lus aanzienlijk is verbeterd (met meer dan een factor 4), demping is verbeterd en de afwijkingen van het streefdoel zijn verminderd met meer dan een factor 3.
Stichting Leeuw vroeg aan DotX om een geoptimaliseerde versie van hun jaagsimulator te ontwikkelen. Deze simulator is een met kabels bediende manipulator die door een operator wordt aangestuurd. De operator ‘lok’ prooidieren om de manipulator te achtervolgen (met vlees). DotX heeft niet alleen nieuwe geoptimaliseerde besturingssoftware ‘op papier’ ontwikkeld, maar ook in de vorm van een spel. Een van de verbeteringen is de toepassing van ‘haptische feedback’. Dat betekent in dit geval dat de joystick tegenkracht geeft wanneer de manipulator een obstakel nadert.
Bijzonderheden: De spanning in de kabels wordt gegenereerd door een besturingsalgoritme dat bestaat uit twee delen. Het eerste deel berekent de gewenste spanningskrachten in drie loodrechte richtingen met behulp van 3 PID-regelaars (1 voor elke richting). Deze drie krachten worden vervolgens verwerkt via een spanningsverdelingsalgoritme in gesloten vorm, zoals beschreven in [1]. De haptische ondersteuning bestaat uit een terugduwkrachtveld rond vaste objecten (zoals muren en stenen in het gebied) dat wordt geschaald op basis van de tijd tot botsing, in de richting van de normaalvector die loodrecht staat op het botsende oppervlak.
Een samenwerking tussen Dotx en onderzoekers in de hele EU.
Het EU-project TESTBED heeft tot doel innovatieve oplossingen te ontwikkelen voor Smart Grids. Smart Grids zijn nieuwe methoden voor de distributie van elektriciteit. De huidige manier van elektriciteitsdistributie bestaat, grofweg gezegd, uit gecentraliseerde elektriciteitsproducenten en gedecentraliseerde consumenten van elektriciteit. Er is echter een steeds groter aantal gedecentraliseerde elektriciteitsproducenten, zoals windturbines, zonnepanelen, enzovoort. Bovendien is hun elektriciteitsopwekking afhankelijk van het weer. De traditionele methode van elektriciteitslevering, waarbij men ervoor zorgt dat aan de vraag wordt voldaan, is inefficiënt: als er geen vraag is, moet men van de elektriciteit af zien te komen. Het idee van Smart Grids (slimme elektriciteitsdistributie) is om (sommige) consumentenapparaten hun vraag te laten aanpassen op basis van de elektriciteitsprijs. Smart Grids zijn nog niet wijdverspreid. Er zijn echter locaties waar deze ideeën binnenkort waarschijnlijk zullen worden verkend, zoals eilanden met lokale elektriciteitsnetwerken.
DotX is niet waarschijnlijk actief bijdragen aan Smart Grid-onderzoek, maar in plaats daarvan zullen we de onderzoekers die betrokken zijn raadplegen en proberen hun ideeën ’te stelen’ en om te zetten in commerciële toepassingen. Is dat slecht? Nee, dit is wat de EU en de onderzoekers willen dat we doen!
Stichting Leeuw asked DotX to develop an optimised version of their hunting-simulator. This simulator is a cable driven manipulator that is controlled by an operator. The operator ’teases’ prey animals to hunt the manipulator (with meat).
DotX has not only developed new optimized control software ‘on paper’, but also in the form of a game. One of the improvements is the application of ‘haptic feedback’. That means, in this case, that the joystick pushes back when the manipulator approaches an obstacel. The tension forces in the cables are generated by a control algorithm consisting of two parts. The first part calculates the desired tension forces in three perpendicular directions using 3 PID controllers (1 for each direction). These three forces are then processed through a tension distribution algorithm in closed-form as described in [1].
The haptic assistance consists of a push-back force field around fixed objects (like walls and stones in the area) that is scaled on the basis of time to collision, in the direction of the normal vector that is perpendicular to the colliding surface.
Er is een op maat gemaakte regelaar ontwikkeld voor de besturing van twee pompstations in de polder ‘Waterlandse Boezem’. De regelaar moest complexe aan/uit-vereisten vervullen en de pompende activiteit in de duurdere daguren minimaliseren. Een paper over dit onderwerp is gepubliceerd en kan worden gedownload in onze Paper-sectie. De video over dit onderwerp laat iteraties van de regelaar zien terwijl deze de optimale pompinstellingen vindt om het waterpeil (onderste grafiek) binnen de limieten (gestippelde lijnen) te houden. De bovenste grafiek toont de voorspelde “belasting” op de polder (dat wil zeggen, de verwachte instroom van water in de komende 24 uur).
In afvalwaterzuiveringsinstallaties is een nauwkeurige regeling van de O2-niveaus essentieel. Als de O2-niveaus te veel variëren, kunnen de bacteriën in de installatie hun werk niet goed doen, namelijk het omzetten van chemisch afvalmateriaal in nitriet en nitraat.
Tot 2012 werd het O2-niveau geregeld door een standaard PID-regelaar. Om de regeling te verbeteren, hebben we de Smith-predictor geïmplementeerd in de PLC.
De figuur hieronder toont gemeten resultaten van VOOR (met standaard PID) en NA (met Smith-predictor). De laatstgenoemde regelaar wordt nu gebruikt.
Crown van Gelder is een papierproducent. Bij de productie van papier uit pulp moet het malen van de pulp worden uitgevoerd met minimale schommelingen, terwijl het pulppeil in de mixer (tank) binnen vaste grenzen moet blijven. DotX heeft het besturingssysteem in januari 2008 op een zodanige manier gewijzigd dat de malingschommelingen met meer dan 40% zijn verminderd. De onderstaande figuur toont (geschaalde) metingen.
VDL Weweler is een producent van automotive veersystemen en assen. In 2010, na een haalbaarheidsstudie, kreeg DotX de opdracht van VDL Weweler om een Model Predictive Controller te implementeren voor een van de Weweler walking beam ovens. In januari 2011 was de controller operationeel. Er werd een gemiddelde vermindering van minstens 4,8% gemeten.
De onderstaande video toont de HMI (webinterface) van de ovenregelaar tijdens de productie bij VDL-Weweler terwijl deze in werking is op de VDL-Weweler oven (geen simulatie, daadwerkelijke productie). Elke blauwe balk vertegenwoordigt een stalen product. Elke gele balk toont de temperatuur van dat product. We hebben de afspeelsnelheid verhoogd.
Weweler is overgestapt van gasgestookte ovens naar elektrische ovens, en sindsdien is ons besturingssysteem niet langer in gebruik.
First strike (2010) Cokesovens produceren kooks uit steenkool. Tijdens de productie ontsnappen giftige gassen uit de steenkool en worden afgezogen en getransporteerd naar de gasreinigingsinstallatie.
Het is belangrijk dat de druk in de ovens dicht bij het ingestelde punt wordt gehouden met minimale variaties. Als de druk te hoog stijgt, zal het naar het milieu ontsnappen. Als de druk te laag is, komt er lucht de oven binnen en verbrandt de steenkool/cokes en beschadigt de ovenbekleding. Om nauwkeurige controle mogelijk te maken, wordt de druk op 5 locaties in de oven op het ingestelde punt gehouden door 5 PID-regelaars die de klepposities aanpassen.
In de eerste fase analyseerde DotX gegevens en onderzocht de oorzaak van de drukvariaties en de mogelijkheden om deze te verminderen door het besturingssysteem aan te passen. In 2010 werden op basis van deze analyse de eerste wijzigingen in het besturingssysteem aangebracht:
De PID-regeling werd geoptimaliseerd.
Self Learning Feedforward werd geïmplementeerd als een toevoeging aan 4 PID-regelaars.
Play-compensatie werd geïmplementeerd als een uitbreiding van een van de besturingsuitgangen.
Self Learning Feedforward reageert uitsluitend op een triggervoorwaarde die aan 1 gaat als de oven wordt geladen met nieuwe steenkool. De drukpieken worden duidelijk verminderd met Self Learning Feedforward ingeschakeld. De play-compensatie vermindert het effect van speling tussen de besturingsuitgang (gevraagde kleppositie) en de werkelijke kleppositie. Al met al werden de drukvariaties met 50% verminderd.
Second strike (2020- now) In 2020 vroeg Tata om advies over verdere vermindering van de drukvariaties. Er werden verschillende mogelijkheden voorgesteld:
Implementeer real-time monitoring van alle PID-regelingen (gereguleerde druk, uitgangen van PID en klepposities).
Maak een model van de druk op basis van eerst beginselen, verifieer het en gebruik het model om een verscheidenheid aan verbeteringen in het besturingssysteem te simuleren.
Het eerste punt, realtime monitoring, is in 2021 door DotX geïmplementeerd in de Azure-omgeving. Deze webtoegang maakt alleen het monitoren van gegevens mogelijk en biedt geen toegang tot enige Tata-computer of PLC. De monitor stelt degenen met toegang in staat om op elk moment en overal de status van de regellussen en de PID-ingangen en -uitgangen te controleren.
De onderstaande afbeelding toont een schermafbeelding van mijn mobiele telefoon (waar het internetadres om veiligheidsredenen is aangepast). Het laat de Procesvariabele (PV) en Setpoint (SP) zien gedurende het afgelopen uur. Als een regellus een probleem ondervindt, wordt er een e-mail gestuurd naar een groep mensen (inclusief DotX), waarin het probleem wordt uitgelegd en wordt gevraagd om actie te ondernemen. Deze e-mailmelding is een aanvulling op de reguliere alarmen in de bedieningsruimte (die soms over het hoofd worden gezien) en biedt ons (DotX) de mogelijkheid om te reageren.
Elke maand maakt DotX een rapport over Key Performance Indicators (KPI’s) op basis van de gegevens en bespreekt de resultaten met Tata. De KPI’s omvatten standaardafwijkingen van PV-SP, frequentiespectrumanalyse (om slecht gedempte oscillaties te detecteren), schattingen van speling in elke actuator en de effectiviteit van het besturingssysteem tijdens het laden (waar de hoogste drukpieken optreden).
Het tweede item (modellerings- en analysestudie) werd in 2020 uitgevoerd en resulteerde in de aanbeveling van Gain Scheduling en verschillende wijzigingen in feedforward.
Elke wijziging in het besturingssysteem werd geëvalueerd met wetenschappelijke procedures, zoals het regelmatig schakelen tussen een nieuwe situatie en de oude situatie gedurende ten minste 5000 keer. Dit stelt hen in staat om het effect op alle PID-regelingen vrij nauwkeurig te berekenen. Als een maatregel succesvol lijkt, wordt deze gedurende een langere periode gemonitord om de ‘gezondheid’ ervan te controleren. Sommige aanpassingen vereisten aanvullende analoge communicatie tussen PLC’s, die werden gerealiseerd door Tata.
Resultaten Door voortdurende inspanningen om de controle te verbeteren, is het waarschijnlijk dat de standaardafwijkingen van elke regellus zullen blijven afnemen, zoals tot nu toe het geval is.
Klant: Tata Steel, Nederland. In een hoogoven ontsnappen uitlaatgassen tijdens het proces van ijzerproductie. Deze gassen passeren onder andere door een gasturbine om elektrische energie op te wekken. Ideaal gezien wordt het vermogen van de turbine gemaximaliseerd, terwijl de druk in de hoogoven (die direct wordt beïnvloed door de gasturbine) zo constant mogelijk blijft. DotX heeft de processen gemodelleerd met behulp van een snelle grijze-box modelleringsmethode en op basis van het model verschillende wijzigingen voorgesteld voor het bestaande controlesysteem. De adviezen van DotX zijn geïmplementeerd door interne medewerkers van Tata en in bedrijf gesteld. Sindsdien produceert de gasturbine die is aangesloten op de hoogoven op 99% van zijn elektrische capaciteit.
Dutch 
English