6. OMC-PÄÄLLYSTYSKONEEN YLÖSAJON SÄÄTÖSOVELLUS
6.6. PÄÄLLYSTEEN JA KOSTEUDEN MONIMUUTTUJASÄÄTÖ
6.6.1. Askel vastekokeet
Säädettävien suureiden ja prosessi suureiden väliset riippuvuudet, eli SlSO-malli- alkioiden parametrit, selvitettiin askelvastekokeilla. Kokeita varten paperilajit jaettiin viiteen eri ryhmään (Liite I), joista jokaisesta valittiin yksi laji askelvaste- kokeeseen. Ryhmäjako oli sama, kuin päällystesäädön parametreillä. Taulu
kossa 3 on lueteltu jokaiselle lajiryhmälle laji, jolle askelvastekoe tehtiin. Myös Kaukaan paperitehtaan linja, jolta laji ryhmän paperi saadaan, on merkitty.
Taulukko 3. Askelvastekokeissa eri lajiryhmille käytetyt lajit.
Linja Lajiryhmä Laji
Askel vaste kokeista saatiin jokaiselle SISO-alkiolle parametreinä vahvistus, aika
vakio ja kuollut aika. Taulukossa 4 on esitetty paperilajilla 72080 saadut para
metrit lajiryhmä IV:lle. Säätömallia yksinkertaistettiin ottamalla jokaiselle laatu- suureelle huomioon vain sen arvoon eniten vaikuttava prosessisuure sekä nopeus.
Näin säätömalli yksinkertaistui ja voitiin varmistua, että laatusuureita säädettiin vain halutulla prosessisuureella. Säätömallissa käytetyt parametrit on merkitty taulukkoon 4 harmaalla taustalla.
Taulukko 4. Askelvastekokeiden tulokset (Lajiryhmä IV),
Päällyste 1 Kosteus 1 Päällyste 2 Kosteus 2 Nopeus Teräpaine 1
Vahvistus -6,9 -3,3 0 -2,9 0
Aikavakio 0,5 0,5 0 0,5 0
Kuollut aika 0,2 0,2 0 0,4 0
Lämpötila 1
Vahvistus 0 -0,017 0 -0,011 0
Aikavakio 0 1.5 0 1,5 0
Kuollut aika 0 0,6 0 0,5 0
Teräpaine 2
Vahvistus 0 0 -5,5 -3 0
Aikavakio 0 0 0,5 0,5 0
Kuollut aika 0 0 0,4 0,4 0
Lämpötila 2
Vahvistus 0 0 0 -0,016 0
Aikavakio 0 0 0 1,5 0
Kuollut aika 0 0 0 0,5 0
Nopeus
Vahvistus 0,007 0,008 0,008 0,015 1
Aikavakio 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Kuollut aika 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
Kun SISO-parametrit oli saatu haluttuun muotoon, ajettiin Alcontin sovellus- asemalla MIMO-builder-ohjelma, joka laski niiden perusteella varsinaisen säätö- mallin MIMO-matriisin. Malli talletettiin mallikiijastoon, josta oikean lajiryhmän malli voidaan ladata prosessiasemille lajin vaihdon yhteydessä.
7. TWokset
7.1. Laatukriteerit
Laatukriteerien täyttymistä seurattiin tekemällä ylösajosovelluksella 1.6. - 31.8.1999 välisenä aikana yhteensä 20 koeajoa. Jokaisesta ajosta määriteltiin kohta, jonka jälkeen kummankin päällystysaseman jälkeiset päällystemäärät ja kosteudet olivat asettuneet taulukossa 2 esitettyjen tavoiterajojen sisään. Tämä ilmoitti ylösajon yhteydessä valmistuneen hylyn määrän. Vertailuryhmäksi otettiin samalla aikajaksolla käsin tehdyt ylösajot, yhteensä 130 kappaletta, joille suoritettiin vastaavat määrittelyt.
