Energetikai folyamatszabályozás

BME, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Energetikai folyamatszabályozás BMEGE ENMESZ 2/1/0/v/4 Változat: 2014

Dr. Szentannai Pál egyetemi docens, tanszékvezető helyettes

D 206B

[email protected]

06 1 463 2559

Tartalom fejezet

alkalom

1. Az energetikai folyamatszabályozás helye, környezete

1. 2.

2. Irányításelméleti alapok

3. 4.

3. Energetikai szabályozási feladatok és megoldások

5. 6.

4. Szabályozások realizálása

7. 8. 9.

5. Modern szabályozási eljárások

10. 11.

6. Példák modern szabályozások megvalósítására

12. 13.

Követelmények

A szorgalmi időszakban: 1. zárthelyi az 5. oktatási héten 2. zárthelyi a 10. oktatási héten 3. zárthelyi a 13. oktatási héten • min. 40% elérése szükséges a vizsgára bocsátáshoz (den nem kell külön-külön) • a vizsgajegybe 1/3 súllyal számít bele

A vizsgaidőszakban: szóbeli vizsga

A tudás átadásának módja: szóbeli előadás

 vetített háttéranyaggal, ami letölthető a következő helyről:

ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/Energetikai_folyamatszabalyozas/

 Azt kell tudni, ami elhangzott!  Kérdezzenek!

A tudás befogadásának javasolt módja: (hagyományos) jegyzetelés az ábrák lerajzolásával

 A tempó ennek megfelelő (a vetítés nem sokszorozza meg a megtanulandó anyagot)  Segít a megértésben  Segít a feldolgozásban  Segít a magyarra fordításban  A letöltött vetített képek ennek pontosításában segíthetnek, kinyomtatásuk fölösleges

Tudnivalók a vetített képekről ábra, szöveg: tudni kell reprodukálni angol szakkifejezések: tudni kell

Tudnivalók a vetített képekről irodalomból átvett ábrák idegen jelölésrendszerrel: külön jelzem, ha a jelölési részleteket nem kell tudni angol szakkifejezések: külön jelzem, ha nem kell tudni

forrás / szerző(k): segítség, nem kell tudni

Kiegészítő vázlatpontok a tudnivalókról – nem teljes lista!!

irodalomból átvett ábrák számunkra lényegtelen részletekkel: külön jelzem, ha a jelölési részleteket nem kell tudni német és egyéb feliratok: általában nem kell tudni A magyar megfelelőjét csak mondom!

Ajánlott irodalom A 2. fejezethez:  Lantos Béla: Irányítási rendszerek elmélete és tervezése I. Egyváltozós szabályozások. Akadémiai kiadó, 2001. ISBN 963-05-7787-9 A 3. fejezethez:  Czinder Jenő: Erőművek szabályozása. Műegyetemi Kiadó, 2000. Azonosító szám: 45058  Günter Klefenz: Die Regelung von Dampfkraftwerken. BI-Wiss.-Verl., 1991 (4. kiadás) Az 5. és 6. fejezethez:  Szentannai, P. (Ed.): Power Plant Applications of Advanced Control Techniques (to be bublished by ProcessEng Engineering GmbH in 2010), ISBN: 978-3-902655-11-0 Több fejezethez:  Dr. Nagy Dezső: Kiterjedt technológiai folyamatok irányítástechnikai tervezésének gyakorlata. Oktatási segédlet, BME Irányítástechnika és Informatika Tanszék, 2008. Munkaszám: VA3320

Kinek szól? gépészmérnök – villamosmérnök alapképzettség, folyamatos tanulás, átképz(őd)és

feladatok, határok, együttműködés •koncepcionális tervezés •kiviteli tervezés •megvalósítás, üzembe helyezés •optimálás •üzemeltetés •retrofit

Energetikai folyamatszabályozás

Dr. Szentannai Pál

[email protected]

1. AZ ENERGETIKAI FOLYAMATSZABÁLYOZÁS HELYE, KÖRNYEZETE

- szorosan kapcsolódó területek

1.1. Alapfogalmak

magasabb szintű információ ítéletalkotás

érzékelés

beavatkozás

− hierarchikus rendben helyezkedik el − folyamaton belüli visszahatás: nem feltétlen van (pl. fűtés a külső hőmérséklet alapján) − „távadók”, beavatkozók − a hierarchiában fölfelé: intelligencia ; megbízhatóság  − központosított – elosztott intelligenciájú megvalósítás .

Csoportosítások irányítás vezérlés

szabályozás

irányítás

kézi

automatikus

.

Nem automatikus (kézi) szabályozás

- ergonómia, kezelhetőség, usability

Lipták

Nem automatikus (kézi) vezérlés

- a témánk: automatikus szabályozások

Lipták

1.2. Hierarchikus irányítási struktúra

erőmű rendszer irányítása

blokk szintű irányítás

„részvezérlés”

funkciócsoport „csoportvezérlés” irányítás

intelligencia

folyamatközeli „egyedi vezérlés” irányítás

programozott védelmek

huzalozott védelmek

megbízhatóság

inherens védelmek

követelmény

Hierarchikus irányítási struktúra: Jellegzetességek

szintek

- tovább balra: automatikán kívüli inherens biztonsági létesítmények: építmények, gyűjtő tartályok, lokalizációs torony stb.

Inherens védelmek példa: hasadó tárcsák, biztonsági szelepek

.

Inherens védelmek példa: a turbina védelme elöntés ellen Heller rendszerben

.

Inherens védelmek példa: atomerőmű, biztonságvédelmi rudak

.

Huzalozott (relés) védelmek

- p-, t-, ... „kapcsoló” - ha fagy & nincs áramlás => zsalu bezár

.

Huzalozott (relés) védelmek, működtetések

- kontaktusok rajza: fesz. mentes állapot - relé elromlása - +/- logika

Omron, Schmid

Huzalozott (relés) védelmek, működtetések +

- PLC és DCS bemenetek esetén is

-

logika

.


Schmid


Schmid


Schmid


- hálózatkimaradás, majd -visszatérés után mi történjék??? (hűtőszekrény  villamos)

Schmid

1.3. Azonosítás erőműn belül

- KKS - P&I diagram

KKS Kraftwerk Kennzeichen System

- Németországból - ma az egész világon általánosan elterjedt / megkövetelt - betű-szám kombináció elválasztók nélkül (a vezető 0-kat el lehet hagyni) - bármely erőműben gyorsan tájékozódhat, aki ismeri - a szabadon választható részekben gyakran: céges szabványok => egyeztetés szükséges -> néha nagy gond .

KKS

.

Lindsley

LA: tápvíz; LB: gőz; LC: kondenz rdsz.

- csak a kiemelteket kell tudni (E, H, ...)

KKS

Lindsley

KKS kazán részrendszerekre bontása

.

Nagy D.

KKS aláosztás (példa) - a határok kijelölése lehet másképp is - ezután: készülék kód: pl.: B1LCM51AA001 Plant Unit

Level1 Level2

.

Nagy D.

KKS irányítástechnikai készülékkódok

-

C: egyszerű mérés; F: számított m. T: hőmérséklet készülék kód: pl.: B1LCM51CT001 D: sűrűség Plant Unit

Level1 Level2

felső sor: FUNKCIÓ alsó sor: KKS

E: villamos mennyiség (pl. áram, feszültség F: áramlás G: pozíció (pl. szelepé) H: manuális bemenet L: szint P: nyomás Q: minőségi jellemző T: hőmérséklet

TIC LCM51CT001

.

Nagy D.

P&I diagram (Piping and Instrumentation diagram)

helyi mérés

távadós mérés

- a távadós műszer gyakran helyi kijelzéssel %

.

