Capitolo 5 Convalida delle procedure di identificazione e di retuning

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Capitolo 5

Convalida delle procedure

di identificazione e di retuning

Come è stato detto nel capitolo precedente, la necessità di convalidare la procedura di identificazione in maniera efficace, ha condotto a fare delle prove direttamente sull’impianto. Questo prove hanno avuto come scopo quello di valutare i miglioramenti ottenuti cambiando il tuning del regolatore, come proposto dal modulo I&R, per quei processi in cui l’identificazione aveva avuto esito positivo.

I loops per i quali, nel corso dei mesi, l’identificazione ha avuto, una o più volte, esito positivo e per cui sono stati calcolati i parametri di retuning sono in tutto 9.

È importante sottolineare che, prima di effettuare la variazione dei parametri di tuning, è stata ripetuta l’identificazione per ognuno dei nove loops, in modo tale da scongiurare il rischio che i parametri in nostro possesso fossero relativi ad un processo ormai superato.

Per 7 di questi 9 loops è stato possibile cambiare effettivamente il tuning secondo quanto proposto dal modulo I&R e confrontare, quindi, i miglioramenti realmente ottenuti con quelli previsti. Per 2 loops non è stato possibile effettuare la verifica del retuning perché, una volta rianalizzati dal sistema di monitoraggio, sono risultati affetti da attrito.

Il fatto che si sia riusciti ad identificare solo 9 loops è legato ai seguenti aspetti:

• la maggior parte dei loops di raffineria è caratterizzata da set-point costante e non è possibile indurre variazioni al fine di identificare il processo;

• parte dei loops interessati da set-point variabile sono anche interessati da frequente sovrapposizione di disturbi o dal fenomeno di attrito.

A conferma di quanto detto, nel mese di settembre sono state eseguite 129 acquisizioni (alcune relative ad uno stesso loop) e di queste solo 13 sono arrivate al modulo di identificazione mediante metodo dei minimi quadrati (10%). Delle 13 acquisizioni 7 erano interessate da cambi di set-point eccessivi, mentre 6 erano interessate da cambi di set-point non eccessivi. Le 13 acquisizioni che sono state sottoposte ad identificazione via LLS nel mese di settembre, erano relative a soltanto 5 loops.

Nei prossimi paragrafi si descriverà come sono state eseguite le prove di retuning e i risultati ottenuti.

Ad ulteriore convalida del modulo I&R, a seguito dell’effettuazione del retuning sull’impianto e della valutazione dei miglioramenti ottenuti, si è proceduto ad una nuova identificazione e al

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5.1: Modalità di effettuazione delle prove

La modalità di effettuazione delle prove che hanno consentito di quantificare i miglioramenti apportati dal nuovo tuning per quei loops per cui l’identificazione aveva avuto esito positivo, si è distinta sulla base del tipo di loop in esame.

In particolare, per anelli di regolazione primari per cui è stato possibile imporre delle variazioni di set-point a gradino, si è confrontato il valore dell’indice IAE (5.1) prima e dopo la variazione di tuning, valutando un indice ΦReal (5.2) da confrontare con l’indice Φ calcolato dal modulo di

retuning. 1 0 | ( ) | (| | ) ∞ = = =

∫

=

∑

N _i − _i ⋅ _s i t IAE e t dt SP PV T (5.1) Dove:

e(t): andamento dell’errore, ovvero dello scostamento tra il set-point e la variabile controllata, nel tempo.

SPi: i-esimo valore della variabile SP.

PVi: i-esimo valore della variabile PV.

Ts: tempo di campionamento medio.

− Φ = − Old New Real Old Min IAE IAE IAE IAE (5.2) Dove:

IAEOld: valore dell’indice IAE prima del retuning.

IAENew: valore dell’indice IAE dopo il retuning.

IAEMin: valore dell’indice IAE minimo (funzione degli elementi a fase non minima che

caratterizzano il modello).

Per quanto riguarda, invece, gli anelli di regolazione secondari per cui non è stato possibile controllare l’andamento del set-point, si è definito un indice IQI (Improvement Quantification Index) capace di evidenziare quanto la variabile controllata PV insegue bene il set-point. Evidentemente confrontando il valore dell’indice IQI prima e dopo la variazione di tuning si ha misura dei miglioramenti ottenuti.

(

)

(

)

2 1 2 1 1 1 1 N i i i N i medio i SP PV N IQI SP SP N = = − = − −

∑

(5.3) Dove:

N: numero di tempi di campionamento in cui il tuning viene mantenuto costante. SPi: i-esimo valore della variabile SP.

PVi: i-esimo valore della variabile PV.

SPmedio: valore medio della variabile SP nell’intervallo temporale in cui il tuning si mantiene

costante.

L’indice IQI varia tra -∞ e 1 ed è tanto più vicino a 1 quanto più la variabile controllata insegue perfettamente il set-point.

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solamente le componenti proporzionale e integrale, di seguito si farà riferimento solo all’indice Φ e ai parametri di tuning specifici per questo tipo di controllore.

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5.2: Quantificazione dei miglioramenti ottenuti a seguito del

retuning

Retuning caso 1

• Informazioni generiche:

Loop Data Tipologia Φ Tuning identificazione Tuning proposto

Kc=1 Kc=0.49

31FC210 27/09/07 primario 0.4769 _{Ti=0.65 Ti=0.13}

• Miglioramenti previsti:

Commenti:

Il tuning proposto prevede di ridurre il guadagno, aumentando l’azione integrale di circa 5 volte.

• Miglioramenti registrati:

Commenti:

La risposta registrata prima del cambiamento del tuning impiega molto tempo per arrivare a stazionario e pertanto l’indicazione di aumentare l’azione integrale risulta ragionevole. La risposta ottenuta dopo aver cambiato il tuning del controllore è certamente migliore di quella ottenuta con i vecchi parametri

• Quantificazione dei miglioramenti:

FTD IAEOld IAENew IAEMin ΦReal (Φ)

2

4.818s +1.036

s + 11.527 s + 1 363 155 0 0.573 0.4769

• Commenti:

Il valore di Φ e di ΦReal sono piuttosto simili. Il fatto che si ottengano miglioramenti visivamente

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Kc=0.8 Kc=2.6

52PIC42 27/09/07 secondario 0.4871 _{Ti=0.7 Ti=0.72}

Commenti:

Il tuning proposto prevede di lasciare invariata la costante di azione integrale e di aumentare il guadagno di circa tre volte.

Volendo evitare il rischio di portare in instabilità il processo, l’operatore ha deciso di aumentare il guadagno gradualmente fino a 2.6.

Commenti:

L’aumento graduale del guadagno è stato realizzato nel seguente modo:

I miglioramenti sono visivamente apprezzabili.

Guadagno del regolatore 0.8 1.2 1.6 2.6

IQI 0.038 0.78 0.85 0.94

• Commenti:

L’aumento dell’indice IQI all’aumentare del guadagno del regolatore conferma numericamente il risultato dell’analisi visiva. Anche in questo caso, il fatto che si ottengano miglioramenti visivamente considerevoli, nonostante il valore di Φ sia inferiore a 0.5, suggerisce di ridurre il valore di soglia. Tempo di campionamento Guadagno del regolatore 0 0.8 34 1.2 131 1.6 299 2.6

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Retuning caso 3

Kc=0.5 Kc=0.84 52FIC12 08/10/07 secondario 0.9391

Ti=2.5 Ti=0.16 • Miglioramenti previsti:

Commenti:

Il tuning proposto prevede di aumentare il guadagno ma soprattutto di aumentare l’azione integrale di circa 5 volte.

.

Commenti:

I miglioramenti sono evidenti

IQIOld IQINew

0.52 0.92 • Commenti:

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Loop Data Tipologia Φ Tuning identificazione Tuning proposto Kc=0.3 Kc=3.05 40FC403 02/10/07 secondario 0.9304 Ti=0.84 Ti=0.15 • Miglioramenti previsti: Commenti:

Il tuning proposto prevede di aumentare il guadagno di 10 volte e di ridurre la costante di azione integrale di circa 6 volte.

Sebbene il cambiamento dei parametri di tuning fosse consistente, l’operatore l’ha eseguito in una sola volta, anche perché i vecchi parametri di tuning apparivano chiaramente molto conservativi.

Commenti:

I miglioramenti sono evidenti

-0.22 0.91 • Commenti:

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Retuning caso 5

Kc=0.55 Kc=0.92

52FIC22 09/10/07 primario 0.6748 _{Ti=0.9 Ti=0.35}

Commenti:

Il tuning proposto prevede di aumentare sia il guadagno sia l’azione integrale di circa un fattore due.

Commenti:

La risposta registrata prima del cambiamento del tuning impiega molto tempo per arrivare a stazionario e pertanto l’indicazione di aumentare l’azione integrale risulta ragionevole. La risposta ottenuta dopo aver cambiato il tuning del controllore è certamente migliore di quella ottenuta con i vecchi parametri.

2

22.32s + 5.013

180.44s + 24.47 s + 1 301 175 0 0.418 0.675

• Commenti:

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Loop Data Tipologia Φ Tuning identificazione Tuning proposto Kc=0.4 Kc=0.56 20FC225 11/10/07 secondario 0.3032 Ti=0.2 Ti=0.16 • Miglioramenti previsti: Commenti:

Il tuning proposto prevede di aumentare di pochissimo sia il guadagno sia l’azione integrale.

Commenti:

I miglioramenti sono poco evidenti.

0.75 0.85 • Commenti:

L’aumento dell’indice IQI è abbastanza contenuto, a conferma del risultato visivo. Questa prova ha consentito di riflettere su un’eventuale nuovo valore di soglia per l’indice Φ. Se dalle prove di retuning 1 e 2, infatti, era emerso che un valore di soglia di 0.5 poteva essere troppo elevato, da questa prova emerge che un valore di soglia pari a 0.3 è troppo basso, visto che i miglioramenti ottenuti sono molto contenuti.

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Retuning caso 7

Kc=0.5 Kc=0.61

35FC125 11/10/07 primario 0.91 _{Ti=2 Ti=0.15}

Commenti:

Il tuning proposto prevede di aumentare leggermente il guadagno e di ridurre notevolmente la costante di azione integrale.

Commenti:

La risposta registrata prima del cambiamento del tuning impiega molto tempo per arrivare a stazionario e pertanto l’indicazione di aumentare l’azione integrale risulta ragionevole. La risposta ottenuta dopo aver cambiato il tuning del controllore è leggermente oscillante.

2

5.7s + 1.151

101.92s + 11.365s +1 342 196 0 0.427 0.91

• Commenti:

I valori di Φ e di ΦReal sono piuttosto differenti. Questo aspetto, unito al fatto che il tuning proposto

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5.3: Ulteriore convalida delle procedure

Ad ulteriore convalida del modulo I&R è stata ripetuta l’identificazione per 6 dei 7 anelli di regolazione retunati. Questo ha permesso di confrontare il processo identificato e il valore di Φ ottenuti prima e dopo il cambiamento dei parametri del regolatore. I risultati sono riportati di seguito.

Identificazione caso 1 • Informazioni generiche:

Loop Data Tipologia ΦOld ΦNew

Tuning nuova

identificazione Tuning proposto

Kc=0.44 Kc=0.36

31FC210 28/09/07 primario 0.4769 0.0231 _{Ti=0.11 Ti=0.096}

Come si vede il modulo I&Rpropone un guadagno e un’azione integrale pressoché identici a quelli valutati nella precedente analisi. Questo, evidentemente, è già un’indicazione del fatto che i modelli identificati nelle due analisi sono molto simili.

• Confronto in anello aperto tra i modelli identificati prima e dopo il tuning:

Commenti:

I due modelli sono praticamente identici.

Le funzioni di trasferimento dei due modelli sono le seguenti: FTD(27-09) 2 4.818s +1.036 66.67s + 11.53 s + 1 FTD(28-09) 2 5s +1 56.72s + 9.053s + 1

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Loop Data Tipologia ΦOld ΦNew _{identificazione}Tuning nuova Tuning proposto

Kc=2.6 Kc=2.8 52PIC42 28/09/07 secondario 0.4871 0.1377

Ti=0.7 Ti=0.48 Come si vede dalla tabella sopra riportata il modulo I&R propone un guadagno e un’azione integrale che non sono molto diversi da quelli valutati nella precedente analisi.

Commenti:

I due modelli non sono identici ma sono comunque abbastanza simili

Le funzioni di trasferimento dei due modelli sono le seguenti: FTD(27-09) 2 0.15s + 0.0288 766.3s + 46.05 s + 1 FTD(28-09) 2 0.128s + 0.0259 365.9s + 32.52 s + 1

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Kc=0.84 Kc=0.38

52FIC12 28/09/07 secondario 0.9391 -0.0088 _{Ti=0.16 Ti=0.14}

Come si vede il modulo I&R propone un guadagno che è circa la metà e un’azione integrale praticamente identifica a quelli valutati nella precedente analisi. Nonostante tutto il valore di ΦNew è

prossimo a zero e questo significa che la variazione di tuning comporterebbe un miglioramento delle prestazioni praticamente trascurabile.

• Confronto in anello aperto tra i modelli identificati prima e dopo il tuning: Commenti:

I due modelli sono piuttosto diversi.

Le funzioni di trasferimento dei due modelli sono le seguenti:

Il fatto che ΦNew sia prossimo a zero significa che il tuning proposto nella vecchia identificazione e

il tuning proposto nella nuova sono in realtà molto simili. Poichè però i modelli identificati appaiono piuttosto diversi, l’unica spiegazione al fatto che venga proposto un tuning alla prova pratica identico nei due casi, è che essi abbiano un comportamento simile in anello chiuso.

• Confronto in anello chiuso tra i modelli identificati prima e dopo il tuning:

Commenti:

I due modelli in anello chiuso appaiono identici. FTD(08-10) 2 134 25.577 124.1s + 12.21 s + 1 + s FTD(09-10) 2 165.54 29.76 177.3s + 7.98 s + 1 + s

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Kc=3 Kc=5.22

40FC403 08/10/07 secondario 0.9304 0.1375 _{Ti=0.2 Ti=0.36}

Come si vede il modulo I&R propone un tuning abbastanza diverso da quello proposto nella precedente analisi. Tuttavia il rapporto Kc/Ti prima e dopo è praticamente lo stesso (prima: 15; dopo:14.5) e questo spiega il basso valore di ΦNew.

Commenti:

I due modelli sono piuttosto diversi.

Le funzioni di trasferimento dei due modelli sono le seguenti:

Anche in questo caso, l’unica spiegazione al fatto che venga proposto un tuning alla prova pratica identico per i due modelli, sebbene questi appaiano piuttosto diversi, è che essi abbiano un comportamento simile in anello chiuso.

• Confronto in anello chiuso tra i modelli identificati prima e dopo il tuning:

Commenti:

I due modelli in anello chiuso sono piuttosto simili. FTD(02-10) 2 0.326s + 0.064 110s + 11.91 s + 1 FTD(08-10) 2 3 2 1.11s + 0.454 0.088 257.23s +83.54s + 27.31 s + 1 + s

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Kc=0.92 Kc=0.88 52FIC22 10/10/07 primario 0.6748 -0.0454

Ti=0.35 Ti=0.37 Come si vede il modulo I&Rpropone un guadagno e un’azione integrale pressoché identici a quelli valutati nella precedente analisi. Questo, evidentemente, è già un’indicazione del fatto che i modelli identificati nelle due analisi sono molto simili.

Commenti:

I due modelli sono effettivamente molto simili.

Le funzioni di trasferimento dei due modelli sono le seguenti: FTD(09-10) 22.32s + 5.013₂ 180.44s + 24.47 s + 1 FTD(10-10) 2 26.05s + 5.76 215.28s + 25.94 s + 1

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Kc=0.55 Kc=0.5 20FC225 12/10/07 secondario 0.3032 0.1131

Ti=0.2 Ti=0.15 Come si vede il modulo I&Rpropone un guadagno e un’azione integrale pressoché identici a quelli valutati nella precedente analisi. Questo, evidentemente, è già un’indicazione del fatto che i modelli identificati nelle due analisi sono molto simili.

Commenti:

I due modelli sono praticamente identici. Le funzioni di trasferimento dei due modelli sono le seguenti: FTD(11-10) 2 9.37s + 2.03 90.33s + 13.33 s + 1 FTD(12-10) 2 9.64 s + 2.01 83.19s + 12.3 s + 1

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5.4: Conclusioni

Sebbene non sia stato possibile sottoporre a retuning molti anelli di regolazione per le motivazioni esposte nell’introduzione di questo capitolo, le 7 prove che sono state eseguite hanno dato ottimi risultati. In 7 casi su 7, infatti, si è ottenuto un miglioramento delle prestazioni del loop sottoposto a retuning. I miglioramenti delle prestazioni sono stati più evidenti proprio per quei loops caratterizzati da un valore dell’indice Φ maggiore, a conferma della significatività di tale indice. In definitiva, quindi queste sette prove possono essere ritenute una vera e propria convalida non solo della procedura di identificazione, ma anche della procedura di retuning.

Le prove che sono state eseguite hanno consentito inoltre di stabilire un valore di soglia dell’indice Φ più appropriato. Sebbene qualsiasi valore di Φ maggiore di 0 stia a significare un possibile miglioramento delle prestazioni, è inutile cambiare il tuning per valori bassi dell’indice Φ in quanto si otterrebbero miglioramenti non apprezzabili e per contro si avrebbe un’eccessiva sollecitazione degli attuatori. Prima di queste prove il valore di soglia era stato posto a 0.5 mentre attualmente è stato abbassato a 0.4.

Per quanto riguarda le identificazioni successive al cambio di tuning del regolatore è possibile fare le seguenti osservazioni:

• In 4 dei 6 casi per cui si è ripetuta l’identificazione a seguito del cambiamento dei parametri del regolatore, i modelli identificati prima e dopo il retuning sono molto simili. Questo ovviamente determina un valore dell’indice Φ per l’identificazione eseguita dopo il cambio del tuning prossimo a zero.

• Nei due casi in cui i modelli identificati prima e dopo il retuning sono abbastanza diversi, si ottiene comunque un valore dell’indice Φ per l’identificazione eseguita dopo il cambio del tuning molto contenuto. Evidentemente questo significa che i parametri che sono stati definiti ottimali dal modulo di retuning per i due modelli, non sono poi così diversi (per uno dei due casi il rapporto Kc/Ti è praticamente lo stesso). Una possibile spiegazione del fatto che per due modelli differenti venga proposto un tuning ottimale ai fini pratici identico, è che essi abbiano un comportamento simile in anello chiuso.