LABORATORIUM TOMOGRAFII PROCESOWEJ IM. PROF. TOMASZA DYAKOWSKIEGO W KATEDRZE INFORMATYKI STOSOWANEJ

Transkrypt

1 Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ł Ó D Z K I E J Nr 1078 ELEKTRYKA z DOMINIK SANKOWSKI Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Politechniki Łódzkiej LABORATORIUM TOMOGRAFII PROCESOWEJ IM. PROF. TOMASZA DYAKOWSKIEGO W KATEDRZE INFORMATYKI STOSOWANEJ Recenzent: prof. Andrzej Plskowski Maszynopis dostarczono: Streszczenie: W artykule przedstawiony został zakres bada oraz osignicia pracowników Katedry Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej w dziedzinie Tomografii Procesowej. Zespół naukowców Katedry Informatyki Stosowanej pod kierunkiem prof. dr hab. in. Dominika Sankowskiego w składzie dr hab. W. Mosorow, dr in. L. Babout, dr in. R. Banasiak, dr in. Z. Chaniecki, dr in. K. Grudzie, dr in. M. Janaszewski, dr in. J. Nowakowski, dr in. A. Romanowski, dr in. R. Wajman oraz mgr in. J. Betiuk, mgr in. Bartosz Matusiak, mgr inz. Tomasz Jaworski, mgr in. Paweł Kapusta i mgr inz. Michał Majchrowicz realizuje badania w ramach projektu midzynarodowego pt. Development of Excellence in Non-Invasive Diagnostic System for Industrials and Scientific Applications o akronimie: DENIDIA, prowadzony w ramach 6. PR - Mobility - Marie Curie Host Fellowships for the Transfer of Knowledge na podstawie kontraktu zawartego z Commission of the European Communities Research Directorate- General o nr MTKD-CT W ramach tego projektu w Katedrze zbudowane zostało jedno z najnowoczeniejszych Loboratoriów Naukowych na wiecie. Prace naukowe w dziedzinie tomografii procesowej były wielokrotnie nagradzane oraz wyróniane na licznych midzynarodowych wystawach innowacji i wynalazków.

2 68 Dominik Sankowski 1. WPROWADZENIE Prace zespołu tomografii procesowej Katedry Informatyki Stosowanej (TomoKIS) koncentruj si na rzeczywistych problemach wystpujcych w przemysłowych instalacjach przepływów wielofazowych [4] oraz opróniania silosów [2, 3] przeznaczonych do przechowywania materiałów sypkich. Obejmuj one przede wszystkim opracowanie metod monitorowania [5], diagnozowania [4] i sterowania tych procesów, nowe koncepcje dwu i trójwymiarowych pojemnociowych czujników tomograficznych [1] oraz opracowanie i implementacj nowych algorytmów do analizy danych pomiarowych (ang. raw data) [2, 4] oraz do dwu- i trójwymiarowej konstrukcji i wizualizacji obrazów [1, 5] oraz danych pozyskanych z procesów przemysłowych. 2. WYMAGANIA PRZEMYSŁOWE Procesy przepływowe takie jak: przepływy grawitacyjne (gaz - ciało stałe) w trakcie opróniania silosów, jak i przepływy dwufazowe gaz-ciecz czy transport materiałów sypkich znajduj szerokie zastosowania w przemyle budowlanym, spoywczym, farmaceutycznym, chemicznym, rafineryjnym i wielu innych. Std badania majce na celu popraw moliwoci monitorowania i diagnozowania tych procesów maj due znaczenie dla wielu gałzi gospodarki. Zastosowanie do bada nieinwazyjnego systemu elektrycznej tomografii pojemnociowej (ang. Electrical Capacitance Tomography ECT) jest szczególnie wane w procesach, w których monitorowanie jest trudne, poniewa przebiegaj w profilach zamknitych (umieszczenie czujników wewntrz takiej instalacji jest zwykle niemoliwe lub zakłóca proces). Stosowane do tej pory metody inwazyjne wymagały wiercenia otworów w cianach zbiorników czy rurocigów, za metody nieinwazyjne pozwalały jedynie na badanie zjawisk w warstwach przyciennych lub na powierzchni opadajcego materiału. Zespół TomoKIS zajmuje si jednoczenie klasycznymi metodami tomografii procesowej opierajcymi si na pomiarach realizowanych w płaszczyznach sensorów, które pozwalaj na dwuwymiarow wizualizacj badanego zjawiska, jak równie opracowywaniem systemu tomografii trójwymiarowej nowej konstrukcji. Realizowane jest to przez nietypowe rozmieszczenie elektrod, opracowanie protokołu pomiarowego oraz dedykowanego oprogramowania do przetwarzania danych, konstrukcji 3D obrazów i wizualizacji wyników. W niektórych przypadkach uzyska si bogatsz, ni w podejciu 2D, informacj o skanowanym obszarze. Czsto, gdy nie jest konieczne wykonywanie pracochłonnych operacji konstrukcji, autorzy stosuj do pozyskania informacji diagnostycznych metody oparte na przetwarzaniu danych pomiarowych.