P&I diagram (távadó helyi kijelzővel)

.

.

 alsó sor, Level2, 2. betű

P&I – funkciók leírása (felső sor)

- alsó sor: KKS

- felső sor: funkció

Nagy D.

P&I – rajzrészlet példák

.

Nagy D.

P&I – rajzrészlet példák

- ‘+’ ~ ‘H’ ; ‘-’ ~ ‘L’

Nagy D.

P&I – példa: gőz-víz rendszer részlete

LBA02CT001

LBA20CF001

- a helyi műszerek és szelepek itt n.á. - technológus -> irányítástechnikus de: egyeztetés!! - nagyítva a köv. fóliákon - nem kell reprodukálni

Nagy D.


LBA20CF001

TÁPTARTÁLY

- kétpontos dobszint sz. - nem kell reprodukálni

Nagy D.


LBA02CT001

- PIR R: nincs sok jelentősége (képernyőn is) - T mérések kapcsolódása - nem kell reprodukálni

Nagy D.

1.4. Tervezői együttműködés nagy projektben A technológus – irányítástechnikus együttm. dokumentumai (basic design) Szöveges technológiai leírás (technical description) − a technológia működése (P&I vonatkozásokkal) − a kezelés helyszínei (vezénylő, helyi pult, helyszín) − automatizáltság foka − rendelkezésre állás (=> redundancia: technológia ~ ir. tech., vill.) − biztonság igények (SIL [SIL3: biztonsággal leállít, önellenőrzés], RB) P&I rajzok Azonosító rendszer (KKS -> alvállalkozóknak is) Mérőhely lista Fogyasztói lista (=hajtáslista) (motorok, motoros [hidr., pneum.] szelepek) Logikai sémák (szállítótól független; szekvenciális is) Szabályozási sémák Kritérium lista (reteszelések, határértékek) Kezelői képek előterve (ember-gép kapcsolat) Alarmlista Naplózási követelmények .

Meghívott előadó: Dr. Nagy Dezső, EGI

Logikai séma (lefutó vezérlés) a bemutatott példához tartozó technológia

- gyakorló példa; nem kell reprodukálni


1.5. Black boxok

- példa; nem kell pontosan reprodukálni


1.6. Lefutó vezérlés – szabályozás kapcsolata

.



Dr. Szentannai Pál

[email protected]

2. IRÁNYÍTÁSELMÉLETI ALAPOK

- jórészt ismétlés - csak az energetikai szabályozástechnika gyakorlatában jelentőséggel bíró részek

2.1. Fogalmak

irányítás vezérlés az ítéletalkotás nem kap visszajelzést a beavatkozás hatásáról

szabályozás ... kap visszajelzést

főleg ezzel foglalkozunk angolul:

control open loop control

németül: .

closed loop control (feedback control) Steuerung

Steuerung

Regelung .

A zárt szabályozási kör felépítése

Xz Xa +

Xr

-

szabályozó

Xb

beavatkozó szerv

Xm

angolszász jelölésekkel: +

e

-

ym

Xs

érzékelő szerv

Xe

r

szakasz (folyamat)

controller

d u

actuator

up

plant (process)

y

sensor .

A (zárt) szabályozási kör összevont ábrázolása A beavatkozót és az érzékelőt gyakran (analízis esetén) a szakasz részének tekintjük.

d

r

+

e

-

C

u

P

y

− gyakran ezt tekintik szabályozónak − többváltozós => vektorok .

z or d zavaró jel disturbance e Störgröße, -n

s alapjel

+

e - szabályozási eltérés / setpoint / reference signal rendelkező jel

szabályozó controller r Regler, -s, -

r Sollwert, -s, -e error r Regelfehler, -s, - / e Regeldifferenz, -en

szakasz / u folyamat beavatkozó jel plant / process

control signal / r Prozess, -s, -e / manipulated e Regelstrecke, -n variable e Stellgröße, -n/ e Steuergröße, -n

y szabályozott jellemző controlled variable / plant output e Regelgröße, -n

Magyarul beszélünk, de az angol jeleket használjuk (<= egyszerűbbek).

Állásos szabályozások

- ez is szabályozás

Schmid

Állásos szabályozások hárompont szabályozás

- több állású szab.: hűtő ventilátorainak be-, kikapcsolása

Schmid

Kaszkád szabályozás

- gyakran: S1: szelep; ‘Hilfsregler’: szelep pozicionáló

Breckner

2.2. Folytonosidejű lineáris szabályozások analízise

 diszkrétidejű: analóg módszerek  nemlineáris: lineárisnak tekintjük; linearizáljuk de: - egy-, többváltozós  - autonóm (=időinvariáns), nem autonóm  - determinisztikus , stochasztikus x

2.2.1. Lineáris rendszerek leírási módjai

2.2.1. Lineáris rendszerek leírási módjai a.) állapotegyenlet

.

.

.

Gyurkovics

.

Gyurkovics

Lineáris rendszer hatásvázlata

- a mátrixok időfüggése nincs kiírva

.

.

.

.

.

2.2.1. Lineáris rendszerek leírási módjai b.) átviteli függvény

.

.

.

.

2.2.1. Lineáris rendszerek leírási módjai c.) súlyfüggvény d.) átmeneti függvény e.) differenciálegyenlet-rendszer

.

.

2.2.2. Áttérés az egyes leírási módok között

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

2.3. Szabályozások tervezése

.

2.3.1. PID típusú szabályozások

- D: trend -> jövőbeli alakulás

Controller v

P t

e

v

+

s +

I

-

+ t

v

z u

Process

y

+

D t

- ez nem pontosan egyezik az előző és a következő dián felírttal - megvalósításonként sok hasonló (jelentéktelenek tűnő) eltérés (pl. Matlab: P+I/s+Ds)

.

.

.

.

.

.

.

.

WSZ· WPID 1+WSZ· WPID

.

.

2.3.2. A PID típusú szabályozók kísérleti beállítása

- üzembehelyezéskor, amikor még kevés információ van a szakaszról

- b.) automatikus behangolók ezt csinálják – majd látunk példát

.

-> stabilitás határa -> max. csillapításig : TD,max ; TD,max /3

-> a kívánt csillapításig

- csak a stabilitás határára kell vinni (periódusidőt nem kell mérni) - a pontos lépéseket nem kell tudni

.

2.3.3. Holtidős tagot tartalmazó rendszerek irányítása

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Más megoldás, ha van modell

- külső kör: a modellhibák, zavarások kompenzálására - a két alsó vonal össze is vonható

Siemens

2.3.4. A szabályozott szakasz határainak kijelölése

.

.

.

.

.

.

.

Ir.elm. könyv elején: >> A szabályozott szakaszt a megbízó határolja le <<

>> Attól várható jó szabályozás, aki jól ismeri a szabályozandó berendezést << - Ez vonatkozik a tervezőre, de az algoritmusra is!

.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

3. ENERGETIKAI SZABÁLYOZÁSI FELADATOK ÉS MEGOLDÁSOK

-

klasszikus megoldások jórészt ismétlés az alapvető feladatok modern környezetben is megmaradnak csak az alapgondolatokat tárgyaljuk; a konkrét megvalósítások jóval összetettebbek


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

3.1. Gőzkazánok szabályozásai

.

Dobos kazán fő szabályozási körei R1 gőznyomás-szabályozás (hozzá: tüzelésszabályozás) R2 tűztérnyomás-szabályozás (huzatszabályozás) R3 gőzhőmérséklet-szabályozás R4 dobszintszabályozás (tápvízszabályozás)

- klasszikus megoldások: SISO hurkok

Klefenz

Benson kazán fő szabályozási körei R1 gőznyomás-szabályozás (hozzá: tüzelésszabályozás) R2 tűztérnyomás-szabályozás (huzatszabályozás) R3 gőzhőmérséklet-szabályozás R4 tápvízszabályozás

.

