AUTOMATYZACJA ODCINKA TECHNOLOGICZNEGO NA BAZIE LOGIKI ROZMYTEJ

Transkrypt

1 Acta Sci. Pol., Technica Agraria 5(1) 2006, AUTOMATYZACJA ODCINKA TECHNOLOGICZNEGO NA BAZIE LOGIKI ROZMYTEJ Henryk Juszka, Marcin Tomasik Akademia Rolnicza w Krakowie Streszczenie. Na przykładzie procesu filtracji emulsji chłodzco-smarujcej elementy robocze prasy tłoczcej opakowania (bodymakera), przedstawiono automatyzacj tego procesu z zastosowaniem logiki rozmytej. Brak sterowania automatycznego tym odcinkiem technologicznym (przedmiot bada) uniemoliwiał jego integracj z lini produkujc opakowania dla produktów rolno-spoywczych. Zakres pracy obejmował opracowanie systemu sterowania na bazie logiki rozmytej. Dopasowanie parametrów i współczynników sterowania oraz reguł sterowania rozmytego pozwoliło osign pozytywne wyniki weryfikacji empirycznej. We wnioskach wskazano na korzyci, jakie osignito dziki zastosowaniu logiki rozmytej do modelowania i sterownia procesami technologicznymi. Słowa kluczowe: filtracja membranowa, sterowanie rozmyte, sterownik PLC WSTP Wystpujce w systemie filtracji membranowej obiekty sterowania s z reguły nieliniowe, nierzadko silnie nieliniowe. Problem sprawiaj zmieniajce si parametry pracy filtra, co utrudnia dobór nastaw regulatorów. Ze wzgldu m.in. na nieliniowe charakterystyki pomp i przepływów, zalenoci ilociowe s trudne do okrelania. Pomocnym rozwizaniem moe by zastosowanie techniki mikroprocesorowej z narzdziami wspomagajcymi sterowanie nieliniowe, tj. sterowanie rozmyte. Standardowe metody automatycznej regulacji staj si niewystarczajce. Z drugiej strony dowiadczony operator (ekspert) jest w stanie manipulujc zaworami doprowadzi do chwilowego wyrównania zadanych wielkoci. W przypadku, kiedy przepływ lub poziom jest najwikszy zmniejszy go, natomiast tam, gdzie przepływ (poziom) jest minimalny, powoli zwikszy jego warto, na bieco kontrolujc. Po serii kolejnych prób i przyblie zestaw wielkoci bdzie w przyblieniu stabilny, a do czasu samoczynnej zmiany poziomu lub przepływu. Adres do korespondencji Corresponding Author: Henryk Juszka, Marcin Tomasik, Katedra Energetyki Rolniczej Akademii Rolniczej w Krakowie, ul. Balicka 104, Kraków, tel , kom: , mtomasik@poczta.fm

2 62 H. Juszka, M. Tomasik Takie intuicyjne, oparte na dowiadczeniu, rczne sterowanie przenosi na potrzeby układów automatycznej regulacji technika fuzzy-logic, nazywana take sterowaniem rozmytym [Piegat 1999, Kacprzak 2001]. Realizacja procesów membranowych wymaga takiej konstrukcji aparatury, aby w ich przebiegu uzyskiwa moliwie duy, stabilny w czasie, strumie permeatu o odpowiednio niskiej zawartoci składnika separowanego przez membran [Adamczuk i in. 1996, Tomala 1999]. Celem pracy było opracowanie systemu sterowania lini filtracji emulsji na bazie logiki rozmytej. System sterowania opracowano dla filtracji membranowej emulsji chłodzco smarujcej stosowanej w procesie wytwarzania metalowych opakowa. Obiekt bada stanowiła linia technologiczna produkujca opakowania do napojów (puszek napojowych). Sterowanie prac systemu filtracyjnego stanowicego obiekt bada w ramach niniejszej pracy do czasu jego modernizacji realizowane było w układzie półautomatycznym. Koncepcja sterowania wykorzystuje dowiadczenia zamieszczone w innych pracach [Tomasik 2006a, 2006b, 2006c]. OPIS SYSTEMU STEROWANIA System sterowania procesem produkcji puszki napojowej jest zintegrowany w sieci ControlNet. Składa si ze sterowników PLC, wielu czujników, a take manipulatorów. Proces produkcyjny jest w pełni zautomatyzowany. Jedynym odcinkiem stanowicym jednoczenie przedmiot bada o niepełnej automatyzacji i braku połczenia z sieci ControlNet była włanie linia technologiczna filtracji emulsji chłodzco-smarujcej. Cało sterowania t lini realizowano na panelu w systemie półautomatycznym. Rys. 1. Schemat systemu filtracji emulsji Fig. 1. Scheme of the emulsion filtration system Acta Sci. Pol.

