Pannon Egyetem Vegyészmérnöki tudományok Doktori Iskola Doktori (PhD) értekezés tézisei Kristályosítók modell prediktív szabályozása Készítette Moldoványi Nóra Témavezetők: Dr. Lakatos Béla egyetemi docens és Dr. Abonyi János egyetemi docens Vegyészmérnöki és Folyamatmérnöki Intézet Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék Veszprém, 2008
I. Bevezetés, célkitűzés A disszertáció a folyamatos üzemű kristályosítók modellezésével, modellanalízisével és modell prediktív szabályozásával (MPC) foglalkozik, mely kérdéskör mind tudományos, mind ipari szempontból rendkívül fontos és aktuális. A szakirodalomban csak néhány példa található a kristályosítók modell prediktív szabályozására, főleg az akadémiai oldalról és szinte nincs publikált ipari alkalmazás. A dolgozat megpróbálja betölteni ezt az űrt, összekötni az akadémiai és az ipari szférát és megmutatja, hogy folyamatos kristályosítók szabályozására megfelelőnek ígérkezik az MPC. A vizsgálat célja egy olyan megoldásrendszer kidolgozása, mely lehetővé teszi, hogy ezen nemlineáris objektum megfelelően szabályozható legyen robosztus, lineáris modelleket tartalmazó MPC-vel. Ipari tapasztalatomat felhasználva megmutatom, hogy az MPC adaptálható folyamatos kristályosítók szabályozására is. Az értekezés első felében egy izoterm kristályosító modellje került bemutatásra és elemzésre, melynek során kijelölésre került a stabil munkapont és bebizonyosodott, hogy bizonyos méretű oltókristályok alkalmazása könnyebben szabályozhatóvá teszi a kristályosítót. Az eredmények igazolják, hogy az izoterm kristályosító szabályozástani elemzéséhez Matlab-ban kifejlesztett modell prediktív szabályozó sikeresen alkalmazható a kristályok átlagos szemcseméretének és méreteloszlás szórásnégyzetének szabályozására. Az ipari környezetben való megvalósíthatóságot az értekezés másik fele egy vákuumkristályosító modellje és szabályozása kapcsán mutatja be. A
folyamatos vákuumkristályosító modell prediktív szabályozása a Honeywell ipari szoftverkörnyezetében került megvalósításra. A javasolt megoldás integrálja a jelenleg elérhető legkorszerűbb eszközöket. Az MPC alapjául szolgáló lineáris modell mátrix a Honeywell által frissen kifejlesztett automatikus identifikálási algoritmussal került meghatározásra. A Honeywell MPC-je, a Profit Controller OPC-n (eredetileg OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control) keresztül került összekötésre a Matlab-ban lévő az általam implementált technológia szimulátorral. Futtatási eredmények alapján valószínűsíthető, hogy a Profit Controller megfelelően szabályozza és optimalizálja a folyamatos kristályosítót (modelljét) és a javasolt megközelítésmód ipari környezetben is alkalmazható. II. Kísérleti eszközök és módszerek A kristályosítók részletes matematika modelljét mindkét esetben (izoterm és vákuum kristályosítóra) Matlab környezetben készítettem el, a szimulációs futtatásokhoz felhasználtam a Simulink programot is. A Matlab megfelelőnek bizonyult a differenciálegyenlet-rendszerek gyors és pontos megoldására. Az izoterm kristályosító esetében a modell prediktív szabályozó fejlesztése és alkalmazása is Matlab-ban történt. A vákuum kristályosító vizsgálatához és szabályozásához a Honeywell ipari környezetben alkalmazott Profit Suite megoldásrendszerét használtam. Ezen csomagból a modell meghatározásokhoz a Profit Design Studio R300- at alkalmaztam, bemutatva az új, teljesen automatizált identifikálási algoritmus eredményességét, pontosságát. Az operátori felületet a Profit
Viewer-ben jelenítettem meg, csakúgy mint a legtöbb ipari modell prediktív szabályzó, Profit Controller esetén. A Matlab és a Profit Controller összekötésére a Matrikon OPC Simulation Server-ét alkalmaztam a Matlab OPC csomagjával. A szimulációs eredmények megjelenítésére a Honeywell Process Trend-jén kívül a MS Excel programot is alkalmaztam. III. Új tudományos eredmények 1. tézis Izoterm kristályosító modelljének elemzése és szabályozása MPC-vel a) Az izoterm kristályosítók modell prediktív szabályozókkal történő szabályozási lehetőségeinek feltárása céljából egy olyan izoterm kristályosító matematikai modelljét implementáltam, mely tartalmazza a szemcseméreteloszlás első négy momentumát, az oldott anyag és az oldószer mérlegét. Megvizsgáltam a rendszer Jacobi mátrixának sajátértékeit, stabilitási és bifurkációs vizsgálatokkal kijelöltem a megfelelő stabil munkapont paramétereit. Az izoterm kristályosító modelljét megvizsgáltam szabályozhatóság és megfigyelhetőség szempontjából. A relatív erősítési mátrix segítségével bizonyítottam, hogy a termelt kristály átlagmérete és a méreteloszlás szórásnégyzete egyszerre könnyebben szabályozhatóvá válik, ha megfelelő oltókristályokat viszünk be a rendszerbe.
