Tecniche di diagnostica predittiva e su evento Gli attuatori motorizzati

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1 Tecniche di diagnostica predittiva e su evento Gli attuatori motorizzati Luca Guidi ENEL Ingegneria e Ricerca SPS/IPC/DRIVES Italia 2012 Incontro Tecnologico EXERA-CLUI Parma, 23 Maggio 2012

2 Strategie di manutenzione e affidabilità Alcuni decenni fa la concezione era: manutenzione = riparazione Scarsa attenzione alle opere di manutenzione ed alla sua organizzazione Disponibilità di ampi magazzini con i quali far fronte a qualunque tipo di malfunzionamento Consapevolezza di potersi dedicare quasi esclusivamente ad un tipo di manutenzione che prevedesse interventi a guasto avvenuto Interventi in sede progettuale: qualità dei sistemi/componenti ridondanza di alcuni componenti/sistemi critici L esperienza di esercizio e le indicazioni dei fornitori guidavano le scelte manutentive Parma, 23 Maggio

3 Tipi di Manutenzione CORRETTIVA manutenzione eseguita a seguito della rilevazione di una avaria e volta a riportare un'entità nello stato in cui possa eseguire una funzione richiesta (UNI ). PREVENTIVA manutenzione effettuata a intervalli predeterminati o in accordo a criteri prescritti e atta a ridurre la probabilità di guasto o la degradazione del funzionamento di un elemento (UNI 9910). Parma, 23 Maggio

4 Tassi di guasto per diversi componenti di impianti industriali Failure Rate (per milione di ore) Compressori Turbine a gas Pompe Motori Sistema di sicurezza Scambiatori di calore Valvole Trasmettitori Fonte OREDA (Offshore REliability Data) Parma, 23 Maggio

5 Ripartizione della spesa di manutenzione nell'industria degli idrocarburi nel Piping Valves Vessels Pumps Compressors Mixers Drivers Heat Exchangers Instruments Electricals Boilers Installation Plants Materials Handling Tools Other % spending Fonte OREDA (Offshore REliability Data) Parma, 23 Maggio

6 Manutenzione su strumenti Statistiche dei risultati degli interventi di manutenzione su trasmettitori alla Dow Chemical 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 35% Routine Check Fonte OREDA (Offshore REliability Data) 28% No Problem 20% Calibration Shift Piccoli interventi (locali o remoti) Zero Off 6% 6% Plugged Lines 4% Failed Instrument Parma, 23 Maggio 2010

7 Bus di Campo Le opportunità di una nuova tecnologia Tecnologia innovativa ma ormai matura e affidabile Però c è il rischio che venga utilizzata in modo tradizionale (Controllo, monitoraggio) C è molto di più Si basa sui dispositivi intelligenti e sulla tecnologia puramente digitale La vera innovazione è la possibilità di fare diagnostica avanzata ai fini della manutenzione predittiva Parma, 23 Maggio 2010

8 Enel ha adottato, fin dal 2000, la tecnologia a bus di campo in tutti i suoi nuovi impianti Per dare un idea della diffusione. La Casella (4 Unità x 380 MW, Ciclo Combinato, Profibus) Porto Corsini (2 Unità x 380 MW, Ciclo Combinato, Profibus) Pietrafitta (1 Unità 380 MW, Ciclo Combinato, Profibus e Foundation Fieldbus) Santa Barbara (1 Unità 380 MW, Ciclo Combinato, Foundation Fieldbus) Priolo Gargallo (2 Unità x 380 MW, Ciclo Combinato, Profibus) Termini Imerese (1 Unità 700 MW, Ciclo Combinato, Profibus) Sulcis (1 Unità 345MW, Letto Fluido, Foundation Fieldbus ) Fusina (2 unità x 165 MW e 2 unità x 320 MW, a carbone, Profibus and FF estensione alla maggior parte dei nuovi impianti di ambient.) Torrevaldaliga Nord (3 Unità x 660 MW, a carbone, Profibus su on-off e Hart) Impianto sperimentale cattura CO2, Profibus anche per gli Inverter La Casella Total: over 7,000 MW Combined Cycle Torre Nord Coal Fired Power Plant Termini Imerese Fusina Porto Corsini Santa Barbara Pietrafitta Priolo Gargallo Parma, 23 Maggio

