Naadloze aansluiting tussen procesvoering en ‘business software’, dáár zit anno 2003 de meeste winst in.

Procesautomatisering is als vakgebied veel breder dan chemici plegen te denken, en wie met software meer winst uit een chemische fabriek wil halen moet verder kijken dan alleen naar de procesregeling. Heel kort samengevat is dat de boodschap van Henk Leegwater, automatiseringsexpert bij DSM en deeltijdhoogleraar systeem- en regeltechniek aan de TU Eindhoven. "‘Closing the manufacturing gap’, dat is momenteel de grote uitdaging. De procesautomatisering op de werkvloer denkt in uren of hooguit dagen, terwijl het ‘businessmanagement’ met weken en maanden werkt. Die werelden met elkaar in contact brengen, dat is waar winst valt te behalen. Niet meer aan het eind van de maand moeten constateren dat je het gewenste rendement niet hebt gehaald, maar de informatie binnenkrijgen op het moment dat je er nog iets mee kunt doen."

De prioriteiten zijn geleidelijk die kant uit geschoven, vertelt Leegwater. "Vroeger hielden technologen zich vrijwel uitsluitend bezig met ‘unit optimization’, het optimaliseren van kleine onderdelen van een proces. Vervolgens gingen ze hele fabrieken optimaliseren. Daarna complete productiesites: als de etheenkraker stilligt heeft de polyetheenfabriek daar immers ook last van. De volgende stap was ‘enterprise optimization’: welke producten maken we op welke locatie? En uiteindelijk kom je uit op ‘extended enterprise optimization’, waar je ook je toeleveranciers en je afnemers bij betrekt. Bijvoorbeeld via e-business. Als je merkt dat je je installatie beter kunt benutten door langere productieruns te maken, dan kun je via een elektronische veiling misschien een klant vinden die de extra productie wil afnemen."

Niet dat de mogelijkheden op het gebied van ‘unit optimization’ hiermee zijn uitgeput. Leegwater wijst er op dat procesregeling bij polymerisaties en andere exotherme reacties nog altijd onmisbaar is om de reactie als het ware in bedwang te houden: "Dankzij betere software kunnen we zulke reactoren dichter tegen de ‘constraints’ bedrijven, zoals de maximaal toelaatbare druk. Bij DSM hebben we hierdoor bijvoorbeeld batchtijden aanzienlijk kunnen bekorten. Ook zijn we in staat om producten consistenter te produceren. Zulke successen moet je ook kunnen boeken in de fijnchemie en de life sciences."

Maar de meeste aandacht gaat volgens hem toch echt uit naar de brug tussen plantsystemen en business-systemen. Meestal gerealiseerd in de vorm van een zogeheten Manufacturing Execution System (MES), een softwaretussenlaag die als het ware bemiddelt tussen beide werelden.

Soft sensor

Brian Roffel, hoogleraar procesregeling in zowel Twente als Groningen, bevestigt dat de grote winst momenteel niet in de procesregeling zelf zit. "Daar werken ze gewoon nog met druk- en temperatuurregelingen. Net zoals ze tien, twintig jaar geleden deden. Vooral in Nederland is de industrie uitermate conservatief." Wel ziet hij veel interesse in software die de productkwaliteit kan verbeteren. "Producenten van kunststofkorrels kunnen die kwaliteit niet meten door een sensor in de reactor te stoppen. Je moet met een monster naar het lab, eens in de twee uur of zo. De trend is nu dat je wiskundige modellen ontwikkelt om de producteigenschappen, zoals de molecuulgewichtsverdeling, zo goed mogelijk te voorspellen. Vervolgens maak je dan een regeling om die eigenschappen zo veel mogelijk constant te houden. Een ‘soft sensor’, noemen we dat." Zelf werkt hij onder meer aan zo’n soort sensor voor bio-olie, een brandstof die wordt gewonnen door pyrolyse van houtafval. "Nu ben je nog blij als er überhaupt wat uit zo’n reactor komt. Maar de klant neemt daar geen genoegen meer mee. Die wil constante kwaliteit."

INCOOP

Een ander belangrijk onderwerp is niet-lineair gedrag, stelt Roffel. "Daar werpt de academische wereld zich momenteel massaal op. Een sprekend voorbeeld van een niet-lineair proces is een pH-regeling. Een druppel zuur erbij en er verandert niets, nog een druppel en er verandert nog steeds weinig, maar zodra je om en nabij de pH = 7 komt, dan verandert het ineens heel snel. Ik ben net vorige week op een bijeenkomst geweest waar de ontwikkeling van niet-lineair regelen uit de doeken werd gedaan. Wat je doet is een fysisch niet-lineair proces ontwerpen en elk werkpunt lineair programmeren. Je adapteert continu de regeling."