Klefenz

Sulzer kazán fő szabályozási körei R1 gőznyomás-szabályozás (hozzá: tüzelésszabályozás) R2 tűztérnyomás-szabályozás (huzatszabályozás) R3 gőzhőmérséklet-szabályozás R4 tápvízszabályozás a leválasztó edény vízszintje alapján R6 leiszapolás szabályozás (a terheléssel arányosan)

- leválasztó edény: az elgőzölgés végpontjának helye rögzített - Lagisza ilyen típus (de: FBC)

Klefenz


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

3.2. Szélerőművek szabályozása

.

Adottságok

.

.

Feladat A szél elméleti teljesítményét igyekszünk kinyerni, de - erősen függ a szélsebességtől, - a beépített villamos berendezések mérete felső határt szab A feladat: teljesítményszabályozás (~gőz- és gázturbina)

.

.

Alkalmas kapcsolások Jó szabályozási lehetőségeket csak változtatható fordulatszámú szélerőművek képesek biztosítani => frekvenciaváltó Mára két változat terjedt el:

kétoldalról táplált (frekvenciaváltós) aszinkron generátoros

frekvenciaváltón keresztül hálózatra csatlakozó állandó-mágneses vagy gerjesztett forgórészű szinkron generátoros - GÁ, HÁ: gépoldali-, hálózatoldali áramirányító

Hunyár

A teljesítményszabályozási feladat

- már vn előtt eléri a max. szögsebességet (mech. igénybevételek, zaj korlátoz) - kétoldalról táplált aszinkron generátor esetén nem lehet tetszőlegesen kicsi szögsebesség (eltérés a szinkron szögsebességtől) - túl nagy szél esetén is le kell állítani Hunyár

Ib tartomány: a teljesítmény maximalizálása

PT10 PT9

v10

PT=M*W PT8 PT7

- generátor jelleggörbék a nyomaték-szögsebesség síkon - látszik a három szabályozási tartomány - v-től (szélseb.) függően változik az optimális szögsebesség Hunyár bővítve

Ib tartomány: a teljesítmény maximalizálása

- a teljesítménytényező változása a gyorsjárási tényező (~szögsebesség) és a lapátszög függvényében - a lapátszög szerint is optimalizálni kell = a teljesítmény-szabályozás két beavatkozó jele: szögsebesség és lapátszög - lineáris szabályozás szóba sem jöhet!

Hunyár

Ic tartomány: a teljesítmény maximalizálása De:

.

- a szögsebesség nem nőhet => egy beavatkozó jel marad: a lapátszög

.

II tartomány: a névleges telj. tartása - Cp elrontásával => a lapátszög növelése

.

.

Szabályozási kapcsolás

ω

~

=

lapátszög szab. telj. => nyomaték szab.

u

u

=

~

P

telj. szab.

- a közbenső egyenáramú kör feszültsége (U) a generátor- és hálózatoldali hatásos teljesítmények egyenlőségének érzékeny mutatója (tárolás) - érdekes: nem a szélsebesség alapján történik vezérlés, hanem: - a szögseb. alapján telj. alapjel. - nagyobb szélseb. => nagyobb szögseb. és telj. mellett áll be egyensúly Hunyártól, módosítva (~spirál mentén)

Részvétel lehetősége az erőmű rendszer teljesítmény- (frekvencia-) szabályozásában + gyors frekv. váltó: n*1/10 sec lapátszög: n sec - ingyen energiát nem használ ([lobogtat])

- nem teljesen szabad (v határ alatt, ami változik)

.

Hunyár

Szélerőművek szabályozása – megjegyzések - A gondola állásszögének szabályozása (yaw control) - olykor a telj. szab. eszköze is - körbefordulások max. száma (kábelek)

.

.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

3.3. A villamosenergia-rendszer szabályozása

- Nem tárolható! - Mennyiségi feladat: a termelői és fogyasztói teljesítmények egyensúlyának fenntartása. - Minőségi feladat: hálózati frekvencia és feszültség: pontos értékek! - Szoros kapcsolat a kettő között. - A szállítási költség (hálózati veszteség) arányos a szállított mennyiséggel (=> ennek minimalizálása nem szabályozási feladat)

A szabályozás szintjei primer szabályozás (max. 30 s)

szekunder szabályozás (max. 15 min)

tercier szabályozás

szinkronidőszabályozás

idő eltérés - eltérés: termelés-fogyasztás egyensúlyának felbomlása (pl. a fogyasztás növekedése vagy akár egy blokk kiesése [tartalék előírások erre von.]) (gyakran csak az utóbbit tárgyalják, pedig normál üzemben is ugyanúgy működik az egyensúly fenntartásának mechanizmusa) .

Területi fogalmak szinkronzóna: együttműködő hálózat azonos frekvenciával (a miénk: UCTE: Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity)

szabályozási zóna: amelyen belül a mérleget egyensúlyban kell tartani (a miénk: Magyarország: egy szab. zóna: MAVIR, de pl. Németországban négy) - több további szint - lefelé: mérlegkörök: pénzügyi, elszámolási egységek - fölfelé: irányítási szintek - a szabályozás szempontjából a fenti két szint játszik szerepet

.

Primer szabályozás A termelt teljesítményt állandóan egyensúlyban kell tartani a fogyasztott teljesítménnyel - mert az elosztó hálózat nem tudja tárolni a villamos energiát - az egyensúlyt a frekvencia eltérése jelzi Eltérés esetén kezdetben a csatlakozó generátor egységek és motorok forgórészének kinetikus energiája kompenzál. Ennél nagyobb vagy tartósabb eltérés esetén: automatikus beavatkozás: Primer szabályozás: az erőművek teljesítményszabályozása - ahogy pl. hőerőművekre tárgyaltuk - nem minden erőmű / blokk vesz részt benne - de a szinkronzóna minden bevont blokkja - néhány másodperc -> állandósult állapot - de: P szab. => maradó hiba: frekvencia-eltérés .

.

Szekunder szabályozás Az új egyensúlyi állapotban tehát - van frekvenciahiba - a (pl. kiesett blokk miatt) hibás egyensúlyú szabályozási zónát a többi segíti ki (pl. telj. vagy fogyasztás többlettel) [Ez pontosabban: a szabályozási zónák közötti csereteljesítmények eltérnek a tervezett értékektől.] A feladat: ezek megszüntetése - néhány percen belül - csak az érintett szabályozási zóna végzi (a rendszerirányító vezetésével, ami nálunk a Mavir ZRt.) - kiválasztott blokkok végzik - ez folyamatos, valósidejű, PI jellegű szabályozás, bemenő jelei: - frekvencia, - csereteljesítmények - de: hasonló eseményekre a tartalékot továbbra is biztosítani kell .

.

Tercier szabályozás A résztvevő generátorok v. fogyasztók munkapontjának automatikus vagy kézi megváltoztatása annak érdekében, hogy - a szekunder szabályozási tartalék megfelelő legyen (erre előírások) - a teljesítmény a lehető legjobban legyen elosztva a termelők között (gazdasági szempontok alapján) - csak az érintett szabályozási zóna végzi (a rendszerirányító vezetésével, ami nálunk a Mavir ZRt.)

.

.

