Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Optimering af Bitumenemulsionsanlæg
Casper Bendix Sørensen og Peter Valsted Jørgensen Bachelorprojekt 2014
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
Titelblad Titel på projekt:
Optimering af Bitumenemulsionsanlæg
Gruppe:
Casper Bendix Sørensen
Peter Valsted Jørgensen
Ved Aarhus Maskinmesterskole
Vejleder:
Niels Ole Birkelund
Projektområde:
Automation
Projekttype:
Bachelorprojekt
Afleveringsdato:
15/12-2014
Antal normalsider af 2400 tegn:
30,92 normalsider
Forsideillustration
(Enh Engineering a/s)
Underskrift:
__________________________________________________ __________________________________________________
Casper Bendix Sørensen Peter Valsted Jørgensen
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
Abstract
The purpose of the following project is to the display the students’ abilities to work
development-oriented with the planning and completion of a project. Further to this, the
students have to display the ability to identify and assess specific problems relevant for the
marine engineer profession, by drawing connections between experience, practical skills
and theoretical knowledge acquired throughout the education at Aarhus School of Marine
and Technical Engineering.
The premise of this project is optimisation of the stability for a 40 feet bitumen-emulsion
plant constructed by ENH Engineering in Svenstrup. The bitumen emulsion plant is located
in Gotha Germany, and has the ability to produce all known types of bitumen emulsion.
ENH Engineering’s customers have expressed the desire for an optimisation of the closed-
loop control regarding the dosage of process water to a heat exchanger unit in the bitumen
emulsion plant, as this currently does not work as intended, and therefore has to be tuned
manually. In addition, the customers have also expressed the desire for an optimisation of
closed-loop control for the bitumen emulsion plants burner unit.
As the bitumen emulsion plant is located in Gotha Germany, and the plant was shut down
for the winter at the initiation of this project – this project contains an analysis of existing
empirical data logged as trend-curves for the bitumen emulsion plant. This was done to
determine the cause of instability in the closed-loop control systems dealt with in this
project. Further, this project contains a practical guide, as well as suggestions for
measurement points needed in order to acquire additional data, so the static- and dynamic
characteristics for the processes can be recorded, with the intent to identify the causes of
performance problems. Moreover, this project also contains a guide on how to tune the
controller based on the data acquired by dynamic characteristic. In addition, this project
also contains suggestions on different controller actions, with the intent to increase
stability of the processes.
Finally based on this project ENH Engineering should have the necessary data needed, and
therefore a good foundation, to optimise the closed-loop control systems dealt with within
this project.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
Indholdsfortegnelse 1 Forord ................................................................................................................................................................ 6
1.1 Projektets formål ............................................................................................................................... 6
1.2 Læsevejledning ................................................................................................................................... 7
1.3 Indledning ............................................................................................................................................ 8
2 Virksomhedsbeskrivelse ............................................................................................................................ 9
2.1 Bitumen og bitumenemulsion ...................................................................................................... 9
2.1.1 Bitumen ............................................................................................................................................ 9
2.1.2 Bitumenemulsion ....................................................................................................................... 10
2.2 Anlægsbeskrivelse .......................................................................................................................... 10
3 Problemstilling ............................................................................................................................................. 12
3.1 Problemformulering ...................................................................................................................... 13
3.2 Afgrænsning ...................................................................................................................................... 13
3.3 Arbejdsmetode ................................................................................................................................. 14
4 Beskrivelse af processerne ...................................................................................................................... 15
4.1 Brænderkredsens virkemåde ..................................................................................................... 15
4.2 Brænderens virkemåde ................................................................................................................ 17
4.2.1 Analyse af brænderens regulering ....................................................................................... 18
4.2.2 Brænderreguleringens stabilitet .......................................................................................... 19
4.3 Bitumenemulsionskredsens virkemåde ................................................................................. 20
4.4 Belastningerne i processen ......................................................................................................... 21
5 Analyse af ustabilitet ud fra aktuelle målinger ................................................................................ 22
5.1 Analyse af proces 17V1 ikke i manuel ..................................................................................... 24
5.2 Stabilitet i processen ...................................................................................................................... 29
5.2.1 Procesforstærkningen .............................................................................................................. 29
5.3 Analyse af dødtider og tidskonstanter i processen ............................................................ 30
5.3.1 Temperaturtransmitter 1B2 og 3B2 ................................................................................... 31
5.3.2 Tidskonstant temperaturtransmitter 1B2 og 3B2 ......................................................... 32
5.3.3 Varmeveksler 1 og 2 .................................................................................................................. 33
5.3.4 Trevejsreguleringsventil 3V4 og 17V1 ............................................................................... 34
5.3.5 Tidskonstant trevejsreguleringsventil ............................................................................... 35
5.4 Analyse af dødtider samt tidskonstanters påvirkning af processerne ....................... 35
5.4.1 Dødtidernes påvirkning af processerne ............................................................................ 35
5.4.2 Tidskonstanternes påvirkning af processerne ............................................................... 36
6 Procesanalyse og optimering ................................................................................................................. 37
6.1 Statisk karakterstik......................................................................................................................... 37
6.1.1 Optagelse af den statisk karakteristik ................................................................................ 40
6.2 Dynamisk karakterstik .................................................................................................................. 43
6.2.1 Undersøgelse af dødbånd ........................................................................................................ 45
6.2.2 Optagelse af dynamisk karakterstik .................................................................................... 46
6.3 Ziegler-Nichols åbensløjfe metode ........................................................................................... 48
6.3.1 Indstilling af regulatorens parametre ................................................................................ 48
6.4 Afprøvning efter eventuel ændringer...................................................................................... 50
6.4.1 SAT tjekliste .................................................................................................................................. 51
7 Forslag til reguleringsmetoder .............................................................................................................. 52
7.1 Dosis-pause regulering ................................................................................................................. 52
7.1.1 Teoretisk gennemgang af dosis-pause reguleringens virkemåde ........................... 52
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
7.1.2 Tilsigtet virkemåde for processen ....................................................................................... 53
7.2 Feedforward-regulering ............................................................................................................... 55
7.2.1 Teoretisk gennemgang af feedforward-reguleringens virkemåde ......................... 55
7.2.2 Tilsigtet virkemåde for processen ....................................................................................... 55
8 Konklusion ..................................................................................................................................................... 57
8.1 Perspektivering ................................................................................................................................ 58
8.2 Efterskrift ........................................................................................................................................... 59
9 Bibliografi ....................................................................................................................................................... 60
9.1 Illustrations liste .............................................................................................................................. 62
10 Bilag .................................................................................................................................................................. 64
10.1 PI-DIAGRAM - BITUMEN .............................................................................................................. 64
10.2 PI-DIAGRAM - EMULSION PLANT ............................................................................................. 65
10.3 PI-DIAGRAM - CHEMICAL DOSAGEUNIT ............................................................................... 66
10.4 PI-DIAGRAM - EMULSION TANKS 5-1-2 ................................................................................ 67
10.5 PI-DIAGRAM - EMULSION TANKS 3-4 ..................................................................................... 68
10.6 PI-DIAGRAM - EMULSION DISCHARGE SYSTEM ................................................................ 69
10.7 PI-DIAGRAM - SIMPLIFIED EMULSION PLANT ................................................................... 70
10.8 TREND-KURVE OVER TEMPERATUR ...................................................................................... 71
10.9 TREND-KURVE OVER FLOW ....................................................................................................... 72
10.10 ALFA LAVAL (VARMEVEKSLER 525 kW) ......................................................................... 73
10.11 ALLOY 316 (RUSTFRISTÅL) ................................................................................................... 74
10.12 VARMEVEKSLER BEREGNING ............................................................................................... 76
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
6
1 Forord Det følgende projekt er udarbejdet som sidste led i maskinmesteruddannelsen. I denne
forbindelse har Peter Valsted Jørgensen været i bachelorpraktik hos ENH Engineering A/S,
og Casper Bendix Sørensen har været i bachelorpraktik hos BEC ApS – og har efter endt
praktik hos BEC tiltrådt Peter hos ENH Engineering. Bachelorprojektet tager udgangspunkt
i en problemstilling fundet hos ENH Engineering. Projektets udgangspunkt er i emnet
automation, hvilket begge studerende finder interessant, grundet de tidligere har taget en
erhvervsuddannelse som styrings- og reguleringstekniker.
Vi har undervejs i projektet fået hjælp til diverse problemstillinger, og vil derfor gerne
takke følgende personer:
Erik Nordal Haugaard – Direktør ENH Engineering
Jakob Henriksen – Maskinmester ENH Engineering
Jane Eliasen – Sekreter ENH Engineering
Niels Ole Birkelund - Vejleder og lektor AAMS
Tommy Christensen - Adjunkt AAMS
Ole Albeck - Weishaupt A/S
Kim O Hansen - Alfa Laval
1.1 Projektets formål
”Den studerende skal lære at arbejde udviklingsorienteret med planlægning og gennemførelse
af et projekt.
Den studerende skal ved at drage sammenhænge mellem erfaring, praktiske færdigheder og
teoretisk viden kunne identificere og analysere problemstillinger, der er centrale i forhold til
professionen som maskinmester.
Den studerende skal tilegne sig en særlig indsigt i et emne, område eller problem og skal
gennem projektarbejdet lære systematisk problemformulering og problembehandling samt
indsamling og analyse af datamateriale, herunder relevante resultater fra forskning og
udvikling”
(Aarhus Maskinmesterskole, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
7
1.2 Læsevejledning
Dette projekt er tiltænkt at skulle læses i et sammenhæng, for at blive bekendt med
problemstillingen samt analyserne i projektet. Endvidere kan det være en fordel, hvis
læseren har bilag 10.2 til rådighed som reference under læsningen af dette projekt.
Projektet er tiltænkt personer med faglig viden tilsvarende en maskinmester. Kilder der er
benyttet i projektet, er indsat efter Harvard metoden i de afsnit de er benyttet. En
bibliografi omhandlende alle de i projektet benyttede kilder, findes i afsnit 9.
Der er findes ingen nomenklaturliste i projektet, da symbolerne beskrives i de afsnit hvori
de er benyttet.
Projektet er inddelt i ti afsnit:
1. Afsnit et omhandler forord, læsevejledning samt indledning for projektet.
2. Afsnit to omhandler en præsentation af virksomheden, en kort beskrive af hvad
bitumen og bitumenemulsion er, samt en kort anlægsbeskrivelse.
3. Afsnit tre omhandler problemstilling, problemformulering samt afgrænsning og
metode.
4. Afsnit fire omhandler en dybdegående beskrivelse og analyse af
bitumenemulsionsanlæggets: Brænderkreds, brænderen,
bitumenemulsionskredsen samt deres belastninger.
5. Afsnit fem omhandler en analyse af ustabiliteten i processerne ud fra eksisterende
empiriske data for anlægget.
6. Afsnit seks omhandler en analyse for at identificerer kilden til ustabiliteten i
processerne, samt en beskrivelse til indstillinger af regulatorparametre. Derudover
er der en vejledning til at kontrollere automationssystemet i
bitumenemulsionsanlægget.
7. Afsnit syv omhandler kort forslag til alternative reguleringsmetoder med henblik på
effektivisering af bitumenemulsionsanlægget.
8. Afsnit otte omhandler projektets afslutning, herunder konklusion, efterskrift, samt
perspektivering.
9. Afsnit ni indeholder projektets bibliografi, samt illustrationsliste.
10. Afsnit ti er en sammenfatning af projektet bilag.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
8
1.3 Indledning
Dette projekt indeholder en analyse, af stabiliteten for processen for et fyrre fods
bitumenemulsionsanlæg, med henblik på optimering af anlæggets reguleringer for at højne
kundetilfredsheden.
Der vil, ud fra de empiriske data der på nuværende tidspunkt er til rådighed for anlægget,
blive udarbejdet en vurdering af anlæggets stabilitet. Derudover vil der blive udarbejdet en
handleplan til opsamling af nødvendige målinger for bitumenemulsionsanlægget, med
henblik på optimering af processen. Endvidere vil projektet indeholde en vejledning til
hvordan målingerne optages i praksis for bitumenemulsionsanlægget, samt en beskrivelse
til indstillinger af regulatorparametre. I projektet vil der også findes en kort vejledning til
eftersyn og afprøvning af bitumenemulsionsanlægget i henhold til DS/EN 62381.
Ydermere vil projektet kort omhandle, forslag til alternative reguleringsmetoder for
bitumenemulsionsanlægget.
Problemstillingen vil blive uddybet yderligere i afsnit 3.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
9
2 Virksomhedsbeskrivelse ENH Engineering A/S blev grundlagt på Fyn i 1989 af den nuværende ejer Erik Nordal
Haugaard, samt to andre under navnet Vejtek. Det primære forretningsområde var
dengang, og er stadig, fremstilling og rådgivning af bitumen teknologi til vedligeholdelse af
vejsystemet. I 1991 købte nuværende ejer Erik Nordal Haugaard, de to andre ud af firmaet
og navnet blev ændret fra Vejtek til ENH Engineering A/S. EHN Engineering flyttede i 1998
til nuværende adresse på Jellingevej 15 i Svenstrup. Firmaet består i dag, ud over Erik, af
20 medarbejdere, der arbejder ud fra firmaprofilen (Enh.dk, u.d.) at:
”ENH Engineering er et firma med krav om kvalitet, know-how og erfaring, som
klart er angivet med en bæredygtig vækst i kunder og klienter”.
