Deel 2 Procescontrole en Sensoren PDF

Partim 1 : Instrumentele procescontrole Prof. dr. Ir. Mia Eeckhout Dr. Sergej Gusev Opleiding: Master in de biowetenschappen: voedingsindustrie, Master in de industriële wetenschappen: biochemie Academiejaar 2023-2024 PROCESCONTROLE EN -METING IN DOWNSTREAM- PROCESSING Inhoud 1 Inleiding.................................................................................................................................... 5 2 Procesbeheersing: principes en evolutie................................................................................... 6 2.1 Automatische besturing..................................................................................................... 8 2.1.1 Sensoren................................................................................................................... 10 2.1.2 Controllers................................................................................................................ 15 2.2 Computergebaseerde systemen........................................................................................ 18 2.2.1 Programmeerbare logische controllers (PLC's)........................................................ 18 2.2.2 PID-regeling............................................................................................................. 19 2.2.3 Soorten controlesystemen........................................................................................ 28 2.2.4 Geïntegreerde besturingssystemen........................................................................... 30 2.3 Procesbesturingssystemen............................................................................................... 30 2.4 Software ontwikkelingen................................................................................................. 31 2.4.1 Neurale netwerken.................................................................................................... 33 3 Proces meetinstrumenten of sensoren..................................................................................... 36 3.1 Meting van het vloeistofdebiet........................................................................................ 36 3.1.1 Procesmeting............................................................................................................ 37 3.1.2 Meten van energiegebruik........................................................................................ 46 3.2 Bulk Flow meting............................................................................................................ 51 3.2.1 Massaflowmeting op basis van impact..................................................................... 51 3.2.2 Band wegen.............................................................................................................. 53 3.2.3 Doppler ultrasone debietmeters................................................................................ 57 3.2.4 Transittijd ultrasone debietmeter.............................................................................. 58 2 3.3 Niveaumeting en -detectie............................................................................................... 62 3.3.1 Continue niveaumeting............................................................................................ 64 -...................................................................................................................................................... 66 3.3.2 Niveau-schakelaar.................................................................................................... 73 3.3.3 Methoden om niveaucontrole te bereiken................................................................ 74 3.4 Drukmetingen.................................................................................................................. 79 3.4.1 Hoe wordt de druk gemeten?................................................................................... 79 3.5 Temperatuurmeting......................................................................................................... 81 3.5.1 Thermokoppel theorie.............................................................................................. 81 3.5.2 Temperatuurmeting met behulp van Pt- (100) sensor.............................................. 82 3.6 pH-meting........................................................................................................................ 84 3.7 Geleidbaarheidsmeting.................................................................................................... 87 3.7.1 Geleidende sensoren................................................................................................. 88 3.7.2 Inductieve sensoren.................................................................................................. 89 4 Toepassing van instrumentele technieken in gemeenschappelijke perifere diensten in de voedings- en biochemische industrie............................................................................................. 90 4.1 CIP-reiniging ter plaatse / SIP-sterilisatie op zijn plaats................................................. 90 4.2 Stoomgeneratie................................................................................................................ 93 4.2.1 Energiebeheer........................................................................................................... 93 4.3 Koeling............................................................................................................................ 96 4.4 CO2-recovery................................................................................................................... 98 4.5 Drinkwaterbehandeling................................................................................................. 101 5 Voorbeelden van productieprocessen................................................................................... 104 5.1 Zuivelfabriek (Endress+Hauser).................................................................................... 104 5.1.1 Ontvangst van melk................................................................................................ 104 5.1.2 Opslagtanks voor melkontvangst........................................................................... 106 5.1.3 Drukregeling in pijpleidingen................................................................................ 106 5.1.4 Vetafscheiding........................................................................................................ 108 3 5.1.5 Standaardisatie van vet........................................................................................... 108 5.1.6 Homogenisatie........................................................................................................ 109 5.1.7 Pasteurisatie............................................................................................................ 110 5.2 Mouten en brouwen....................................................................................................... 112 5.2.1 Fermentatie............................................................................................................. 114 6 Eindinformatie...................................................................................................................... 115 4 Inleiding 1 Inleiding Natuurlijke hulpbronnen uit de landbouw worden door middel van eenheidsprocessen omgezet in eetbare en niet-eetbare producten. Deze eenheidsprocessen maken deel uit van het totale productieproces dat begint met de inname en opslag van grondstoffen en eindigt met het verpakken en opslaan van eindproducten. De tussenliggende processen worden gedefinieerd als reinigen, scheiden, doseren, wegen en mengen, thermische verwerking, een verscheidenheid aan zuiveringsprocessen zoals extractie, destillatie,.... Met een bepaalde hoeveelheid grondstoffen en energie is het doel van de industrie om een continue productie van producten van goede kwaliteit te verkrijgen, die voldoen aan de productspecificaties, met een optimaal rendement en dus minimale productkosten. Voor al deze bovengenoemde doeleinden moet het productieproces worden gecontroleerd of beheerst (to control). Het is duidelijk dat deze controle veel meer is dan een grondige controle (monitoring) van de kwaliteit van inkomende en uitgaande producten, aangezien men de kwaliteit van het volledige proces wil waarborgen. Een productieproces is een opeenvolging van een aantal eenheidsprocessen zoals te zien is in de eerdere cursussen. Als we bijvoorbeeld denken aan de productie van warmtebehandelde afgeroomde melk zien we melkinname en -opslag, de ontroming, sterilisatie en verpakking. We kunnen het hebben over de standaardkwaliteit, de voedselveiligheidsaspecten, de procesopbrengst en het warmteverbruik, het warmteoverdrachtsproces enz.... Als we het hebben over procescontrole hebben we het over de apparatuur rondom het proces die, voor het bovengenoemde product, bijvoorbeeld de temperatuur en opwarmtijd zal regelen. Deze omringende apparatuur bestaat uit sensoren voor het meten van temperatuur, debiet, druk,.... Deze meetgegevens worden gebruikt als ingangssignaal voor regelaars die op hun beurt andere apparatuur activeren, zoals motoren, kleppen en pompen. Een mooi voorbeeld van een gecontroleerd proces is pasteurisatie van vers appelsap. Het sap wordt geperst en onmiddellijk verwarmd in een buisvormige warmtewisselaar met stoom. De pasteurisatieparameters zijn (bijvoorbeeld) 75°C gedurende 15 seconden. Het debiet door de pasteur wordt zo geregeld dat de verblijftijd 3 minuten is, rekening houdend met een opwarmtraject van 5°C tot 75°C. Aan de uitlaat meet een thermometer de temperatuur die is ingesteld op 80°C. Zodra de uitlaattemperatuur onder de 78°C zakt, sluit een klep en wordt het sap gerecirculeerd. De 5 Procesbeheersing: principes en evolutie klep gaat open zodra 80°C is bereikt. Daarom is de thermometer (die een pt-100 wordt genoemd) aangesloten op een PLC (programmable logical controller). Binnen deze PLC wordt de gemeten temperatuur vergeleken met het setpoint (80°C). Wanneer het verschil – 2°C is, wordt de uitlaat van de pasteur gesloten en wordt het circulatiecircuit geopend. Tegelijkertijd wordt de stoomklep geopend. Zodra de temperatuur weer 80°C bereikt, wordt het begindebiet geïnstalleerd. Dit om de voedselveiligheid te garanderen, omdat pasteurisatie van het sap de groei van micro-organismen onmogelijk maakt. Als de temperatuur boven de 85°C komt, wordt de stoomklep gesloten totdat de temperatuur daalt tot 80°C. Dit om kwaliteitsverlies van het product door oververhitting te voorkomen. 