Szinkronidő szabályozás A szinkronidő eltérését a „koordinált nemzetközi világidő”-től (azaz az átlagfrekvencia eltérését névleges értékétől) kompenzálni kell: - a frekvencia alapjel megváltoztatásával: - 49,99 Hz vagy 50,01 Hz egész napokra - svájci központból irányítják (természetesen az egész szinkronzónára érvényesen)

.

.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

3.4. Gyűjtősín szabályozás

- előző f.: blokkok dolgoznak a közös villamos hálózatra - itt: kazánok dolgoznak közös gőzsínre * közös: a változó fogyasztói igényeket több gép együttesen teljesíti - itt van tárolás: p jellemzi. - egyensúly: p állandó; ez egyben a minőségi követelmény is (+ elékapcsolt gőzturbina: régi középnyomású géppark gazdaságosságának javítása érdekében) Klefenz

Gyűjtősín szabályozás - alapkapcsolás

- több kazánra ugyanígy - olaj, gáz esetén a tüzelőanyag-szabályozás egyszerűbb - A1, A2: részvétel a szabályozásban (általában névl. telj. arányában) - lehet, hogy csak egy kazán szabályoz * variáció: p-szabályozó + együttfutás szab. (olykor összetett szabályok) * variáció: tüz.a szab. helyett dobnyomás- vagy gőzáram szabályozó Czinder


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

3.5. Távhő rendszer szabályozása

- Tárolható. - Mennyiségi feladat: a termelői és fogyasztói teljesítmények egyensúlyának fenntartása. - Minőségi feladat: adott hőmérsékleten és nyomáskülönbséggel: előírt tartományok. - Szoros kapcsolat a kettő között. - Saját cél: a szállítás költségének minimalizálása.

Távhő rendszer szabályozása ϑk PI

ϑe

Δp

PI

-

M

régebben: állandó tömegáram (nagyobb veszteség) Te = f(Tk) , de ha a csövek kopnak a hőtágulástól => közel állandó a hőközpontok szabályozásai nem látszanak a fogyasztók szabályozásai sem látszanak

.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

3.6. Földgáz hálózat szabályozása

- Tárolható. - Mennyiségi feladat: a termelői és fogyasztói teljesítmények egyensúlyának fenntartása. - Minőségi feladat: adott nyomáson. - Szoros kapcsolat a kettő között. - Saját cél: a szállítás költségének minimalizálása.

A hálózat részei - betáplálási pontok (termelés + import) - kompresszor állomások - csővezetékek

- hálózati csomópontok - földalatti gáztárolók - gázátadó állomások (+ tranzit kiadási pont(ok))

.

.

A hazai hálózat részei Tiszaújváros

Beregdaróc

Mosonmagyaróvár

Hajdúszoboszló Városföld

- megjelölve: a kompresszor állomások

MOL

A feladat típusa: modell alapú optimalizálás peremfeltételekkel - Az optimalizálás célja: a gázkompresszorok gázturbináinak üzemanyag fogyasztásának minimalizálása (3-5%-a a szállított gáznak!) - Peremfeltételek pl.: min., max. nyomás a gázátadó állomásoknál, betárolás / kitárolás - Rendszerirányító központ: Siófok - Számos további feladat: tárolás, kereskedelem, tervezés, elszámolás stb.

.

.

Az optimalizáló eszköz SIMONE (Csehország)

- nem kell pontosan tudni

Simone


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

4. SZABÁLYOZÁSOK REALIZÁLÁSA


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

4.1. Nem digitális megoldások

Lipták

- P szabályozás maradó hibával: - max. terhelés ~ max. nyitás ~ alacsony szint  alapjel

Lipták

Mechanikus fordulatszám-szabályozó

.


-

röpsúlyos fordulatszám-szabályozás Watt gőzgépén már ilyen volt az autóiparban ma is használják P jelleg, maradó hiba

Lipták


.

Madrid

Nyomásszabályozás hidraulikus I szabályozóval

sugárcső

I: amíg van szabályozási eltérés, mozog a beavatkozó.

Winckler


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

4.2. Terepi műszerezés, távadók

Az áram jel előnye

- Rs: zavaró ellenállás pl. korrózió miatt => mérési hiba

Lindsley

A 4 – 20 mA előnye

- két vezeték - élő nulla

Lindsley

Helyi nyomásmérés mérő műszer

elzáró szerelvény teszt csatlakozóval vízzsákcső főleg gőz esetén a magas hőmérséklettől való megvédés érdekében elzáró szerelvény

- helyi P mérés - mérőhely elrendezési rajz, „hook-up” - egyes elemek elmaradhatnak

mérendő közeg Schneider

Nyomásmérés műszerállványra szerelve

szelepcsoport

impulzuscső

.

Schneider

Nyomáskülönbség mérés (áramlás mérés) gáz szelepcsoport

impulzuscső

- ha folyadék jelenléte lehetséges (pl. kondenz) => fontos, hogy fent - nedves gőzre leválasztó edények is Schneider, Rosemount

Nyomáskülönbség mérés (áramlás mérés) folyadék

impulzuscső

szelepcsoport

- ha gáz jelenléte lehetséges => fontos, hogy lent

Schneider

Dobszintmérés

ANSI/ISA

Hőmérséklet mérés

- védőcső: gyakran kiváló hőszigetelés! – gyakran dupla - olaj (vízszintes csőbe!?) - azonosítás (mérőhelyé, kábelé)

(Gb2010; Elliott)


Dr. Szentannai Pál

4.3. Kábelezés, buszok

[email protected]

PROFIBUS (Process Field Bus)

-

szabványos (DIN 19 245 – már megint német!) zseton (token) körbeadása aktív: önálló adatküldés, -kérés (gyakran csak egy); max. 32 passzív: felszólításra reagál (nyugtáz, adatot küld ...) lineáris-, fa struktúra árnyékolt sodort érpár: 1200 m; utána: repeater

Schmid

További terepi buszrendszerek: protokoll: MODBUS

- RS-485-re, de létezik RS-232-re és Ethernet-re is - Modicon cég PLC-re; nyílt, ingyenesen használható de-facto szabvány

További terepi buszrendszerek: fizikai szintű szabványok: Soros vonal (V.24; USA: RS-232C) - eredetileg: számítógép – modem kapcsolat - point-to-point - max. 15 m

RS-485 (EIA-485)

.

- sodort érpár - max. 32 állomás - max. 1200 m

.

Kábelezés

- kábel „létrák”, „tálcák” - feszültségszintek szétválasztva - faláttörés: tűzálló (+ szigetelés)

.

Kábelezés

- kábelalagút metszet rajz kábeltálcákkal - építész terv - kábelek átmérője

Nagy D.

Kábelezés – belső huzalozás

- „tömszelence” ; átmérő

.


Dr. Szentannai Pál

4.4. Beavatkozók

- főleg: szelepek

[email protected]

Szelep karakterisztikák - quick opening: leginkább nyit-zár szelepekhez (tányér szelep) - lineáris - egyenszázalékos: adott szelepszár elmozdulás mindenhol azonos arányban változtatja az áramló mennyiséget

moving the stem from 20% of full travel to 30% of full travel changes the flow from 5% to 7.5%, while moving the stem from 80% of full travel to 90% of full travel increases the flow from 50% to 75%. In both cases, a stem movement of 10% of full travel results in a 50% increase of the previous flow.

- szabályozás tervezésekor figyelembe kell venni!

Lindsley

Villamos segédenergiával működtetett beavatkozók Although pneumatic actuators are inexpensive, reliable and fastoperating, their use necessitates the provision of compressed-air supplies. The air must be clean and dry, entailing the use of filters and driers. It is therefore attractive to consider devices that do not require such expensive ancillary plant. They have the advantage of providing inherent 'fail-fix‘ operation since on loss of power they lock in position. On the other hand, making an electric actuator fail to the open or closed position on loss of power is not so simple.