Taulukossa 5 on esitetty yhteenveto koeajojen tuloksista lajiryhmittäin. Ylös- ajojen hylyn määrän lisäksi on laskettu tuloksien hajonnat, minimit ja maksimit sekä käsin ajettuna, että ylösajon optimointisovellusta käyttäen. Ajojen luku
määrää lukuun ottamatta kaikki arvot on ilmoitettu kiinnirullattuina metreinä.
Taulukko 5. Koeajotulosten yhteenveto.
Lajinfhmä
1 II III IV V Kaikki
Lukumäärä Käsiajo 7 30 1 84 8 130
Sovellus 1 1 1 16 1 20
Keskiarvo Käsiajo 7350 10086 5421 8476 6981 8671 Sovellus 4799 7483 12209 5270 5802 5731 Hajonta Käsiajo 2751 3493 - 3331 1103 3174
Sovellus - - - 784 - 627
Minimi Käsiajo 5453 5808 5421 3158 5742 4070 Sovellus 4799 7483 12209 3521 5802 4331 Maksimi Käsiajo 13474 17829 5421 20275 9188 18548
Sovellus 4799 7483 12209 6577 5802 6776
Taulukosta 5 nähdään, että kattavaa vertailua on päästy tekemään vain laji- ryhmällä IV. Laajemman koeajo-ohjelman toteuttamisen estivät automaatio
järjestelmän päivityksen yhteydessä ilmenneet häiriöt, joiden korjaamiseen kului runsaasti aikaa. Kuvaan 59 on koottu ylösajoissa syntyneet hylkymäärät sekä niiden hajonnat.
14000
12000
A 10000
■ Käsiajo
□ Sovellus 2 8000
>» 6000
Lajiryhmä
Kuva 59. Ylösajossa syntyneet hylkymäärät käsiajolla sekä sovellusta käyttäen.
Lajiryhmällä IV sovelluksen voidaan todeta vähentäneen selvästi ylösajon aikaista hylkymäärää (sovelluksella tehtyjen ja käsiylösajojen välisen t-testin p-arvo 0,00017). Vastaavasti myös hajonta eri ylösajojen tulosten välillä on laskenut merkittävästi. Koska tämä lajiryhmä on PPK2:lla selvästi yleisin, voidaan todeta sovelluksen käytöstä olevan taloudellista hyötyä.
Muilla ryhmillä voidaan kattavan testauksen puuttuessa tehdä sovelluksen toimin
nasta vain alustavia johtopäätöksiä. Lajiryhmä 111:11a päällystemäärän kehitys ei etenkään ylösajon loppuvaiheessa ole lineaarista, jolloin sovellus ei tässä muodossa vähennä hylkypaperin määrää. Muilla lajiryhmillä alustavat testit ovat näyttäneet säädöllä olevan potentiaalia hyviin tuloksiin, mutta lisää koeajoja tarvitaan tulosten varmentamiseksi.
7.2. Sovelluskehityksen kokemukset
Sovelluksen tekoon käytettiin Alcontin sovellusaseman lohkoeditoria ja -monitoria sekä kuvaeditoria. Lohkoeditori, sekä siihen yhdistetty monitorointi- sovellus, olivat tehokkaita työkaluja ja mahdollistivat nopean kehitystyön sekä testauksen. Lisäksi lohkoeditorin tarjoama hierarkkinen järjestelmärakenne piti sovelluksen rakenteen selkeänä ja helposti muokattavana. Käyttöliittymän tekoon käytetystä kuvaeditorista kokemukset jäivät vähäisiksi sovelluksen yksinkertaisen käyttöliittymän vuoksi.
Ylösajon alkuosan lohkohierarkia koostui itse säädöistä, jotka oli jaettu asemittain päällystemäärän ja kosteuden säätöihin, sekä tukitoiminnoista, jotka oli jaettu tietolinkkeihin, ylösajon etenemistä ohjaavaan logiikkaan, näyttötoimintoihin, sekä tietojen tallennukseen (kuva 60).
