PROJEKTSAMMANFATTNING Inom Strategiska innovationsprogrammet Processindustriell IT och Automation. PiiA Projektakronym GranuReg Projektnamn Reglering av granulära processer 1 (6) 1 Projektfakta Total projektbudget: 8.000.000 kr 4.000.000 KR Umeå universitet Sökt belopp från VINNOVA: Sökande organisation: Projektledare: Namn: Mailadress: Telefonnummer: 090-7866508 Projekttyp: FUI-projekt Martin Servin martin.servin@physics.umu.se Fokusområde: Processstyrning, modellering och simulering Projektperiod: 2014-08-01 till 2017-06-30 2 Projektets idé Projektet adresserar styrning och reglering av processering och transportering av bulkmaterial, eller s.k. granulära material, t.ex. malm, grus, mineralpellets, spannmål, biomaterial och läkemedel. Med hjälp av detaljerad simulering av det granulära materialets dynamik genom processen är det möjligt att studera hur materialet påverkas och flödar under en mängd olika förhållanden. Exempelvis kan flödesflaskhalsar och nötande krafter enkelt detekteras och reduceras genom omkonstruktion eller förbättrad styrning och olika val och placeringar av sensorer kan utvärderas. Med simulering blir experimentering både snabb och billig. Och vissa typer av mätningar, t.ex. kraftfördelningar mellan de granulära kropparna, är praktiskt sett ogenomförbara i verkliga system. Nya framsteg inom beräkningsvetenskap och datorhårdvara gör det nu möjligt att studera processer med 10-100 miljoner granulära kroppar. Därmed kan storskaliga industrisystem t.ex. inom mineralprocessering modelleras och simuleras. Bilder från granulär simulering av rulltrumma och materialfördelning vid utlägg på bandtransportör med AgX dynamics samt integration i CAD-progammet Space Claim.
2 (6) I projektet skapas gränssnitt mellan styrprogramvara och simulerat system, vilket görs modulärt och stöder distribuerad simulering och reglering med hjälp av FMI och Simovate, se avsnitt 4 nedan. Därigenom blir både styrprogramvaran och granulära processimuleringen utbytbara mot andra alternativ, både virtuella och fysiska. Poängerna med detta är flera. Dels innebär modulariteten ökad tillgänglighet av teknologin då användaren inte är lika beroende av specifika programvaror. Vidare öppnar det för snabbare och enklare överföring från virtuellt system till fysiskt system, exempelvis testköra simulatorn från (verkligt eller emulerat) operatörsrum med olika styrsystem. Eller låta simulatorn gå i bakgrunden till det verkliga systemet och studera effekten av olika reglermetoder. Schematisk bild över en rullkrets. Även Överstorlekar returneras i processen efter att ha krossats till ny feed. I projektet inkluderas även fortsatt transport och omlastning på grate som går in i sinterugn. Framtagna lösningar tillämpas specifikt för att utveckla metoder för bättre reglering av rullkretsar vid LKABs anläggningar. I rullkretsarna sker kulrullning, vilket är en av delprocesserna i pelletisering av järnmalm. I denna process formas pulveriserad järnmalm och bindemedel till mjuka råkulor. Kulorna i storleksspannet 10-12 mm ( on-size ) går vidare till sintring varvid de bränns hårda för att tåla fortsatt transport och lagring till slutkund. Kulrullning sker i en rullkrets där pulveriserad järnmalm och råkulor av olika storlekar cirkulerar genom ett system av rulltrumma, bandtransportörer och rullsikt, där kulorna storlekssorteras. Vid LKAB i Kiruna, Svappavaara och Malmberget finns sammanlagt 35 rullkretsar, vardera med cirkulerande last på 400-800 ton/h. Eftersom systemen är i konstant drift och all järnmalm för pelletisering passerar rullkretsarna är de av ekonomiska och praktiska orsaker inte tillgängliga för experimentering med nya metoder för reglering. Exempelsimulering av rullsikt. Genom olika spalbredder storleksorteras materialet. Genom reglering av spalterna eller rullvarvtalen kan siktningen göras optimal för olika produktionsnivåer.