Die bijeenkomst had plaats in Düsseldorf, en wat er werd gepresenteerd was ‘Integrated Control and Optimization for the Process Industry’, kortweg INCOOP. Aan dit deels door de Europese Unie gefinancierde project nemen de technische universiteiten van Aken, Delft en Eindhoven deel, samen met Bayer, Shell Chemicals International en twee softwareleveranciers, Ipcos en MPC.

Het project heeft tot doel de verschillende besturingslagen van een chemische fabriek beter op elkaar te laten aansluiten. De onderste van die lagen is de ‘basic control’ (bijvoorbeeld DCS), die de aansturing van kleppen, roerwerken en verwarmingselementen verzorgt. Daarboven zit vaak een ‘model predictive control’-laag. Deze MPC is min of meer te vergelijken met de stuurman van een mammoettanker, die elke koerswijziging een half uur van tevoren moet doorvoeren omdat zijn schip nu eenmaal niet sneller op het roer reageert. Aan de hand van een wiskundig procesmodel berekent de MPC hoe het proces moet worden bijgestuurd om het na verloop van tijd precies te laten uitkomen op het gewenste ‘setpoint’, zonder er spectaculair overheen te schieten. Die setpoints worden ingegeven door een nog hogere besturingslaag, de ‘real time optimizer’ (RTO), en die laat zich weer inspireren door de business-software.

Johan Grievink, hoogleraar procesontwerp in Delft, legt uit dat dit tegenwoordig standaardtechnologie is die bij grote bedrijven vrij breed wordt toegepast. Maar perfect werken doet het nog niet: "De optimizer is niet-lineair en statisch, terwijl MPC lineair en dynamisch is. Daar zit het probleem. De RTO krijgt informatie van de markt, zoals de productprijzen en de toestand van de plant. Op basis daarvan moet hij uitrekenen wat de nieuwe, stationaire toestand van de plant moet worden. Maar hij kan pas beginnen als de plant de vorige berekende stationaire toestand heeft bereikt, en als het procesmodel is aangepast aan de actuele situatie van het proces. Dat kost tijd. Je holt telkens achter de feiten aan. Bovendien is het systeem niet consistent omdat de MPC lineair is en de RTO niet."

Door hier verbetering in te brengen kan men de fabriek sneller laten reageren op veranderende marktomstandigheden, zodat er nog meer geld mee kan worden verdiend. "Het idee is ten eerste een ‘plantwide’ dynamisch model op te stellen als basis voor de RTO. Daarbij pak je overigens alleen de trage dynamica. Niet die klep die aldoor staat te klapperen, maar wel bijvoorbeeld een recycle. Het tweede punt is een verbeterde MPC, die niet lineair meer is. Beide lagen worden dus niet-lineair én dynamisch, en dus consistent."

Praktijkproef

INCOOP loopt nu drie jaar. Grievink vertelt dat de algoritmes inmiddels gereed zijn. Op korte termijn wil men ze gaan testen in twee praktijksituaties, die ter beschikking worden gesteld door de industriële partners Shell en Bayer. "Bij Shell betreft het een grootschalig continuproces, bij Bayer een polymeerproces. Bij allebei wordt regelmatig geschakeld tussen verschillende producten. We hebben de beschikking gekregen over gedetailleerde modellen. Tweeduizend vergelijkingen beschrijven het proces van Bayer, bij dat van Shell zijn het er zelfs zo’n 25.000. Op basis hiervan hebben we eerst offline getest op de computer in het lab. Nu is de INCOOP-ploeg bezig op de plants. Met medewerking van beide firma’s proberen we daar deze technologie aan de praat te krijgen."

Haast is geboden, want de huidige financieringsronde loopt op haar eind. "Per
1 april drogen de fondsen op. Dan moeten we een ‘proof of principle’ hebben om verder te kunnen. We krijgen het waarschijnlijk niet helemaal functioneel maar we hopen wel te kunnen aantonen dat alle bouwstenen tenminste één keer hebben gewerkt." Hij schat dat daarna nog tweemaal vier jaar nodig zal zijn om de technologie marktrijp te maken.

Puzzelstukjes

Ook op het gebied van MES en kantoorsoftware (veelal ERP-pakketten, in de volksmond vooral bekend onder de naam van marktleider SAP) zijn volop ontwikkelingen gaande. En zo verzamelt de chemische industrie langzaam de puzzelstukjes, die ooit samen een naadloos geïntegreerde productieketen zullen opleveren.

"In feite zijn alle componenten voor die keten er al, van de top van de firma waar ze praten over ‘shareholder value’ tot aan de temperatuurregeling van de reactor", denkt Grievink. "Het lijkt ver weg, maar grote raffinaderijen werken er hard aan om het voor elkaar te krijgen. De volgende automatiseringsgolf zal helemaal worden opgehangen aan de beheersing van de ‘supply chain’."