Päällystesäätö
• 17 lausekielilohkoa Log Iikka
• 9 lohkoa
• 0 lausekielilohkoa
Päällystesäätö
• 13 lohkoa
• 1 lausekielilohko Asema 1
Tietojen tallennus
• 1 lohko
• 1 lausekielilohko
Kuva 60. Ohjelmahierarkia.
Ylösajon alkukiihdytyksen ohjaukseen käytettiin kaikkiaan 98 lohkoa, joista 20 oli lausekielisiä. Lohkoeditorin peruslohkot taijosivat yllättävänkin monipuoliset mahdollisuudet erilaisten toimintojen toteuttamiseen ja lausekielisiä lohkoja tarvittiin odotettua vähemmän. Varsinaisissa säätötoiminnoissa lausekieltä käytettiin vain päällystesäädön suurimman neliösumman sovituksen toteutta
miseen. Lausekieltä tarvittiin, koska peruslohkojen taijoamat sovitustoiminnot eivät olleen säätöalgoritmiin soveltuvia. Sovituksen toteuttava lausekielilohko löytyy liitteestä II.
Tukitoiminnoissa säädön parametrien tallennus toteutettiin lausekielellä. Loput 17 lohkoa koostui kahdesta eri lohkosta, joita käytettiin useissa näyttötoimintojen kohdissa. Lohkot toteuttivat peruslohkoilla mahdottoman tyyppimuunnoksen ja vektoriin sijoituksen. Perus- ja lausekielilohkojen lisäksi kosteuden sumeassa säädössä käytettiin Alcontin sumean logiikan kirjaston tyyppilohkoja sumeutus-ja selkeytystoimintoihin sekä sumeaan päättelyyn.
8. Yhteenveto
Työn tavoitteena oli kehittää päällystyskoneen ylösajossa syntyvää hylkymäärää vähentävä sovellus UPM-Kymmenen Kaukaan paperitehtaan päällystyskone 2:lle. Toteutusympäristönä toimi koneella käytössä ollut TotalPlant Alcont -automaatiojäijestelmä. Koska sovelluksesta on jatkossa tarkoitus kehittää tuote, myös toteutuksen selkeys ja muokattavuus erilaisille OMC-päällystyskoneille ja tuotettaville paperilaaduille olivat tärkeässä asemassa.
Ylösajo jaettiin kahteen osaan. Alun jyrkemmän kiihdytyksen aikana paperin laatusuureet pyrittiin saamaan tavoiterajojen sisään. Loivemman loppu- kiihdytyksen aikana suureet pyrittiin vakauttamaan rajojen sisälle.
Alkukiihdytyksen päällystesäädössä käytettiin hyväksi suurimmalla osalla paperi- lajeista olevaa nopeuden ja päällystemäärän kasvun suoraa yhteyttä. Lineaari- funktiota käyttämällä voitiin ennustaa päällystemäärän arvo tulevaisuudessa, ja mikäli ennuste erosi liian paljon tavoitearvosta, tehdä ennakoiva koijaussäätöliike.
Kosteussäätöön käytettiin sumeaa logiikkaa, jonka sääntökannassa otettiin huomioon nykyinen kosteus sekä koneen ajonopeus. Loppukiihdytyksessä käytettiin Honeywell-Measurexin ennakoivaa monimuuttujasäätöä, jolla ohjattiin sekä päällystemäärää, että päällystetyn paperin kosteutta.
Alcontin sovelluskehitys tapahtui sovellusasemalla, joka sisälsi työkalut järjes
telmän kokoonpanon, loogisen toiminnan, sekä käyttöliittymän määrittelyyn ja testaukseen. Sovelluksen toimintalogiikan määrittely tapahtui pääosin graafisena lohko-ohjelmointina, jossa sovellus koottiin peruslohkoja yhdistämällä ja niiden parametreja määrittelemällä. Kosteussäädön toteutukseen käytettiin peruslohkojen lisäksi Alcontin tyyppilohkokiijastoa, joka sisälsi tarvittavat sumean logiikan toiminnot.
