Vid studien av modelleringsverktygen har ett flertal modelleringsverktyg j¨amf¨orts. Vid unders¨okningen har Internet anv¨ands f¨or informationss¨okning. Internet ger inte en helt¨ackande bild av alla modelleringsverktyg, men ¨onskem˚alet var i detta fall att g¨ora en bred och snabb studie av m˚anga program. F¨or att ge samtliga verktyg en helt r¨attvis bed¨omning vore det n¨odv¨andigt att provk¨ora modelleringsverktygen. Detta har dock inte varit m¨ojligt.
Informationen som tillverkarna presenterar p˚a sina hemsidor har anv¨ants f¨or att avg¨ora l¨ampligheten f¨or respektive verktyg. Efter bed¨omningen av modeller- ingsverktygens l¨amplighet har nio verktyg valts ut och studerats mer ing˚aende m.h.a. kravspecifikationen.
De modelleringsverktyg som studerats mer ing˚aende indelas i fyra grupper enligt kapitel 4.3.1. Informationsk¨allan anges f¨or varje program. Vilket program som h¨or till varje grupp definieras enligt:
5.3 Studerade program 29
- Matlab / Simulink [18] - Modelica [3]
• Modelleringsverktyg f¨or fluider med avancerad ber¨akningsmetod - Fluent [15]
• Modelleringsverktyg f¨or fluider med enklare ber¨akningsmetod - Easy5 [19]
- Fluidflow [16] - Hopsan [20] - Flowmaster II [14] - Pneuma [22]
• Modelleringsverktyg anpassade f¨or modellering av processindustrier - Aspentech [2]
Varje modelleringsverktyg kommer att beskrivas i ett eget stycke d¨ar en bed¨om- ning utifr˚an kravspecifikationen sammanfattas. Resultatet fr˚an varje punkt i krav- specifikationen redovisas f¨or samtliga modelleringsverktyg i bilaga B, f¨or att l¨asaren l¨attare ska kunna j¨amf¨ora modelleringsverktygen.
5.3.1
Matlab / Simulink
Matlab i kombination med Simulink kan anv¨andas till modelleringen. Det finns m¨ojlighet att modellera de komponenter som ing˚ar i hyttgasn¨atet. Matlab ¨ar ett m˚angsidigt modelleringsverktyg som dessutom m¨ojligg¨or modellering av andra sys- tem ¨an just fluidtekniska. Modellering i Matlab kr¨aver en stor fysikalisk f¨orst˚aelse av systemet eftersom samtliga fysikaliska ekvationer m˚aste implementeras av anv¨an- daren. Ekvationerna m˚aste implementeras f¨or varje enskild komponent som ska ing˚a i modellen. Det kr¨avs olika komponenter f¨or inkompressibel respektive kompress- ibel str¨omning. Sammantaget ¨ar Matlab ett m¨ojligt alternativ f¨or modelleringen av hyttgasn¨atet, men ger upphov till en kr˚anglig modellstruktur som ¨ar sv˚ar att ¨overblicka f¨or anv¨andaren.
5.3.2
Modelica
Modelica ¨ar ett generellt modelleringsverktyg som har stora modelleringsm¨ojlighet- er. Det ¨ar m¨ojligt att anv¨anda Modelica vid modelleringen av hyttgasn¨atet. Mod- elleringen i Modelica kan ske utifr˚an f¨ardiga komponeter men Modelica till˚ater ¨aven anv¨andaren att implementera egna komponenter. Komponeterna finns im- plementerade i olika programpaket. Bl.a. finns programpaketet Thermofluid som inneh˚aller fluiddynamiska komponenter. Modelica ¨ar ett objektorienterat model- leringsverktyg. Detta inneb¨ar f¨ordelar d˚a komponenterna implementeras i klasser
som till˚ats ¨arva egenskaper. Eftersom modellerna som implementeras i Modelica byggs upp av f¨ardiga komponenter, d¨ar de fysikalisk ekvationerna ej beh¨over im- plementeras grafiskt, f˚as modeller med en bra struktur som ¨ar l¨atta att ¨overblicka.
5.3.3
Fluent
Fluent ¨ar ett avancerat program som anv¨ands f¨or att analysera flerdimensionella str¨omningsf¨orlopp. Modelleringsverktyget ¨ar ber¨akningskr¨avande redan f¨or relativt sm˚a modeller. Modeller av hyttgasn¨atets storlek kommer att kr¨ava en mycket stor datorkraft f¨or ber¨akningarna. Vid diskussioner med anv¨andare av Fluent har det ¨
aven framkommit att Fluent ¨ar sv˚art att bem¨astra och d¨armed tar modelleringen mycket tid. Modelleringen av hyttgasn¨atet kr¨aver inte en s˚a avancerad analys som Fluent ger. Sammantaget ¨ar inte Fluent ett modelleringsverktyg som ¨ar l¨ampligt f¨or den aktuella modelleringen av hyttgasn¨atet.
