Tomografia procesowa

• procesów transportu pneumatycznego materiałów sypkich,
• zjawisk dynamicznych występujących przy opróżnianiu silosów,
• przepływów dwu-fazowych typu gaz-ciecz,
• zjawisk występujących w procesach mieszania cieczy.

Fotografie instalacji badawczych w Laboratorium Tomografii Procesowej im. Tomasza Dyakowskiego

Fotografia stanowiska do badania przepływów z systemem ECT

Laboratorium jest wyposażone w specjalizowane urządzenia pomiarowe, w tym oczywiście tomograficzne.

Są to m.in.:

• 16-to kanałowy tomograf pojemnościowy firmy ECT Instruments Ltd.. Z uwagi na swoją szybkość pomiarową stosowany jest do wizualizacji procesów przepływowych,

• Dwa 32 kanałowe tomografy pojemnościowe zbudowane przez naukowców Instytutu Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem dr. Romana Szabatina. Z uwagi na możliwość swobodnego doboru wzmocnień wszystkich kanałów pomiarowych dedykowany jest do badań nad trójwymiarowa tomografią pojemnościową.

• 32 kanałowy tomograf pojemnościowy zbudowany w Instytucie Informatyki Stosowanej w ramach projektu DENIDIA, wykorzystywany jest również do badań nad trójwymiarowa tomografią. Wspiera również koncepcję czujników obrotowych dzięki możliwości synchronizacji wykonywania pomiarów z obrotem silników krokowych instalowanych przy czujnikach. Tomograf umożliwia pomiary metodą pojemnościową oraz rezystancyjną.

• oraz oprzyrządowanie firm National Instruments, Rigol i Agilent.

 

System uzupełniają również serwery:

Fotografie systemu obliczeniowego

Możliwości obliczeniowe serwera Radeon obrazuje poniższy film. Uruchomiony na serwerze Radeon benchmark osiąga sumaryczny wynik ponad 280.000 punktów. W tym samym teście procesor Intel i7 2.8 GHz,  wykorzystujący 4 rdzenie osiąga 3.600 punktów.

http://www.youtube.com/embed/YYSSnqpchaw

Pyrit Benchmark uruchomiony na serwerze Radeon i osiągi ponad 280000 PMK/s

Prezentowany zestaw urządzeń pomiarowych oraz obliczeniowych umożliwia wykonywanie w czasie rzeczywistym wizualizacji 2D oraz 3D badanego procesu przemysłowego. Uzyskiwane w Laboratorium wyniki zaowocowały już promocyjnymi pracami naukowymi jak rówież publikacjami w czasopismach z listy filadelfijskiej oraz licznymi wyróżnieniami i nagrodami na wystawach krajowych i międzynarodowych.

Laboratorium powstałe w pomieszczeniach Instytutu Informatyki Stosowanej odgrywa znaczącą rolę przy opracowywaniu, testowaniu i wdrażaniu systemów nieinwazyjnego obrazowania dla potrzeb aplikacji przemysłowych. Celem tego przedsięwzięcia jest wypracowanie nowoczesnych bezinwazyjnych technik automatycznej kontroli procesów przemysłowych pod względem jakości i optymalizacji produkcji.

Zakres realizowanych badań w dziedzinie Tomografii Procesowej

Badania prowadzone w zakresie Tomografii Procesowej dotyczą przede wszystkim zastosowania TP w diagnostyce przepływów materiałów sypkich oraz ciekłych. Prace prowadzone są w następujących kierunkach:

• opracowywanie metodyki prowadzenia eksperymentów naukowych, pomiarów i analizy surowych danych pomiarowych, ang. Raw Data;
• konstrukcja i projektowanie pojemnościowych czujników pomiarowych, z uwzględnieniem dokładności pomiaru;
• tworzenie i modyfikacja algorytmów do konstrukcji oraz analizy obrazów;
• przetwarzanie i analiza tomograficznych danych pomiarowych oraz danych zrekonstruowanych;
• bezprzewodowe metody transmisji danych diagnostycznych przemysłowych systemów produkcyjnych z użyciem surowych danych pomiarowym;
• trójwymiarowa elektryczna tomografia pojemnościowa;
• modyfikacja powszechnie stosowanych algorytmów konstrukcji obrazów mająca na celu polepszenie jakości i czasu uzyskiwanych wyników.