b) A szabályozási vizsgálatokhoz kifejlesztettem egy modell prediktív szabályozót (MPC). A kristályosító szabályozásának szimulációs vizsgálatait Matlab-ban végeztem el. Megállapítottam, hogy a jól behangolt MPC alkalmas a folyamatos kristályosító szabályozására, a szabályozott változók alapjel váltásaikat követik, a beavatkozók (bemeneti koncentráció és térfogatáram) az általam maximalizált változási sebességgel reagálnak. 2. tézis Vákuum kristályosító ipari MPC-vel való szabályozhatóságának vizsgálata és dinamikai elemzése Megvizsgáltam, hogy alkalmas lehet-e egy ipari környezetben alkalmazott MPC folyamatos kristályosító szabályozására. A folyamatos vákuum kristályosító részletes nemlineáris modelljét alkalmazva szabályozandó objektumként elkészítettem a kristályosító lineáris modell mátrixát, amihez a Honeywell által frissen kifejlesztett automatikus identifikálási módszert alkalmaztam. A különböző munkapontokban identifikált modellek közül az egyikét szabályozásra, másikát predikcióra használva megmutattam, hogy a nemlineáris objektum megfelelően szabályozható a lineáris MPC-vel, a szabályozó elégendően robosztus, megfelelően kezeli a modell hibákat. A Honeywell MPC-je, a Profit Controller alkalmas a kristályosító szabályozására. A részletes modell dinamikáját elemezve megállapítottam, hogy szabályzásra alkalmasabb, ha egy egyszerűsített modell mátrixot alkalmazunk, mely legfeljebb másodrendű modellt tartalmaz.
3. tézis Vákuum kristályosító szabályozása MPC-vel a kifejlesztett OPC alapú szimulációs rendszerben A Profit Controller-t OPC-vel (OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control) összekapcsoltam a kristályosítóval, illetve a Matlab-ban futó részletes modellel. A szimulációs rendszerben a beavatkozókat (parciális nyomás, bemenő hőmérséklet, tartózkodási idő) a kontroller adja át a technológiai folyamat beavatkozóinak, illetve jelen esetben a modellnek, ami pedig a szabályozott változók (átlagos kristályméret, méreteloszlás szórásnégyzete és termelt kristály mennyisége) értékét adja át a szabályzó algoritmus számára, csakúgy, mint egy valós folyamatnál. A szabályzót alapjelváltásra és zavarásra is teszteltem illetve hangoltam. PID szabályzókkal összehasonlítva megmutattam, hogy az MPC egyik fő előnye a PID megoldásokkal szemben, hogy az MPC a strukturális problémákat inherens módon kezeli. Megmutattam, hogy a Honeywell Profit Controller-e megfelelően szabályozza és optimalizálja a vizsgált vákuum kristályosító (modell)t. A kifejlesztett rendszer, a mérnöki modell ipari szabályzóval való összekötése, akár operátorokat oktatását támogató szimulátorként is alkalmazható.
