scelta del controllo di base

In generale, il controllo di base deve garantire il corretto funziona- mento in automatico della colonna cercando di minimizzare l’offset tra il set-point (SP) desiderato e la variabile di processo misurata (PV). I criteri di scelta relativi ai loop di controllo utilizzati nel modello di simulazione in esame sono esposti di seguito.

controllo di pressione. Gli schemi che generalmente si usano in

impianti di topping sono i seguenti:

• controllo della pressione del separatore agendo sulla val- vola di sfiato per controllare la pressione della colonna;

• controllo della pressione in colonna ed agendo sullo sfiato del separatore.

Nel caso in esame, la scelta per la quale si è optato è la seconda. Tuttavia, in anello chiuso è stata riscontrata una dinamica molto lenta per cui si è deciso di porre il regolatore di pressione in cascata su uno di portata agente direttamente sulla valvola di scarico del separatore.

controllo della portata di riflusso. Generalmente nelle colon-

ne di topping la portata di riflusso (importante variabile di pro- cesso) viene controllata in cascata al regolatore di temperatura misurata sul primo piatto della colonna. Questa strategia è mol- to valida perché consente di far fronte abbastanza velocemen- te alle variazioni di composizione che si realizzano in colonna. Con questo metodo si controlla molto bene la purezza del di- stillato ma non la sua resa; infatti, se ad un certo istante si re- gistrasse un aumento di temperatura, ciò starebbe a significare che in quell’istante alcune frazioni più pesanti stanno risalendo verso la testa della colonna. Il regolatore quindi agirà aumen- tando il riflusso in colonna per riportare i componenti pesanti nelle sezioni sottostanti, ma questo andrà a discapito della resa in distillato.

controllo della portata di bal. Il distillato (BAL) è regolato da

un controllo di livello sul separatore trifase10

che agisce in ca- scata su uno di portata. L’utilizzo frequente di controlli in ca- scata è dovuto principalmente alla possibilità di disporre di più controlli che consentano eventuali switch fra di essi11

.

controllo della portata di h2o. Non essendo una variabile di

processo fondamentale, tale portata è controllata semplicemente da un controllo di livello della fase acquosa nel separatore che agisce che agisce direttamente sulla valvola di regolazione.

controllo di livello del fondo degli stripper. Lo schema co-

munemente utilizzato nelle colonne di topping è quello di con- trollare il livello del liquido sul fondo colonna mediante un con- trollo di livello che va ad agire direttamente l’alimentazione allo stripper stesso.

controllo delle portate dei tagli laterali. Le portate dei ta-

gli laterali sono controllate mediante un semplice controllo di portata.

controllo di portata dei pumparound. La portata di ogni pum-

paround è controllata mediante un semplice controllo di portata che agisce sulla rispettiva valvola di regolazione.

controllo di livello del fondo colonna. Anche in questo ca-

so, come per il condensatore di testa, il controllore di livello del fondo colonna è in cascata sul controllo di portata del residuo atmosferico.

controllo di portata dei vapori alimentati agli stripper. I va-

pori alimentati agli stripper sono controllati semplicemente da 10 Questo controllore regola il livello di liquido organico sovrastante la fase acquosa. 11 Ad esempio, a fronte della richiesta di una produzione costante di benzina di qualità

controllori di portata che agiscono direttamente sulle rispettive valvole di regolazione.

controllo di temperatura uscita forno. La temperatura dell’a-

limentazione all’uscita del forno è una variabile di processo mol- to importante ed il sistema di controllo adottato nella pratica è molto complesso; in questo caso è stato simulato da un rego- latore di temperatura che agisce direttamente sulla valvola di regolazione della portata di combustibile al forno.

controllo di portata del grezzo alimentato. La portata di grez-

zo alimentata alla colonna principale è controllata a monte del treno di scambio mediante un semplice regolatore di portata che agisce sulla rispettiva valvola di regolazione.

