PROCESSO
tecnica
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Marzo 2014
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Automazione e Strumentazione
Il contributo riporta lo stato dell’arte relativo alle problematiche di diagnostica delle
valvole di regolazione. Viene presentata una rassegna delle tecniche automatiche di
segnalazione e distinzione delle cause di malfunzionamento delle valvole e dei loop di
regolazione. Tra queste: attrito, perdita di aria di alimentazione, malfunzionamento del
convertitore E/P, disturbi esterni, tuning del regolatore. Viene anche illustrato un sistema
di diagnostica, sviluppato presso il CPCLab dell’Università di Pisa, implementato da
diversi anni in impianti di raffineria e di generazione di energia elettrica, con esempi
di applicazione. In particolare sono evidenziati i vantaggi derivanti da una diagnostica
basata sulle variabili ausiliarie rese disponibile da strumentazione intelligente e da
comunicazioni via Bus di campo.
Riccardo Bacci di Capaci
Claudio Scali
Daniela Pestonesi
Evaldo Bartaloni
Diagnostica avanzata
di valvole di regolazione
La diagnostica dei loop di regolazione è un aspetto
molto importante per migliorare l’efficienza e
la competitività degli impianti industriali. Negli
ultimi anni un significativo sforzo di ricerca è
stato dedicato a questo tema. Solitamente, il moni-
toraggio e la diagnostica dei loop viene effettuata
mediante le tre variabili comunemente acquisite
negli impianti: il
Set Point
(SP), la
variabile con-
trollata
(PV) e l’
uscita del regolatore
(OP).
L’obiettivo è quello di avere una rapida diagnosi
della insorgenza di una condizione di bassa pre-
stazione e di distinguere tra le diverse cause di
malfunzionamento. La distinzione principale
viene fatta tra perturbazioni esterne (disturbi),
tuning dei regolatori e problemi connessi alle val-
vole. Per questo motivo sono state proposte tecni-
che automatiche di individuazione e diagnostica.
Una delle prime tecniche
[1]
per la valutazione
della presenza di oscillazioni significative è basata
sulla analisi degli attraversamenti dello zero del
segnale di errore
(e=PV-SP) e sul calcolo dell’in-
tegrale dell’errore (IAE) tra due successivi attra-
versamenti. Una caratterizzazione analoga dell’o-
scillazione può essere effettuata per mezzo della
funzione di Auto-correlazione
[2]
. In
[3]
sono
ampiamente recensiti gli sviluppi e le nuove dire-
zioni sul tema dell’individuazione e della diagno-
stica di loop oscillanti.
Ultimamente, lo stato dell’arte e le tecniche più
aggiornate per la diagnosi dell’attrito (in inglese,
stiction: static-friction) delle valvole di regola-
zione hanno trovato un compendio completo in
[4]
, dove sono illustrate e confrontate otto diverse
tecniche sulla base di un benchmark di dati indu-
striali. La possibilità di diagnosticare l’attrito
è inclusa in molti dei sistemi di monitoraggio
delle prestazioni dei loop di regolazione, propo-
sti attualmente dalle maggiori case di software.
Dal momento che, solitamente, non è disponibile
il segnale di
posizione della valvola
(MV), un
tema di ricerca tutt’ora aperto è la quantificazione
dell’attrito: l’obiettivo è la ricostruzione della MV
a partire dai valori di PV e di OP. Al riguardo, un
numero elevato di tecniche è apparso in lettera-
tura negli ultimi anni (
[5]
,
[6]
); ma l’affidabilità
di queste tecniche è ancora in fase di valutazione,
come mostrato da
[7]
e
[8]
.
Negli impianti di moderna installazione, l’ado-
zione di strumentazione intelligente, di valvole
munite di posizionatori e di sistemi di comuni-
cazione a
bus di campo
accresce sensibilmente
il numero di variabili acquisibili ed analizzabili
da un sistema di monitoraggio. Questo fatto per-
mette una diagnosi molto più precisa dei problemi
della valvola. Le cause di malfunzionamento delle
valvole pneumatiche non sono limitate alla pre-
senza dell’attrito statico (e a problemi connessi,
come banda morta, isteresi, gioco), ma possono
includere anche variazioni di elasticità della
molla, usura o rottura della membrana, perdita
nel sistema di alimentazione dell’aria strumenti,
ecc. Lo stesso posizionatore può essere fonte di
altri specifici guasti che possono alterare le pre-
stazioni del loop. Tutti questi malfunzionamenti
richiedono delle contromisure specifiche. Risulta,
quindi, molto importante poter diagnosticare e
separare con precisione le diverse cause di mal-
funzionamento. Nonostante ciò, questo argo-
mento non è stato ancora ampiamente affrontato
in letteratura:
[9]
è uno dei pochi lavori pubblicati.
Negli ultimi anni,
Enel Ingegneria e Ricerca
ha
avviato un progetto di diagnostica avanzata dei
loop di regolazione. Il punto di partenza è stato il
sistema di monitoraggio delle prestazioni, già svi-
GLI AUTORI
R. Bacci di Capaci, C. Scali - Labo-
ratorio di Controllo dei Processi
Chimici (CPCLab), Dipartimento
di Ingegneria Civile e Industriale
(Dici), Università di Pisa, Pisa;
D. Pestonesi, Enel, Ingegneria e
Ricerca, Area Tecnica Ricerca, Pisa;
E. Bartaloni, Clui-Exera, Livorno.