2 Procesbeheersing: principes en evolutie Het doel van procescontrole is om de variabiliteit in eindproducten te verminderen, zodat wordt voldaan aan de wettelijke vereisten en de verwachtingen van de consument ten aanzien van productkwaliteit en -veiligheid. Het heeft ook tot doel verspilling en productiekosten te verminderen door de efficiëntie van de verwerking te verbeteren. Eenvoudige controlemethoden (bijvoorbeeld het aflezen van thermometers, het noteren van vloeistofniveaus in tanks, het afstellen van kleppen om de verwarmings- of vulsnelheid te regelen) zijn er altijd al geweest, maar ze zijn geavanceerder geworden naarmate de schaal en complexiteit van de verwerking zijn toegenomen. Met de toegenomen mechanisatie moeten er meer kleppen worden geopend en moeten er meer motoren worden gestart of gestopt. De timing en volgorde van deze activiteiten zijn kritischer geworden en fouten van operators leiden tot ernstiger kwaliteitsverlies en financiële gevolgen. Dit heeft geleid tot een verschuiving van controles die beroep doen op de vaardigheden en het beoordelingsvermogen van de operators, naar op technologie gebaseerde controlesystemen. Aanvankelijk werden handbediende kleppen vervangen door elektrische of pneumatische bediening en werden schakelaars voor motoren verplaatst naar bedieningspanelen. Metingen van procesvariabelen, zoals vloeistofniveaus in tanks, druk, pH, temperaturen, enz., werden niet langer op de locatie van de apparatuur uitgevoerd, maar werden door transmitters naar bedieningspanelen gestuurd en geleidelijk aan werden processen meer geautomatiseerd. De veranderingen in de procesbesturingstechnologie van de afgelopen decennia zijn meer ingrijpend geweest dan welke andere ontwikkeling in de (bio)processing. Automatische besturing wordt nu toegepast in bijna elke sector van de industrie. De aanzet voor deze veranderingen is afkomstig van: toegenomen concurrentie die fabrikanten dwingt om sneller een grotere verscheidenheid aan producten te produceren 6 Procesbeheersing: principes en evolutie Escalerende arbeidskosten en grondstofkosten Steeds strengere regelgeving als gevolg van de eis voor voedselveiligheid en de internationale harmonisatie van wetgeving en normen. Voor producten die bestemd zijn om door mens of dier te worden geconsumeerd, vereist de levensmiddelenwetgeving monitoring, rapportage en traceerbaarheid van alle geproduceerde batches, waardoor de behoefte aan meer geavanceerde procescontrole verder is toegenomen. Al deze vereisten hebben ertoe geleid dat fabrikanten de effectiviteit van hun procescontrole- en managementsystemen hebben verbeterd. De vooruitgang op het gebied van de micro-elektronica en de ontwikkeling van de computersoftwaretechnologie, samen met de toegenomen toegankelijkheid en verlaging van de kosten van software, hebben geleid tot de ontwikkeling van zeer snelle gegevensverwerking. Dit heeft er op zijn beurt toe geleid dat er efficiënte, geavanceerde, onderling verbonden, gebruiksvriendelijkere en betaalbaardere procesbesturings-systemen beschikbaar zijn. Deze ontwikkelingen worden nu gebruikt in alle stadia van een productieproces, waaronder: bestellen en leveren van grondstoffen gedetailleerde productieplanning en supervisie beheer van bestellingen, recepten en batches het beheersen van de productstroom door het proces het beheersen van procescondities (temperatuur, druk, pH) evaluatie van proces- en productgegevens (bijvoorbeeld bewaking van temperatuurprofielen tijdens warmtebehandeling of koeling) controle van reinigingsprocedures ter plaatse verpakking, magazijnopslag en distributie. In supermarkten worden barcodelezers gebruikt om voorraden automatisch bij fabrikanten te bestellen met behulp van Electronic Data Interchange (EDI). De fabrikant is dan in staat om de productie automatisch in te plannen en voorraden te bestellen met behulp van Just-In-Time (JIT) en Material Resource Planning (MRP) software. Individuele verwerkingsmachines worden routinematig uitgerust met krachtige microprocessoren om hun werking, de productkwaliteit en het energieverbruik te bewaken en te controleren. In dit hoofdstuk worden de principes van procesbeheersing en automatisering, met geselecteerde voorbeelden van apparatuur, beschreven. 7 Procesbeheersing: principes en evolutie 2.1 Automatische besturing Automatisering betekent dat elke handeling die nodig is om een proces zo efficiënt mogelijk te besturen, wordt aangestuurd door een systeem dat werkt volgens instructies die erin zijn geprogrammeerd. De voordelen van automatische procesbesturing kunnen als volgt worden samengevat: consistentere productkwaliteit (kleine variaties in de verwerking die veranderingen in de productkwaliteit zouden veroorzaken, worden vermeden) grotere stabiliteit en veiligheid van het product betere naleving van wettelijke en klantspecificaties efficiëntere werking verificatie van de juiste invoer door de exploitanten (bv. controle of de exploitanten het juiste gewicht en de juiste soorten ingrediënten opgeven) beter gebruik van hulpbronnen (grondstoffen, energie, arbeid, enz.) minder afvalwater of een gelijkmatigere belasting van het afvalwater verhoging van de productiesnelheid (bijv. door optimalisatie van het gebruik van de apparatuur) verbeterde veiligheid (automatische en snelle fail-safe procedures met waarschuwingen van de operator in geval van bijvoorbeeld een klepstoring of overmatige temperatuurstijging). De belangrijkste nadelen houden verband met de sociale effecten van de verminderde werkgelegenheid wanneer het aantal exploitanten dat nodig is om levensmiddelen te verwerken, wordt verminderd. Andere nadelen zijn: niet geschikt voor processen waarbij handvaardigheid vereist is of economisch aantrekkelijker is hogere installatie- en onderhoudskosten verhoogd risico, vertragingen en kosten als het automatische systeem uitvalt de noodzaak van een nauwkeurig begrip van het proces voor het programmeren om de vereiste productkwaliteit te bereiken vertrouwen op nauwkeurige sensoren om procesomstandigheden nauwkeurig te meten. De componenten van een automatisch besturingssysteem zijn als volgt: 8 Procesbeheersing: principes en evolutie sensoren om procescondities te detecteren en transmitters om deze informatie naar de controle-eenheid een controller om een proces te bewaken en te besturen actuatoren (bijvoorbeeld een motor, magneet of klep) om wijzigingen in het proces aan te brengen een communicatiesysteem tussen een controller en actuatoren en transmitters een "interface" (bv o.v.v. een scherm) voor de operatoren om te communiceren met het besturingssysteem. Controlesystemen kunnen ook beschikken over faciliteiten voor het verzamelen van informatie en het produceren van prestatieanalyses, productiestatistieken, managementrapporten, enz. De soorten informatie die tussen de verschillende elementen van een controlesysteem worden uitgewisseld, zijn de volgende: analoge ingangssignalen van sensoren die informatie geven over de status van procesvariabelen outputsignalen van de regelaar die motoren, kleppen, enz. aanstuurt. ingangssignalen (terugkoppeling) van motoren, kleppen, enz., die aan het besturingssysteem aangeven dat het onderdeel is ingeschakeld ingangssignalen van 'monitoren' die aangeven dat een vereiste procestoestand is bereikt (bijv. minimumtemperatuur, maximaal debiet of druk). De soorten apparatuur die worden gebruikt als componenten van een automatisch systeem worden hieronder meer in detail beschreven. 9 Procesbeheersing: principes en evolutie 2.1.1 Sensoren Voorwaarde voor de besturing van een proces zijn sensoren en instrumenten die gespecificeerde procesvariabelen meten en de informatie doorgeven aan een procesbesturing. Parameters die gewoonlijk door sensoren worden gemeten, worden ingedeeld in: primaire metingen (bijvoorbeeld temperatuur, gewicht, debiet en druk) vergelijkende metingen, verkregen uit vergelijking van primaire metingen (bijvoorbeeld soortelijk gewicht) afgeleide metingen, waarbij wordt aangenomen dat de waarde van een gemakkelijk te meten grootheid evenredig is met een verschijnsel dat moeilijk te meten is (bijvoorbeeld hardheid als textuurmaat) berekende metingen, gevonden met behulp van kwalitatieve en kwantitatieve gegevens van analytische instrumenten of wiskundige modellen (bijvoorbeeld biomassa in een vergister). Het is belangrijk om te erkennen dat procesvariabelen die worden gemeten en gecontroleerd, vaak alleen indirect worden gebruikt als indicatoren van complexe biochemische reacties die plaatsvinden tijdens de verwerking. Voorbeelden hiervan zijn de combinatie van tijd en temperatuur die nodig is om micro-organismen te vernietigen; de temperatuur en druk als maat voor de veranderingen die plaatsvinden tijdens extrusie, of de tijd die nodig is om een bepaalde hoeveelheid vocht te verwijderen door droging. Het is daarom noodzakelijk om de relatie tussen de gemeten variabele en de veranderingen die plaatsvinden te kennen om effectieve controle te kunnen uitoefenen. Solid-state elektronische sensoren hebben oudere mechanische of chemische typen grotendeels vervangen, vanwege hun grotere betrouwbaarheid, grotere nauwkeurigheid en precisie en snellere responstijden. Voorbeelden van de soorten sensoren die in de bio-industrie worden gebruikt, worden weergegeven in tabel 2.1. 10 Procesbeheersing: principes en evolutie Tabel 2-1 Voorbeelden van gemeten parameters en soorten sensoren die in processen worden gebruikt 11 Procesbeheersing: principes en evolutie Opties voor de plaatsing van sensoren in een proces worden weergegeven in Fig. 2.1(a-c) en kunnen worden samengevat als "in-line", "on-line", "at-line" en "off-line" (de laatste wordt gebruikt in analytische laboratoria met behulp van monsters die zijn genomen van bemonsteringspunten). Online en in-line sensoren worden veel gebruikt vanwege hun snelle reactietijd en nauwkeurige positionering. Hun belangrijkste vereisten zijn als volgt: een hygiënische detectiekop vrij van verontreinigingen (bevat geen reagentia of micro-organismen die voedingsmiddelen kunnen besmetten) geen potentieel gevaar door vreemde voorwerpen (bijv. geen glazen onderdelen) robuust bestand tegen verwerkingstemperaturen of -drukken (bijvoorbeeld 200ºC en 10 MPa in extruders) bestand tegen chemicaliën in voedselcomponenten of afvalwater Tolerant voor reiniging ter plaatse of met goedkope, gemakkelijk te vervangen, wegwerpbare detectiekoppen betrouwbaar met een goede reproduceerbaarheid, zelfs bij blootstelling aan vocht, stoom, stof, vluchtige voedselstoffen of vervuiling door vetten, eiwitten of zetmeel weerstand tegen elektromagnetische interferentie in sommige toepassingen (bijv. microgolven, ohmse verwarmers bestand tegen beschadiging door mechanische trillingen weinig onderhoud nodig de totale kosten (kapitaal-, exploitatie- en onderhoudskosten) in verhouding tot de behaalde baten. 12 Procesbeheersing: principes en evolutie Het werkingsprincipe van een groot aantal in- en onlinesensoren en geselecteerde toepassingen wordt in het volgende hoofdstuk beschreven. Gezien de soms extreme omstandigheden waarmee sensoren worden geconfronteerd, hebben contactloze sensoren voordelen in veel toepassingen. Deze sensoren omvatten sensoren die gebruik maken van elektromagnetische golven, licht, infraroodstraling, microgolf- of radiofrequente golven, gammastralen of echografie. Contactloze sensoren hebben de afgelopen decennia een verdere belangrijke ontwikkeling hebben doorgemaakt, samen met biosensoren en sensoren op basis van nucleaire magnetische resonantie (NMR) of elektronenspinresonantie (ESR). Andere toepassingen die worden vervuld door nieuwe ontwikkelingen in sensoren zijn onder meer het meten van chemische samenstelling (NIRS, GC), complexe reologische eigenschappen, de grootte en verdeling van deeltjes, druppeltjes of bellen en vluchtige stoffen die worden geproduceerd door drogen, bakken of braden. 13 Procesbeheersing: principes en evolutie Fig. 2.1 a–c Opties voor de positionering van sensoren in een proces: (a) continue verwerking; b) op transportbanden; c) in batchverwerking. (ND = niet-destructieve meting, SD = lichte beschadiging van het monster (bijv. ontluchting), LS = verloren monster.) (Naar van Kress-Rogers (1993)). 