ENH Engineerings kundekreds, består både af store multinationale olieselskaber og
statsejede virksomheder, samt store og små private virksomheder i hele verden. ENH
Engineering har produceret og solgt anlæg til selskaber i mere end fyrre lande.
(Enhchina.com, 2011), (Enh.dk, u.d.)
2.1 Bitumen og bitumenemulsion
Dette afsnit omhandler en generel beskrivelse af hvad bitumen og bitumenemulsion er,
samt hvad det benyttes til.
2.1.1 Bitumen
Bitumen er et sort eller mørkebrun termoplastisk materiale, der
hovedsageligt bliver brugt som bindemiddel i vejbelægninger og til
fremstilling af asfalt. Som ordet termoplastisk antyder har bitumen
ved lave temperaturer en høj viskositet, med næsten ingen elastiske
egenskaber. Ved opvarmning bliver bitumens viskositet gradvis
lavere og bliver derved mere elastisk, hvilket gør det lettere at
arbejde med. Bitumen kan fremkomme på to forskellige metoder,
enten naturligt eller kunstigt fremstillet.
(Salomon, 2006), (Dybdal, 2004)
Figur 1 - Bitumen; (All-Biz Ltd , 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
10
2.1.2 Bitumenemulsion
Bitumenemulsion er en kolloid blanding mellem bitumen og
vand. På grund af de to væskers forskellige
overfladespændinger, kan der ved en simpel blanding ikke
produceres en stabil emulsion. For at gøre emulsionen stabil er
det derfor nødvendigt at tilsætte emulgatorer og stabilisatorer i
blandingen. Indholdet af bitumen i en bitumenemulsion kan
varieres for at tilpasse forskellige krav, dog er indholdet af
bitumen typisk mellem 30- og 70% af den samlede blanding. Bitumenemulsioner er opdelt
i tre kategorier: Anionisk med negativ ladede kugler, kationiske med positivt ladede kugler
og ikke-ionisk med neutrale kugler. Det primære formål med bitumenemulsion, er at opnå
et produkt, der kan anvendes til klæbning mellem asfalt lag, overfaldebehandling, såvel
som at forsegle revner i vejen eller til at forsegle hele vejoverflader uden opvarmning.
(BP, u.d.), (Korsgaard, 2011)
2.2 Anlægsbeskrivelse For at få en forståelse for in-line bitumenemulsionsanlægget, vil der i dette afsnit være en
kort beskrivelse af anlægget. Der henvises til bilag 10.1 - 10.6, for anlæggets PI-diagram.
Et In-line bitumenemulsionsanlæg er et mobilt anlæg, som er bygget ind i en fyrre fods
container. Ud over bitumenemulsionsanlægget, er
der i containeren også indbygget et kontrolrum, til
at styre produktionen. In-line bitumenemulsions-
anlægget har en produktionskapacitet mellem 10
og 20 tons bitumenemulsion pr. time. In-line
systemet giver muligheden for at kunne
producere alle kendte bitumenemulsioner.
Derudover giver In-line systemet en stor
fleksibilitet i produktionsfasen, fordi der ikke er
behov for at blande nogle kemikalier eller vandopløsninger inden produktionsstart. Alt
tilføres løbende under produktionen og tilsætningsstofferne indsprøjtes individuelt i
systemet, og kan derfor styres separat uden at påvirke hinanden.
Figur 3 - In-line bitumenemulsionsanlæg; (Enhchina.com, 2011)
Figur 2 - Bitumenemulsion; (Wasco, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
11
Figur 4 - Principtegning over bitumenemulsionsprocessen; (Eget arkiv, 2014)
Figur 4 viser en forenklet principskitse for bitumenemulsionsanlægget. Ved
produktionsstart, bliver der leveret procesvand fra en ekstern vandtank. Procesvandet
bliver i starten af produktionen opvarmet af varmeveksler 1, indtil det har opnået en
temperatur på 50°C, hvilket er det ønskede sætpunkt. Varmveksler 1 får tilført sin energi
fra brænderkredsen, som er en lukket kreds i systemet. Brænderkredsen vil blive
yderligere gennemgået i afsnit 4.1 i projektet.
Efter varmeveksler 1 kommer procesvandet til trevejsreguleringsventil 17V1, der
bestemmer hvor meget procesvand der skal føres til varmeveksler 2 og hvor meget der
bliver by-passet videre til kemikalieskabet. Denne kreds kaldes bitumenemulsionskredsen
og bliver yderlige gennemgået i afsnit 4.3. Varmeveksler 2 bruges til nedkøling af
bitumenemulsion, samt opvarmning af procesvandet, når produktionen af
bitumenemulsionen er i gang. Under produktionen bliver procesvandet varmet op af både
varmeveksler 1 og varmeveksler 2.
I kemikalieskabet bliver der tilføjet syre, calcium og emulgator til procesvandet. Mængden
der tilføjes af de forskellige væsker, bestemmes ud fra den recept producenten bruger til
bitumenemulsion. Fra kemikalieskabet kommer procesvandet derefter til kolloidmøllen,
hvor det bliver blandet med bitumen. Kolloidmøllen er den centrale del i
bitumenemulsionsanlægget og det er her emulgeringen foregår. Når bitumenemulsionen er
produceret pumpes det fra kolloidmøllen gennem varmeveksler 2. Derefter bliver
bitumenemulsion ført videre til tankene, hvor det er klar til udlastning.
(Enh.dk, u.d.)
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
12
3 Problemstilling ENH Engineerings kunder har givet udtryk for, at de ønsker en optimering af den
automatiske løsning til dosering af mængden af produktionsvandet til varmeveksler 2, for
bitumenemulsionsstrengen, via trevejsreguleringsventilen 17V1, for et fyrre fods
bitumenemulsionsanlæg. Endvidere har kunderne også givet udtryk for, at de er utilfredse
med reguleringen af temperaturen for brænderkredsen og reguleringen af
bitumenemulsionskredsen. Vi har derfor valgt at undersøge hvad der er årsag til at
bitumenemulsionsanlæggets brænderkreds er ustabil, samt hvad der er skyld i
problematikken for dosering af procesvandet til varmeveksler 2.
Bitumenemulsionsanlægget, som projektet tager udgangspunkt i, er beliggende i Gotha,
Tyskland. Bitumenemulsionsanlægget er blevet lukket ned for vinteren, og det er derfor
ikke muligt at få flere data fra dette.
Bitumenemulsionsanlæggets ustabilitet analyseres og vurderes derfor ud fra de
eksisterende målte data for anlægget. Endvidere vil der blive udarbejdet en handleplan
med henblik på indsamling af flere empiriske data – således, en mere præcis analyse af
bitumenemulsionsanlæggets statiske og dynamiske egenskaber kan fastlægges.
Derudover vil der ligeledes udarbejdes en testplan, således at ENH Engineering kan udføre
de ovennævnte målinger i praksis. Med udgangspunkt i de optagede målinger fra
testplanen, har ENH Engineering således et grundlag for at reviderer reguleringerne, med
henblik på en mere stabil proces.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
13
3.1 Problemformulering
Vi har på baggrund af problembelysningen valgt at undersøge hvad der kan være årsag til
at reguleringerne, for henholdsvis brænderkredsen samt bitumenemulsionskredsen, ikke
virker optimalt i bitumenemulsionsanlægget.
Endvidere vil vi udarbejde et testprogram, samt forslag til eventuelle nye målepunkter,
med henblik på at indsamle yderligere data for bitumenemulsionsanlægget. De optagne
data vil kunne danne grundlag for en ny analyse af processen, med henblik på en
optimering af stabiliteten. Derudover vil vi undersøge hvilke eftersyn og afprøvninger der
skal foretages, ved eventuel ændring i bitumenemulsionsanlæggets regulering.
Hvad kan være årsagen til at reguleringen, for henholdsvis brænderkredsen og
bitumenemulsionskredsen i bitumenemulsionsanlægget, ikke fungerer optimalt?
Hvad kan være årsagen til ustabiliteten i de nuværende reguleringer?
Hvordan skal målingerne for processerne udføres i praksis?
3.2 Afgrænsning
Projektet er afgrænset til at omhandle de komponenter, der er relevante for
reguleringsprocessen for henholdsvis brænderkredsen og bitumenemulsionskredsen.
Da bitumenemulsionsanlægget er dimensioneret således, at det kan producere forskellige
typer bitumenemulsioner, i volumen 10-20 tons/t, har vi derfor valgt ikke at kigge på
dimensionen af anlæggets komponenter, herunder: Rørdimensioner, varmevekslere og
pumper. Endvidere er projektet afgrænset til ikke at omhandle de økonomiske aspekter
vedrørende en analyse af anlægget, herunder: Lønninger, indkøb af måleudstyr, tab af
fortjeneste ved produktionsstop m.m.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
14
3.3 Arbejdsmetode
Dette projekt er udarbejdet på bagrund af kvantitative data udleveret af ENH Engineering
A/S, for et fyrre fods bitumenemulsionsanlæg, beliggende i Gotha, Tyskland.
Bitumenemulsionsanlægget i Tyskland blev lukket ned for vinteren ved initiering af
projektskrivningen, og det har derfor ikke været muligt at få flere data fra dette.
Dette betyder at projektet vil blive udarbejdet på baggrund af empirisk viden, som de
studerende har tilegnet sig på Aarhus Maskinmesterskole, gennem tidligere uddannelser
samt erhvervserfaring. Antagelserne i dette projekt vil blive fortaget på baggrund af
kildevalideret informationer.
Processenerne for bitumenemulsionsanlægget, og dettes hovedkomponenter er blevet
analyseret for at opnå en bedre anlægsforståelse, samt for at definere punkterne nævnt i
problemformuleringen.
Endvidere har der gennem processkrivningsforløbet været løbende dialog og sparring med
ENH Engineerings maskinmester Jakob Henriksen.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
15
4 Beskrivelse af processerne Dette afsnit omhandler en beskrivelse af processerne for brænderkredsen og
bitumenemulsionskredsen i bitumenemulsionsanlæggets, som de fungerer i skrivende
stund. Dette gøres for at opnå en bedre forståelse af processerne.
Fordi processerne er forholdsvis komplicerede, vil beskrivelsen, samt analysen af disse
blive opdelt i afsnit og forklares individuelt. Se bilag 10.1 til 10.6 for PI-diagrammer af det
samlede bitumenemulsionsanlæg. Derudover vil der i dette afsnit også være en beskrivelse,
samt en analyse, af brænderen i brænderkredsen.
4.1 Brænderkredsens virkemåde
Figur 5 – Principskitse brænderkreds på bitumenemulsions anlæg; (Eget arkiv, 2014)
Brænderkredsen for bitumenemulsionsanlægget består af følgende; Weishaupt WL20/2-C
udf. Z brænder, Veissmann Vitorond varmtvandskedel 200-230kW, Samson 3260K
trevejsreguleringsventil, Baumer PT100 føler med temperaturtransmitter, samt et
rørsystem der fører vandet gennem en Alfa laval M6-FG pladevarmeveksler 275kW.
Formålet med brænderen, er at opvarme vandet i kredsen til 85°C, som er illustreret med
den orange streng på Figur 5. Når vandet i brænderkredsen har opnået 85°C benyttes det
til at opvarme procesvandet, illustreret med den sorte streng på Figur 5, gennem
varmeveksler 1. Procesvandet har et sætpunkt på 50°C. Brænderen, der er benyttet i
bitumenemulsionsanlægget er en oliebrænder, da ENH Engineering leverer anlæg til
mange forskellige lande, og olie er en let tilgængelig ressource i de fleste lande. Brænderen
Sort Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
16
er leveret med sin egen uafhængige reguleringssløjfe, hvorpå det er muligt at indstille den
temperatur man ønsker for vandet i brænderkredsen.
Ved opstart af bitumenemulsionsanlægget, skal der når vandet i brænderkredsen har
opnået den ønskede temperatur, startes en cirkulationspumpe ved tryk på
operatørpanelet. Derefter pumpes der procesvand fra vandtanken gennem varmeveksler 1.
Vandet i brænderkredsen afgiver varme til procesvandet, som kræver en temperatur på
minimum 50°C. Grunden til at procesvand skal opvarmes til minimum 50°C er for at sikre
at emulgatoren opløses tilstrækkeligt, når denne bliver tilsat i kemikalieskabet.
Trevejsreguleringsventil 3V4 bestemmer mængden af varmt vand fra brænderkredsen, der
tilføres varmeveksler 1. Trevejsreguleringsventil 3V4 bliver reguleret af en PI-regulator, og
øger eller mindsker mængden af det varme vand, afhængigt af procesvariablen modtaget
fra temperaturtransmitter 3B2. Hvis procesvandet har opnået sit sætpunkt på 50°C, vil
reguleringsventil 3V4 begynde at lukke af, således at der ikke tilføres yderligere varmt
vand til varmeveksler 1. Vandet i brænderkredsen cirkuleres nu uden om varmeveksler 1.
Figur 6 - Blokdiagram PI-regulator for brænderkreds; (Eget arkiv, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
17
4.2 Brænderens virkemåde
Brænderen i kredsen er, som tidligere nævnt, af typen WL 20/2-C udf. Z.
W - Type serie L - Olie
20 - Brænder serie /2 - Antal dyser i brænder
C - Index udf. Z - To-trins termostat
Brænderen er en olieforstøvningsbrænder, hvori der er indbygget en mekanisk to-trin
termostat. Som standard styres alle Weishaupt W-brændere normalt af en digital
brænderstyring, hvor alle brænderfunktionerne styres og overvåges af mikroprocessorer.