- a szabályozó berendezések ma szinte kizárólag elektronikus rendszerek

Lindsley

Hidraulikus segédenergiával működtetett beavatkozók Hydraulic actuators offer another way of dispensing with air compressors and their ancillary equipment. This type of actuator is powerful, fast and accurate, and can be provided in fail-open, fail-closed or fail-fix configurations. A centralised hydraulic reservoir is shared between several actuators, careful consideration must be given to ensuring that no failure can disable major portions of the plant.

- régebben előfordultak hidraulikus szabályozó rendszerek

Lindsley

Pneumatikus segédenergiával működtetett beavatkozók Pneumatic actuators are inexpensive, reliable and fastoperating, their use necessitates the provision of compressed-air supplies. The air must be clean and dry, entailing the use of filters and driers.

- régebben gyakran használtak pneumatikus szabályozó rendszereket - ma (általában) a pneumatikus beavatkozókat is elektronikus szabályozók irányítják

Lindsley

Beavatkozók

- jelkapcsolatok - segédenergia: villamos (csatlakozása nincs ábrázolva)

AUMA

Beavatkozók szelepeken kívül: - fordulatszám szabályozott motorok (szivattyúk, ventilátorok) - be-, kikapcsolás (villamos fűtés, ventilátor) - ...

.

Früh


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

4.5. Digitális szabályozó eszközök

Kompakt szabályozók (régebben: analóg elektronikus megvalósítás)

- huzalozott környezetbe - történelem: szorzó, ... - programozhatók

- automatikus behangolás!?? - több kör, kaszkád

Siemens

PLC (Programmable Logic Controller)

- főleg bináris be-, kimenetek, de analóg lehetőségek (sw. blokkok) is

Schmid

DCS (Digital Control System)

Siemens PLC S7 400

Honeywell TDC3000 remote I/O

- DCS más jelentése: Distributed Control System - A két irány (PLC lentről, DCS fentről: kezd összeérni): pl. ABB Freelance kimondottan; Siemens I/O kártyák

.

DCS – tipikus elrendezés

- rendszer óra - black boxok

Realtimeservice

DCS – elrendezés példa

.

Ny

Redundancia

- 2x, 3x - szintek (mérések; I/O; processzor) - működés eltérés esetén (szavazás, leállás)

.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

4.6. Szabályozások programozása

PID szabályozó blokk

- minden DCS szoftverben – még a PLCkben is van hasonló - nem kell teljesen reprodukálni

Nagy D.

Példa szabályozás programozására

- itt: szakasz szimulátor elemekkel - itt: szelepvezérlő üzemmód is - (nem kell reprodukálni)

Nagy D.

PID szabályozót beállító blokk szabályozott jellemző beavatkozó jel

kiadott szeleppozíció szelepvezérlő üzemmód

.

Nagy D.

PID szabályozót beállító blokk működése

szabályozott jellemző (hőmérséklet)

beavatkozó jel (szeleppozíció) 5. kiszámolja a szabályozó paramétereket

1. R (run) parancsra indul

- óvatosan!! - x skála: percek

2. zavarmentes állapotot vár; szelepvezérlő üzemmódba vált

3. 5% pozíciónövelést ad

4. felveszi az átmeneti függvényt Nagy D.

4.7. Vezérlések (bináris irányítások) programozása

- A szakmai nyelv itt nem konzekvens! - Mert: a feladat jellege a bináris – analóg szempont szerint válik szét. (fontos a kettő találkozása – külön tárgyaljuk (2 helyen is)) - Ezen belül: „programozott védelmek”

Vezérlés programozása


Lipták

Vezérlés programozása logikai séma (FUP: Funktionsplan)


Lipták

Vezérlés programozása áramútterv / létra diagram (KOP: Kontaktplan)


Lipták

Vezérlés programozása utasításlista (AWL: Anweisungsliste)

LD

LSH001

OR

%M0001

ANDN LSL002 AND

%I0001

...


.

Vezérlés programozása – az európai jelölésrendszer IEC 61131 - 3 FUP, Funktionsplan (FBS, Funktiosbausteinsprache) [alfanumerikus képernyők óta]

KOP, Kontaktplan

AWL, Anweisungsliste

ST, Strukturierter Text Früh

Vezérlés programozása szelepműködtetés (impulzusvezérelt szelep)


Lipták

Vezérlés programozása szelepműködtetés (folyamatos vezérlésű szelep)


Lipták

Vezérlés programozása beavatkozók (szelepek, motorok stb.) működtetése

Sok változat van mind a bemeneti- mind a kimeneti jelre vonatkozóan („pöcögtetős”)

Az ezekhez szükséges vezérlési makrók a tervező cégeknél rendelkezésre állnak. Itt részletesebben nem tárgyaljuk.

.

Beavatkozók programozása motor funkcióblokk

motoros szelep funkcióblokk

- funkcióblokk ~ makró, szubrutin - az egyes (pl. ‘stop’) bemenetek prioritását is leírja; változtatni tilos Nagy D.

Programok dokumentálása

- Ez a hagyományos mód

Nagy D.

Lefutó vezérlés

Programrészek: - lépésekben kiadott parancsok (Step) - továbblépési feltétel (Transition)

Schmid

Lefutó vezérlés

.

.

Lefutó vezérlés

- programozó környezet - fejblokk (inicializáló blokk) - üzem – leáll ág - hibakezelés -- kezelői üzenetek, kijelzések

Nagy D.

Realizációs lehetőségek egyszerűbb környezetben

- a flip-flop NAND kapukból is megvalósítható - a konkrét kapcsolást nem, csak az elvet kell tudni

Nagy D.

Realizációs lehetőségek egyszerűbb környezetben

- a konkrét kapcsolást nem, csak az elvet kell tudni

Schmid

4.8. Kezelői kapcsolatok

- lentről kezdjük

Kezelői felület programozása további képek elérése

üzenetek, állapotuk (!) - színek

hely pl. szabályozók kezelői lapjának

- Amerikából - színek jelentése: egységesen!

Elliott

Naplózás, (bináris-, analóg) adatgyűjtés

- az üzemvitel utólagos értékeléséhez - hibák utólagos elemzéséhez - régebben papíron (kézzel is) – ma inkább digitálisan

Naplózás - eseménynapló (hibajelzések, nyugtázások, beavatkozások stb.) - műszaknapló (összesített teljesítmény adatok) Adatgyűjtés - általában külön számítógép (~ fekete doboz) - szinkron óra!

.

Helyszíni, kézi beavatkozási lehetőségek

-

technológiai vezetékek impulzus vezetékek indításhoz, leállításhoz gyakori (pl. légtelenítés) „adapter”

.

Kézi beavatkozási lehetőségek, helyszíni mutatós műszerek

- a távműködtetésű szelepek is

Csordás (P2007)

Kézi beavatkozási lehetőségek, helyszíni mutatós műszerek

- a távműködtetésű szelepek is - KKS

(Trin2008)

Helyszíni-, kézi beavatkozási lehetőségek

- egyes beavatkozóké, motoroké - általában közvetlenül a működtető áramkörben - kulcsos kapcsolók – szerelés, biztonság - technológiai részegységeké - általában PLC kapcsolatokkal

.

Helyszíni-, kézi beavatkozási lehetőségek

- technológiai részegységeké

(Zszg, 2010)

Vezénylő

- kb. a ’90-es évekig (ma is üzemel ilyen)

Csordás (Aj2007)

Vezénylő

- régi és új - hátul: kompakt szabályozók, mutatós műszerek ...

