• multivariabile
• attrito
• interazione

Il monitoraggio delle prestazioni di sistemi controllati (Control Loop Performance Monitoring: CLPM) ha un ruolo di primaria importanza nella ottimizzazione della conduzione degli impianti, come richiesto dalle crescenti esigenze di efficienza e di competitività dell’industria.
L’obiettivo è un’analisi di merito dei circuiti di controllo per valutare il funzionamento di tutto l’impianto.

Disturbi persistenti, presenti in tutto l’impianto, allontanano il sistema di controllo dal suo comportamento ottimale; le loro cause includono la presenza di cicli limite non-lineari dovuti alla saturazione, all’attrito o a fenomeni di isteresi nelle valvole di controllo, nei sensori o nel processo stesso, disturbi strutturali causati da flussi di materia o di energia tra diverse unità di processo, specialmente quando è presente un riciclo, disturbi esterni, e, infine, il progetto o la sintonizzazione inadeguata dei sistemi di controllo.
Oltre a queste, una causa importante da considerare è la presenza di interazione tra gli anelli. La diretta conseguenza dell’interazione sulla prestazione del sistema di controllo è la propagazione, a partire dal ‘loop sorgente ’, dell’anomalia, causa di scarsa prestazione, negli anelli interagenti.
Tali anomalie si manifestano, nella maggior parte, con oscillazioni nell’andamento delle variabili controllate.

Con l’obiettivo di realizzare l’intervento più adeguato al ripristino delle condizioni ottimali del sistema di controllo, è importante risalire alla sorgente del disturbo e, in presenza di oscillazioni, la prima distinzione da effettuare è quella tra cause lineari e non lineari.
Attualmente la ricerca è fortemente orientata in questo senso: nel Laboratorio di Controllo dei Processi Chimici (CPCLab) presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Università di Pisa è in corso di sviluppo un pacchetto denominato PCU (Plant Check Up). Il sistema contiene diversi indici di prestazione e tecniche proposti in letteratura e indici e tecniche originali. L’applicazione effettua una valutazione delle condizioni di funzionamento di un impianto utilizzando soltanto i dati normalmente registrati, senza introdurre test specifici o perturbazioni. Per prima cosa si stabilisce se ci sono oscillazioni anomale degli anelli di regolazione, poi si va a vedere se queste anomalie dipendono da un tuning errato, da perturbazioni esterne o dalla presenza di attrito nelle valvole, suggerendo gli interventi da effettuare. In caso di attrito viene anche calcolato un indice di attrito che permette la valutazione quantitativa della sua presenza, in modo da poter decidere se è il caso di utilizzare dei compensatori o è necessario mandare la valvola in manutenzione.

Questa tesi ha come obiettivo la ricerca di tecniche per l’individuazione delle cause di scarsa prestazione di anelli di regolazione, in particolare di quelli tra loro interagenti. Tali tecniche seguono sostanzialmente due vie: alcune si basano sulla formulazione di un indice di non-linearità calcolato per ciascun loop dell’impianto e che assume il valore massimo per il loop sorgente; altre sono tecniche non invasive, sviluppate per sistemi SISO poiché non prendono in considerazione la propagazione dell’oscillazione negli anelli delle unità adiacenti a quella da cui proviene l’anomalia. Di queste ultime fanno parte le tecniche elaborate dal PCU ed è per questo motivo che, quando applicate ad un sistema MIMO, possono individuare la presenza di attrito in diverse valvole di controllo. Da ciò la necessità di testare gli anelli classificati come possibili sorgenti dell’anomalia in modo da individuare a posteriori il loop da cui questa proviene.

Per individuare quei processi (evidentemente caratterizzati da bassa interazione) per i quali l’applicazione dei tests suggeriti risulta valida è stata proposta una nuova tecnica per la valutazione dell’interazione tra gli anelli: questa tecnica, basata sul calcolo di un indice formulato nel dominio tempo e denominato ITD, necessita per la sua applicazione soltanto dei dati registrati nell’impianto. Ciò rappresenta un enorme vantaggio rispetto alla tecnica basata sul calcolo della RGA (Matrice dei Guadagni Relativi), che richiede, invece, per la sua formulazione il modello (spesso incerto) del processo.

La tesi è stata articolata nelle seguenti parti:

Capitolo 1 – Monitoraggio delle prestazioni
Panoramica sulle problematiche generali del monitoraggio dei sistemi controllati,definizione di indici di prestazione, introduzione al fenomeno dell’attrito nelle valvole e analisi di alcune tecniche automatiche per la sua individuazione.



Capitolo 2 – Il sistema di monitoraggio sviluppato
Presentazione dell’architettura e delle caratteristiche generali del pacchetto sviluppato nel CPCLab.

Capitolo 3 – Applicazione su dati simulati
Illustrazione dei risultati ottenuti dalle analisi effettuate su diversi casi simulati (sistemi SISO, ONE-WAY, MIMO).

Capitolo 4 – Individuazione del loop di provenienza dell’attrito nelle valvole
Cenno su alcune recenti tecniche automatiche che isolano in un sistema MIMO il loop di provenienza dell’attrito nelle valvole; proposta di alcuni tests da impiegare in una fase successiva all’applicazione di quelle tecniche, che pur individuando l’attrito come causa dell’anomalia presente nell’impianto, non riescono a distinguere il loop da cui proviene.

Capitolo 5 – L’indice ITD per la valutazione dell’interazione
Descrizione di una tecnica, basata sul calcolo dell’ITD (Indice nel Dominio Tempo) per la valutazione dell’interazione dai dati registrati sull’impianto e confronto con la RGA, evidenziandone i vantaggi e i limiti.