ENH Engineering har dog erfaret, at operatørerne af bitumenemulsionsanlæggene ikke kan
håndtere denne digitale brænderstyring, og de muligheder denne giver, og operatørerne
sætter derfor brænderen i manuel, hvorpå den leverer en konstant given effekt. Dette er
ikke hensigtsmæssigt, og i følge Ole Albeck fra Weishaupt A/S, leveres
bitumenemulsionsanlæggene derfor med en speciel forsimplet udgave af WL 20/2-C udf. Z
brænderen, hvor den digitale brænderstyring er undladt, og styres derfor af den mekaniske
to-trin termostat.
(Weishaupt, u.d., s. 6)
Figur 7 viser den skematiske opbygning af brænderen, hvor punkt 1 og 2, er to normalt
lukket magnetventiler, der bestemmer gennemløbet af olien. Punkt 3 er oliepumpen, der
forsyner dyseaggregatet med olie. Punkt 4 er dyseaggregatet med de to dyser. Det totale
oliegennemløb leveres fra de to dyser, og de fordeler også belastningen mellem sig. Ved
dellast aktiveres dyse 1, og ved fuldlast er både dyse 1 og dyse 2 aktiveret.
Figur 7 - Skematisk funktion WL20 / 2-C, vers. Z; (Weishaupt, 2001)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
18
4.2.1 Analyse af brænderens regulering To-trins termostaten styrer reguleringen af temperaturen, og denne agerer som både
måler og regulator bygget sammen i én komponent. Der er derfor tale om en
termostatregulering.
Termostaten indstilles af Ole Albeck fra Weishaupt A/S og den er ifølge ham, indstillet på
følgende parametre:
SP - 85°C
Trin 1 - ydelse 80 kW - ved vandtemperatur > 78°C
Trin 2 - ydelse 100 kW - ved vandtemperatur < 78°C
NZ - Neutral zone - ved vandtemperatur 82.5 – 87.5°C
Figur 8 - Brænderregulering simpel form (Eget arkiv, 2014)
Reguleringen har til formål, at opvarme vandet i brænderen til en vandtemperatur på 85°C.
På Figur 8 ses regulatorens karakteristik. Ved lille afvigelse fra sætpunktet vil regulatoren
give signal til at brænderen skal kører dellast. Ved dellast aktiveres magnetventil V1, og
brænderen leverer 80 kW fra dyse D1. Hvis den målte afvigelse er for stor, vil brænderen få
signal om at skulle kører fuldlast. Ved fuldlast er magnetventil V1 forsat aktiveret, og
magnetventil V2 aktiveres ligeledes. Det betyder at dyse D1, og dyse D2 er aktiverede – og
brænderen leverer nu 180 kW. Det fremgår ligeledes af Figur 8, at der er indstillet en
neutralzone på 5°C, som ligger omkring sætpunktet. Hvis procesvariablen er inden for
neutralzonen vil dyserne ikke være aktive. Ydermere kan processen ved brænderen
antages til at være en førsteordensproces.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
19
4.2.2 Brænderreguleringens stabilitet
Der er på nuværende tidspunkt ingen data til rådighed målinger for det opvarmede vand i
brænderkredsen. Dette betyder at analysen af termostatreguleringen er udarbejdet på
antagelser.
Hvis termostatreguleringen ikke er aktiveret, dvs. at brænderen leverer energi til vandet
uden at den bliver afbrudt, fremgår det af Figur 9 at vandets temperatur over en given tid,
vil stige til fast værdi ymax efter en førsteordens trinresponskurve. Da sætpunktet for
termostatreguleringen er indstillet til 85°C, må dette antages til at være under ymax,
grundet brænderens kapacitet på 180kW.
Figur 9 - Teoretisk tidsforløb for termostatreguleringen; (Heilmann, 2009, s. 52)
Når termostatreguleringen er aktiveret og sætpunktet er indstillet, på en værdi lavere en
ymax, vil temperaturen derved komme til at svinge omkring sætpunktet, med en given
frekvens og amplitude, som set på Figur 9. Svingningerne og deres størrelse afhænger af
den indstillede værdi for termostatens neutralzonen NZ, samt belastningens størrelse.
Ideelt skal brænderens kapacitet indstilles således, at svingningerne for reguleringen
forløber som vist på Figur 9, eftersom dette vil betyde, at der er et godt forhold mellem
belastningen og den tilførte effekt.
(Heilmann, 2009, s. 52)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
20
4.3 Bitumenemulsionskredsens virkemåde
Figur 10 - Principskitse bitumenemulsionskreds; (Eget arkiv, 2014)
Bitumenemulsionskredsen består af følgende; Samson 3260K trevejsreguleringsventil,
Baumer PT100 føler med temperaturtransmitter, samt et rørsystem der fører vandet
gennem Alfa lavel M6-FG pladevarmeveksler 525kW.
Formålet med denne kreds, er at nedkøle bitumenemulsionen til sætpunktet 60°C. Ud over
nedkøling af bitumenemulsionen, hjælper varmeveksler 2 også med at opvarme
procesvandet til 50°C. Det er tænkt således at trevejsreguleringsventil 17V1 skal begynde
at åbne op når produktionen af bitumenemulsionen er begyndt. Samtidig vil
brænderkredsen begynde at lukke af for tilførslen af varmt vand til varmeveksler 1, således
at opvarmningen af procesvandet bliver flyttet til varmeveksler 2. Hvis procesvandet
kommer under sit sætpunkt, vil der igen blive åbnet for tilførslen af varmt vand til
varmeveksler 1, og procesvandet får igen tilført energi herfra. Trevejsreguleringsventil
17V1 bliver reguleret af en PI-regulator, der øger eller mindsker mængden af procesvandet der
sendes til varmeveksler 2. Dette afhænger af procesvariablen trevejsreguleringsventil 17V1
modtager fra temperaturtransmitter 1B2. Reguleringen af 17V1 fungerer ikke efter hensigten,
og er blevet lavet om til en åbensløjfe regulering, hvor man indstiller styreelementet
manuelt på operatørpanelet. Problemstillingen vedrørende manuel indstilling af
trevejsreguleringsventil 17V1, bliver bekrevet yderligere i afsnit 5.1.
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
21
Figur 11 - Blokdiagram over bitumenemulsionsreguleringen; (Eget arkiv, 2014)
4.4 Belastningerne i processen
Belastningerne i processen afhænger af produktionen af bitumenemulsion, og hvilke
recepter kunderne bruger til blandingsforholdene mellem bitumen, procesvand og
tilsætningsstoffer. Dette projekt tager udgangspunkt i et bitumenemulsionsanlæg, der kan
producere mellem 10 og 20 tons bitumenemulsion i timen. Eftersom der ikke har været
adgang til recepterne, er procesvandbelastningen over varmveksler 1 blevet antaget til at
være 35% af den producerede bitumenemulsion, af maskinmester Jakob Henriksen.
Procesvandet leveres fra en ekstern vandtank og antages til at have en stabil temperatur
under hele produktionen.
Belastningen på varmeveksler 2 kommer fra bitumenemulsionen og kan derfor variere i et
flow fra 10 til 20 ton i timen. Bitumenemulsions temperaturen afhænger af procesvandets-
og bitumens temperature. I processen har bitumen en temperatur på ca. 140°C og
procesvandet har en temperatur på ca. 50°C. Disse bliver sammenblandet i kolloidmøllen,
hvilket medfører at bitumenemulsionen har en temperatur på 85°C ± 5°C når den kommer
ind i varmeveksler 2. Temperaturne er aflæst på trend-kurven fra bilag 10.8, som er
loggede data over en produktion.
(Enh Engineering a/s)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
22
5 Analyse af ustabilitet ud fra aktuelle målinger Dette afsnit omhandler en analyse af, hvorfor de nuværende reguleringer er ustabile.
Stabilitet i en reguleringssløjfe defineres i ”Praktisk regulering og instrumentering” af
Thomas Heilmann (Heilmann, 2009, s. 77) således:
”Enhver svingning, der opstår i sløjfen, skal dø ud af sig selv. Hvis svingingen
forsætter udæmpet eller endog med voksenende amplitude kalder vi systemet
ustabilt. ”
Figur 12 - Principskitse bitumenemulsionsanlæg; (Eget arkiv, 2014)
Figur 12 viser en principskitse over bitumenemulsionsanlægget, hvorpå de forskellige
temperaturtransmittere er indtegnet. Farverne på Figur 12 stemmer overens med de
loggende temperaturer på figur 13. Figur 13 er en trend-kurve der er logget for en
produktion af bitumenemulsion på bitumenemulsionsanlægget i Gotha, Tyskland.
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
23
Figur 13 - Trend-kurve over Temperaturer; (Eget arkiv, 2014)
I begyndelsen af produktionen ses det på trend-kurven at bitumenemulsion 1 og 2 har den
samme temperatur. Dette skyldes at trevejsreguleringsventilen 17V1 er lukket. Der bliver
derfor ikke tilført procesvand til varmeveksler 2 på bitumenemulsionsstrengen.
På Figur 13 ses det, at temperaturen for procesvandet er på grænsen til ustabilitet.
Procesvandet modtager energi fra henholdsvis varmeveksler 1 og 2.
Bitumenemulsionstemperaturen afhænger af procesvandets- og bitumens temperatur,
eftersom disse sammenblandes i kolloidmøllen.
Fordi trevejsreguleringsventilen 17V1 er indstillet manuelt, betyder det, at der løber et
konstant flow gennem varmeveksler 2. Kommer temperaturen for procesvandet under
sætpunktet, vil trevejsreguleringsventil 3V4 åbne for tilførsel af opvarmet vand gennem
varmeveksler 1, som beskrevet i afsnit 4.1. Dette får temperaturen for procesvandet til at
stige kraftigt, hvilket medfører at temperaturen skyder over sætpunktet. Når temperaturen
rammer sætpunktet vil trevejsreguleringsventil 3V4 lukke af for tilførslen af opvarmet
vand fra brænderen til varmeveksler 1. Dette medfører at temperaturen for procesvandet
igen vil falde.
Grøn-kurve
Rød-kurve
Blå-kurve
Sort-kurve
Bitumen-temperatur
Bitumenemulsion 1-temperatur
Bitumenemulsion 2-temperatur
Procesvand-temperatur
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
24
Svingningerne fra procesvandet ses ligeledes på kurven for bitumenemulsionstemperatur
1, dog dæmpet. Dette skyldes, sammenblandingen af procesvand og bitumen i kollidmøllen,
og svingningerne i procesvandets temperatur bliver derfor overført til
bitumenemulsionstemperatur 1.
5.1 Analyse af proces 17V1 ikke i manuel
I skrivende stund er trevejsreguleringsventil 17V1 indstillet manulet, grundet problemer
med reguleringen for denne. Dette afsnit omhandler en analyse af virkemåden for
bitumenemulsionsanlægget, når trevejsreguleringsventil 17V1 ikke er indstillet manuelt.
Der antages i det følgende senarie, at temperaturen for bitumenemulsionen ved 1B2 stiger.
Endvidere vil der løbende blive referret til Figur 15 og Figur 16 for at øge forståelsen.
Kurverne er ikke målfaste, og benyttes derfor kun til analysen, samt for at øge forståelsen
for processen. På Figur 15 og Figur 16 overlapper trevejsreguleringsventilerne 3V4 og
17V1 åbning og lukning ikke hinanden, som de ville gøre i praksis. Dette undlades for at
fremhæve problematikken med hensyn til reguleringen af processerne.
Figur 14 - Principtegning over bitumenemulsionsanlægget; (Eget arkiv, 2014)
Der antages en stigning i temperatur for bitumenemulsionen ved
temperaturtransmitter 1B2. Det medfører at trevejsreguleringsventil 17V1 vil åbne
for tilførslen af procesvand til varmeveksler 2, for at køle emulsionen. Se Figur 15.
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
25
Ventil 17V1 åbner og mængden af procesvand gennem varmeveksler 2 øges.
Procesvandet modtager energi fra bitumenemulsionen gennem varmeveksleren,
hvilket medfører en stigning i procesvandets temperatur ved
temperaturtransmitter 3B2. Se Figur 16.
Procesvandets øgede temperatur ved 3B2 medfører, at ventil 3V4 vil begynde at
lukke af for tilførslen af varmt vand gennem varmeveksler 1. Se Figur 16.
Eftersom der lukkes af for tilførslen af varmt vand til varmeveksler 1, vil
procesvandet få en lavere temperatur. Temperaturen ved 1B2 vil derfor falde, og
ventil 17V1 vil begynde at lukke af og mindske tilførslen af procesvand til
varmeveksler 2. Se Figur 15.
Lukningen af ventil 17V1 medfører at en større mængde procesvand vil blive by-
passet uden om varmeveksler 2, og vil blive ført til kemikalieskabet, og senere
kolloidmøllen. Dette vil resulterer i et fald af temperaturen ved 3B2, som derfor
betyder at ventil 3V4 vil begynde at åbne op – og der bliver igen tilført varmt vand
til varmeveksler 1. Se Figur 16.
Ved åbningen af ventil 3V4, vil temperaturen efterhånden stige igen ved
temperaturtransmitter 1B2 og alle ovenstående punkter vil gentage sig selv.
Figur 15 - Princip kurve for 1B2; (Eget arkiv, 2014)
Figur 16 - Princip kurve for 3B2; (Eget arkiv, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
26
Det fremgår af ovenstående, at ønsket om at køle bitumenemulsionen, og ønsket om at
opvarme procesvandet, på nuværende tidspunkt modarbejder hinanden. Grunden til at de
to reguleringer modarbejder hinanden er, at temperaturen måles på to forskellige strenge i
bitumenemulsionsanlægget, og der opstår derfor konflikt mellem reguleringerne. Dette
resulterer i at begge reguleringer bliver præget af ustabilitet.