14 Procesbeheersing: principes en evolutie 2.1.2 Controllers De informatie van sensoren over proces- en productvariabelen wordt door controllers gebruikt om wijzigingen aan te brengen in de procesomstandigheden. Terwijl voorheen de monitoring en controle handmatig door operators werd uitgevoerd, is dit nu te tijdrovend en onbetrouwbaar geworden en zijn de meeste processen, met uitzondering van enkele kleinschalige productie- eenheden, voorzien van automatische regeling Automatische controllers werken met behulp van een vergelijkbare logica als de besluitvormingslogica die door het menselijk denken wordt gedemonstreerd. Vb. In een zoetwarenbedrijf kan een operator bijvoorbeeld handmatig van de ene suikersilo naar de andere zijn overgestapt met behulp van de volgende reeks vragen en informatie: 1. Hoeveel suiker zit er nog in de silo? (Af te lezen van niveaumeter) 2. Hoe lang duurt het voordat ik naar de volgende silo moet overstappen? (Uit ervaring, ongeveer 5 minuten.) 3. Welke silo moet ik kiezen? (Van kennis van het aantal silo's in de fabriek.) 4. Kies ik voor silo 3? (Besluit om niet te weten dat de afvoerklep in reparatie is.) 5. Zal ik silo 4 kiezen? (Bevestig na het controleren van de niveaumeting om te bevestigen dat silo 4 vol is.) 6. Is de huidige silo leeg? (Af te lezen van niveaumeter.) 7. Welke kleppen moet ik vervangen? (Uit kennis van de lay-out van de installatie.) 8. Besluit om kleppen te vervangen. (bv Klep 4 openen, klep 2 sluiten.) Bij automatische besturing wordt dezelfde volgorde van vragen 'gesteld' door de controller. Informatie over de voorraad in de silo’s en of de silo zal leeglopen, wordt geleverd door sensoren.. Elk onderdeel van een proces kan op deze manier worden geanalyseerd en automatische regelaars kunnen worden geprogrammeerd met de besturingslogica die nodig is om het proces optimaal te beheersen. Er zijn twee basisvereisten voor de werking van een automatische controller: - een methode om een bepaalde procesvariabele op een vooraf bepaald setpoint te houden; - een methode om de volgorde van acties in een operatie te controleren. Deze worden in meer geavanceerde controllers aangevuld met faciliteiten voor het monitoren van een proces en het verstrekken van managementinformatie. 15 Procesbeheersing: principes en evolutie Om aan de eerste eis te voldoen, meten sensoren een procesvariabele en vervolgens stuurt een transmitter een signaal naar de controller, waar het signaal wordt vergeleken met een setpoint. Als de ingang afwijkt van het setpoint (de fout /error of e genoemd), activeert de regelaar een actuator (bv een klep) om de afwijking te corrigeren en de variabele constante op het setpoint te houden. Het type signalen dat wordt verzonden, kunnen zowel digitale (aan of uit) signalen als analoge (continu variabele) signalen zijn. Er kan bijvoorbeeld een digitaal signaal naar de controller worden gestuurd vanaf een motor, die aangeeft of deze is in- of uitgeschakeld, of van een klep die aangeeft of deze zich in één van de twee mogelijke standen (open of gesloten) bevindt. Voorbeelden van analoge besturing zijn continu variërende signalen die bv aangeven in welke mate een stoomklep open staat (tussen 0 en 100%) om de verwarmingssnelheid te regelen, of het signaal dat door een temperatuurtransmitter wordt verzonden om de producttemperatuur te registreren. Andere voorbeelden zijn signalen van automatische weegmachines en signalen die worden verzonden om de snelheid van een pomp te regelen. Analoge en digitale signalen worden samen gebruikt om een proces op verschillende manieren te besturen. Bij closed-loop besturing is er een continue informatiestroom rond een elektrische lus. Informatie van sensoren wordt door de besturing gebruikt om via de actuator wijzigingen in de verwerkingsomstandigheden door te voeren. Deze veranderingen worden vervolgens geregistreerd door de sensor en de lus begint opnieuw. Een bekend voorbeeld van closed-loop regeling is de terugkoppelingsregeling (Fig. 2.2). Een thermokoppel en een thermostaat sturen bijvoorbeeld automatisch een actuator op een stoomklep aan, of de motor op een koelunit om een constante temperatuur te behouden. Naarmate de temperatuur stijgt, worden veranderingen geregistreerd door de sensor, de thermostaat regelt automatisch de actuator om het setpoint te behouden. Een ander type is feed-forward control, waarbij procescondities worden gemonitord en vergeleken met een modelsysteem dat anticipeert op de vereiste procescondities; Als de bedrijfsomstandigheden afwijken van het model, worden ze gewijzigd door de controller, via de actuatoren. Wanneer beide soorten controles mogelijk zijn, verdient het de voorkeur om feed- forward controle te gebruiken, omdat de fout kan worden geanticipeerd en voorkomen, in plaats van te wachten tot de fout wordt gedetecteerd en vervolgens compensatie toe te passen om deze te verwijderen. Dit is echter niet altijd mogelijk omdat het noodzakelijk is om van tevoren te weten 16 Procesbeheersing: principes en evolutie welke veranderingen er in een product kunnen plaatsvinden voordat corrigerende maatregelen kunnen worden genomen. Feed forward control wordt bijna altijd geïmplementeerd als een add-on voor feedback control. De feed forward is belangrijk bij grote verstoringen, terwijl de feedbackregelaar zorgt voor alle andere zaken die kunnen leiden tot afwijking van het setpoint. Fig. 2.2 Feed back en Feed Forward (APV Ltd.) De tweede eis van procesregelaars is de juiste volgorde van de regelkringen in een systeem, met behulp van sequentiebesturing, waarbij het voltooien van een handeling aan de besturing een signaal geeft om de volgende bewerking te starten, met of zonder tijdvertraging. Eerder werd reeds een voorbeeld beschreven van een eenvoudige regelvolgorde voor de handelingen die nodig zijn om de toevoer van een suikersilo te veranderen. Twee extra functies van controllers zijn: - om de procescondities te bewaken en - het verstrekken van managementinformatie. Voorbeelden hiervan zijn het identificeren van storingen en elektronische vergrendelingen om te voorkomen dat een proces wordt voortgezet als er een storing wordt gedetecteerd of niet aan een vereiste voorwaarde wordt voldaan (bijvoorbeeld automatische reinigingsschema's worden verhinderd totdat een tankniveausignaal aangeeft dat het leeg is). Een belangrijk voordeel van controllers is hun vermogen om een proces te monitoren op storingen (zelfdiagnose) en om een proces automatisch opnieuw te starten wanneer een storing is verholpen. Andere voordelen van monitoring zijn het verzamelen en analyseren van managementinformatie met vooraf ingestelde intervallen (bijv. elke dienst, elke dag of maand) en het gebruik van deze informatie om kostenanalyses of onderhoudsprogramma's op te stellen (bijvoorbeeld door informatie te gebruiken over hoeveel uur een machine heeft gewerkt of een klep is geopend sinds deze voor het laatst is onderhouden). 17 Procesbeheersing: principes en evolutie 2.2 Computergebaseerde systemen Het toenemende gebruik van procesregelaars op basis van microprocessoren in de afgelopen twintig jaar is te danken aan hun flexibiliteit in de werking, hun vermogen om gegevens te registreren (of te "loggen") voor latere berekeningen en de aanzienlijke verlaging van hun kosten. Computers kunnen niet alleen worden geprogrammeerd om gegevens van sensoren te lezen en signalen naar procesbesturingsapparaten te sturen, maar ze kunnen ook gegevens opslaan en analyseren en worden aangesloten op printers, communicatieapparatuur, andere computers en controllers in een fabriek. Ze kunnen ook gemakkelijk opnieuw worden geprogrammeerd door operators om nieuwe producten of proceswijzigingen op te vangen. Voorbeelden van de verschillende soorten computergestuurde systemen worden hieronder beschreven. 2.2.1 Programmeerbare logische controllers (PLC's) Een belangrijke ontwikkeling in de procesbesturing in de jaren 1980 was de introductie van PLC's.. Historisch gezien werden ze voor het eerst gebruikt om de oude systemen (op basis van relais) te vervangen in eenvoudige repetitieve toepassingen, maar het grotere vermogen werd al snel gebruikt om andere functies te ontwikkelen, waaronder receptopslag, gegevensoverdracht en communicatie met computers op een hoger niveau. PLC's hebben een vast programma dat in twee modi in het computergeheugen is opgeslagen met behulp van vergelijkbare logica als relaiscircuits. De eerste (teach) modus maakt het mogelijk voor een operator om instructies via een toetsenbord in het geheugen te programmeren. In de tweede (run) modus wordt het programma automatisch uitgevoerd als reactie op gegevens die van sensoren worden ontvangen. Dit wordt bereikt met behulp van softwarebouwstenen, algoritmen genaamd, die besturingssequenties voor een bepaalde toepassing construeren en de operator in staat stellen het systeem te programmeren. Elk algoritme vervult een specifieke functie en de operator definieert eenvoudig de reeks algoritmen en de gegevens waarop ze moeten werken, in antwoord op een reeks vragen die op een scherm worden weergegeven. Een beeldscherm geeft de operator informatie over de status of de voortgang van de controle en een afgedrukt verslag geeft een overzicht van de gebruikte verwerkings- omstandigheden. Als een procesparameter een vooraf ingestelde limiet overschrijdt, wordt een waarschuwing (alarm) geactiveerd om de aandacht van de operator te trekken. Als alternatief kan het programma elke afwijking van de gespecificeerde limieten automatisch corrigeren. Op dezelfde manier kan 18 Procesbeheersing: principes en evolutie een PLC worden geprogrammeerd om constant de status van kleppen of andere apparatuur te bewaken en een operator op de hoogte te stellen van eventuele storingen, wat het opsporen en repareren van storingen aanzienlijk versnelt. PLC's zijn zeer betrouwbaar, relatief goedkoop en eenvoudig te installeren en te gebruiken. Een belangrijk voordeel is het gemak en de snelheid waarmee ze kunnen worden ge(her)programmeerd door fabriekspersoneel dat niet over geavanceerde computerkennis beschikt. Dit biedt een grote flexibiliteit bij het wijzigen van procesomstandigheden of het wijzigen van productformuleringen. 2.2.2 PID-regeling Proportioneel-Integrale-Differentiale (PID) regeling is het meest gebruikte regelalgoritme in de industrie en is universeel aanvaard in industriële regeling. De populariteit van PID-regelaars kan deels worden toegeschreven aan hun robuuste prestaties in een breed scala aan bedrijfsomstandigheden en deels aan hun functionele eenvoud, waardoor ingenieurs ze op een eenvoudige, ongecompliceerde manier kunnen bedienen. Zoals de naam al doet vermoeden, bestaat het PID-algoritme uit drie basiscoëfficiënten; proportioneel, integraal en differentiaal, die worden gevarieerd om een optimale respons te krijgen. Closed-loop systemen, de theorie van klassieke PID en de effecten van het afstemmen van een closed-loop regelsysteem worden hieronder besproken. 