Definizione del problema di Fault Detection

Transcript

1 Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25

2 Definizione del problema di Fault Detection L efficienza della depurazione dipende in modo critico dalla conduzione del processo La sensoristica si fa sempre più complessa e necessita manutenzione E necessario un attento monitoraggio del processo, sia locale che remoto Ricerca svolta in collaborazione con ETC-ENG srl (Trento) Ing. Giuseppe Guglielmi Ing. Claudio Modena Ing. Marco Vian TEA SpA, Depuratore comunale della città di Mantova Ing. Michele Zaghini Dott.ssa Manuela Pedroni Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 2

3 Integrazione di competenze Università (UniFi) Azienda (ETC-ENG) P.A. (Municipalizzata) T.E.A. Fault Detection Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 3

4 L impianto Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25

5 Vasca a cicli alternati Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 5

6 Sonda NO 3 Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 6

7 SCADA e sistema FD Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 7

8 Processi a cicli alternati Ottimizzati per la rimozione dei nutrienti Fanno uso di sensori sofisticati Sonde ad ioni specifici (NH e NO 3 ) Process SCADA OSCAR RTFD Impeller DO NH + and NO 3 probes Input sewage Secondary settler Treated effluent Alternate oxic/anoxic tank Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 8

9 Schema di base dei cicli alternati Generalmente si dispone di tre misure e due segnali booleani dal campo Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 9

10 Estrazione dei parametri significativi Rateo di variazione di NH e NO 3 Loro valori medi nel ciclo Le pendenze sono approssimate con rette di regressione lineare Ciascuna fase ha un proprio sistema di rilevazione N-NH + [mg/l] N-NO 3 [mg/l] Ua ox av NH time [d] ox m NO time [d] Oxidation phase Aeration ON Anoxic phase Aeration ON time [d] Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 ox m NH 3 ox av NO 3 anox av NO anox m NH 3 anox av NH anox m NO 3

11 Parametrizzazione Schema di calcolo dei parametri nel caso di monitoraggio di NH in fase anossica Pre-sampling begins Δt Pre-sampling ends Slope computation 2.5 n NH 2.5 Pre-sampling window Threshold condition met m anox NH < m NH w anox m NH.5 Aeration ON Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25

12 Il Metodo Si trattano separatamente le due fasi (Anossica e Aerobica) Ciascuna fase ha un suo proprio riconoscitore Un pre-controllo elimina i guasti più grossolani I guasti meno evidenti vengono rilevati da un algoritmo basato sulle Componenti Principali (PCA) e soglie statistiche Per adattare il sistema alle condizioni di processo variabili, i dati sono aggiornati mediante una finestra mobile Le soglie di severità del guasto sono ottimizzate. Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 2

13 Schema di funzionamento FD real-time Initial step NEW AERO/ANOX PHASE Load the reference data (initial window) Standardize data Constant measurements for < 2 samples Yes No Compute PCA Sampling interval < min No FAULT Find the number of PCs to retain (eigenvalues >.7) Yes Duration < 3 h Yes No Compute the statistical thresholds T² lim and Q lim and define the coefficients k T² and k Q Absence of overlapping signals or spikes Yes No Standardize data Project into the reference space (space of the PCs retained) Update the reference space: The new sample is retained and the oldest is deleted Compute T² and Q statistics T² > k T² T² lim Q > k Q Q lim No Yes Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 3

14 Evoluzione della finestra mobile T² lim Probe signal Q T² Q lim m samples n + n 2 = m n 3 + n 5 = m Initial t Moving t Moving t 2 Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25

15 Struttura gerarchica dell algoritmo Il sistema è diviso in tre parti, ciascuno dedicato ad un diverso tipo di malfunzionamento. d i f f i c o l t à Sporcamento sonda Variazione delle oscillazioni Pre-Controllo Durata della fase oltre i limiti o valori chiaramente anomali Controllo fine PCA e soglie statistiche di errore Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 5

16 NH + [mg/l] Sporcamento sonda Lo sporcamento del sensore è indicata da una diminuzione delle oscillazioni causata dagli agitatori time [d] ON (a) - Foul probe NH + [mg/l] 6 ON (b) - Clean probe time [d] time [d] time [d] Ua Ua Mixer Mixer OFF ON OFF ON OFF time [d] OFF time [d] Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 6

17 Analisi statistica di guasto Dopo lo sporcamento sonda, i due successivi passi richiedono una decomposizione alle Componenti Principali (PCA) con Riduzione dei parametri dai originali a 2 trasformati Utilizzo delle statistiche di Hotelling (T 2 ) e Q Introduzione di una finestra mobile per mantenere aggiornata la base di dati utilizzata per la diagnostica Dati Finestra mobile PCA T 2, Q Guasto Adattamento Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 7

18 Pre-controllo In questa fase preliminare viene rilevato un guasto se: La durata della fase corrente supera le 3 ore. Guasto intermedio (anomalia di processo) L intervallo fra due campioni è superiore a minuti Guasto rilevante di trasmissione Gli ultimi 2 campioni consecutivi hanno lo stesso valore Guasto rilevante sul sensore. Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 8