I henhold til maskinmester Jakob Henriksen fra ENH Engineering, skal temperaturen for
bitumenemulsionen, blå kurve, køles til en temperatur under 100°C. Grunden til at
bitumenemulsionen på nuværende tidspunkt har et sætpunkt på 60°C, er for at sikre at
temperaturen er mindre end 100°C og af der er et punkt at regulere efter.
Figur 17 - Trend-kurve over Temperaturer; (Eget arkiv, 2014)
Trend-kurven viser temperaturene for processerne logget, hvor trevejsreguleringsventil
17V1 er indstillet i manuel, men kurverne kan stadig benyttes til forklaringssammenhæng.
Det fremgår af trend-kurven at bitumen, har en temperatur på omkring 140°C. Bitumen, og
procesvandet med en temperatur på omkring 50°C, bliver blandet sammen i kolloidmøllen.
Sammenblandingen bliver til bitumenemulsion 1. Det ses på Figur 17 at bitumenemulsion
1 har en temperatur på omkring 90°C, og dette bliver nu ført gennem varmeveksler 2, hvor
Grøn-kurve
Rød-kurve
Blå-kurve
Sort-kurve
Bitumen-temperatur
Bitumenemulsion 1-temperatur
Bitumenemulsion 2-temperatur
Procesvand-temperatur
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
27
det bliver kølet yderligere af procesvandet. På afgangssiden af varmeveksler 2 er
bitumenemulsion 2, som har en temperatur omkring 57°C.
Formålet med kølingen ved varmeveksler 2, er at sikre bitumenemulsion 2 er under 100°C
– men, som det fremgår af kurven, har bitumenemulsion 1 allerede en temperatur under
100°C før det køles yderligere gennem varmeveksler 2.
På baggrund af ovenstående, anbefales det at flytte styringen af trevejsreguleringsventil
17V1 fra temperaturtransmitter 1B2, til 3B2, se Figur 18.
Figur 18 - Flytning af styring 17V1 til 3B2; (Eget arkiv, 2014)
Ved at flytte styringen af trevejsreguleringsventil 17V1, til 3B2 fjernes problematikken
med hensyn til måling på forskellige strenge i systemet, og trevejsreguleringsventil 3V4 og
17V1 vil ikke længere modarbejde hinanden. Grunden til at vi flytter styringen af
trevejsreguleringsventil 17V1 til temperaturtransmitter 3B2, er med henblik på at kunne
udarbejde den statiske, samt dynamiske karakterstik med fokus på procesvandet. Den
statiske og dynamiske karakterstik optages for at danne grundlag for en alternativ og mere
stabil løsning til reguleringen.
Flytningen af styringen af trevejsreguleringsventil 17V1 fra temperaturtransmitter 1B2 til
3B2, vil ikke bevirke at bitumenemulsionstemperatur 2 vil overskride 100°C. Dette
argumenteres med, at efter bitumen med en temperatur på omkring 140°C
sammenblandes med procesvandet med en temperatur på omkring 50°C i kolloidmøllen,
fås der bitumenemulsion 1 med en temperatur på omkring 90°C. Denne temperatur vil blot
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
28
blive kølet yderligere gennem varmeveksler 2. Ydermere kan der, hvis det findes
nødvendigt, kobles eksternt køling til processen, se Figur 19.
Figur 19 - Tilsluttet ekstern køling; (Eget arkiv, 2014)
Når den eksterne køling er tilkoblet processen, er trevejsreguleringsventil 17V1’s tilgang til
varmeveksler 2 frakoblet. Varmeveksler 2 fødes nu fra den eksterne køling. I sådan et
scenarie vil procesvandet blive opvarmet af brænderkredsen igennem hele produktionen.
I resten af projektet vil styringen af trevejsreguleringsventil 17V1, derfor fjernes fra
temperaturtransmitter 1B2, og der vil i resten af projektet sættes fokus på procesvandet.
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
29
5.2 Stabilitet i processen
Generelt er der tre variabler der har indflydelse på en regulerings ydeevne og stabilitet;
Procesforstærkningen, dødtid samt tidskonstanter. Alle variablerne vil blive beskrevet og
vurderet i afsnit 5.2 til 5.4.1.
Ved hjælp af den dynamiske karakteristik kan procesforstærkningen, dødtiden, samt den
samlede tidskonstant findes. Eftersom bitumenemulsionsanlægget befinder sig i Tyskland,
og blev lukket ned for vinteren – er det ikke muligt at optage den dynamiske karakteristik.
Der vil derfor i følgende afsnit komme en empirisk analyse af procesforstærkningen,
dødtiderne og tidskonstanterne for komponenterne i bitumenemulsionsanlægget
vedrørende reguleringerne for brænderkredsen og bitumenemulsionskredsen, da disse
normalt findes ved den dynamiske karakteristik
(McMillan, 1994, s. 21), (Altmann, 2005, s. 85)
5.2.1 Procesforstærkningen
Procesforstærkningen kan benyttes til at undersøge om systemets karakterstik er lineært
eller ulinært. Fordi varmevekslerne i bitumenemulsionsanlægget er termiske processer,
antages karakterstikken for disse at være ulinære med krum opadgående karakterstik.
Procesforstærkning er forholdet mellem ændringen af procesvariablen over ændringen i
regulatorens output.
Procesforstærkning bliver beskrevet yderlige i afsnit 6.1 og 6.2.
(McMillan, 1994, s. 23-29), (Altmann, 2005, s. 85-86)
K proces =DPV%
DCV%
Figur 20 - Termisk karakteristik; (Heilmann, 2009, s. 18)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
30
5.3 Analyse af dødtider og tidskonstanter i processen
Dette afsnit omhandler en analyse af dødtiderne, samt tidskonstanterne i processen for
opvarmningen af procesvandet ved varmeveksler 1 og 2, samt en empirisk vurdering af
deres størrelse, uden brug af åbensløjfe metoden. For at få et overblik over dødtiderne,
samt tidskonstanterne i reguleringssløjferne se Figur 21.
Dødtid er en ren tidsforsinkelse, og har dimensionen sekunder. Det bør altid bestræbes at
nedbringe dødtiden i en reguleringssløjfe for at opnå den mest optimale reguleringssløjfe.
Endvidere skal dødtiden vurderes i forhold til sløjfens øvrige tidskonstanter, eftersom
dødtid først skaber store problemer for reguleringen, når denne er den dominerende af
henholdsvis dødtid og tidskonstanter.
Tidskonstanter forekommer ved hver komponent. Tidskonstanten [τ] beskriver for et
førsteordenssystem, hvor hurtigt systemet reagerer. Afsluttende vis vil de i afsnittet
behandlede emner, blive opsummeret og deres indvirkning som en helhed for processerne
blive vurderet.
(McMillan, 1994, s. 29-32), (Heilmann, 2009, s. 28-29)
Figur 21 - Blokdiagram over dødtider, samt tidskonstanter; (Eget arkiv, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
31
5.3.1 Temperaturtransmitter 1B2 og 3B2
Temperaturtransmitterne i bitumenemulsionsanlægget er PT100 følere. Der vil i dette
afsnit blive analyseret på temperaturtransmitter 1B2, samt 3B2, som måler temperaturen
for henholdsvis bitumenemulsionens og procesvandet.
5.3.1.1 Transport dødtid
Der er i processen transport dødtid, ved målingen af temperaturen af henholdsvis;
Procesvandet og bitumenemulsion. Dette skyldes at der går et stykke tid fra at de
førnævnte væsker er blevet bearbejdet, og til at de er transporteret til målestederne.
Transport dødtiden har følgende sammenhæng mellem afstand og hastighed.
Eftersom transport dødtiden er afhængig af flowet gennem rørsystemet, betyder det at der
ved lavere flow er en større transport dødtid, end ved større flow.
Figur 22 - Temperaturtransmitter 1B2, 3B2; (Eget arkiv, 2014)
Tt =afstand
hastighed
m
m/ s= s
é
ëêù
ûú
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
32
5.3.2 Tidskonstant temperaturtransmitter 1B2 og 3B2
Ideelt skal temperaturtransmitterens målte temperatur TFøler altid være lig med væskens
temperatur TVæske. Dette er ikke tilfældet, idet der grundet tidskonstanten vil være en
tidsforsinkelse.
Tidskonstanten i temperaturtransmitterne er afhængig af den termiske modstand R, samt
den termiske kapacitet C.
Den termiske modstands størrelse er afhængig af varmeovergangen mellem, det indre af
temperaturtransmitterens føler og væsken den måler på. Temperaturtransmitter 1B2 og
3B2 monteret i følerlommer, som øger den termiske modstands størrelse. I følerlommerne
er der termisk-plast, hvilket øger den termiske ledeevne – og giver derved et bidrag til
reduktion af tidskonstanten se Figur 23.
Den termiske kapacitet er afhængig af mængden af væsken der skal ændre temperatur,
samt væskens masse- og varmefylde.
Figur 23 - Reaktionstid temperaturtransmitter 1B2; (Baumer, u.d.)
Ved et førsteordenssystem, defineres tidskonstanten som den tid der går fra at en ændring
laves, til at den har opnået 63,2% af sin endelig værdi. Temperaturtransmitter 1B2 og 3B2
har som vidst på Figur 23 en tidskonstant på ca. 50 sek. i systemet.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
33
5.3.3 Varmeveksler 1 og 2
Følgende afsnit omhandler dødtider og tidskonstanter for varmeveksler 1 og 2. Grundet
manglende data for flowet for vandet internt i brænderkredsen, vil der derfor ikke komme
en beregning af tidskonstanten for varmeveksler 1. Tidskonstanten for varmeveksler 1, er
dog taget i betragtning i den endelig analyse i afsnit 5.4. Varmevekslerne i anlægget er
pladevarmevekslere fra Alfa Laval af typen M6-FG på henholdsvis 275 og 525 kW.
Varmeoverførslen af procesvandet kan beskrives af følgende ligning:
Ovenstående ligning viser, at den samlede optagne energi af procesvandet [Q], er afhængig
af varmegennemgangstallet [U], arealet [A], samt den logaritmiske
middeltemperaturdifferens [LMTD].
(Lipták B. G., 1995)
5.3.3.1 Varmeveksler 1 og 2 dødtid
Dødtiden i varmevekslerne er transport dødtid, da det er tiden det tager den ”friske”
varmeoverførelsesvæske at blive transporteret gennem varmevekslerne.
For en procesindustri varmeveksler er dødtiden mellem 1 og 30 sekunder.
(Lipták B. G., 1995, s. 95-96)
5.3.3.2 Varmeveksler 2 tidskonstant
Tidskonstanten for varmeveksler 2, kan antages til at være en førsteordens forsinkelse,
forårsaget af temperaturændringen på pladerne i varmeveksleren, se Figur 24.
Tidskonstanten bestemmes af massen og den specifikke varmekapacitet af pladematerialet,
massestrømmen og den specifikke varmekapacitet af de to strømme.
Figur 24 - Bloksymbol 1. ordens system; (Eget arkiv, 2014)
Q=U ×A×LMTD
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
34
En tilnærmet tidskonstant kan beregnes ud fra følgende formel:
𝜏𝑙𝑎𝑣 = 𝑘 ∗𝑚𝑝𝑙𝑎𝑑𝑒𝑟∗𝑐𝑝𝑝𝑙𝑎𝑑𝑒𝑟
�̇�𝑒𝑚𝑢,𝑙𝑎𝑣∗𝑐𝑝𝑒𝑚𝑢∗�̇�𝑣𝑎𝑛𝑑,𝑙𝑎𝑣∗𝑐𝑝𝑣𝑎𝑛𝑑 = 200 ∗
47,94𝑘𝑔∗0,5𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾
2,78𝑘𝑔
𝑠∗4,19
𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾∗0,97
𝑘𝑔
𝑠∗4,19
𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾
= 𝟏𝟎𝟏, 𝟐𝟔𝒔𝒆𝒌
(Se bilag 10.12, for værdier og beregning)
Den tilnærmede tidskonstant i varmeveksleren er 101,26 sekunder. Tidskonstanten er
regnet ud fra et flow på 10𝑡
ℎ, som er det mindste processen producerer ved. Mindre flow
giver en større tidskonstant, og der er derfor blevet regnet med et ”worst case” scenarie.
(Lipták B. G., 1995, s. 95-96)
5.3.4 Trevejsreguleringsventil 3V4 og 17V1
Styreelementerne for reguleringen ved henholdsvis varmeveksler 1 og 2, er to Samson
trevejsreguleringsventiler med elektropneumatisk positioner. Den elektropneumatiske
positioner fungerer ved at et inputsignal på 4-20mA sendes til den indbyggede
elektropneumatiske konverter i ventilen. Signalet konverteres her til ventilens
forstærkning, som herefter ledes til en pneumatiske styredel. Den pneumatiske styredel
giver et styretryksignal, som producerer en kraft, der påvirker en membran. Ved en
ændring i styretrykket på membranen, overføres der en reaktion til positioneren, som
frigiver et tryk. Det vil sige at ved enhver ændring i styretrykket eller ventilens
kegleposition, vil ændre trykket til forstærkeren, hvilket medfører at styretrykket frigives.
Trevejsreguleringsventilen vil nu ændre position alt efter det givne indgangssignal.
