Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Tomáš Vítek, Martin Rapavý
Návrh výrobních jednotek, zprovoznění jejich řídicího systému i následné provozování a školení operátorů jsou oblasti, kde je vhodné uvažovat o simulačních prostředích. Z množiny výrobních procesů se článek nejvíce váže k chemickým a rafinerským, ve kterých hraje důležitou roli spojité řízení. V přehledu se podíváme na principiální požadavky podobných systémů. V další části poradíme případným zájemcům o implementaci takových systémů, jakou sadu údajů a znalostí o technologii budou potřebovat do začátku. Na závěr zhodnotíme nástroje nezbytné pro realizaci, jejich funkce a možnosti, které by měly mít.
Design of production units, their control system commissioning and also their subsequent operation coordination and operator training are areas, where it is suitable to think of a process simulator implementation. From overall set of production systems, the article is mostly related to complex chemical and refinery processes, where continuous control loops are in place.
In the introduction, typical customer requirements on individual simulator types are presented. Subsequently, instructions are given on what process knowledge must be gathered prior to the start of implementation. Finally, simulation development tools and components for individual areas are listed along with checklist for their required functions.
Návrh, výstavba i provozování výrobní jednotky jsou vhodnou oblastí použití simulátorů interních dějů, které podle cíle svého zaměření jsou rozdílně složité, jejich implementování je různě rychlé a mohou přinášet různé výhody svým tvůrcům. Pro konstrukci některých druhů simulátorů však místo znalosti procesu může být klíčovou prerekvizitou připravenost zvoleného řídicího systému na tuto možnost.
Jaké jsou požadavky z hlediska znalosti procesu i návaznosti na skutečný řídicí systém, budou v přehledu rozebrány pro tyto scénáře:
-
Vytvoření modelu vhodného pro vlastní návrh výrobní jednotky, a to již v průběhu detailního návrhu technologie. Variací nad parametry modelu je možné dosáhnout optimalizace parametrů jednotlivých zařízení jednotky, a to jak výkonnostních, tak i ekonomických. Simulačním výpočtem lze napomoci vylepšení bezpečnosti a spolehlivosti provozu jednotky. Pomáhá také při odstraňování provozních problémů a úzkých míst procesů.
-
Vytvoření vhodného emulátoru pro potřeby návrhu řídicích strategií a testování sekvencí pro řízení procesu před vybudováním jednotky samotné, popř. před najížděním celého systému. Bude tak možné provozovateli demonstrovat požadovanou funkci a doladit ji ještě před zkouškami na stavbě.
-
Vytvoření trenažéru procesu pro účely výuky základního nácviku havarijních situací pro obsluhu a operátory jednotky.
Článek má za cíl komparovat tyto simulace z pohledu potřebných vstupů pro vytvoření modelu, porovnat struktury výsledných modelů a představit výhody a přínosy, kterých lze dosáhnout při jejich aktivním využívání.
1. Modely výrobních jednotek pro účely návrhu
Prvním krokem při vytváření podobného modelu je taková rozvaha nad cílem a takové vymezení obálky okolo procesu, aby bylo možné získat závislost mezi sledovaným parametrem a známým nastavením jednotky. Pro jednodušší procesy lze vytvořit model soustavy pouze na základě znalostí fyziky, mechaniky, popř. termodynamiky [1]. Příklad modelu s prvním přiblížením je uveden na obr. 1, jenž zobrazuje studii proveditelnosti tribologického stroje určeného k testování opotřebení pístních čepů. Cílem projektanta bylo vytvořit stroj schopný s velkou opakovatelností namáhat pístní čep spalovacího motoru podle známé křivky. K aproximaci zátěžové křivky by využil dva ventily, pomocí nichž by z externích nádrží napouštěl stlačený vzduch. Do obálky procesu by v takovém případě zahrnul mechanické komponenty, jejich kinematiku a dynamiku a dále pracovní médium – stlačený vzduch.
Soustava integro-diferenciálních rovnic je v tomto případě ještě sestavitelná, nicméně výsledná soustava často bývá mnoharozměrová, vyššího řádu a navíc nelineární. Její řešení se tak hledá numericky. Mezi univerzální prostředky pro takové účely patří Matlab a Simulink [2]. Během simulace je možné variací nad časy otevření jednotlivých ventilů vyhodnotit, jak kvalitní je přiblížení v zatížení komponent takového stroje k požadované zátěžové křivce a také realizovatelnost projektu s ohledem na energetickou náročnost přípravy pracovního média.
Matlab lze z pohledu dynamických simulací nazvat univerzálním nástrojem. Pomocí jeho výpočetních algoritmů a funkcí dostupných v Simulinku lze modelovat dobře poznané fyzikálně-chemické děje procesu a vytvořit tak dynamický model. Univerzálnost je ale zároveň i jeho nevýhodou. Při simulaci velmi komplexních výrobních technologií (v rafinerských či chemických provozech) je pro efektivní tvorbu simulátoru nutné využívat knihovnu objektů, které reprezentují jednotlivá technologická zařízení nebo celky. Ukázka využití v praxi je např. v [3].
