Rád by som predstavil aspoň malú časť z projektov, na ktorých môžu pracovať študenti na Ústave informatizácie, automatizácie a matematiky.
Bez ohľadu na to, či veríme alebo neveríme v nastupujúcu priemyselnú revolúciu obsiahnutú v koncepte Industry 4.0, faktom zostáva, že pokrok nezastavíme. Globálny nástup novej generácie IP adries verzie 6 je len otázkou času. To bude mať za následok masívne nasadenie najrôznejších aplikácií založených na priemyselnom internete vecí a služieb. Obmedzovať nástup dronov len na využitie v oblasti doručenia tovarov by bolo veľmi krátkozraké. S významným rozvojom výpočtovej kapacity nachádza strojové učenie, alebo Machine Learning, využitie v najrôznejších odvetviach. A o neustále sa zvyšujúcej dostupnosti 3D tlačiarní ani netreba veľa písať. V dôsledku týchto a ďalších faktorov sa priemyselná výroba výrazne mení. Automatizácia zaznamenáva prudký rozvoj sprevádzaný nedostatkom kvalitnej kvalifikovanej pracovnej sily.
Prečo automatizácia a riadenie procesov na FCHPT?
Na Fakulte chemickej a potravinárskej technológie, STU v Bratislave, má Ústav informatizácie, automatizácie a matematiky dlhoročnú tradíciu vo výchove kvalitných absolventov. Naši absolventi si bez problémov nájdu prácu v priemyselnej praxi, ako aj v akademickej oblasti, a to nielen na Slovensku, ale aj v zahraničí. O našich šikovných absolventov je veľký záujem nielen v chemickom, petrochemickom, potravinárskom, farmaceutickom priemysle, ale aj v ďalších dynamicky sa rozvíjajúcich odvetviach. Ich výhodou je všestrannosť vzdelania, ktoré u nás získajú. Stávajú sa odborníkmi nielen na automatizáciu a riadenie procesov, ale súčasne rozumejú podstate chemických a fyzikálnych dejov, ktoré prebiehajú v týchto technologických procesoch. Okrem iného rozumejú aj dynamickým dejom, ktoré prebiehajú pri výmene tepla, látkovým premenám a tepelným efektom, ktoré sprevádzajú chemické reakcie, ako aj prestupom látky a skupenským zmenám prebiehajúcim v rektifikačných kolónach.
Študenti sa v rámci svojich semestrálnych projektov môžu venovať rôznym zaujímavým témam. Viacerí študenti sa rozhodli venovať návrhom pokročilých prístupov riadenia pre laboratórne chemicko-technologické procesy.
O vybraných chemicko-technologických procesoch
Medzi typické chemicko-technologické procesy patria výmenníky tepla, chemické reaktory a destilačné kolóny. Tieto procesy predstavujú základné stavebné kamene v spomínaných odvetviach chemického, petrochemického, potravinárskeho a farmaceutického priemyslu. Navrhované prístupy pokročilých prístupov riadenia sú založené na aplikácií metód konvexnej optimalizácie. To umožňuje maximalizovať kvalitu riadenia, minimalizovať náklady, ako aj negatívne dopady na životné prostredie.
Vypracovanie týchto projektov nie je jednoduché a vyžadujú si od študentov veľa úsilia. Samotná práca so skutočnými laboratórnymi procesmi si vyžaduje veľa trpezlivosti. Každý dosiahnutý úspech je vykúpený mnohými hodinami náročnej práce v laboratóriu. Navyše údaje namerané na skutočných procesoch majú ďaleko od učebnicových príkladov. Sú zaťažené šumom merania a odchýlkami spôsobenými pri reprodukovaní experimentov v zmenených podmienkach. O to vzácnejšie sú všetky relevantné výsledky, ktoré sa podarí na týchto procesoch získať.
Navyše, nakoľko sa študenti venujú aktuálnym výskumným projektom, nie je vopred úplne jasné, aký výsledok sa nakoniec dosiahne. Avšak všetci študenti svojou svedomitou prácou prispievajú k reálnemu výskumu realizovaného na našom ústave. Viacerí z nich sa venujú svojim projektom niekoľko semestrov, a tak sa podarilo dosiahnuť zaujímavé výsledky. Viaceré z dosiahnutých výsledkov už boli, alebo v blízkej dobe budú publikované pred medzinárodným publikom. Študenti sú rovnocennými spoluautormi týchto prác. A ak to okolnosti umožňujú, tak vďaka ústretovosti riaditeľa ústavu pána prof. Ing. Miroslava Fikara, DrSc. dostávajú naši študenti príležitosť sami prezentovať dosiahnuté výsledky pred medzinárodným publikom, čím získavajú veľmi cenné skúsenosti.
Ja som sa začal venovať pokročilému riadeniu chemicko-technologických procesov už v rámci svojej dizertačnej práce, ktorú som vypracoval pod vedením pani prodekanky doc. Ing. Moniky Bakošovej, CSc:
Aj keď bola moja dizertačná práca zameraná hlavne na teoretické aspekty návrhu riadenia, zaoberal som sa aj aplikáciou študovaných prístupov na laboratórnych procesoch a vývojom softvérových nástrojoch, ktoré implementujú dosiahnuté teoretické prínosy. Následne som bol v rámci svojej post-doktorandskej práce školiteľom viacerých záverečných a semestrálnych projektov v tejto oblasti.
Na akých projektoch pracujú študenti v rámci projektov pokročilého riadenia chemicko-technologických procesov?
Študenti majú možnosť pracovať v našich kvalitne vybavených laboratóriach na mnohých, nielen, chemicko-technologických procesoch. V ďalšej časti sa podrobnejšie venujem niektorým z nich.
Návrh pokročilého riadenia pre výmenník tepla
Výmenníky tepla predstavujú jeden z najrozšírenejších procesov, ktorý nájdeme v každom odvetví priemyslu. Preto úloha návrhu optimálneho riadenia pre výmenníky tepla predstavuje aktuálny problém. Fosílne palivá nie sú nevyčerpateľné a efektivita alternatívnych obnoviteľných zdrojov ešte nie je na dostatočnej úrovni, aby ich mohla plnohodnotne nahradiť v krátkodobom horizonte. Navyše, ceny surovinových zdrojov neustále stúpajú a stále viac spoločností je ochotných investovať nemalé finančné prostriedky do návrhu efektívneho riadenia energetických tokov v priemyselnej výrobe a do minimalizácie tepelných strát.
Vďaka platnosti druhého termodynamického zákona dochádza vo výmenníku tepla k odovzdávaniu tepla z horúceho média chladnému. Napriek tomu, že ide o jednoduchý princíp známy od nepamäti, tak výmenníky tepla predstavujú komplikované zariadenia. Okrem iného je to spôsobené ich nelineárnym správaním sa a rôznou dynamikou pre ohrev a chladenie.
V našom laboratóriu máme k dispozícií tréningovú stanicu Armfield PCT23, ktorá obsahuje laboratórny doskový výmenník tepla.
V rámci svojej bakalárskej práce Katrin Prokeinová identifikovala správanie sa systému v celom pracovnom rozsahu a implementovala riadenie pomocou uzavretého regulačného obvodu:
Následne sme prešli k riadeniu výmenníka tepla ako k mnohorozmernému procesu a v rámci svojich semestrálnych projektoch Katrin Prokeinová zostrojila a naladila pozorovateľa stavov výmenníka tepla. Na základe získaného odhadu stavov bolo navrhnuté a naladené LQ optimálne riadenie.
Pomocné súbory a riadiace schémy vytvorené počas jej práce sú voľne dostupné pre študentov v rámci e-learningového systému Moodle tak, aby ich mohli používať aj iní študenti v rámci pedagogického procesu.
Lenka Galčíková sa v rámci svojej bakalárskej práce zaoberá návrhom iného typu pokročilého riadenia založeného na optimalizácií riadenia pomocou predikcie budúceho správania sa mnohorozmerného systému. Kvalita riadenia je priamoúmerne závislá na presnosti matematického modelu, ktorý opisuje správanie výmenníka tepla. Preto sa v súčasnosti Lenka Galčíková zaoberá práve experimentálnou identifikáciou tohto procesu. Následne sa bude venovať implementácií pokročilého riadenia, ktoré zohľadní špecifický typ ohraničení akčných zásahov. Lenka o svojej práci napísala blog: Výmenník tepla a jeho identifikácia.
Nikola Míková vo svojej semestrálnej práci pracovala na prípadovej štúdií, v rámci ktorej analyzovala možnosti redukcie energetickej náročnosti regulácie výmenníka tepla pomocou viacerých prístupov robustného prediktívneho riadenia založeného na lineárnych maticových nerovnostiach. Výsledky našej práce boli publikované v karentovanom časopise:
V rámci svojej spoločnej semestrálnej práce Natália Mikušová a Kinga Batárová implementovali robustné prediktívne riadenie založené na lineárnych maticových nerovnostiach pre špeciálny typ nesymetrických obmedzení. Aplikovaný prístup je naším pôvodným prístupom, ktorý sme prezentovali na IFAC World Congress, Toulouse, France:
Dosiahnuté experimentálne výsledky pokročilého riadenia výmenníka tepla boli prezentované v rámci World Congress of Chemical Engineering v Barcelone:
Návrh pokročilého riadenia pre rektifikačnú kolónu
Separačné metódy sú neoddeliteľnou súčasťou priemyselnej výroby. Destilácia, respektíve rektifikácia, predstavuje kľúčovú separačnú metódu nielen pre petrochemický priemysel. V spracovaní ropy sa točia veľké peniaze, pričom hnacou silou je apetít po pohonných látkach a ropných derivátoch vo veľkých ľudnatých krajinách. A tak napriek roky trvajúcim obavám zo skorého vyčerpania zásob „čierneho zlata“ sú objavované stále nové ložiská, ťaží sa na miestach, ktoré boli pôvodne považované za nerentabilné a využívajú sa aj alternatívne zdroje ako napríklad ropné piesky.
Destilácia je separačná metóda založená na rozdielnej prchavosti látok. V praxi sa prchavosť látok často zamieňa za teplotu varu. Komplikácie pri oddeľovaní binárnych zmesí môžu spôsobovať látky, ktoré spolu tvoria takzvané azeotropické zmesi.
V našom laboratóriu máme k dispozícií etážovú rektifikačnú kolónu Armfield UOP3.
V rámci svojej bakalárskej práce sa Petra Artzová zaoberala modelovaním chemicko-technologických procesov v prostredí UniSim Design, ktorý predstavuje priemyselné riešenie od spoločnosti Honeywell:
Okrem simulačného návrhu riadenia pre výmenník tepla navrhla aj kaskádovú reguláciu pre viaceré často používané priemyselné riadiace konfigurácie rektifikačných kolón. Ďalším cieľom bakalárskej práce bolo spracovanie pomocných materiálov, ktoré sú voľne dostupné v e-learningovom systéme Moodle, a ktoré sa aktívne využívajú v pedagogickom procese už niekoľko rokov.
O svojej práci napísala aj blogy: Ja vs. UniSim Design a Ja vs. UniSim Design (part 2).
Neskôr v rámci svojej semestrálnej práce, na základe diplomovej práce Ing. Andreja Kamenického, navrhla Petra Artzová pre komplexný systém rektifikácie v prostredí UniSim Design a ProfiDesign Studio od Honeywell pokročilé riadenie, takzvané Advanced Predictive Control, skrátene APC.
O tejto časti svojej práci napísala blog: Ja vs. UniSim Design (part 3).
Tento pokročilý prístup založený na konvexnej optimalizácii sa často aplikuje v priemysle pri riadení destilačných kolón, napríklad v rafinériách. Výsledky našej práce boli publikované na medzinárodnej konferencii Process Control 2017:
Následne sme prešli k práci na našej laboratórnej rektifikačnej kolóne. Tento laboratórny proces je veľmi náročný. Prebieha v ňom destilácia súčasne na ôsmich etážach. Nakoľko je rovnováha na všetkých etážach veľmi citlivá, môže ľahko dôjsť k zahlteniu na niektorej z etáží. Výzvou je dosiahnuť optimálne pracovné podmienky v celej kolóne, ako napríklad správne riadiť ohrev vo varáku, nastaviť refluxný pomer, dosiahnuť, aby nástrek vstupoval práve pri teplote varu, a podobne. Aby bolo možné s kolónu pracovať, je potrebné správne nastaviť až tri uzavreté regulačné obvody, ktoré sa vzájomne veľmi ovplyvňujú. Práve preto je práca s týmto procesom nielen časovo veľmi náročná. V rámci semestrálneho projektu sa Petre Artzovej podarilo experimentálne identifikovať matematický model závislosti medzi refluxným pomerom a teplotou pár na hlave kolóny, ako aj doposiaľ nerealizovanú priamu závislosť medzi refluxným pomerom a zložením na hlave kolóny. Na výpočet tejto závislosti zostrojila Petra Artzová funkciu, ktorú implementovala v prostredí MATLAB/Simulink tak, že dáva výsledky v reálnom čase, počas meraní na kolóne. V rámci ďalšej semestrálnej práce sa Petra Artzová venuje návrhu a simulačnému ladeniu pokročilého prediktívneho riadenia na základe experimentálne získaného matematického modelu pričom hľadá vhodné parametre tak, aby bola možná efektívna implementácia tohto prístupu na kolóne.
Návrh pokročilého riadenie pre chemický reaktor
Chemické reaktory sú neodmysliteľnou súčasťou všetkých odvetví chemického priemyslu. Z pohľadu riadenia ide o náročné procesy, nakoľko v nich dochádza k látkovým premenám, ktoré sú často sprevádzané aj výrazným tepelným efektom. Priebehy chemických reakcií sú nelineárne a nesymetrické, môžu mať viacnásobné ustálené stavy a podobne. Ďalšou výzvou je práca s týmito procesmi, ak sú v nich prítomné živé mikroorganizmy, teda riadenie bio-reaktorov. Praktickým príkladom využitia týchto zariadení môžu byť napríklad čistiarne odpadových vôd.
Pri riadení chemického reaktora je hlavným cieľom posúvať rovnováhu chemickej reakcie na stranu požadovaných hlavných produktov a tlmiť vplyv porúch a iných vedľajších reakcii tak, aby sa zabezpečila čo najvyššia kvalita produkcie, s ohľadom na celkovú bezpečnosť prevádzky a minimalizáciu možných negatívnych dopadov na životné prostredie.
V našom laboratóriu máme k dispozícií tréningovú stanicu Armfield PCT40, ktorá obsahuje aj prietokový chemický reaktor s miešaním reakčnej zmesi.
Linda Hanulová v rámci svojej bakalárskej práce experimentálne opísala správanie sa procesu neutralizácie silnej zásady, hydroxidu sodného a slabej kyseliny octovej. Následne na základe identifikovaného matematického modelu systematicky ladila uzavretý regulačný obvod tak, aby pri riadení prietokom zásady dosiahla čo najlepšie výsledky pre úlohu sledovania žiadanej hodnoty pH, ako aj úlohy odstraňovania vplyvu poruchy.
O svojej práci napísala aj blogy: Práca v labáku a Práca v labáku #2.
Ďalej vo svojej semestrálnej práci identifikovala neurčitý model chemického reaktora s ohľadom na meniaci sa prietok kyseliny octovej. Postupne navrhla a implementovala pre obidva získané matematické opisy chemického reaktora pokročilé robustné prediktívne riadenie. Bola navrhnutá aj rozšírená forma uzavretého regulačného obvodu s integračnou zložkou tak, aby sa dosiahla vyššia kvalita riadenia s ohľadom na intervalové neurčitosti v matematickom opise procesu neutralizácie. Prípadová štúdia založená na získaných výsledkoch bola publikovaná na medzinárodnej konferencii Process Control 2017:
V rámci svojich semetrálnych projektov sa Linda Haulová ďalej venuje návrhu mnohorozmerného riadenia, ktoré bude schopné zohľadniť meniace sa prietoky kyseliny a zásady tak, aby sa zvýšila kvalita a rýchlosť riadenia. Tento prístup si už vyžaduje návrh pozorovateľa, ktorý bol experimentálne naladený tak, aby čo najlepšie odhadoval hodnoty stavových veličín procesu neutralizácie. Následne sa prešlo k samotnému návrhu pokročilého riadenia s ohľadom na mnohorozmerný systém.
Vo svojej bakalárskej práci sa Michaela Horváthová zaoberala experimentálnym modelovaním chemickej reakcie slabej kyseliny citrónovej a hydroxidu sodného. Na rozdiel od jednosýtnej kyseliny octovej patrí kyselina citrónová medzi trojsýtne kyseliny.
V rámci tejto bakalárskej práce sa nám podarilo experimentálne vysvetliť komplikované správanie sa kyseliny citrónovej v okolí jej titračných bodov. Zložité správanie sa tejto kyseliny si tiež vyžadovalo upravenie riadiacich podmienok tak, aby boli schopné zohľadniť niekoľkonásobne vyššiu spotrebu kyslého roztoku oproti zásaditému. Pre vypočítaný neurčitý model systému sme navrhli robustné prediktívne riadenie a dosiahnuté výsledky taktiež plánujeme publikovať pred medzinárodným publikom.