5.3.4.1 Dødtid trevejsreguleringsventil
Dødtiden for trevejsreguleringsventilerne er den tid det tager regulatoren, ved en afvigelse
fra sætpunkt, at sende et output signal der er af en tilstrækkelig størrelse for at få ventilen
til at ændre position. Dødtiden er derfor den tid, det tager den elektropneumatiske
positioner at ændre trykket for at ændre position. Ved en lille positionsændring vil
dødtiden være større, end ved en stor positionsændring, eftersom der tilføres et lille flow
og trykket bygges langsomt op for at foretage ændringen.
(Samson, u.d., s. 3)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
35
5.3.5 Tidskonstant trevejsreguleringsventil
Tidskonstanten i trevejsreguleringsventilerne afhænger af hvor hurtigt den
elektropneumatiske aktuators luft reservoir fyldes. Tidskonstanten kan antages til at være
en førsteordensproces. Dette argumenteres med, at når trevejsreguleringsventilens indre
tryk, påvirkes ved en ændring af ventilens ydre tryk, ændres det indre tryk sig til det ydres
tryks værdi efter en førsteordensproces.
5.4 Analyse af dødtider samt tidskonstanters påvirkning af processerne
Følgende afsnit vil komme med en vurdering af dødtidernes, samt tidskonstanternes
påvirkning af processerne i anlægget.
5.4.1 Dødtidernes påvirkning af processerne
Dødtiden er en tidsforsinkelse mellem ændring i regulatorens output, og den målte
procesvariabel, der kan medføre dårlige reguleringsegenskaber for sløjfen. Grundet
tidsforsinkelsen fra dødtiden, er der i teorien en periode hvor der ikke er nogen
tilbageføring af procesvariablen. Det betyder, at eftersom vi i processerne har PI-
reguleringer, kan der i teorien opstå et senarie, hvor regulatoren vil blive ved med at
integrerer på afvigelsen, grundet den manglende tilbagemelding.
Vi har i processen for bitumenemulsionskredsen vurderet tidskonstanterne, til at være
større end dødtiderne da tidskonstanterne er vurderet til at være henholdsvis: 50 og
101,26 sekunder (eksklusiv tidskonstant for trevejsreguleringsventil 17V1).
Bitumenemulsionsanlægget er et kompakt anlæg, hvilket betyder at rørføringerne ikke er
så lange, hvilket medfører en mindre transport dødtid.
Det antages ligeledes på dette grundlag at tidskonstanterne i processen for
brænderkredsen også er større end dødtiden. Som tidligere beskrevet er dødtiden først
rigtig kritisk for reguleringssløjfen, når denne har en dimension der overgår
tidskonstanterne.
u =1
Ti
× edt0
t
ò
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
36
Figur 26 - Flere tidskonstanter i serie; (Eget arkiv, 2014)
5.4.2 Tidskonstanternes påvirkning af processerne
I afsnit 6.3.2 har vi undersøgt tidskonstanterne for temperaturtransmitterne,
varmevekslerne, samt trevejsreguleringsventilerne for brænder- og
bitumenemulsionskredsen. Det fremgår heraf at disse kan tilnærmes til
førsteordensprocesser, hvilket betyder at der i reguleringerne er flere
førsteordensprocesser i serie.
På Figur 26 er der illustreret, hvordan flere tidskonstanter påvirker et systems
responskurve. Det fremgår at ved flere tidskonstanter vil responskurven ændre
karakterstik til en S-formet kurve. Det betyder at ved flere tidskonstanter, mindskes
processens forstærkning – idet denne bliver længere tid om at nå den endelige output-
værdi. Endvidere, vil der grundet tidskonstanter i serie, blive skabt en tilsyneladende
dødtid. Den tilsyneladende dødtid er ikke en reel dødtid, men den bevirker på samme måde
som dødtiden, i en forsinkelse af den viste måling på outputtet, se Figur 25. Afsluttende vis
ses det at når tidskonstanterne kombineres i serie for hele processen, vil de repræsenterer
en højere ordens proces. For at kende dæmpningen på denne højere ordens proces er det
nødvendigt at foretage en trinsvar undersøgelse.
(McMillan, 1994, s. 30), (Altmann, 2005, s. 10), (Lipták B. G., 1995, s. 9-12), (Smuts, 2011)
Figur 25 - Tilsyneladende dødtid og dødtid; (Smuts, s. 38)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
37
6 Procesanalyse og optimering Dette afsnit omhandler en beskrivelse, samt en metode til at finde den statiske og
dynamiske karakteristik, for henholdsvis brænderkredsen og bitumenemulsionskredsen.
Derudover vil der være en beskrivelse af dødbånds påvirkning af processerne, samt
hvordan en undersøgelse udføres for at identificere dødbånd i processerne kan foretages.
6.1 Statisk karakterstik
Vi har i processerne ved brænderkredsen og bitumenemulsionskredsen, to systemer med
udligning. I processen med udligning, vil dette betyde at ved en ændring i indgangssignalet,
vil trevejsreguleringsventilen åbne. Dette giver en ændring af flowet til varmeveksleren,
som medfører en ændring i temperaturen, som vil udligne sig over tid. Da begge systemer
er med udligning, er det muligt at optage en statisk karakterstik, for dem begge for hele
processen. Den statiske karakterstik er den stationære sammenhæng mellem ind- og
udgangssignal.
Ved at kende den statiske karakteristik, kan man finde processens forstærkning inden for
arbejdsområdet. Metoden til at finde den statiske karakteristik bliver gennemgået i afsnit
6.1.1.1.
Figur 27 - System med udligning; (Eget arkiv, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
38
Varmevekslere antages at have en op ad krum
karakterstik, mens
trevejsreguleringsventilerne antages at have
en modsat nedad krumt karakterstik. Derfor
kan det antages at den statiske karakterstik
for brænderkredsen og
bitumenemulsionskredsen er tilnærmet
lineærer, se Figur 28. Dette vil sige at
forstærkningen er tilnærmet lige stor i hele
arbejdsområdet for begge processer, hvilket
gør processerne lettere at regulere på. Hvis
det i praksis viser sig, at dette ikke er tilfældet,
kan der laves en statisk karakterstik for hver enkelt komponent i processerne for at
identificere kilden til ulinearitet. For at få en statisk karakteristik over de enkelte
komponenter, skal der indsættes ekstra måleudstyr i processerne, som vist på Figur 29.
Måleudstyret, som indsættes skal være kalibreret udstyr, ellers vil dette have sin egen
karakteristik, der vil blande sig i den samlede karakteristik.
Figur 29 - Principskitse over anlægget med nye målepunkter; (Eget arkiv, 2014)
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Figur 28 - Ideel statisk karakteristik over processen; (Eget arkiv, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
39
Figur 29 viser en principskitse, hvor de ekstra målepunkter er indtegnet. Fremgangsmåden
for at lave de statiske karakteristikker for de enkelte komponenterne, er den samme
fremgangsmåde som for den samlede proces, der bliver gennemgået i afsnit 6.1.1.1 For at
optage den statiske karakteristik over trevejsreguleringsventilen 3V4, er der indsat et
flowmeter FT1 lige efter ventilen. Karakteristikken optages ved at ændre på styresignalet
for trevejsreguleringsventil 3V4, og procesvariablen måles på det indsatte flowmeter FT1.
Den statiske karakteristik kan for varmeveksler 1 optages ved, at trevejsregulerings-
ventilen 3V4 åbnes 100% for gennemløb til varmeveksleren. Der ændres på styresignalet
for cirkulationspumpen i brænderen, og procesvariablen måles på den indsatte
temperaturtransmitter TT1 lige efter varmeveksleren. I bitumenemulsionskredsen optages
den statiske karakteristik for trevejsreguleringsventilen 17V1 ved at ændre på styresignet
for ventilen 17V1. Procesvariablen bliver målt på det indsatte flowmeter FT2, lige efter
trevejsreguleringsventilen 17V1. Den statiske karakteristik for varmeveksler 2 optages
ved, at trevejsreguleringsventilen 17V1 åbnes 100% for gennemløb til varmeveksleren.
Der ændres på styresignalet for vandpumpe P3. Procesvariablen bliver her målt på den
indsatte temperaturtransmitter TT2, lige efter varmeveksleren.
Figur 30 og Figur 31 viser den antaget statiske karakteristik for trevejsregulerings-
ventilerne og varmevekslerne.
Figur 30 - Statisk karakteristik varmevekslere; (Eget arkiv, 2014)
Figur 31 - Statisk karakteristik ventiler; (Eget arkiv, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
40
6.1.1 Optagelse af den statisk karakteristik
Dette afsnit beskriver, hvorledes den statiske karakterstik for processen optages i praksis.
Den statiske karakterstik optages for processen ved varmeveksler 1 og 2.
6.1.1.1 Statisk karakteristik ved brænderkredsen
Figur 32 - Principskitse brænderkreds; (Eget arkiv, 2014)
Den statiske karakteristik for varmeveksler 1, findes ved at ændre styresignalet til
trevejsreguleringsventil 3V4 og måle på procesvariablen ved temperaturtransmitter 3B2.
For at få en brugbar karakteristik, er det vigtigt at processen er i normal belastning.
Regulatoren opstilles til åben sløjfe ved at sætte den manuel.
Figur 33 - Blokdiagram over åbnesløjfe; (Eget arkiv, 2014)
Den statisk kurve optegnes over indgangssignalet u og udgangssignalet PV
Sort Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
41
Indgangssignalet u ændres som vist på
Figur 34, og når PV er faldet til ro, noteres dette punkt. (For det mest præcise punkt,
bruges gennemsnitsværdien over den loggede PV på operatørpanelet.)
Proceduren forsættes fra 0 - 100% af styresignal u.
Styresignal, u [mA] 4 6 8 10 12 14 16 18 20
PV [°C] Figur 34 - Tabel til opsamlede data; (Eget arkiv, 2014)
Når dataene for processen er optaget kan den statiske kurve fremstilles. For at fremstille
kurven på Figur 35, skal begge akser omregnes til procent.
Figur 35 - koordinatsystem til at indsætte opsamlede data; (Eget arkiv, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
42
6.1.1.2 Statisk karakteristik ved bitumenemulsionskredsen
Figur 36 - Principskitse over anlægget; (Eget arkiv, 2014)
Ved processen for varmeveksler 2, findes den statiske karakteristik efter samme
fremgangsmåde som gennemgået i afsnit 6.1.1.1 for varmeveksler 1. Dog skal
trevejsreguleringsventil 3V4 være lukket af, således at der ikke tilføres varmt vand til
varmeveksler 1.
Den statiske karakterstik optages for varmeveksler 2, ved at ændre styresignalet til
trevejsreguleringsventil 17V1 fra 0 til 100% og procesvariablen måles ved
temperaturtransmitter 3B2, som vist på Figur 36.
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
43
6.2 Dynamisk karakterstik
Den dynamiske karakterstik er en analyse der klarlægger, hvordan systemet opfører sig,
når der sker ændringer i regulatorens output. Den dynamiske karakterstik optages ved at
sætte regulatoren i manuel.
Da en regulator skal indstilles i overensstemmelse med det dynamiske svar, fra den proces
den regulerer, kan den dynamiske karakterstik derfor anvendes til at finde værdierne, der
er nødvendige for at komme med en begrundet vurdering til indstillingen af
regulatorparametrene. Dette gøres ved at lave en trinændring, hvorpå regulatorens output
og procesvariabel måles, og plottes som trend-kurver.
Ved hjælp af den dynamiske karakteristik kan følgende parametre findes:
Procestypen
Procesforstærkningen [gp]
Dødtid [td]
Tidsforsinkelse eller tidskonstant [τ]
Procestypen
Efter trend-kurven for regulatorens output og procesvariablen er plottet, kan procestypen
aflæses til at være en selv-regulerende proces, integrerende proces eller en runaway
proces. Som tidligere nævnt, vil processen for henholdsvis varmeveksler 1 og 2 være selv-
regulerende processer, også kaldet en proces med udligning.
Figur 37 - Procestyper; (Smuts, 2011, s. 28)
Procesforstærkningen
Procesforstærkningen beskriver, hvor meget procesvariablen ændre sig, ved en given
ændring af regulatorens output. Procesforstærkningen findes på trend-kurven ved at dele
den totale ændring af procesvariablen i procent, med ændringen af regulatorens output i
procent.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
44
Dødtiden Dødtiden kan måles på trend-kurven, som tiden til, hvor ændringen i regulatorens output
og procesvariablen bliver mærkbar. For at tilnærme slutpunktet af dødtiden, skal punktet
på procesvariablen findes, hvor kurven begynder at falde, i stedet for at stige. Når dette
punkt er fundet, tegnes der er en tangent der skærer dette punkt, og den originale værdi af
procesvariablen før trinændringen, se Figur 38. Dødtiden kan nu måles som begyndelsen
af regulatorens outputændring til skæringspunktet mellem tangenten og procesvariablen.
Figur 38 - Måling af dødtid vha. dynamisk karakteristik; (Smuts, 2011, s. 39)
Tidskonstant Tidskonstanten måles som den tid det tager procesvariablen at nå 63,2% af dennes
endelige værdi, efter endt dødtid. For at beregne tidskonstanten, måles først den totale
ændring af procesvariablen, fra trinændringen til procesvariablen er faldet til ro.
Derefter beregnes værdien for procesvariablen ved 63,2% af dennes endelige værdi.