2.2.2.1 Besturingssysteem Het basisidee achter een PID-regelaar is om een sensor uit te lezen en vervolgens de gewenste actuator-output te berekenen door proportionele, integrale en differentiële reacties te berekenen en die drie componenten op te tellen om de output te berekenen. Closed-Loop Systeem In een typisch regelsysteem is de procesvariabele de systeemparameter die moet worden geregeld, zoals temperatuur (ºC), druk (bar) of debiet (liter/minuut). Een sensor wordt gebruikt om de procesvariabele te meten en feedback te geven aan het besturingssysteem. Het setpoint is de gewenste waarde voor de procesvariabele, zoals 100°Celsius in het geval van een temperatuurregelsysteem. Op elk moment wordt het verschil tussen de procesvariabele en het setpoint gebruikt door het algoritme van het besturingssysteem (compensator) om de gewenste actuatoroutput te bepalen om het systeem (de installatie) aan te sturen. Als de gemeten 19 Procesbeheersing: principes en evolutie temperatuurprocesvariabele bijvoorbeeld 100 ºC is en het gewenste setpoint 120 ºC, dan kan de setpoint, die door het regelalgoritme wordt gespecificeerd, zijn om een verwarming aan te sturen. Het aandrijven van een actuator om een verwarming in te schakelen, zorgt ervoor dat het systeem warmer wordt en resulteert in een toename van de temperatuurprocesvariabele. Dit wordt een gesloten regelsysteem of closed-loop genoemd omdat het proces “het uitlezen van sensoren om constante feedback te geven en het berekenen van de gewenste actuatoroutput” continu en met een vaste lussnelheid wordt herhaald, zoals geïllustreerd in figuur 2.3. In veel gevallen is de output van de actuator niet het enige signaal dat het systeem beïnvloedt. In een kamer met temperatuurregeling kan er bijvoorbeeld een bron van koele lucht zijn die soms in de kamer blaast en de temperatuur verstoort. Zo'n term wordt verstoring genoemd. Meestal proberen we het besturingssysteem zo te ontwerpen dat het effect van verstoringen op de procesvariabele wordt geminimaliseerd. Fig. 2-1 Blokschema van een typisch closed loop systeem Definitie van prestatie-eisen Het ontwerpproces van de besturing begint met het definiëren van de prestatie-eisen. De prestaties van het besturingssysteem worden vaak gemeten door een stapfunctie toe te passen bv variëren van het setpoint en vervolgens de respons van de procesvariabele te meten. Gewoonlijk wordt de respons gekwantificeerd door golfvormkarakteristieken te meten (zie figuur 2.3) Rise time is de hoeveelheid tijd die het systeem nodig heeft om van 10% naar 90% van de steady- state of uiteindelijke waarde te gaan. Percentage overschrijding is de mate waarin de procesvariabele de eindwaarde overschrijdt, uitgedrukt als een percentage van de eindwaarde. 20 Procesbeheersing: principes en evolutie De settling time is de tijd die de procesvariabele nodig heeft om binnen een bepaald percentage (meestal 5%) van de uiteindelijke waarde te komen. Steady-State Error is het laatste verschil tussen de procesvariabele en het setpoint. Houd er rekening mee dat de exacte definitie van deze waarden kan variëren in de industrie en de academische wereld. Fig. 2-2 Respons van een typisch PID closed loop systeem. Na het gebruik van een of al deze grootheden om de prestatie-eisen voor een besturingssysteem te definiëren, is het nuttig om het worst case scenario te definiëren waaronder het besturingssysteem zal moeten voldoen. Vaak is er een storing in het systeem die invloed heeft op de procesvariabele of de meting van de procesvariabele. Het is belangrijk om een besturingssysteem te ontwerpen dat onder worst case scenario voldoende presteert. De maatstaf voor hoe goed het controlesysteem de effecten van verstoringen kan overwinnen, wordt de disturbance rejection of storingsafwijzing van het controlesysteem genoemd. In sommige gevallen kan de reactie van het systeem op een bepaalde besturingsoutput in de loop van de tijd of ten opzichte van een bepaalde variabele veranderen. Een niet-lineair systeem is een systeem waarin de regelparameters, die op het ene werkpunt een gewenste respons produceren, mogelijk geen bevredigende respons produceren op een ander werkpunt. 21 Procesbeheersing: principes en evolutie Een tank die gedeeltelijk gevuld is met vloeistof zal bijvoorbeeld een veel snellere reactie op het vermogen van de verwarming vertonen wanneer deze bijna leeg is dan wanneer deze vol vloeistof is. De maatstaf voor hoe goed het controlesysteem verstoringen en niet-lineariteiten verdraagt, wordt de robuustheid van het controlesysteem genoemd. Sommige systemen vertonen een ongewenst gedrag dat deadtime wordt genoemd. Dode tijd is een vertraging tussen het moment waarop een procesvariabele verandert en het moment waarop die verandering kan worden waargenomen. Als een temperatuursensor bijvoorbeeld ver weg van een inlaatklep voor koudwatervloeistof wordt geplaatst, zal deze niet onmiddellijk een temperatuurverandering meten als de klep wordt geopend of gesloten. Dode tijd kan ook worden veroorzaakt door een systeem of outputactuator die traag reageert op het besturingscommando, bijvoorbeeld een klep die traag opent of sluit. Een veel voorkomende bron van dode tijd in chemische fabrieken is de vertraging die wordt veroorzaakt door de vloeistofstroom (af te leggen afstand) door leidingen. Loop cycle, of de tijd ingenomen om één loop of lus te doorlopen, is ook een belangrijke parameter van een closed loop systeem. Systemen die snel veranderen of complex gedrag vertonen, vereisen hogere loop cycle snelheden of korte loop cycles. Fig. 2-3 Reactie van een closed loop systeem met dode tijd. 22 Procesbeheersing: principes en evolutie Zodra de prestatie-eisen zijn gespecificeerd, is het tijd om het systeem te onderzoeken en een geschikt controleschema te selecteren. In de overgrote meerderheid van de toepassingen zal een PID-regeling de vereiste resultaten opleveren. 2.2.2.2 PID-theorie Proportionele respons De proportionele component hangt alleen af van het verschil tussen het setpoint en de procesvariabele. Dit verschil wordt de foutterm genoemd. De proportionele term produceert een outputwaarde die evenredig is met de huidige foutwaarde. De proportionele respons kan worden aangepast door de fout te vermenigvuldigen met een constante Kp, de proportionele versterkingsconstante genoemd. Als xp de output van de regelaar is en e de fout tussen het setpoint (SP) en de procesvariabele (PV), dan is de vergelijking voor de proportionele regelaar: 𝑥 = 𝐾.𝑒 De proportionele versterking (Kp) bepaalt dus de verhouding tussen de outputrespons en het foutsignaal. Als Kp bijvoorbeeld 10 is, zal een verschil van 5 een proportionele respons van 50 opleveren. Over het algemeen zal het verhogen van de proportionele versterking de snelheid van de reactie van het besturingssysteem verhogen. Als de proportionele versterking echter te groot is, zal de procesvariabele beginnen te oscilleren. Als Kp verder wordt verhoogd, worden de oscillaties groter en wordt het systeem onstabiel en kan het zelfs uit de hand oscilleren. 23 Procesbeheersing: principes en evolutie Integrale respons De integrale component somt de foutterm in de loop van de tijd op (integratie). Het resultaat is dat zelfs een kleine foutterm ervoor zorgt dat de integrale component langzaam toeneemt zolang de fout e > 0 is. De integrale respons zal in de loop van de tijd voortdurend toenemen, tenzij de fout nul is, dus het effect is dat de steady-state-fout naar nul wordt gedreven. De Steady-State error is het laatste verschil tussen de procesvariabele en het setpoint (zie eerder). Een fenomeen dat integrale windup wordt genoemd, ontstaat wanneer integrale actie een controller verzadigt zonder dat de controller het foutsignaal naar nul stuurt. Als Ki de integrale versterkingsconstante is, is de vergelijking: 𝑥 =𝐾 𝑒 𝑑𝑡 Afgeleide of differentiële reactie De afgeleide van de procesfout wordt berekend door de helling van de fout in de loop van de tijd te bepalen en deze veranderingssnelheid te vermenigvuldigen met de afgeleide winst Kd. De omvang van de bijdrage van de afgeleide term aan de totale controleactie wordt de afgeleide winst, Kd, genoemd. De afgeleide component zorgt ervoor dat de output afneemt als de procesvariabele snel toeneemt. xp = Kd de / dt 24 Procesbeheersing: principes en evolutie Enkele voorbeelden van resp het effect van Kp, Ki en Kd bij constant houden van de andere fouttermen worden hieronder gegeven. Reactie van PV op stapsgewijze verandering van SP versus tijd, voor drie waarden van Kp (Ki en Kd constant gehouden) 25 Procesbeheersing: principes en evolutie Reactie van PV op stapsgewijze verandering van SP versus tijd, voor drie waarden van Ki (Kp en Kd constant gehouden). Reactie van PV op stapsgewijze verandering van SP versus tijd, voor drie waarden van Kd (Kp en Ki constant gehouden) 26 Procesbeheersing: principes en evolutie 2.2.2.3 PID-regeling (proportionele integrale differentiële ) Omdat het mogelijk is om 2 van de bovengenoemde regelmodi te combineren, gebruiken besturingssystemen over het algemeen de 3 modi om een procesuitkomst te controleren. Door de K-waarden te wijzigen, kan het gedrag van het uitkomstsignaal worden gewijzigd. 2.2.2.4 Afstemming Het proces van het instellen van de optimale versterking voor P, I en D om een ideale respons van een regelsysteem te krijgen, wordt tuning genoemd. Er zijn verschillende manieren van tunen waarvan de "guess and check" methode en de Ziegler Nichols methode aan bod komen. De winst van een PID-regelaar kan worden verkregen door middel van trial-and-error-methode. Zodra een ingenieur de betekenis van elke versterkingsparameter begrijpt, wordt deze methode relatief eenvoudig. Bij deze methode worden de I- en D-termen eerst op nul gezet en wordt de proportionele versterking verhoogd totdat de output van de lus oscilleert. Naarmate men de proportionele winst verhoogt, wordt het systeem sneller, maar er moet voor worden gezorgd dat het systeem niet instabiel wordt. Zodra P is ingesteld om een gewenste snelle respons te verkrijgen, wordt de integrale term verhoogd om de oscillaties te stoppen. De integrale term vermindert de steady-state-fout, maar verhoogt de overschrijding. Voor een snel systeem is altijd een zekere mate van overschrijding nodig, zodat het direct kan reageren op veranderingen. De integrale term wordt aangepast om een minimale steady-state-fout te bereiken. Zodra de P en I zijn ingesteld om het gewenste snelle besturingssysteem te krijgen met een minimale steady-state-fout, wordt de afgeleide term verhoogd totdat de lus acceptabel snel is tot het setpoint. Het verhogen van de afgeleide term vermindert de overshoot en levert een hogere winst op met stabiliteit, maar zou ervoor zorgen dat het systeem zeer gevoelig is voor ruis. Vaak moeten ingenieurs de ene eigenschap van een besturingssysteem inruilen voor een andere om beter aan hun eisen te voldoen. De Ziegler-Nichols-methode is een andere populaire methode om een PID-regelaar af te stemmen. Het lijkt erg op de trial-and-error-methode waarbij I en D op nul worden gezet en P wordt verhoogd totdat de lus begint te oscilleren. Zodra de oscillatie begint, worden de kritische versterking Kc en 27 Procesbeheersing: principes en evolutie de periode van oscillaties Pc genoteerd. De P, I en D worden vervolgens aangepast volgens de onderstaande tabelkolom. Tafel 2-1 Ziegler-Nichols-stemming, met behulp van de oscillatiemethode. Control P Ti Td P 0,5 Kc - - PI 0.45Kc Pc/1.2 - PID 0.60Kc 0,5 Pc Pc/8 Het PID-regelalgoritme is een robuust en eenvoudig algoritme dat veel wordt gebruikt in de industrie. Het algoritme heeft voldoende flexibiliteit om uitstekende resultaten te leveren in een breed scala aan toepassingen en is een van de belangrijkste redenen geweest voor het voortdurende gebruik door de jaren heen. 2.2.3 Soorten controlesystemen De verschillende combinaties waarin PLC's en grotere computers in een geïntegreerd besturingssysteem aan elkaar kunnen worden gekoppeld, kunnen in drie categorieën worden beschreven:  dedicated systemen  gecentraliseerde systemen  gedistribueerde (distributed) systemen. 