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Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
metadata.dc.title: Avaliação de técnicas de Machine Learning na detecção e diagnóstico de falhas em válvulas de controle
Autor(es): Sapata, Kamilla Vera
Primeiro Orientador: Arruda, Alexandre Denes
Coorientador: Apio, Andressa
metadata.dc.contributor.advisor-co2: Dambros, Jônathan William Vergani
1° Membro da banca: Arruda, Alexandre Denes
2° Membro da banca: Apio, Andressa
3° Membro da banca: Dambros, Jônathan William Vergani
4° Membro da banca: Rodrigues, Rodolfo
Resumo: A automação dos processos é uma das características da Indústria 4.0 que gera uma maior disponibilidade de dados históricos provenientes do extenso monitoramento de equipamentos, processos e produtos. Dessa forma, surge a necessidade de desenvolver meios que possibilitem a análise dessas informações em busca de soluções e oportunidades para otimizar a produção. As metodologias baseadas em sistemas inteligentes estão sendo cada vez mais aplicadas e estudadas para esta finalidade. As técnicas de Machine Learning estudam a elaboração de algoritmos computacionais que permitam o desenvolvimento de modelos a partir da análise de dados fornecidos e, com isso, a generalização da informação aprendida na forma de previsões. Na indústria química a área de Detecção e Diagnóstico de falhas, utiliza estes dados para minimizar as falhas e monitorar o comportamento do processo frente a estas condições atípicas. Dessa forma, o objetivo deste trabalho é avaliar diferentes técnicas de Machine Learning na Detecção e Diagnóstico de falhas em válvulas de controle. O processo químico estudado é um vaso de acúmulo e separação de misturas, desenvolvido no software UniSim® Design. A linguagem Python será utilizada para o processamento dos dados e para o desenvolvimento dos algoritmos. A metodologia HAZOP será aplicada para determinar a válvula de controle que apresenta maior risco ao processo. Nesta válvula, serão aplicados dois tipos de falhas, agarramento e supressão de pressão. Para Detecção e Diagnóstico das falhas serão utilizados os modelos de Árvores de Decisão, Redes Neurais e Florestas Randômicas. O UniSim® Design proporcionou a simulação e modelagem do processo químico, assim como o dimensionamento dos equipamentos e instrumentos utilizados no sistema. O diâmetro obtido para o vaso de separação foi de 0,76 m, e o comprimento foi de 2,27 m. Através da metodologia HAZOP, foi possível identificar as situações de risco e suas consequências o processo químico. E dessa forma, determinou-se que a válvula de controle que apresenta maior risco em caso de falhas é a válvula VLV-001. A análise exploratória dos dados foi necessária para o entendimento do processo químico simulado, e resposta das variáveis frente a modificações do sistema. A técnica de Floresta Randômica foi o modelo que apresentou os melhores resultados na detecção e diagnóstico das falhas na válvula de controle com acurácia de 82% nos testes. Este resultado pode ser otimizado após o ajuste dos hiperparâmetros, obtendo-se uma acurácia de 84%. Mediante o exposto, conclui-se que as técnicas de Machine Learning são capazes de realizar a detecção e diagnóstico de falhas em válvulas de controle.
Abstract: Process automation is one of the characteristics of Industry 4.0 that generates greater availability of historical data from extensive monitoring of equipment, processes and products. Thus, there is a need to develop means that enable the analysis of this information in search of solutions and opportunities to optimize production. The methodologies based on intelligent systems are being increasingly applied and studied for this purpose. Machine Learning techniques study the development of computational algorithms that allow the development of models based on the analysis of provided data and, therefore, the generalization of the information learned in the form of predictions. In the chemical industry, the Failure Detection and Diagnosis area uses this data to minimize failures and monitor the behavior of the process under these unusual conditions. Thus, the objective of this work is to evaluate different Machine Learning techniques in the Detection and Diagnosis of failures in control valves. The chemical process studied is an accumulation and separation vessel for mixtures, developed in the UniSim® Design software. The Python language will be used for data processing and algorithm development. The HAZOP methodology will be applied to determine the control valve that poses the greatest risk to the process. In this valve, two types of faults will be applied, gripping and pressure suppression. For Detection and Diagnosis of failures, models of Decision Trees, Neural Networks and Random Forests will be used. UniSim® Design provided the simulation and modeling of the chemical process, as well as the dimensioning of the equipment and instruments used in the system. The diameter obtained for the separation vessel was 0.76 m, and the length was 2.27 m. Through the HAZOP methodology, it was possible to identify the risk situations and their consequences in the chemical process. Thus, it was determined that the control valve that presents the greatest risk in case of failures is the VLV-001 valve. Exploratory data analysis was necessary to understand the simulated chemical process and the response of the variables to system modifications. The Random Forest technique was the model that presented the best results in the detection and diagnosis of failures in the control valve, with an accuracy of 82% in the tests. This result can be optimized after adjusting the hyperparameters, obtaining an accuracy of 84%. Based on the above, it is concluded that Machine Learning techniques are capable of detecting and diagnosing failures in control valves.
metadata.dc.subject: Machine Learning
Falhas
Válvulas de controle
Python
Failures
Control valves
CNPQ: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
metadata.dc.publisher: Universidade Federal do Pampa
Sigla da Instituição: UNIPAMPA
Campus: Campus Bagé
metadata.dc.identifier.citation: SAPATA, Kamilla Vera. Avaliação de técnicas de Machine Learning na detecção e diagnóstico de falhas em válvulas de controle . 83 p. 2021. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química ) – Universidade Federal do Pampa, Campus Bagé, Bagé, 2021.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
metadata.dc.identifier.uri: https://repositorio.unipampa.edu.br/jspui/handle/riu/5990
metadata.dc.date.issued: 8-Oct-2021
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