<p>This master thesis reviews advances in detection and diagnosis of static friction (stiction) in control valves. Control valves suffering from stiction results in oscillating control loops which in turn decreases both the process stability and reliability. Perstorp AB sees a necessity to automatically detect stiction in valves before the effects of the malfunctioning valves have become too severe. This thesis presents an introduction to maintenance, control loops and how stiction in valves can affect performance of control loops.</p><p>A selection of methods presented in the literature are introduced and examined using normal operating data from the site in Perstorp. Common for all selected methods is their intuitive ideas and that they are based on normal operating data and minimum amount of process knowledge. For the adaptive segmentation method a further development is presented where among other things a test quantity is proposed.</p><p>This thesis shows that none of the selected methods can reliably diagnose stiction in control valves from normal operating data. Noise in process value and irregular disturbances results in weakened trend characteristics.</p><p>Finally, the thesis has tested a root cause analysis of plant-wide oscillating control loops found on two plants in Perstorp AB.</p> / <p>Detta examensarbete är en undersökning av detektion och diagnos av kärvande reglerventiler. Kärvande reglerventiler ger upphov till att reglerkretsar börjar att självsvänga vilket leder till sämre processtabilitet och driftsäkerhet. Perstorp AB ser ett stort behov att automatiskt detektera kärvande ventiler innan deras inverkan har blivit för omfattande. Rapporten presenterar en grundläggande redogörelse för arbete med underhåll, reglerkretsar och hur kärvande reglerventiler som kan leda till sämre reglerprestanda.</p><p>Ett selektivt urval av de metoder som har presenterats i litteratur introduceras och analyseras för att utvärderas på driftsdata från anläggningen i Perstorp. Gemensamt för samtliga metoder är att de bygger på intuitiva idéer, normal driftdata och minimal kunskap om processen. För den adaptiva segmenteringsmetoden presenteras en vidareutveckling där bland annat en teststorhet har tagits fram.</p><p>Rapporten visar att ingen av de utvärderade metoderna kan tillförlitligt diagnosticera kärvande reglerventiler ur verklig driftsdata då brus i mätsignaler och oregelbundna störningar leder till att karakteristiken hos trenderna försvagas.</p><p>Slutligen görs en analys av en metod för att hitta grundorsaken till att flera reglerkretsar svänger på två fabriker inom Perstorp AB.</p>

This master thesis reviews advances in detection and diagnosis of static friction (stiction) in control valves. Control valves suffering from stiction results in oscillating control loops which in turn decreases both the process stability and reliability. Perstorp AB sees a necessity to automatically detect stiction in valves before the effects of the malfunctioning valves have become too severe. This thesis presents an introduction to maintenance, control loops and how stiction in valves can affect performance of control loops. A selection of methods presented in the literature are introduced and examined using normal operating data from the site in Perstorp. Common for all selected methods is their intuitive ideas and that they are based on normal operating data and minimum amount of process knowledge. For the adaptive segmentation method a further development is presented where among other things a test quantity is proposed. This thesis shows that none of the selected methods can reliably diagnose stiction in control valves from normal operating data. Noise in process value and irregular disturbances results in weakened trend characteristics. Finally, the thesis has tested a root cause analysis of plant-wide oscillating control loops found on two plants in Perstorp AB. / Detta examensarbete är en undersökning av detektion och diagnos av kärvande reglerventiler. Kärvande reglerventiler ger upphov till att reglerkretsar börjar att självsvänga vilket leder till sämre processtabilitet och driftsäkerhet. Perstorp AB ser ett stort behov att automatiskt detektera kärvande ventiler innan deras inverkan har blivit för omfattande. Rapporten presenterar en grundläggande redogörelse för arbete med underhåll, reglerkretsar och hur kärvande reglerventiler som kan leda till sämre reglerprestanda. Ett selektivt urval av de metoder som har presenterats i litteratur introduceras och analyseras för att utvärderas på driftsdata från anläggningen i Perstorp. Gemensamt för samtliga metoder är att de bygger på intuitiva idéer, normal driftdata och minimal kunskap om processen. För den adaptiva segmenteringsmetoden presenteras en vidareutveckling där bland annat en teststorhet har tagits fram. Rapporten visar att ingen av de utvärderade metoderna kan tillförlitligt diagnosticera kärvande reglerventiler ur verklig driftsdata då brus i mätsignaler och oregelbundna störningar leder till att karakteristiken hos trenderna försvagas. Slutligen görs en analys av en metod för att hitta grundorsaken till att flera reglerkretsar svänger på två fabriker inom Perstorp AB.

The sole electricity supplier in South Africa, Eskom, currently has an electricity supply crisis. The supplier requires additional available electricity urgently, particularly during the evening peak period between 18:00 and 20:00. This electricity shortage is due to a steady increase in the demand for electricity, which exceeded the increase in supply capacity, and the inefficient utilisation of electricity. In order to address this problem, Eskom introduced a Demand Side Management (DSM) programme. The aim of DSM projects is to reduce the load of consumers without negatively affecting consumers. Demand Side Management is beneficial for both Eskom and the client. The client benefits from a lower electricity bill and new equipment, while Eskom benefits from a reduced power demand. Various DSM strategies are implemented in different sectors, such as mining and residential. These projects are managed by Energy Service Companies (ESCo). The ESCo is responsible for the identifying, implementing, and maintaining the DSM project. Any identified DSM project is presented to Eskom, which agrees to fund the project depending on the proposed power saving. The mining industry, which has been selected as a candidate for DSM projects, as it is a major consumer of energy with numerous DSM opportunities, is examined in this dissertation. Because compressors are major consumers of electricity on the mines, significant DSM opportunities exist on compressed air systems. The purpose of this research project is to investigate and implement sustainable DSM projects on the compressed air systems of the mining industry. The focus is on automatically controlling the underground demand for compressed air. Reducing the demand for compressed air will result in lower power consumption by the compressors. / Thesis (M.Ing. (Computer and Electronical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2009.

The sole electricity supplier in South Africa, Eskom, currently has an electricity supply crisis. The supplier requires additional available electricity urgently, particularly during the evening peak period between 18:00 and 20:00. This electricity shortage is due to a steady increase in the demand for electricity, which exceeded the increase in supply capacity, and the inefficient utilisation of electricity. In order to address this problem, Eskom introduced a Demand Side Management (DSM) programme. The aim of DSM projects is to reduce the load of consumers without negatively affecting consumers. Demand Side Management is beneficial for both Eskom and the client. The client benefits from a lower electricity bill and new equipment, while Eskom benefits from a reduced power demand. Various DSM strategies are implemented in different sectors, such as mining and residential. These projects are managed by Energy Service Companies (ESCo). The ESCo is responsible for the identifying, implementing, and maintaining the DSM project. Any identified DSM project is presented to Eskom, which agrees to fund the project depending on the proposed power saving. The mining industry, which has been selected as a candidate for DSM projects, as it is a major consumer of energy with numerous DSM opportunities, is examined in this dissertation. Because compressors are major consumers of electricity on the mines, significant DSM opportunities exist on compressed air systems. The purpose of this research project is to investigate and implement sustainable DSM projects on the compressed air systems of the mining industry. The focus is on automatically controlling the underground demand for compressed air. Reducing the demand for compressed air will result in lower power consumption by the compressors. / Thesis (M.Ing. (Computer and Electronical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2009.

Call number: LD2668 .T4 1985 S648 / Master of Science

Este trabalho dedica-se ao desenvolvimento de um modelo matemático de uma planta piloto de vazão tendo em conta as não linearidades mais significativas no sistema como perdas de carga nos instrumentos e o efeito de atrito nas válvulas de controle. Este efeito foi modelado com procedimentos que foram estudados previamente em outras pesquisas e que neste documento vão ser brevemente descritos. Para realizar a modelagem se usaram valores fornecidos pelos fabricantes dos instrumentos para o modelo ser o mais próximo da realidade. Foram realizados testes comparativos em estado transitório e estacionário para avaliar e validar o desempenho do modelo e propor futuras melhorias que podem ser realizadas no modelo e na planta. / This work will develop a mathematic model of a flow pilot plant taking into account the most significant non-linearities in the system as load loses in the instruments and the effect of friction in the control valves. This effect was modeled with procedures that were studied in other researches and they will be briefly described. The modeling work was done using the values supplied by the manufacturers for the model to be as close to reality. Comparative tests were performed, on transient and steady-state in order to evaluate and validate the performance of the model and propose future improvements that can be made in the model and the plant.