3 Automatyzacja odcinka technologicznego na bazie logiki rozmytej 63 Zamknity system filtracyjny, jako przedmiot bada, umoliwia dokładn regulacj i kontrol wszystkich parametrów stanowicych o odpowiednich właciwociach emulsji chłodzco-smarujcej. Do parametrów tych zalicza si m.in. temperatur na wejciu do bodymakera (powinna wynosi 43 C). Najwaniejsz zalet takiego rozwizania jest zapewnienie analitycznej kontroli jej jakoci i składu chemicznego. Zamieszczony na rysunku 1 system filtracyjny składa si z trzech zbiorników buforowych, filtra (prasa filtracyjna), pomp, filtra zapasowego (by-passowy) oraz systemu kontrolno-sterujcego. Elementami pomiarowymi s czujniki: FI natenia przepływu, LI poziomu cieczy, PI cinienia, TI temperatury. Przepływ emulsji w systemie rozpoczyna si od powracajcej z bodymakera zabrudzonej cieczy wpływa ona do zbiornika ZB-1. Nastpnie przepompowywana jest do zbiornika ZB-2. Tutaj nastpuje uzupełnianie jej iloci w obiegu oraz wstpne oczyszczanie poprzez zbieranie zanieczyszcze z piany urzdzeniem o nazwie Oil Mop Skimmer. Dalej kierowana jest na pras filtracyjn (filtr membranowy), std oczyszczona przepływa do zbiornika ZB-CZ, dalej pompowana jest poprzez wymiennik ciepła (stabilizujcy jej temperatur) do wytłaczarki opakowa. W zbiorniku ZB 2 uzupełniana jest całkowita objto emulsji w układzie. ZADANIA STEROWANIA ROZMYTEGO PROCESEM FITRACJI EMULSJI Sterowanie procesem filtracji emulsji oparte zostało na dostarczanej przez modele Takagi-Sugeno informacji na temat kolejnych stanów procesu oraz działaniu regulatorów rozmytych wg metody Mamdaniego. Schemat blokowy przedstawiajcy zadania realizowane przez rozmyty system sterowania przedstawiono na rysunku 2. Odpowiednie wielkoci liczbowe ulegaj procesowi rozmycia do postaci lingwistycznej. Wybierana jest odpowiednia reguła sterujca. Jej wynik ulega procesowi wyostrzania do postaci konkretnej wielkoci sygnału sterujcego. Jednym z istotnych zada sterowania jest uzupełnianie objtoci emulsji chłodzcosmarujcej znajdujcej si w systemie filtracyjnym i zasilajcym bodymaker. Decyzje o objtoci uzupełnianej emulsji przejmuje regulator, obliczajcy brakujc objto na podstawie jej poziomów w trzech zbiornikach buforowych ZB-1, ZB-2 oraz ZB-CZ. Poziomy mierzone s przez czujniki zamontowane w kadym ze zbiorników, natomiast sterowanie wielkoci strumienia uzupełniajcego Q UZ w zbiorniku ZB-2 realizuje zaprogramowany sterownik, poprzez zmian stopnia otwarcia zaworu w przewodach doprowadzajcych now emulsj do tego zbiornika. Proponowana procedura przełczania pomidzy filtracj membranow a filtrami by-passowymi, powinna by uruchamiana w chwili, kiedy zapas emulsji w zbiorniku ZB-CZ i całkowita objto przefiltrowanej emulsji przez filtry by-passowe s w stanie zaspokoi zapotrzebowanie prasy tłoczcej puszk przy bezpiecznym strumieniu zasilajcym, tj. 130 do 200 gal min -1 ( dm 3 min -1 ) [Bergeson i Reiling 1997]. Technica Agraria 5(1) 2006

