ENERGIA COME SEGNALE PER
LA PREDIZIONE DEI FENOMENI

ENERGIA COME SEGNALE PER LA PREDIZIONE DEI FENOMENI

Da anni ormai le aziende industriali sono impegnate nel migliorare le loro prestazioni non solo dal punto di vista economico ma anche dal punto di vista della sostenibilità, con particolare attenzione agli aspetti ambientali. In questo scenario, il consumo energetico sta assumendo un ruolo sempre più importante. Esso infatti è in grado di influenzare sia la prestazione economica che quella ambientale delle aziende. L’energia può essere analizzata come segnale per la predizione dei fenomeni.

Ciò ha portato all’interno dei siti industriali ad un notevole sviluppo dei sistemi di misura dell’energia utilizzata, non solo a livello complessivo di sito ma anche a livello di singoli impianti e macchinari di produzione. Questi dati di consumo energetico vengono solitamente rapportati all’entità del risultato del processo monitorato per definire indicatori di efficienza energetica utili a verificare il raggiungimento di obiettivi aziendali o progetti di riduzione dei consumi energetici. La conoscenza del dato energetico viene quindi utilizzata quasi esclusivamente “a consuntivo” trascurandone la capacità “predittiva” di fenomeni indesiderati come i guasti.

PRESTAZIONE ENERGETICA COME SEGNALE DEBOLE DEI MALFUNZIONAMENTI

Per un processo di trasformazione energetica infatti, il fabbisogno di energia richiesto per realizzare un dato output in definite condizioni operative misura la prestazione energetica del processo e costituisce quindi un segnale “debole”. Questo può essere utilizzato per  una rivelazione precoce di eventuali meccanismi di guasto in corso. Di conseguenza, può consentire la definizione di politiche manutentive ottimali come la manutenzione su condizione o la manutenzione predittiva.

Monitorando la prestazione energetica di un impianto o di un macchinario è quindi possibile “predire” l’avaria del sistema ed intervenire prima che essa si manifesti, evitando danni diretti ed indiretti che ne conseguirebbero e maggiori costi energetici.

I motivi sono essenzialmente due:

  • – Gli approcci alternativi possono risultare costosi (ad es. misura delle vibrazioni per il costo dei sensori o la misura della temperatura e della composizione dell’olio lubrificante per il costo delle numerose ispezioni richieste) e quindi economicamente sostenibili solo su alcune tipologie di impianti e macchinari, mentre spesso i misuratori di energia risultano già disponibili per altri scopi o comunque poco costosi;
  • – Gli approcci alternativi generalmente mirano esclusivamente ad evitare l’avaria ed i suoi effetti. Conoscendo l’impatto sulla prestazione energetica del meccanismo di guasto in corso invece è possibile prendere decisioni che tengano conto anche dei costi energetici ed obiettivi di sostenibilità ambientale. In presenza di guasti con un degrado progressivo, spesso il maggior consumo energetico nel periodo di sviluppo del guasto è notevolmente superiore al costo di intervento. 

 

L’ENERGIA COME SEGNALE DEBOLE: ASPETTI PRINCIPALI 

L’utilizzo dell’energia quale segnale debole per l’ottimizzazione delle politiche manutentive dei sistemi industriali apre dunque nuovi scenari.

E’ quindi necessario approfondire due aspetti principali:

  • – Come passare dalla misura del consumo energetico, influenzato dalla quantità di output prodotto (ad es. volume produttivo di un macchinario o metri cubi di acqua refrigerata per un frigorifero) e dalle condizioni operative (ad es. parametri di processo per un macchinario o temperatura di set point dell’acqua refrigerata per un frigorifero), alla misura della prestazione energetica, unico vero indicatore dello stato di salute del sistema?
  • – Quali sono le possibili applicazioni del monitoraggio della prestazione energetica per il miglioramento delle strategie manutentive degli impianti industriali?

A queste domande tenteremo di rispondere successivamente nell’articolo. 

DALLA MISURA DELL’ENERGIA ALLA MISURA DELLA PRESTAZIONE ENERGETICA

Il primo passo fondamentale è costituito dalla predisposizione di un sistema di monitoraggio e controllo dei consumi energetici finalizzato alla raccolta, interpretazione e comunicazione di informazioni sull’uso dell’energia al fine di misurare le prestazioni energetiche ed identificare opportunità di miglioramento.

