FERM -- Chapter 8: Instrumentatie en Controle Flashcards
Waarom is procescontrole nodig?
Succes van fermentatie hangt af van de kennis van de precieze omstandigheden in de fermentatie die vereist zijn.
We willen dus begrijpen wat er gebeurt. Om dit te kunnen moeten we weten wat er allemaal aanwezig is op dat moment.
Met deze informatie kan men dan controleren of datgene aan het gebeuren is dat we willen en bijsturen indien nodig.
We kunnen dit dus gebruiken om bepaalde parameters constant te houden maar we kunnen ook het verloop van het proces bijhouden
Wat zijn de voornaamste parameters die we kunnen aanpassen?
Beluchting (O2 concentratie) Mengen (vermogen motor, rpm, ...) T (verwarmen/koelen) pH (additie zuur of base) Schuim (schuimcontrole )
Hoe kunnen we dit gaan monitoren en bijsturen?
De data verzamelen via bv sensoren. En deze koppelen aan het regelsysteem zodat er constant feedback is.
Welke 3 types sensoren worden gebruikt voor een fermentatieproces?
- Sensoren die in de fermentor doordringen zoals elektrodes voor pH. Deze zitten bv. vast aan de wand of in de leidingen
- Sensoren die men gebruikt voor het meten van stalen. Zoals de uitlaatgassen. Deze sensoren nemen dus echt een deel weg voor verdere analyse
- Sensoren die niet in contact komen met de inhoud van de fermentor (noch gassen noch medium). Zoals de gewichtsensoren onder de poten van de fermentor
Hoe noemt men de 3 types sensoren?
- In-line sensor: geintegreerd in de fermentor zelf. Dit kan men rechtstreeks linken met het procescontrolesysteem
- On-line sensor: geintegreerd in de fermentor, maar neemt een hoeveelheid staal, meet dit staal apart, verzamelt de data en stuurt het terug. Deze data moet ingegeven worden in het procescontrolesysteem.
- Off-line sensor: geen onderdeel van de fermentor zelf: Deze moet zelf extern gecontroleerd en ingegeven worden. Dit kan ook een staal zijn dat men neemt, en dan apart analyseert en dan zelf ingeeft.
Waar moet men zoal rekening mee houden bij het gebruik van sensoren?
Sensoren zijn niet perfect en zullen dus responstijd hebben, of ze moeten eerst gekalibreerd worden, ze hebben een bepaalde gevoeligheid, accuraatheid of hebben signaalversterking nodig etc.
Houd er ook rekening mee dat niet alle sensoren geschikt zijn voor automatisering. bv. een meter die puur gebaseerd is op fysische verschijnselen zoals een kwikthermometer kan niet gebruiken. Dus veel analoge meters kunnen niet gebruikt worden
Wat is het basisprincipe van controle?
Sensorsystemen linken met het controlesysteem d.m.v. een feedback loop.
De sensoren meten parameters sturen data naar het procescontrolesysteem. Dit zal dan indien nodig aanpassingen doen zodat parameters constant blijven.
Men kan dit aan de hand van data tot een mathematisch model ombouwen om dit automatisch te laten gebeuren door de computer.
Hoe ziet het schema van zo’n meet-regelsysteem eruit?
Schets:
-Set value
-Measured value
-Error
Measured value wordt vergeleken met set value. Het verschil tussen de 2 is de error.
Deze error wordt naar de controller gestuurd. Wat dan een verandering in het systeem zal brengen.
Uit het systeem kan men dan weer data halen, door de sensoren. Dit geeft ons een nieuw measure value enz.
Wat zijn de 4 componenten van een meet-en-regelsysteem?
- procesvariabele: te regelen grootheid
- meetelement: sensor
- regelaar: vergelijkt output van sensor met set value
- regelelement: reageert op het errorsignaal en corrigeert het systeem
Wat zijn de basisvereisten voor automatische controlesystemen?
Het moet een outputsignaal geven dat kan worden waargenomen worden door het instrument. Dus bv. geen thermometer maar in de plaats daarvan een thermokoppel, geconnecteerd met de regelaar, die dan op zijn beurt aan het systeem is gekoppeld en zo de temperatuur zal regelen
Wat zijn de 4 typen automatische regelsystemen?
- On/off regelaars
- proportionele regelaars
- Integrerende regelaars
- Differentiele regelaars
Hoe werkt een on/off regelaar?
Zoals een thermostaat. De temperatuur zal stijgen tot een maximum, dan zal de bron uitgeschakeld worden waardoor de temperatuur daalt tot de minimumwaarde. Eenmaal aan de minimumwaarde zal het weer stijgen etc. Dit geeft een oscillerend patroon met als gemiddelde waarde de ingestelde waarde.
Men dient er wel rekening mee te houden dat het maximum en minimum acceptabel zijn. Je wilt ook niet dat de kamer naar 40 graden verwarmd wordt en dan dalen tot 0 om gemiddeld 20 uit te komen. Dit geldt ook voor de parameters van de fermentor.
Voor parameters waar er plots heel grote afwijkingen kunnen gebeuren zijn gewone ON/OFF regelaars ongeschikt. Maar moet men 1 van de complexere regelaars gebruiken (2. proportionele, 3. integrerende, 4. differentierende)
Hoe werkt een proportionele regelaar?
Deze heeft een outputsignaal dat recht evenredig is met het errorsignaal
M = M_0 + K_c * Σ
- M: outputsignaal regelaar
- M_0: outputsignaal regelaar indien geen error
- K_c: gevoeligheid regelaar
- Σ: Error signaal
Bij afwijking zal M gecorrigeerd worden. Dit geeft een initiele corrigerende handeling die eerst licht osscileert en dan constant blijft op een waarde die iets afwijkt van de evenwichtswaarde. De hoeveelheid dat deze afwijkt van de originele waarde noemt men de offset.
Hoe werkt de integrale regelaar?
Deze heeft een outputsignaal bepaald door de integraal van het error signaal naar de tijd per integratietijd T.
M = M_0 + 1/T_i ∫ ∑ dt
- M: outputsignaal regelaar
- M_0: outputsignaal regelaar indien geen error
- T_i integratietijd
- Σ: Error signaal
- dt: verandering van de tijd
Het outputsignaal zal gecorrigeerd worden en ook hier weer eerst oscilleren, deze regelaar oscilleert wel harder en langer. Maar zal geen offset hebben.
Wat is een PID controller?
Deze wordt vaak gebruikt in industriele controlesystemen.
PID staat voor proportional-integral-derivative controller. Het is dus een combinatie van systeem 2. 3. en 4.
Berekent continu een errorwaarde e(t) als het verschil tussen een gemeten variabele (dus een parameter) en de gewenste waarde. Er wordt dan een correctie aan toegevoegd op basis van P, I en D termen
De controller probeert de error te minimaliseren door een variabele aan te passen (zoals een valve meer open of dicht zetten) naar een nieuwe waarde bepaald door een gewogen som.