Værdien hvorpå procesvariablen har opnået 63,2% af sin slutværdi indtegnes på trend-
kurven, som vist på Figur 40. Tiden mellem endt dødtid og punktet for PV63,2% kan nu
aflæses som tidskonstanten.
Figur 39 - Måling af tidskonstant dynamisk karakterstik; (Smuts, 2011, s. 42)
DPV = PVNy - PVOriginal
PV63,2% = PVOriginal + (0,632 ×PVNy)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
45
6.2.1 Undersøgelse af dødbånd
En reguleringsventil med dødbånd erigerer som om at der er slør mellem regulatorens
output, og selve ventilen. Dødbånd reducerer effektiviteten hvormed regulatoren udligner
en afvigelse. Hvis der er dødbånd, skal regulatorens output signal først igennem dette, før
at en reel ændring af ventilstillingen forekommer. Dødbånd kan derfor medfører
forsinkelser.
Før den dynamiske karakterstik udføres, bør der laves en test for at undersøge om der er
dødbånd i trevejsreguleringsventil 3V4 og 17V1.
For at undersøge om der er dødbånd, sættes regulatoren i åbensløjfe, og en trend-kurve
logges over procesvariablen samt regulatorens output. Der laves en trinsvarsændring i
regulatorens output på 3%. Hvis procesvariablen ikke reagerer på trinsvarændringen, øges
denne indtil en ændring i procesvariablen ses. Herefter foretages der igen en
trinsvarændring på 3% (eller summen af størrelsen fra forrige trinsvarsændring -
nødvendig for at få en reaktion af procesvariablen), i samme retning som den første
ændring, se Figur 40. Afsluttende vis laves der en trinændring af samme størrelse som de
forrige ændringer, men i modsat retning. Hvis procesvariablen forløber som illustreret på
Figur 40, er der dødbånd.
Hvis der ved hjælp af ovenstående test findes ud af at der er dødbånd, skal
reguleringsventilen repareres inden at reguleringen kan fungere optimalt. Hvis der efter
ovenstående test viser sig at være dødbånd, kan den dynamiske karakterstik dog stadig
foretages. Inden karakterstik optages, skal der blot sørges for at man manuelt har fået
reguleringsventilen ud af dødbåndet ved hjælp af små ændringer i regulatorens output,
indtil en reaktion i procesvariablen ses. En reparation er ventilen er dog stadig påkrævet.
(Smuts, 2011, s. 187-193)
Figur 40 - Undersøgelse af dødbånd; (Smuts, 2011, s. 188)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
46
6.2.2 Optagelse af dynamisk karakterstik
Dette afsnit beskriver, hvorledes den dynamiske karakterstik for processen optages i
praksis. Den dynamiske karakterstik optages for processen ved varmeveksler 1 og 2.
6.2.2.1 Dynamisk karakteristik brænderkreds
Figur 41 - Trinsvar og procesvariabel varmeveksler 1; (Eget arkiv, 2014)
Den dynamiske karakterstik skal optages for processen ved normalbelastning.
Der logges en trend-kurve for regulatorens outputsignal, samt procesvariablen over tid, se
Figur 41. Trend-displayet skal være i reel tid, således at processens respons løbende kan
følges. Operatørpanelet for bitumenemulsionsanlægget kan benyttes til at logge, og se
trend-kurven.
Regulatoren sættes i manuel - således det er muligt at udfører en trinændring af
regulatorens output, uden at regulatoren automatisk prøver at udligne afvigelsen.
Figur 42 - Blokdiagram åben sløjfe; (Eget arkiv, 2014)
Den dynamiske karakterstik optages ved processens arbejdsområde, som for
bitumenemulsionsanlægget er mellem 10 - 20 tons/t.
Når processen er i arbejdsområdet, og det ses på trend-kurven for processen, at
procesvariablen er stabil, kan der udføres en trinændring.
Sort Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
47
Der foretages en ændring i regulatorens output på 5%.
o Kontroller at ændringen i outputtet forårsager en ændring i procesvariablen.
Hvis ikke en ændring af procesvariablen ses, øges ændringen i outputtet
indtil en ændring kan ses.
Vent til procesvariablen igen er blevet stabil.
Den dynamiske karakterstik er nu optaget.
Gentag processen for optagelsen af den dynamiske karakterstik således, at der kan
beregnes en gennemsnitsværdi for henholdsvis: Procesforstærkningen [gp],
dødtiden [td], samt tidskonstanten [τ]
6.2.2.2 Dynamisk karakteristik ved bitumenemulsionskreds
Figur 43 - Trinsvar og procesvariabel varmeveksler 2; (Eget arkiv, 2014)
Den dynamiske karakterstik optages for
bitumenemulsionskredsen, efter samme fremgangsmåde som for brænderkredsen. Dog
skal trevejsreguleringsventil 3V4 være lukket af, således at der ikke tilføres varmt vand til
varmeveksler 1, når den dynamiske karakterstik for varmeveksler 2 optages. Hvis ikke
trevejsreguleringsventil 3V4 er lukket, er der mulighed for at procesvariablen ikke kan
falde til ro, idet der kan blive tilført varme til procesvandet fra brænderkredsen.
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
48
6.3 Ziegler-Nichols åbensløjfe metode
Dette afsnit omhandler en beskrivelse af Ziegler-Nichols åbensløjfe metode for selv-
regulerende systemer. For at indstille regulatorparametrene benyttes
gennemsnitsværdierne beregnet for procesforstærkningen, dødtiden samt tidskonstanten
fundet ved hjælp af den dynamiske karakterstik, se afsnit 6.2.2.
Vi foreslår at benytte Ziegler-Nichols åbensløjfe metoden til indstilling af regulatorernes
parametre da denne metode egner sig godt til processer domineret af tidsforsinkelse i
henhold til dødtid. Grunden til at metoden egner sig godt til processer domineret af
tidsforsinkelser er at regulatorens integraletid sættes proportional til processens dødtid,
hvilket betyder at ved længere dødtider, jo langsommere vil integraletiden være. Ved en
proces domineret af dødtid, vil integralet reaktionsevne derfor blive for langsom – og
regulatorens evne til at udligne en afvigelse mindskes.
6.3.1 Indstilling af regulatorens parametre
Eftersom der i processen for varmeveksler 1 og varmeveksler 2 benyttes PI-regulering til
at regulerer henholdsvis trevejsreguleringsventil 3V4 og 17V1, vil nedenstående omhandle
indstillinger af parametrene for en PI-regulator.
Åbensløjfe metoden benytter en stabilitetsmargin [SM] med værdien 1 – 4.
Stabilitetsmarginen beskriver sløjfens stabilitet i henhold til et kvart-amplitude svar. Ved
et kvart-amplitude svar er der et stort oversving af sætpunktet, med efterfølgende
svingninger før procesvariablen stabiliseres, se Figur 45. Ved at øge stabilitetsmarginen
gives mindre og langsommere ændringer i regulatorens output. Ved at øge SM betyder det
også at regulatoren bliver langsommere til at reagerer på forstyrrelser i processen, se Figur
44.
Der skal vælges en passende stabilitetsmargin for processerne.
Figur 45 - Stabilitetsmargin virkning svingninger; (Smuts, 2011, s. 133)
Figur 44 - Stabilitetsmargin forstyrrelse i processen; (Smuts, 2011, s. 133)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
49
SM1) Stabilitetsmargin 1 svarer til et kvart-amplitude svar og sløjfen er derfor ikke
særlig stabil, og der kan forventes oversving, svingninger og lav robusthed for
sløjfen.
SM2) Ved stabilitetsmargin 2 er sløjfen omkring to gange så stabil som ved SM1. Dette er
normalt tilstrækkelig til at dæmpe svingninger og øge robustheden for sløjfen,
uden det går for meget ud over hastigheden.
SM4) Stabilitetsmargin 4 giver normalt en robustsløjfe med en langsom hastighed.
Vi vil for processen ved varmeveksler 1 og 2 anbefale en stabilitetsmargin på 2, eftersom
der antages, at der på denne måde ikke opstår for store oversving af sætpunktet, uden der
ofres for meget af regulatorens hastighed, med hensyn til udligning af forstyrrelser.
Gennemsnitsværdierne fundet ved hjælp af den dynamiske karakterstik for henholdsvis
procesforstærkningen, dødtiden samt tidskonstanten, indsættes i nedenstående formler,
for at få en tilnærmet indstilling af regulatorens forstærkning og integraletid.
Forstærkning KP
Integraletiden Ti
Ved at benytte åbensløjfe metoden er der opnået et godt grundlag for regulatorernes
parametre. De fundne parametre skal efterindstilles, således at de bliver tilpasset til
reguleringen ved varmeveksler 1 og 2.
Efter parametrene er efterindstillet anbefales det, at når anlægget er i lukket sløjfe, at lave
nogle sætpunktsændringer for at kontrollere om processerne reagerer efter tilsigtet
virkemåde.
KP =0,9
SM ×gp
×t
td
æ
èçö
ø÷
Ti = 3,33×td
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
50
6.4 Afprøvning efter eventuel ændringer
Efter eventuelle ændringer af bitumenemulsionsanlæggets reguleringer, anbefales der at
der udføres en Site Acceptance Test (SAT) i henhold til DS/EN 62381:2012 –
Automationssystemer i procesindustrien.
Dette gøres for at sikre at bitumenemulsionsanlægget stadig er i overensstemmelse med
Arbejdsmiljøloven LBK nr. 1072 07/09/2010 samt BEK nr. 1109 15/12/1992
bekendtgørelse om anvendelse af tekniske hjælpemidler. BEK 1109 §6 beskriver at et
teknisk hjælpemiddel kun må anvendes hvis det er i overensstemmelse med
specifikationerne i den tekniske dokumentation.
SAT testen udføreres for at kontrollerer at det automatiske system er i overensstemmelse
med udbudsspecifikationerne.
DS/EN 62381 indeholder en vejledende procedurer for Factory Acceptance Test (FAT) og
SAT. De enkelte procedurer er vejledende, og skal derfor tilpasses til det enkelte anlæg.
Endvidere indeholder DS/EN 62381 skemaer samt tjeklister, som med fordel kan benyttes
når FAT og SAT udføres.
FAT udføres hos fabrikanten efter endt konstruktion af anlægget, hvor anlæggets tilsigtede
virkemåde afprøves inden anlægget leveres til kunden.
Der vil derfor efter en eventuel ændring i reguleringen kun skulle foretages SAT, for at
sikre at bitumenemulsionsanlægget er i overensstemmelse med kravspecifikationerne og
den tekniske dokumentation. Se afsnit 6.4.1 for eksempel af tjekskema til SAT fra DS/EN
62381 Anneks B.
(Dansk Standard, 2012)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
51
6.4.1 SAT tjekliste
Beskrivelse Test resultat Bemærkninger
1 Kontroller anlæggets dokumentation
stemmer overens □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
2 Kontroller hardware □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
Kontroller software
3 (korrekt software version) □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
4 Mekanisk inspektion
Kontroller jordforbindelsen □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
Kontroller Strømforsyningen er
korrekt tilsluttet □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
Kontroller Netværksforbindelsen fungere □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
5 Opstart/diagnostisk kontrol
Tænd strømmen for relevante hardware
komponenter □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
Start alle relevante hardware komponenter
og udfør en diagnostisk kontrol □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
6 Download software □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
7 SAT certifikat er gennemført □ godkendt □ mislykket □ ikke anvendelig
Underskrift: __________________________________ dato: ___________________-________________
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
52
Figur 46 - Blokdiagram dosis-pause regulering; (Heilmann, 2009, s. 63)
7 Forslag til reguleringsmetoder Dette afsnit omhandler forskellige reguleringsmetoder, der kunne være mulige at arbejde
videre med, med henblik på at optimere reguleringerne i bitumenemulsionsanlægget.
7.1 Dosis-pause regulering
Ud fra analysen i afsnit 5.1 ses det, at de to reguleringer i processen ikke kan køre i
automatisk drift, da de to reguleringer modarbejder hinanden. Ligeledes ses det i afsnit
5.4.1 at vi har langsomme processer med stor dødtid. For at eliminere de to
problemstillinger, kunne det være muligt at anvende dosis-pause regulering på
brænderkredsen.
7.1.1 Teoretisk gennemgang af dosis-pause reguleringens virkemåde
Dosis-pause reguleringen er en on-off reguleringsform, der blandt andet egner sig til
dosering af væske med det formål at opnå og fastholde en balance som f.eks. temperatur.
Endvidere er dosis-pause reguleringen god til at modvirke dødtider i processer. Da dosis-
pause er en on-off reguleringen benyttes der ikke reguleringsventiler, men i stedet
magnetventiler. Reguleringen består af to timere, henholdsvis en dosis- og pause samt en
AND logikblok programmeret i PLC’en. Når den ene timers indstillede tid udløber, vil den
anden timer aktiveres. Timerene starter derfor gensidigt hinanden, og skiftes til at køre.
Det fremgår af Figur 46, at procesvariablen vurderes i grænsekontakten. Der indstilles en
værdi mellem 4-20mA som fungerer som regulatorens sætpunkt. Grænsekontakten vil lave
et skift i udgangssignalet b, fra 0-1 afhængigt af procesvariablens værdi. Når b = 1 vil der
være behov for dosering. Grundet logikblokken AND, vil udgangsrelæet kun være aktivt,
hvis både a og b = 1, hvilket betyder at der er behov for dosering samt dosetiden er i gang.