2. Simulace chemických a rafinerských procesů
Jakmile se přikročí k modelování komplexní chemické výrobní jednotky, začíná složitost popisu rychle růst a nelze začít „od píky“. Topologie jednotek se skládají z objektů, jako jsou potrubní trasy, tepelné výměníky, separátory, čerpadla, kompresory, reaktory nebo kolony. I snaha o popis jednotlivých entit vede k náročným modelům. Ty mohou navíc záviset i na složení provozních médií.
Pro tyto simulace existuje na trhu několik specializovaných softwarových produktů, viz [4] a [5]. Vstupem pro vytváření simulace již ve fázi návrhu technologie je diagram P&ID, který obsahuje rozměry i typ významných komponent a informace o složení jednotlivých toků médií. Do simulace jsou umístěny všechny ventily (interně se jimi specifikuje vztah mezi tlakem médií a jejich průtoky), rozměry jednotlivých zařízení a použité regulátory průtoku, hladiny, teploty apod. Potom lze v simulaci docílit požadovaného pracovního bodu. Lze říci, že vložením této základní informace do simulačního prostředí je možné získat plnohodnotný model, jenž lze dále zpřesňovat, viz obr. 2.
Softwarový nástroj autonomně a bez vnějšího vstupu vytvoří termodynamický model, bilanční rovnice i chemické rovnováhy, které jsou třeba pro vyhodnocení vstupního návrhu. Model může být dále převeden do dynamického módu, v němž je možné během simulace pozorovat dynamický vývoj jednotlivých provozních veličin. Dynamická simulace pomáhá při analýze řiditelnosti výrobního procesu navrženými řídicími strategiemi.
Hlavním přínosem těchto simulací k úspěšnosti a efektivitě je, že všichni pracovníci mohou i bez komplexní znalosti daného procesu s výhodou pracovat s přesným matematickým modelem systému, a to s minimálním rizikem vnesení vlastní chyby:
-
V úlohách pokročilého řízení lze simulátory využít pro predikci trajektorie řízených veličin, které nejsou měřitelné. Simulace tak může fungovat jako softsenzor. Může pomoci při hledání výhodnějších, energeticky méně náročných provozních stavů, k jejichž navození a stabilizaci bude pokročilé řízení použito.
-
Simulátor, v porovnání s metodou pokus--omyl na reálném zařízení, umožňuje bezpečněji najít optimální stav pro řízení jednotky.
-
Simulace může předejít vícepracím spojeným s nutností změn v návrhu při realizaci stavby nové jednotky.
-
Návrh strategie řízení nové výrobní jednotky bez jejího modelu je časově náročnější.
3. Simulátory pro testování aplikačního softwaru
Druhým stupněm může být simulace vhodná pro navrhování prostředků pro řízení, popř. pro tvorbu softwaru v době před prací na návrhu nebo během vypracovávání detailního návrhu řídicího systému. V takovém případě lze předpokládat, že jednotka je již navržena, co se týče parametrů, a technolog zařízení (realizátor stavby, licensor jednotky) je schopen identifikovat základní okruhy a křížové vazby. Obvykle jsou okruhy základního řízení specifikovány pomocí PID regulací a křížové vazby mezi okruhy kaskádním řízením.
Zcela základní je zde možnost vytvořit simulaci celého výrobního procesu včetně chování, které do procesu vnese řídicí systém. Vlastnosti jako vykonávací perioda řízení, necitlivosti nastavené na vstupních i výstupních kartách, konfigurace zpětných inicializací regulátorů, úprava tzv. wind-upu nebo jevy způsobené přehráváním části firmwaru zařízení nelze zanedbat, protože mohou způsobit obtíže na stavbě, které by bylo výhodné identifikovat předem.
Tuto situaci je možné řešit dvěma přístupy. Zaprvé, všechny vstupy a výstupy řídicího systému se připnou na zrcadlovou sadu IO (zrcadlový – výstupy na vstupy a naopak) a na externí jednotce spojené s touto sadou je spuštěn simulátor. Jestliže však má systém několik stovek okruhů, je tento systém realizačně neúnosný.
Druhou variantu je možné realizovat, jestliže výrobce automatizačního zařízení dodává věrný emulátor řídicí jednotky a bloků IO řídicího systému [6]. Vše se pak přenáší do čistě softwarové roviny. Tento případ je ilustrován na obr. 3 a je o něm pojednáno i v dalším textu.
4. Simulátory s emulátorem
V případě, kdy existuje emulátor řídicího systému, je možné celý testovaný software nahrát do simulačního prostředí. Následný krok přidává do tohoto schématu aproximaci přenosové matice založenou na P&ID. Hlavními prvky přenosové matice jsou přenosy mezi polohami ventilů a měřenými veličinami.