2.2.3.1 Dedicated besturingssystemen Deze maken gebruik van lokale controllers (PLC's) die een integraal onderdeel zijn van de procesinstallatie en die zijn bedoeld voor de besturing van een enkele eenheid. Voorbeelden hiervan zijn het regelen van de temperatuur van een warmtewisselaar of het mengen van verschillende ingrediënten tot een geformuleerde batch. Ze geven geen informatie door aan andere computers, maar ontvangen gewoon aan/uit-instructies van een centraal bedieningspaneel. Het zijn relatief eenvoudige computers die in staat zijn om gegevens van sensoren te ontvangen en signalen naar actuatoren te sturen. Ze kunnen ook de 28 Procesbeheersing: principes en evolutie mogelijkheid hebben voor datalogging, het genereren van rapporten en automatische aanpassing van het setpoint. Ze zijn populair gebleven omdat ze gemakkelijk in te passen zijn in bestaande processen zonder dat er grote wijzigingen in het besturingssysteem nodig zijn, ze zijn gebruiksvriendelijk en goedkoop. Ze zijn echter meestal ontworpen voor een bepaalde toepassing en de vooraf ingestelde bedieningsvolgorde is moeilijk te wijzigen. 2.2.3.2 Gecentraliseerde besturingssystemen In deze systemen bewaakt en bestuurt een mainframecomputer of een grote minicomputer, die zich in een gecentraliseerde controlekamer bevindt, verschillende online controllers die op hun beurt het proces in gespecificeerde zones besturen. Elke on-line controller kan voorzien zijn van een printer, een datalogger en een grafisch display om de operators te informeren over de status van het proces. Ze kunnen relatief eenvoudig worden ge(her)programmeerd om procesveranderingen op te vangen en kunnen faciliteiten hebben voor het genereren van rapporten en communicatie met andere computers. Hoewel in grote bedrijven al enkele jaren gebruik wordt gemaakt van gecentraliseerde computerbesturingssystemen, is het grote nadeel ervan dat elke storing in de centrale computer kan leiden tot een totale stillegging van de fabriek, tenzij een dure stand-by-computer met dezelfde capaciteit beschikbaar is om het over te nemen. Om deze reden worden nu vaker gedistribueerde besturingssystemen geïnstalleerd die dit nadeel niet hebben. 2.2.3.3 Gedistribueerde besturingssystemen (DCS) Dit is een geïntegreerd besturingssysteem waarbij elk gebied van een proces onafhankelijk wordt bestuurd door een PLC, en de PLC's zijn zowel aan elkaar gekoppeld (process interlocking) als verbonden met een centrale computer, via een communicatienetwerk. Elke PLC-controller bevindt zich dicht bij de apparatuur die hij bestuurt om de bedradingskosten te verlagen, en elke PLC- controller heeft een bedieningsconsole met een grafisch display en besturingsingangen. Hoewel de kapitaalkosten en programmeerkosten hoger zijn dan die van de andere systemen, zijn gedistribueerde besturingssystemen zeer flexibel in staat om de verwerkingsomstandigheden te wijzigen en zijn ze niet kwetsbaar voor totale uitschakeling van de installatie als een onderdeel uitvalt. 29 Procesbeheersing: principes en evolutie 2.2.4 Geïntegreerde besturingssystemen Wanneer gedistribueerde besturingssystemen in verschillende delen van een fabriek worden gebruikt, kunnen ze worden geïntegreerd in een groter managementinformatiesysteem, bekend als een geïntegreerd besturingssysteem. Een centrale computer wordt gebruikt voor massale gegevensopslag, geavanceerde gegevensmanipulatie, besturing van printers, plotters en communicatie met andere beheercomputers. Hierdoor kan het naast procescontrole ook voor andere functies worden gebruikt, waaronder administratie, marketing, kwaliteitsborging en fabrieksonderhoud. Elk gedistribueerd besturingssysteem vormt een onafhankelijk maar uniform onderdeel van het totale systeem en dus als één onderdeel uitvalt, behouden de andere de volledige controle over hun procesgebied. 2.3 Procesbesturingssystemen Recentere ontwikkelingen hebben betrekking op het gebruik van computers om een besturingsprogramma te bedienen waarvoor geen gespecialiseerde hardware nodig is (vaak aangeduid als 'soft-logic' of 'pc-based control'). Dit zijn hybriden van PLC- en gedistribueerde besturingssystemen die nu Process Control Systems (PCS) worden genoemd. Ze maken complexe combinaties van continue besturing, batch-sequencing en verwerking mogelijk om volledige automatisering te bieden met behulp van één zeer flexibel programma. Dit maakt een aanzienlijke tijdsbesparing mogelijk bij het ontwerp, de inbedrijfstelling en de engineering van het systeem. Deze systemen zijn in staat om gegevens te verzamelen en te verwerken om de prestaties van de procesinstallatie te laten zien (bijvoorbeeld lengte en oorzaken van stilstand en energieverbruik), en om rapporten op te stellen voor managers. Fabrieksingenieurs kunnen de gegevens gebruiken om effectievere onderhoudsprogramma's te ontwerpen en storingen sneller op te sporen. Samenvattingen van verwerkingskosten en efficiëntie van de productielijn worden door productiepersoneel gebruikt om de procedures voor materiaalbehandeling en planning te verbeteren en zo de efficiëntie van de productie te verbeteren. Managers gebruiken deze informatie vervolgens om de voorraden van producten en grondstoffen te controleren en om de werkelijke productieniveaus te vergelijken met dagelijkse of wekelijkse doelstellingen. 30 Procesbeheersing: principes en evolutie 2.4 Software ontwikkelingen Een van de belangrijkste softwareontwikkelingen aan het eind van de jaren tachtig was de SCADA- software (Supervisory Control and Data Acquisition). Dit verzamelt gegevens van een PLC die een proces bestuurt en geeft deze in realtime weer aan de operators van de installatie als geanimeerde afbeeldingen (Fig 2.4). 31 Procesbeheersing: principes en evolutie Fig. 2-3 SCADA-diagram en voorbeeld van een mengsysteem Zo kan een operator bijvoorbeeld zien dat een tank zich vult of dat een klep van kleur verandert (rood – groen) bij het openen of sluiten. De afbeeldingen zijn interactief om de operator in staat te stellen een motor te starten, een procesvariabele aan te passen of apparatuur te regelen. Alarmmeldingen worden op het scherm weergegeven wanneer een vooraf ingestelde verwerkingstoestand wordt overschreden. Mede dankzij de Windowsapplicatie (Microsoft) die zijn intrede gedaan heeft in de jaren 1990, ontstonden systemen met Dynamic Data Exchange (DDE) maakt het mogelijk om over te gaan naar data-analyse en rapportage van eenvoudige trends en historische gegevens met behulp van spreadsheets en is in real-time gekoppeld aan kantoorautomatiseringssystemen. Met deze software kan dus de kantoorsoftware worden gebruikt voor real-time procescontrole om recepten aan te passen, batches in te plannen en historische informatie of managementrapportages te produceren. Er kunnen andere types software worden gebruikt. Voorbeelden hieronder. Het eerste type bewaakt de machineprestaties in toepassingen zoals verpakken, waar stilstand als gevolg van materiaalstoringen vaak voorkomt. Het programma berekent prestatiestatistieken zoals doorvoer, uitval en uitvaltijd. Het beschrijft de reden voor elke onderbreking en berekent hoeveel downtime het gevolg is van elke oorzaak, waarbij de informatie wordt gepresenteerd als een 32 Procesbeheersing: principes en evolutie prestatierapport. Substantiële verbeteringen in de efficiëntie van de installatie zijn mogelijk omdat managers procesproblemen gemakkelijker kunnen identificeren en oplossen. Het tweede type software wordt gebruikt om details van de verwerking van een individuele partij producten (bijvoorbeeld tijd en temperatuur van verwarming of koeling) te controleren en deze samen met het batchnummer en de gegevens over het eindproduct op te slaan. Hierdoor kan elke partij (voeding bv) worden getraceerd voor eventuele wettelijke voedselhygiëne-eisen of om eventuele klachten van klanten aan te pakken. Trends in verwerkingsomstandigheden van opeenvolgende batches kunnen ook worden geanalyseerd om de prestaties van een proces te bewaken. Voorheen was het moeilijk om verschillende softwaresystemen met elkaar te laten communiceren, maar recente software maakt het mogelijk om verschillende informatiedatabases aan elkaar te koppelen en toegankelijk te maken voor iedereen die op een netwerk is aangesloten. Informatie zoals basisrecepten, productieschema's en fabrieksstatus kan zo worden opgenomen in bedrijfssystemen van het bedrijf. 2.4.1 Neurale netwerken Wanneer er complexe relaties bestaan tussen een gemeten variabele en het proces of product, was het nogal moeilijk om het proces te automatiseren. Recente ontwikkelingen op het gebied van 'expertsystemen' of 'neurale netwerken' hebben het potentieel om dergelijke problemen op te lossen (Fig 2.5). Deze kunnen automatisch complexe relaties afleiden en snel 'leren' van ervaring. Wallin en May (1995) beschrijven het gebruik van neurale netwerken voor verschillende toepassingen, waaronder de automatische besturing van zeer complexe extrusion-cookers door 'intelligente' interpretatie van het scala aan variabelen in grondstoffen, verwerkingsomstandigheden en kwaliteit van het eindproduct. Ze worden ook ontwikkeld voor toepassingen in fermentatieprocessen, robotica van productielijnen, analyse van magerheid van vlees en inspectie van groenten en fruit. In het laatste voorbeeld controleert een neuraal netwerkvisiesysteem fruit op defecten zoals verkeerd gevormde, slechte kleuren, ondermaatse items en vreemde voorwerpen. Bij het analyseren van o.a. pompelmoes op oppervlakte, rondheid en diameterbereik, was het systeem in staat om meer dan 96% van de misvormde vruchten correct te detecteren. Huidige toepassingen zijn velerlei, zoals het bewaken van de juiste positie en verhouding van ingrediënten op bereide voedingsmiddelen zoals pizza, de juiste positionering van etiketten op verpakkingen, inspectie van containers op schade of lekkage en 'intelligente' automatisering van chemische analyses. 33 Procesbeheersing: principes en evolutie Deze systemen bieden als voordeel verlaging van de arbeidskosten, vermindering van productiefouten en dus ook verspilling, hogere productiesnelheden en het genereren van verbeterde, nauwkeuriger informatie voor productie, planning en verkoopprognoses. Fig. 2-4. Een neuraal netwerk zijn wiskundige algoritmen die gericht zijn op het nabootsen van de manier waarop neuronen in ons zenuwstelsel werken. Het zijn in wezen algoritmen voor het aanpassen van grote curves, die vergelijkingen aanpassen totdat de voorspelling overeenkomt met de werkelijkheid. De ANN's zijn een opkomende computertechnologie die kan worden gebruikt in een groot aantal toepassingen, zoals besturing, monitoring en modellering, herkenning, detectie en onderzoek naar patronen, voorspelling online, beeldverwerking, optimalisatie en signaalverwerking. Deze toepassingen kunnen op verschillende gebieden worden gebruikt, zoals productie van productie, landbouw..., zaken, marketing, geneeskunde, transport, energie, enz... Enkele voorbeelden zijn:  classificatie van appels in real-time door middel van digitale afbeeldingen, analyse van textuur en kleur,  defectdetectie op kersen  patroonherkenning van vruchtvorm  online voorspellen van de kwaliteit van het product of van tijdsafhankelijke procesparameters Vooruitgang in neurale systemen, samen met vision-systemen, drukgevoelige grijpers en lasergeleidingssystemen vinden hun toepassing in robotica. Productielijnrobots hebben tot nu toe toepassingen gevonden bij diverse bewerkingen vanaf de oogst tot de verpakking, palletiseren. De correctheid waarmee deze zaken wordt uitgevoerd is groot, als men weet dat robotchirurgie in volle ontwikkeling is (en België is een koploper hierin). 