3 Laboratorium tomografii procesowej im. prof. Tomasza Dyakowskiego 69 Zastosowanie techniki ECT umoliwia równie obrazowanie zjawisk dynamicznych zachodzcych podczas opróniania silosów w całym przekroju poprzecznym silosu oraz wyjanienie przyczyn ich powstawania. Dostp do tego typu informacji nie był moliwy za pomoc wczeniej stosowanych metod. Zjawiska dynamiczne wystpujce podczas opróniania silosów powoduj drgania ich cian przenoszone na podłoe gruntowe, co w efekcie stanowi zagroenie zarówno dla konstrukcji silosu (pknicia, odkształcenia i wyboczenia cian, luzowanie elementów mocujcych, w sytuacjach ekstremalnych katastrofy budowlane), jak i zagroenie dla pobliskich budynków. Jakociowe i ilociowe oszacowanie udziału poszczególnych faz w mieszaninach typu gaz-ciecz bd gaz-czstki ciała stałego, jest niezbdne w celu okrelenia stanu procesów transportu, bd procesów mieszania, a take w celu poznania zalenoci opisujcych procesy wymiany ciepła i masy w układach dwufazowych. Znajomo parametrów dystrybucji, takich jak udziały poszczególnych faz oraz sposób rozproszenia jednej z faz, pozwala na prawidłowe zaprojektowanie instalacji przemysłowych, a take na dobranie optymalnych parametrów przeprowadzania procesów, w których mamy do czynienia z przepływem dwufazowym. Moliwo okrelenia aktualnych wartoci tych parametrów w trakcie przebiegajcego procesu, umoliwiłoby sterowanie nim na bieco, przez co proces zachodziłby z maksymaln wydajnoci i bez ryzyka powodowanego przekroczeniem dopuszczalnych parametrów procesu. Perspektyw takiego dokładnego, a zarazem nieinwazyjnego zbadania struktury dwufazowych przepływów umoliwia włanie zastosowanie tomografii procesowej. Moduł analizy i przetwarzania danych pomiarowych pozwala uzyska informacje o stanie procesu przekazan w postaci parametrów wejciowych do automatycznych układów sterujcych prac i wydajnoci procesów przemysłowych. Wypracowanie tego typu systemów do automatycznej kontroli jest celem bada zespołu tomografii procesowej Katedry Informatyki Stosowanej. 3. LABORATORIUM TOMOGRAFII PROCESOWEJ WYPOSAENIE W 2008 roku oddano do uytku laboratorium naukowe tomografii procesowej do bezinwazyjnego badania zjawisk wystpujcych w przepływach wielofazowych. W celu zapewnienia moliwoci przeprowadzenia bada w warunkach majcych miejsce podczas rzeczywistych procesów przemysłowych, zaprojektowano i zbudowano instalacje dowiadczalne w skali półprzemysłowej.

