Oscillationsdiagnos

Enligt reachability-matrisen i Tabell 6.4 påverkar FC1 de flesta av de andra kret- sarna. Genom att studera styr- och mätsignalen för FC1 i Figur 6.7(a) ses det att svängningen kan bero på att regulatorn inte klarar av att helt reglera ut de variationer i flödet som kommer från att bufferttanken fylls på batchvis var 60-80 minut. Samtidigt syns det att amplituden på svängningarna i flödet inte är så stor.

FC1PC1LC1FC2LC2FC3LC3LC4LC5FC4LC6FC5TC1FC6PC2TC2FC7 FC1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 LC1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 FC2 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 LC2 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 FC3 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 LC3 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 LC4 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 LC5 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 FC4 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 LC6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 FC5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 PC2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 TC2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 FC7 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1

Tabell 6.3.Adjacency-matris för indunstarna.

Nivåregleringen LC1 i första delsteget i indunstaren svänger med ca 2 % och kaskadregleras med FC2. I Figur 6.7(b) syns det att flödesregleringen följer sitt referensvärde, samtidigt som nivåregleringen inte klarar av det. Att nivån svänger kan dels bero på instabilitet i indunstaren eller att trimningen av nivåregulatorn är för långsam.

Då hela processteget är återkopplat via värmeväxlarna leder det till att om flödet eller temperaturen varierar ut genom värmeväxlarna överförs det till varia- tioner i temperatur in i systemet. Flödet ut genom tre av värmeväxlarna regleras i kaskad med nivån i två buffertankar för kondensat från indunstarna. I Figur 6.7(c) ses att FC7 har problem att följa sitt referensvärde och i Figur 6.7(d) att ventilen i FC3 troligen kärvar.

Det finns två reglerkretsar, PC1 och TC1, som reglerar ångsystemet kring indunstaren. Tyvärr är dessa inte verksamma och det leder till att det inte finns någon reglering av trycket på ångan. Om ångan in i en indunstare svänger kommer även mängden kondensat ut ur indunstaren att variera. Detta tillsammans med att systemet är återkopplat med värmeväxlare leder till att svängningar har lätt att stanna kvar i systemet.

6.3.4

Slutsats

En övergripande trimning av reglerkretsarna bör genomföras för att utesluta att de orsakar självsvängningar. Ventilen i flödesreglering FC3 kärvar något och eftersom den är placerad vid en värmeväxlare kan det vara bra att vidare undersöka dess kondition. Komplexiteten i systemet leder till att det är svårt att veta om dagens reglertekniska design är tillräcklig för att styra systemet. En idé kan vara att

6.3 Indunstare på en anläggning i Perstorp 77 FC1PC1LC1FC2LC2FC3LC3LC4LC5FC4LC6FC5TC1FC6PC2TC2FC7 FC1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 LC1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 FC2 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 LC2 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 LC3 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 LC4 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 FC3 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 LC5 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 FC4 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 LC6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 FC5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 PC2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 TC2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 FC7 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1

Tabell 6.4.Reachability-matris för indunstarna.

införa effektreglering av värmeväxlarna för att utesluta att svängningar genom värmeväxlarna förstärks i systemet.

Jiangs metod för rotorsaksanalys lyckades peka ut några huvudkandidater hos reglerkretsarna till att systemet självsvänger. Det mest komplicerade i metoden är att rita upp en helt korrekt riktad graf över alla reglerkretsar. Processteget vid in- dunstaren kan vara för komplicerad för att metoden ska vara optimal att använda. Eftersom hela processteget är återkopplat via värmeväxlare försvårades analysen eftersom svängningar kan stanna kvar i systemet. I beaktning bör också tas att hela den interna ångförsörjningen är oreglerad och det gör att många svängningar kan fortplanta sig genom det. Intressant är också att många reglerkretsar svänger med samma frekvens som den batchvisa tömningen till buffertanken.