4 64 H. Juszka, M. Tomasik Rys. 2. Schemat działania rozmytego systemu sterowania Fig. 2. Operation scheme of the fuzzy control system Maksymalna sumaryczna objto trzech zbiorników buforowych wynosi dm 3. Jednak całkowita objto emulsji nie powinna by wiksza od dm 3 (sumaryczna pojemno ZB-1 i ZB-2) celem zabezpieczenia przed moliwoci przelewania si na zewntrz zbiorników. Stopie otwarcia zaworu uzupełniania emulsji, od którego zaley wielko przepływu strumienia masy Q UZ., zmienia si w zakresie od 0 dla współczynnika otwarci x = 0 do 150 dm 3 min -1 przy x = 1. Proces sterowania opisano za pomoc zbioru reguł rozmytych. Baza reguł (tablica decyzyjna) reprezentuje wiedz o danym procesie i ma ona posta rozmytych zda warunkowych. W przypadku analizowanego zadania sterowania stworzono nastpujc baz reguł, opisujc relacje zachodzce midzy poszczególnymi parametrami rozmytymi: 1. IF (V CAŁK. = S) THEN x UZ = (B), 2. IF (V CAŁK. = MS) THEN x UZ = (B), 3. IF (V CAŁK. = M) THEN x UZ = (MB), 4. IF (V CAŁK. = MB) THEN x UZ = (M), 5. IF (V CAŁK. = B) THEN x UZ = (S). Zapis ten naley odczytywa nastpujco: 1. Jeli objto całkowita V CAŁK. emulsji jest mała (S), to współczynnik otwarcia zaworu x UZ ustaw duy (B) Kolejnym zadaniem realizowanym poprzez rozmyty system sterowania jest utrzymywanie takich poziomów emulsji w zbiornikach ZB-1 oraz ZB-2, aby nie wystpowało zjawisko przelewania si teje emulsji na zewntrz. Acta Sci. Pol.

5 Automatyzacja odcinka technologicznego na bazie logiki rozmytej 65 Rozwizanie tego zadania opracowano i testowano w programie Matlab za pomoc biblioteki funkcji do projektowania układów rozmytych Fuzzy Logic Toolbox. Utworzony plik zawierajcy procedury rozmywania, wnioskowania oraz wyostrzania posiadał rozszerzenie *FIS [The MathWorks 2002]. Wpisane reguły s nastpujcej treci: 1. IF (h_zb1 jest S) AND (h_zb2 jest S) THEN (x_zb1,2 = B) 2. IF (h_zb1 jest S) AND (h_zb2 jest M) THEN (x_zb1,2 = M) 3. IF (h_zb1 jest S) AND (h_zb2 jest B) THEN (x_zb1,2 = S) 4. IF (h_zb1 jest M) AND (h_zb2 jest S) THEN (x_zb1,2 = B) 5. IF (h_zb1 jest M) AND (h_zb2 jest M) THEN (x_zb1,2 = M) 6. IF (h_zb1 jest M) AND (h_zb2 jest B) THEN (x_zb1,2 = S) 7. IF (h_zb1 jest B) AND (h_zb2 jest S) THEN (x_zb1,2 = B) 8. IF (h_zb1 jest B) AND (h_zb2 jest M) THEN (x_zb1,2 = B) 9. IF (h_zb1 jest B) AND (h_zb2 jest B) THEN (x_zb1,2 = M) Zapis ten naley odczytywa nastpujco: 1. Jeli poziom w zbiorniku ZB 1 (h_zb1) jest mały (S) i poziom w zbiorniku ZB 2 (h_zb2) jest mały (S), to współczynnik otwarcia zaworu x_zb1,2 naley ustawi duy (B). Okno Surface Viewer (rys. 3) przedstawia płaszczyzn zalenoci współczynnika stopnia otwarcia zaworu od poziomów w zbiorniku ZB-1 i ZB-2, stanowic wykres powierzchni sterowania (zmiennej wyjciowej) dla dwóch wybranych zmiennych wej- ciowych h_zb-1 i h_zb-2. Rys. 3. Wykres powierzchni sterowania (zmiennej wyjciowej) dla dwóch wybranych zmiennych wejciowych h_zb-1 i h_zb-2 Fig. 3. Diagram of the control surface (input variable) for two selected input variables h_zb-1 and h_zb-2 Technica Agraria 5(1) 2006