O svojej práci v laboratóriu napísala blog: Close Encounters of the Second Kind with Science.
Semestrálna práca Michaeli Horváthovej je zameraná na aplikáciou moderného prístupu k návrhu robustného riadenia, ktoré výrazným spôsobom redukuje potrebnú výpočtovú náročnosť na riešenie optimalizačného problému. Spoluautorom tohto prístupu je doc. Ing. Michal Kvasnica, PhD.:
V rámci semestrálenj práce sa postupne zaoberáme teoretickými aspektami tohto prístupu a jeho praktickou implementáciou na chemický reaktor.
Bakalárska práca Michala Slávika sa zaoberá získaním komplexného matematického opisu procesu neutralizácie slabej kyseliny octovej a hydroxidu sodného. Na opis komplexného správania sa reakčnej zmesi sa použijú systémy vyššieho rádu s intervalovými neurčitosťami. Ich praktické využitie pri návrhu prediktívneho riadenia si bude vyžadovať aplikáciu dobre naladeného pozorovateľa, nevyhnutného pre kvalitný odhad stavov systémov vyšších rádov. Michal o svojej práci napísal blog: Riadenie hodnoty pH v chemickom reaktore.
Ako pracujeme?
Dbáme na všestrannosť rozvoja študenta pri práci na projektoch. V rámci svojej práce si študenti rozširujú odborné teoretické vedomosti v špecifickej oblasti, súčasne rozvíjajú svoje zručnosti a skúsenosti pri práci v laboratóriu. V neposlednom rade zlepšujú svoje programátorské zručnosti pri analýze a spracovaní nameraných údajov.
Ako píšeme záverečné práce?
Študentov sa snažíme všestranne pripraviť na budúce zamestnanie. Akokoľvek sa môže zdať písanie protokolov zbytočné a nudné, tak len v máloktorom zaujímavom zamestnaní sa mu vyhnú. Preto kladieme dôraz na obsahovú aj formálnu stránku semestrálnych a záverečných prác. Študentom zdôrazňujeme, aby k vypracovaniu predkladanej práci pristupovali tak, akoby im za ňu niekto zaplatil, a tak požadoval za svoje peniaze primeranú kvalitu. Samotný dokument píšu v typografickom systéme LaTeX, čím si naši študenti osvoja ďalšiu užitočnú zručnosť, ktorá predstavuje praktickú alternatívu k písaniu dokumentov v MS Word.
Ako prezentujeme výsledky?
V dnešnej dobe je stále dôležitejšie, aby boli zamestnanci schopní predať svoje výsledky potenciálnym klientom. Ani tie najprevratnejšie výsledky a myšlienky neoslovia kľúčových ľudí, ak im nebudú komunikované v správnej a zrozumiteľnej forme. Preto u študentov venujeme zvýšenú pozornosť obsahu, forme aj spôsobu prednesu ich prezentácii. Získavajú tak konkurenčnú výhodu oproti svojim potenciálnym konkurentom, ktorí nevenujú primeranú pozornosť prezentácií dosiahnutých výsledkov.
Ako pracujeme s nameranými údajmy
Zdieľanie údajov v cloude je trend, ktorý nastupuje do všetkých oblastí. Preto namerané výsledky, ako aj priebežnú prácu na semestrálnych a záverečných projektoch spracúvame prostredníctvom verzionovacích systémov Git a Mercurial. Tieto technológie majú nespornú výhodu v zálohovaní a v prístupe k jednotlivým verziám práce, ako aj k sledovaniu zmien, ktoré sme vzájomne vykonali. V neposlednom rade uchádzači o zamestnanie, ktorí ovládajú tieto rozšírené technológie môžu byť vo výberovom konaní uprednostnení, nakoľko ušetria budúcemu zamestnávateľovi finančné prostriedky nevyhnutné na zaškolenie.
Na záver
Pre nás na Ústave informatizácie, automatizácie a matematiky študenti nie sú len anonymné bytosti v bielych plášťoch, ale rovnocenní kolegovia.
Venované usilovným študentom, ktorí ma motivujú stále na sebe pracovať, a ktorí ma naučili, že človek nikdy nie je až tak unavený, aby im odmietol pomôcť :)
[2017-11-09 0:39 A.M.]