3 (6) Dynamiken i kretsen är komplex och beror bl.a. på andel bindemedel, fukthalt och hastighet på trumma och bandtransportörer samt utformning av utläggare och rullsikt (vissa kan styras). Dagens metoder för reglering är primärt erfarenhetsbaserad och beroende på okulära observationer av storleksfördelning över sikten. Det finns betydande potential för att öka produktionskapaciteten med bibehållen eller till och med ökad kulkvalité. Förmågan att göra precis storlekssortering trots höga kulflöden på sikten är avgörande för ökad produktion. Genom att minimera tryck och stötar som råkulorna utsätts för i processen ges ökad kvalité i slutprodukten. I projektet utvecklas olika reglermetoder, målfunktioner och sensorlösningar och utvärderas i simulatormiljö. Projektets leveranser är Leverans Mottagare L1 Rullkretssimulator. Gemensam projektresurs och demonstratorplattform. L2 L3 L4 L5 Reglergoritmer och målfunktioner för granulära flöden och rullkrets specifikt. Beräkningsalgoritm för tidseffektiv simulering av kvasistatiskt material. Kommunikationsgränssnitt mellan programvaror för reglering och granulär simulering. Virtuella sensorer och aktuatorer för simulerade system med granulära material. L6 Plan för implementation i verk LKAB Process-specifika resultat till LKAB. Generiska resultat och lärdomar till allmän nytta inom processindustrin. För ökad beräkningsprestanda på Rullkretssimulatorn. För vetenskaplig publicering. Gemensam projektresurs samt görs publikt tillgängligt och särskilt för processindustri. För att ge nödvändig funktionalitet i Algoryx simuleringsprogramvara. Projektets resultatmål är M1 Metoder för reglering av rullkrets i järnmalmspelletisering för ökad produktionskapacitet och ökad kulkvalité. M2 Reglermetoder för granulära flöden och processer, inklusive målfunktioner för sökta granulära flöden, t.ex. jämna flöden, skonsamma flöden, smal storleksfördelning av on-size -kulor. M3 Koppling mellan programvaror för reglering och granulär simulering M4 Ökad beräkningseffektivitet för simulering av komplett rullkrets över natten
4 (6) 3 Projektets bakgrund Tidigare projekt Projektet bygger på ett samarbete mellan projektdeltagarna och en rad projekt sedan 2009. En första förstudie PellIT (ProcessIT Innovations) utredde möjligheterna till forskningssamarbete kring granulär simulering. I ett doktorandprojekt Modeling and simulation of large-scale granular materials with complex flows (LKAB, Umeå universitet) och forskningsprojektet Modeling and simulation of granular matter and machines (Umeå universitet, Umeå kommun, EU strukturfond Mål 2) utvecklades grundläggande modeller och beräkningsalgoritmer för simulering av granulära material och test av hur metoden kan användas för designoptimering av utläggare på rulltrummor. Metod och modeller har, som ett delprojekt inom Simovate (VINNOVA, Algoryx, LKAB, Optimation, Umeå universitet), utvecklats vidare och implementerts i ett användarvänligt och högpresterande simuleringsverktyg AgX Dynamics och har också integrerats i CAD-verktyget SpaceClaim. Simuleringsverktyget har validerats och tillämpats på flera delprocesser inom järnmalmspelletisering i projekt GranuSim (LKAB, Algoryx, Optimation). Genom projekt Simovate finns teknologi för distribuerad och modulärt kopplad simulering. Denna nyttjas i projektet för att åstadkomma en flexibel lösning för koppling mellan programvara för styrning och simulering av granulära material. Simovate-plattformen bygger i sin tur på standardiserings-initiativet MODELISAR (EU, ITEA 2) och dess standard för modulär systemsimulering kallad Functional Mockup Interface (FMI). Processindustribehov Processering och transportering av granulära material förekommer vid många industrier, bl.a. gruv, mineral, schakt/entreprenad, läkemedel och jordbruk. Systemen är ofta av ekonomiska och praktiska anledningar otillgängliga för experimentering och placering av mätgivare. Många system är exempelvis i kontinuerlig drift med höga produktionskrav. Simulering blir då essentiellt för djupare förståelse och möjlighet att testa nya lösningar. Få verktyg finns för simulering av granulära material och många är för långsamma, kan inte hantera stora mängder granulära kroppar eller kräver hög specialisering inom beräkningsvetenskap och programmering. Specifikt hos LKAB har rullkretsarna identifierats som en lämplig första delprocess att utveckla med granulär simulering. Men behov av nya och bättre verktyg finns i många andra delprocesser t.ex. brytning, krossning, malning, mixning, transportering, sintring, coating, omlastning, lagring. Projektets potential Koppling mellan granulär simulering och styrprogramvara blir ett kraftfullt verktyg för att utveckla styrmetoder för processer som, av praktiska eller ekonomiska skäl, är dåligt tillgängliga för experimentering. Genom modulär koppling med standardiserade gränssnitt blir det enkelt att kombinera olika val av simulerings- och styrprogramvaror samt att implementera lösningarna i verkliga processer och testa i operatörssimulator. 4 Projektets bidrag till utlysningens mål Projektet bidrar till en effektivare svensk processindustri med granulära material i processerna. Genom simulering kan många alternativ studeras på kort tid, dåliga
