Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega
reaktorja
Gregor Klančar, Igor Škrjanc
Fakulteta za elektrotehniko,Tržaška 25, 1000 Ljubljana
Borut Fortuna, Borut Jereb
Liko Pris d.o.o., Verd 100A, 1360 Vrhnika
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Vsebina






Prediktivni funkcijski regulator – PFC
Matematično modeliranje procesa
Postopek načrtovanja vodenja
Implementacija PFC v Siemens S7-400 in simulacija
Implementacija na realnem procesu, rezultati, primerjave
Zaključek
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Prediktivni funkcijski regulator – PFC
 Značilnosti
– enostavnost (načrtovanja in
razumevanja algoritma)
– uporabnost za širok spekter
procesov (izraziti mrtvi čas, fazna
neminimalnost, mejno stabilni
procesi)
 implicitno rešen problem
integralskega pobega
 kompromis med regulacijskim in
sledilnim delovanjem
 sledenje poljubni referenčni
trajektoriji
 referenčne implementacije: kemijski reaktorji, izmenjevalniki toplote, peči,
klima naprave (kemijska, farmacevtska, prehrambena industrija, metalurgija,
avtomobilska industrija)
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
 PFC algoritem
– interni model
– referenčni model
– horizont ujemanja H
 p  yr ( k  H )  y p ( k )
 m  ym ( k  H )  ym ( k )
 p  m
 regulirni zakon PFC algoritma
u (k ) 
(1  arH )( w(k )  y p (k ))
bm (1  amH )
1  am
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
ym ( k )

bm
1  am
Matematično modeliranje
Ravnotežne enačbe:
mP cP
mc
dTPizh
 k P cPTPvh  1  k  P cPTPizh   P cPTPizh  S TPizh  T   O S TPizh  TO 
dt
dT
 S TPizh  T 
dt
, dinamika ventilov
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Načrtovanje vodenja
Kaskadna izvedba:
 PFC 1, regulacija temperature plašča
 PFC 2, regulacija temperature reaktorja
Omejitve, zahteve:
 omejitev temperature
plašča
 min. prevzpona
 min. preklapljanje
 omejitve aktuatorjev
 uporabniška prijaznost
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Nastavitev regulatorja
Odprtozančni odziv na stopnico:
 ocena parametrov obeh podprocesov
 določitev ref. modela (TREF1, TREF2)
u (k ) 
(1  arH )( w(k )  y p (k ))
bm (1  amH )
1  am

ym ( k )
bm
1  am
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Načrtovanje v Matlab Simulink okolju
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Implementacija PFC v PLK
Siemens S7-400, programski jezik SCL
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Izvedba regulacije na realnem procesu
Regulacija z uporabo:
 nadgrajenega PID regulatorja
 prediktivnega regulatorja (PFC)
Zahteve pri izvedbi regulacije:
 odziv v okviru dovoljenih toleranc pri
stopničasti spremembi reference
 stabilnost v ustaljenem stanju
 omejitev temperature plašča
 kvalitetna regulacija pri različni
polnosti reaktorja
 prilagodljivost algoritma različnim
volumnom reaktorjev in različnim
mehanskim izvedbam
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Izhodišča pri razvoju algoritma:





možnost prenosa med različnimi krmilniki (SCL)
oblikovanje univerzalnega funkcijskega bloka temperiranja
enostavna uporaba v algoritmih vodenja procesa
skladnost z S88 standardom
enostavna prilagodljivost mehanskemu sistemu
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Regulacija z uporabo dopolnjenega PID
 algoritem sestavljen iz več korakov
gretja/hlajenja
 sprotno izračunavanje točke preklopa na
osnovi energijske bilance
 različni parametri PID regulatorja za
različno polnost reaktorja
 možnost prilagoditve različnim
načinom mehanske izvedbe
temperiranja
 velika poraba časa pri nastavljanju
parametrov in kvalifikaciji
 veliko število parametrov
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Odziv sistema z uporabo dopolnjenega PID
°C
N.V.
plašč
reaktor
reg.ventil
grelni medij
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Regulacija z uporabo prediktivnega regulatorja
 enostavna nastavitev parametrov
iz dinamike odprtozančnega odziva
 malo parametrov
 neodvisnost algoritma glede
velikosti reaktorja
 manjša obraba mehanskih
elementov (racionalno gibanje
mešalnega ventila)
 algoritem prilagojen ožjemu spektru
mehanske izvedbe načina temperiranja
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Odziv sistema z uporabo PFC
°C
N.V.
plašč
reaktor
%
grelni medij
hladilni medij
reg.ventil
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja
Zaključek
 Učinkovita nadgradnja predhodnega algoritma
 Preprosta in hitra implementacija
 Krajši čas zagona
 Robustnost na različne pojave
 Uspešna implementacija na različnih reaktorjih (od 50 do 6000 litrov)
 Načrti za prihodnje so v smislu avtomatske nastavitve parametrov,
adaptivnega vodenja in s tem večje univerzalnosti algoritma
AIG'05 - Prediktivna regulacija temperiranja šaržnega reaktorja