34 Procesbeheersing: principes en evolutie 35 Proces meetinstrumenten of sensoren 3 Proces meetinstrumenten of sensoren 3.1 Meting van het vloeistofdebiet Eén van de belangrijkste variabelen die moet worden gemonitord binnen de downstream verwerking van biologische hulpbronnen is die van de stroming. Nauwkeurige en betrouwbare informatie over productstromen, additieven, verwarmings- en koelmedia is van vitaal belang voor een efficiënte procescontrole en de kwaliteit van het eindproduct. Het aantal beschikbare debietmeettechnieken om uit te kiezen is zeer groot en vaak is het voor de procesingenieur moeilijk om voor elke toepassing te beoordelen welke techniek moet worden gebruikt. Bij de keuze van een debietmeter moet rekening worden gehouden met veel verschillende factoren, zoals - nauwkeurigheid - invloed van de vloeibaarheid van de stromen - lijncapaciteit - milieu - aankoop- en installatiekosten - slijtage en onderhoud - Om deze taak te vergemakkelijken, is dit hoofdstuk opgesplitst in twee verschillende applicaties met verschillende niveaus van toepassingscriteria: 1. Procesmeting: monitoring, controle, wegen en bewerken van het basisproduct, additieven en ingrediënten. 2. Services of voorzieningen: meting, beheer en controle van bv (koel)water-, stoom- en gasstroommeting (niet direct contact met de productstroom Beide gebieden zijn even belangrijk; Procesmeting voor de kwaliteit van het eindproduct en meting van de voorzieningen voor een efficiënte en effectieve werking van de installatie. 36 Proces meetinstrumenten of sensoren 3.1.1 Procesmeting Het meten van producten bestemd voor menselijke en dierlijke consumptie (voeding, additieven, farma) brengt eigen speciale eisen met zich mee. Hygiëne is in deze processen erg belangrijk en de “natte” delen van de meter, in contact met het product, moeten worden vervaardigd uit geschikte materialen, die glad en gemakkelijk schoon te maken zijn. We verwijzen naar EHEDG om het belang van het ontwerp van de apparatuur voor hygiënische doeleinden toe te lichten. De European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) is een consortium van fabrikanten van apparatuur, voedingsindustrieën, onderzoeksinstituten en volksgezondheidsinstanties en werd in 1989 opgericht met als doel de hygiëne tijdens de verwerking en verpakking van voedingsmiddelen te bevorderen. Het belangrijkste doel van EHEDG is het bevorderen van veilig voedsel door het verbeteren van hygiënische engineering en ontwerp in alle aspecten van de voedselproductie. EHEDG ondersteunt actief de Europese wetgeving, die vereist dat het hanteren, bereiden, verwerken en verpakken van voedsel hygiënisch gebeurt met behulp van hygiënische machines en in hygiënische ruimten (EG-richtlijn 2006/42/EG voor machines, EN 1672-2 en EN ISO 14159 Hygiënevereiste). De EHEDG-missie wordt gedefinieerd als: "EHEDG maakt veilige voedselproductie mogelijk door als autoriteit richtlijnen te geven op het gebied van hygiënische engineering en ontwerp voor voedsel dat in Europa wordt vervaardigd of geïmporteerd". De missie maakt integraal deel uit van de EHEDG-statuten, die de afgelopen jaren grondig zijn herzien en in januari 2014 opnieuw zijn gelanceerd. Zie www.ehedg.org voor meer informatie 37 Proces meetinstrumenten of sensoren Het ontwerp van de meter moet gericht zijn op het minimaliseren van dode ruimtes, en de meter zou idealiter bestand moeten zijn tegen reiniging (en sterilisatie) zonder demonteren, bij temperaturen tot 150°C, hetzij door hete CIP-oplossing of SIP (sterilisatie ter plaatse) (zie 2.1). Als het apparaat niet ter plaatse kan worden gereinigd, moet het ook gemakkelijk kunnen worden gedemonteerd om het reinigen te vergemakkelijken. Vloeistofeigenschappen, waaronder een hoge viscositeit of meegevoerde vaste stoffen, vereisen niet-obstructieve metingen. Producten kunnen vaak stollen bij lage temperatuur (bijvoorbeeld gehydrogeneerde oliën), dus afhankelijk van het ontwerp van de meter kan een vorm van heat tracing nodig zijn. Aan de andere kant moeten bv. gekoelde zuivelproducten en bieren op lage temperatuur worden gemeten en kan er condensatie optreden op de meetapparatuur. Bescherming van de meters tegen de omgeving is daarom belangrijk, vooral als je bedenkt dat de meters ook vaak worden afgespoten tijdens het reinigen van de procesruimte. De te behandelen producten zijn vaak van hoge waarde en moeten daarom nauwkeurig en betrouwbaar worden gecontroleerd. Zo zijn bv binnen brouwerijen meters nodig voor boekhoudkundige (accijnzen) doeleinden, wanneer het gaat om de verkoop van producten en ook, in zo goed als alle andere productieprocessen, voor de interne massabalans van producten. De productie vertrekt namelijk meestal van bulkopslag naar de verschillende proceslijnen binnen de fabriek. Idealiter zou het instrument geen bewegende delen mogen hebben, dus zonder lagers of draaipunten die kunnen slijten. Onderhoud kan dus worden verminderd of zelfs geëlimineerd, wat zorgt voor betere prestaties en betrouwbaarheid op lange termijn. Deze basiscriteria beperken de keuze van de procesingenieur voor meetapparatuur tot slechts enkele technieken: het verdringertype en turbinemeter, of de moderne typen, zoals elektromagnetische of Coriolis flowmeter. 3.1.1.1 Positieve displacement meters Een positieve “verplaatsingsmeter” is een type debietmeter waarbij bewegende vloeistof nodig is om componenten in de meter mechanisch te verplaatsen. 38 Proces meetinstrumenten of sensoren Positieve verplaatsingsmeters (PD) meten het volumedebiet van een bewegende vloeistof of gas door de media te verdelen in vaste, gemeten volumes (eindige stappen of volumes van de vloeistof) die per tijdseenheid door de leiding gaan. Deze apparaten bestaan uit een kamer(s) die de vloeistofstroom belemmert en een roterend of heen en weer bewegend mechanisme dat de doorgang van hoeveelheden met een vast volume mogelijk maakt. Het aantal “volumes” dat door de kamer gaat, bepaalt het volume. De omwentelingssnelheid bepaalt het debiet. Er zijn twee basistypen verdringerflowmeters. Sensorsystemen of transducers die elektronische ouputs leveren voor processors, controllers of data-acquisitiesystemen. Hieronder worden enkele debietmeters met positieve verplaatsing voorgesteld. Vloeistof dwingt de meter om te draaien/bewegen. Elke omwenteling komt overeen met een vast volume vloeistof. Het tellen van de omwentelingen totaliseert het volume en de snelheid van de omwentelingen is evenredig met de stroom. Complete sensorsystemen bieden extra mogelijkheden, zoals een geïntegreerd display en/of gebruikersinterface. Voor beide typen verdringerstroommeters omvatten de prestatie-specificaties: het minimaal en maximaal meetbare debiet, de werkdruk, het temperatuurbereik, de maximaal toegestane viscositeit, de aansluitgrootte/afmetingen en de procentuele nauwkeurigheid (meestal als een percentage van de werkelijke aflezing, niet als volledige schaal). Leveranciers geven aan of apparaten zijn ontworpen om vloeistof of gas (eerder voorzieningen) te meten. Voordelen en overwegingen  zijn zeer nauwkeurig en hebben een hoge turndown ratio.  kunnen zowel vloeistoffen als gassen meten.  kunnen worden gebruikt in zeer stroperige, vuile en corrosieve vloeistoffen en vereisen in wezen geen rechte leidingen voor het conditioneren van de vloeistofstroom, hoewel drukval een probleem kan zijn.  worden veel gebruikt bij het overbrengen van oliën en vloeibare vloeistoffen (benzine) en worden ook toegepast op aardgas- en watermeting in woonhuizen. 39 Proces meetinstrumenten of sensoren Turndown Ratio = maximum flow / minimum flow Als een bepaalde flowmeter bijvoorbeeld een 50:1 turndown ratio heeft, is de flowmeter in staat om nauwkeurig te meten tot op 1/50 ste van de maximale flow. Dus, stel dat een flowmeter een volledige schaalwaarde van 20 liter/min heeft, dan meet de flowmeter tot 0,4 liter/min van de flow. Soorten verplaatsingsmeters Oscillerende schijf: Wortels (roterende lob): Roterende klep: Roterende waaier: Fig 3-1 Werkingsprincipe van een positieve verdringerstroommeter 40 Proces meetinstrumenten of sensoren 3.1.1.2 Turbine debietmeter De turbinedebietmeter (beter omschreven als een axiale turbine) vertaalt de mechanische werking van de turbine die in de vloeistofstroom rond een as draait in een door de gebruiker afleesbaar debiet (l/min bv.). Het turbinewiel wordt in het pad van de vloeistofstroom geplaatst. De stromende vloeistof botst op de turbinebladen, waardoor kracht op het bladoppervlak wordt uitgeoefend en de rotor in beweging wordt gebracht. Wanneer een constante rotatiesnelheid is bereikt, is de snelheid evenredig met de vloeistofsnelheid. Fig 3-2 Turbine debietmeter Fig 3-3 De meter van de turbine (https://www.youtube.com/watch?v=S0P8oU9ykc8) Turbinedebietmeters worden gebruikt voor het meten van de aardgas- en vloeistofstroom. Turbinemeters zijn bij lage stroomsnelheden minder nauwkeurig dan verplaatsingsmeters, maar het meetelement neemt hier niet de volledige leiding in beslag, noch beperkt het in erge mate de doorstroming De stroomrichting is over het algemeen recht door de meter, waardoor hogere stroomsnelheden en minder drukverlies mogelijk zijn dan bij verplaatsingsmeters. Ze zijn bij uitstek geschikt voor grote commerciële gebruikers, brandbeveiliging en als hoofdmeters voor het waterdistributiesysteem. Over het algemeen moeten zeven of strainers voor de meter worden geïnstalleerd om het meetelement te beschermen tegen grind of ander vuil dat bv in het waterdistributiesysteem zou kunnen komen. Turbinemeters zijn over het algemeen verkrijgbaar voor buismaten van 4 tot 30 cm of hoger. Turbinemeterbehuizingen zijn meestal gemaakt van brons, gietijzer of nodulair gietijzer1. Interne 1 Ductile iron = nodulair gietijzer – met magnesium verrijkt gietijzer met grotere buigbaarheid en onbreekbaar 41 Proces meetinstrumenten of sensoren turbine-elementen kunnen plastic of niet-corrosieve metaallegeringen zijn. Ze zijn nauwkeurig in normale werkomstandigheden, maar worden sterk beïnvloed door het stromingsprofiel en de vloeistofomstandigheden. 3.1.1.3 Elektromagnetische debietmeters (magmeter of electromag) Het werkingsprincipe van de elektromagnetische flowmeter is gebaseerd op de wet van Faraday van elektromagnetische inductie. Wanneer een elektrische geleider in een magnetisch veld beweegt, wordt er een spanning in geïnduceerd. Fig 3-4. Elektromagnetische debietmeter http://www.toshiba.co.jp In de meter is de vloeistof (!) zelf de elektrische geleider. Het magnetische veld wordt opgewekt door spoelen die aan de buitenkant van de buis die de vloeistof vervoert zijn gemonteerd. De spoelen worden bekrachtigd en aangestuurd door de bedieningselektronica van de meter. Het opgewekte magnetische veld werkt in op de vloeistof die in de buis stroomt, en er wordt een spanning geïnduceerd tussen een electrodenpaar dat haaks op de richting van het magnetische veld zijn geplaatst De spanning E is evenredig met de snelheid V, of gemiddelde snelheid van de vloeistof. De spanning wordt gemeten in een geïsoleerde geleider. Eind = - B.D.v E = de geïnduceerde spanning, B magnetisch veld (Tesla), D Diameter van de buis, V de snelheid van de vloeistof in m/s 42 Proces meetinstrumenten of sensoren Het geproduceerde signaal is onafhankelijk van veranderingen in vloeistofdichtheid, viscositeit, druk en temperatuur en vormt de ideale meetbasis voor alle geleidende vloeistoffen. Fig 3-5 Voorbeeld van een elektromagnetische flowmeter (www.onicon.com) Omdat de meter zelf gemonteerd wordt in de leiding (en perfect aansluit als deel er van) is er geen obstructie ter hoogte van het meetpunt en kan hij dus niet goed vloeibare producten zoals bv bier- , water- en melkstromen bewaken, maar ook het debiet van complexere producten zoals yoghurt, melasse of rijstpudding nauwkeurig bepalen zonder het product te beschadigen. Vanwege het directe contact met het product zijn de delen van het apparaat die in contact komen met het product, voor hygiënische toepassingen over het algemeen gemaakt van PFA/PTFE2 en roestvrij staal. 