6 66 H. Juszka, M. Tomasik KONSTRUKCJA AUTOMATYCZNEGO SYSTEMU STEROWANIA W sterowaniu lini filtracji emulsji wykorzystano modele poszczególnych procesów zamieszczone w pracach [Tomasik 2006a, 2006b, 2006c]. Stanowi one podstaw predykcyjnego systemu sterowania. Pozwalaj na obliczanie sygnałów sterujcych przy uwzgldnieniu przewidywanej odpowiedzi. System predykcyjny wykorzystuje kompleksowe modele procesów oraz modele sterowania. W przypadku sterowania systemem filtracji emulsji chłodzco-smarujcej, modele Takagi-Sugeno oraz modele sterowania wg Mamdaniego tworz struktur takiego systemu. Rys. 4. Schemat blokowy systemu sterowania filtracj emulsji chłodzco-smarujcej Fig. 4. Block scheme of the system for control of the cooling and lubrication emulsion filtration Acta Sci. Pol.

7 Automatyzacja odcinka technologicznego na bazie logiki rozmytej 67 W skład urzdze koniecznych dla realizacji tego rozwizania wchodz m.in.: czujniki pomiarowe mierzce nastpujce wielkoci: poziom emulsji w poszczególnych zbiornikach (ZB-1, ZB-2, ZB-CZ), przepływomierze (przepływ do bodymakera, uzupełnianej emulsji, permeatu), cinienia (na zasilaniu bodymakera, na wejciu i wyjciu filtra membranowego); urzdzenia wykonawcze: pompy tłoczce, zawory z siłownikami elektrycznymi; sterownik PLC z moliwoci realizacji sterowania rozmytego; system SCADA w celu archiwizacji pomiarów, realizacji alarmów, obserwacji trendów i wizualizacji procesu. Schemat blokowy przedstawiajcy wymian informacji w tym systemie zilustrowano na rysunku 4. Na podstawie informacji uzyskiwanej z czujników sterownik PLC realizuje zaprogramowany program i wylicza wielkoci sterujce. Jeeli sterownik jest wyposaony w odpowiednie oprogramowanie, moliwa jest budowa układu regulacji zgodnie z logik rozmyt. Sterownik z aplikacj sterowania rozmytego mona zaprogramowa m.in. w jzyku C, umoliwiajcym tworzenie bloków programowych, które s wykonywane kilkakrotnie szybciej ni bloki napisane w logice drabinkowej. Jzyk programowania C uywany w sterownikach serii GE Fanuc wykorzystuje powszechnie stosowany kompilator Microsoft C/C++. W przypadku zastosowania sterownika PLC firmy Siemens, np. z jednostk centraln S7-314, dysponujemy oprogramowaniem Fuzzy Control++, w którym najpierw naley skonfigurowa blok danych (DB30) zawierajcy wszystkie informacje niezbdne do wykonywania oblicze poprzez specjalny blok funkcyjny (FB30). System posiada zaprogramowane komunikaty alarmowe informujce o odpowiednich stanach alarmowych. Powoduj one realizacj przypisanych procedur oraz informuj o zaistniałych okolicznociach do nich przypisanych. Alarmy przypisane s do maksymalnych poziomów w zbiornikach, maksymalnego dopuszczalnego cinienia przed membran oraz maksymalnej dopuszczalnej rónicy cinie na membranie (rónica transmembranowa), a take do braku emulsji w systemie uzupełniania jej stanu. Równie wielko cinienia na zasilaniu bodymakera w emulsj ma przypisany odpowiedni alarm informujcy o innym ni zalecane cinieniu zasilajcym. BADANIA DOWIADCZALNE Jednostk sterujc PLC był sterownik GE Fanuc serii Zaprogramowanie sterownika zrealizowano w zalecanym oprogramowaniu Proficy Machine Edition. Za pomoc modułu Logic Developer PLC mona tworzy programy, wykorzystujc proste w uyciu jzyki: drabinkowy (Ladder) oraz listy instrukcji (Instruction List) lub tekst strukturalny. Mona równie dołcza wczeniej przygotowane i skompilowane programy w jzyku C. Odczytu wskaza dokonano z czujników pomiarowych podłczonych do systemu sterowania, odstp pomidzy kolejnymi odczytami wynosił 5 min. Przeprowadzono 20 serii pomiarowych. Do systemu sterowania podłczony został komputer przemysłowy, na którym zainstalowane zostało oprogramowanie wizualizacyjne rejestrujce zda- Technica Agraria 5(1) 2006