As válvulas de controle são os elementos finais da grande maioria das malhas de controle existentes na indústria. Além disso, sabe-se que o atrito pode causar variabilidade na malha em questão, o que geralmente é indesejável para o desempenho do processo. Ademais, cerca de 20 a 30% das oscilações nas malhas de controle são causadas por atrito ou histerese. Outro ponto relevante é que muitas vezes não é possível realizar a manutenção da válvula que esteja apresentando uma variabilidade considerável, já que muitas vezes não é desejado e nem possível parar o processo em questão para o reparo da válvula. Dessa forma, o estudo de métodos de compensação de atrito se faz necessário como uma maneira de melhorar o desempenho da malha de controle nesta situação até que seja feita a manutenção da planta industrial. Este trabalho apresenta controladores com compensação de atrito e analisa seu desempenho comparado com outros compensadores já conhecidos e amplamente utilizados, através de ensaios na Planta Piloto de Vazão da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. / The control valves are the final elements of most of the control loops in industry. Besides, the friction can cause variability in the process, which is an undesirable situation. Furthermore, about 20% to 30% of the oscillations in control loops are caused by friction or hysteresis. Another relevant fact is that much times it is not possible to make the maintenance of the valve that is under a considerable variability, because it is not desirable nor possible to stop the process to make the maintenance of the control valve. Thereby, studying friction compensation methods is necessary as a way to improve the control loop performance in this situation until the industrial plant maintenance is made. This dissertation presents controllers with friction compensation and analyzes its performances compared with other known and widely used compensators through experiments made at the Flow Pilot Plant of Polytechnic School of University of São Paulo.

Considerando a segurança e extensão da vida de uma planta industrial, especificamente das válvulas de controle de processo, o estudo de confiabilidade de componentes é um ponto importante a ser investigado em usinas nucleares e em outras áreas, tais como refinaria ou plataforma de petróleo offshore. O desenvolvimento de monitorização não intrusiva e método de diagnóstico possibilita a identificação de defeitos em componentes da planta durante sua operação normal. O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise e diagnóstico de válvulas de controle de uma planta de vapor que simula parte do circuito secundário de um reator de água pressurizada. Esta instalação faz parte do laboratório de testes de equipamentos de propulsão da Marinha do Brasil, em Iperó-SP. A metodologia utilizada no projeto é baseada na análise gráfica de dois parâmetros: a pressão de ar do atuador da válvula e o deslocamento de seu obturador. Estes dados são extraídos por um posicionador inteligente do Sistema de Automação Delta VTM. É implementada uma análise para detecção de anomalias por meio de uma abordagem que utiliza Sistemas Especialistas baseados na Lógica Fuzzy, considerando regras e conhecimento de inteligência artificial (IA). Uma vez que as medidas de base de válvulas de controle são tomadas, é possível detectar sintomas de falha, vazamento, atrito, fricção, danos, etc. O monitoramento e o sistema de diagnóstico foram projetados utilizando o programa MATLAB® versão 2009a com o FUZZY LOGIC TOOLBOX, que é um pacote integrante de subrotinas dedicado à lógica nebulosa. A monitoração e o diagnóstico das válvulas de controle são realizados por meio de uma técnica não-invasiva. Desta maneira, é possível conhecer o real status da válvula. O software ValveLink® (desenvolvido pela empresa EMERSON) recebe sinais do componente de hardware, posicionador inteligente, o qual é instalado ao lado da válvula de controle de processos. Estes sinais (corrente eléctrica) transformados em informação são utilizados como parâmetros de entrada: Pressão de ar do atuador e deslocamento do obturador da válvula. Com o uso da lógica fuzzy, esses parâmetros são interpretados. Eles sofrem inferências por regras escritas por especialistas em válvulas. Após essas inferências, as informações são tratadas e enviadas como sinais de saída. Esses sinais contém a informação de diagnóstico do estado da válvula. / The question of components reliability, specifically process control valves, has become an important issue to be investigated in nuclear power plants and other areas such as refinery or offshore oil rig, considering the safety and life extension of the plant. The development of non-intrusive monitoring and diagnostic method allows the identification of defects in components of the plant during normal operation. The objective of this dissertation is to present an analysis and diagnosis of control valves of a steam plant part that simulates the secondary circuit of a pressurized water reactor. This installation is part of propulsion equipment testing laboratory of the Brazilian Navy, at Iperó-SP. The methodology for design is based on graphical analysis of two parameters, the valve air pressure actuator and the displacement of the valve plug. These data are extracted by a smart positioner, part of Delta VTM Automation System. An analysis is implemented in detecting anomalies by an approach using Expert Systems by the technique of fuzzy logic. Once the basic measures of control valves are taken, it is possible to detect symptoms of failure, leakage, friction, damage, etc. The monitoring and diagnostic system has been designed in MATLAB® version 2009th by the complement \"FUZZY LOGIC TOOLBOX \". It is a noninvasive technique. Thus, it is possible to know what is happening with the chosen components, just analyzing the parameters of the valve. The software called ValveLink® (developed by Emerson) receives signals from hardware component (intelligent positioner) installed next to the control valve. These signals (electrical current) are transformed into information which are used input parameters: air pressure valve actuator and valve plug displacement. With the use of fuzzy logic, these parameters are interpreted. They suffer inferences by rules written by experts in valves. After these inferences, the information is processed and sent as output signals. These signals lead to diagnostic information of the state of the valve.

Considerando a segurança e extensão da vida de uma planta industrial, especificamente das válvulas de controle de processo, o estudo de confiabilidade de componentes é um ponto importante a ser investigado em usinas nucleares e em outras áreas, tais como refinaria ou plataforma de petróleo offshore. O desenvolvimento de monitorização não intrusiva e método de diagnóstico possibilita a identificação de defeitos em componentes da planta durante sua operação normal. O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise e diagnóstico de válvulas de controle de uma planta de vapor que simula parte do circuito secundário de um reator de água pressurizada. Esta instalação faz parte do laboratório de testes de equipamentos de propulsão da Marinha do Brasil, em Iperó-SP. A metodologia utilizada no projeto é baseada na análise gráfica de dois parâmetros: a pressão de ar do atuador da válvula e o deslocamento de seu obturador. Estes dados são extraídos por um posicionador inteligente do Sistema de Automação Delta VTM. É implementada uma análise para detecção de anomalias por meio de uma abordagem que utiliza Sistemas Especialistas baseados na Lógica Fuzzy, considerando regras e conhecimento de inteligência artificial (IA). Uma vez que as medidas de base de válvulas de controle são tomadas, é possível detectar sintomas de falha, vazamento, atrito, fricção, danos, etc. O monitoramento e o sistema de diagnóstico foram projetados utilizando o programa MATLAB® versão 2009a com o FUZZY LOGIC TOOLBOX, que é um pacote integrante de subrotinas dedicado à lógica nebulosa. A monitoração e o diagnóstico das válvulas de controle são realizados por meio de uma técnica não-invasiva. Desta maneira, é possível conhecer o real status da válvula. O software ValveLink® (desenvolvido pela empresa EMERSON) recebe sinais do componente de hardware, posicionador inteligente, o qual é instalado ao lado da válvula de controle de processos. Estes sinais (corrente eléctrica) transformados em informação são utilizados como parâmetros de entrada: Pressão de ar do atuador e deslocamento do obturador da válvula. Com o uso da lógica fuzzy, esses parâmetros são interpretados. Eles sofrem inferências por regras escritas por especialistas em válvulas. Após essas inferências, as informações são tratadas e enviadas como sinais de saída. Esses sinais contém a informação de diagnóstico do estado da válvula. / The question of components reliability, specifically process control valves, has become an important issue to be investigated in nuclear power plants and other areas such as refinery or offshore oil rig, considering the safety and life extension of the plant. The development of non-intrusive monitoring and diagnostic method allows the identification of defects in components of the plant during normal operation. The objective of this dissertation is to present an analysis and diagnosis of control valves of a steam plant part that simulates the secondary circuit of a pressurized water reactor. This installation is part of propulsion equipment testing laboratory of the Brazilian Navy, at Iperó-SP. The methodology for design is based on graphical analysis of two parameters, the valve air pressure actuator and the displacement of the valve plug. These data are extracted by a smart positioner, part of Delta VTM Automation System. An analysis is implemented in detecting anomalies by an approach using Expert Systems by the technique of fuzzy logic. Once the basic measures of control valves are taken, it is possible to detect symptoms of failure, leakage, friction, damage, etc. The monitoring and diagnostic system has been designed in MATLAB® version 2009th by the complement \"FUZZY LOGIC TOOLBOX \". It is a noninvasive technique. Thus, it is possible to know what is happening with the chosen components, just analyzing the parameters of the valve. The software called ValveLink® (developed by Emerson) receives signals from hardware component (intelligent positioner) installed next to the control valve. These signals (electrical current) are transformed into information which are used input parameters: air pressure valve actuator and valve plug displacement. With the use of fuzzy logic, these parameters are interpreted. They suffer inferences by rules written by experts in valves. After these inferences, the information is processed and sent as output signals. These signals lead to diagnostic information of the state of the valve.