4 70 Dominik Sankowski Zbudowane instalacje słu do badania: przepływu dwu-fazowego gaz-ciecz, transportu pneumatycznego materiałów sypkich, przepływu grawitacyjnego materiałów sypkich podczas opró nianiu silosów (Rys. 1). Rys. 1. Fotografie zbudowanych instalacji badawczych

5 Laboratorium tomografii procesowej im. prof. Tomasza Dyakowskiego 71 Laboratorium Tomografii Procesowej jest jednym z najnowoczeniejszych tego typu laboratoriów na wiecie. Laboratorium nosi imi prof. Tomasza Dyakowskiego zmarłego przedwczenie w 2006 roku współtwórcy Łódzkiej Szkoły Tomografii Procesowej, pracownika Politechniki Łódzkiej i Uniwersytetu Manchester w Wielkiej Brytanii. W ramach wyposaenia laboratorium oprócz instalacji badawczych znajduj si równie midzy innymi: najwyszej klasy elektryczny tomograf procesowy firmy ECT Instruments Ltd, oraz oprzyrzdowanie firm National Instruments, Rigol i Agilent (Rys. 2). Informatyczn sekcj systemu steruj komputery wysokiej mocy wyposaone w wielordzeniowe procesory Intel Xeon oraz karty obliczeniowe Nvidia Tesla. W skład urzdze tomograficznych znajdujcych si w laboratorium wchodz jeszcze 2 tomografy pojemnociowe oraz jeden tomograf dualny łczcy tomografi pojemnociow oraz rezystancyjn. Taki zestaw systemów pomiarowych umoliwia dokonanie wizualizacji zarówno 2D jak równie 3D badanego procesu przemysłowego w czasie rzeczywistym. Bogate wyposaenie laboratorium zaowocowało ju zarówno pracami naukowymi publikowanymi w czasopismach z listy filadelfijskiej jak równie wieloma nagrodami na wystawach krajowych i midzynarodowych. Rys. 2. Fotografie wyposaenia laboratorium Laboratorium powstałe w pomieszczeniach Katedry Informatyki Stosowanej odgrywa znaczc rol przy opracowywaniu, testowaniu i wdraaniu systemów nieinwazyjnego obrazowania dla potrzeb aplikacji przemysłowych. Celem tego przedsiwzicia jest wypracowanie nowoczesnych bezinwazyjnych technik automatycznej kontroli procesów przemysłowych pod wzgldem jakoci i optymalizacji produkcji.

6 72 Dominik Sankowski 4. SYSTEM ZDALNEGO MONITORINGU EKSPERYMENTÓW Obok bogatego wyposaenia Laboratorium zbudowany został zdalny system monitorowania i podgldu on-line eksperymentów badawczych prowadzonych w laboratorium tomografii procesowej. Stanowi on pierwszy etap budowy wirtualnego laboratorium tomografii procesowej. Dostp do laboratorium dla szerokiego grona uytkowników pozwoli na rozwój technik tomografii procesowej, rozpropagowanie tej techniki w systemach przemysłowych. System umoliwia zdalny podgld instalacji przepływowych znajdujcych si w laboratorium poprzez przegldark internetow. System został przygotowany w celu: rozpowszechniania wiedzy, zarówno podstawowej na temat tomografii procesowej, jak i doskonalenia dotyczcego najnowszych osigni badawczych w tej dziedzinie, udostpniania (przynajmniej porednio) unikalnej aparatury bdcej na wyposaeniu Katedry, integracji rodowisk badawczych zajmujcych si tomografi, promowania rozwiza systemów kontroli procesów przemysłowych, wymiany dowiadcze, zarówno midzy zespołami naukowymi zajmujcymi si systemami pomiarowymi, jak równie pomidzy pracownikami przemysłu stosujcymi techniki tomograficzne. System umoliwia podłczenie dwóch kamer IP (tzn. podłczanych bezporednio do sieci komputerowej, a konfigurowanych z pomoc protokołu Internet Protocol - IP), z których obraz jest przekazywany przy pomocy przegldarki internetowej do uytkowników zalogowanych do systemu. Jednoczenie obraz moe by przekazywany na ywo do 10 uytkowników; liczba ta zostanie rozszerzona dziki zastosowaniu dedykowanego serwera streamingowego. W systemie dostpny jest panel dyskusyjny, umoliwiajcy prowadzenie rozmów i dyskusji pomidzy uytkownikami. Panel ten, popularnie zwany oknem dialogowym czatu (z ang. chat) pozwala take na wprowadzanie na bieco komentarzy dotyczcych obrazu eksperymentu w trakcie jego przebiegu i natychmiastowego ich wywietlania. System umoliwia archiwizacj nagra z kamer IP oraz danych tomograficznych pochodzcych z przeprowadzonych kampanii pomiarowych. Moliwo zdalnego uczestnictwa wymaga przeprowadzenia rejestracji, polegajcej na wypełnieniu odpowiednich pól formularza (Rys. 3a). Zwykły uytkownik po rejestracji (Rys. 3b) i poprawnym logowaniu domylnie moe rozpocz jedynie ogldanie obrazu przechwyconego z kamer znajdujcych si w laboratorium. Nadanie dodatkowych uprawnie, tj. dostp do archiwum, chat u czy panelu administracyjnego moe zosta przeprowadzone jedynie przez administratora systemu.