Lo scopo del monitoraggio e del controllo è mettere in relazione i dati sul consumo di energia con le variabili in grado di influenzarlo, dipendenti dalle condizioni operative (ad es. la quantità di output realizzata o la temperatura esterna, i parametri di lavoro utilizzati come set point, e i parametri al di fuori del controllo del sistema come la temperatura esterna). Così si può ottenere una precisa comprensione della legge con la quale il sistema utilizza energia, anche detta energy baseline.

Il monitoraggio può essere applicato ad un intero impianto/reparto o anche un singolo macchinario/linea. Ovviamente osservando i singoli elementi del sistema sarà più semplice interpretare i fenomeni osservati ed individuare anomalie, guasti e le necessarie azioni per ripristinare il sistema.

Al fine di implementare un sistema di monitoraggio e controllo dei consumi energetici, è possibile seguire le fasi successive:

1. RACCOLTA E ANALISI DEI DATI DI CONSUMO

Per la predisposizione del sistema di monitoraggio è fondamentale misurare il consumo energetico ma è assolutamente importante misurare al tempo stesso le variabili rilevanti del sistema. Si intende quelle grandezze in grado di influenzare il consumo energetico soggette ad una necessaria e significativa variabilità nel tempo.

Di seguito una tabella che fornisce alcuni esempi di variabili rilevanti e fattori statici:

E’ necessario individuare, e quando possibile misurare, anche i cosiddetti fattori statici, vale a dire quelle variabili operative che potenzialmente potrebbero indurre una variazione significativa dei consumi ma che vengono generalmente mantenute costanti dal sistema intorno ad un valore di set-point (ad esempio pressione del vapore generato da una caldaia, temperatura dell’acqua fredda generata da un frigorifero o velocità di un macchinario di produzione). Queste variabili non entreranno a far parte della legge di consumo. Proprio per questo motivo sarà necessario ricordarsi che una loro variazione (desiderata o meno) sarà giustamente segnalata come un’anomalia dal sistema di monitoraggio.

La frequenza di raccolta ed analisi dei dati potrà variare dal mese alla settimana, al giorno e perfino all’ora. All’aumentare della frequenza di raccolta dei dati sarà possibile osservare e caratterizzare fenomeni che hanno scale di consumo e di tempo di evoluzione differenti.

2. DEFINIZIONE DELLA LEGGE DI CONSUMO DI RIFERIMENTO (ENERGY BASELINE)

Questo passaggio è molto delicato in quanto determina la reale efficacia del sistema di monitoraggio.

Il limite principale è dovuto al fatto che nella maggior parte dei sistemi il consumo specifico non si mantiene costante al variare dell’output prodotto. Tale comportamento introduce fluttuazioni nel valore dell’indicatore spesso superiori a quelle indotte dai fenomeni che vogliamo individuare a scopo previsionale. Un secondo limite è dovuto al fatto che in alcuni casi le variabili significative da tenere in considerazione nella legge di consumo sono più di una.

Entrambi i limiti in realtà possono essere facilmente superati utilizzando la tecnica statistica dell’analisi di regressione per determinare dai dati storici un modello statistico costituito generalmente da una semplice relazione lineare a una o più variabili. In altri termini il consumo di energia E(Δt), per un dato intervallo di tempo Δt, può essere definito come:

E (Δt) = E0 + c1·V1 + c2·V2 + …

dove E0 è la parte costante del consumo indipendentemente dalle variabili rilevanti e ci rappresenta il coefficiente di sensibilità alla variabile rilevante Vi.

L’analisi di regressione dei dati storici prevede un’iniziale verifica delle ipotesi necessarie e anche una misura dell’errore del modello matematico individuato attraverso diversi metodi. Tra questi vi è il coefficiente di correlazione, l’analisi del pattern dei valori residui e il metodo del p-value. In altri termini l’analisi ci indica se il modello matematico individuato è affidabile o meno e ci guida all’identificazione del migliore modello possibile. Spesso in questa fase è possibile individuare anomalie di funzionamento del sistema che si sono verificate nel passato. Quindi è possibile sviluppare una conoscenza più approfondita del meccanismo di consumo che sarà molto utile nella fase di controllo.

3. ANALISI DEGLI SCOSTAMENTI NEL TEMPO

Una volta che si dispone di una energy baseline sufficientemente affidabile è possibile utilizzarla per attuare un sistema di controllo nel tempo della prestazione energetica. Questo è in grado di segnalare un cambiamento della prestazione energetica del sistema che spesso è rivelatorio di meccanismi di guasto incipienti.

