BENCHMARKOVÝ MODEL CHLADICÍHO ZAŘÍZENÍ V SUPERMARKETECH SUPERMARKET REFRIGERATION BENCHMARK MODEL

Transkript

1 BENCHMARKOVÝ MODEL CHLADICÍHO ZAŘÍZENÍ V SUPERMARKETECH D. Honc, F. Dušek Katedra řízení proceů, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Univerzita Pardubice Abtrakt Řízení rozáhlých ytémů je prakticky řešeno rozdělením na dílčí ubytémy a uzavřením regulačních myček obvykle bez ohledu na jejich vzájemné vazby. S nárůtem výpočetního výkonu, velikoti operační paměti a komunikačních možnotí automatizačních protředků e otevírají nové možnoti přitupovat k návrhu řízení ložitých ytémů komplexněji. Článek je věnován jednomu z benchmarkových proceů loužícímu pro analýzu, návrh a optimalizaci řízení hybridních ytémů. SUPERMARKET REFRIGERATION BENCHMARK MODEL Abtract Control of large ytem i practically treated by decompoition to ubytem and cloing individual control loop uually without conideration their cro effect. New potential to olve the control deign more complex arie becaue of increae of computational power, memory and communication poibilitie of automation intrument. The paper deal with one of the benchmark procee propoed for analyi, deign and optimization of hybrid ytem control. Úvod Přípěvek je věnován modelu chladicího zařízení v upermarketech, který byl vytvořen v rámci projektu HYCON v čáti Work Package 4b []. Jedná e o model chladicí kříně, běrného potrubí a kompreorů. Model je vytvořen v imulačním protředí Ecoim Pro a je možné ho používat z protředí MATLAB. Vlatní imulace však probíhá velmi pomalu - v Simulinku je použita S-funkce DLL knihovnou (výtupy jou vzorkované e zvoleným intervalem). Proto jme e rozhodli vytvořit vlatní model pouze nátroji Simulinku. Tento model je pojitý a imulace probíhá řádově rychleji než oficiálním modelem. Fyzické čáti zařízení jou předtavovány makovanými ubytémy. Součátí modelu jou i dvě kritéria kvality regulace, jejichž výpočet předtavuje při použití Simulinku zajímavý problém. Jedním kritériem je kvadratická plocha při překročení povolených mezí teploty a horní meze tlaku ve běrném potrubí a druhým kritériem je zohledněn počet zapnutí/vypnutí kompreorů a otevření/zavření expanzních ventilů. Model je využíván jednak k návrhu řízení a také při imulaci regulačních pochodů. Tradiční řízení využívá dvoupolohové regulátory teploty v chladicí kříni ovládající expanzní ventily a PI regulátor necitlivotí pro regulaci tlaku ve běrném potrubí chladicího média pomocí zapínání a vypínání kompreorů. Autoři projektu vyzývají k návrhu alternativních potupů k řízení tohoto hybridního ytému a jejich aplikaci, která bude ověřena nejprve na oficiálním modelu a do budoucna i na reálném laboratorním zařízení. Náš model může poloužit ve fázi hledání a ladění řešení, protože je rychlý a použitelný bez nutnoti intalace - celý model předtavuje jeden mdl oubor. Projekt HYCON je zaměřen na problematiku hybridních ytémů návrh íťových vetavěných řídicích ytémů, e kterými e můžeme etkat například v průmylové výrobě, dopravních ytémech, výrobě a ditribuci energie, komunikačních ytémech. Hybridní ytémy vyžadují ytematický přítup k analýze problému, modelování, imulaci, návrhu a optimalizaci řízení. Procey komunikují přímo nebo pře íť dalšími počítačovými ytémy a lidkými operátory. Selhání řídicího ytému může vét k degradaci kvality, ohrožení lidkého zdraví a životního protředí a tím způobit značné ekonomické ztráty. Vzájemné půobení čílicové techniky, komunikačních ytémů a fyzického zařízení vede ke vzniku poměrně ložitému dynamickému ytému, e kterým nelze pracovat intuitivně. V oučané době je vývoj takovýchto ytémů založen na rozáhlém tetování a čatých

