Styring og regulering av oppskalert silikonbeleggingsprosess innenfor battericelleprodusjon med digital tvilling

Abstract

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.

The dependency on high-performing batteries is currently growing exponentially, and consequently, the battery cell manufacturing industry will have to satisfy this increasingly high demand. Beyonder is a Norwegian company that has established a way to make batteries in a sustainable manner using sawdust. Siemens supports Beyonder with digitalization and automation solutions.

The process explored in this project is the coating of silicon nanoparticles, which is one of the stages in this method of battery cell manufacturing. The coating process is in a small-scale laboratory phase during the development of this thesis, but here it will be treated as an upscaled version in order to implement control technology and control theory on a theoretical future automated process.

This bachelor thesis aims to provide a suggestion for how the currently manually operated process can be automated using a PLC. Because the process was not available during this project, it has been mathematically modeled in order to develop a digital twin that resembles the process dynamics. This digital twin was connected with the PLC to simulate the process behavior resulting from control actions. An HMI has been designed and created to give a human operator the opportunity to monitor and adjust essential process parameters. The adjustable parameters are: The temperature in the tank reactor, the concentration of resorcinol, and the coating time.

The yield of the process indicates how well it has been performed, and it is mainly dependent on the three parameters mentioned above. The parameters should be kept at levels that, combined, produce the optimal yield, because this maximizes the material utilization and increases the product quality while reducing generated waste. The temperature and concentration are both determined by the values of several physical variables that can be described by differential equations, which makes their dynamics somewhat complex. For this reason, PID controllers have been developed, and these are able to maintain the desired temperature and concentration values in spite of varying behavior and disturbances. In order to design viable and robust PID controllers, a state-space representation of the physical system was developed, to be able to generate transfer functions of the process.

The first task for this project was to analyze the process and create a step diagram that visually represents the sequence of steps carried out by the process. After that, the system dynamics were dissected in order to represent the system behavior mathematically. The digital twin created in the simulation software SIMIT was tested against the mathematical modeling, and the results verified its accuracy. After that, a PLC was programmed to control the simulated process. When designing PID controllers, the state-space model was used to calculate the correct PID parameters. While this worked well for the temperature control, it proved inadequate for the concentration control. For this reason, the integrated PID tuning functionality in the TIA Portal was used. When testing the control system against the simulated process, the PID controllers were able to maintain the desired values for temperature and concentration.