Kenttälaitteiden vikojen muodostuminen ja vikamallit teollisuuden säätöprosesseissa
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Author
Date
2010
Department
Major/Subject
Koneensuunnitteluoppi
Mcode
Kon-41
Degree programme
Language
fi
Pages
72
Series
Abstract
Main objective of this thesis was to survey the most common faults of final control elements operated in the control loops of different branches of process industry. This was achieved both by personnel interviews and through careful investigation of all available statistical information stored in numerous databases. The interviews conducted by the author of this thesis brought up a deep understanding to the current state of the industry whereas the information in databases combined resulted in creation of a database analysis. The final control elements discussed in this thesis have a vast number of faults and root causes for each type of failure. Thus only the most critical faults, including their effects on the control system output, were considered. Of all the faults examined, over dimensioning of final control element, effects of static friction, material damage induced by flow medium, under dimensioning of pneumatic actuator and twisting of the drive shaft were selected for closer examination. Literary studies were implemented in order to investigate the typical causes and typical modes of growth as well as typical effects on control loop operations for these particular faults. Over dimensioning was discovered to be the principal and most universal cause for impaired flow control operations. Another ever-present phenomenon, namely static friction (shorter: stiction) with stick-slip, was also examined carefully. A two-parameter algorithm for detection and compensation of stiction is introduced in this thesis. The algorithm can be used for friction simulations as well as be implemented in positioners for detecting the magnitude of the stick-slip phenomenon. Cavitation and erosion induced by particles in the flow medium proved to cause rapid destruction of materials and material coatings in high-speed flow systems. By proper sizing of actuators it is possible to have a positive effect on flow control properties in varying working conditions. Wrongly sized actuator can prevent the final control element from operating due to the dynamic nature of frictional forces. Failure is a chaotic event, albeit it normally occurs due to the same constant subset of natural laws. Also human error is a considerable factor in almost any failure. Reliable and functioning proactive failure diagnosis methods can save any process industry operator from countless unnecessary maintenance run-downs hence optimizing overall performance.Tälle työlle asetettuna tavoitteena oli haastattelujen ja tilastojen avulla kartoittaa prosessiteollisuuden säätöpiirin loppuelementin tyypillisimpiä vikoja sekä selvittää vikojen juuri- syitä ja etenemismekanismeja. Henkilöhaastattelujen kautta kerättiin ajanmukaista vikatietoutta ja tietokantoihin tutustumalla toteutettiin tietokanta-analyysin valmisteleminen. Työssä käsitellyille kenttälaitteille on olemassa valtava määrä erilaisia vikatyyppejä ja samaten on myös eri vikaantumisille olemassa vikaantumismalleja ja juurisyitä lähestulkoon ääretön määrä. Tämän vuoksi työssä rajoituttiin käsittelemään vain kriittisimpiä virhetiloja sekä tutkimaan näiden vaikutuksia säätöprosessin vasteeseen. Työssä päädyttiin tarkastelemaan lähemmin seuraavia vikoja: kenttälaitteen ylimitoitus, staattisen kitkan vaikutukset, nesteen ohivirtauksen materiaalia tuhoavat mekanismit, kenttälaitteen toimilaitteen alimitoitus ja käyttöakselin kiertyminen. Kirjallisuustutkimuksen avulla selvitettiin, mistä tutkittavat vikaantumiset tyypillisesti saavat alkunsa, miten nämä viat kehittyvät sekä mitkä ovat vikojen syntyyn ja kasvuun vaikuttavia tekijöitä. Laitteiston ylimitoitus todettiin säätöpiirin yleisimmäksi säätökyvyn alentajaksi. Tämän lisäksi staattinen kitka, jonka suuruuteen voidaan vaikuttaa alentavasti oikeilla materiaali- ja pinnoitusvalinnoilla, on myös otettava huomioon. Staattisen kitkan aiheuttaman tihkomisvärähtelyn havaitsemiseksi on työssä esitelty kahden parametrin algoritmi, jota voidaan käyttää kitkavaikutusten kompensointiin digitaalisissa asennoittimissa sekä apuna simuloinneissa. Kavitaation ja virtauksen mukana kulkeutuvien partikkelien aiheuttamalla eroosiolla havaittiin olevan merkittävä rikkova vaikutus suurinopeuksisia virtauksia säätelevissä järjestelmissä. Myös toimilaitteen oikealla valinnalla voidaan suuresti vaikuttaa virtaussäädön toimintaan vaihtelevissa käyttöolosuhteissa. Väärällä toimilaitteen mitoituksella voidaan pahimmassa tapauksessa kokonaan estää laitteiston toiminta käytön aikana tuntuvasti kasvavien kitkavoimien vuoksi. Vikaantuminen on kaoottinen ja ennalta arvaamaton tapahtuma, vaikkakin se tapahtuu aina tiettyjen luonnonlakien määräämänä. Toimiva ja luotettava ennakoiva vikadiagnosointi voi säästää prosessiteollisuuden toimijan monelta ylimääräiseltä huoltokatkolta ja tarpeettomilta kustannuksilta.Description
Supervisor
Pietola, MattiThesis advisor
Manninen, TimoKeywords
failure, vikaantuminen, fault model, vikamalli, final control element, säätöpiiri, control loop, loppuelementti, static friction, staattinen kitka, stiction, tihkomisvärähtely, stick-slip, kavitaatio, cavitation, ylimitoitus, overdimensioning