9 Alcuni numeri... una unità di produzione CC (La Casella) Rete di campo di Unità Dati al aggiornati al 2004 una rete di campo Profibus DP-PA che controlla: il GVR, gli ausiliari della turbina a vapore TV ed il sistema di raffreddamento (condensatore e opere di presa). Composta da: 11 segmenti DP indipendenti a cui sono connessi 45 attuatori ON-OFF e 33 concentratori di segnali analogici e digitali (4000 punti IO) 13 segmenti PA indipendenti a cui sono connessi: 116 sensori intelligenti di portata, livello e pressione 37 elettroposizionatori pneumatici Rete di campo dei servizi comuni una rete Profibus DP/PA di campo che controlla direttamente i servizi di acqua industriale, acqua demineralizzata e aria servizi. Tale rete e composta da: 11 segmenti DP indipendenti a cui sono connessi 38 concentratori di segnali analogici e digitali (circa 4000 punti di I/O); 3 segmenti PA indipendenti a cui sono connessi 17 sensori intelligenti di portata, livello, pressione e 4 elettroposizionatori pneumatici. Parma, 23 Maggio

10 Riassumiamo: I driver per il cambiamento Necessità Economica (sempre più pressione sui costi) Tecnica (mistero sullo stato di componenti vitali) Opportunità Tecnologica (il bus di campo) Parma, 23 Maggio

11 La visione Da una manutenzione basata sull ignoranza alla manutenzione basata sulla conoscenza SU CONDIZIONE manutenzione preventiva effettuata a seguito dell'individuazione e della misurazione di uno o più parametri indicatori dello stato operativo della macchina confrontati con le relative soglie d allarme PREDITTIVA manutenzione preventiva effettuata a seguito dell'individuazione e della misurazione di uno o più parametri e dell'estrapolazione secondo modelli appropriati del tempo residuo prima del guasto (UNI ). Parma, 23 Maggio 2010

12 Le idee Fondamentale l intervallo P F Anticipare il più possibile P Gestire al meglio l intervallo P-F Rilevare non il sintomo P, ma la causa di P Organizzare la manutenzione La precocità: alla ricerca di segnali deboli o nascosti Diagnostica di processo e diagnostica di componente Failure rate GUASTI PRECOCI GUASTI CASUALI GUASTI DA USURA La cassetta degli attrezzi Sensoristica adeguata/innovativa Multisensorialità Elaborazione avanzata (algoritmi raffinati, Database,..) Riconoscimento automatico e allarmi Tempo Parma, 23 Maggio 2010

13 Progetto sulla Diagnostica Avanzata dei dispositivi Intelligenti Al fine di supportare la manutenzione preventiva e un uso più efficace delle informazioni diagnostiche dei dispositivi, resi disponibili dalle nuove tecnologie come il bus di campo, CLUI ha dato vita ad una nuova Commissione Tecnica avente l obiettivo di definire nuovi algoritmi e applicazioni per la diagnostica avanzata dei dispositivi (strumenti, valvole/loop di regolazione e valvole on-off). Parma, 23 Maggio

14 Contributo Enel. Area Tecnica Ricerca Visione non solo End-User Visione Sperimentatore Visione Utilizzatore Innovativo Sperimentazioni presso impianto IDROLAB Area Sperimentale di Livorno di ENEL Ricerca Applicazioni sui impianti ENEL GEM, in particolare sui cicli combinati Algoritmi di Diagnostica Predittiva sui dispositivi a Bus di Campo Sviluppo e implementazione di algoritmi innovativi di diagnostica predittiva sulle valvole motorizzate ON/OFF a Bus di Campo Prove su posizionatori intelligenti a Bus di Campo Prove su Attuatori Intelligenti Diagnostica valvole/loop di regolazione Diagnostica strumentazione intelligente Parma, 23 Maggio

15 Diagnostica Predittiva Valvole ON/OFF Applicazione Enel: Valve Signature Check (VSC) Diagnostica Predittiva Si storicizza la coppia in condizioni di normale e ottimale funzionamento Si stabilisce una banda di tolleranza Si confronta la coppia delle manovre successive di esercizio Diagnostica Reattiva Batteria tampone Temperatura elettronica Temperatura motore Adottata nei cicli combinati a Bus di Campo e Torre Nord Parma, 23 Maggio

16 Diagnostica predittiva per valvole on-off Parma, 23 Maggio 2010

17 Diagnostica predittiva per valvole on-off Parma, 23 Maggio 2010

18 DIAGNOSTICA PREDITTIVA PER VALVOLE ON-OFF Parma, 23 Maggio

19 I primi risultati importanti Le valvole on-off sono state talvolta causa di avviamenti falliti o ritardati. Adesso, in occasione delle fermate lunghe e brevi, viene eseguito un test esteso (apertura/chiusura) su tutte le valvole del gruppo. Le funzioni diagnostiche spesso evidenziano comportamenti anomali di alcune valvole; viene quindi eseguita la manutenzione solo su queste (manutenzione su condizione). Ciò si è rivelato decisivo, specie nelle fermate brevi. Da quando il Reparto Manutenzione opera in questo modo, non ci sono stati più problemi di avviamento dovuti alle valvole on-off. Questa esperienza sulle valvole on/off è per dimensioni (solo per i CC oltre 500 valvole) ancora oggi tra le più significative al mondo. Parma, 23 Maggio 2010