2 iteracích bez garance kvality nebo alepoň bezpečnoti. Projekt HYCON je zaměřen na rozvoj metodologie pro návrh takovýchto ytémů a jejich aplikaci při řízení výroby, v průmylu, v automobilovém průmylu a komunikačních ítích. Síť HYCON i klade za cíl překlenout propat mezi tradičním přítupem k řízení a možnotmi řízení velkých ditribuovaných ytémů moderními metodami. Čát projektu Work Package 4b je věnována řízení průmylových ytémů. Počítačově řízené průmylové ytémy předtavují rozáhlé hybridní dynamické ytémy quai-pojitým ditribuovaným řídicím ytémem a logickým řízením, přepínáním režimů, najížděním do provozu atd. Ačkoliv je toto známo poměrně dlouho, není teorie hybridních ytémů používána v průmylové praxi. Zatímco exitují ofitifikované metody pro návrh regulace pojitých ytémů, dikrétní čáti, kterými jou bezpečnotní logika na nejnižší úrovni, trategie rekonfigurace, optimalizace logitiky, jou navrhovány bez pomoci formálních metod a čato bez jiné možnoti ověření než tetování a ad-hoc modifikace na reálném zařízení. Čát projektu WP4b je zaměřena na demontraci možnotí nových přítupů k hybridním ytémům tak, aby byl zlepšen proce návrhu a také výledné řízení. Oficiální model chladicího zařízení Model chladicího zařízení je benchmarkový model projektu HYCON v čáti věnované řízení průmylových ytémů. Jedná e o model chladicí kříně, běrného potrubí a kompreorů používaných v upermarketech viz obr.. záobník kapaliny běrač par ventil chladicí kříň kompreory kondenzační jednotka Obrázek : Schéma chladicího zařízení Několik chladicích kříní je napojeno na jeden okruh chladicího média. Aby bylo doaženo požadovaného výkonu kompreorové jednotky, je použito několik kompreorů paralelně. To umožňuje i lepší řízení tlaku ve běrném potrubí kvantifikací akčního záahu potupným zapínáním jednotlivých čerpadel. Model je připraven ve dvou konfiguracích: třemi chladicími kříněmi a třemi kompreory a jako rozlehlejší ytém deeti chladicími kříněmi a šeti kompreory. Oficiální verze modelu je vytvořena v imulačním jazyce Ecoim Pro. Pro použití v Simulinku je vytvořena DLL knihovna volaná pomocí bloku S-funkce viz obr..

3 Manipulated Var Controlled Var EcoModelSim.m Auxiliary Var Auxiliary Var model UVA Obrázek : Makovaný ubytém, maka a dialog S-funkce modelu Toto řešení ebou přináší určité problémy. Simulace chování uzavřeného regulačního obvodu je poměrně pomalá na tandardním PC trvá přibližně dvě hodiny. Simulační experiment obahuje dvě hodiny denního a dvě hodiny nočního režimu (celkový ča imulace je 4400 ) nejmenším příputným intervalem akčních záahů. Druhou nevýhodou je vznik algebraických myček v důledku použití S-funkce a tím například nemožnot přímo použít akcelerátor imulace. Vlatní model v Simulinku Na základě dokumentace k modelu [] jme e rozhodli vytvořit vlatní imulační model e třemi chladicími kříněmi a třemi kompreory pouze nátroji Simulinku. Model repektuje jednotlivé fyzické čáti zařízení, které jou předtavovány amotatnými ubytémy. Parametry jou zadávány pomocí maek. Přepi bilančních rovnic do blokových chémat je přímočarý a bezproblémový. Na obrázcích -5 je ukázka modelu chladicího zařízení a chladicí kříně. Supermarket refrigeration ytem x valve x T_air cenario <m_ref_cont> <Q_airload> Q_airload x T_air x T_air m_ref_cont cenario x valve x valve m_in_uc Three Diplay Cae m_in_uc x comp Supermarket refrigeration ytem x comp x comp V_comp Three Compreor V_comp Suction Manifold Obrázek : Subytém modelu chladicího zařízení