• pneumatycznym;
• grawitacyjnym;
• dwufazowym cieczy.

W ramach współpracy naukowej m.in. z uniwersytetami brytyjskimi UMIST Manchester i University of Leeds, norweskim  University of Bergen oraz niemieckim Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, naukowcy Instytutu realizują liczne projekty oraz wyjeżdżają na kilkumiesięczne staże. W zagranicznych jednostkach naukowych nasi pracownicy prowadzą wspólne, z partnerami zagranicznymi badania, dotyczące przede wszystkim diagnostyki oraz monitorowania procesów przemysłowych transportu pneumatycznego oraz składowania i opróżniania grawitacyjnego materiałów sypkich.Nie bez znaczenia jest również wspólna wymiana wymiana wiedzy.

W latach 2006 - 2010, naukowcy Instytutu koordynowali czteroletni międzynarodowy projekt na łączną kwotę około jednego mln € pt. „Development of Excellence in Non-Invasive Diagnostic System for Industrials and Scientific Applications” o akronimie: DENIDIA. Projekt był realizowany w ramach 6. Programu Ramowego - Mobility - Marie Curie Host Fellowships for the Transfer of Knowledge, na podstawie kontraktu zawartego z Commission of the European Communities – Research Directorate-General o nr. MTKD-CT-2006-039546.
Celem projektu było: „Uzyskanie doskonałości w badaniach naukowych i przemysłowych zastosowaniach bezinwazyjnych systemów diagnostycznych”.
Więcej szczegółów na temat prac prowadzonych w ramach tego projektu można znaleźć tutaj>>

W latach 2003-2006 naukowcy Instytutu uczestniczyli w międzynarodowym grancie „Industrial process gamma tomography” finansowanym przez International Atomic Energy Agency z Wiednia. Grant dotyczył zastosowania dwóch komplementarnych technik tomograficznych - tomografii gamma i elektrycznej tomografii pojemnościowej do badań złóż fluidalnych. W projekcie tym brały udział zespoły badawcze z USA, Wielkiej Brytanii, Norwegii, Polski, Brazylii,  Malezji oraz Meksyku.

W latach 2003-2004, w Instytucie realizowano wraz z naukowcami z University of Leeds, oraz University of Manchester. projekt Spatial and Temporal Modelling for Electrical Capacitance Tomography, sponsorowany przez brytyjskie EPSRC. 

Naukowcy Instytutu Informatyki Stosowanej brali także udział w grancie przyznanym przez Royal Society we współpracy z UMIST Manchester dotyczącym zastosowań tomografii procesowej: "Application of tomographic methods for modelling multi-phase flows".

 “Zastosowanie trójwymiarowej elektrycznej tomografii pojemnościowej do wyznaczania udziału faz oraz identyfikacji struktur w przepływach typu gaz-ciecz w rurociągach poziomych i pionowych” 

(projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki 4664/B/T02/2010/38)

 Celem projektu było zbudowanie narzędzia posiadającego możliwośści nieinwazyjnego monitorowania i diagnozowania procesów przepływów dwufazowych mieszanin gaz-ciecz, które znajdują szerokie zastosowania w przemyśle budowlanym, spożywczym, farmaceutycznym, chemicznym, rafineryjnym i wielu innych.