(Kb2007)

Vezénylő

- az elektronikus irányítás kezdete

(Aj2007)

Vezénylő

- gyakran (elektronikus) háttérképpel - ma csak a monitorok laposabbak

Csordás (Úp2007); PowerGen

Vezénylő

- az USA-ban elterjedt

Honeywell

Vezénylő – optimalizáló munkahelyek

.

(Cb2000)

Vezénylő

- MAVIR rendszerirányító (régebben: Teherelosztó)

Csordás

Résztechnológia folyamatos távműködtetése

.

(Kb2007)


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

5. MODERN SZABÁLYOZÁSI ELJÁRÁSOK


Dr. Szentannai Pál

5.1. Igény, fogalmak

.

[email protected]

jobb szabályozás  üzleti haszon ϑ tiltott terület

hagyományos szabályozás

modern szabályozás

t

jobb szabályozás  üzleti haszon

.

•

Reaching higher efficiency in steady states (which directly means lower fuel costs and emission – as introduced in the example above).

•

Expanding the limits of steady state operations.

•

Making dynamic changes smoother and less resourceconsuming. (This covers start-up, shut-down and load change periods. In the first two cases the sped up processes directly result in savings in fuel cost, while considering and limiting thermal stresses also results in an increased life-time.)

•

Increasing the level of supply by making the power plant a more flexible one in the energy market. .

Igény

Cases where PID no more applicable:

   +

.

MIMO processes with strong couplings Nonlinear processes ( startup, shutdown) Time-variant processes Better control performance required

.

Keresztkapcsolatok (szabályozási körök között)

.

Havlena

Keresztkapcsolatok (szabályozási körök között) cv1 VARIABLE mv1

Fuel feed flow

cv2

Steam Bed pressure temperature

Oxygen in flue gas

cv4

S

M

M

C

S

S

Primary air flow

S

mv3

Secondary air flow

M

mv4

Limestone feed flow

M

mv5

Ash removal flow

M

cv5

cv6

SO2 in flue gas Bed pressure

C

mv2

mv6

cv3

M

C C

cv7

Chamber pressure

cv8

Drum Steam level temperature

M

S/M

S/M

S

S/M

S

S

S/M

S

M C C

Flue gas flow

mv7

Feed water flow

M

mv8

Spray water flow

M

C

dv1

Steam flow

S

S/M

C mv S cv M dv

DCS Control loop pairing manipulated variable Strong interaction controlled variable Minor interaction disturbance variable

C

C S M

DCS control loop pairing strong interaction minor interaction Havlena

Alkalmazási példa Példa:

700 MWe hőerőmű

Probléma:

liberalizált villamosenergia-piac  kb. 150 indítás/leállítás évente  nagy hőfeszültségek + üzemanyag-veszteség

kék = modern szab.

lila = hagyományos szab.

piros = korlátok

 gyorsabb indítás  kevesebb veszteség (~ 20%)  kevesebb hőfeszültség  az élettartam kisebb fogyása

Rode

Korszerű szabályozási eljárások ipari alkalmazásai. Példa: MPC

Alkalmazás iparáganként

Refining Petrochemicals Chemicals Pulp and paper Polymer Air & Gas Food Processing Mining/Metallurgy Power plants Furnaces Cement Unclassified Total Number of Applications

1995

1999

2005

67.2% 13.0% 8.5% 2.0% n.a. n.a. 0.5% 0.7% n.a. 1.9% n.a. 4.2%

55.7% 15.3% 4.6% 1.9% 1.1% 1.6% 1.5% 1.0% n.a. 1.1% n.a. 16.1%

49.2% 9.9% 15.6% 3.8% 6.3% 5.9% 3.5% 1.5% 0.2% n.a. 1.3% 2.7%

2,233

4,635

9,456

- a konkrét adatokat (persze) nem kell tudni

Dittmar

Teljes automatizálás iparáganként


ZVEI

Új létesítmény költségeinek megoszlása


Gutermuth

Általános fogalmak az egyes eljárások jellemzésére: adaptív

nemlineáris .

Astron

Általános fogalmak az egyes eljárások jellemzésére:

robosztus

intelligens

.

.

Elméleti háttér

- Ebből egy kis áttekintést kapunk ebben a fejezetben (is)

A legfontosabb eljárások - műmérés - áthangoló szab. - átkapcsoló szab.

nemlineáris szakaszokra

modern kiterjesztések klasszikus szabályozókhoz is

- szétcsatolás - MPC

<- leggyakrabban használt

- DMC

<- MPC részhalmaza

- fuzzy - neurális háló

„intelligens”

.

Identifikáció (modellalkotás)

- fizikai modellalkotás

 elméleti modell

- black box (ARX, FIR, ...)

 empirikus modell

- grey box

 félempirikus modell

.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

5.2. Műmérés soft sensor / indirect process monitoring / inferential measurement

hardver szenzor helyett, ha az - túl drága - nem megvalósítható - túl bonyolult .

(valójában nem önálló szabályozási eljárás)

Műmérés - primer folyamatjellemzők helyett - egy vagy több szekunder jellemző méréséből következtet - matematikai modell segítségével => a primer változó becsült értéke

- modell szükséges - modellhiba hatása - zavarások helye / -> hatása

.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

5.2. Áthangoló szabályozás gain scheduling control

- egyetlen lineáris szabályozó alkalmazása nemlineáris folyamatra

.

Áthangoló szabályozás - a lineáris szabályozó tervezése: a szakasz több munkapontjára - működés közben a szabályozó paramétereit aktualizálják – az éppen aktuális munkaponttól függően

(az adaptív tulajdonság legegyszerűbb esete)

.

Áthangoló szabályozás a tervezés lépései 1. A variable , well correlated with the changes in the process dynamics, should be identified to be used as the scheduling variable. Preferably, this variable should be readily available and its time dependency should be easily handled. 2. A set of operating points should be chosen to span the whole operating range of the process. This set defines an array of values ={1,…,n} in the scheduling variable and a partition of the operating range. 3. Design the linear controller at each operating point, using the linear time-invariant models of the plant at the selected points if required, and store the controller parameters. 4. Design the gain-scheduling scheme to interpolate the controller parameters for operation between the selected operating points.

.

Garduno-Ramirez

Áthangoló szabályozás a tervezés lépései The main advantages of gain scheduling are that the plethora of linear control methods can be used in the design of the control system, and that the controller parameters can be updated very rapidly, since no parameter estimation is needed. Major difficulties might include the selection of the scheduling variable, optimal partition of the operating space, large amount of time required to synthesize the controllers for cases with large number of partitions, and the selection of the parameter scheduling procedure. The former problem may result in unsatisfactory or even unstable performance, which can be accentuated by the interpolation strategy, sharpness of the partition boundaries, and non-slowly varying process dynamics.

.

Garduno-Ramirez

Áthangoló szabályozás Despite the many practical implementations of gain scheduled controllers, there has always been a major concern about the lack of theoretical results about the global properties of the controlled system, that is, although the system could have excellent robust stability and performance properties at the selected operating points, there is no guarantee that these properties will hold at all points between the selected points. Nevertheless, it should be noted that even theoretically well-supported control methods are of a local nature once a real application is attempted. The control system properties for wide-range operation are demonstrated through extensive simulation experiments, which may become an overwhelming task when many points of interest are considered.

.

Garduno-Ramirez

Áthangoló szabályozás In the typical gain-scheduling scheme, where an internal process variable is used to determine the process operating condition, a slowly-varying scheduling variable* guarantees that the process state and output do not deviate far away from the values at the selected operating points. Scheduling on a reference trajectory, the plant output maintains global properties provided that the scheduling variables have a sufficiently slow time variation, the unmodeled nonlinearities are small, and the unmodeled dynamics are not excited significantly.