5 (6) alternativ sorteras bort och goda lösningar förädlas. Då processerna som regel inte tillåter experimentering av praktiska och ekonomiska skäl finns betydande risk att många goda idéer till förbättringar aldrig utvecklas vidare om det inte finns möjlighet att med simulering först påvisa hög potential. För LKAB är nyttoeffekten direkt, ger ökad innovationstakt och förbättrade processer, och för andra företag beroende på i vilken grad metodik och verktyg ur projektet sprids för att förbättra liknande processer. Genom kopplingen mellan granulär simulering och styrprogramvara baseras på öppen standard och plattform från projekt Simovate och MODELISAR skapas en stor öppenhet för att involvera andra verktyg för att koppla till sensorer och fysisk anläggning utan att känsliga data behöver exponeras. Detta leder till en ökad flexibilitet och tillgänglighet för fler aktörer, akademiska eller konsulter, att delta i processutvecklingsprojekt. Därmed blir samverkan inom området bredare och effektivare. Målen med förbättrad reglering av granulära processer är ökad produktionskapacitet i befintliga anläggningar. Energi- och materialanvändningen per producerat ton slutprodukt blir därmed lägre. Vidare kan livslängden på befintliga pelletsverk förlängas, vilket innebär betydande miljövinster. Verktyget kan också användas för att styra processer för minskat slitage och minskat behov av underhåll, vilket också bidrar positivt till miljön. 5 Projektets aktörskonstellation Algoryx Simulation: Programvara och tjänster för visuell och interaktiv fysikbaserad simulering, t.ex. för användning i simulatorer för träning, forskning/utveckling och visualisering. Bland kunderna finns Atlas Copco (fordon), Fugro (robotik), Kongsberg Maritime (off-shore), LKAB, MacGregor (off-shore) och Oryx Simulations (fordon). Huvudprodukten är fysikmotorn AgX Dynamics med vilken en mängd olika typer av fysikaliska system kan simuleras bl.a. storskaliga granulära material, fordon, robotar, skepp, vätskor, kablage och vajrar, deformerbar terräng och mycket mer. Programvaran är bl.a. integrerad i CAD-programvaran SpaceClaim. Företaget är ett avknoppningsföretag från Umeå universitet 2006 och har 17 anställda. LKAB: En internationell högteknologisk mineralkoncern, världsledande producent av förädlade järnmalmsprodukter för ståltillverkning och en växande leverantör av mineralprodukter till andra industribranscher. LKAB-koncernen har drygt 3 800 medarbetare, varav drygt 600 utanför Sverige. Järnmalmsgruvor, förädlingsverk och malmhamnar finns i norra Sverige och Norge. LKAB har omfattande egen forskning och samarbetar i forskningsprojekt regionalt och internationellt. Vid avdelning Process Technology i Malmberget bedrivs FoU av akademiskt utbildad personal direkt kopplad till det nya pelletsverket som togs i drift 2007. LKAB har flera experimentanläggningar, t.ex., en masugn i Luleå och ett Agglomereringslab i Malmberget och arbetar kontinuerligt med akademiska forskningsprojekt inom en rad olika områden. Optimation: Konsulttjänster inom regler- och processoptimering, med dynamisk simulering som ett viktigt verktyg. Det senare i hög utsträckning implementerat i modellerings- och simuleringsverktyget Dymola från Dassault, baserat på
6 (6) programspråket Modelica. Baserat på detta verktyg utvecklas även avancerade operatörsträningssimulatorer. Kunderna finns framförallt inom processindustrin, exempelvis gruva/mineral, papper/massa samt energi. Bland de större kunderna återfinns LKAB, där Optimation under flera år varit delaktig i arbetet med förbättrad design och reglering av rullkretsarna. Optimation har 21 anställda, huvudsakligen utbildade inom system-, dator- och reglerteknik, varav flera med doktorsexamen. Umeå universitet: UMIT Research Lab vid Umeå universitet är en multidisciplinär forskningsmiljö fokuserad på simulerings- och programvaruteknologi med industriella tillämpningar. Ca 50 forskare och utvecklare samlas i miljön varav 30 i ett fysiskt lab. Forsknings områden inkluderar beräkningsmatematik, simuleringsbaserad designoptimering, multifysikalisk modellering, högpresterande och parallella beräkningar och elastisk IT-infrastruktur. Många projekt bedrivs i samarbete med och delfinansierascalc av industripartners. Sedan 2009 finns ett forskningssamarbete med LKAB kring storskalig simulering av granulära material.