Tento typ smyčky lze aproximovat modelem 2. řádu, který je možné vytvořit pomocí LeadLag nebo bloků PID. V případech, kdy je možné tyto bloky vytvořit a napojit do výstupních míst aplikačního softwaru přímo v prostředí emulátoru, není třeba žádná další aplikace. Tato varianta je zobrazena na obr. 4 jako možnost A.
Jestliže toho nelze bez větších úprav dosáhnout, je možné realizovat dynamiku v externím programu, např. MS Excel. Ten je pomocí komunikačního protokolu DDE napojen na objekty neprezentující v paměti vstupně-výstupní bloky. Tato varianta je zobrazena na obr. 4 jako možnost B.
Kvalita aproximace dynamiky nemusí být pro účely testování dokonalá. I přibližný model je přínosný pro tvorbu sekvencí najíždění nebo odstavování. I přibližná hodnota provozních veličin může odhalit skryté vazby, např. tzv. interpoly, jejichž vliv může být v podkladech pro tvorbu sekvence opomenut. Výsledek lze předvést zákazníkovi přímo z ovládací obrazovky řídicího systému již během předávacího řízení (a není třeba nechat vše jen na vzájemné důvěře). Zásadním předpokladem pro realizaci je schopnost emulátoru od výrobce buď obsáhnout a vyhodnocovat i přidanou část s dynamickou odezvou, nebo možnost sdílet údaje s dalšími programy např. pomocí DDE nebo OPC.
5. Simulátory pro výcvik obsluhy
Třetím typem simulace je vlastně průnik prvního a druhého případu, kdy je model celé technologie včetně řídicího systému využíván pro trénink obsluhy. Z hlediska implementace je zásadní výhodou [6], dovoluje-li simulační prostředí pro systém načíst aktuální naprogramovaný stav z technologie ve výstavbě. Aktualizace jak části SCADA, tak i firmwaru řídicích bloků v simulátoru poskytne operátorům možnost trénovat na řídicím systému ve skutečném stavu. Schopnost konverze mezi simulačním prostředím pro operátory a softwarem, který je v rozestavěné technologii skutečně použit, je klíčem k užitečnosti řešení. Výsledek přitom zrcadlí skutečnost, a přitom je odbourána pracnost spojená s vytvářením simulátoru.
Z pohledu uživatele umožňuje simulátor pro trénink obsluhy:
-
nestrukturovaná školení operátorů, v nichž se obsluha může sama seznamovat s tím, jak vypadají operátorské displeje, jak se chová proces a jak funguje jeho řídicí systém; přínosem je v tomto případě nulové riziko výpadku produkce jednotky, jelikož operátor pracuje na simulátoru,
-
strukturovaná školení – řešení specifických problémů, jako jsou najíždění a odstavování provozu, simulace výpadku akčního členu či měření; školitel v tomto případě pro školení využívá připravené simulační scénáře,
-
urychlení školení a u nových pracovníků výuka znalosti technologických procesů,
-
testování nových postupů pro řízení jednotky ještě před jejím dokončením – snadnější start výroby s vyškoleným personálem.
Literatura:
[1] HORÁČEK, P.: Systémy a modely. Vydavatelství ČVUT, Praha, 1999.
[2]
Matlab Simulink 2011. Dokument dostupný z <
www.mathworks.com>, [cit. 2011-03-07].
[3] KENCSE, H.: Complex evaluation methodology for energy-integrated distillation columns. Budapest University of Technology and Economics, Budapešť, 2009.
Ing. Tomáš Vítek, Ph.D.,
Ing. Martin Rapavý, Honeywell
Ing. Tomáš Vítek, Ph.D., absolvoval na FEL ČVUT v Praze obor technická kybernetika (2004) a následně zde na katedře řídicí techniky pokračoval v doktorandském studiu. Během studia pracoval na univerzitě v Leobenu v Rakousku a získal zkušenosti s DCS v projektu Atlas v CERN. Od roku 2008 pracuje v Honeywell Process Solutions jako aplikační inženýr distribuovaného ŘS Experion.
Ing. Martin Rapavý vystudoval Fakultu elektrotechnickou ČVUT v Praze. Titul inženýr získal v roce 2007 na katedře řídicí techniky. V současnosti je zaměstnán jako Advanced Process Control Engineer ve společnosti Honeywell. Jeho pracovní náplní je implementace projektů pokročilého řízení zejména v chemickém a rafinerském průmyslu.
Obr. 1. Ukázka modelu tribologického stroje založeného na kinematice, dynamice a termodynamice
Obr. 2. Příklad tzv. steady-state modelu soustavy prvků UniSim Design
Obr. 3. Rozložení řídicí aplikace do vrstev a návaznost simulátoru na řídicí systém
Obr. 4. Dynamika může být realizována také v emulátoru nebo externě