(Heilmann, 2009, s. 62-65)
Figur 47 - Sætpunkt for dosis-pause; (Heilmann, 2009, s. 63)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
53
7.1.2 Tilsigtet virkemåde for processen
I det følgende forslag vil trevejsreguleringsventil 3V4 udskiftes med en magnetventil, som
styres af temperaturtransmitter 3B2, efter en dosis-pause regulering. Sætpunktet for
procesvandet vil forsat være 50°C. Trevejsreguleringsventil 17V1 vil være en PI-regulering,
som ligeledes styres af temperaturtransmitter 3B2. Parametrene for PI-reguleringen kan
indstilles efter afsnit 6.3.1. Formålet med reguleringen er også at holde procesvandets
temperatur på 50°C.
Under opstart af bitumenemulsionsanlægget, vil brænderkredsen alene stå for
opvarmningen af procesvandet, gennem varmeveksler 1. Senere i processen skal
opvarmningen af procesvandet, ske vha. PI-reguleringen gennem varmeveksler 2.
Brænderkredsen benyttes nu til at tilføre ekstra varme til procesvandet, hvis procesvandet
ikke opvarmes tilstrækkeligt gennem varmeveksler 2.
Figur 48 – Principskitse dosis-pause regulering; (Eget arkiv, 2014)
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
54
Sætpunktet for dosis-pause reguleringen indstilles som tidligere nævnt på 50°C. Hvis
temperaturen ved temperaturtransmitter 3B2, er under 50°C og timeren for dosering er
aktiv, vil magnetventil 3V4 aktiveres, og der tilføres varmt vand til varmeveksler 1.
Af Figur 50 fremgår regulerings dosis og pause tider. Endvidere fremgår det af Figur 50, at
hvis der ikke er behov for dosering, vil reguleringen springe doseringerne over, indtil
temperaturen igen er under sætpunktet. Størrelsen af doserne indstilles således at cirka
halvdelen af doserne, kan opveje det normale behov for tilførsel af varmt vand til
varmeveksler 1.
Hvis dosis tiden er indstillet for højt eller for lavt, kan der opstå et off-set fra sætpunktet.
For at hjælpe med at indstille tiden for doseringerne kan der i PLC programmet indsættes
to tællere, en der tæller hvor mange doser der bliver udført, samt en der tæller hvor mange
der bliver sprunget over. Hvis der bliver tilført mange flere doser end der bliver sprunget
over, antages det at dosistiden skal sættes op.
Figur 49 - Dosis-pause tider; (Eget arkiv, 2014)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
55
7.2 Feedforward-regulering Ud fra analysen i afsnit 5.4.1 ses det, at vi har en langsom proces præget af dødtid. For at
minimerer dødtidens indflydelse på reguleringssløjfen, kunne det være muligt at anvende
feedforward-regulering i processen.
7.2.1 Teoretisk gennemgang af feedforward-reguleringens virkemåde
Feedforward-regulering giver muligheden for at begrænse virkningen af forstyrrelser, eller
belastningsændringer i en reguleringssløjfe. I en reguleringssløjfe uden feedforward, vil en
forstyrrelse i processen først blive konstateret, efter den har haft sin skadelige virkning på
processen, og er blevet rapporteret tilbage af et feedbacksignal til regulatoren.
Ved at kombinere en normal reguleringssløjfe med
feedback signal og en feedforward-regulering, er det
muligt at kompensere for forstyrrelser allerede inden de
er blevet konstateret ved måling. Dette gøres ved at
feedforward signalet ”FF”, måler på processens
belastning eller forstyrrelse og derefter giver en
passende forstærkning i form af et udgangssignal UF til
regulatoren. Feedforward signalet kan tages fra
forskellige steder, afhængig af hvilke belastninger eller forstyrrelser, der ønskes at
reguleringen skal reagerer hurtigt over for. Resultatet vil være, at reguleringssløjfen griber
hurtigere ind og fjerner afvigelserne hurtigere end en reguleringssløjfe uden feedforward.
7.2.2 Tilsigtet virkemåde for processen
Figur 51, viser det nye PI-diagram for feedforward-reguleringen. Brænderkredsen vil i
dette forslag få sit tilbagesignal fra temperaturtransmitter TT1 i stedet for 3B2. TT1 vil
blive monteret på strengen for procesvandet lige efter varmeveksleren, som vist på Figur
51. Dette er gjort for at eliminere noget af dødtidens påvirkning i reguleringen, og vil give
en hurtigere regulering. Det vil stadig være en PI-regulering der styrer
trevejsreguleringsventilen 3V4. Ligeledes vil det stadig være brænderkredsens opgave at
opvarme procesvandet til det ønskede sætpunkt på 50°C under opstart af produktionen.
Når bitumenemulsionen begynder at producere, skal brænderkredsen lukke af, og
opvarmningen af procesvandet skal derefter primært forgå gennem varmeveksler 2.
Figur 50 - Principskitse, feedforward; (Heilmann, 2009, s. 285)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
56
For at bitumenemulsionskredsen kan nå at reagere på, at procesvandet ikke har den rigtige
temperatur, vil der blive brugt en feedforward-regulering til at styre
trevejsreguleringsventil 17V1. Trevejsreguleringsventil 17V1 vil få sit feedforward signal
fra temperaturtransmitter TT1 og sit feedback signal fra temperaturtransmitter 3B2.
Temperatur transmitter 1B2, vil blive brugt til at overvåge udgangstemperaturen på
bitumenemulsionen.
Figur 51 - Principskitse over Feedforward-regulering; (Eget arkiv, 2014)
Grøn
Rød
Blå
Sort
Bitumen
Bitumenemulsion 1
Bitumenemulsion 2
Procesvand
Orange Varmt vand
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
57
8 Konklusion Der kan på baggrund af afsnit 4.2 konkluderes at det ikke er muligt at opnå en regulering
uden svingninger i brænderkredsen med den eksisterende brænder. Dette skyldes at
denne er en termostatregulering, og derfor vil der altid forekomme svingninger omkring
dennes sætpunkt, med en given amplitude afhængig af den indstillede neutralzone.
Endvidere kan der konkluderes, at ved indstillingen af bitumenemulsionsanlægget, som det
er på nuværende tidspunkt med trevejsreguleringsventil 17V1 i manuel vil reguleringen
være på grænsen til ustabilitet. Dette skyldes at når temperaturen på procesvandet falder
under 50°C, vil trevejsreguleringsventil 3V4 åbne, hvormed der bliver tilført energi til
varmeveksler 1, der medfører et overshoot af procesvandets sætpunkt og
trevejsreguleringsventil 3V4 lukkes. Dette gentages hver gang procesvandets temperatur
kommer under sætpunktet. Endvidere kan der ud fra afsnit 5.1 konkluderes, at hvis
trevejsreguleringsventil 17V1 sættes i auto, med den nuværende opsætning, vil dette ikke
lade sig gøre, eftersom der reguleres efter to forskellige strenge. Dette bevirker derfor at
reguleringerne for henholdsvis brænderkredsen og procesvandet i
bitumenemulsionsanlægget modvirker hinanden, og fungerer derfor ikke optimalt.
På baggrund af antagelserne i afsnit 5.3 og 5.4.1 har vi identificeret kilderne til dødtider og
tidskonstanter, og det antages at tidskonstanterne er dominerende i forhold til dødtiden i
processerne, hvilket betyder, at dødtiden ikke er kritisk for processerne.
Derudover kan der konkluderes, at hvis målingerne beskrevet i afsnit 6 udføres, vil alle
nødvendige data være tilgængelige for at arbejde videre med problemstillingen, med
henblik på optimering af bitumenemulsionsanlægget. Ved at udfører den statiske
karakterstik for processerne, er det ligeledes muligt at finde eventuelle kilder til
ulinearitet.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
58
8.1 Perspektivering
Under udarbejdelse af dette projekt er der nogle områder der har vakt interesse, som i
mere eller mindre omfang, ikke er blevet behandlet i projektet. Det følgende afsnit vil
derfor kort belyse disse emner.
Med henblik på at få en mere stabil proces for opvarmningen af vandet i brænderkredsen,
foreslår vi at der benyttes en anden type brænder. Der kunne med fordel benyttes en
trinløs brænder, for at undgå svingninger omkring sætpunktet, som en termostatregulering
giver.
Eftersom der i bitumenemulsionsanlægget er tale om en proces der arbejder med transport
af væsker, vil det være hensigtsmæssigt at placere måleudstyret umildbart efter
bearbejdningsprocesserne. Dette gøres med henblik på at reducerer transporten af væsken
til målepunktet.
Ligeledes vil vi sætte større fokus på reguleringen for opvarmningen af procesvandet,
således at det sikres at det har den nødvendige temperaturen for at emulgerer med
tilsætningsstofferne. Reguleringen for køling af bitumenemulsionen, finder vi ikke så
væsentlig da der er mulighed for at koble ekstern køling på denne kreds, hvis dette findes
nødvendigt.
For at finde den optimale reguleringsmetode til opvarmning af procesvandet, ville det være
nødvendigt at afprøve nogle forskellige reguleringsmetoder. Dette kunne eventuelt gøres
ved hjælp af simulering i f.eks. mathlab, såfremt at det er muligt at definerer alle relevante
parametre for processen. På den måde vil man kunne afprøve forskellige
reguleringsmetoder, uden at det ville få konsekvenser for bitumenemulsionsproduktionen.
Simuleringen af processen kunne eventuelt udføres af et eksternt firma, med de rette
kompetencer, således at simuleringen ville være så præcis som mulig.
Bitumenemulsionsanlægget kan producerer alle kendte typer bitumenemulsion, hvilket
betyder at komponenterne er overdimensioneret. Vi har erfaret at de fleste ENH kunder
kun producerer kationisk bitumenemulsion. Det kunne derfor være en fordel ved
dimensionering af anlægget, at lave kravspecifikationen til anlægget i samarbejde med
kunderne, og tilpasse komponenterne samt reguleringsprocesserne til det givne anlæg.
Dette ville formentlig kunne give en besparelse i indkøb af komponenter, samt et mere
stabilt anlæg. Derudover vil det være en fordel, at ved konstruktion af et nyt
bitumenemulsionsanlæg at sikre sig alle relevante målepunkter for analyser af processerne
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
59
er tilgængelige. Der kan på denne måde, altid fortages analyser med henblik på optimering
af bitumenemulsionsanlæggets reguleringer.
8.2 Efterskrift
Under udarbejdelsen af dette projekt, har vi opnået en større forståelse for hvilke
parametre der påvirker en regulering. Endvidere har vi under arbejdet opdaget, at hvad
der ved første øjekast virker som en simpel proces, kan blive meget kompliceret, grundet
de mange faktorer der påvirker processen. Herunder at definerer procestypen, dødtider og
tidskonstanters, samt hvilken reguleringsmetode der vil være hensigtsmæssig for
processen.
Vi har ligeledes fået større indsigt i hvordan en reguleringsproces skal analyseres for at
finde dennes statiske og dynamiske egenskaber, og hvad disse data kan benyttes i praksis.
Det ville have givet os endnu større indsigt i anlægget, hvis det havde været muligt at
foretage reelle målinger på anlægget i Gotha, Tyskland.
Ved at arbejde to sammen, har det givet os mulighed for at sparre med hinanden og trække
på hinandens viden og kompetencer. Vi syntes at det har været en stor fordel at have to
synspunkter på problemstillingen, da man som enemand ofte kan se sig blind på en
problemstilling.
En af udfordringerne i projektet har været at afgrænse emnet, samt at holde den røde tråd
gennem hele projektet. Vi har derfor haft løbende sparring med vores vejleder Niels Ole
Birkelund, for at hjælpe med at holde den røde tråd.
Projektet har været udfordrende, da det er en kompliceret proces, som skal formildes på en
simpel og overskuelig måde, således læseren også kan opnå en forståelse for anlægget. På
trods af mange udfordringer gennem hele projektet, har projektet dog været spændende og
lærerigt.
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
60
9 Bibliografi All-Biz Ltd . (14. November 2014). http://www.in.all.biz/. Hentet fra international
centre of E-commerce: http://www.in.all.biz/img/in/catalog/11603.jpeg Altmann, W. (2005). Process Control for Engineers and Technicians (1. Udgave udg.).
Pondicherry: IDC Technologies. Baumer. (u.d.). Baumer. Hentet 11. 11 2014 fra www.baumer.com:
http://www.baumer.com/fileadmin/user_upload/international/Services/Download/Datenblaetter/PI/B1_Electronic_Temperature/Baumer_TCR6_DS_EN_1408.pdf
BP. (u.d.). BP. Hentet 11. November 2014 fra www.bp.com: http://www.bp.com/content/dam/bp-country/en_au/products-services/bp-bitumen/all-pages/Bitumen-emulsions.pdf
Casper Bendix Sørensen, P. V. (29. Oktober 2014). Eget arkiv. Aarhus. Dansk Standard. (2012). DS/EN 62381 : Automationssystemer i processindustrien.