 W ramach zrealizowanych prac badawczych dokonano oceny własnośści metrologicznych prototypowego systemu trójwymiarowej elektrycznej tomografii pojemnościowej w zastosowaniu do nieinwazyjnego wyznaczania udziału faz oraz identyfikacji struktur w przepływach dwufazowych mieszanin gaz-ciecz, w rurociągach pionowych i poziomych. Istota proponowanego rozwiązania polegała na zastosowaniu nowatorskiej, trójwymiarowej struktury czujnika pojemnośściowego o elektrodach wewnętrznych, systemu pomiarowego elektrycznej tomografii pojemnościowej ECT 3D oraz specjalizowanych algorytmów równoległego, szybkiego przetwarzania danych pomiarowych do wizualizacji wnętrza fragmentu przepływu mieszanin gaz-ciecz. Autorzy zastosowali w swoim systemie szereg nowych rozwiązań, które wymagały opracowania nowych algorytmów przetwarzających dane pomiarowe pochodzące z systemu trójwymiarowej elektrycznej tomografii procesowej. W wyniku prowadzonych badań opracowane zostały metody pozwalające na szybką rekonstrukcję obrazów tomograficznych 3D dobrej jakości. Dla tych potrzeb opracowano i zaimplementowano równoległą architekturę obliczeniowš łączaca w sobie technologie Nvidia CUDA oraz OpenCL. Opracowana architektura zapewnia radykalny wzrost szybkości obliczeń dzięki wykorzystaniu mocy układów procesorów graficznych. Zrekonstruowane tymi metodami obrazy zostały poddane procesowi identyfikacji struktur przepływu mieszanin gaz-ciecz przy pomocy algorytmów klasteryzacji rozmytej.
Przeprowadzone w trakcie realizacji niniejszego projektu multidyscyplinarne badania zaowocowały opracowaniem nowych nieinwazyjnych metod identyfikacji i wizualizacji struktur przepływów dwufazowych. Opracowane w ramach projektu techniki i algorytmy pozwalaja na szybka trójwymiarową wizualizację wnętrza rurociagów, w których zachodzą przepływy mieszanin gaz-ciecz, poprzez uzyskanie w krótkim czasie obrazów tomograficznych oraz ich szybką analizę i identyfikację. Tak wypracowana informacja diagnostyczna może być użyteczna w kontekście przemysłowych procesów monitorowania oraz sterowania przepływami mieszanin gaz-ciecz w systemach czasu rzeczywistego. Opracowana metoda identyfikacji i wizualizacji struktur, występujšcych w przemyśle przepływów dwufazowych, przy zastosowaniu systemu pomiarowego trójwymiarowej elektrycznej tomografii pojemnościowej, może znaleźć praktyczne zastosowanie w wielu gałęziach gospodarki, gdzie powszechnie wykorzystywane są procesy przepływowe mieszanin gaz-ciecz np.: w przemyśśle chemicznym, farmaceutycznym, wydobywczym, energetycznym, odlewniczym, spożywczym i wielu innych. 

 

 

 

 

 

 

 

 

(projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki 2011/01/D/ST6/07209)

 W Instytucie Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej zbudowany został inteligentny systemy informatyczny dedykowany dla potrzeb diagnostyki i sterowania procesów przepływów dwufazowych. System, o nazwie intelliFlowControl, wyposażony jest m.in. w inteligentny moduł diagnostyczny (rys. 1), oparty o diagnostykę trójwymiarowej tomografii pojemnościowej, realizujący w czasie rzeczywistym identyfikację struktury przepływu oraz zadanie wyznaczania objętościowego udziału faz. Dzięki temu możliwy jest nieinwazyjny trójwymiarowy monitoring przepływu w nieprzeźroczystych i trudno dostępnych fragmentach rurociągów. Moduł ten został wyposażony w algorytmy rozmyte realizujące operację rozpoznawania struktur przepływów zgodnie z regułami logiki rozmytej. Podejście takie umożliwia pełną automatyzację pracy realizowanej dotychczas głównie przez wykwalifikowanych pracowników technicznych – ekspertów w dziedzinie przepływów dwufazowych.

Diagram funkcjonowania systemu

Ważnym elementem systemu jest również inteligentny regulator rozmyty pracujący w pętli sprzężenia zwrotnego, który utrzymuje żądane nastawy parametrów przepływu w oparciu o zadany reżim przepływu. Aspekt inteligencji systemu oparty jest tu również o mechanizmy logiki rozmytej odwzorowujące analizę danych dokonywaną w ludzkim umyśle. Zaletą zastosowania regulatora rozmytego jest jego przewidywalna (wyuczona) reakcja na stany występujące w instalacjach badawczych i przemysłowych, w tym również na stany zagrożenia. Zastosowanie sterownika regulatora umożliwiło pełną automatyzację procesu sterownia pracą instalacji badawczej przy jego jednoczesnej optymalizacji (na przykład usunięcie czasu reakcji operatora instalacji potrzebego na podjęcie decyzji i wykonania odpowiednich czynności).

Ostatnim elementem systemu jest uniwersalny dotykowy panel monitorująco-sterujący. Jest to autorskie rozwiązanie, które może być w łatwy sposób dostosowane do różnych instalacji przemysłowych. Zawiera mechanizmy graficznego projektowania aktywnych i pasywnych komponentów modelu instalacji dzięki czemu stanowi alternatywę dla drogich komercyjnych rozwiązań.

Istnieją szerokie możliwości zastosowania systemu. Wszędzie tam, gdzie w produkcji transportowana jest mieszanina daz gaz-ciecz lub gaz-ciało stałe i proces ten nie funkcjonuje optymalnie bądź nie jest ekonomiczny, prezentowany stystem może temu zaradzić. Jest w stanie zapobiec wystąpieniu awarii i zatrzymaniu linii produkcyjnej lub ustrzec w sytuacji, gdy z przyczyn złych parametrów przepływu, finalny produkt będzie wadliwy. System może również być niezastąpiony, gdy dany proces przepływowy wymaga stałego nadzowu, a środowisko pracy stwarza zagrożenie bezpieczeństwa bądź utraty zdrowia lub życia pracowników, a potrzebny jest ciągły, automatyczny, nieinwazyjny a zarazem szybki monitoring trudno dostępnych fragmentów rurociągów.

Można by tutaj wymienić liczne przykłady praktycznych obszarów zastosowań. Chociażby wszędzie tam, gdzie przepływ ma się odbywać w konkretnym charakterystycznym zakresie. Identyfikacja parametrów przepływów dwufazowych w mieszaninach gaz-ciecz jest wtedy bardzo ważna . Przykładowo, podczas transportu dwufazowego zawiesin, będących substancjami o właściwościach nienewtonowskich, można zmniejszyć opory przepływu mieszaniny w sytuacji, gdy transport dwufazowy odbywa się w zakresie przepływu rzutowego, a ciecz (zawiesina) przed dodaniem do niej gazu płynie ruchem laminarnym. Aby uzyskać jak najmniejsze wartości oporów przepływu, trzeba wówczas prowadzić proces przy odpowiednich wartościach parametrów charakterystycznych przepływu rzutowego.

Znajomość aktualnych parametrów przepływu dwufazowego może być również bardzo potrzebna w sterowaniu procesami wymiany ciepła w przypadkach, gdy w trakcie tych procesów zachodzi odparowanie czynnika biorącego udział w wymianie ciepła. Dzieje się tak w systemach chłodzenia reaktorów jądrowych i w aparatach wyparnych.

