S10-19 Control of the high pressure reactor

Transkriptio

1 S10-19 Control of the high pressure reactor Matias Roimola Työn tavoitteet Työn tavoitteena on toteuttaa paineen- ja lämpötilansäätö kymmenen litran korkeapainereaktoriin Labview-ohjelman avulla. Reaktori rakennetaan puunjalostuksen kemian tutkimuskäyttöön ja on ominaisuuksiensa puolesta uniikki myös maailman mittakaavassa. Reaktorissa kierrätetään vesietanoliseosta puuhakkeen läpi, joka lämmitetään maksimissaan 250C lämpötilaan. Reaktorin suurin sallittu käyttöpaine on 60 bar. Lämpötilansäätö on tarkoitus toteuttaa käyttämällä referenssitietona kattilan pohjassa sijaitsevan Pt100-anturin antamaa mittaustietoa ja ohjaamalla tämän perusteella reaktoria lämmittävää Huber Unistat T320w lämmityshaudetta. Säätö on tarkoitus toteuttaa käyttämällä Labviewistä valmiina löytyviä säätöalgoritmeja. Jo yhden asteen muutos lämpötilassa aiheuttaa merkittäviä muutoksia tutkimustuloksiin, joten säädön tarkkuudelle asetetut vaatimukset ovat varsin korkealla. Ohjelmaan on lisäksi tarkoitus rakentaa ns. autopilottitoiminto, jossa käyttäjän on mahdollisuus määrittää kokeille lämpötilan nousu-, pito- ja laskuajat. Lisäksi kattilaan on tarkoitus toteuttaa paineensäätö käyttämällä mittaavaa painelähetintä ja ohjattavaa magneettiventtiiliä. Paineensäädön tarkoituksena on estää reaktorin paineen nouseminen vaarallisiin lukemiin. Koska paineen kasvu tapahtuu lämpötilan kasvun kautta ns. luonnollisesti, ja koska painetta pystytään ohjelmallisesti ainoastaan alentamaan, ei paineensäädössä todennäköisesti kannata käyttää monimutkaisia säätötekniikoita. Tärkeämpää on varmistaa että paineensäätö/paineenpäästö toimii niin että paineenvaihtelut eivät aiheuta ongelmia lämpötilansäädölle ja niin että järjestelmän turvallisuus ei vaarannu.

2 Työsuunnitelma ja aikataulu Ensimmäisenä askeleena projektissa on tutustuminen Labviewissa tarjolla oleviin säätötoimintoihin. Laitteisto itsessään on allekirjoittaneelle varsin tuttu, koska olen kesätyönäni vastannut laitteiston instrumentoinnista ja kevyen ohjausjärjestelmän toteuttamisesta. Projektissa on siis lähtötilanteessa olemassa, kattila, ohjauslaitteet, mittausinstrumentointi ja Labview-sovellus johon mittaustieto on kerätty. Lähtökohtaisena tavoitteena on myös tulla toimeen jo olemassa olevalla instrumentoinnilla. Muutokset myös toimilaitepuoleen saattavat kuitenkin olla mahdollisia. Lisäksi ensimmäisenä tehtävänä on myös Huberin Unistat lämmittimeen tutustuminen, koska tämän tarkempi toiminta ei ole allekirjoittaneelle tuttua. Lämpötilansäädössä on siis ohjauksena Huberin lämmityshauteelle annettava lämpötilan asetusarvo. Tämä asetusarvo ohjaa lähinnä hauteen lämpötilaa, joka taas vaikuttaa kattilan sisälämpötilaan. Alun perin lämpötilansäätö tuli toteuttaa käyttämällä Huberiin sisäänrakennettua säätöjärjestelmää, mutta projektin kovimman luokan ATEX vaatimukset yhdistettynä hankintatilanteessa tapahtuneisiin Pt100 myyjän arviointivirheisiin johtivat siihen että kattilan sisälämpötilaa mittaavia Pt100 antureita ei voida kytkeä suoraan Huberiin säädön mahdollistamiseksi. Tämän ongelman korjaaminen tarkoittaisi käytännössä koko kattilan uudelleenrakentamista ja kymmenien tuhansien eurojen lisäkustannuksia sekä vähintään puolen vuoden viivästystä aikataulussa. Tämän johdosta säätö on toteutettava ohjelmallisesti Labviewin kautta. Kun Labviewin säätötoiminnoista on rakennettu kokonaiskuva, on seuraava askel erilaisten säätöalgoritmien testauksen aloittaminen. Testaus on tarkoitus toteuttaa vesiajoilla, eli lämmittämällä pelkkää vettä kattilan sisällä. Tässä yhteydessä ja myös erillisillä kokeilla on lisäksi tarkoitus kokeilla erilaisia vaihtoehtoja paineensäätöön/paineenpäästöön. Ensimmäisten testien suoritus ja ensimmäinen vähintään auttavasti toimiva säädin on tarkoitus saada valmiiksi väliraporttiin mennessä. Kun parhaiten toimivat lämpötilan- ja paineensäätömenetelmät on löydetty, on siirryttävä todellisen tutkimuskäytön mukaisiin koeajoihin vesietanoliseoksella. Tähän viimeiseen vaiheeseen kuuluu myös säätöparametrien viritys ja hienosäätö. Tämä vaihe on tarkoitus saattaa loppuun huhtikuun aikana, joskin myös testiympäristö asettaa tälle vaatimuksensa. Etanoliajot siis vaativat että laitteisto saadaan siirrettyä ajoissa räjähdysturvalliseen tilaan. Erityistä huomiota on joka tapauksessa kiinnitettävä turvallisuuteen. Viimeisenä tehtävänä jo toimivan säädön ympärille rakennetaan lämpötilanohjauksen autopilottitoiminto.