200 400 600 800 1000 1200 1400 46.9 47 47.1 fc1 200 400 600 800 1000 1200 1400 5.66 5.7 5.74 pc1 200 400 600 800 1000 1200 1400 79 80 81 lc1 200 400 600 800 1000 1200 1400 34.2 34.4 34.6 fc2 200 400 600 800 1000 1200 1400 48 50 52 lc2 200 400 600 800 1000 1200 1400 16 16.5 fc3 200 400 600 800 1000 1200 1400 29.530 30.5 lc3 200 400 600 800 1000 1200 1400 44.845 45.2 lc4 200 400 600 800 1000 1200 1400 30 35 40 lc5 200 400 600 800 1000 1200 1400 10 10.5 11 fc4 200 400 600 800 1000 1200 1400 80 85 90 lc5 200 400 600 800 1000 1200 1400 14 14.515 fc5 200 400 600 800 1000 1200 1400 19.5 20 tc1 200 400 600 800 1000 1200 1400 2.8 3 fc6 200 400 600 800 1000 1200 1400 0.3 0.31 pc2 200 400 600 800 1000 1200 1400 118.5 119 119.5 tc2 200 400 600 800 1000 1200 1400 9.4 9.8 10.2 fc7

Figur 6.5.Mätsignaler för indunstarna

10−5 10−4 10−3 10−2 0.004 0.008 0.012 fc1 10−5 10−4 10−3 10−2 4 8x 10 −3 pc1 10−5 10−4 10−3 10−2 0.2 0.4 lc1 10−5 10−4 10−3 10−2 0.005 0.015 0.025 fc2 10−5 10−4 10−3 10−2 0.51 1.5 lc2 10−5 10−4 10−3 10−2 0.02 0.04 0.06 fc3 10−5 10−4 10−3 10−2 0.05 0.15 0.25 lc3 10−5 10−4 10−3 10−2 0.006 0.008 0.012 lc4 10−5 ₁₀−4 ₁₀−3 ₁₀−2 2 4 6 lc5 10−5 ₁₀−4 ₁₀−3 ₁₀−2 0.1 0.2 0.3 fc4 10−5 10−4 10−3 10−2 0.2 0.61 lc5 10−5 10−4 10−3 10−2 0.050.1 0.15 fc5 10−5 10−4 10−3 10−2 0 0.05 tc1 10−5 10−4 10−3 10−2 0.0050.01 0.015 fc6 10−5 10−4 10−3 10−2 1 1.52 x 10−3 pc2 10−5 10−4 10−3 10−2 0.02 0.060.1 tc2 10−5 10−4 10−3 10−2 0 0.2 fc7

6.3 Indunstare på en anläggning i Perstorp 79 200 400 600 800 1000 1200 1400 41 41.5 42 42.5 u [min] 200 400 600 800 1000 1200 1400 46.9 46.95 47 47.05 47.1 47.15 y, r fc1 [min] (a) FC1 200 400 600 800 1000 1200 1400 44 46 48 50 52 u [min] 200 400 600 800 1000 1200 1400 14 14.5 15 15.5 y, r fc2 [min] (b) FC2 200 400 600 800 1000 1200 1400 56 58 60 62 64 66 68 u [min] 200 400 600 800 1000 1200 1400 9 9.5 10 10.5 y, r [min] fc7 (c) FC7 200 400 600 800 1000 1200 1400 55 55.5 56 56.5 57 u [min] 200 400 600 800 1000 1200 1400 16 16.2 16.4 16.6 16.8 17 y, r [min] fc3 (d) FC3

Kapitel 7

Slutsatser

I detta kapitel presenteras de resultat som examensarbetet har lett till och förslag till framtida arbete inom diagnostik av stiktion i reglerventiler.

7.1

Slutsatser

De metoder som har implementerats och studerats i detta examensarbete kan alla detektera stiktion i reglerventiler från tillrättalagd data. Svårigheten är att förstå om metoderna fungerar lika väl på verklig driftsdata. Utvärdering på reglerkretsar från anläggningen i Perstorp visar att samtliga av de utvalda metoderna ibland har problem med att diagnosticera stiktion i reglerventiler.

De olika metoderna har sina styrkor och svagheter. Det är viktigt att deras förutsättningar är uppfyllda och att resultaten analyseras med omsorg. Gemen- samt för samtliga metoder är att de externa störningarna inte får dominera över styrsignalen för att veta att karakteristiken i signalen kommer från stiktion i ven- tilen. Brus och oregelbundna störningar leder till att trenderna förlorar en del av sin karakteristik och ju mindre del av datamängden som indikerar stiktion desto svårare är det för metoden att göra en korrekt diagnos.