* terhelés!

Garduno-Ramirez


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

5.3. Átkapcsoló szabályozás Multi-mode control

.

Átkapcsoló szabályozás for wide-range control of nonlinear processes In this approach, switching among several controllers, each designed for a partition of the operating space, is made in accordance to the current operating conditions.

.

.

Átkapcsoló szabályozás The multimode approach provides great versatility on the control techniques that can be used in each controller, and from a wider perspective, also allows the realization of reconfigurable schemes that can even have different process input-output pairing. This versatility could be a great advantage for the implementation of control strategies across different operating states (i.e., normal, emergency, trip, restoration, etc.) and operating stages (cold startup, hot standby, loading, shutdown, etc.) within the same operating state. The major drawback might be that of implementing the switching logic to achieve smooth transfer between two different controllers and to avoid intermittent operation of two controllers in adjacent operating regions with sharp boundaries.

.

Garduno-Ramirez


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

5.4. Szétcsatolás loop-decoupling / interaction compensator

többváltozós szabályozások, ahol több, független szabályozási kör van: zavarhatják egymást

.

Csatolt szakasz (szabályozási körök keresztkapcsolatai)

1. szabályozó

1. módosított jellemző

kapcsolt szakasz

2. módosított jellemző

1. szabályozott jellemző

2. szabályozott jellemző

2. szabályozó

Ha a szabályozásban nem vesszük figyelembe a szakasz erős keresztkapcsolatait (szaggatott vonalak), nem megfelelő működést, pl. lengéseket kapunk. (-> tárgyalás többváltozós szabályozásként)

Példa csatolt szakaszra

2. szab. 3. szab.

~ 1. szab.

Qv: zavaró jellemző

P

Szétcsatolás

- D : szétcsatoló : decoupler

.


Dr. Szentannai Pál

5.5. MPC

.

[email protected]

MPC – modell alapú prediktív szabályozás MPC – Model Predictive Control

-

–

Modellprädiktive Regelung

ipari elterjedés: 1980-tól sok változat mindegyik: a szakasz dinamikai modelljére támaszkodik mindegyik: valósidejű optimálást végez

>> Attól várható jó szabályozás, aki jól ismeri a szabályozandó berendezést << (Ez vonatkozik a tervezőre és az algoritmusra is.) .

MPC – az alapgondolat

.

MPC – modell alapú prediktív szabályozás (működése röviden)

 Process model

u

y = f(u,x,...)

y

 Setpoint

s(n·tn)

 Constraints

≤, ...

 Cost function

Q·(s-y)2 + R·u2  min

(korlátozások)

to be solved  quadratic problem with constraints  at each sampling (on-line) the first control to be applied to the process

.

Előnyök

 Considers future values

 Considers constraints

 MIMO application available

.

MPC – a működés lépései feltevések: 1. on-line számítások => diszkrétidejű működés

2. lineáris rendszert feltételezve (nemlineáris esetre majd kiterjesztés) 3. többváltozós

.

MPC – a működés lépései A.) PREDIKCIÓ Fealadat: - a magárahagyott rendszer szabályozott jellemzőinek jövőbeli értékeinek meghat.: - a szabályozási eltérés jövőbeli értékei:

Jelölések:: -

predikciós horizont: nP szabályozási horizont: nC k-adik lépésben tartunk alapjel: w

- a jelöléseket nem kell pontosan visszaadni

Dittmar

MPC – a működés lépései A.) PREDIKCIÓ Ismert: - múltbeli jelfolyamok:

(a nyilak iránya segít)

- beavatkozó jel: - szabályozott jellemző:

- mérhető zavarások: - az alapjel jövőbeli alakulása: - az utoljára beállított beavatkozó jel (amely nem változik): - nem mérhető zavarások becsült értéke: - dinamikus (=instacioner) rendszermodell – elvileg tetszőleges formában .

MPC – a működés lépései B.) DINAMIKUS OPTIMÁLÁS Feladat: a beavatkozó jel jövőbeli megváltoztatásainak optimális megválasztása:

optimálás:

szabályozási hiba -><- beavatkozás intenzitása (kompromisszum)

Definiálása: súlymátrixokkal: Q, R Célfüggvényt kell minimalizálni:

.

MPC – a működés lépései B.) DINAMIKUS OPTIMÁLÁS korlátozások (!!, pl.):

.

MPC – a működés lépései B.) DINAMIKUS OPTIMÁLÁS Mindez az ismert „optimumkeresési feladat kvadratikus célfüggvénnyel és lineáris peremfeltételekkel” amire (régóta) ismertek hatékony keresési algoritmusok

Egyszerű modellre, korlátozások nélkül analitikus megoldás is létezik => nagyságrendekkel kisebb számítási igény (Ez a DMC – lásd később)

.

MPC – a működés lépései C.) A CSÚSZÓ HORIZONT ELVE A kapott megoldásnak csak az első elemét alkalmazzuk a folyamatra (aztán újra kezdődik a szabályozási ciklus)

D.) A NEM MÉRHETŐ ZAVARÁSOK BECSLÉSE A predikció hibájának okai: - a modell pontatlansága - nem mérhető zavaró jellemzők <- gyakori megoldás: csak erre vezetik vissza

.

MPC

Dittmar

MPC megvalósítás Matlab-Simulink környezetben

.

MPC megvalósítás Matlab-Simulink környezetben

.

.

MPC Nemlinearitás kezelése

MPC nemlinearitás kezelése

.


Dr. Szentannai Pál

5.6. Fuzzy szabályozás

- Fuzzy halmazok - Ezen alapuló szabályozás

[email protected]

.

.

.

.

.

.

Alapgondolat – Fuzzy halmazok

1 0

2

5

x

Fuzzy set: youth membership function

membership function

Classical set: 2≤ x ≤5

1 0

15

25

age

.

.

.

.

.

a ka k

.

.

.

.

- sokféle fuzzy rendszer; eltérések leginkább itt

.

.

.

IF analog input value IF

y

u Rule Base DECISION MAKING

me mi wha t dd l e ope n so me w clo hat clo se se

so

analog output value

... THEN ...

measured value (steam temp., e.g.)

FUZZIFICATION

en

temp is very low THEN valve set to open temp is low THEN valve set to somewhat open

op

IF

membership

i gh

... THEN ...

ry h

IF

ve

rm al hi g h

no

ow l ow

ry l ve

membership

Alapgondolat – Fuzzy szabályozás

output value (valve position, e.g.)

DEFUZZIFICATION

.

Jellemzők

+ Easy realization of human / expert knowledge + Low-cost applications (computer, sensor, actuator) - Unsmooth output - Stability ??

.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

6. PÉLDÁK MODERN SZABÁLYOZÁSOK MEGVALSÍTÁSÁRA

- módszertan - példák (csak ipari léptékben megvalósítottak!)


Dr. Szentannai Pál

6.1. A realizálás módja

.

[email protected]

Realizálás új erőmű (új irányítási rendszer) esetében - Általános jellemző: nagyobb számításigény - Új erőmű (új irányítási rendszer): ennek megfelelő teljesítőképességűt kell beépíteni -> eltérés az árban: minimális - Kiépítés: 1.) hagyományos szabályozási megoldások (az erőmű üzembe helyezésének fázisában, átadás előtt) 2.) modern szabályozások (az erőmű finom hangolásának fázisában)

Realizálás meglévő erőmű (meglévő irányítási rendszer) esetében - Általános jellemző: a korábban megépített irányítási rendszer (DCS) nem elégíti ki az új eljárások számításigényét - Alapvető szempont: a meglévő irányítási rendszer által nyújtott stabil működés, biztonság szintje nem romolhat => - A meglévő felügyeletet gyakorol az új felett. - Kiépítés: új hardver is kell + csatlakozási felület

- A következő ábra használható új rendszerekre is, csak ott azonos hardveren fut mindkét szintű szabályozás; a csatlakozó felület elmarad.