5.3.4
Easy5
Easy5 ¨ar ett modelleringsverktyg som v¨al klarar modellering av fluidtekniska sys- tem. Easy5 kan d¨arf¨or anses vara l¨ampligt att anv¨anda f¨or modelleringen av hytt- gasn¨atet. I Easy5 sker modelleringen med f¨orprogrammerade komponenter. Detta g¨or att modelleringen g˚ar snabbt och en v¨alstrukturerad modell f˚as. Nackdelen med de f¨orberedda blocken ¨ar att det begr¨ansar variationsm¨ojligheterna och det kan vara sv˚art att veta exakt under vilka f¨oruts¨attningar som komponenten ¨ar giltig. Easy5 kan ¨aven anv¨andas tillsammans med Matlab, vilket ¨ar en f¨ordel d˚a de b˚ada modelleringsverktygen kompletterar varandra. Kontakten med generala- genten gav inga svar p˚a finansieringen under examensarbetet. Detta g¨or att Easy5 inte ¨ar m¨ojligt att anv¨anda.
5.3.5
Fluidflow
Fluidflow ¨ar ett modelleringsverktyg som ¨ar anpassat f¨or modellering och simuler- ing av r¨orsystem. Modelleringsverktyget ¨ar l¨att att anv¨anda och f¨orst˚a. Eftersom modelleringsverktyget ¨ar ¨oversk˚adligt blir modellerna enkla att analysera ¨aven f¨or en anv¨andare som inte konstruerat modellen. Fluidflow saknar dock m˚anga av de funktioner som kr¨avs f¨or att modellera hela hyttgasn¨atet och ¨ar d¨arf¨or inte ett l¨ampligt val av modelleringsverktyg. Fluidflow ¨ar under uppdatering. I den nya versionen kommer det att finnas st¨orre m¨ojligheter f¨or anv¨andaren att skapa egna komponenter, samt att anpassa de befintliga komponenterna.
5.3.6
Hopsan
Hopsan ¨ar ett modelleringsverktyg som ¨ar specialiserat p˚a hydrauliska system. Modelleringsverktygets l¨osningsmetod med fasta tidsintervall som defineras av an- v¨andaren ¨ar i de flesta fall inte l¨amplig f¨or hyttgasn¨atet. Det ¨ar oftast ¨ar mer effek- tivt att anpassa stegl¨angden efter systemets dynamik. Hopsan kr¨aver programmer- ingskunskaper eftersom m˚anga delar av systemet saknas i komponentbiblioteket.
5.4 Resultat 31
De delar av systemet som saknas m˚aste implementeras och l¨aggas till som kom- ponenter i biblioteket. Hopsan ¨ar ej ¨ar l¨ampligt att anv¨anda vid modelleringen av hyttgasn¨atet.
5.3.7
Flowmaster II
Modelleringsverktyget Flowmaster II ¨ar utvecklat f¨or modellering av str¨omnings- tekniska system. Flowmaster II inneh˚aller f¨ardiga komponenter som anv¨ands f¨or att bygga upp modeller. Samtliga delar av hyttgasn¨atet kan modelleras direkt med f¨ardiga komponenter eller med hj¨alp av Matlab, d˚a Flowmaster II har m¨ojlighet att kommunicera med Matlab. Kombinationen mellan Flowmaster II / Matlab ¨ar ett l¨ampligt val f¨or modelleringen av hyttgasn¨atet bortsett fr˚an finansieringen. Kontak- ten med tillverkaren gav ingen m¨ojlighet f¨or anv¨andandet under examensarbetet. Flowmaster II kan d¨arf¨or inte att anv¨andas.
5.3.8
Pneuma
Pneuma ¨ar ett modelleringsverktyg som ¨ar specialiserat f¨or pneumatiska system och gassystem med h¨ogkompressibelt fl¨ode. Modelleringsverktyget kan samk¨oras med Matlab och borde d¨arf¨or ha m¨ojlighet att modellera hyttgasn¨atet. Informatio- nen om Pneuma var bristf¨allig vilket l¨amnade m˚anga fr˚agor i kravspecifikationen obesvarade. Kontakten med Pneumas utvecklare har ej givit n˚agra svar p˚a fr˚agorna. Bed¨omningen i kravspecifikationen har d¨arf¨or inte fullf¨oljts, och Pneuma kan d¨arf¨or ej ses som ett l¨ampligt modelleringsverktyg f¨or examensarbetet.
