Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Simulace kontinuálních výrobních procesů

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.
[5] Aspen Hysys 2011. Dokument dostupný z <www.aspentech.com/core/aspen-hysys.aspx>, [cit. 2011-03-7].
[6] EPKS Unified Simulation Enviroment 2011. Dokument dostupný z <http://hpsweb.honeywell.com/Cultures/en-US/Products/Systems/ExperionPKS/UnifiedSimulationEnvironment/default.htm>, [cit. 2011-03-7].
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