7 Laboratorium tomografii procesowej im. prof. Tomasza Dyakowskiego 73 a) b) Rys. 3. Zdalny system monitorowanie instalacji laboratoryjnych, a) okno logowania i b) rejestracji uytkownika a) c) b) Rys. 4. Widok okna panelu administratora, a) główny panel, b)okno zarzdzania uytkownikami, c) okno konfiguracji kamery

8 74 Dominik Sankowski Dostpny panel administracyjny (Rys. 4) umoliwia zarzdzanie uytkownikami, konfiguracj kamery, wysyłanie informacji drog mailow o terminie planowanego eksperymentu, dodawanie/usuwanie plików z archiwum. Administrator dla kadego z uytkowników moe doda nastpujce uprawnienia: KAMERA - dostp do modułu ogldania obrazu z kamer znajdujcych si w laboratorium CHAT - dostp do panelu dyskusyjnego, umoliwiajcego rozmow z innymi uytkownikami. ARCHIWUM dostp do folderu z danymi pomiarowymi oraz nagraniami w postaci plików mp4 poprzednich eksperymentów i umoliwia pobranie udostpnionych plików (Rys. 5). Rys. 5. Widok okna testowego archiwum LITERATURA [1] Banasiak R.: Algorytmy wizualizacji 3D w przemysłowych systemach elektrycznej tomografii procesowej. Rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka, 2007.

9 Laboratorium tomografii procesowej im. prof. Tomasza Dyakowskiego 75 [2] Chaniecki Z.: Algorytmy przetwarzania i analizy danych pomiarowych elektrycznej tomografii pojemnociowej w diagnostyce wybranych procesów przemysłowych. Rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka, [3] Grudzie K.: Algorytmy i przetwarzanie informacji wizyjnej w systemach tomografii procesowej dla wybranych procesów przemysłowych. Rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka, [4] Romanowski A.: Zastosowanie systemów tomografii procesowej do czasowego i przestrzennego modelowania zjawisk fizycznych. Rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka, [5] Wajman R.: Modyfikacja algorytmów rekonstrukcji obrazów dla potrzeb pojemnociowej tomografii procesowej. Rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka, PROCESS TOMOGRAPHY LABORATORY NAMED PROF. TOM DYAKOWSKI IN THE COMPUTER ENGINEERING DEPARTMENT Summary This paper presents summary of research of Process Tomography research group (TomoKIS) in the Computer Engineering Department. The members of the group are: Prof. Dominik Sankowski leader of the group, W. Mosorow, PhD, DSc, L. Babout PhD, R. Banasiak PhD, Z. Chaniecki PhD, K. Grudzie PhD, M. Janaszewski PhD, J. Nowakowski PhD, A. Romanowski PhD, R. Wajman PhD and MSc: J. Betiuk, B. Matusiak, T. Jaworski, P. Kapusta, M. Majchrowicz. Within the frame of the 4-year FP6 Marie Curie Transfer of Knowledge DENIDIA project the new process tomography lab was built. This is one of the most modern process tomography labs in the world. Results of the research was awarded with many international prizes. Politechnika Łódzka Katedra Informatyki Stosowanej