Några av metoderna förutsätter att reglerkretsen svänger för att en diagnos ska kunna erhållas. Denna förutsättning kan ses som rimlig för normalt leder stiktion i ventilen till att kretsen självsvänger. Om referensvärdet varierar kommer inte en regelbunden svängning erhållas och då utesluts många kretsar från de som kan diagnosticeras. Svårigheten med att förutsätta att kretsen svänger handlar också om hur svängningen ska detekteras. Det finns metoder för att automatiskt detektera svängningar, men det finns begränsningar och svårigheter även där som måste vägas in.

De kretsar med stiktion som har förändringar i referensvärdet så att en själv- svängning inte uppkommer är svåra att diagnosticera med någon av metoderna. Troligen leder det till att kretsen får ett stort reglerfel vilket enklast detekteras med en mer allmän metod. Oavsett någon metods diagnos, är det svårt att endast genom att studera trenderna för dessa kretsar ge en korrekt diagnos.

Generellt är komprimering av driftsdata förödande för möjligheten att dia- gnosticera stiktion i reglerkretsar. Speciellt för integrerande processer kan hög komprimering leda till att en mjukt svängande signal kan få spetsiga vändpunk- ter. Det blir då mycket svårt att diagnosticera kretsen för stiktion i reglerventilen. Ett annat problem med komprimering är om fönsterstorleken är större än varia- tionerna i signalen. Det blir då slumpmässigt vilka datasampel som sparas och för mycket information går förlorad.

När en metod väl har diagnosticerat att en ventil har stiktion måste det säker- ställas genom en manuell kontroll för att eliminera att orsaken kan vara externa störningar. Bara för att en ventil har stiktion måste den inte bytas ut, utan det beror på hur mycket stiktion det är och om det anses vara lönsamt att byta ut den. En ventil med stiktion är inte bra för processens stabilitet och det finns alltid en överhängande risk att det försvårar styrningen av andra processer. Sannolik- heten för falsklarm måste vara liten för att diagnosverktyget ska vara praktiskt användbart. Annars blir det manuella arbetet för omfattande och det grundläg- gande syftet försvinner.

7.2

Måluppfyllnad

De utvalda metoderna klarar inte idag att diagnosticera stiktion i reglerventiler baserat på verklig driftdata för att brus i mätsignalen och oregelbundna störningar leder till att karakteristiken hos trenderna försvagas.

7.3

Framtida arbete

Metoderna är väl utvecklade för tillrättalagd data, men driftdata från processin- dustrin är ofta mer komplex. En möjlig lösning för att underlätta för metoderna kan vara att automatiskt välja ut den del av data som har bäst förutsättningar att vara representativ. Alla metoder har olika förutsättningar så det är viktigt att dessa beaktas. Generella krav kan vara att hitta regelbundna svängningar eller undvika förändringar i referensvärde och oregelbundna externa störningar. Pri- oriteringar mellan dessa krav måste finnas och urvalet måste bli representativt. Alternativ lösning kan vara att införa en glömskefaktor på teststorheterna, så att teststorheten kan reagera om ett representativt område infinner sig.

Så länge som det finns någon form av olinjär komprimering vid lagring av data kan högre ordningens statistik inte användas för att diagnosticera olinjäriteter som stiktion. Horchs metod för detektion av stiktion genom att studera korskorrelatio- nen mellan styr- och mätsignalen har en stor begränsning i att den är tillgänglig för relativt få kretsar.

Segmenteringsmetoden är den metod av de undersökta som är mest lovande för att i framtiden fungera som ett diagnosverktyg. Metoden har en låg sannolikhet för falsklarm, men dess teststorhet har visat sig vara för okänslig för att reagera på stiktion och därför behöver den utvecklas eller förnyas. I Kapitel 4 beskrivs de utvecklingar och tankar som har utvärderats kring metoden. Ett område som inte är vidare behandlat är hur sannolikheten av olika grenars beräknas och hur det

7.3 Framtida arbete 83 kan tänkas påverka metodens resultat. Förfining av metodens modell av stiktion kan även tänkas för att ge metode en bättre möjlighet att detektera stiktion.

Vidare måste komprimeringsalgoritmen Box Car Back Slope vidare undersö- kas för att kvantifiera dess påverkan på metodernas möjlighet att diagnosticera stiktion.