2 PFA, of Perfluoralkoxy, is een soort fluorpolymeer. Het heeft zeer vergelijkbare eigenschappen als het meer gebruikelijke polytetrafluorethyleen (PTFE), de meer algemeen bekende vorm van teflon. 43 Proces meetinstrumenten of sensoren 3.1.1.4 Coriolis-massaflowmeters In tegenstelling tot de andere beschreven technieken, die volumetrische meters zijn, is de Coriolis- een massaflowmeter. Dit wil zeggen dat hij het debiet direct in termen van massa. Dit biedt de procesingenieur een kosteneffectieve in-line methode om het product dynamisch te wegen in het proces. Fig 3-6 Principe van Coriolis-massaflowmeter Het feit dat de output van de Coriolis-massaflowmeters direct gerelateerd is aan de massa, met aanduiding in kilogram of ton, geeft de meter een fundamenteel voordeel bij continue menging en procesbewaking, met name in situaties waarin het eindproduct op gewichtsbasis moet worden verkocht. De meter bevat een gebalanceerd oscillerend systeem dat bestaat uit twee tubes of buizen die oscilleren op hun natuurlijke frequentie. Zowel aan de inlaatzijde als aan de uitlaatzijde van de tubes is een sensor gemonteerd. Onder no-flow condities (stilstand) zijn de frequentiesignalen die door de sensoren worden bewaakt exact in fase met elkaar. Als de massa van de vloeistof door de meter begint te stromen, treedt er een vervorming van de geometrie van de meter op, wat resulteert in een faseverschil tussen de inlaat- en uitlaatsensor. Dit faseverschil is recht evenredig met het massadebiet van de vloeistof. Ook is een dichtheidsmeting mogelijk omdat de resonantiefrequentie van de buizen direct gerelateerd is aan de massa vloeistof in de buizen. 44 Proces meetinstrumenten of sensoren De massastroom van een u-vormige Coriolis-flowmeter wordt gegeven als: waarbij Ku de temperatuurafhankelijke stijfheid van de buis is; K een vormafhankelijke factor, d de dikte τ het tijdsverloop, ω de trillingsfrequentie Iu de traagheid van de buis. Massaflowmetingen zijn afhankelijk van de trilling van de buis. De kalibratie wordt beïnvloed door veranderingen in de rigiditeit/stijfheid van de stromingsbuizen. Veranderingen in temperatuur en druk zullen ervoor zorgen dat de stijfheid van de buis verandert, maar deze kunnen worden gecompenseerd door druk- en temperatuurcompensatiefactoren. Bijkomende effecten op de stijfheid van de buis zullen in de loop van de tijd verschuivingen in de kalibratiefactor veroorzaken als gevolg van degradatie van de stromingsbuizen. Deze effecten omvatten putjes, scheuren, coating, erosie of corrosie. Het is niet mogelijk om deze veranderingen dynamisch te compenseren, maar door regelmatige meterkalibratie of verificatiecontroles kunnen de effecten gemonitord worden. Als een wijziging wordt waargenomen die echter nog steeds acceptabel is, kan de afwijking worden opgeteld bij de bestaande kalibratiefactor om een continue nauwkeurige meting te garanderen. In het andere geval is de meter aan vervanging toe 45 Proces meetinstrumenten of sensoren 3.1.2 Meten van energiegebruik Het succesvol monitoren van services/voorzieningen zoals stoom, is eveneens van groot belang. Het meten is vooral gericht op energiemanagement, zoals de mogelijkheid om de kosten te beheersen. De meter zelf bespaart geen geld, maar door historische trends te registreren, geeft hij de operator belangrijke informatie met betrekking tot het gedrag en de efficiëntie van de plant. Voor warm- en koudwatertoevoer is de eerder in dit hoofdstuk beschreven elektromagnetische debietmeter populair omdat deze een goede nauwkeurigheid biedt tegen een lage prijs. Als een massastroomsnelheid van gassen vereist is, moet een thermische gasmassaflowmeter worden overwogen. Een andere optie is het gebruik van de Vortex shedding meter. 3.1.2.1 Thermische massaflowmeters (thermische dispersie) Thermische massaflowmeters gebruiken over het algemeen combinaties van verwarmde elementen en temperatuursensoren om het verschil tussen statische en stromende warmteoverdracht naar een fluïdum te meten en op basis van de specifieke warmte en de dichtheid, het debiet af te leiden. De temperatuur bij de sensoren varieert afhankelijk van de massastroom. Fig 3-7 Thermische massaflowmeters Ook de vloeistoftemperatuur wordt gemeten en gecompenseerd. Als de dichtheid en specifieke warmtekarakteristieken van het fluïdum constant zijn, kan de meter een directe uitlezing van de massastroom geven en heeft hij geen extra druk/temperatuurcompensatie nodig over het gespecificeerde bereik. Thermische massaflowmeter (ook wel thermische dispersieflowmeter genoemd) technologie wordt gebruikt voor perslucht, stikstof, helium, argon, zuurstof en aardgas. In feite kunnen de meeste gassen worden gemeten, zolang ze maar redelijk schoon en niet-corrosief zijn. Voor agressievere 46 Proces meetinstrumenten of sensoren gassen kan de meter worden gemaakt van speciale legeringen (bijv. Hastelloy inclusief Ni + Mb, Cr..), en het voordrogen van het gas helpt ook om corrosie te minimaliseren. Tegenwoordig worden thermische massaflowmeters gebruikt in een toenemend aantal toepassingen, zoals chemische reacties of toepassingen van warmtetransfer die moeilijk te realiseren zijn met andere debietmeters. Dit komt omdat thermische massaflowmeters variaties in een of meer van de thermische karakteristieken (temperatuur, thermische geleidbaarheid en/of soortelijke warmte) van gasvormige media bewaken om het massadebiet te bepalen. 3.1.2.2 Vortex debietmeters Vortex-flowmeters, ook wel vortex-shedding (letterlijk = afstotend) flowmeters of oscillerende flowmeters genoemd, meten de trillingen van de stroomafwaartse vortexen die worden veroorzaakt door een obstructie of barrière (bluff body) die in een bewegende stroom is geplaatst. De trillingsfrequentie van de vortex-shedding kan dan worden gerelateerd aan de stroomsnelheid. Fig. 3-8 Principe van de Vortex shedding stroommeter (boven met oscillerend element, onder contactloos) (http://www.efunda.com) 47 Proces meetinstrumenten of sensoren Wanneer een vloeistof continue over een geïsoleerde cilindrische vaste barrière stroomt en het Reynoldsgetal groot is, minstens ongeveer 50, worden aan de stroomafwaartse kant vortexen gecreëerd. Deze vortexen lopen in twee “rollen” achter de cilinder aan, afwisselend vanaf de boven- of onderkant van de cilinder. Dit vortexpad wordt de “von Karman-vortexstraat” of Karman-straat genoemd, naar von Karman's wiskundige beschrijving van het fenomeen uit 1912. Fig 3-9 De Von Karman Vortex-straat De Von Karman-straat heeft twee belangrijke invloeden op het werkingsprincipe van vortex- debietmeters: 1. De frequentie van vortex-shedding is duidelijk en is gerelateerd aan het Reynoldsgetal (stroomsnelheid, viscositeit van vloeistof en de diameter van de cilinder). 2. De frequentie van vortex-shedding is gelijk aan de trilling van het oscillerend element of de frequentie van drukverandering op een contactloze meetcel en recht evenredig aan de snelheid van de vloeistof (indien temperatuur en dichtheid gekend zijn kan de massastroom berekend worden). Von Karman toonde aan dat de frequentie afhankelijk is van de flow van de vloeistof. f = S. V / Dc Dimensionale analyse toont aan dat de frequentie van de shedding van de vortex fv wordt bepaald door het Strouhal-getal van het vortexpatroon, waarbij Dc de diameter van de cilinder of breedte van de barrière is en V de stroomsnelheid. Het Strouhal-getal is een afhankelijke variabele van het Reynoldsgetal. Experimenteel onderzoek toont echter aan dat het Strouhal-getal ongeveer constant is over een breed bereik van het Reynoldsgetal (102 ~ 107). Het Strouhal-getal is ongeveer 0,18 voor een cilinder met een Reynolds- getallenbereik van 300 ~ 107. De snelheid kan dus worden gevonden door: 48 Proces meetinstrumenten of sensoren Merk op dat het stroomsnelheidsprofiel, de vorm van de bluff (barrière) en de verhouding van de doorsnede van de bluff Dc tot de pijp D allemaal van invloed zijn op het Strouhal-getal. Correctiefactoren zouden moeten in rekening worden gebracht (zie onderstaande tabel) Het Strouhal-getal S kan experimenteel worden bepaald. Enkele veel voorkomende Strouhal-nummers worden hieronder vermeld voor referentiedoeleinden. De bluff is ofwel een cilinder of een vierkante obstructie. Tabel : enkele verhoudingen van bluff/buis diameter en relatie tot Strouhalfactor Dc/D S 0.1 0.18 0.3 0.26 0.5 0.44 http://www.efunda.com/designstandards/sensors/thermocouples/thmcple_intro.cfm De bovenstaande formules gaan uit van een steady-state stroomopwaartse stroom. Storingen aan de stroomopwaartse zijde kunnen de afscheidingsfrequentie van de vortex beïnvloeden en leiden tot meetfouten. 3.1.2.3 Drukverschil systemen Het primaire element van de “differentiële drukmeters” is gewoon een restrictie in de leiding, waarover een drukverschil wordt geproduceerd. Dit verschil wordt gemeten door drukverschil- meter en dit wordt gebruikt als indicatie van het debiet. Er bestaat een grote verscheidenheid aan primaire elementen, maar verreweg de meest voorkomende is de openingsplaat (orifice). Openings- of orifice plaat: Een vlakke plaat met een opening wordt in de buis loodrecht op de stroming geplaatst. Terwijl de stromende vloeistof door de openingsplaat gaat, veroorzaakt de beperkte doorsnede een toename van de snelheid en een afname van de druk. Het drukverschil voor en na de openingsplaat wordt gebruikt om de stroomsnelheid te berekenen. 49 Proces meetinstrumenten of sensoren Fig. 3-10Verschildrukmetingen met doorlaatplaat (http://www.efunda.com) Andere elementen worden meestal alleen geselecteerd wanneer drukverliezen in de leiding tot een minimum moeten worden beperkt, bijvoorbeeld pitotbuizen, die het verschil (h) meten tussen de totale (Pt in b) en statische druk (Ps in a) in een leiding en op basis hiervan kan de flow (wet van Bernouilli) worden berekend. Fig 3-11 Verschildrukmetingen met pitotbuis Berekening van het debiet op basis van de wet van Bernouilli 50 Proces meetinstrumenten of sensoren 3.2 Bulk Flow meting 3.2.1 Massaflowmeting op basis van impact Fig. 3-12 Elevator en transportband uitgerust met een op impact gebaseerde massaflowmeter Graanmassastroom wordt het meest gemeten in elevatoren (verticale transportsystemen) met behulp van een loadcell (of weegcel - zie verder) die zich bevindt aan een impactplaat die is bevestigd aan de bovenkant van de elevator. Terwijl de peddels van de graanelevator rond de bovenkant van de graanelevator draaien, wordt het graan door middelpuntvliedende kracht uit de elevator verdreven en komt het in contact met de impactplaat. Hetzelfde principe wordt getoond in fig 3.12 voor een transportband. De kracht die door het graan wordt uitgeoefend, wordt door de loadcell omgezet in een elektrisch signaal3 dat wordt gebruikt om de massastroom van het graan te schatten. Er is een kalibratie van de sensor nodig om een relatie te ontwikkelen tussen de amplitude van het elektrische signaal en de massastroom van de granen. De snelheid van de graanelevator wordt ook gemeten en gebruikt bij de kalibratie aangezien de elevator een directe invloed heeft op de hoeveelheid kracht die wordt uitgeoefend op de impactplaat en de loadcel. Dit is tegenwoordig de meest gebruikelijke methode voor het meten van de graanstroom bij de oogst en er bestaan in verschillende variaties. 