Tutti i regolatori utilizzati nello schema di processo sono di tipo PI e per la loro sintonizzazione è stata utilizzata la tecnica IMC. Per una schematizzazione accurata del controllo di base si rimanda al lavoro di Gallinelli [30] e Frassi [4].

3.6

mv e cv del controllo avanzato

Prima di procedere all’identificazione del modello del processo (ar- gomento del Capitolo seguente), è necessario definire le variabili ma- nipolate (MV) e quelle controllate (CV) del controllo avanzato; si ri- corda che le manipolate di quest’ultimo rappresentano i set-point dei controllori di base.

In questo lavoro di tesi sono state considerate le stesse variabili manipolate e controllate scelte da Frassi in [4] sulla base dell’influen-

za e della rilevanza delle stesse all’interno del processo. L’insieme delle variabili manipolate è riportato in Tabella 5. Una considerazio- ne a parte va fatta sulla scelta delle CV; esse sono suddivise in tre categorie:

• CV relative alle specifiche di purezza;

• CV relative ai rapporti vapore-liquido negli stripper laterali;

• CV relative all’apertura percentuale (OP) delle valvole.

Per quanto riguarda le purezze è importante che il loro valore rientri all’interno di un certo range per evitare di produrre prodotti fuori specifica; per le seconde invece è importante conoscere il rapporto tra produzione del taglio laterale e vapore di strippaggio poiché è noto che oltre un certo limite, all’aumentare del vapore la produzione del

Tabella 5:Variabili manipolate.

Regolatore n◦_{MV Descrizione}

TIC TESTA MV1 set-point del regolatore di temperatura del primo piatto della colonna FIC KERO MV2 set-point del regolatore di portata dello stripper KERO

FIC LGO MV3 set-point del regolatore di portata dello stripper LGO FIC HGO MV4 set-point del regolatore di portata dello stripper HGO

TIC FORNO MV5 set-point del regolatore di temperatura della corrente di uscita forno FEED MV6 set-point del regolatore di portata dell’alimentazione al processo FIC VAPKERO MV7 set-point del regolatore di portata di vapore allo stripper KERO FIC VAPLGO MV8 set-point del regolatore di portata di vapore allo stripper LGO FIC VAPHGO MV9 set-point del regolatore di portata di vapore allo stripper HGO FIC VAPFONDO MV10 set-point del regolatore di vapore alla colonna

QPAS MV11 duty del pumparound superiore QPAM MV12 duty del pumparound medio QPAI MV13 duty del pumparound inferiore

PIC MV14 set-point del regolatore di pressione della colonna

taglio laterale rimane costante12

. Per quanto riguarda invece le aper- ture percentuali delle valvole, è necessario che queste si discostino il più possibile da situazioni di saturazione. Le variabili controllate scelte sono riportate in Tabella6.

Complessivamente il modello in esame è caratterizzato da 14 variabi-

li manipolatee 25 variabili controllate.

12 Ciò permette di definire il vincolo superiore di tale rapporto per tutti e tre gli stripper laterali al fine di evitare inutili costi di esercizio aggiuntivi connessi con il vapore di strippaggio.

Tabella 6:Variabili controllate.

Controllata n◦_{CV Descrizione}

ABAL CV1 ASTM D-86 95% benzina leggera atmosferica AKERO CV2 ASTM D-86 95% kerosene

ALGO CV3 ASTM D-86 95% gasolio leggero AHGO CV4 ASTM D-86 95% gasolio pesante RR CV5 rapporto di riflusso in colonna VAPKERO/KERO CV6 rapporto vapore/liquido stripper KERO VAPLGO/LGO CV7 rapporto vapore/liquido stripper LGO VAPHGO/HGO CV8 rapporto vapore/liquido stripper HGO VAPFONDO/RA CV9 rapporto vapore/residuo in colonna SFIATOOP CV10 apertura percentuale della valvola sfiato drum