19 Pre-controllo: Sovraccarico Anomalia di processo segnalata come guasto di rilevanza intermedia, dovuta a sovraccarico N-NH + N-NO 3 - AEROBIC PHASE [mg/l] T /2/3 2/2 3/2 /2 /2/3 2/2 3/2 /2 faults detected 3.8 Durata eccessiva della fase Q /2/3 2/2 3/2 /2 /2/3 2/2 3/2 /2 Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 9

20 Pre-controllo: Guasto sonda Guasto segnalato come rilevante, dovuto ad interruzione della trasmissione N-NH + N-NO 3 - AEROBIC PHASE 2 [mg/l] 8 6 X: -Feb-23 23:58:7 Y: 6. X: 8-Feb-23 :53: Y: 7.6 T 2 5 5/2/3 6/2 7/2 8/2 9/2 faults detected 3 5/2/3 6/2 7/2 8/2 9/ Dati mancanti Q /2/3 6/2 7/2 8/2 9/2 5/2/3 6/2 7/2 8/2 9/2 Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 2

21 Pre-controllo: segnale costante Guasto rilevante della sonda NO 3 costante, mentre NH continua a variare. N-NH + N-NO 3 - ANOXIC PHASE 8 5 [mg/l] 6 T /3/3-:6: 2: 8: /3-: 6: 2: 8: /3-: faults detected 9/3/3-:6: 2: 8:/3-:6: 2: 8:/3-: Q..2 9/3/3-:6: 2: 8: /3-: 6: 2: 8: /3-:.5 9/3/3-:6: 2: 8:/3-:6: 2: 8:/3-: Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 2

22 6 Rilevazione guasti in fase aerobica Rilevazione a totale carico del pre-controllo + - N-NH N-NO 3 AEROBIC PHASE [mg/l] /5/3-9: : : 2: 3: : 5: 6: Pre-controllo Guasto osservato Guasto rilevato Preprocessing Observed faults Detected faults Correctly identified faults.5 7/5/3-9: : : 2: 3: : 5: 6: Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 22

23 6 Rilevazione guasti in fase anossica Rilevazione a totale carico del pre-controllo + - N-NH N-NO 3 ANOXIC PHASE 5 [mg/l] 3 2 7/5/3-9: : : 2: 3: : 5: 6: Pre-controllo Guasto osservato Guasto rilevato Preprocessing Observed faults Detected faults Correctly identified faults.5 7/5/3-9: : : 2: 3: : 5: 6: Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 23

24 Rilevazione guasti in fase aerobica N-NH + N-NO 3 - AEROBIC PHASE 5 [mg/l] 3 2 3/3/3-5: 8: 2: 3/3-: 3: 6: 9: 2: 5: 8: Guasto osservato Guasto rilevato Preprocessing Observed faults Detected faults Correctly identified faults.5 3/3/3-5: 8: 2: 3/3-: 3: 6: 9: 2: 5: 8: Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 2

25 Rilevazione guasti in fase aerobica N-NH + Fase aerobica molto corta per il basso valore di NH N-NO 3 - AEROBIC PHASE 6 [mg/l] Low NH 5//3-3: 6: 9: 2: 5: 8: 2: 6/-: 3: 6: 9: 2: 5: Guasto osservato Guasto rilevato Preprocessing Observed faults Detected faults Correctly identified faults.5 5//3-3: 6: 9: 2: 5: 8: 2: 6/-: 3: 6: 9: 2: 5: Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 25

26 Rilevazione guasti in fase anossica + - N-NH N-NO 3 ANOXIC PHASE 5 [mg/l] 3 2 3/3/3-5: 8: 2: 3/3-: 3: 6: 9: 2: 5: 8: Pre-controllo Guasto osservato Guasto rilevato Preprocessing Observed faults Detected faults Correctly identified faults.5 3/3/3-5: 8: 2: 3/3-: 3: 6: 9: 2: 5: 8: Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 26

27 Rilevazione guasti in fase anossica N-NH + N-NO 3 - ANOXIC PHASE [mg/l] //3-6: 2: 8: 6/-: 6: 2: 8: Guasto osservato Guasto rilevato Preprocessing Observed faults Detected faults Correctly identified faults.5 5//3-6: 2: 8: 6/-: 6: 2: 8: Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 27

28 Guasti osservati Prestazioni Fase anossica Guasti rilevati Falsi positivi Falsi negativi 2 (86%) 2 9 Guasti osservati Fase aerobica Guasti rilevati Falsi positivi Falsi negativi (89%) 3 28 Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 28

29 La squadra (UniFi + ETC-Eng + TEA SpA) Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 29

30 Conclusioni E stato sviluppato un sistema di rilevazione dei guasti per impianti di depurazione biologica a fasi alternate; Il progetto è nato dall integrazione di competenze diverse Azienda Università Pubblica Amministrazione La sperimentazione condotta per oltre un anno sull impianto municipale di Mantova ha dato risultati incoraggianti; Si stanno migliorando le soglie di discriminazione e la portabilità su altri impianti. Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25 3

31 Telecontrollo Made in Italy: a step forward for a better life, Milano 29-3 settembre 25