Per ogni periodo di tempo (ad es. ora, giorno, settimana, …) viene misurato il consumo effettivo e confrontato con il valore di riferimento calcolato sostituendo nel modello matematico (energy baseline) i valori delle variabili rilevanti misurati nello stesso periodo. Uno scostamento significativo tra tali valori indica che l’energy baseline non è più rappresentativa del funzionamento del sistema e che quindi vi è una anomalia di funzionamento. Tale controllo può essere facilmente automatizzato ed applicato in tempo reale per segnalare tempestivamente cambiamenti repentini del comportamento energetico del sistema osservato.

 Uno  strumento  utile a questo fine è la carta di controllo delle somme cumulate. Essa  riporta periodo per periodo la sommatoria di tutti gli scostamenti registrati a partire da un istante iniziale. Quindi è in grado di quantificare l’impatto determinato sui consumi dello scostamento dalla prestazione energetica di riferimento. Questo dato è molto utile per considerazioni economiche relative alla valutazione degli interventi da effettuare.

LE APPLICAZIONI DEL MONITORAGGIO DELLA PRESTAZIONE ENERGETICA ALLE STRATEGIE MANUTENTIVE 

In un impianto industriale sono molti i macchinari che possono beneficiare dell’applicazione del monitoraggio della prestazione energetica a fini manutentivi. Un aspetto molto interessante è il contributo che un sistema di monitoraggio della prestazione energetica può fornire alle diverse forme di manutenzione.

MANUTENZIONE CORRETTIVA: RILEVAZIONE DEI GUASTI CHE NON CAUSANO INTERRUZIONE DI SERVIZIO

I sistemi più complessi sono dotati di numerosi componenti e non tutti, in caso di guasto, determinano un’interruzione di funzionamento del sistema. Ciò è un vantaggio dal punto di vista della continuità di servizio ma può comportare diversi svantaggi: maggiori costi dovuti ad un maggiore consumo di energia, fermate improvvise che potevano essere evitate o il danneggiamento di altri componenti.

Ad esempio in un impianto farmaceutico, monitorando la prestazione energetica di un generatore di vapore per mezzo di una energy baseline che consentiva di valutare il consumo di riferimento di gas per tonnellata di vapore prodotto, è stato possibile individuare un foro generato nell’economizzatore ben prima della fermata periodica di ispezione. Il foro non avrebbe determinato una fermata della caldaia ma ne avrebbe peggiorato la prestazione energetica per un lungo periodo.

MANUTENZIONE PREVENTIVA CICLICA: DETERMINAZIONE DELLA FREQUENZA DI INTERVENTO

Spesso le frequenze degli interventi di manutenzione preventiva ciclica sono determinati sulla base di considerazioni economiche che prescindono dal consumo energetico. Per i sistemi il cui uso energetico è molto significativo (si consideri che sono molti gli impianti, soprattutto di servizio, che hanno nel costo energetico il costo di gran lunga più elevato nel ciclo di vita) questo approccio è decisamente penalizzante.

Il monitoraggio della prestazione energetica in tal caso può fornire le informazioni utili per considerare l’impatto sul costo energetico di una data frequenza di manutenzione. In questo modo aiuta dunque ad individuare l’effettiva frequenza in grado di assicurare il minore costo complessivo.

MANUTENZIONE IN BASE ALLE CONDIZIONI: GARANZIA DELLE CONDIZIONI DI CONSUMO

Questo tipo di applicazione rappresenta quella più attuale vista la grande attenzione prestata alla manutenzione su condizione con l’avvento dell’industria 4.0. Fino a quando il sistema permane nelle sue condizioni di funzionamento normali, la prestazione energetica si mantiene allineata alla baseline e le carte di controllo non rilevano anomalie significative. Se un sistema è soggetto a degrado delle prestazioni, il degrado determina un aumento dei consumi che viene individuato chiaramente dalle carte di controllo, ben prima del manifestarsi del fermo impianto.

La definizione di un limite di scostamento dall’energy baseline oltre il quale effettuare l’intervento di manutenzione costituisce dunque un semplice, poco costoso ma preciso ed efficace meccanismo di manutenzione su condizione che può essere facilmente automatizzato. Sono numerose le possibili applicazioni visto che tale sistema va ad individuare tutti quei modi di guasto in grado di determinare un maggiore utilizzo di energia (ad es. usura dei cuscinetti, incrostazione di scambiatori di calore, ecc.).

Un esempio di applicazione

In particolare, il metodo è stato applicato con successo agli scambiatori di calore di gruppi frigoriferi di un impianto di produzione farmaceutico.

La manutenzione di tali sistemi è particolarmente delicata in quanto il degrado delle prestazioni è rapido e significativo, tanto da minacciare dei fermi di produzione, soprattutto nei periodi estivi. Nel caso in esame approcci secondo manutenzione preventiva ciclica erano falliti per la difficoltà di definire un periodo temporale utile vista la forte dipendenza del fenomeno dal carico di lavoro dei frigoriferi, che variava fortemente nel corso dell’anno (fino a triplicare nei mesi estivi rispetto ai mesi invernali).

Anche approcci su condizione attraverso la misura delle perdite di carico nelle tubazioni non avevano fornito risultati apprezzabili per il costo delle ispezioni necessarie e la scarsa affidabilità del sistema di misura.

Dopo aver definito una energy baseline per il consumo di energia elettrica dei gruppi frigoriferi in funzione della portata di acqua raffreddata ad una definita temperatura di setpoint, è stato possibile riconoscere l’effetto sulla prestazione energetica del degrado del condensatore e stabilire un valore di soglia adeguato ad evitare i danni indotti dal fenomeno.

EFFICACIA DELL’INTERVENTO DI MANUTENZIONE

Confrontando la prestazione energetica del sistema post-intervento di manutenzione con l’energy baseline è possibile verificare l’efficacia dell’intervento di manutenzione. E’ così possibile ad esempio accorgersi di un problema nel rimontaggio (ad es. una volta è stato possibile in tal modo individuare un errore nel montaggio di una ruota conica di un ingranaggio di un macchinario che avrebbe sicuramente portato ad una grave rottura nel giro di qualche giorno) ma anche evidenziare opportunità (a valle di interventi di manutenzione preventiva spesso si registra un miglioramento della prestazione energetica talmente evidente che porta a riconsiderare le frequenze di intervento).

EFFETTO DEGLI INTERVENTI DI MANUTENZIONE MIGLIORATIVA

Infine, monitorando la prestazione energetica è possibile valutare l’efficacia degli interventi di manutenzione migliorativa effettuati sugli impianti. Confrontando il consumo energetico post-intervento con il consumo energetico di riferimento desumibile dalla baseline pre-intervento è possibile misurare l’impatto energetico dell’intervento.

In questo modo è stato possibile ad esempio individuare su una pressa di stampaggio un aumento dei costi energetici di circa 2000€/mese a fronte di un intervento sul sistema di accensione e spegnimento delle serpentine di riscaldamento dell’olio lubrificante. A seguito della segnalazione i tecnici di manutenzione intervennero nuovamente sul macchinario risolvendo il problema e portando il consumo energetico al di sotto dell’energy baseline iniziale. Questa applicazione risulta di particolare utilità ovviamente quando gli interventi sono finalizzati al risparmio energetico. In tal modo è infatti possibile misurare a consuntivo il risparmio ottenuto.

CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI

Attualmente le informazioni provenienti dai sempre più diffusi sistemi di misura dell’energia sono sottoutilizzate poiché guardate solo come indicatori di prestazione. Il loro utilizzo come segnale “debole” di guasti che non causano il fermo impianto o di guasti incipienti può costituire in molte applicazioni la soluzione per introdurre forme di manutenzione più efficaci ed efficienti; prima tra tutte la manutenzione su condizione.

Per quanto riguarda gli sviluppi futuri, diversi sono i fronti aperti. Da una parte i metodi per la definizione dell’energy baseline e l’analisi degli scostamenti, con la possibilità di ricorrere a sistemi di intelligenza artificiale più avanzati. Questi sono basati ad esempio su reti neurali nei casi in cui i meccanismi di consumo siano particolarmente complicati (numero di variabili e non linearità). Oppure quando il numero di elementi per cui debba essere sviluppata l’energy baseline è troppo elevato per non ricorrere ad un sistema di generazione automatico (ad es. per le stazioni radio base).

Dall’altra parte lo sviluppo del sistema di monitoraggio, andando oltre la rilevazione dell’anomalia, arriva alla diagnosi automatica del guasto (sistemi di riconoscimento basati su intelligenza artificiale che utilizzano ulteriori grandezze misurate in tempo reale). Infine lo sviluppo di funzioni decisionali automatizzate in grado di definire come intervenire arrivando quindi, laddove possibile, alla manutenzione prescrittiva.

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