4 Diplay Cae F.D D.H -/M_good /Cp_good T_good _0 T_good good temperature Gain 5 Int T _good T_air_0 UA_good _air Gain Q_good_air Q_airload /M_air/Cp_air Gain Int T _air T_air T_air air temperature UA_air_wall Q_air_wall T_wall_0 Gain tate of the inlet valve 0/ valve valve Q_e Q_e /M_wall /Cp_wall Gain 4 Int T _wall T_wall T_wall evaporator wall temperature uction preaure T_wall m m refrigerant ma flow out of the evaporator Evaporator Obrázek 4: Subytém modelu chladicí kříně Obrázek 5 : Maka modelu chladicí kříně Protože má model loužit k návrhu optimálního řízení, je oučátí oficiálního modelu také výpočet kritérií kvality řízení. Prvním je kvadratická plocha vzdálenoti od povolených mezních hodnot vztažená na jednotku čau (počítaná při překročení maximální a minimální teploty vzduchu v chladicí kříni a maximálního tlaku ve běrném potrubí). Jinými lovy je požadováno, aby teplota nepřekračovala povolené meze, aby nedošlo k znehodnocení potravin a aby tlak ve běrném potrubí nepřekračoval maximální povolenou hodnotu, aby byl zajištěn dotatečný gradient tlaku při otevření

5 ventilů chladicích kříní a náledné expanzi chladicího média. Výpočet lze zajitit vhodným použitím bloků Saturation blok Simulinku je na obrázku 6. T_air_max <-inf, 0> *u^+9.4 *u T _uc() Saturation ep_ u Function Control PerformaceSaturation Average T_air quared ditance from the contraint per econd ep_t_air _max *u^+9.4 *u T_uc_max (_max ) T_air_min Saturation <0, inf> T_air ep_t_air u x T_air ep _T_air T_air ep_t_air ep _T_air T_air ep_t_air Function u Function u / Gain Integrator Delay Tapped Delay /700 Gain gama _con ep _T_air Function Obrázek 6: Subytém výpočtu kritéria při překročení povolených mezí Druhým kritériem je počet otevření/uzavření ventilů a zapnutí/vypnutí kompreorů opět vztažený na jednotku čau. Tím je zohledněna míra zatěžování kompreorů a ventilů v důledku zapínání čerpadel a otevírání ventilů (ventily jou penalizovány tokrát menší vahou než kompreory). Pro výpočet tohoto kritéria byly použity bloky Memory a Relational Operator pro rozpoznání změny ignálu a umaci změn viz obr. 7. detect change x valve Count change Count change number of valve witche 0 / Memory Control Performace ~= double Number of witche per econd Data Type Converion Relational Operator count of change Memory Count change 0.0 Gain Count change 4 number of compreor witche Delay /700 x comp Count change 5 Tapped Delay Gain gama _witch Count change 6 Obrázek 7: Subytém výpočtu kritéria četnoti změny akčních veličin Zajímají ná hodnoty kritérií zvlášť pro denní a zvlášť pro noční pracovní režim. Zapamatování hodnot je zajištěno pomocí bloku Tapped Delay na jehož výtupu je vektor o dvou prvcích první předtavuje hodnotu kritéria pře den a druhý v noci dialog a parametry bloku viz obr. 8.

6 4 Závěr Obrázek 8: Parametry bloku Tapped Delay Návrh řízení není tématem tohoto článku, ale pokud probíhá iteračně ať už na základě imulací a ladění pomocí pokuu-omylu nebo vlatního výpočtu akčního záahu, je rychlot imulace podtatnou vlatnotí. To je hlavní výhodou našeho modelu oproti oficiálnímu řešení v uzavřeném regulačním obvodu trvá imulace pouze několik vteřin. Změnu počtu chladicích kříní a kompreorů lze provét jednoduchou úpravou imulačního chématu a kopírováním připravených bloků. Vytvořený pojitý model má jako vtupy otevření/uzavření ventilů chladicích kříní a zapnutí/vypnutí kompreorů. Zvláštním vtupem je ignál předdefinovanými průběhy parametrů denního a nočního pracovního režimu cenario. Výtupem modelu jou teploty vzduchu v chladicích kříních a tlak ve běrném potrubí. Dalšími výtupy jou hodnoty kritérií kvality řízení denního a nočního režimu. Práce byly provedeny podporou výzkumného záměru MSM Řízení, optimalizace a diagnotika ložitých ytémů. Literatura [] A HYCON Benchmark Sytem on Supermarket Refrigeration, [] L. F. S. Laren, R. Izadi-Zamanabadi, R. Winiewki, C. Sonntag, SUPERMARKET REFRIGERATION SYSTEMS A BENCHMARK FOR THE OPTIMAL CONTROL OF HYBRID SYSTEMS, Ing. Daniel Honc, Ph.D. doc. František Dušek, CSc. Katedra řízení proceů a výpočetní techniky Fakulta elektrotechniky a informatiky Univerzita Pardubice nám. Č. legií Pardubice