3 Een load cell is een transducer die wordt gebruikt om een elektrisch signaal te creëren waarvan de grootte recht evenredig is met de kracht die wordt gemeten. 51 Proces meetinstrumenten of sensoren Fig 3-13 Op impact gebaseerde massaflowmeter in het transport van bv granen. Nauwkeurigheid en kalibratie De impactmeter moet worden gekalibreerd om een nauwkeurige schatting van de flow te geven op basis van het elektrische signaal dat door de loadcell wordt geproduceerd. Sommige van deze kalibratiemodellen zijn zo eenvoudig als een lineaire enkelpuntskalibratie. Verbeteringen op dit gebied hebben geresulteerd in het gebruik van meerpuntskalibratie om een nauwkeurigere karakterisering van de loadcell respons te bieden. Verschillende factoren zijn van invloed op de nauwkeurigheid van de kalibratie die verder gaat dan de kalibratie zelf. Ophoping van materiaal op de impactplaat kan ertoe leiden dat de respons van de loadcell op het botsende graan wordt gedempt, waardoor de respons van de loadcell afneemt. Slijtage van de impactplaat kan ook leiden tot een vermindering van de nauwkeurigheid van een kalibratie. 52 Proces meetinstrumenten of sensoren 3.2.2 Band wegen Een bandweger wordt gebruikt om de massa van het materiaal te meten dat over een transportband (onafhankelijk van de lengte van de band) wordt vervoerd. Deze worden ook wel bandweegschalen, dynamische weegschalen, transportbandweegschalen en in-motion wegers genoemd. Veel van deze wegers zijn een actief onderdeel van de processtroomregeling van de transportband. Een bandweger vervangt een kort deel van het ondersteuningsmechanisme van de band, dat een of meer sets transportrollen kunnen zijn, of een kort deel van het kanaal of de plaat. Het gewogen deel is gemonteerd op loadcellen. De massa die door de loadcellen wordt gemeten, wordt samen met de bandsnelheid (zie figuur onder) gebruikt om de massa van het materiaal dat op de band beweegt te berekenen, rekening houdend met de massa van de band zelf. Bandwegers bevatten over het algemeen de benodigde elektronica om deze berekening uit te voeren, vaak in de vorm van een klein geïndustrialiseerd microprocessorsysteem. Een bandweger wordt normaal gesproken gemonteerd in een goed ondersteund recht deel van de band, zonder verticale of zijwaartse kromming, en zo horizontaal als mogelijk en perfect uitgelijnd om te voorkomen dat de meting negatief beïnvloed wordt. Vanwege de variatie in de riemspanning moet regelmatig een controlekalibratie worden uitgevoerd. De output van bandwegers is typisch:  pulsen met vooraf bepaalde massastappen  een analoog signaal dat evenredig is met het debiet Bovendien bieden sommige bandwegercontrollers functies zoals het aansturen van een uitgang om de band te stoppen wanneer een vooraf gedefinieerde massa materiaal is gemeten, of een reeks alarmen om aan te geven dat de band niet stroomt, de band slipt en de band stopt. Toepassingen zijn onder meer extractie van producten uit bovenliggende silo’s, continue mengprocessen, besturing van feeders met variabele snelheid, overslag, los en laadprocessen. 53 Proces meetinstrumenten of sensoren Fig. 3-14 Schematische weergave van een bandweegconstructie met load cell 3.2.2.1 Load cell Weegapparatuur maakt vaak gebruik van een load cell. Het is een transducer die wordt gebruikt om een kracht om te zetten in een elektrisch signaal. Deze conversie is indirect en gebeurt in twee fasen. Door een mechanische opstelling vervormt de kracht die wordt waargenomen een rekstrookje. De rekstrook meet de vervorming (rek) als een elektrisch signaal, omdat de rek de effectieve elektrische weerstand van de draad verandert. Een load cell bestaat meestal uit vier rekstrookjes in een Wheatstone brugconfiguratie. De uitgang van het elektrische signaal is meestal in de orde van enkele millivolts en vereist versterking door een instrumentatieversterker voordat deze kan worden gebruikt. De output van de transducer kan worden geschaald om de kracht te berekenen die op de transducer wordt uitgeoefend. De verschillende soorten load cells die er zijn, zijn onder andere hydraulische load cells, pneumatische load cells en strain gauge load cells. 54 Proces meetinstrumenten of sensoren Cijfer 3-15 Schematische load cell configuratie Een load cell is een "load transducer" die het gewicht of de belasting die erop inwerkt omzet in elektrische signalen. Een load cell bestaat uit een veerelement van aluminiumlegering, rekstrookjes (die als sensoren dienen) en een brugcircuit. De rekstrookjes zelf zijn op vier vlakken gelijmd, die in het veerelement aanzienlijk vervormd raken. De load cell detecteert de kracht van de vervorming als de spanning verandert. Cijfer 3-16 werkingsprincipe van een load cell op basis van de wet van Roberval en Hooke Configuratie van veerelementen Het veerelement wordt enigszins vervormd wanneer een gewicht wordt uitgeoefend. Als we naar de beweging van het veerelement kijken, kunnen we een algemene parallellogramconfiguratie herkennen, die het fenomeen van het Roberval-mechanisme aangeeft. Bovendien wordt het elastische gebied van aluminiumlegering gebruikt voor de brug, wat aangeeft dat aan de wet van Hooke is voldaan. Roberval-mechanisme In het geval van een balansweegschaal, als twee gelijke gewichten op ongelijke posities aan weerszijden van de schaalpan worden geplaatst, balanceert de weegschaal niet, gezien de ongelijke afstanden tot het draaipunt. Als de balk echter wordt toegevoegd om een parallellogram te vormen, zal de weegschaal balanceren, ongeacht de plaatsing van de 55 Proces meetinstrumenten of sensoren gewichten. Dit staat bekend als het Roberval-mechanisme. Cijfer 3-17 Roberval-mechanisme De wet van Hooke Het verschijnsel waarbij het materiaal lineair wordt vervormd op basis van kracht wordt de wet van Hooke genoemd. Materiaal dat dit gedrag vertoont, is elastisch. Cijfer 3-18 De wet van Hooke Cijfer 3-19 Principe van de load cell Wanneer een gewicht wordt toegepast, lijkt de vervorming het grootst te zijn op de vier dunste punten. Wanneer naalden op deze dunnere punten worden geplaatst, geven ze aan dat er spanning op bepaalde punten rust, terwijl andere punten compressie ervaren. Het gewicht dat op de load cell wordt uitgeoefend, kan worden gemeten aan de hand van de mate van vervorming. 56 Proces meetinstrumenten of sensoren Cijfer 3-20 De draad van de weerstand Cijfer 3-21 Vervorming van de weerstandsdraad De rekstrook wordt gebruikt om dergelijke vervorming te detecteren. Een fijne weerstandsdraad is in zigzagpatroon op een kleine chip gedrukt. Vervorming in de richting aangegeven door de pijl, dat wil zeggen variatie in spanning en compressie, wordt gedetecteerd als een verandering in elektrische weerstand. De draad op de rekstrook wordt dunner en langer wanneer eraan wordt getrokken, terwijl deze dikker en korter wordt wanneer deze wordt samengedrukt. Naarmate het dunner en langer wordt, neemt de weerstand toe. Terwijl de draad dikker en korter wordt, neemt de weerstand af. 3.2.3 Doppler ultrasone debietmeters Doppler ultrasone flowmeter is gebaseerd op het Doppler-effect om de frequentieverschuivingen van akoestische golven te relateren aan de stroomsnelheid. Er zijn meestal partikels in de stroom nodig om de golven te reflecteren. De vuistregel is 25 mg/l zwevende vaste stof of bellen met een diameter van 30 μm of groter voor transducers van 1 MHz of hoger4. Transducers met een lagere frequentie kunnen "vuilere" vloeistofcondities vereisen. Fig 3-22 Doppler ultrasone flowmeter De Doppler-formule voor een geluids- of lichtbron met frequentie f, die met een snelheid V naar de waarnemer toe beweegt, is 4 Een transducer is een apparaat dat de ene vorm van energie omzet in de andere. Energietypen omvatten (maar zijn niet beperkt tot): elektrische, mechanische, elektromagnetische (inclusief licht), chemische, akoestische en thermische energie. 57 Proces meetinstrumenten of sensoren Waarbij c de snelheid van het geluid of licht is en V de snelheid van de vloeistof. Aangezien het ingangssignaal van de transducer een hoek θ vormt met de stroomrichting, moet de snelheid V worden vervangen door de geprojecteerde snelheid V. cos θ. De akoestische golven die stroomopwaarts (fu) en stroomafwaarts fd bewegen, hebben de waargenomen frequenties. Het verschil in frequentie is Of aangezien de stroomsnelheid V veel kleiner is dan de geluidssnelheid c in de vloeistof. Door de bovenstaande vergelijking te herschikken, kan de stroomsnelheid worden geschreven als een functie van het frequentieverschil 3.2.4 Transittijd ultrasone debietmeter 58 Proces meetinstrumenten of sensoren Een paar (of paren) transducers, elk met een eigen zender en ontvanger, worden op de buiswand geplaatst, de ene (set) stroomopwaarts en de andere (set) stroomafwaarts. De tijd, die akoestische golven nodig hebben om van de stroomopwaartse transducer naar de stroomafwaartse transducer te reizen (td) is korter dan de tijd die nodig is om dezelfde golven van de stroomafwaartse naar de stroomopwaartse (tu) te reizen. Hoe groter het verschil, hoe hoger de stroomsnelheid. Fig. 3-23 Transittijd ultrasone flowmeter TD en TU kunnen in de volgende vormen worden uitgedrukt: waarbij c de geluidssnelheid in de vloeistof is, V de stroomsnelheid, L de afstand tussen de transducers en θ de hoek tussen de stroomrichting en de lijn gevormd door de transducers. Het verschil tussen td en tu is 59 Proces meetinstrumenten of sensoren waarbij X de geprojecteerde lengte van het pad langs de leidingrichting is (X= L. cos θ). Ter vereenvoudiging nemen we aan dat de stroomsnelheid V veel kleiner is dan de geluidssnelheid, Dus vereenvoudigd, bekomt men Of Merk op dat de snelheid van het geluid c in de vloeistof wordt beïnvloed door vele factoren, zoals temperatuur en dichtheid. Het is wenselijk c uit te drukken in termen van de transittijden td en tu om frequente kalibraties te vermijden: 60 Proces meetinstrumenten of sensoren De snelheid van het geluid c wordt De stroomsnelheid is nu alleen nog een functie van de transducer-lay-out (L, X)) en de gemeten transittijden tu en td. 61 Proces meetinstrumenten of sensoren 3.3 Niveaumeting en -detectie Het regelen van vloeistofniveaus, bijvoorbeeld in een procestank, is een belangrijke functie. Een voorbeeld is een warmwatertank waar water wordt afgenomen door een wasproces, en waarin het niveau moet worden hersteld, klaar voor de volgende wascyclus. De voorraad moet dus aangevuld worden. In de industrie worden veel verschillende soorten niveauregelingssystemen gebruikt, die een breed scala aan processen bestrijken. Sommige processen hebben betrekking op andere fluïda dan vloeistoffen, zoals droge poeders en chemische grondstoffen. Het scala aan media is zo breed dat geen enkel instrument geschikt is voor alle toepassingen. Er zijn veel sensoren beschikbaar om dit brede scala aan toepassingen te bedienen. De volgende opsomming is niet gelimiteerd. In de meeste gevallen zal de ouput worden gebruikt om pompen of kleppen te bedienen, aangepast aan de toepassing. In bepaalde gevallen werkt de sensor uitslotend of tegelijkertijd ook als alarm- melding.  Vlotterbediende typen - een vlotter stijgt en daalt volgens de verandering in het vloeistofniveau en bedient “schakelaars” op vooraf bepaalde punten in het bereik. o Magnetische typen - een vlotter of kegel kan stijgen en dalen langs een roestvrijstalen sonde die wordt vastgehouden in de tankvloeistof die wordt

Deel 2 Procescontrole en Sensoren PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue