The research activity has been focused on the study of Advanced Process Control (APC) techniques aimed at applications oriented to energy efficiency achievement in process industries. Studies about theoretical and practical aspects of APC have been conducted, focusing on Model Predictive Control (MPC) techniques. An APC framework based on a two-layer linear MPC architecture has been developed. Innovative contributions have consisted in the coherent and consistent formulation of the two MPC modules within the two-layer scheme, together with improvements on the cooperation policy between them. Additional contributions about input-output time delays handling have been provided. Specific methodologies about parameters and constraints changes handling have been obtained and infeasibility prevention has been achieved. Additional innovative contributions in the controller formulation concerned the online introduction of process variables status values and the online inhibition of selected control inputs with respect to defined outputs. The basic APC framework has been customized for its installation on real industrial processes, in particular steel industry billets reheating furnaces and cement industry clinker rotary kilns. In steel industry, the innovative contributions concerned the formulation of virtual sensors, the usage of Linear Parameter-Varying models within MPC modules, and the development of stoichiometric ratios control methods and of methodologies for online adaptation of the time horizons. In cement industry, process variables constraints correction methodologies through sporadic feedback have been introduced. The APC software tool has been installed on different European steel and cement industries obtaining energy efficiency certificates, together with improvements on process control. The developed steel industry control method has been awarded with an Italian patent; the first steel industry project has been awarded with an energy efficiency award.

L'attività di ricerca ha riguardato lo studio di tecniche di controllo avanzato orientate al risparmio energetico nelle industrie di processo. Sono stati approfonditi aspetti teorici e pratici del controllo avanzato, focalizzando l’attenzione su tecniche di controllo predittivo. È stato sviluppato un pacchetto di controllo avanzato basato su un’architettura di controllo predittivo lineare a due livelli. Contributi innovativi hanno riguardato lo sviluppo di una formulazione coerente e consistente dei due livelli, insieme a miglioramenti della loro politica di cooperazione. Ulteriori contributi nella formulazione hanno riguardato la gestione dei ritardi ingresso-uscita. Sono state introdotte metodologie per i cambiamenti di parametri e vincoli e per la prevenzione di situazioni di infeasibility. Sono state introdotte la formulazione online di uno stato per le variabili di processo e l’inibizione di ingressi di controllo selezionati. Il pacchetto di controllo avanzato è stato customizzato per essere installato su processi industriali, in particolare forni di riscaldo di billette nell'industria dell’acciaio e forni rotativi per la produzione del clinker nell'industria del cemento. Nell'industria dell’acciaio l’innovazione ha riguardato la formulazione di sensori virtuali, l’utilizzo di modelli lineari con parametri variabili nei moduli di controllo predittivo e lo sviluppo di metodologie di controllo dei rapporti stechiometrici e di adattamento online degli orizzonti temporali. Nell'industria del cemento sono state introdotte metodologie di correzione dei vincoli delle variabili di processo tramite feedback intermittente. Il pacchetto di controllo avanzato è stato installato in varie acciaierie e cementifici ottenendo titoli di efficienza energetica e migliorie nel controllo di processo. Il pacchetto relativo all'industria dell’acciaio ha ottenuto un brevetto italiano; il primo progetto sviluppato in tale ambito è stato premiato con un premio sull'efficienza energetica.

Model Predictive Control aimed at energy efficiency improvement in process industries / Pepe, Crescenzo. - (2017 Mar 23).

Model Predictive Control aimed at energy efficiency improvement in process industries

PEPE, CRESCENZO
2017-03-23

Abstract

The research activity has been focused on the study of Advanced Process Control (APC) techniques aimed at applications oriented to energy efficiency achievement in process industries. Studies about theoretical and practical aspects of APC have been conducted, focusing on Model Predictive Control (MPC) techniques. An APC framework based on a two-layer linear MPC architecture has been developed. Innovative contributions have consisted in the coherent and consistent formulation of the two MPC modules within the two-layer scheme, together with improvements on the cooperation policy between them. Additional contributions about input-output time delays handling have been provided. Specific methodologies about parameters and constraints changes handling have been obtained and infeasibility prevention has been achieved. Additional innovative contributions in the controller formulation concerned the online introduction of process variables status values and the online inhibition of selected control inputs with respect to defined outputs. The basic APC framework has been customized for its installation on real industrial processes, in particular steel industry billets reheating furnaces and cement industry clinker rotary kilns. In steel industry, the innovative contributions concerned the formulation of virtual sensors, the usage of Linear Parameter-Varying models within MPC modules, and the development of stoichiometric ratios control methods and of methodologies for online adaptation of the time horizons. In cement industry, process variables constraints correction methodologies through sporadic feedback have been introduced. The APC software tool has been installed on different European steel and cement industries obtaining energy efficiency certificates, together with improvements on process control. The developed steel industry control method has been awarded with an Italian patent; the first steel industry project has been awarded with an energy efficiency award.
23-mar-2017
L'attività di ricerca ha riguardato lo studio di tecniche di controllo avanzato orientate al risparmio energetico nelle industrie di processo. Sono stati approfonditi aspetti teorici e pratici del controllo avanzato, focalizzando l’attenzione su tecniche di controllo predittivo. È stato sviluppato un pacchetto di controllo avanzato basato su un’architettura di controllo predittivo lineare a due livelli. Contributi innovativi hanno riguardato lo sviluppo di una formulazione coerente e consistente dei due livelli, insieme a miglioramenti della loro politica di cooperazione. Ulteriori contributi nella formulazione hanno riguardato la gestione dei ritardi ingresso-uscita. Sono state introdotte metodologie per i cambiamenti di parametri e vincoli e per la prevenzione di situazioni di infeasibility. Sono state introdotte la formulazione online di uno stato per le variabili di processo e l’inibizione di ingressi di controllo selezionati. Il pacchetto di controllo avanzato è stato customizzato per essere installato su processi industriali, in particolare forni di riscaldo di billette nell'industria dell’acciaio e forni rotativi per la produzione del clinker nell'industria del cemento. Nell'industria dell’acciaio l’innovazione ha riguardato la formulazione di sensori virtuali, l’utilizzo di modelli lineari con parametri variabili nei moduli di controllo predittivo e lo sviluppo di metodologie di controllo dei rapporti stechiometrici e di adattamento online degli orizzonti temporali. Nell'industria del cemento sono state introdotte metodologie di correzione dei vincoli delle variabili di processo tramite feedback intermittente. Il pacchetto di controllo avanzato è stato installato in varie acciaierie e cementifici ottenendo titoli di efficienza energetica e migliorie nel controllo di processo. Il pacchetto relativo all'industria dell’acciaio ha ottenuto un brevetto italiano; il primo progetto sviluppato in tale ambito è stato premiato con un premio sull'efficienza energetica.
Advanced Process Control; Model Predictive Control; constraints softening; time delay; energy efficiency; environmental impact decreasing; billets reheating furnace; cement rotary kiln
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