Dự án này đã được trình bày tại Hội nghị Quốc tế IEEE vào tháng 8 năm 2018. Đến năm 2020, công nghệ này có khả năng kiểm soát toàn bộ cơ sở sản xuất theo quy trình, mặc dù trên các thiết bị mô phỏng rất phức tạp. Vì vậy, câu hỏi tiếp theo là FKDPP đã sẵn sàng cho thế giới thực chưa?
Từ mô phỏng đến thực tế,
Yokogawa đã trả lời câu hỏi đó tại nhà máy bán dẫn Komagane ở Miyada-mura, Nhật Bản (Hình 1). Ở đây, phần lớn quá trình sản xuất diễn ra trong môi trường phòng sạch với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm được kiểm soát chặt chẽ cần thiết để tạo ra các sản phẩm không có khuyết tật. Nhiệm vụ của hệ thống AI là vận hành hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) một cách tối ưu bằng cách duy trì các điều kiện môi trường cần thiết trong khi giảm thiểu mức sử dụng năng lượng.
Có thể hiểu rằng một ứng dụng thực tế được chọn cho loại thử nghiệm này sẽ có quy mô khiêm tốn với khả năng rủi ro an toàn tối thiểu. Cách tiếp cận thận trọng này có thể kém kịch tính hơn so với cách tiếp cận tại một nhà máy lọc dầu, nhưng điều này không làm giảm giá trị của nó như một bằng chứng về khái niệm.
Thoạt nhìn, việc vận hành hệ thống HVAC một cách tự động có vẻ không phức tạp. Tuy nhiên, các hệ thống HVAC hỗ trợ môi trường phòng sạch được kiểm soát chặt chẽ chiếm 30% tổng năng lượng mà cơ sở tiêu thụ và do đó tiêu tốn một khoản chi phí lớn. Khí hậu của Nhật Bản thay đổi theo mùa, do đó cần có sự điều chỉnh vào các thời điểm khác nhau trong năm để cân bằng giữa sưởi ấm và làm mát, đồng thời kiểm soát độ ẩm.
Cơ sở nằm trong một thung lũng núi ở độ cao 646 mét (2.119 feet). Nó có khí hậu ôn hòa và có xu hướng tương đối mát mẻ, với nhiệt độ hàng năm từ –9° đến 25°C (15,8° và 77°F). Nhà máy sản xuất các cảm biến áp suất dựa trên chất bán dẫn (Hình 2) thuộc dòng máy phát áp suất DPharp của công ty, vì vậy việc duy trì hoạt động sản xuất không bị gián đoạn là điều cần thiết. Mặc dù cuộc trình diễn này diễn ra tại một trong những nhà máy của chính Yokogawa, nhưng rủi ro về chi phí và sản xuất thực tế không kém so với rủi ro của một khách hàng bên ngoài.
Vị trí của cơ sở nằm ngoài hệ thống phân phối khí đốt tự nhiên của địa phương, vì vậy khí dầu mỏ hóa lỏng (LP) phải được đưa vào để cung cấp hơi nước để sưởi ấm và làm ẩm. Làm mát bằng không khí chạy bằng năng lượng điện cung cấp từ lưới điện thông thường. Cả hai hệ thống hoạt động đồng bộ khi cần thiết để duy trì mức độ ẩm quan trọng.
Phân phối năng lượng phức tạp
Những cân nhắc xung quanh việc sử dụng năng lượng tại các nhà máy sản xuất của Nhật Bản bắt đầu với chi phí nội địa cao. Năng lượng dưới mọi hình thức đều đắt đỏ theo tiêu chuẩn toàn cầu và hiệu quả là điều tối quan trọng. Cơ sở Komagane sử dụng lò điện để xử lý tấm wafer silicon và cần phải thu hồi càng nhiều nhiệt thải càng tốt từ các hoạt động này, đặc biệt là trong những tháng mùa đông.
Để được coi là thành công, hệ thống điều khiển tự động phải cân bằng nhiều mục tiêu quan trọng, một số mục tiêu loại trừ lẫn nhau. Những mục tiêu này bao gồm:
Các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường phòng sạch phải được duy trì vì chất lượng sản phẩm nhưng với mức tiêu thụ điện và khí LP thấp nhất có thể.
Điều kiện thời tiết có thể thay đổi đáng kể trong một khoảng thời gian ngắn, đòi hỏi phải có sự bù đắp.
Môi trường phòng sạch rất rộng nên có quán tính nhiệt cao. Do đó, có thể mất nhiều thời gian để thay đổi nhiệt độ.
