Ce projet a été présenté à la conférence internationale IEEE en août 2018. En 2020, cette technologie était capable de contrôler l'ensemble des installations de fabrication de processus, mais sur des simulateurs hautement sophistiqués. Alors, la question suivante est devenue, est-ce que le FKDPP est prêt pour le monde réel ?
De la simulation à la réalité
Yokogawa a répondu à cette question dans son usine de semi-conducteurs Komagane à Miyada-mura, au Japon (Figure 1). Ici, une grande partie de la production a lieu dans des environnements de salle blanche dans des conditions de température et d'humidité étroitement contrôlées nécessaires pour produire des produits sans défaut. La tâche du système AI est de faire fonctionner les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) de manière optimale en maintenant les conditions environnementales requises tout en minimisant la consommation d'énergie.
Il est compréhensible qu'une application réelle sélectionnée pour ce type d'expérience soit d'échelle modeste avec un potentiel minimal de risques pour la sécurité. Cette approche conservatrice peut être moins dramatique que celle d'une raffinerie de pétrole, mais cela ne réduit pas sa validité en tant que preuve de concept.
À première vue, faire fonctionner un système CVC de manière autonome peut ne pas sembler complexe. Mais les systèmes CVC prenant en charge l'environnement de salle blanche étroitement contrôlé représentent 30 % de l'énergie totale consommée par l'installation, et représentent donc un coût important. Le climat du Japon varie au fil des saisons, il y a donc des ajustements nécessaires à différents moments de l'année pour équilibrer le chauffage et le refroidissement, tout en assurant le contrôle de l'humidité.
L'installation réside dans une vallée de montagne à une altitude de 646 mètres (2 119 pieds). Il a un climat tempéré et a tendance à être relativement frais, avec une température annuelle comprise entre -9° et 25°C (15,8° et 77°F). L'usine produit des capteurs de pression à base de semi-conducteurs (Figure 2) qui entrent dans la gamme de transmetteurs de pression DPharp de l'entreprise. Il est donc essentiel de maintenir une production ininterrompue. Même si cette démonstration a lieu dans l'une des propres usines de Yokogawa, les risques de coût et de production ne sont pas moins réels que ceux d'un client externe.
L'emplacement de l'installation est à l'extérieur du système de distribution de gaz naturel local, de sorte que le gaz de pétrole liquéfié (GPL) doit être amené pour fournir de la vapeur pour le chauffage et l'humidification. Le refroidissement par air fonctionne sur une alimentation électrique conventionnelle fournie par le réseau. Les deux systèmes fonctionnent de concert si nécessaire pour maintenir des niveaux d'humidité critiques.
Distribution d'énergie complexe
Les considérations entourant l'utilisation d'énergie dans les usines de fabrication japonaises commencent par le coût intérieur élevé. L'énergie sous toutes ses formes est chère par rapport aux normes mondiales, et l'efficacité est primordiale. L'installation de Komagane utilise des fours électriques pour le traitement des tranches de silicium, et il est nécessaire de récupérer autant de chaleur perdue que possible de ces opérations, en particulier pendant les mois d'hiver.
Pour être considéré comme un succès, le système de contrôle autonome doit concilier de nombreux objectifs critiques, dont certains s'excluent mutuellement. Ces objectifs incluent :
Des normes strictes de température et d'humidité dans l'environnement de la salle blanche doivent être maintenues dans l'intérêt de la qualité du produit, mais avec la consommation la plus faible possible de GPL et d'électricité.
Les conditions météorologiques peuvent changer considérablement sur une courte période de temps, nécessitant une compensation.
L'environnement de la salle blanche est très vaste, il y a donc un degré élevé d'inertie thermique. Par conséquent, cela peut prendre beaucoup de temps pour changer la température.
L'équipement de la salle blanche apporte également de la chaleur, mais celle-ci ne peut pas être régulée par le système de contrôle automatisé.
La chaleur résiduelle des fours électriques est utilisée comme source de chaleur au lieu du gaz propane, mais la quantité disponible est très variable, en fonction du nombre de lignes de production en cours d'utilisation à un moment donné.
Le liquide de refroidissement chauffé de la chaudière est la principale source de chaleur pour l'air extérieur. Si plus de chaleur est nécessaire que ce qui est disponible à partir de cette source récupérée, elle doit provenir de la chaudière brûlant du GPL.
L'air extérieur est chauffé ou refroidi en fonction de la température locale, généralement entre 3° et 28°C (37,4° et 82,4°F). Pendant la plus grande partie de l'année, l'air extérieur doit être chauffé.
La stratégie de contrôle existante (Figure 3) est plus complexe qu'il n'y paraît à première vue. Sous la surface, les mécanismes impliqués sont interconnectés d'une manière qui a changé au fil des ans, car les ingénieurs de l'usine ont travaillé pour augmenter l'efficacité.
Il y a eu de nombreuses tentatives antérieures pour réduire la consommation de GPL sans faire d'importants investissements dans de nouveaux équipements. Ces améliorations progressives ont atteint leurs limites pratiques en 2019, ce qui a conduit à la mise en œuvre de la nouvelle stratégie de contrôle basée sur le FKDPP au début de 2020.
L'équipe de mise en œuvre a sélectionné une journée lente lors d'un arrêt de production programmé pour mettre en service le nouveau système de contrôle. Au cours de cette journée, le système d'IA a été autorisé à faire sa propre expérimentation avec l'équipement pour apprendre ses caractéristiques. Après environ 20 itérations, le système d'IA avait développé un modèle de processus capable de faire fonctionner suffisamment bien le système CVC complet pour prendre en charge la production réelle.
Au cours des semaines et des mois de 2020, le système d'IA a continué d'affiner son modèle, effectuant des ajustements de routine pour s'adapter aux changements de volumes de production et aux variations saisonnières de température. L'avantage ultime du nouveau système basé sur le FKDPP était une réduction de la consommation de GPL de 3,6 % après sa mise en œuvre en 2020, entièrement basée sur la nouvelle stratégie d'IA, sans investissement majeur requis.
L'IA basée sur FKDPP est l'une des principales technologies soutenant la transition de l'automatisation industrielle vers l'autonomie industrielle (IA2IA) de Yokogawa, complétant les concepts conventionnels de contrôle de processus proportionnel-intégral-dérivé et avancé dans de nombreuses situations, et même remplaçant les opérations manuelles complexes dans d'autres cas. Le contrôle en temps réel utilisant l'apprentissage par renforcement AI, comme démontré ici, est la prochaine génération de technologie de contrôle, et il peut être utilisé avec pratiquement n'importe quel processus de fabrication pour le rapprocher d'un fonctionnement entièrement autonome.
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