Applicazione di schemi innovativi di controllo predittivo alla sezione di refrigerazione di un impianto per il trattamento del gas naturale

Industrial processes are complex, nonlinear, and multivariable systems, characterized by perturbations, measurement noise, and uncertainties. To devise suitable controllers for these systems is generally a challenging task, due to the discussed features, and for the fact that one must reliably, robustly and, if possible, optimally, cope with non-idealities, delays, and measurable and non-measurable perturbations. On the other hand, industrial processes are also characterized by economic, environmental, and operational constraints. An efficient and nowadays popular control methodology, which shows promising features that make it suitable for solving (at least some of) the mentioned issues, is model predictive control (MPC). This thesis describes the implementation of different control schemes based on MPC, spanning from centralized control to decentralized and distributed methods. These schemes are used for control of a natural gas refrigeration plant. Some of the main results of this work are: - A communication interface has been created between the dynamic and detailed simulation software DynSim and Matlab. This communication interface allows to implement the mentioned high-level control schemes for the regulation of the plant - A data-driven mathematical model of the plant has been identified. It has been obtained by measuring the physical variables from the dynamic simulator. More specifically, control-oriented suitable realizations of the model have been obtained for all the design methods mentioned above - Different and theoretically well-funded advanced control schemes have been studied and realized through dedicated procedures - The control schemes have been validated. Specifically, the applied control test consists in introducing a disturbance on the refrigeration section inlet flow. This realistic and highly critical situation for the plant is simulated on the DynSim platform First, a thorough description of the refrigeration plant is given. Basic principles for the refrigeration of the natural gas flow, extracted from the gas field, are discussed. Focus is also placed on the control system currently implemented for regulation of this system (see Chapter 2). The methodology used to identify a mathematical control-oriented model for each control scheme is discussed in Chapter 3. In Chapter 4, the theoretical principles of each control scheme are introduced, together with the solutions to different realization issues encountered in the implementation phase. Simulations, obtained in the Simulink environment, are shown to illustrate the efficacy of each control method. Finally, in Chapter 5, simulations obtained in DynSim environment are proposed and analyzed in order to validate control schemes, with particular attention to performance, computational time, and to the amount of data transmitted for each regulation scheme.

I processi industriali sono in genere sistemi complessi che presentano numerose variabili d’ingresso e uscita, disturbi e perturbazioni. Essi possiedono caratteristiche di complessità e non linearità tali da costituire sistemi particolarmente critici per il progetto di schemi di controllo dedicati. Un sistema di controllo dedicato in grado di operare su impianti industriali dovrebbe essere in grado di gestire sistemi multi variabile, tempi di ritardo, vincoli, disturbi misurati e non misurabili. Dovrebbe avere caratteristiche di ottimalità rispetto a parametri economici e integrare algoritmi in grado di dedurre dalle misure disponibili i valori assunti dalle variabili rilevanti per la descrizione dello stato del sistema. Dovrebbe inoltre essere robusto rispetto agli errori di modellazione, al rumore sulle misure e capace di gestire in modo ottimale transitori di Start-Up e Shut-Down (programmati e di emergenza). Nella gestione dei processi industriali è inoltre necessario far fronte a vincoli economici ed ambientali che impongono specifiche di qualità, o vincoli relativi all’utilizzo dell'energia, alla sicurezza industriale e dell'ambiente. È importante notare che i suddetti vincoli sono a loro volta strettamente dipendenti delle condizioni operative, dai volumi di produzione e dalla qualità dei prodotti finali richiesti. Problemi di tale complessità trovano una risposta nell’utilizzo delle metodologie di progetto dei sistemi di controllo che vengono denominate Model Predictive Control (MPC). In questa Tesi è presentata l’implementazione di differenti tipologie innovative di controllori basati su MPC. In relazione al problema di controllo di una sezione di refrigerazione di un impianto per il trattamento del gas naturale, vengono proposti, analizzati e confrontati tra loro i seguenti schemi di controllo: centralizzato, decentralizzato e distribuito. Le fasi chiave attraverso le quali è articolata la presente Tesi sono: - La creazione di una interfaccia di comunicazione tra il software industriale e dettagliato di simulazione dinamica DynSim e Matlab. La creazione di questa interfaccia di comunicazione permette di fare ricorso agli schemi di controllo di alto livello sovraesposti per la regolazione della sezione in esame - L’identificazione di un modello matematico dell’impianto in questione, ottenuto attraverso la misura dei valori delle variabili fisiche estratte dal simulatore dinamico. A partire dalle funzioni di trasferimento identificate risulta possibile definire un modello orientato al controllo per ognuno dei regolatori analizzati in questa Tesi - L’implementazione degli schemi di controllo proposti, realizzati attraverso procedure dedicate e differenti, che tengono conto delle caratteristiche teoriche di ogni controllore studiato - La validazione degli schemi di controllo, effettuata attraverso simulazioni sulla piattaforma DynSim. L’efficacia di ogni schema viene analizzata introducendo un disturbo sulla portata in ingresso alla sezione, rappresentante una criticità fortemente realistica per l’impianto In questa Tesi, in primo luogo è presentato l’impianto in esame. Vengono riportati i principi basilari per la refrigerazione delle correnti di gas naturale estratte dal sottosuolo e, successivamente, l’attenzione si concentra sul sistema di controllo attualmente implementato per la regolazione di tale sezione (Capitolo 2). Viene proposta la metodologia seguita per l’identificazione del modello matematico dell’impianto e per la realizzazione in spazio di stato dei modelli orientati al controllo di ogni schema di regolazione analizzato (Capitolo 3). Segue, nel capitolo 4, una fase di esposizione teorica degli algoritmi necessari all’implementazione degli schemi di controllo studiati, affiancata dalle differenti soluzioni realizzative proposte per ovviare alle problematiche riscontrate in fase di implementazione. Infine, sempre in questo capitolo, sono presentate le simulazioni in ambiente Simulink delle prestazioni di ogni tipologia di regolatore implementata. In ultimo, nel capitolo 5, vengono presentate e analizzate le simulazioni ottenute per validare gli schemi di controllo in ambiente DynSim, con particolare attenzione alle prestazioni, ai tempi computazionali e alla quantità di dati trasmessi per ogni schema di regolazione.