FICREFLUXOP CV11 apertura percentuale della valvola del controllo di portata di riflusso FICBALOP CV12 apertura percentuale della valvola del controllo di portata di BAL LICH2OOP CV13 apertura percentuale della valvola del controllo del livello H2Onel drum TICFORNOOP CV14 apertura percentuale della valvola del controllo di portata combustibile al forno LICSKEROOP CV15 apertura percentuale della valvola del controllo di livello dello stripper KERO LICSLGOOP CV16 apertura percentuale della valvola del controllo di livello dello stripper LGO LICSHGOOP CV17 apertura percentuale della valvola del controllo di livello dello stripper HGO FICKEROOP CV18 apertura percentuale della valvola di portata KERO

FICLGOOP CV19 apertura percentuale della valvola di portata LGO FICHGOOP CV20 apertura percentuale della valvola di portata HGO FICRAOP CV21 apertura percentuale della valvola di portata RA

FICVAPKEROOP CV22 apertura percentuale della valvola del controllo di portata vapore stripper KERO FICVAPLGOOP CV23 apertura percentuale della valvola del controllo di portata vapore stripper LGO FICVAPHGOOP CV24 apertura percentuale della valvola del controllo di portata vapore stripper HGO FICVAPFONDOOP CV25 apertura percentuale della valvola del controllo di portata vapore in colonna

4

E S T E N S I O N E D E L L A T E C N I -

C A D I D I A G N O S T I C A

L’applicazione della procedura di diagnostica in esame al caso studio selezionato è stata effettuata seguendo le fasi riportate di seguito:

1. creazione di un’interfaccia di comunicazione tra i software Matlab ed UNISIM;

2. identificazione del modello dinamico del processo;

3. sviluppo del caso simulato di riferimento con il controllore SS- MPC sviluppato da Frassi [4];

4. estensione della procedura di diagnostica in esame.

4.1

fase 1: interfaccia matlab-unisim

Un aspetto molto importante di questo lavoro è stata la creazione di un canale di collegamento tra MATLAB ed il simulatore rigoroso di processo Honeywell UNISIM. La scelta di creare un’interfaccia di connessione tra questi due software si è rivelata molto vantaggiosa per i seguenti motivi:

• possibilità di simulare in maniera rigorosa il funzionamento di un controllore MPC applicato ad un processo non lineare e complesso come il processo di topping;

• possibilità di automatizzare le operazioni di identificazione del modello utilizzando i dati provenienti direttamente dall’impian- to simulato;

• la non linearità intrinseca del processo simulato in UNISIM co- stituisce di per sé un causa di mismatch rispetto al modello lineare tempo invariante utilizzato dall’MPC.

In particolare quest’ultimo aspetto si è rivelato utile per produrre un set di dati rappresentativo di condizioni non ottimali di funzio- namento del controllore e quindi adatto per testare la validità del metodo diagnostica applicato.

L’interfaccia di collegamento MATLAB-UNISIM è stata utilizzata in questo lavoro di tesi principalmente per due scopi:

• applicazione dell’algoritmo di controllo SS-MPC in ambiente MATLAB all’impianto simulato in UNISIM.

In entrambi i casi il principio di funzionamento dell’interfaccia può essere schematizzato come in Figura13.

Figura 13: Interfaccia di collegamento MATLAB-UNISIM per la raccolta

dati ed il controllo di processi non lineari.

Prima dell’inizio la simulazione, all’interno di MATLAB viene ese- guito il blocco che attiva la connessione con UNISIM permettendo ai due software di scambiarsi flussi di dati. Una volta attivata la con- nessione, MATLAB genera una sequenza di ingressi1

che, attraverso l’interfaccia di collegamento, viene inviata ad un apposito spreadsheet definito in UNISIM; ciascun valore è quindi esportato come set-point al corrispondente regolatore di base; una volta applicato l’ingresso, UNISIM simula l’evoluzione dinamica del processo per un intervallo di tempo pari a quello di campionamento. All’istante di campiona- mento successivo MATLAB acquisisce le misure da UNISiM e l’in- tera sequenza di operazioni viene eseguita tante volte quanti sono i campionamenti della simulazione.

1 GBN nel caso della raccolta dati per l’identificazione; la sequenza ottimale nel caso si applichi il modulo SS-MPC.