Realizálás meglévő erőmű (irányítási rendszer) esetében HW / SW realizálás Meglévő DCS

S

meglévő szabályozók

S

új PC az új többváltozós szabályozóval

meglévő alacsony szintű szabályozók (pl. pozicionálók)

+

+

-

+

+

-

+

I/O csatorna

+

M

M

esetleg néhány új mérés (pl. hőfeszültségek)

A megvalósítás menete meglévő erőmű (irányítási rendszer) esetében

1. Regisztrátumok elemzése  (csatolt) szabályozási szakasz kiválasztása 2. Modellalkotás 3. Szabályozó tervezése, off-line tesztelése 4. Szabályozó összekapcsolása a meglévő rendszerrel

5. Eredmények gazdasági elemzése  döntés a bevezetésről, megvásárlás

Alkalmazási példák gyűjteménye (új könyv) Pal Szentannai (Ed.): Power Plant Applications of Advanced Control Techniques. ProcessEng Engineering GmbH, Wien, ISBN 978-3902655-11-0 (2010). p. 235. Corresponding author

Coun try

Power Plant

Technique

J. M. Lemos

PT

thermal

adaptive MPC

Vladimir Havlena

CZ

thermal

MPC

Jeno Kovacs

FI

thermal

MPC

Wen Tan

CHN

thermal

PID

Mika Ruusunen

FI

thermal

ARX fast forecast

A. Sanchez-Lopez

MEX

thermal

DMC + Fuzzy

Enso Ikonen

FI

thermal

Markov chains

M.A. Gilbertson

UK

thermal

advanced pmeasuremnt

S. Rominus Valsalam

IN

thermal

Kalman filter

Raul GardunoRamirez

MEX

thermal

Fuzzy-driven gain-sched.

- a következő példák jó része innen

Corresponding author

Coun try

Power Plant

Technique

B. Andrade da Costa

PT

solar furnace

adaptive

J. Henriques

PT

solar

outputregulation

R. Pickhardt

CH

solar

MPC + ARMAX with Fuzzy

J. M. Lemos

PT

solar

adaptive predictive

Pedro RonceroSánchez

ESP

wind (e.g.)

state-feedbk. + predictiveintegral + rep. currant

Haritza Camblong

FR

wind

robust

J.K. Gruber

ESP

fuel cell

MPC

Ertugrul Cam

TR

hydro

Fuzzy-driven gain-sched.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

6.2. Naperőmű MPC szabályozása

.

Rainer Pickhardt, CH

A szabályozandó naperőmű típus (Plataforma Solar de Almeira, Dél-Spanyolország)

- olajat keringetnek - a tükröket (a cső tengelyében) külön automatika forgatja a nap állása szerint – ezzel most nem foglalkozunk - (Van olyan is, ahol a tükrök egy központi toronyba sugároznak, de itt nem) .


- a kilépő olajhőmérsékletét kell a meghatározott értéken tartani - az egyetlen beavatkozási lehetőség: a keringetett olaj mennyisége - erre korlátozás: 2 – 9 m3/s (MPC: OK!)

Lemos


- zavarás: sugárzási teljesítmény (felhők ...!) - de legalább mérik - további mért zavarások: belépő olaj hőm., környezeti hőm. - nehézség: a szabályozás időállandója függ a módosított jellemzőtől! => szokásos szabályozó konstans paraméterekkel nem jó Lemos

A felállított nemlineáris modell Az olaj diszkrét térfogategységének diszkrét időegység alatt történő felmelegedése:

- ilyen egyszerű modell - α-ban pl.: tükrök piszkolódása - β-ban pl.: szél, csövek felülete - nincs benne pl.: nagyobb sebesség -> nagyobb hőátadás - további kiegészítés: az áramlási sebességtől függően (y, módosított jellemző) hány ilyen térfogategység megy át => az eredő kilépő hőmérséklet (-> p1-ben nemlineáris modell!) Pickhardt

A két paraméter on-line becslése 1. p1 növelése és csökkentése 2. p2 meghatározása legkisebb négyzetes hiba alapján (p2-ben lineáris => jól használható LQ megoldási eljárások vannak) 3. annak a p1-nek (és a hozzá tartozó p2-nek) a kiválasztása, ahol a hiba a legkisebb

- igen egyszerű eljárás (“józan ész”)

.

A szabályozási eljárás Költségfüggvény MPC szerint Benne: súlyozás a szabályozott jellemző (kilépő hőm.) és a módosított jellemző (olajsebesség) között A költségfüggvény minimumának (on-line) iteratív megkeresése. (A korlátozásokat az iterációk továbbengedésének tiltásával veszik figyelembe.) Ha az iteráció tovább tartana, mint a ciklusidő (15 s), a keresés megáll, és a legjobb megtalált bemenet kerül kiadásra. (De erre csak nagyon ritkán került sor!)

- igen egyszerű eljárás (“józan ész”) - a nemlin. feladat bonyolult megoldása helyett

.

A szabályozás realizálása és tesztje Kiépített környezet több fejlesztő csoport tesztjére. Interface PC-n futtatható szabályozók részére.

A helyi operátor folyamatosan jelen volt, figyelt, és rossz működés esetén átkapcsolt az eredeti szabályozóra. (Ilyenre itt nem került sor.)

.

.

A szabályozás realizálása és tesztje

- ködös délelőtt, majd délutánra tiszta ég - jó alapjel követés – még délelőtt is

.

A szabályozás realizálása és tesztje

- a két becsült paraméter kb. 15 perces konvergálás után gyakorlatilag állandósult.

.


Dr. Szentannai Pál

[email protected]

6.3. 700 MWe-os blokk NMPC-vel optimált

indítása

Probléma:

liberalizált villamosenergia-piac  átlagosan 150 (!) indítás, leállítás évente   tüzelőanyag veszteség (bypass) => ár

 hőfeszültségek => élettartam fogyása, karbantartás .

Rüdiger Franke, D

A blokk víz-gőz rendszerének kapcsolása

- turbina megkerülő vezeték (bypass) -> veszteség indításkor - : hőfeszültség

.

Hőfeszültség

érzékeny helyek: a nagy falvastagságú, bonyolult geometriájú berendezések: gőzgyűjtő kamrák, dob

mérése:

.

.

Nemlineáris modell

Modelica: objektum orientált, fizikai modellek elkészítésére szolgáló eszköz közönséges (nemlin.) differenciálegyenlet-rendszer (MPC részére):

.

.

Korlátozások

(hőfeszültségek)

Célfüggvény

nemlin. modell + általános alakú célfüggvény => nagy számításigény:

- a kifejezések pontos alakját nem kell tudni

.

Indítási folyamat mért értékek

aktuális becslés

optimált indítás

hagyományos indítás

korlátozások

becsült értékek (futásonként újraszámítva)

- jelölések: valami történt, számunkra nem fontos

.

Eredmények

optimált indítás


(hőfeszültségek:)

- jelölések: valami történt, számunkra nem fontos

.

Eredmények

optimált indítás


(indítási idő:)

- idő:  20 perc - költség:  10% (~150x évente!)

.

Energetikai folyamatszabályozás

Recommend Documents