5.3.9
Aspentech
Aspentech erbjuder en kombination av verktyg f¨or modellering av processindustri- er. Vid modelleringen av hyttgasn¨atet kan flera kombinationer av verktyg utnyt- tjas. De som anses mest anv¨andbara ¨ar Hysys Dynamics tillsammans med Aspen HTFS+ Pipe eller Aspen Custom Modeler. Vid den f¨orsta kombinationen ¨ar dock modelleringsverktygens kompabilitet ej dokumenterad i produktinformationen. As- pen Custom Modeler saknar f¨ardiga funktioner f¨or komponenter i hyttgasn¨atet och kr¨aver d¨arf¨or programmeringskunskaper. Modelleringsverktygen fr˚an Aspen- tech har de egenskaper som efterfr˚agas rent tekniskt men kr¨aver att anv¨andaren har programmeringsvana. Eftersom Aspentech inte erbjuder licenser till enskilda studenter ¨ar modelleringsverktygen inte m¨ojliga att anv¨anda.
5.4
Resultat
Vid bed¨omningen av vissa modelleringsverktyg ¨ar kravspecifikationen som redo- visas i bilaga B inte fullst¨andigt ifylld. N¨ar starka sk¨al framkommit f¨or att modeller- ingverktyget inte kan anv¨andas vid modelleringen har inte alla punkter i kravspeci- fikationen unders¨okts. I dessa fall har betyget ej bed¨omts anv¨ants. Unders¨okningen
har inte fullf¨oljts f¨or Fluent, Fluidflow, Hopsan och Pneuma.
De modelleringsverktyg som klarar kravspecifikationen ¨ar Matlab / Simulink och Modelica. Dessutom klarar Easy5 och Flowmaster II i kombination med Matlab och Aspentech kraven i specifikationen, bortsett fr˚an finansieringen under examen- sarbetet. Matlab / Simulink och Modelica ¨ar d¨arf¨or de enda modelleringsverktygen som ¨ar m¨ojliga att anv¨anda under examensarbetet.
F¨ordelen med Modelica ligger i att konstukt¨oren av modellen inte m˚aste realis- era de fysikaliska ekvationerna utan ist¨allet kan implementera ekvationerna i koden f¨or varje komponent. I Matlab m˚aste d¨aremot konstrukt¨oren realisera de fysikaliska ekvationerna med de funktioner som erbjuds i utvecklingsmilj¨on. Nackdelen ¨ar up- penbar, konstrukt¨oren i Modelica m˚aste ha grundl¨aggande programmeringskun- skaper.
˚
Ateranv¨andningen av byggstenar blir enklare i Modelica ¨an i Matlab. Modeli- ca ¨ar objektorienterat och komponenterna i en klass har en upps¨attning tillst˚and som ¨ar lika f¨or alla komponenter i klassen. Vid en f¨or¨andring i en klass, upp- dateras alla komponenter som tillh¨or klassen vilket underl¨attar modelleringen. Till Modelica finns f¨ardiga programpaket som inneh˚aller komponenter till van- ligt f¨orekommande system. Dessa programpaket ¨ar i de flesta fall gratis. I Matlab finns ingen ˚ateranv¨andning f¨orberedd f¨orutom att program som Flowmaster II kan anv¨andas f¨or att tillf¨ora f¨orberedda funktioner.
Vid stora och mer komplexa modelleringar ¨ar Modelica l¨ampligast att anv¨anda, eftersom modellen blir mer ¨oversk˚adlig ¨an i Matlab / Simulink. Exempelvis blir de komponenter som hanterar kompressibelt fl¨ode mycket komplexa och sv˚arhanterade i Matlab / Simulink. Dessutom har SSAB Oxel¨osund planer p˚a ett samarbete med en extern konsult f¨or att modellera panna 4 i utbildningssyfte. F¨or att samk¨ora modellerna med varandra ser SSAB det som en stor f¨ordel att modelleringen sker i Modelica.
Sammantaget ¨ar Modelica det verktyg som ¨ar b¨ast l¨ampat f¨or att anv¨anda vid modelleringen av hyttgasn¨atet. Vid modellering i Modelica kan olika utveck- lingsmilj¨oer anv¨andas. De som ¨ar aktuella ¨ar Mathmodelica som utvecklas av Math- core samt Dymola som utvecklas av Dynasim. Dymola anses b¨ast l¨ampad eftersom Mathmodelica ¨ar mindre utvecklat ¨an Dymola.