3 Riskit Suurimpana riskinä etukäteen arvioituna on aikataulu. Vesiajot ja siten säädön käytännön testaus vievät runsaasti aikaa, joten sopivien säätömenetelmien perusteellinen testaus tulee olemaan haastavaa. Säädölle asetetut tarkkuusvaatimukset ovat tiukat, joka lisää riskiä edelleen. Epäonnistumiseen ei niin sanotusti ole varaa, koska toimimattomalla lämpötilansäädöllä varustettu korkeapainekattila on yhtä kuin toimimaton tutkimuslaite. Toinen edellä olevaan riskiin liittyvä suuri riski on erot vesiajojen ja todellisen tutkimuskäytön välillä. Vesietanoli-seoksen käyttäytyminen tulee varmasti eroamaan pelkän veden käyttämisestä, eikä puuhakkeen lisääminen systeemiin tulee helpottamaan tilannetta. Järjestelmästä tulee todennäköisesti huomattavasti epävakaampi kuin vesiajoissa, joten säätöön joudutaan kenties tekemään merkittäviä muutoksia todellisen tutkimustilanteen mukaisiin koeajoihin tultaessa. Vesietanolikoeajojen järjestäminen on myös turvallisuusriskeistä johtuen varsin hankalaa, joka saattaa aiheuttaa ongelmia projektin aikataululle. Yhtenä riskinä voidaan myös nähdä painesäädön ja lämpötilansäädön yhteensopivuus. Jos heittelyt paineessa aiheuttavat merkittäviä muutoksia lämpötilaan, joudutaan paineensäädölle asettamaan varsin korkeat toimintavaatimukset. Koska paineensäätö on luonteeltaan vain painetta päästävä, aiheuttaa tämä rajoituksia systeemin toimintaan. Työn eteneminen Projektin ensimmäisenä toimenpiteenä oli yksinkertaisen paineenpäästön toteutus. Projektin alkutilanteessa valmiina olleessa kevyessä ohjausjärjestelmässä oli paineenpäästötoiminto, joka perustui paineventtiilin avaamiseen tietyssä paineessa ja sulkemiseen toisessa. Tämä toiminto ei kuitenkaan ilmeisesti mittauksissa olevan lagin takia toiminut, vaan venttiili oli aina liian kauan auki, jolloin paine pääsi laskemaan aivan liian paljon. Vastauksena ongelmaan toteutin nyt Labviewilla hieman vastaavanlaisen yksinkertaisen paineenpäästömekanismin, joka tietyn paineen ylitettyään avaa magneettiventtiilin ja sulkee sen käyttäjän määritellemän ajan kuluttua. Toiminto vaikutti toimivan lupaavasti, mutta soveltuvuus todelliseen käyttöön voidaan todeta vasta oikeiden olosuhteiden mukaisissa koeajoissa.