Pascal-tyyppisellä lausekielellä tehtyjä ohjelmalohkoja käytettiin kohdissa, joiden toteutus graafisella ohjelmoinnilla ei ollut kannattavaa. Graafinen ohjelmointi osoittautui kuitenkin tehokkaaksi ja monipuoliseksi työmenetelmäksi ja itse säädössä lausekielilohkoja tarvittiin vain yhden laskentatoiminnon toteuttamiseen.
Sovelluksen koeajo-ohjelma jäi varsin suppeaksi, ja tuloksista voidaan päätellä vain, että säätö vähensi hylkymäärää yhdellä paperin lajiryhmällä. On toden
näköistä, että vastaavaa vähennystä hylkymäärään saadaan suurimalla osalla lajeista, mutta tämän todentamiseen tarvittaisiin lisää koeajoja.
Säädön toimintaa voitaisiin mahdollisesti parantaa mittausten suodatusalgoritmeja kehittämällä. Tämä voisi tapahtua hyödyntämällä enemmän olemassa olevaa tietoa päällystemäärän ja kosteuden käyttäytymisestä ylösajon aikana.
Sovelluksen käyttäjäystävällisyydessä sekä integroinnissa muihin automaatio- jäijestelmän osiin on vielä kehitettävää. Nykyisessä muodossaan sovellus vaatii käyttäjältä ylimääräisiä toimenpiteitä ylösajon eri vaiheissa, jolloin käyttäjien halu hyödyntää sovellusta saattaa laskea. Tämä hidastaa sovelluksen käyttöönottoa ja vähentää siitä saatavaa hyötyä.
Mikäli päällystyskoneella ajettava lajiryhmä vaihtuu, joutuu käyttäjä käsin valit
semaan säädön asetusten lajiryhmän. Valmiiseen tuotteeseen täytyisi ottaa käyttöön lajitaulukot, joiden mukaan oikea lajiryhmä valittaisiin automaattisesti ajetun lajin perusteella. Samoin päällyste- ja kosteussäädön parametrit täytyisi tallettaa pysyvään massamuistiin, nyt käytetyn keskusmuistin sijasta.
Seuraavalle ylösajolle laskettu teräpaineen suositeltu alkuarvo näkyy vain päällystesäädön asetusten ikkunassa, josta säätöarvo täytyy käsin kopioida käyttöön. Jos arvo otetaan automaattisesti käyttöön, pitäisi suositusarvon laskennan algoritmia kehittää ottamaan tarkemmin huomioon erilaiset virhe
tilanteet. Lisäksi laskennasta täytyisi hylätä vanhat ylösajot, joiden jälkeen prosessin tila on muuttunut niin paljon, ettei niiden käyttäminen ole järkevää.
9. Lähdeluettelo
1. Olsson, G. Computer Systems for Automation and Control. New York 1992, Prentice Hall. 428 s.
2. Jaakko Pöyry Consulting. World Paper Markets up to 2010. Helsinki 1995.
3. Luomi, S. Päällystysmenetelmät. INSKO päällystystekniikan seminaari.
Helsinki 1991, INSKO julkaisu. 48 s.
4. Visala, A. Automaatio- ja säätötekniikan perusteet. Otatieto opetus
monisteet. Espoo 1997, Otatieto. 61 s.
5. Andersin, H. Automaatio ja ihmisen tulevaisuus. In: Andersin, H. &
Carlson, T. (toim.). Tieteen ja tekniikan historia - tietotekniikka. Espoo 1995, TKK. S. 24 - 27.
6. Ranta, J. Automaation vaikutusten arvioinnista- tulkintoja ja johto
päätöksiä. In: Automaatiopäivät 1987 3. Helsinki 1987, Suomen Automaatioseura. S. 311 - 325.
7. Tuhkanen, L. Mitä toiminnallinen laatu (TL) on? Paperin ja painamisen toiminnallinen laatu. Helsinki 1997, INSKO julkaisu. 6 s.