IV. A doktori értekezés témaköréhez tartozó tudományos közlemények és előadások Folyóirat cikkek: 1. Moldoványi Nóra, Lakatos G. Béla, Szeifert Ferenc: Folyamatos kristályosítók modell-bázisú irányítása, Acta Agraria Kaposvarenis, 8 (2004), 147-154 2. Moldoványi, N., Lakatos, G. B.: Model Predictive Control of Continuous Crystallisers, VDI Berichte, Issue 1901 II, 2005, Article number E-24, Pages 1123-1128 3. Moldoványi, N., Lakatos, G. B.: Model Predictive Control of MSMPR Crystallisers, Journal of Crystal Growth, 275, (2005), 1349-1354 4. Moldoványi, N., Lakatos, G. B.: Model Predictive Control of Continuous Crystallisers, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 33, (2005), 97-104 5. Moldoványi, N., Abonyi, J.: Control of continuous vacuum crystalliser in an industrial environment: A feasibility study comparison PID to model predictive control solution, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, elfogadva 6. Moldoványi, N., Abonyi, J.: Model Predictive Control of a Continuous Vacuum Crystalliser in an Industrial Environment: A Feasibility Study, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly, elbírálás alatt
7. Moldoványi, N., Abonyi, J.: Integration of Process Simulators in Advanced Process Control Solutions, Education for Chemical Engineers, elbírálás alatt Konferencia kiadványok: 1. Moldoványi Nóra, Abonyi János, Lakatos G. Béla: Folyamatos kristályosítók modell-bázisú irányítása Műszaki Kémiai Napok 02, Veszprém, pp. 311-317 2. Moldoványi Nóra, Lakatos G. Béla, Abonyi János, Szeifert Ferenc: Folyamatos kristályosítók modellezése és modell-bázisú irányítása, XXVI. Kémiai Előadói Napok, Szeged, 2003. 3. Moldoványi Nóra, Lakatos G. Béla, Szeifert Ferenc: Folyamatos kristályosítók dinamikus viselkedése, Műszaki Kémiai Napok 04, Veszprém, pp. 347-350 4. Moldoványi, N., Lakatos, G. B., Szeifert, F.: Modeling and Model Based Control of Continuous Crystallisers, 10th International Summer School of Chemical Engineering, Varna, Bulgaria 2004. május 5. Moldoványi, N., Lakatos, G. B., Szeifert, F.: Model Predictive Control of Continuous MSMPR Crystallisers, 14th International Conference on Crystal Growth, Grenoble, Franciaország, 2004. pp. 144-148 6. Moldoványi, N., Lakatos, G. B., Szeifert, F.: Model Predictive Control of Continuous MSMPR Crystallisers, 16th International Congress of Chemical and Process Engineering (CHISA), Prága, 2004 7. Moldoványi, N, Kiss, P.: Modell Prediktív Szabályzó alkalmazási lehetőségei ipari példákkal bemutatva, Műszaki Kémiai Napok, 2005, pp. 168-169
8. Moldoványi, N., Lakatos, G. B.: Model predictive control of continuous cooling crystallisers, 16th International Symposium on Industrial Crystallisation (ISIC 16), 2005, Dresden, Németország 9. Moldoványi, N., Lakatos, G. B.: Model Predictive Control of Continuous Vacuum Crystallisers, 17th International Symposium on Industrial Crystallisation (ISIC 17), September 2008, Maastricht, The Netherlands (kivonat elfogadva) Előadások: 1. Moldoványi Nóra, Abonyi János, Lakatos G. Béla: Folyamatos kristályosítók modell-bázisú irányítása Műszaki Kémiai Napok 02, Veszprém, 2002. április 16-18. 2. Moldoványi Nóra, Lakatos G. Béla, Abonyi János, Szeifert Ferenc: Folyamatos kristályosítók modellezése és modell-bázisú irányítása, XXVI. Kémiai Előadói Napok, Szeged, 2003. október 27-29. 3. Moldoványi Nóra, Lakatos G. Béla, Szeifert Ferenc: Folyamatos kristályosítók dinamikus viselkedése, Műszaki kémiai Napok 04, Veszprém, 2004. április 20-22 4. Moldoványi Nóra, Lakatos G. Béla, Szeifert Ferenc: Folyamatos kristályosítók modell-bázisú irányítása, II. Alkalmazott Informatika Konferencia, Kaposvár, 2004. május 20. 5. Moldoványi Nóra, Lakatos G. Béla, Szeifert Ferenc: Modeling and Model Based Control of Continuous Crystallisers, 10th International Summer School of Chemical Engineering Varna, Bulgária 2004. május 24-31.
6. Moldoványi Nóra, Lakatos G. Béla, Szeifert Ferenc: Model Predictive Control of Continuous MSMPR Crystallisers, 16th International Congress of Chemical and Process Engineering (CHISA), Prága, 2004. augusztus 22-26. 7. Moldoványi, N, Kiss, P.:Modell Prediktív Szabályzó alkalmazási lehetőségei ipari példákkal bemutatva, Műszaki Kémiai Napok, 2005 április 26-28