Thiết bị trong phòng sạch cũng tạo ra nhiệt, nhưng điều này không thể được điều chỉnh bởi hệ thống điều khiển tự động.
Nhiệt thải từ lò điện được sử dụng làm nguồn nhiệt thay vì khí LP, nhưng lượng có sẵn rất khác nhau, do số lượng dây chuyền sản xuất được sử dụng tại bất kỳ thời điểm nào.
Chất làm mát nồi hơi được làm ấm là nguồn nhiệt chính cho không khí bên ngoài. Nếu cần nhiều nhiệt hơn mức có sẵn từ nguồn thu hồi này, thì nó phải đến từ nồi hơi đốt khí LP.
Không khí bên ngoài được làm nóng hoặc làm mát dựa trên nhiệt độ cục bộ, thường là từ 3° đến 28°C (37,4° và 82,4°F). Phần lớn thời gian trong năm, không khí bên ngoài cần được sưởi ấm.
Chiến lược kiểm soát hiện tại (Hình 3) phức tạp hơn so với lần đầu xuất hiện. Bên dưới bề mặt, các cơ chế liên quan được kết nối với nhau theo những cách đã thay đổi qua nhiều năm, khi các kỹ sư nhà máy làm việc để tăng hiệu quả.
Đã có nhiều nỗ lực trước đây nhằm giảm mức tiêu thụ khí LP mà không cần đầu tư lớn vào thiết bị mới. Những cải tiến gia tăng này đã đạt đến giới hạn thực tế vào năm 2019, điều này đã thúc đẩy việc triển khai chiến lược kiểm soát mới dựa trên FKDPP vào đầu năm 2020.
Nhóm triển khai đã chọn một ngày chậm trong thời gian ngừng sản xuất theo lịch trình để vận hành hệ thống kiểm soát mới. Trong ngày hôm đó, hệ thống AI được phép thực hiện thử nghiệm của riêng mình với thiết bị để tìm hiểu các đặc điểm của nó. Sau khoảng 20 lần lặp lại, hệ thống AI đã phát triển một mô hình quy trình có khả năng vận hành toàn bộ hệ thống HVAC đủ tốt để hỗ trợ sản xuất thực tế.
Trong các tuần và tháng của năm 2020, hệ thống AI tiếp tục tinh chỉnh mô hình của mình, thực hiện các điều chỉnh thường xuyên để phù hợp với những thay đổi về khối lượng sản xuất và sự thay đổi nhiệt độ theo mùa. Lợi ích cuối cùng của hệ thống dựa trên FKDPP mới là giảm 3,6% mức tiêu thụ khí LP sau khi triển khai vào năm 2020, hoàn toàn dựa trên chiến lược AI mới mà không cần đầu tư vốn lớn.
Trí tuệ nhân tạo dựa trên FKDPP là một trong những công nghệ chính hỗ trợ quá trình chuyển đổi từ tự động hóa công nghiệp sang tự chủ công nghiệp (IA2IA) của Yokogawa, bổ sung cho các khái niệm kiểm soát quy trình tiên tiến và đạo hàm tích phân theo tỷ lệ thông thường trong nhiều tình huống và thậm chí thay thế các hoạt động thủ công phức tạp trong các trường hợp khác. Điều khiển thời gian thực sử dụng AI học tăng cường, như được trình bày ở đây, là thế hệ công nghệ điều khiển tiếp theo và nó có thể được sử dụng với hầu hết mọi quy trình sản xuất để tiến gần hơn đến hoạt động tự động hoàn toàn.
Tuyên bố từ chối trách nhiệm:
Nordwel bán các bộ phận tự động hóa công nghiệp, bao gồm cả sản phẩm mới và sản phẩm đã ngừng sản xuất, đồng thời mua các sản phẩm đặc trưng như vậy thông qua các kênh độc lập. Nordwel không phải là nhà phân phối, nhà phân phối hoặc đại diện được ủy quyền của các sản phẩm nổi bật trên trang web này. Tất cả tên sản phẩm / hình ảnh sản phẩm, nhãn hiệu, thương hiệu và biểu tượng được sử dụng trên trang web này là tài sản của chủ sở hữu tương ứng. Việc mô tả, mô tả hoặc bán các sản phẩm có tên, hình ảnh, nhãn hiệu, thương hiệu và biểu tượng này chỉ nhằm mục đích nhận dạng và không ngụ ý bất kỳ liên kết hoặc ủy quyền nào với bất kỳ chủ sở hữu quyền nào.