20 Valve Signature Check (VSC) Link of Data via OPC, from the selected valves Signature (Torque vs. Position) Recording OPC Tolerance Parametrization Actual Track Admissable - Send a Flag to the DCS For Both the Directions of Motion of Every Monitored Valve + Next Check Parma, 23 Maggio

21 Valve Signature Check (VSC) Parametrization of the VSC Tolerance Concept: Alarm Condition: Number of Opening/ Closing travels on which calculate spike number Num_Max_Spikes or the Open and Close Signatures, respectively, of the torque Max valve values of external the spike of the for tolerance band, for a duration t the abnormal torque values Tollernce_Time Parma, 23 Maggio

22 Diagnostica Predittiva Valvole ON/OFF Principali risultati raggiunti Diagnostica valvole on-off intelligenti sviluppata direttamente nel DCS, secondo specifica Enel Ricerca Applicata nei nuovi impianti a CC Risultati effettivi es. Impianto di La Casella Impianto CC di La Casella 4 unità da 375MW Trend numero Avvisi di Manutenzione per unità su valvole on-off Utilizzo diagnostica offline NON PIU MANCATI AVVIAMENTI Applicazione diagnostica on-line Num Medio AdM per unità Avvisi Emessi PRIMA dell avviamento Parma, 23 Maggio

23 Prove su attuatori intelligenti Attività svolta nel Attività commissionata dalla Commissione Tecnica del CLUI - EXERA Attività affidata ad ENEL Ricerca Sono state eseguite prove di: Comunicazione Sicurezza Performance Effetti da stress fisici Su 4 tipologie di attuatori di fornitori diversi Risultati: Rapporti divulgati da EXERA Conferma della qualità degli attuatori verificati Conferma della qualità, dell affidabilità, ma soprattutto delle potenzialità ancora da esplorare del Bus di Campo, quali nuove informazioni messe a disposizione dall attuatore stesso Parma, 23 Maggio

24 Test sulla comunicazione Consistenza dell interfaccia Profibus dell attuatore con il profilo standard definito nel protocollo Profibus communication Local display communication Input/Output mask mapping (cyclic data) Check parameters (acyclic data) Configuration user parameters Remote operation Documentation Sicurezza: Communication-bus interruption Disconnection of an actuator from a Profibus DP network Electric fault Emergency Shut-Down Maximum torque (mechanical fault) Parma, 23 Maggio

25 Test sulla comunicazione Consistenza dell interfaccia Profibus dell attuatore con il profilo standard definito nel protocollo Profibus communication Local display communication Input/Output mask mapping (cyclic data) Check parameters (acyclic data) Configuration user parameters Remote operation Documentation Sicurezza: Communication-bus interruption Disconnection of an actuator from a Profibus DP network Electric fault Emergency Shut-Down Maximum torque (mechanical fault) Bitmap showing communication between control system and actuator is OK Parma, 23 Maggio

26 Test sulla comunicazione Consistenza dell interfaccia Profibus dell attuatore con il profilo standard definito nel protocollo Profibus communication Local display communication Input/Output mask mapping (cyclic data) Check parameters (acyclic data) Configuration user parameters Remote operation Documentation Sicurezza: Communication-bus interruption Disconnection of an actuator from a Profibus DP network Electric fault Emergency Shut-Down Maximum torque (mechanical fault) Checking that the actual length of input/output data is the same as in the user manual Parma, 23 Maggio

27 Test sulla comunicazione Consistenza dell interfaccia Profibus dell attuatore con il profilo standard definito nel protocollo Profibus communication Local display communication Input/Output mask mapping (cyclic data) Check parameters (acyclic data) Configuration user parameters Remote operation Documentation Sicurezza: Diagnostic message on the control panel after a communication-bus interruption Communication-bus interruption Disconnection of an actuator from a Profibus DP network Electric fault Emergency Shut-Down Maximum torque (mechanical fault) Parma, 23 Maggio

