Extrusion Cycle Optimization
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3093931Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Ved å utvikle presis kontollteknologi for ekstruderingsprosesser, skal forskningprosjektet High Precision Extrusion Temperature Control through Digital Technology (ExtruTeC) møte den økende etterspørselen av høykvalitetsprofiler ved å øke produktkvaliteten og produksjonsraten.
Som en del av ExtruTeC, tar arbeidet i denne oppgaven for seg et forslag til hvordan man kan bygge opp et overordnet optimaliseringlag av ekstrudeingssyklusen, som den del av at et kontrollhierarki for ekstruderingprosessen. I tillegg, er en sentral del av denne løsningen implementert for å både bekrefte at implementeringen av denne metoden er mulig og praktisk, og for å produsere resultater som understreker verdien av å optimalisere hele ekstruderingssyklusen.
Det er flere studier som fokuserer på å optimalisere ekstruderingprosessen, hvorav mange tar for seg optimalisering av ramhastiheten som funksjon av tid, over ekstruderingsfasen. Idéen til et optimaliseringslag av ekstruderingsskylusen, er å tilrettelegge for kortest mulig ekstruderingstid ved å optimalisere den initielle temperaturprofilen i billeten i starten av ekstruderingsfasen, ved å ta hensyn til hele syklusen, som innebærer varmefasen, transportfasen og ekstruderingsfasen.
Det overordnede syklus-optimaliseringsproblemet er forenklet ved å dele problemet inn i flere, mindre problem, som representerer de enkelte fasene av ekstruderingsprosessen, for så og løse dem bakover. Det vil si at ekstruderingsfasen optimaliseres først, så transportfasen, og til slutt varmefasen. Under noen antagelser agrumenteres det for at denne forenklingen er ekvivalent til det samlede problemet. Optimalisering av ekstruderingsfasen er implementert som en ulineært program (NLP), ved hjelp av direkte kollokasjon. Denne implmenteringen er gjort mulig ved hjelp av en progressortransformasjon av modellen fra tid til ektruderingslengde. Denne transformasjonen er vist at yter flere fordeler, som å gjøre implementasjon av tidsvarierende og diskontinuerlige modelligninger enkelt og effektivt, samt at det vil være en betydelig reduksjon av optimaliseringsvariabler i det resulterende ulineære programmet.
Etter å ha løst optimaliseringsproblemet av ekstruderingsfasen for flere konfigurasjoner, er det funnet at ved å optimalisere den initielle temperaturprofilen til billeten ved starten av ekstruderingsfasen, kan man redusere ektrsuderingstiden med opp til 50% fra en ikke-optimalisert prosess. I tillegg er det funnet at ved å optimalisere initiell temperaturprofil samt ramhastighet og kjøleprofil, versus å kun optimalisere ramhastihet og kjølingsprofil, kan ekstruderingtiden reduseres med 26%. Det er også funnet at optimalisering av både kjøling og ramhastighet, versus bare optimalisering av ramhastighet, kan redusere ektruderingstiden med 23%. Resultatene er ikke validert med experimentell data. Through developing precise extrusion process control technology, the High Precision Extrusion Temperature Control through Digital Technology (ExtruTeC) research project sets out to meet increasing demands of aluminium profiles by allowing extrusion of higher quality product and increasing production.
As part of ExtruTeC, the work in this thesis is focused on conceptualizing a practical overall extrusion cycle optimization layer, as part of an extrusion process control hierarchy. Furthermore, a partial implementation of the optimization layer is covered, as means of testing the method and implementation, and thus proving the effectiveness of the proposed extrusion cycle optimization layer.
There are several works focused on optimizing the extrusion process, many of which concentrate on optimizing the ram speed curve over the extrusion phase. The idea of the extrusion cycle optimization scheme is to take the entire extrusion process into account; the heating-, transit-, and extrusion phase, and optimize the initial extrusion phase billet temperature, and subsequently the heating phase reference point, in order to optimize the extrusion period and increase production rate.
The extrusion cycle optimization problem is simplified by separating the problem into several smaller problems, representing the different phases of the extrusion process, and arguing for its equivalence with respect to optimality. The optimization of the extrusion phase is implemented as a nonlinear program (NLP), with the use of direct collocation. The implementation is made possible because of a progressor transformation of the model dynamics, from time to extrusion length. This transformation is shown to yield several benefits, such as effortless implementation of time varying and discontinuous extrusion model equations, and a great reduction of the number of decision variables of the respective NLP.
Upon solving the extrusion phase optimization problem in the form of an NLP, for several configurations, it is found that by optimizing the initial taper, as well as the ram speed and coolant valve opening, the proposed method may potentially reduce the extrusion time by up to 50% from a non-optimized process. Additionally, it is found that introducing initial taper optimization may yield a reduction of 26% from the case of only ram speed and coolant flow optimization, and that introducing coolant flow optimization from a case of only ram speed optimization may reduce the extrusion time by up to 23%. The results, however, are not verified experimentally, and are contingent on the applicability of the implemented extrusion model. The model used in this thesis is assumed reasonable based on crude comparisons to the reference model, upon which this model is based.