Temperatuur beheersing van een lamineermachine

Dit artikel behandelt uitdagingen rond de temperatuurbeheersing van een Single-Sheet Lamineer (SSL) machine en presenteert een innovatieve aanpak om deze kwesties aan te pakken. De temperatuurregeling van de SSL was niet optimaal. Als gevolg daarvan wijkt de temperatuur af van de setpoint.  De PID Tuner van DotX met de optie ‘Simple Internal Model Control Tuning’ (SIMC) in combinatie met een Mean Squared Error (MSE) optimalisatie methode is gebruikt om de temperatuurregeling te verbeteren. Het onderzoek toont aan dat de temperatuur niet alleen sneller op setpoint komt, maar ook aanzienlijk minder afwijkt. Daarbij is het beoogde resultaat behaald.

Introduction

De Single-Sheet Lamineer (SSL) machine is een machine voor de productie van ID documenten zoals paspoorten. Figuur 1 toont een schematische weergave van de SSL die cassettes verwerkt in een semi-automatisch proces. Het is vereist om een  nauwkeurige beheersing van temperaturen, drukken en verblijftijden te verkrijgen tijdens het proces. Helaas ondervond het huidige systeem problemen met de temperatuurbeheersing, wat resulteerde in aanzienlijke afwijkingen van het gewenste setpoint.

Figure 1: Een schematisch overzicht van de Single-Sheet Lamineer machine en een zijaanzicht van de cassette.

De hoofdvraag luidde aldus: Kan de temperatuurbeheersing zodanig worden verbeterd dat de gemeten en geregelde temperaturen niet meer afwijken dan enkele graden?

Om bovenstaande hoofdvraag te kunnen beantwoorden moeten de volgende deelvragen worden beantwoord:

  • Op welke wijze kan het verhittingsproces worden gemodelleerd?
  • Welke regeltechnische verbeteringen kunnen worden verwacht met optimaal ingestelde PID regelaars?
  • Zijn er, behalve het optimaal instellen van PID regelaars, verdere verbeteringen mogelijk, zodat de machine gaat voldoen aan de temperatuur beheersing eisen?

Modelvorming

Om deze problemen met de temperatuur regeling in de SSL aan te pakken, worden er identificatie-experimenten uitgevoerd, waaruit data werd verzameld. Deze data leidde tot een gefit model, een 1ste-orde met een vertraagde tijdsrespons. De resulterende formule, met daaronder de specifieke constantes voor de fit, illustreert het integrerende gedrag van het systeem.

 PV = \frac{K}{T_p s + 1} e^{-T_{DT}s} MV + Y_0

Waarbij:

 PV = temperatuur
 K = process gain = 56.5
 T_p = process time constant = 11871 s
 T_{DT} = process delay = 16.7 s
 Y_0 = process offset = 125.7
 s = Laplace variable

Analyse van PID-regelingen

In dit onderzoek nemen we de volgende standaard vorm aan voor de PID regeling.

 MV = K_p \left( \frac{T_i s + 1}{T_i s} \right) \left( \frac{T_d s + 1}{a T_d s + 1} \right) ( Setpoint - PV )

Waarbij:

 MV = Manipulad Variable, d.w.z. output van de PID regeling
 PV = Process Variable, d.w.z. de gemeten temperatuur hier
 K_p = proportional gain
 T_i = integral time (sec)
 T_d = derivative time (sec)
 a = constant = 0.1
 s = Laplace variable

Een grondige analyse van de huidige PID-regeling, waarbij test zijn uitgevoerd op de SSL-machine met de huidige PID instellingen, onthulde dat de huidige regeling onvoldoende was. Deze test noemen we de 0-meting. De huidige PID blijkt geen integrerende actie te hebben. De optimalere PID-regeling met behulp van SIMC-techniek en daaropvolgende PI-optimalisatie is ook getest om de SSL, dit is de 1-meting. In figuur 2 zijn beide metingen te zien. Het is duidelijk dat de 1-meting een overshoot heeft.

Figure 2: Vergelijking tussen 0-meting en 1-meting.

Effect op Productie

Het onderzoek toonde aan dat de verbeterde PID-regeling een direct positief effect had op de productie. Ondanks de temperatuur verstoringen in het semi-automatische proces, corrigeerde de nieuwe regeling de temperaturen sneller naar het gewenste setpoint. Verdere verbetering werd bereikt door het model beter aan te passen op deze verstoringen. Dit is gerealiseerd door een stapvorming signaal aan de gemeten waarde toe te voegen. Echter was er daardoor nog een probleem, de settling tijd was meer dan 250 seconden. Door de PID tuner te tunen met behulp van een Mean Squared Error (MSE) optimalisatie kon de settling tijd worden verlaagd naar 60 seconden. Dit wordt gedemonstreerd in figuur 3.

Figure 3: Vergelijking tussen optimaal ingestelde PID regeling (PV actual), zoals gebruikt bij 1-meting, en met MSE geoptimaliseerde ingestelde PID (PV new).

Conclusie

Het onderzoek bevestigt dat de implementatie van een nieuwe PID-regeling, ondersteund door SIMC-techniek en optimalisatie met MSE, resulteerde in aanzienlijke verbeteringen in de temperatuurbeheersing van de SSL-machine. De temperatuur komt sneller op setpoint en vertoont minimale afwijkingen, wat directe voordelen oplevert voor de productie-efficiëntie en productkwaliteit.

Plaats een reactie

nl_NLDutch