Zainstalowanie systemu identyfikującego przepływ dwufazowy może być niezwykle użyteczne przy kontrolowaniu obecności pęcherzy powietrznych w cieczach będących półproduktami, w których obecność powietrza jest niedopuszczalna. Istnienie pęcherzy powietrznych w przygotowanych do produkcji szarżach, może spowodować nieodwracalne straty. Przykładowo, istnienie pęcherzy powietrznych w przygotowanych do procesu przędzenia włókien roztworach włóknotwórczych, bądź stopach polimeru, może znacznie utrudnić procesy przetłaczania tych substancji przez filiery. Także obecność powietrza w półproduktach ciekłych o wyższych lepkościach w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym i spożywczym, może być w pewnych przypadkach bardzo niekorzystna. Kontrolowanie w czasie rzeczywistym, pozwalające wykryć obecność pęcherzy powietrznych, może w tych przypadkach okazać się bardzo przydatne.

W przypadku procesów transportu pneumatycznego ciał stałych, system identyfikacji umożliwia bieżące kontrolowanie udziału cząstek ciała stałego w przepływającym strumieniu. Po połączeniu układu identyfikacji z układem dozowania, umożliwić to może właściwe sterowanie procesem.

 

Bezprzewodowe metody transmisji danych diagnostycznych przemysłowych systemów produkcyjnych z użyciem surowych danych pomiarowym

 

Nadzór przemysłowych procesów prowadzony jest zdalnie z użyciem tablic synoptycznych. Typowo realizowane jest to poprzez dedykowane zestawy konsol operatorskich. Obecnie specyfika zarządzania tego typu systemami wymaga rozpraszanie zarządzania procesem zarówno ze względu na lokalizację i mobilny personel techniczny. Istotne jest stąd wypracowywanie  metod uwzględniających zdefiniowane wymagania. Proponowane przez naukowców z IIS rozwiązanie bazuje na wirtualnych tablicach synoptycznych dostępnych zarówno na ekranach komputerów stacjonarnych, jak i przenośnych tabletów i PDA. ¦rodowisko zarządzania  wykonane jest z użyciem graficznego środowiska programistycznego LabVIEW^TM. ¦rodowisko to umożliwia realizację oprogramowania komunikującego się między urządzeniami w oparciu o nowoczesne, wszechogarniające i innowacyjne w sensie zastosowań w przemyśle, technologie bezprzewodowe.

 

 

Schemat instalacji przemysłowej transportu pneumatycznego i oprózniania grawitacyjnego materiałów sypkich

 

 

 

Zdjęcia zbiorników na materiały sypkie

 

 

Rozwiązanie takie wspomaga łatwiejsze zarządzanie aparaturą sterującą i pomiarową rozproszoną w wielu punktach instalacji. Jednocześnie pozwala naukowcom oraz inżynierom procesów na swobodę poruszania się po hali produkcyjnej, czy wręcz nadzorowanie działania instalacji spoza jej najbliższego otoczenia. Dzięki takiemu rozwiązaniu personel techniczny (ang. maintenance staff) zyskuje możliwość kontrolowania systemu, wszędzie tam gdzie jest dostęp do sieci Wi-Fi, bądź GSM, poprzez połączenia sieciowe – interfejs www, e-mail lub komunikaty SMS.

 

   

 

Przykładowe zrzuty ekranowe wirtualnych tablic synoptycznych dla komputera PC i PDA

 

 

Wirtualne tablice, identycznie jak ich fizyczne odpowiedniki, mogą być wyposażone w elementy aktywne (diody sygnalizacyjne i kontrolki dźwiękowe, wyświetlacze tekstowe i graficzne, itp.) regulacyjne i sterownicze. Algorytmy sterowania ręcznego, jak i automatycznego dotyczą zagadnień związanych z przetwarzaniem danych, pozyskiwanych z różnorodnych czujników rozmieszczonych w kluczowych węzłach instalacji. Nadzór i sterowanie odbywa się w zakresie pozyskiwanych i przetwarzanych danych oraz parametrów urządzeń wykonawczych automatyki, takich jak siłowniki zasuw, pompy nawiewne i obrotowe przepływu, itd. Podstawową / główną cechą użycia metod bezprzewodowych jest pozyskiwanie najważniejszych informacji o procesie i stanie instalacji w czasie rzeczywistym przez osoby mające strategiczne znaczenie w procesie zarządzania i nadzoru technicznego.

