Hvordan tænker vi uddannelse i industriel...

55
Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen Technical University of Denmark Dansk Automationsselskab (Dau) Hvordan bygger vi IT ind i automationsuddannelserne October 25, 2017, Odense, Denmark

Transcript of Hvordan tænker vi uddannelse i industriel...

Page 1: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?

John Bagterp Jørgensen

Technical University of Denmark

Dansk Automationsselskab (Dau)Hvordan bygger vi IT ind i automationsuddannelserne

October 25, 2017, Odense, Denmark

Page 2: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Cyber-Physical Systems (CPS)

BIG DATA – MACHINE LEARNING – MODEL BASED CONTROL

Page 3: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Components of CPS

3

Information

Computation

Page 4: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Industry 4.0

Page 5: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Internet of Things

Page 6: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Computer Controlled Systems

Process

Sampler&

A-D

Computer

D-A

&

Hold

Communication Network

6

Page 7: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Software

Driver

Software

Driver

Software

Driver

Software

Driver

Display

Application

Trend

Application

MPC

Application

Communication: Read & Write

7

Page 8: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Software

Driver

Software

Driver

Software

Driver

Software

Driver

OPC Server OPC Server OPC Server OPC Server

Display

Application

Trend

Application

MPC

Application

OPC Client OPC Client OPC Client

Read & Write using OPC

(OPC UA)

8

Page 9: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Connection of MPC App to Plant

Industrial IT is accessing, monitoring and

controlling physical plant hardware

Target

CalculationRegulator

Estimator

b

xs, u

su

0

MPC

y0

x , bk k k=0

O

P

C

C

L

I

E

N

T

O

P

C

S

E

R

V

E

R

S

DCS System

PLC

Software

drivers for

measurement

devices

Other data

sources

Plant

Sensors

Lab

Analysis

9

Page 10: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Information Technology Infrastructure

Application

MPC 1

OPC Client

Application

MPC 2

OPC Client

OPC Server

DCS

System

OPC Server

PLC

OPC Server

Other Data

Source

OPC Server OPC Server

SAP / R3

OPC Client

ERP

OPC Client

SCADA

OPC Client

10

Page 11: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

MPC – Basic Idea

Estimation and

regulation problem

Moving horizon

implementation

11

Page 12: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Moving Horizon Control

Past Predicted Future

Setpoint

Predicted

Output

Input

Time

Page 13: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Moving Horizon Control

Past Predicted Future

Setpoint

Predicted

Output

Input

Time

Page 14: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Moving Horizon Control

Past Predicted Future

Setpoint

Predicted

Output

Input

Time

Page 15: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Moving Horizon Control

Past Predicted Future

Setpoint

Predicted

Output

Input

Time

Page 16: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Moving Horizon Control

Past Predicted Future

Setpoint

Predicted

Output

Input

Time

Page 17: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Moving Horizon Control

Past Predicted Future

Setpoint

Predicted

Output

Input

Time

Page 18: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Moving Horizon Control

Past Predicted Future

Setpoint

Predicted

Output

Input

Time

Page 19: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Role of MPC in the Operational Hierarchy

Plant-Wide Optimization

Unit 1

Local Optimizer

Unit 2

Local Optimizer

Model

Predictive

Control

(MPC)

High / Low

Select Logic

PIDLead

LagPID

SUM SUM

Unit 1 DCS

SISO PID Controls

Unit 2 DCS

SISO PID Controls

FC PC LCTC FC PC LCTC

Basic dynamic control

(every second)

Dynamic constraint control

(every minute)

Local steady state optimization

(every hour)

Global steady state optimization

(every day)

Make fine adjustments for

operating conditions of local units

Take each local unit to the

optimal condition.

Reject Disturbances.

19

Page 20: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Structure of

Optimizer & MPCSetpoints MVs

20

Page 21: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

MPC Structure

21

Page 22: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

MPC Structure

22

Page 23: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

MPC Structure

23

Page 24: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

MPC = PI + Decoupler

24

Page 25: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Technical Advantages of MPC

• Explicit process models allow control of difficult dynamics

– Dead-time (time delay)

– Inverse response

– Interactions (multivariate)

– Nonlinearity

• Optimization of future plant behavior handles

– Feedforward from measured or estimated disturbances

– Feedforward from setpoint changes and desired future trajectory

– Feedback

• Input and output constraints are handled by the controller

• Infrequent and irregular laboratory measurements

25

Page 26: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Optimal Operation is Close to Limits

Optimum operation point

Limits

P1

P2

Optimum close to constraints requires process optimization and advanced process control

Page 27: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

0 0.5 1 1.5 2 2.5 32

4

6

8

10

12

14

16

18

Economic Benefit of Process Control

No APC

APC reduces variation

Reduced variation allows operation closer to the limit

Limit

Target

Safety Margin

27

Page 28: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Economic Benefit of Process Control

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

500

1000

1500

2000

2500

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

2000

4000

6000

8000

10000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

2000

4000

6000

8000

10000

28

Page 29: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Economic Benefit of Process Control

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

500

1000

1500

2000

2500

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

2000

4000

6000

8000

10000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

2000

4000

6000

8000

10000

Economic value

added by

feedback control

Squeze

& Shift

29

Page 30: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-0.5

0

0.5

1

1.5

Co

ntr

olle

d

Va

ria

ble

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Time

Ma

nip

ula

ted

V

aria

ble

Rapid Product Change

30

Page 31: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

31

Industrial Implementation

Page 32: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Physical setup

PLC

Ethernet Network

Scada System

DRYCONTROL

Control room

Process area

OPC

GPDK

VPN

Costumer

Page 33: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

33

Physical setup

Page 34: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

GEA Process Engineering

Performance

22-10-2013, DRYCONTROL™

DRYCONTROL™ on

DRYCONTROL™ off

Residual Moisture %:

Exhaust Air Temperature:

Disturbances:

34

Page 35: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Step Response Experiments

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001

2

3

4

5

Me

asu

red

Ou

tpu

t

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001

1.5

2

Ma

nip

ula

ted

In

pu

t

Page 36: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001

2

3

4

5

Me

asu

red

Ou

tpu

t

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001

1.5

2

Ma

nip

ula

ted

In

pu

t

1 2

( 1)

( 1)( 1)( ) sK s

eT s T s

G s

Step Response Experiments

Page 37: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

37Identification of the

Deterministic and Stochastic Model

Page 38: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Software Architecture of APC

Model Identification

APCView

APCDatalogs

APCBox DCS / SCADA

DCS / SCADAGUIModel

Commands Status

Setpoints

Data

APControl

Page 39: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

APC Modules• APCBox

– MPC Algorithm

– Optimization Algorithm

• APCView

– Configuration

• Industrial PC Operating Systems

– Windows

– Linux

• Communication

– OPC

– TCP/IP

– UDP

Page 40: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Cement Mill

Control & Optimization

Page 41: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Central Control Building

Page 42: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Central Control Room

Page 43: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Opstation

Page 44: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

An Artificial Pancreas – A Closed Loop System

Page 45: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Components of a Closed Loop System

• Actuators- Insulin Pump- Insulin Pen

• Sensors- Continuous glucose sensor- Finger stick measurements (for calibration)

• Algorithms- Control Algorithm - Monitoring and Fault Detection Algorithms - Safety Algorithms

Page 46: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen
Page 47: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Clinical Closed Loop Studies

47

Page 48: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Clinical Closed Loop

48

OPEN-LOOP CLOSED-LOOP

Page 49: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Glucose - Mean and VariabilityOpen and Closed Loop

49

Meal

Page 50: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Challenges

50

OPEN-LOOP CLOSED-LOOP

Page 51: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

An Offshore Oil Reservoir

51

Page 52: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Mathematical Model

52

Page 53: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Closed-Loop Reservoir

Management

53

Page 54: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

Smart Energy Systems

54

Page 55: Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT?dau.dk/Content/file_knowledge_item/John_Bagterp_Joergensen_-_Ed… · Hvordan tænker vi uddannelse i industriel IT? John Bagterp Jørgensen

John Bagterp Jørgensen

Technical University of Denmark

E-mail: [email protected]

Thank You – Q & A