O objetivo principal deste trabalho de Mestrado é avaliar compensadores que tentam diminuir o efeito do atrito estático existente em válvulas de controle. Os compensadores de atrito utilizados neste trabalho foram: CR1, CR2 Knocker, Two-move, controle por modos deslizantes e controle por modos deslizantes integrador. Estes compensadores são implementados em um ambiente industrial (SDCD). Devido ao atrito, o sistema tem um comportamento não-linear, o qual pode afetar o bom rendimento de um controlador PID, sendo que o sistema em malha fechada pode ter oscilações. Então, para obter uma diminuição do efeito do atrito, empregam-se compensadores de atrito. Para implementá-los, é necessário conhecer os parâmetros do atrito existente. Portanto, a primeira parte deste trabalho consiste em uma explicação dos diferentes modelos e métodos que se vai usar neste trabalho. Também foram realizadas simulações das estratégias de controle utilizadas. Após estes tópicos, vai se identificar o modelo do sistema que conta com uma malha de controle de vazão, com o objetivo de auxiliar na sintonia do controlador PID. Depois, introduzem-se os compensadores de atrito, os quais tentam minimizar os índices ITAE (Integrated Time Absolute Error) e IAE (Integrated Absolute Error), bem como o desgaste que se produz nos equipamentos, devido ao uso (excessiva movimentação da haste das válvulas). O objetivo assumido é implementar as estratégias de controle em um software industrial. Os resultados mostraram que os compensadores CR1 e CR2 obtiveram os melhores índices de desempenho e conseguiram compensar o atrito na haste da válvula de controle. / The main objective of this work is to evaluate compensators that try to decrease the static friction effect existent in control valves. The friction compensaters used in this work were: CR1, CR2, Knocker, Two-move, sliding mode control and sliding mode control with integrator. These compensators are implemented in an industrial environment (DCS). Due to friction, the system has a nonlinear behavior, which may affect the good performance of a PID controller, wherein the closed loop system can have oscillations. So to get a decrease in the effect of friction, friction compensators are employed. To implement them, it is necessary to know the parameters of the friction existent. So the first part of this work consists of an explanation of the different models and methods that will be use in this work. Also, simulations were made of the control strategies used. After these topics, it will be identify the system model which has a own control loop, in order to help the PID controller tuning. Then it will be introduced friction compensators, which attempt to minimize the ITAE (Integral Time Absolute Error) and IAE (Integrated Absolute Error), and wear that occurs on the equipment due to the use (excessive movement of the valve stem). The assumed objective is to implement control strategies in industrial software. The results show that the compensators CR1 and CR2 have the best performance indexes and they compensate for the friction in the control valve stem.