4 Seuraavaksi aloitin projektin varsinaisen tehtävän eli lämpötilansäädön suunnittelun. Tutustuttuani Labviewin säätökirjastoihin, vaikutti järkevimmältä lähtökohdalta suunnitteluun Labviewissa valmiina tarjolla olevan PID-säädin. PID-säätimestä on säätökirjastossa tarjolla myös erilaisia variaatioita, kuten PID-Autotune, mutta päädyin siihen että suunnittelu kannattaa aloittaa yksinkertaisimmasta tarjolla olevasta vaihtoehdosta. Säätöprobleemana kyseessä on käytännössä kaskadisäätö, eli kahden PID-säätimen käyttö säätöongelmassa. Sisempi säädin säätää hauteen lämpötilaa, ja ulompi säädin säätää kattilan sisällön lämpötilaa eli sitä suuretta mitä oikeasti halutaan säätää. Karkeasti ottaen siis ulomman säätimen antaa ulostulona lämpötila-arvon, joka toimii sisemmän säätimen sisäänmenona. Sisempi säädin taas ohjaa lämpöhauteen tehoa. Oleellisena kysymyksenä on, käytetäänkö sisempänä säätimenä Huberin omaa säädintä, eli annetaan Huberille sisäänmenona haluttu hauteen lämpötila, vai pyritäänkö rakentamaan koko säätöjärjestelmä itse antamalla Huberille sisäänmenona haluttu lämmitysteho. Projektin ensimmäisenä fyysisenä toimenpiteenä oli Huberin sisälämpötilan kertovan ma-viestin tuonti Labviewille. Tehtävä kuulosti tietysti aluksi erittäin helpolta, mutta osoittautui projektin tähän mennessä aikaa vievimmäksi osaksi. Kun ma-viesti oli tuotu Labviewille, havaittiin että signaalissa on erittäin paljon häiriötä. Kyseessä siis häiriö, joka vaikuttaa vahavsti maaloopilta, mutta ei taajuusanalyysissä kuitenkaan vaikuta olevan sellainen. Tällaisia ns. selittämättömiä häiriöitä oli tullut esiin aikaisemmin rakennusprojektin aikana, mutta näistä oli päästy kokonaan eroon käyttämällä Nokevalin galvaanisia erottimia. Tällaista ratkaisua kokeeltiin myös tällä kertaa, mutta laihemmin tuloksin. Monien kokeliujen jälkeen itseasiassa huomattiin että aiemmin täydellisesti toiminut Huberin ma-signaali oli muuttunut omituisesti häiriöiseksi. Selitystä tähän on haettava ilmeisesti Huberin maahantuojalta. Lisäksi samassa yhteydessä havaittiin että aiemmin Nokevalin erottimen läpi viety ja täydellisesti toiminut painemittaussignaali oli myös muuttunut epävakaaksi. Mahdollisena syynä tähän on National Instrumentsin mittauspalikan vioittuminen, mutta syytä selvitellään yhä. Yhtä kaikki, suurin osa projektin työajasta on toistaiseksi kulunut erinäisten teknisten ongelmien selvittelyyn. Huberilta saatavan ma-mittaustiden eli hauteen sisälämpötilan arvon puuttuessa päätin aloittaa PID-säätimen kokeilun mallista, jossa kaskadissädön sisempänä säätimenä käytetään Huberin omaa säädintä. Eli annetaan sisäänmenona Huberille haluttu hauteen lämpötila. Kokeilut ovat vasta

5 alussa, mutta tähän mennessä voidaan ainakin todeta että hauteen lämpötilan ja kattilan sisälämpötilan välillä oleva merkittävä viive tulee ainakin aihauttamaan haasteita.