Yrjö Majanne, projektipäällikkö, Tampereen teknillinen yliopisto

1. Systeemitekniikka
KEHITTYNEET MENETELMÄT PROSESSIEN
SÄÄDÖSSÄ
Yrjö Majanne
Tampereen teknillinen yliopisto, Systeemitekniikan laitos
yrjo.majanne@tut.fi, puh. +358 40 198 1168
1
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
Systeemitekniikka
SISÄLTÖ
• Mihin kehittyneitä säätömenetelmiä tarvitaan
• Malliiprediktiivinen säätö
• Prosessiautomaation kehitysnäkymiä
• Fiksut säätömenetelmät
• Monitorointi & raportointi
• Teollisuusinternet & Big Data
2
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015

2. Systeemitekniikka
MIHIN KEHITTYNEITÄ
SÄÄTÖMENETELMIÄ TARVITAAN?
Automaation tavoitteita
• Tehdä vähemmällä enemmän
• Tuotantotehokkuuden parannus
• Huonompilaatuisilla (halvemmilla) raaka-aineilla
laadukkaita lopputuotteita
• Parantunut lopputuotteen laatu -> pienempi hävikki
• Järjestelmien toimintojen optimointi -> raaka-aineen ja
energian säästö, kapasiteetin kasvu
• Haitallisten ympäristövaikutusten minimointi
• Prosessien suorituskyvyn valvonta, ylläpito ja
kehitys
• Reaaliaikainen suorituskyvyn seuranta ja ylläpito
• Vikadiagnostiikka
• Vikasietoiset järjestelmät
3
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
Systeemitekniikka
MIHIN KEHITTYNEITÄ
SÄÄTÖMENETELMIÄ TARVITAAN?
Perinteiseen säätöön (PI, PID) liittyviä ongelmia:
• Prosessit monimuuttujajärjestelmiä, joissa esiintyvät
ristikkäisvaikutukset heikentävät säätötulosta ja voivat
aiheuttaa säädettyyn järjestelmään haitallisia värähtelyitä
• Prosessien toiminnan epälineaarisuus, eli käyttäytyminen
riippuu toimintapisteestä -> erilainen säätäjien viritys eri
toimintapisteissä -> toimintapisteestä toiseen siirtyminen
ajettava tyypillisesti manuaalisesti
• Säädettävässä prosessissa esiintyvät viiveet heikentävät
säätötulosta merkittävästi – stabiilisuusongelma
• Ei juurikaan huomioi prosessin ominaisuuksia ohjausten
laskennassa (sama perusalgoritmi prosessista riippumatta)
4
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015

3. Systeemitekniikka
MIHIN KEHITTYNEITÄ
SÄÄTÖMENETELMIÄ TARVITAAN?
Kehittyneisiin säätömenetelmiin liittyviä ominaisuuksia:
+ Huomioivat prosessin ominaisuudet mallin avulla
+ Monimuuttujarakenne -> ristikkäisvaikutusten huomiointi
+ Prosessiviiveiden tehokas käsittely – ennustavat menetelmät
+ Prosessien toimintaan liittyvien rajoitusten huomioiminen
+ Mukautuminen muuttuviin prosessiolosuhteisiin (epälineaari-
suudet, kuluminen, vikaantuminen)
− Automaatiojärjestelmän suorituskyky ja sovelluskehitystyökalut
− Prosessista tarvitaan dynaaminen malli
− Toiminnan ymmärtäminen usein vaikeampaa kuin
perussäätimillä
− Sovelluksen tekeminen, käyttöönotto ja ylläpito voi olla työlästä
5
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
Systeemitekniikka
MIHIN KEHITTYNEITÄ
SÄÄTÖMENETELMIÄ TARVITAAN?
Joitain ns. kehittyneitä säätömenetelmiä
• Optimisäätö
• Suunnittelumenetelmä tuottaa säätäjän, joka minimoi säätövirheestä ja
ohjausmuutoksista syntyvät ”kustannukset”
• Adaptiivinen säätö
• Säätimet mukautuvat prosessin muuttuvaan toimintapisteeseen mahdollistaen
tarkan säätötuloksen voimakkaasti epäineaarisille prosesseille
• Robusti säätö
• Huomioidaan säädön suunnitteluun liittyvät epävarmuudet (malli, mittaukset)
niin että säätö säilyttää toimintakykynsä myös ns. “Worst case” tilanteissa
• Sumea säätö
• Prosessin käyttäytyminen ja säätöalgoritmi kuvataan lingvistisillä säännöillä
(JOS lämpötila = “korkea” NIIN jäähdytä = “paljon”)
• Soveltuu vaikeasti mallinnettaville, voimakkaasti epälineaarisille ja niukasti
mittaustietoa sisältäville säätöongelmille
• Malliprediktiivinen säätö
• Ennustaa prosessin tulevaa käyttätymistä mallin avulla ja laskee jokaisella
säätökierroksella optimaalisen ohjauksen huomioiden prosessin tilan
6
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015

4. Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC
MPC:n ominaisuuksia:
• Sovellettavissa luontevasti monimuuttuja-
prosesseihin
• Ainoa säätömenetelmä, joka huomioi ilman
erillisjärjestelyitä prosessien ohjaukseen ja
tiloihin liittyvät rajoitukset
• Mahdollistaa toimimisen lähempänä prosessin
rajoituksia, mikä tyypillisesti johtaa kannatta-
vampaan toimintaan
• Usein suorituskykyisempi kuin PID säätö myös
rajoittamattomissa yksimuuttujatapauksissa
• Viiveiden hallinta ennustus-ominaisuuden avulla
• Toimintaperiaate on helposti ymmärrettävissä
• ”Helposti” viritettävissä loogisilla viritys-
parametreilla.
7
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC
Perusidea:
• Etsitään prosessille paras mahdollinen ohjaus ennusta-
malla prosessin tuleva käyttäytyminen mallin avulla
simuloimalla
• Olemassa oleva säätötavoite ja millaisella ohjauksella siihen
parhaiten päästään
• Jokaisella säätökierroksella siirrytään aika-askel
eteenpäin ja ratkaistaan optimisäätöongelma uudelleen
perustuen prosessin senhetkiseen tilaan (mitattu ja/tai
estimoitu) ja voimassa oleviin rajoituksiin
• Tarvittaessa mahdollista muuttaa prosessimallia ja säädön
kriteereitä jokaisella säätökierroksella – ratkaistaan optimi-
säätöongelma aina uudelleen jokaisella säätökierroksella
8
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015

5. Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC
MPC ON AINOA SÄÄTÖMENETELMÄ, JOKA PYSTYY AKTIIVI-
SESTI HUOMIOIMAAN RAJOITUKSET PROSESSIN SÄÄDÖSSÄ
• Prosessien optimaalinen toimintapiste löytyy yleensä toimittaessa jotain
rajoitusta vasten (esim. tuorehöyryn lämpötila voimalaitoksissa).
• Rajoitukset liittyvät usein suoriin kustannuksiin, kuten
energiakustannuksiin
• Ohjauksiin (= toimilaitteisiin) liittyy aina rajoituksia
• Kapasiteetti
• Asennonmuutosnopeus
• Säätöaktiivisuus -> kunnossapitokustannukset
• Prosessin tiloihin liittyviä rajoituksia
• Lopputuotteen laatu
• Käyttötalous (energia, raaka-aineet)
• Tuotantokapasiteetti
• Turvallisuus
9
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC
Toiminta rajoitusten läheisyydessä
10
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
• Kaukana rajoituksista (a) säädin
käyttäytyy symmetrisesti ase-
tusarvon suhteen ja ohjaus-
muutokset ovat viritysarvojen
mukaiset
• Prosessiarvon lähestyessä rajoi-
tusta (b) >> (c) säädin tekee
agressiivisempia ohjausmuu-
toksia ohjauskustannusten
kasvusta huolimatta estääkseen
prosessiarvoja rikkomasta
rajoituksia

6. Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC
Joitain rajoitusten hyödyntämiseen liittyviä
esimerkkejä
• Erillisillä säätimillä toteutettuja rajoittavia säätöjä ei tarvita
• Esim. turbiinin kuormanmuutosnopeuden rajoittamien
höyryverkon painestabiiliuden säilyttämiseksi
• Puskurisäiliöiden tehokas käyttö kuormitushäiriöiden
stabiloinnissa
• Ei asetusarvosäätöä, vaan pinnankorkeus säiliössä saa
vaihdella ylä- ja alarajojen välissä
• Toimilaitteen toiminta-alueen fyysiset rajat
• Ohjauksen saturoituminen -> windup
11
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC
Säätimen rakenne
• Koostuu kolmesta pääkomponentista:
• Prosessimallista
• Kustannusfunktiosta
• Optimoijasta
• Prosessimalli sisältää tiedot säädettävästä prosessista, ja
sitä käytetään prosessin käyttäytymisen ennustamiseen.
• Säätäjän laskema ohjaus optimoidaan siten, että ohjaus
tuottaa prosessiin halutun vasteen minimikustannuksilla
rikkomatta määritettyjä rajoituksia
• Kustannusfunktio koostuu tyypillisesti säätövirheestä ja
ohjausmuutoksen suuruudesta, joiden painotuksiin
voidaan vaikuttaa painokertoimien avulla (viritys).
12
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015

7. Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC 13
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
Prosessi-
malli
Optimointi
Säädön tavoite
(asetusarvo-
trajektori)
Rajoitukset
Kustannusfunktio
Ohjaus
k
k
u(t)
y(t)
s(t)
r(t|k)
y(t|k)
yf(t|k)^
^
u(t|k)^
Ennustushorisontti Hp
k+Hp
k+Hp
Asetusarvotrajektori
Vertailutrajektori
Vapaavaste
Aika
Aika
Ohjaushorisontti Hu
k+Hu
Ennustettu ulostulo
Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC
Toimintaperiaate: Jokaisella säätökierroksella
• Säädin simuloi prosessin käyttäytymisen ennustushorisontin
määrämän ajan verran eteenpäin (vapaavaste + ohjausmuu-
tosten vaikutukset)
• Optimoija etsii prosessille ohjausmuutokset, joilla kustannus-
funktiossa määritetyt kustannukset (yleensä painotetut säätö-
virheen ja ohjausmuutosten neliöt) minimoituvat ennustushori-
sontissa perustuen senhetkisiin prosessimittauksiin ja mallilla
ennustettuun prosessin käyttätymiseen
• Ohjausten laskennassa huomioidaan ohjauksille (suuruus ja
muutosnopeus) ja prosessin tiloille (min, max) asetetut rajoitukset
• Jos ohjaushorisontti (laskennassa käytettävissä olevien ohjaus-
askelten määrä) olisikin pitempi kuin 1, toimeenpannaan ainoas-
taan ensimmäinen laskettu ohjausmuutos
• Seuraavalla säätökierroksella käynnistetään koko proseduuri
alusta uudelleen, ns. siirtyvän horisontin periaate
14
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015

8. Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC 15
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
Menetelmän soveltuvuuteen positiivisesti
vaikuttavia asioita
o Välttämätön: Käytetyssä automaatiojärjestelmässä on oltava
työkalut MPC-sovelluksen rakentamiseen
o Välttämätön: Kenttäinstrumentointi laitettava kuntoon ensin
(mittaukset, toimilaitteet)
+ Säätökohde monimuuttujaprosessi, jossa esiintyy ohjaus- ja
säätösuureiden sekä tilojen rajoituksia
+ Prosessissa on mitattavia häiriöitä (myötäkytkentöjen
rakentuminen)
+ Prosessissa esiintyy pitkiä viiveitä
+ Riittävän monimutkainen järjestelmä (riittävästi ohjauksen
vapausastei-ta), jotta optimoinnilla voidaan saavuttaa
konkreettista hyötyä
Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC
Menetelmän soveltuvuuteen haitallisesti
vaikuttavia asioita
- Prosessin toiminta voimakkaasti epälineaarista (-> lineaarinen
optimointi ei riitä)
- Prosessi on vaikeasti mallinnettavissa (rakenne, mittausten
määrä ja luotettavuus)
- Vaatii paljon laskentatehoa, millä on vaikutus saavutettavaan
säätöaikaväliin (soveltuvuus nopeille prosesseille)
- Prosessin viiverakenne tuntematon tai voimakkaasti muuttuvat
viiveet
16
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015

9. Systeemitekniikka
MALLIPREDIKTIIVINEN SÄÄTÖ
Model Predictive Control, MPC
Sovelluksia
• Prosessiteollisuuden höyryverkot
• Painesäätö
• Höyryntasaus
• Kaukolämpöverkon hallinta
• Pumppaus & lämpötilat
• Paperikoneet
• Lajinvaihto
• Retentio
• Selluprosessi
• Monivaiheinen valkaisu
• Petrokemian prosessit
• Tislauskolonnien säätö
17
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015
Systeemitekniikka
PROSESSIAUTOMAATION
KEHITYSKOHTEITA
• Automaation eri tasojen integroituminen tietoteknisesti yhdeksi
järjestelmäksi , jossa tieto siirtyy joustavasti tasolta toiselle
• Yritystason resurssien hallinta (ERP)
• Laitostason tuotannon ohjaus (MES)
• Prosessien hallinta (optimointi, koordinointi, stabilointi)
• Tuotannon tehokkuus-, joustavuus- ja laatuvaatimusten kasvu
lisää tarvetta entistä parempien prosessinhallintamenetelmien
kehittämiselle, jotka tulevat mahdollisiksi automaatiojärjestelmi-
en ominaisuuksien ja suorituskyvyn parantumisen myötä
• Säätömenetelmät
• Instrumentointi (mittaukset, analysaattorit)
• Tekninen diagnostiikka
18
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015

10. Systeemitekniikka
PROSESSIAUTOMAATION
KEHITYSKOHTEITA
• Viranomaisvalvontaan liittyvä monitorointi ja raportointi
• Ympäristövaikutukset
• Materiaalit & kemikaalit
• Terveysvaikutukset
• Teollinen Internet / Esineiden Internet
• Digitalisaatio ja Big Data
• Lisäarvo teollisuusympäristöissä, missä laitteet ja osajärjestelmät
jo pitkälti kytkettyjä prosessien hallintajärjestelmiin?
• Tiedon jalostus datasta informaatioon
• Suurten kokonaisuuksien toiminnan hallinta
• Big Datan hyödyntäminen järjestelmien hallinnassa
• Uusien tietolähteiden hyödyntäminen järjestelmien
toiminnan seurannassa ja hallinnassa
• Hyöty teollisuusympäristöissä?
19
Etumatkaa automaatiolla. © Yrjö Majanne 16.10.2015