Dansk Standard. Dybdal, M. (13. Oktober 2004). Emu. Hentet 11. November 2014 fra www.emu.dk:
http://materialeplatform.emu.dk/materialer/public_downloadfile.do?mat=140366&id=22563566
Enh Engineering a/s. (u.d.). Svenstrup , Nordjylland, Danmark. Enh.dk. (u.d.). Hentet fra Enh: http://enh.dk/Emulsion%20plant%2010-
12%20th%2040%20ft..pdf Enhchina.com. (23. November 2011). Hentet fra Enhchina:
http://www.enhchina.com/en/product/2011051628.html Enhchina.com. (23. November 2011). Hentet fra enhchina:
http://www.enhchina.com/en/product/asphalt/ Enhchina.com. (23. November 2011). Hentet fra Enhchina:
http://www.enhchina.com/en/product/2011112354.html Heilmann, T. (2009). Praktisk regulering og instrumentering (6. Udgave, 1. Oplag
udg.). Assens: Heilmanns Forlag. Horn, L. (2000). Reguleringsteknik (1. udgave udg.). København: Teknisk Forlag. ISA. (u.d.). ISA. Hentet 13. November 2014 fra www.isa.org:
https://www.google.dk/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&uact=8&ved=0CDgQFjAD&url=https%3A%2F%2Fwww.isa.org%2Fpdfs%2Fcontrol-valve-primer-4th-edition-chapter1%2F&ei=GmdkVNrWFovfywODkIHABw&usg=AFQjCNG1KZQgg95mJDSy-IVBcFeqAH1CfQ&sig2=iZndF_9c53CABAsoESEZ7Q&bvm=bv.79189006,d.bGQ
Korsgaard, M. (April 2011). Dansk vejtidsskrift. Hentet 13. November 2014 fra www.asp.vejtid.dk: http://asp.vejtid.dk/Artikler/2011/04%5C6004.pdf
Lipták, B. G. (1995). Instrument Engineers' Handbook - Process Control. Radnor: Chilton Book Company.
Lipták, B. G. (1995). Instrument Engineers' Handbook - Process Control (4. Udgave udg., Årg. 2). Radnor: Chilton Book Company.
McMillan, G. K. (1994). Tuning and Control Loop Performance (3. Udgave udg.). The Instrument Society of America.
Salomon, D. R. (08 2006). onlinepubs. Hentet 11. 11 2014 fra www.onlinepubs.trb.org: http://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/circulars/ec102.pdf
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
61
Samson. (u.d.). Samson-reg. Hentet 13. November 2014 fra www.samson-reg.dk: http://www.samson.de/pdf_in/t83850da.pdf
Smuts, J. F. (2011). Process Control for Practitioners. OptiControls Inc. Hentet 24. 11 2014
Wasco. (14. November 2014). http://www.wasco.co.id/eng/. Hentet fra Wasco: http://wasco.co.id/wp-content/uploads/2012/02/Bitumen-Emulsion1.jpg
Weishaupt. (2001). Installation and operating instructions. Weishaupt oil burners. Weishaupt. (2013). Weishaupt produkt . Digital Oliefyringsteknik, 12. Weishaupt. (u.d.). Weishaupt. Hentet 14. November 2014 fra www.weishaupt.dk:
http://www.weishaupt.dk/@@download-file?uid=76a2de4cb7254c14b090ec754241dd18
Aage B. Eriksen, S. G. (2007). Termodynamik - Teoretisk grundlag, praktisk anvendelse . København: Nyt Teknisk Forlag.
Aarhus Maskinmesterskole. (02. 02 2014). campus.aams.dk. Hentet 21. 10 2014 fra Kvalitetssystem: https://doc-00-2o-docs.googleusercontent.com/docs/securesc/tmha6c9ka0omvtegldiahfgprrtj46d8/34f49a1v3d0i03v1j2atnhm5ifvujmn4/1413878400000/03645976655556813222/07711986907628330214/0B-gGZybDmSdKN0JtRlplU0JVWHc?e=download&h=16653014193614665626&nonce=ps9amlhcf2a08&user=07711986907628330214&hash=9b2mvsqut3arqebqo06j3dt73pa2s27b, https://drive.google.com/a/
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
62
9.1 Illustrations liste
Figur 1 - Bitumen; (All-Biz Ltd , 2014) ......................................................................................................... 9
Figur 2 - Bitumenemulsion; (Wasco, 2014) ............................................................................................. 10
Figur 3 - In-line bitumenemulsionsanlæg; (Enhchina.com, 2011) ................................................. 10
Figur 4 - Principtegning over bitumenemulsionsprocessen; (Eget arkiv, 2014) ...................... 11
Figur 5 – Principskitse brænderkreds på bitumenemulsions anlæg; (Eget arkiv, 2014) ...... 15
Figur 6 - Blokdiagram PI-regulator for brænderkreds; (Eget arkiv, 2014) ................................. 16
Figur 7 - Skematisk funktion WL20 / 2-C, vers. Z; (Weishaupt, 2001) ......................................... 17
Figur 8 - Brænderregulering simpel form (Eget arkiv, 2014)........................................................... 18
Figur 9 - Teoretisk tidsforløb for termostatreguleringen; (Heilmann, 2009, s. 52) ................. 19
Figur 10 - Principskitse bitumenemulsionskreds; (Eget arkiv, 2014) .......................................... 20
Figur 11 - Blokdiagram over bitumenemulsionsreguleringen; (Eget arkiv, 2014) .................. 21
Figur 12 - Principskitse bitumenemulsionsanlæg; (Eget arkiv, 2014) .......................................... 22
Figur 13 - Trend-kurve over Temperaturer; (Eget arkiv, 2014) ..................................................... 23
Figur 14 - Principtegning over bitumenemulsionsanlægget; (Eget arkiv, 2014) ...................... 24
Figur 15 - Princip kurve for 1B2; (Eget arkiv, 2014) ............................................................................ 25
Figur 16 - Princip kurve for 3B2; (Eget arkiv, 2014) ............................................................................ 25
Figur 17 - Trend-kurve over Temperaturer; (Eget arkiv, 2014) ..................................................... 26
Figur 18 - Flytning af styring 17V1 til 3B2; (Eget arkiv, 2014) ........................................................ 27
Figur 19 - Tilsluttet ekstern køling; (Eget arkiv, 2014) ....................................................................... 28
Figur 20 - Termisk karakteristik; (Heilmann, 2009, s. 18)................................................................. 29
Figur 21 - Blokdiagram over dødtider, samt tidskonstanter; (Eget arkiv, 2014) ..................... 30
Figur 22 - Temperaturtransmitter 1B2, 3B2; (Eget arkiv, 2014) .................................................... 31
Figur 23 - Reaktionstid temperaturtransmitter 1B2; (Baumer, u.d.) ............................................ 32
Figur 24 - Bloksymbol 1. ordens system; (Eget arkiv, 2014) ............................................................ 33
Figur 25 - Tilsyneladende dødtid og dødtid; (Smuts, s. 38) ............................................................... 36
Figur 26 - Flere tidskonstanter i serie; (Eget arkiv, 2014) ................................................................. 36
Figur 27 - System med udligning; (Eget arkiv, 2014) .......................................................................... 37
Figur 28 - Ideel statisk karakteristik over processen; (Eget arkiv, 2014) ................................... 38
Figur 29 - Principskitse over anlægget med nye målepunkter; (Eget arkiv, 2014) ................. 38
Figur 30 - Statisk karakteristik varmevekslere; (Eget arkiv, 2014) ............................................... 39
Figur 31 - Statisk karakteristik ventiler; (Eget arkiv, 2014) ............................................................. 39
Figur 32 - Principskitse brænderkreds; (Eget arkiv, 2014) ............................................................... 40
Figur 33 - Blokdiagram over åbnesløjfe; (Eget arkiv, 2014) ............................................................. 40
Figur 34 - Tabel til opsamlede data; (Eget arkiv, 2014) ...................................................................... 41
Figur 35 - koordinatsystem til at indsætte opsamlede data; (Eget arkiv, 2014) ....................... 41
Figur 36 - Principskitse over anlægget; (Eget arkiv, 2014) ............................................................... 42
Figur 37 - Procestyper; (Smuts, 2011, s. 28) ........................................................................................... 43
Figur 38 - Måling af dødtid vha. dynamisk karakteristik; (Smuts, 2011, s. 39) ......................... 44
Figur 39 - Måling af tidskonstant dynamisk karakterstik; (Smuts, 2011, s. 42) ........................ 44
Figur 40 - Undersøgelse af dødbånd; (Smuts, 2011, s. 188) ................................................................ 45
Figur 41 - Trinsvar og procesvariabel varmeveksler 1; (Eget arkiv, 2014) ................................ 46
Figur 42 - Blokdiagram åben sløjfe; (Eget arkiv, 2014) ...................................................................... 46
Figur 43 - Trinsvar og procesvariabel varmeveksler 2; (Eget arkiv, 2014) ................................ 47
Figur 44 - Stabilitetsmargin forstyrrelse i processen; (Smuts, 2011, s. 133) ............................. 48
Figur 45 - Stabilitetsmargin virkning svingninger; (Smuts, 2011, s. 133) ................................... 48
Figur 46 - Blokdiagram dosis-pause regulering; (Heilmann, 2009, s. 63) ................................... 52
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
63
Figur 47 - Sætpunkt for dosis-pause; (Heilmann, 2009, s. 63) ....................................................... 52
Figur 48 – Principskitse dosis-pause regulering; (Eget arkiv, 2014) ............................................. 53 Figur 49 - Dosis-pause tider; (Eget arkiv, 2014) ...................................................................................... 54
Figur 50 - Principskitse, feedforward; (Heilmann, 2009, s. 285) .................................................... 55
Figur 51 - Principskitse over Feedforward-regulering; (Eget arkiv, 2014) ................................ 56
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
64
10 Bilag
10.1 PI-DIAGRAM - BITUMEN
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
65
10.2 PI-DIAGRAM - EMULSION PLANT
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
66
10.3 PI-DIAGRAM - CHEMICAL DOSAGEUNIT
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
67
10.4 PI-DIAGRAM - EMULSION TANKS 5-1-2
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
68
10.5 PI-DIAGRAM - EMULSION TANKS 3-4
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
69
10.6 PI-DIAGRAM - EMULSION DISCHARGE SYSTEM
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
70
10.7 PI-DIAGRAM - SIMPLIFIED EMULSION PLANT
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
71
10.8 TREND-KURVE OVER TEMPERATUR
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
72
10.9 TREND-KURVE OVER FLOW
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
73
10.10 ALFA LAVAL (VARMEVEKSLER 525 kW)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
74
10.11 ALLOY 316 (RUSTFRISTÅL)
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
75
Casper Bendix Sørensen - A11582 Peter Valsted Jørgensen - A11532
76
10.12 VARMEVEKSLER BEREGNING Data varmveksler:
Plade materiale: Alloy 316 (Bilag 10.10)
Plade tykkelse: 0,5 mm (0,0005m) [t] (Bilag 10.10)
Varme areal: 12m2 [A] (Bilag 10.10)
Specifikke varmekapacitet 0,50𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾 [Cpalloy 316] (Bilag 10.11)
Densitetalloy 316 7,99𝑔
𝑐𝑚3 (7990𝑘𝑔
𝑚3) [ρ] (Bilag 10.11)
Data Emulsion:
Flowlav 10𝑡
ℎ (2,78
𝑘𝑔
𝑠) [�̇�] (Enh Engineering a/s)
Flowhøj 20𝑡
ℎ (5,55
𝑘𝑔
𝑠) [�̇�] (Enh Engineering a/s)
Specifikke varmekapacitet 4,02𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾 [cpemu] (Enh Engineering a/s)
Data vand (vandet i emulsionen består af 35%):
Flowlav 2,78𝑘𝑔
𝑠∗ 0,35 = 0,97
𝑘𝑔
𝑠 [�̇�] (Enh Engineering a/s)
Flowhøj 5,55𝑘𝑔
𝑠∗ 0,35 = 1,94
𝑘𝑔
𝑠 [�̇�] (Enh Engineering a/s)
Specifikke varmekapacitet 4,19𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾 [cpvand] (Aage B. Eriksen, 2007, s. 20)
Massen på pladerne i varmeveksleren:
𝑉 = 𝐴 ∗ 𝑡 = 12𝑚2 ∗ 0,0005𝑚 = 0,0006𝑚3
𝑚 = 𝑉 ∗ 𝜌 = 0,0006𝑚3 ∗ 7990𝑘𝑔
𝑚3 [mplader] = 47,94𝑘𝑔
Tidskonstanten Tau [τ] udregnede for begge høj og lav flow:
𝜏𝑙𝑎𝑣 = 𝑘 ∗𝑚𝑝𝑙𝑎𝑑𝑒𝑟∗𝑐𝑝alloy 316
�̇�𝑒𝑚𝑢,𝑙𝑎𝑣∗𝑐𝑝𝑒𝑚𝑢∗�̇�𝑣𝑎𝑛𝑑,𝑙𝑎𝑣∗𝑐𝑝𝑣𝑎𝑛𝑑 = 200 ∗
47,94𝑘𝑔∗0,5𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾
2,78𝑘𝑔
𝑠∗4,19
𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾∗0,97
𝑘𝑔
𝑠∗4,19
𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾
= 𝟏𝟎𝟏, 𝟐𝟔𝒔𝒆𝒌
𝜏ℎø𝑗 = 𝑘 ∗𝑚𝑝𝑙𝑎𝑑𝑒𝑟∗𝑐𝑝alloy 316
�̇�𝑒𝑚𝑢,ℎø𝑗∗𝑐𝑝𝑒𝑚𝑢∗�̇�𝑣𝑎𝑛𝑑,ℎø𝑗∗𝑐𝑝𝑣𝑎𝑛𝑑 = 200 ∗
47,94𝑘𝑔∗0,5𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾
5,55𝑘𝑔
𝑠∗4,19
𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾∗1,94
𝑘𝑔
𝑠∗4,19
𝑘𝐽
𝑘𝑔∗𝐾
= 𝟐𝟓, 𝟑𝟔𝒔𝒆𝒌
Konstant for si enheder = 200 [K] (Lipták B. G., 1995, s. 95)