8. Mytkäniemi, P. Ylemmän tason järjestelmät. In: Digitaaliset automaatio
järjestelmät. Helsinki 1989, Tekes, Julkaisu 54-89. 100 s.
9. Katajala, H. Miten tietotekniikan avoimuus vaikuttaa automaatio
järjestelmiin? In: Automaatiopäivät 1995. Helsinki 1995, Suomen Automaatioseura. S. 254 - 258.
10. Paunonen, H. Käyttäjäliityntä. In: Digitaaliset automaatiojärjestelmät.
Helsinki 1989, Tekes, Julkaisu 54-89. 100 s.
11. Shneiderman, B. Designing the user interface : strategies for effective human-computer interaction. Reading 1998, Addison-Wesley. 639 s.
12. Olsen, D. R. Developing user interfaces. San Francisco 1998, Kaufmann.
414 s.
13. Anonyymi. Ympäristöteknologia ja Tekes. Helsinki 1998, Tekes. 6 s.
14. Haikala, I., Märijärvi, J. Ohjelmistotuotanto. Espoo 1997. Suomen atk- kustannus. 357 s.
15. Brooks, F. P. The mythical man-month : essays on software engineering.
Reading 1975, Addison-Wesley. 195 s.
16. Sommerville, I. Software engineering. Wokingham 1996, Addison-Wesley.
742 s.
17. Rämä, H. Prosessiasemat. In: Digitaaliset automaatiojäijestelmät. Helsinki 1989, Tekes, Julkaisu 54-89. 100 s.
18. Anonyymi. TotalPlant Alcont Design Module. Honeywell-Measurex -esitemateriaalia.
19. Ollus, M. Automaatiojäijestelmien kehityksestä. In: Automaatiopäivät 1987 3. Helsinki 1987, Suomen Automaatioseura. S. 301 - 310.
20. Kopetz, H. Fault Tolerance in Real-Time Systems. 11th ГРАС World Congress. Oxford 1990. S. 111 - 117.
21. Anonyymi. Sovellussuunnittelun käsikiija. Varkaus 1995. Honeywell Oy.
22. Anonyymi. Market study report. Automation Research Corp. 1998.
23. Anonyymi. Market study report. Fadum Enterprises. 1996.
24. Taskila, H., Hyry, M., Toiviainen, E. Automaatioyrityksen strategiset suunnitelmat - liiketoiminnan perusta. In: Automaatiopäivät 1995. Helsinki 1995, Suomen Automaatioseura. S. 37 - 42.
25. Anonyymi. Honeywell-Measurex -esitemateriaalia.
26. Carlsson, C., Eklund E., Isomursu, P., Niskanen, V. A. Sumean logiikan mahdollisuudet. Helsinki 1993, Tekes, Raportti 34/93. 101 s.
27. Jang, J.-S. R„ Sun, C.-Т., Mizutani, E. Neuro-fuzzy and soft computing : a computational approach to learning and machine intelligence. Upper Saddle River 1997, Prentice Hall. 614 s.
28. Salo, R., Kangas, T., Pesonen, J., Särkelä, R. Aito monimuuttujasäätö- algoritmiin perustuva konesuuntainen säätö. Paperi ja puu - Paper and Timber. Voi. 78. 1996. 6-7. S. 359 - 362.
29. Anonyymi. MD Controls User's Manual. Varkaus 1995. Honeywell Oy.
64 s.
30. Zadeh, L. A. Fuzzy Sets. Information and Control. 1965. 8., s. 338 - 353.
31. Anonyymi. TotalPlant Alcont Fuzzy Control Toolbox. Honeywell- Measurex -käsikirja.
32. Luomi, S. Päällystysseoksen applikointi ja päällystemäärän säätö terä- päällystyksessä. Paperi ja puu- Paper and Timber. Voi. 73. 1991.9.
S.833 - 839.
33. Uusalo, J. Paperirainan on-line-mittaukset ja säätö. Honeywell-Measurex koulutusmateriaalia.
34. Karlsson, M. Päällysteen kuivatus. INSKO päällystystekniikan seminaari.
Helsinki 1991, INSKO julkaisu. 42 s.