Litteraturförteckning

[2] Perstorp AB. Arbetsorder till avhjälpande underhåll, penta-fabriken i per- storp. Intern rapport, 2007.

[3] Perstorp AB. Årsredovisning. 2007.

[4] Lars-Erik Brorsson. El/instrumentsamordnare, 2 september 2008.

[5] Krister Forsman. Reglerteknik för processindustrin. Studentlitteratur, 2005. ISBN 91-44-03789-9.

[6] Torkel Glad and Lennart Ljung. Reglerteori. Studentlitteratur, 2003. ISBN 978-91-44-03003-6.

[7] Fredrik Gustafsson. Adaptive Filtering and Change Detection. John Wiley & Sons. Ltd, 2000. ISBN 0-471-49286-6.

[8] Fredrik Gustafsson, Lennart Ljung, and Mille Millnert. Signalbehandling. Studentlitteratur, 2001. ISBN 978-91-44-01709-9.

[9] Alexander Horch. A simple method for detection of stiction in control valves.

Control Engineering Practice, 7:1221–1231, 1999.

[10] Alexander Horch. Condition monitoring of control loops. PhD thesis, Kung- liga tekniska högskolan, 2000.

[11] Tore Hägglund. Professor lunds universitet, 29 september 2008.

[12] Hailei Jiang, Rohit Patwardhan, and Sirish L. Shah. Root cause diagnosis of plant-wide oscillations using the adjacency matrix. The international federa-

tion of automatic control, 2003. Seoul, Korea.

[13] Lennart Ljung. System Identification. Prentice Hall, 1999. ISBN 0-13-656695- 2.

[14] Richard S.H. Mah. Chemical process structures and information flows, 1989. [15] C.L Nikias and J.M Mendel. Signal processing with higher-order spectra.

IEEE Signal Processing Magazine, 10:10:37, 1993.

[16] Jens Pettersson and Per-Olof Gutman. Automatic tuning of the window size in the box car backslope data compression algorithm. Mediterranean Conference

on Control and Automation, 1999. Haifa, Israel.

[17] M. A. A. Shoukat Choudhury, Sirish L. Shah, Nina F. Thornhill, and David S. Shook. Automatic detection and quantification of stiction in control valves.

Control Engineering Practice, 14:1395–1412, 2006.

[18] M. A. A. Shoukat Choudhury, Nina F. Thornhill, and Si-

rish L. Shah. Control valve stiction model. URL:

http://www.ualberta.ca/_{∼slshah/valvestictionform.htm.}

[19] M. A. A. Shoukat Choudhury, Nina F. Thornhill, and Sirish L. Shah. Model- ling valve stiction. Control Engineering Practice, 13:641–658, 2005.

[20] Ashish Singhal and Timothy I. Salsbury. A simple method for detecting valve stiction in control loops. Journal of Process Control, 15:371:382, 2005. [21] Anders Stenman, Fredrik Gustafsson, and Krister Forsman. A segmentation-

based method for detection of stiction in control valves. International journal

of af adaptive control and signal processing, 17:625–634, 2003.

[22] Torsten Söderström and Petre Stoica. System Identification. Prentice Hall, 1989. ISBN 0-13-881236-5.

[23] Nina F. Thornhill. Finding the source of nonlinearity in a process with plant-wide oscillation. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 13(3):434:443, 2005.

Upphovsrätt

Detta dokument hålls tillgängligt på Internet — eller dess framtida ersättare — under 25 år från publiceringsdatum under förutsättning att inga extraordinära omständigheter uppstår.

Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner, skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för icke- kommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av doku- mentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten, säkerhe- ten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ art.

Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan be- skrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära eller konstnärliga anseende eller egenart.

För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se förla- gets hemsida http://www.ep.liu.se/

Copyright

The publishers will keep this document online on the Internet — or its possi- ble replacement — for a period of 25 years from the date of publication barring exceptional circumstances.

The online availability of the document implies a permanent permission for anyone to read, to download, to print out single copies for his/her own use and to use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose. Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity, security and accessibility.

According to intellectual property law the author has the right to be mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected against infringement.

For additional information about the Linköping University Electronic Press and its procedures for publication and for assurance of document integrity, please refer to its www home page: http://www.ep.liu.se/

c