The use of fault detection in model predictive control of a refinery process unit

Abstract

Vikasietoinen säätö (FTC) pyrkii älykkäästi hyödyntämään prosessinohjausjärjestelmän toisteisia osia sekä järjestelmästä saatavilla olevaa tietoa pyrkiessään parantamaan laitoksen käytettävyyttä. Havaittuaan ongelman vikasietoinen säädin yrittää automaattisesti mukautua uuteen tilanteeseen. Riippuen vian vakavuudesta säätörakenteen muuttaminen tai jopa korkeamman tason säätötavoitteiden uudelleenarviointi saattaa olla tarpeen. Perustavanlaatuinen vaatimus edellä mainittujen aktiivisten korjaavien toimenpiteiden aloittamiselle on vikojen havaitseminen ja eristäminen (FDI). Malliprediktiivisessä säädössä (MPC) FTC:n edut ovat tulleet esille, mutta sen toteuttaminen on osoittautunut hankalaksi. Erityisesti FDI:n suorittaminen on ollut vaikeaa, koska takaisinkytketyssä säädössä säädin pyrkii toiminnallaan peittämään viat. Toisaalta malliprediktiivisten säätimien luontainen vikasietoisuus sekä niiden mallien tarjoamat ennusteet ovat osoittautuneet merkittäviksi hyödyiksi suunniteltaessa vikasietoisia MPC ratkaisuja.

Tämän diplomityön tavoitteena on ollut vikadiagnostiikan käytön tuomien vaikutusten tutkiminen MPC-säädössä. Diplomityön kirjallisessa osassa on perehdytty FTC:n ja FDI:n menetelmiin. Kvalitatiivisia, kvantitatiivisia ja prosessihistoriadataan perustuvia vikojen havaitsemismenetelmiä on esitetty. MPC:n toimintaperiaatetta ja sen vikasietoisuutta on tutkittu ja raportoitu laajalti. Verkottuneita säätöjärjestelmiä ja niiden vikasietoisuutta on myös käsitelty.

Diplomityön kokeellisessa osassa on aluksi keskitytty FTC ja FDI menetelmien soveltuvuuden arviointiin öljynjalostusteollisuudessa. Naantalin öljynjalostamon prosessiyksiköitä on tarkasteltu yhteistyössä laitoksen henkilökunnan kanssa ja tarkastelun perusteella on valittu tutkimuksiin sopiva prosessiyksikkö. Tämän yksikön online prosessianalysaattorit vikaantuvat usein. Dynaaminen prosessisimulaattori laadittiin simuloimaan valittua prosessia, erityisesti vksikön online prosessisimulaattoreissa esiintyvien vikojen osalta. Tämän lisäksi MPC-säädin kontiguroitiin ohjaamaan simuloitua prosessia. Diplomityössä on raportoitu havaittujen ja havaitsematta jäävien vikojen vaikutus MPC-säätimen kokonaissuorituskykyyn.

Vikojen simulointi osoitti vikojen havaitsemisen myötä saavutettavat kiistämättömät edut. Saatuaan FDI-signaalin MPC-säädin ei käyttänyt vikaantunutta mittausta säätimen sisäisen ennusteen päivittämiseen. Täten vikaantunut analysaattorimittaus ei päässyt vaikuttamaan säätimen toimintaan. Säätimen kokonaissuorituskyky kärsi, mikäli vika jäi havaitsematta. Työssä on osoitettu, että tehokkaan FDI:n ansiosta säätimen kokonaissuorituskyky pysyy hyvänä normaaleissa prosessiolosuhteissa, vaikka vioista johtuen analysaattoreiden antamat tulokset olisivat vääriä. Tämä korosti FTC:n ja FDI:n hyödyntämisen tärkeyttä MPC-ympäristössä.