35. Bale, S., Fu, C., Nyuan, S. Integrated measurement and control on coated paper machines. CCPA Annual meeting. Montreal 1998. CCPA.
S. 189- 193.
36. Pulli, T. Päällystyskoneen ylösajon kehittäminen. Diplomityö. Lappeenranta 1999. 96 s.
37. Linnonmaa, J., Rajala, P., Ringbom, K., Solin, R. Future Developments of the Coating Machine. TAPPI 1998 Coating/Papermakers Conference Proceedings Book 2. Atlanta 1998, TAPPI Press. S. 963-977.
10. Liitteet
Liite I Liite II
Lajiryhmätaulukko
Pienimmän neliösumman menetelmän toteutus lausekielellä
1
(1
)Liite I - Lajiryhmätaulukko
Lajiryhmä
7160 7167 4157 4180 5170
7162 7170 4160 5160 5175
7164 7180 4162 5163 5180
7165
Lajiryhmä I
2260 5270 5280 7265 7270
2265 5275 7264 7267 7470
5262
Lajiryhmä
ill
7565 7567 7570
Lajiryhmä V
72075 72100 75080 75100 74090
72080 72115 75085 74080 74100
72090 75075 75090 74085
Lajiryhmä V
2135 2154 5160 7565 9148
2139 2157 5163 9135 9151
2142 2165 5170 9139 9154
2145 2160 2250 9142 9157
2148 4160 7560 9145 9160
2151 4162
Liite II - Pienimmän neliösumman menetelmän 1 (2)
: word; (* Montako koordinaattia on talletettu
procedure YA_P1SUNS ( ARX : real; (* Pisteen X-koordinaatti *) ARY : real; (* Pisteen Y-koordinaatti *) rst : byte; (* Nollaa lasku *)
Cnr ; word; (* Kierrosten määrä *) var SLP ; real; (* Kulmakerroin *) var CNS : real; (* Vakiotekijä *) var vok : byte; (* Tulos OK *)
var DEV : real); (* Neliösummapoikkeama *) VAR
i : integer;
a : real;
sumx, sumy, sumxy, sumx2, slpdiv : real;
label Loppu;
begin
BlockBegin;
vok : = 0;
(* Lohko resetoidaan *) if rst o 0 then begin
(* Ovatko kierrosten määrä ja koordinaatit OK *)
if ((Cnr < 2) or (Cnr > 250) or (arx <= 0) or (ary <= 0)) then begin vok := 0;
goto loppu;
end;
(* Lisätään mitta-arvot puskuriin ja kierrätetään puskuria *) for i := 2 to Cnr do begin
(* Onko mitta-arvoja jo kierrosten lukumäärä *) if (numvals < Cnr) then begin
numvals := numvals + 1;
goto loppu;
end;
(* Testataan koordinaatteja logaritmilaskua varten *) for i := 1 to Cnr do begin
if x[i] <= 0 then goto Loppu;
end;
2
(2
)Liite II - Pienimmän neliösumman menetelmän toteutus lausekielellä
(* Lasketaan summat eri funktioille *) sumxy := 0;
(* Testataan taas koordinaatteja logaritmilaskua varten *) if sumx <= 0 then goto Loppu;
(* Lasketaan kulmakertoimen jakaja ja testataan se *) slpdiv := (Cnr * sumx2) - Exp(2*Ln(sumx));
if slpdiv = 0 then goto Loppu;
(* Lasketaan kulmakerroin *)
SLP := ((Cnr * sumxy) - (sumx * sumy)) Z slpdiv;
(* Lasketaan vakio *)
CNS := (sumy - (SLP * sumx)) / Cnr;
(* Lasketaan neliösummaerotus ja kierretään logaritmien rajoitukset *) DEV := 0;
(* Testit läpäisty ja mitta-arvot laskettu *) vok ;= 1;
Loppu:
BlockEnd;
end;
end.