Kapitel 6
M¨atningar
F¨or att konstruera modellen kr¨avs att det verkliga systemets egenskaper studeras. Genom att g¨ora m¨atningar f˚as information om hur hyttgasn¨atet uppf¨or sig. De storheter som huvudsakligen ¨ar intressanta ¨ar tryck och fl¨ode.
6.1
Loggning av data
Det finns tre m¨ojligheter att logga m¨atdata vid SSAB. Loggningen kan ske med log- gerdatorer, med en extern utrustning samt direkt via processens styr- och ¨overvak- ningssystem.
6.1.1
Loggerdatorer
M¨atv¨arden fr˚an processen lagras kontinuerligt av loggerdatorer. Datorerna i hytt- gasn¨atet ¨ar ER som lagrar data fr˚an kraftverk och koksverk samt HY som lagrar m¨atdata fr˚an hyttan. M¨atv¨ardena som lagras ¨ar medelv¨ardesbildningar ¨over olika l˚anga tidsintervall. Intervallens l¨angd beror p˚a hur gamla m¨atv¨ardena ¨ar. I tabell 6.1 och tabell 6.2 visas medelv¨ardesintervall och lagringstid f¨or ER respektive HY.
Tabell 6.1.Medelv¨ardesintervall och lagringstid f¨or ER
Medelv¨ardesintervall Lagringstid 30 s 1 dygn 10 min 1 vecka 1 timma 1 m˚anad 1 dygn 1 ˚ar 1 vecka 10 ˚ar 1 m˚anad 20 ˚ar 33
Tabell 6.2.Medelv¨ardesintervall och lagringstid f¨or HY Medelv¨ardesintervall Lagringstid 60 s 3 dygn 10 min 1 vecka 1 timma 1 m˚anad 1 dygn 1 ˚ar 1 vecka 10 ˚ar 1 m˚anad 20 ˚ar
F¨or att avg¨ora om de data som lagras i ER och HY ¨ar anv¨andbara vid mod- ellbygget studeras hur snabba f¨or¨andringar som sker i de storheter som m¨ats i gasn¨atet. De komponenter som p˚averkar hyttgasn¨atet unders¨oks. St¨angningstiden f¨or snabbst¨angarna ¨ar n˚agra f˚a sekunder. Reglerspj¨allen som styr fl¨odet till fack- lorna har en ¨oppningstid p˚a ca 20 s f¨or fackla 1, och ca 50 s f¨or fackla 2.
Om m¨atstorheterna i hyttgasn¨atet f¨or¨andras p˚a n˚agra f˚a sekunder ¨ar det o- m¨ojligt att modellera de dynamiska f¨orloppen baserat p˚a m¨atdata som medelv¨arde- sbildats ¨over 1 minut. Medelv¨ardesbildningen fungerar som en LP-filtrering. Det kr¨avs d¨arf¨or att m¨atv¨arden samlas med en h¨ogre sampelhastighet och utan medel- v¨ardesbildning.
Data fr˚an ER och HY kan dock anv¨andas f¨or de delar av hyttgasn¨atet som inte ¨ar intressanta att studera lika ing˚aende. Exempelvis ¨ar varmapparaternas konsumtion av hyttgas stabil f¨orutom vid v¨axlingarna mellan varmapparaterna. M¨atningarna av varmapparaternas konsumtion g¨ors f¨or att fastst¨alla vilka varmap- parater som g˚ar p˚a bl¨aster och vilka som st˚ar p˚a uppv¨armning. F¨or detta ¨andam˚al ¨ar data fr˚an ER och HY fullt tillr¨ackliga.
6.1.2
Extern utrustning
Vid loggning med extern utrustning har en logger fr˚an tillverkaren Intab anv¨ants. Loggern har 8 analoga ing˚angar och hanterar sampelfrekvenser upp till 1000 Hz [21]. Tre externa loggrar anv¨ands, vilka placerades vid kraftverket, vid M4 och vid M2:s utlopp p˚a hyttgasn¨atet.
Det ¨ar viktigt att v¨alja en tillr¨ackligt h¨og samplingsfrekvens f¨or att systemets dynamik ska ˚aterspeglas i m¨atningarna. En alltf¨or h¨og samplingsfrekvens ger en on¨odigt stor datam¨angd och begr¨ansar tidsintervallet som kan loggas. En tum- regel f¨or val av samplingsfrekvens vid modellbygge ¨ar att m¨atningen ska inneh˚alla 5-8 sampel p˚a flanken av ett stegsvar. De snabbaste ventilerna i systemet, snabb- st¨angarna vid kraftverket, har en st¨angningstid p˚a n˚agra f˚a sekunder, d¨arf¨or v¨aljs samplingsfrekvensen 5 Hz f¨or att f˚anga den dynamik som ventilerna har. Vid nor-