Monitoraggio delle oscillazioni di una colonna di distillazione con NI LabVIEW e Field Point

Author(s):
R. Romanelli - dspmindustria@dspmindustria.it
D. Vitalone - Libero Professionista

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
FieldPoint, LabVIEW

The Challenge:
Monitorare l’inclinazione e le oscillazioni della sommità di una colonna di processo chimico nei due assi e generare un allarme ed un report al superamento di certe condizioni.

The Solution:
Sulla sommità della colonna sono stati installati 2 servoaccelerometri e 2 servoinclinometri Jewell (allineati con gli assi principali d’inerzia della sezione della colonna). Per ciascuna direzione, un programma sviluppato ad hoc in LabVIEW ricostruisce (in linea) il modo principale di vibrare e calcola l’ampiezza di oscillazione. Al superamento di un valore di soglia, vengono generati un allarme ed un report.

Abstract
Una coppia di servoaccelerometri, una di servoinclinometri, Field Point e LabVIEW realizzano un raffinato sistema per il monitoraggio delle oscillazioni di una torre. E’ possibile apprezzare spostamenti di pochi centimetri della sommità di una colonna di processo chimico alta ben 60 metri. Il sistema, pensato per funzionare in modo automatico per anni, monitorizza di continuo lo stato della torre e, al verificarsi di condizioni critiche, avverte l’operatore generando degli allarmi (tramite i relay del FP-RLY-422) ed un report. All’utente viene offerta anche la possibilità di registrare in continuo su file giornalieri l’andamento temporale delle varie grandezze. I file giornalieri, il cui nome cambia in automatico ogni giorno, vengono scritti, per ragioni di “ingombro”, in formato binario. Per la loro successiva rielaborazione è stato quindi realizzato un apposito software.

Articolo
In una torre di processo chimico, alta ben 60 m, le manovre eseguite sull’impianto e le condizioni atmosferiche provocano dei moti di oscillazione.
Al fine di identificare esattamente tali oscillazioni e la loro ampiezza, si è ritenuto importante avere, sincrona alla registrazione temporale delle manovre dell’impianto (sistema già esistente), la storia temporale delle oscillazioni della torre lungo le direzioni principali d’inerzia della sezione.
In tal modo diviene possibile comprendere quali manovre e/o modalità di esecuzione delle stesse, forzino maggiormente i processi oscillatori.

Hardware di misura
Una coppia di servoaccelerometri Jewell rileva le accelerazioni lungo due direzioni orizzontali ed ortogonali tra loro, mentre una coppia di servoinclinometri Jewell rileva le inclinazioni della sommità della stessa.
Dovendo i trasduttori essere montati sulla cima della torre (all’aperto), sono stati racchiusi in una robusta scatola con grado di protezione IP67 (fig.1).
I segnali (in corrente 4-20 mA a causa dell’elevata distanza da percorrere), filtrati da un filtro passa basso con frequenza di taglio a 3 Hz, vengono inviati in sala controllo ed acquisiti dai moduli Field Point (campionamento a 10 Hz tramite FP-AI-100) collegati, via RS232, ad un Personal Computer HP P4 con sistema operativo Window XP.

Software di gestione
L’elaborazione dei segnali è eseguita da un software appositamente sviluppato in LabVIEW di National Instruments. Il software è costituito essenzialmente da due parti: un acquisitore ed un post processore.

L’acquisitore/analizzatore in linea
L’acquisitore/analizzatore permette di acquisire i segnali, compiere analisi “in linea” monitorare eventuali situazioni critiche, avvisare l’operatore, lanciare allarmi, generare report e salvare i dati su file giornalieri.
Le modalità di acquisizione e monitoraggio sono, ovviamente, tutte settabili dall’utente e salvabili in “file di configurazione” e richiamabili anche successivamente.
Il software, per ciascuna direzione di misura (X e Y), acquisisce una finestra temporale di 25.6 sec (256 pt. a 10 Hz) e vi identifica, tramite l’algoritmo della FFT, la pulsazione principale di oscillazione della torre.
Dalla storia temporale delle accelerazioni  e dalla pulsazione propria così identificata w, viene ricostruita l’ampiezza di oscillazione  :
(analogamente per la direzione Y)

Il vettore spostamento complessivo sarà pertanto:



Ovviamente, operando in tal modo, viene considerato solo il modo di vibrare principale (ossia quello con ampiezza massima) e vengono trascurati i contributi di tutti gli altri.
Tuttavia, se si considera che le prime due frequenze proprie della torre sono rispettivamente di circa 0.5 e 1.5 Hz e che i segnali sono filtrati a 3 Hz, l’errore commesso è certamente trascurabile.
L’algoritmo è stato reso “insensibile” ad ampiezze di segnali molto piccole. Cio al fine di evitare problemi numerici derivanti da operazioni tipo 0/0 e che, durante la fase di sviluppo, sono stati riscontrati presentarsi nelle condizioni di torre praticamente ferma.
I dati degli inclinometri sono invece utilizzati per evidenziare flessioni e deviazioni statiche dovute ad esempio dall’azione del vento.
Qualora vengano riscontrate ampiezze di oscillazione o inclinazioni eccessive (valore di RMS sulla finestra di 25.6 sec. superiore ad una certa soglia), il software provvede ad avvertire l’operatore facendo scattare un allarme sonoro (tramite i relay del FP-RLY-422).
In tale circostanza viene generato un report contenete i valori di tutte le grandezze misurate durante la finestra temporale causa dell’allarme (oltre che ovviamente, data ed ora dell’evento).

Il post processore
Il post processore permette invece di rielaborare i file giornalieri, compiere analisi più approfondite e puntuali ed esportare pacchetti di dati per eventuali analisi correlate ad altri dati dell’impianto.
Quest’ultima possibilità, in particolare, è stata prevista per ovviare ai disagi che potrebbero generare le dimensioni ragguardevoli dei file giornalieri convertiti interamente da binario a formato testo.
L’utente, tramite facili comandi, ha la possibilità di suddividere il file giornaliero in finestre temporali di durata impostabile da pochi secondi a parecchi minuti e scorrerlo “fotogramma per fotogramma” (evitando così di dover caricare in memoria l’intero file). Una volta trovato un “fotogramma” ritenuto di interesse puo compiervi analisi, zoom ed esportarne solo i dati o direttamente i diagrammi in un report HTML (grazie ai potenti tools di Report Generation di LabVIEW).

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R. Romanelli
dspmindustria@dspmindustria.it
Tel: 02 48009757

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