 

Sterowanie w instalacji możliwe jest w następującym zakresie:

- podczas napełniania zbiornika kontrolowany jest stan zamknięcia otworu wylotowego (dół);

- włączana są pompy systemu napełniania. Proces ten jest prowadzony pulsacyjnie, ze względu na mniejszą
  pojemność zbiornika pośredniego. napełnianie odbywa się w rytmie: napełnienie zbiornika pośredniego, otwarcie
  zasuwy pneumatycznej zbiornik pośredni-zbiornik główny;

- kontrola poziomu otwarcia otworu wylotowego podczas opróżniania silosu.

 

Bezprzewodowe monitorowanie procesu i instalacji obejmuje:

- podglądu stanu poszczególnych czujników i prezentacja w postaci tekstowej bądź graficznej (charts);

- podgląd obrazu z otoczenia silosu.

Zastosowanie instalacji transportu pneumatycznego i oprózniania grawitacyjnego materiałów sypkich

 

 

Trójwymiarowa (3D) metoda rekonstrukcji obrazów dla ECT

Rekonstrukcja obrazu w przemysłowych systemach elektrycznej tomografii pojemnościowej dotychczas opierała się na pomiarze realizowanym w jednej bądź kilku niezależnych płaszczyznach. Satysfakcjonujące wyniki wizualizacji uzyskiwano stosując rodzinę metod Projekcji Wstecznej realizowanych w jednym kroku bądź w schemacie iteracyjnym. W celu wizualizacji trójwymiarowej wnętrza przestrzeni procesu przemysłowego Zespół Tomografii Procesowej w Instytucie Informatyki Stosowanej PŁ zastąpił stosowaną do tej pory jednopierścieniową strukturę czujnika ECT nowatorskim, trójwymiarowym czujnikiem pojemnościowym, w którym pomiar pojemności realizowany jest pomiędzy wszystkimi elektrodami umieszczonymi w przestrzeni. Zmierzone pojemności zawierają przestrzenną informację o skanowanej przestrzeni procesu przemysłowego a obraz 3D wnętrza procesu przemysłowego można zbudować przy użyciu algorytmów konstrukcji obrazu 3D. Obrazy trójwymiarowe przedstawiające wnętrze procesu przemysłowego, pozwalają na ekstrakcję trójwymiarowych obiektów charakteryzujących się np. odmiennym kształtem geometrycznym, różnymi fazami skupienia czy też różną koncentracją materiału.

Inną ważną tematyką poświęconą elektrycznej tomografii pojemnościowej 3D są badania nad rozwojem nowych algorytmów nieliniowej rekonstrukcja obr azu i kształtów 3D. W ramach tych zagadnień prowadzone są prace nad poprawą efektywności oraz szybkości istniejących metod rekonstrukcji obrazu opartych na wokselach oraz węzłach siatki 3D. W Instytucie Informatyki Stosowanej PŁ prowadzone są również eksperymenty nad zastosowaniem mechanizmów obliczeń równoległych w procesie trójwymiarowej rekonstrukcji obrazu przy użyciu wielordzeniowych jednostek obliczeniowych oraz technologii Nvidia CUDA .

Trójwymiarowa tomograficzna wizualizacja

Współpraca krajowa i zagraniczna

Naukowcy z Instytutu Informatyki Stosowanej poza wymienionymi powyżej uczelniami zagranicznymi współpracują także
z naukowcami z Zakładu Elektroniki Jądrowej i Medycznej Politechniki Warszawskiej i Katedry Podstaw Budownictwa i Inżynierii Materiałowej Politechniki Gdańskiej.

7th World Congress on Industrial Process Tomography, Kraków, 2013

organizator
Instytut Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej.