SOMMARIO
Questo lavoro si inquadra nell’ambito generale del monitoraggio delle prestazioni dei sistemi di controllo degli impianti industriali, le quali sono molto importanti nell’assicurare le specifiche di qualità e un costo contenuto del prodotto nell’industria. Generalmente il mantenimento delle condizioni operative è garantito da loop di controllo operanti su attuatori, tipicamente valvole di regolazione di tipo pneumatico.
Il deterioramento delle prestazioni nel controllo di processo è, in realtà, piuttosto comune e si manifesta con andamenti lenti oppure troppo oscillanti della variabile controllata. Le cause possono essere l’errata progettazione dei regolatori, la presenza di attrito negli attuatori, di perturbazioni esterne e/o di interazioni tra le variabili.
Diviene quindi molto utile la possibilità di eseguire un monitoraggio automatico, al fine di scoprire quali anelli di regolazione lavorano lontano dalle condizioni ottimali, identificarne le cause e suggerire gli interventi correttivi opportuni. Un tale sistema può operare in due modi: fuori linea (su dati registrati in precedenza) o in linea (su dati acquisiti in tempo reale).
La causa più comune di bassa prestazione degli anelli di regolazione risulta la presenza di attrito nelle valvole di regolazione. Questo fenomeno causa un rallentamento nell’attuazione delle modifiche richieste dal regolatore con la possibilità di blocco dell’azione correttiva.
A livello accademico, pertanto, sono stati sviluppati diversi modelli per la descrizione del fenomeno dell’attrito nelle valvole, al fine di vedere in simulazione gli effetti di un attrito crescente su un processo o di osservare quanto tale problema sia rilevante a seconda del tipo di processo controllato. Sono state proposte, inoltre, numerose tecniche per l’identificazione automatica dell’attrito, la cui affidabilità è stata preventivamente testata in simulazione prima di ottenere conferma su dati reali di impianto. Infine, sono state sviluppate diverse tecniche di quantificazione dell’attrito e alcune tecniche di compensazione delle conseguenti oscillazioni delle variabili controllate per mezzo di opportuni algoritmi di sintonizzazione dei regolatori.
Il presente lavoro di tesi si concentra principalmente sull’identificazione dei sistemi industriali controllati e sulla quantificazione dell’attrito - in particolare del fenomeno di stiction - nelle valvole di regolazione; questi due argomenti sono strettamente connessi al controllo delle prestazioni degli impianti industriali.
L’obiettivo del presente lavoro è duplice: da una parte modellare accuratamente un loop di regolazione affetto da attrito nella valvola, dall’altra identificare il sistema con tutti i suoi parametri caratteristici, per consentire una quantificazione precisa e storicizzabile del fenomeno di stiction.
Questo studio rappresenta il prosieguo naturale del lavoro svolto in ambito di Tesi Triennale, che era focalizzato alla modellazione del fenomeno e gettava solamente le basi per la quantificazione dell’attrito.
Verrà pertanto presentato inizialmente un breve richiamo alle problematiche connesse al monitoraggio dei loop industriali. Seguirà poi una descrizione dei fenomeni di attrito che si originano nelle valvole,
con interesse agli algoritmi di modellazione e in particolare alle tecniche di quantificazione presenti in letteratura.
In seguito verranno sviluppati, in ambiente MATLAB, loop di controllo discretizzati con attrito nell’attuatore. Impiegando poi un modello empirico di attrito, si metterà appunto un algoritmo, basato esclusivamente su dati normalmente registrati in impianto, in grado di identificare e quantificare un sistema complesso, costituito cioè da una parte lineare (il processo da controllare) e da una parte non lineare (la valvola affetta da attrito).
Si effettueranno quindi numerose simulazioni con lo scopo di valutare l’affidabilità di tale algoritmo, al variare dei diversi parametri in gioco; ad esempio si valuterà la sensibilità della tecnica all’ordine del modello,del processo alla presenza di rumore, alla sovrapposizione di disturbi di carico.
Infine, avvalendosi di numerosi set di dati di impianto, si propone la quantificazione dell’attrito delle valvole industriali, con l’obiettivo di illustrare da una parte le situazioni in cui la procedura ha avuto successo e dall’altra chiarire i limiti di applicabilità e le cause di esito negativo.
Per ultimo, si mostrerà come questa procedura permetta di elaborare uno storico dell’attrito nello stesso anello di regolazione che consente, non solo la verifica, ma anche la programmazione della tempistica della manutenzione.
Gli argomenti affrontati sono organizzati per capitoli come segue: Introduzione
Breve richiamo alle problematiche connesse al monitoraggio dei loop industriali, cause di malfunzionamento e interventi correttivi; accenno al pacchetto di analisi PCU.
Capitolo 1 – Il fenomeno dell’attrito nelle valvole di regolazione
Descrizione dei fenomeni non lineari presenti nelle valvole di regolazione, aspetti qualitativi dell’attrito, effetti dell’attrito sulle variabili di impianto, classificazione dei modelli di attrito.
Capitolo 2 – La quantificazione dell’attrito
Descrizione e confronto delle tecniche proposte in letteratura per la quantificazione dell’attrito nelle valvole: tecniche a parametri apparenti e tecniche a parametri effettivi.
Capitolo 3 – Modellazione e identificazione in presenza di attrito
Esposizione delle problematiche legate all’identificazione di un sistema complesso, costituito da una parte lineare e da una parte non lineare. Panoramica di confronto dei modelli impiegabili nell’identificazione di un sistema di questo tipo. Descrizione della struttura di base dell’algoritmo di identificazione e quantificazione sviluppato.
Capitolo 4 – Verifica dell’affidabilità dell’algoritmo in simulazione
Introduzione di alcuni indici capaci di determinare il successo o l’insuccesso dell’analisi. Esposizione delle principali problematiche emerse. Simulazioni per differenti tipologie di loops di regolazione con attrito; verifica dell’affidabilità dell’algoritmo proposto al variare dei parametri principali del sistema, come ad esempio, lo studio della sensibilità ai parametri di attrito, processo, regolatore, all’ordine del modello, alla presenza di rumore, alla sovrapposizione di disturbi.
Capitolo 5 – Applicazione della tecnica a dati di impianto
Verifica delle procedura su dati industriali di benchmark e confronto dei risultati con le tecniche di letteratura. Applicazione della tecnica ai loop della Raffineria ENI di Livorno. Illustrazione dei
risultati ottenuti, con particolare attenzione alle cause che possono determinare l’insuccesso della procedura, e ai motivi che rendono invece la tecnica valida e permettono l’elaborazione di uno storico dell’attrito per un loop di regolazione.
Conclusioni e sviluppi futuri Appendici
A Breve descrizione delle tecniche di individuazione dell’attrito implementate nella PCU. B Descrizione degli algoritmi sviluppati che quantificano indici di attrito apparente. C Analisi dell’andamento degli indici di attrito apparente al variare dei parametri del loop. D Analisi dei loop ENI: dettaglio dei risultati dell’applicazione della procedura.
E Analisi dell’aspetto dei cicli limiti: diagrammi e . F Descrizione qualitativa di alcune tecniche di ottimizzazione gradient-free.