8 68 H. Juszka, M. Tomasik rzenia w czasie rzeczywistym oraz prowadzce archiwizacj i wywietlajce alarmy. Z archiwum tego komputera pobrano dane do weryfikacji modelu. Wyniki bada dowiadczalnych pomiaru całkowitej objtoci emulsji chłodzco- -smarujcej przedstawiono na rysunku 5. Przed uruchomieniem systemu automatycznego sterowania odcinkiem technologicznym realizujcym utrzymywanie zadanej objtoci całkowitej poprzez uzupełnianie jej stanu wykonano dwie serie pomiarów na pracujcej linii w trybie rcznego sterowania, oznaczonych jako A. Pomiar 1 jest przykładem nadmiernej objtoci emulsji w układzie (zbyt dua objtoci uzupełnianej emulsji). Pomiar 2 jest bezporednim pomiarem przed uruchomieniem systemu. Pomiar 3 i 4 (B) s pomiarami zarejestrowanymi podczas pracy przedstawionego systemu sterowania opartego na logice rozmytej Objto V [m 3 ] 15 A B POM 1 POM 2 POM 3 POM 4 C Czas t [min] Rys. 5. Całkowita objto emulsji chłodzco-smarujcej w systemie filtracji Fig. 5. Total volume of the cooling and lubrication emulsion in the filtration system Charakterystyka lokalnych błdów wzgldnych dla pomiaru pierwszego rozpoczyna si od błdu wynoszcego 17%. Naley jednak wzi po uwag fakt, e system automatycznego sterowania rozpoczł prac dla objtoci całkowitej dm 3 (pomiar 3), jako kontynuacj cyklu z pomiaru 2. W trakcie dalszej pracy systemu nie zanotowano wikszego błdu, ni 2%. Na rysunku 6 znajduj si charakterystyki poziomu w poszczególnych zbiornikach wykonywane na podstawie pomiarów z serii bezporedniej przed uruchomieniem automatycznego systemu. Niski stan poziomów w tych zbiornikach jest wynikiem małej objtoci całkowitej emulsji w zbiornikach. Na rysunku 7 zamieszczono wyniki pomiarów poziomu odczytane po uruchomieniu automatycznego systemu sterowania. Poprzez A oznaczono włczanie filtrów bypassowych. System sterujcy został tak zaprogramowany, aby te filtry załczały si Acta Sci. Pol.

9 Automatyzacja odcinka technologicznego na bazie logiki rozmytej 69 jeszcze przed oprónieniem zbiornika ZB-CZ. Moment załczania inicjowany jest przy poziomie emulsji w tym zbiorniku wynoszcym 52 cm. Pozostawiony zapas przy mniejszej wydajnoci filtrów ma zagwarantowa niezmienny strumie emulsji chłodzco-smarujacej zasilajcy pras tłoczc opakowania do koca operacji wymiany wkładów w filtrze membranowym. Najistotniejszym parametrem przedstawianym na rysunku 7 z punktu widzenia bezpieczestwa prowadzonego procesu wytłaczania opakowa jest utrzymywanie odpowiedniego poziomu emulsji. Wydłuono cykl filtracji membranowej. Odpowiednie jej prowadzenie pozwoliło na lepsze wykorzystywanie tego systemu Poziom L [cm] ZB-1 ZB-2 ZB-CZ Czas t [min] Rys. 6. Pomiar poziomu w zbiornikach przed uruchomieniem systemu automatycznego sterowania opartego na logice rozmytej Fig. 6. Measurement of the level in the tanks before launching the automatic control system based on fuzzy logic Poziom 52 cm, przy którym załczane s filtry by-passowe, osigany po ok. 170 min od chwili uruchomienia filtracji membranowej. Przez cały cykl pracy opracowanego systemu sterowania utrzymywany był wikszy poziom w zbiorniku ZB-CZ, ni przy poprzednim rozwizaniu układusterowania. Dalsze prace nad rozwijaniem i udoskonalaniem systemu sterowania powinny zmierza w kierunku opracowania systemu odpowiedzialnego za jako składu chemicznego emulsji, a wic dozowanie i kontrol dodatków polepszajcych właciwoci chłodzce, smarujce oraz neutralizujce wpływ emulsji na smak przechowywanych w opakowaniach produktów. Technica Agraria 5(1) 2006

10 70 H. Juszka, M. Tomasik Poziom L [cm] ZB-1 ZB-2 ZB-CZ A Czas t [min] Rys. 7. Charakterystyki dynamiczne poziomu emulsji sterowanego automatycznie Fig. 7. Dynamic characteristics of the automatically controlled emulsion level Prezentowane w pracy rozwizanie z powodzeniem moe by stosowane w innych systemach opartych na procesach membranowych nie tylko w rolno-spoywczych procesach produkcyjnych. WNIOSKI 1. Zaprogramowanie systemu sterowania z uwzgldnieniem modeli poszczególnych procesów składajcych si na filtracj membranow skraca procedury strojenia regulatora oraz umoliwia bezpieczny rozruch. 2. Zastosowanie logiki rozmytej w aplikacji sterujcej, zapewniło lepsze wykorzystanie emulsji w układzie. Poziom emulsji w zbiorniku zasilajcym wytłaczark opakowa zapewniał cigł bezawaryjn prac tego urzdzenia. 3. Sterowanie rozmyte sprawdziło si jako narzdzie do wyznaczania parametrów sterowania w warunkach niekorzystnych zjawisk towarzyszcych procesowi i wprowadzajcych nieliniowoci do obiektów. 4. Wymierne korzyci zastosowania automatycznego systemu sterowania lini filtracji emulsji chłodzco-smarujcej opartego na logice rozmytej i programowalnym sterowniku logicznym to: ostrzeganie o stanach alarmowych oraz pełna archiwizacja procesu, włczenie poprzez sie przemysłow dostpu do systemu sterowania lini produkcyjn, wyeliminowanie stanów przelewania si emulsji poza zbiorniki (zmniejszenie strat, ochrona rodowiska itp.), utrzymywanie stałej objto emulsji chłodzco-smarujcej w systemie filtracji. Acta Sci. Pol.

11 Automatyzacja odcinka technologicznego na bazie logiki rozmytej 71 PIMIENNICTWO Adamczuk P., Koter S., Kujawski W Membrany i membranowe techniki rozdziału. Wyd. UMK, Toru. Bergeson B.T., Reiling M Wytwarzanie dwuczciowej puszki napojowej. Williamson, Wielka Brytania. Kacprzak J Wieloetapowe sterowanie rozmyte. WNT, Warszawa. Piegat A Modelowanie i sterowanie rozmyte. Exit, Warszawa. Tomala D Przeciwdziałanie zapychaniu membran filtracyjnych. Przemysł Ferment. Owoc.- Warz. 5, Tomasik M. 2006a. Modelowanie procesu napełniania zbiorników w systemie filtracji membranowej. Acta Sci. Pol., Technica Agraria 5(1), Tomasik M. 2006b. Model rozmyty filtracji membranowej. Acta Sci. Pol., Technica Agraria 5(1), Tomasik M. 2006c. Symulacja komputerowa systemu filtracji emulsji. Acta Sci. Pol., Technica Agraria 5(2) (w druku). The MathWorks Fuzzy Logic Toolbox For Use with Matlab. User s Guide. FUZZY LOGIC IN THE CONTROL OF THE MEMBRANE FILTRATION SYSTEM Abstract. The study presents the problems of automatic control of the filtration system of the emulsion that cools and lubricates working elements of the packaging press (bodymaker). Lack of automatic control of this technological section (the subject of the study) made it impossible to integrate it with the packaging production line for agricultural and food products. The scope of the study comprised preparation of the control system on the basis of fuzzy logic. Working out the parameters and control factors, as well as the principles for fuzzy control allowed for achieving positive results of empirical verification. Conclusions point to the benefits achieved owing to the application of fuzzy logic for modelling and control of technological processes. Keywords: automation, emulsion, membrane filtration, fuzzy logic Praca naukowa finansowana ze rodków KBN w latach jako projekt badawczy. Zaakceptowano do druku Accepted for print: Technica Agraria 5(1) 2006