Styring og regulering av oppskalert silikonbeleggingsprosess innenfor battericelleproduksjon med digital tvilling

Etterspørselen etter batterier med god ytelse vokser eksponentielt i nyere tid, og som en konsekvens av dette, blir batteriprodusentene nødt til å tilfredsstille det økende behovet. Beyonder er et norsk selskap som har utviklet en metodikk for å produsere batterier på en bærekraftig måte ved hjelp av sagspon, og de får hjelp av Siemens innenfor digitalisering og automatiseringsløsninger. Prosessen som utforskes i dette prosjektet er belegging av silikon nanopartikler, som er ett av stegene i denne produksjonsmetodikken av battericeller. Beleggingsprosessen er, mens denne rapporten blir skrevet, på en laboratorieskala. Den blir derimot i dette prosjektet behandlet som en oppskalert versjon for å kunne implementere styrings- og reguleringstekniske metodikker på en teoretisk fremtidig tiltenkt prosess. Denne bachelor oppgaven ønsker å gi forslag til hvordan den nåværende manuelt opererte prosessen kan bli automatisert ved hjelp av styring. Siden prosessen ikke var tilgjengelig under prosjekttiden, ble prosessen matematisk modellert for å utvikle en digital tvilling som søker å gjenskape prosessens reelle dynamikker. Denne digitale tvillingen ble koblet opp mot PLSen for å simulere prosessoppførselen basert på styresignaler. En HMI har blitt designet og utviklet for å gi en operatør muligheten til å overvåke og justere essensielle prosessparametere. Disse parameterene er: Temperaturen i reaktoren, konsentrasjonen av resorcinol, og beleggingstiden. Utbyttet av prosessen tilsier hvor godt den fungerer, og dette er, i hovedsak, avhengig av de tre parameterene nevnt ovenfor. Disse parameterene skal bli holdt på et nivå, som kominert, gir den høyeste utnyttelsen, ettersom det maksimerer forbruket av materialer og øker produkt kvaliteten, samt genererer mindre avfall. Temperaturen og konsentrasjonen, er begge bestemt av en rekke fysiske variabler, som kan bli beskrevet av differensialligninger, som gjør systemet noe komplekst. Derfor har PID-kontrollere blitt utviklet for å holde temperaturen og konsentrasjonen på et gitt nivå uavhengig av varierende oppførsel og forstyrrelser. For å designe egnede og robuste PID-kontrollere ble en state-space representasjon av det fysiske systemet utviklet, for å kunne regne ut overføringsfunksjoner som bestemmer hvordan systemet reagerer på et pådrag. Den første oppgaven med dette prosjektet var å analysere prosessen og utvikle et tilstandsdiagram, som visuelt representerer sekvensene i prosessen. Deretter, ble systemets dynamikk segmentert for å representere system oppførselen matematisk. Den digitale tvillingen, utviklet i simulering softwaren SIMIT, ble testet mot den matematiske modellen og resultatene verifiserte den digitale tvillingen. Etter dette ble en PLS programmert for å styre den simulerte prosessen. Da PID-kontrollerene ble designet, ble state-space modellen brukt for å regne ut overføringsfunksjoner, som ble brukt til å bestemme PID-parameterene. Selvom dette fungerte godt for reguleringen av temperaturen, viste det seg å være utilstrekkelig for regulering av konsentrasjonen. Derfor ble PID-tuning metodikken integrert i TIA-portalen brukt. Da reguleringssystemet ble testet mot den simulerte prosessen, var PID-kontrollerene gode nok til å holde temperaturen og konsentrasjonen på et ønsket nivå