28 Test sulle prestazioni Prestazioni Dead time Stroke time test (actuator operating speed) Accuracy of torque signal Accuracy of position signal End limits Accuracy of set-point mode Power requirement Efficiency Temperature Maximum torque delivered Effetti da stress fisici: Temperatura Vibrazioni Campi Elettromagnetici Parma, 23 Maggio

29 Test sulle prestazioni Prestazioni Dead time Opening command, actuator and encoder position versus time Stroke time test (actuator operating speed) Accuracy of torque signal Accuracy of position signal End limits Accuracy of set-point mode Power requirement Efficiency Temperature Maximum torque delivered Effetti da stress fisici: Temperatura Vibrazioni Campi Elettromagnetici Parma, 23 Maggio

30 Test sulle prestazioni Prestazioni Dead time Stroke time test (actuator operating speed) Accuracy of torque signal Accuracy of position signal End limits Accuracy of set-point mode Power requirement Efficiency Temperature Maximum torque delivered Effetti da stress fisici: Temperatura Vibrazioni Campi Elettromagnetici Actuator and encoder position versus time Parma, 23 Maggio

31 Test sulle prestazioni Prestazioni Dead time Stroke time test (actuator operating speed) Accuracy of torque signal End limits Accuracy of position signal Accuracy of set-point mode Power requirement Efficiency Temperature Maximum torque delivered Actuator and encoder position versus time Motor temperature versus time Effetti da stress fisici: Temperatura Vibrazioni Campi Elettromagnetici Parma, 23 Maggio

32 IDROLAB Impianto Sperimentale Enel IIN a Livorno Intelligent Field Devices installati: esempi di sensori e attuatori rappresentativi delle diverse tipologie di misura, di produttori e tecnologie, tipici dell automazione di processo Pneumatic Valve: Electric Valve: Sensors: Parma, 23 Maggio

33 IDROLAB Impianto Sperimentale Enel IIN a Livorno Sistemi di Controllo: 3 differenti sistemi di controllo integrati: Simatic Siemens (OpenPMC) DeltaV Emerson (MD Controller) Industrial IT ABB (AC 800F) Supervision OPC Control Profibus DP Profibus PA Foundation Fieldbus Field Parma, 23 Maggio

34 Attività sull impianto sperimentale IDROLAB Studi e sviluppo diagnostica sui loop di regolazione, anche per loop interagenti Approfondire la conoscenza delle informazioni sui dispositivi che il Bus di Campo mette a disposizione; elaborarle e interpretarle Provare sperimentalmente nuove tecnologie di automazione Elaborare logiche e algoritmi per implementare ulteriori funzioni di diagnostica predittiva Parma, 23 Maggio

35 Considerazioni sull uso della tecnologia Fieldbus Impianti sempre più complessi e performanti È necessario adottare un modello che superi la centralità del sistema di controllo e dia più autonomia agli apparati di campo. Il sistema di controllo dovrà mantenere le strategie ed il coordinamento, mentre ogni dispositivo di campo/macchinario dovrà poter adottare autonomamente le proprie politiche di controllo, diagnostica e di manutenzione, definite dal costruttore. Offerta di tool per tutto il ciclo di vita dell automazione (Progettazione, commissioning, esercizio, manutenzione) 24 Parma, 23 Maggio

36 Considerazioni sull uso della tecnologia Fieldbus ENEL Crede in questa tecnologia e nelle sue future evoluzioni Anche in ambito CLUI si vuole investire sulle reali potenzialità di questa tecnologia C è bisogno di una crescita culturale per sfruttare a pieno tutte le potenzialità del Bus di Campo: Non esiste una strategia per la diagnostica predittiva: manca ancora l esperienza e la visione organica Manca spesso il recepimento da parte del personale di esercizio e manutenzione dei potenziali vantaggi offerti Parma, 23 Maggio

37 altre considerazioni conclusive La Ricerca Aziendale dell End-User deve: Assimilare le esperienze di ciascun attore disponendo di una visione generale del sistema: dal singolo dispositivo al DCS Sviluppare e affinare le proprie tecniche in collaborazione col personale di esercizio e manutenzione, adottando tecnologie indipendenti dai fornitori E essenziale che i Fornitori e i Costruttori dei sistemi di Automazione proseguano nello sviluppo di strumenti HW e SW sempre meno proprietari e sempre più standard, integrabili e interoperabili permettendo la reale applicazione di funzioni di manutenzione intelligente. Parma, 23 Maggio

38 Un secondo tema Manutenzione su valvole di regolazione Nessun problema Semplice regolazione Revisione dopo rimozione Riparazione in loco Interventi di manutenzione preventiva su 230 valvole di regolazione C è qualcosa che non va! Parma, 23 Maggio 2010