An Improved Wavelet‐Based Multivariable Fault Detection Scheme

Data observed from environmental and engineering processes are usually noisy and correlated in time, which makes the fault detection more difficult as the presence of noise degrades fault detection quality. Multiscale representation of data using wavelets is a powerful feature extraction tool that is well suited to denoising and decorrelating time series data. In this chapter, we combine the advantages of multiscale partial least squares (MSPLSs) modeling with those of the univariate EWMA (exponentially weighted moving average) monitoring chart, which results in an improved fault detection system, especially for detecting small faults in highly correlated, multivariate data. Toward this end, we applied EWMA chart to the output residuals obtained from MSPLS model. It is shown through simulated distillation column data the significant improvement in fault detection can be obtained by using the proposed methods as compared to the use of the conventional partial least square (PLS)‐based Q and EWMA methods and MSPLS‐based Q method

Seleção de variáveis aplicada ao controle estatístico multivariado de processos em bateladas

A presente tese apresenta proposições para o uso da seleção de variáveis no aprimoramento do controle estatístico de processos multivariados (MSPC) em bateladas, a fim de contribuir com a melhoria da qualidade de processos industriais. Dessa forma, os objetivos desta tese são: (i) identificar as limitações encontradas pelos métodos MSPC no monitoramento de processos industriais; (ii) entender como métodos de seleção de variáveis são integrados para promover a melhoria do monitoramento de processos de elevada dimensionalidade; (iii) discutir sobre métodos para alinhamento e sincronização de bateladas aplicados a processos com diferentes durações; (iv) definir o método de alinhamento e sincronização mais adequado para o tratamento de dados de bateladas, visando aprimorar a construção do modelo de monitoramento na Fase I do controle estatístico de processo; (v) propor a seleção de variáveis, com propósito de classificação, prévia à construção das cartas de controle multivariadas (CCM) baseadas na análise de componentes principais (PCA) para monitorar um processo em bateladas; e (vi) validar o desempenho de detecção de falhas da carta de controle multivariada proposta em comparação às cartas tradicionais e baseadas em PCA. O desempenho do método proposto foi avaliado mediante aplicação em um estudo de caso com dados reais de um processo industrial alimentício. Os resultados obtidos demonstraram que a realização de uma seleção de variáveis prévia à construção das CCM contribuiu para reduzir eficientemente o número de variáveis a serem analisadas e superar as limitações encontradas na detecção de falhas quando bancos de elevada dimensionalidade são monitorados. Conclui-se que, ao possibilitar que CCM, amplamente utilizadas no meio industrial, sejam adequadas para banco de dados reais de elevada dimensionalidade, o método proposto agrega inovação à área de monitoramento de processos em bateladas e contribui para a geração de produtos de elevado padrão de qualidade.This dissertation presents propositions for the use of variable selection in the improvement of multivariate statistical process control (MSPC) of batch processes, in order to contribute to the enhacement of industrial processes’ quality. There are six objectives: (i) identify MSPC limitations in industrial processes monitoring; (ii) understand how methods of variable selection are used to improve high dimensional processes monitoring; (iii) discuss about methods for alignment and synchronization of batches with different durations; (iv) define the most adequate alignment and synchronization method for batch data treatment, aiming to improve Phase I of process monitoring; (v) propose variable selection for classification prior to establishing multivariate control charts (MCC) based on principal component analysis (PCA) to monitor a batch process; and (vi) validate fault detection performance of the proposed MCC in comparison with traditional PCA-based and charts. The performance of the proposed method was evaluated in a case study using real data from an industrial food process. Results showed that performing variable selection prior to establishing MCC contributed to efficiently reduce the number of variables and overcome limitations found in fault detection when high dimensional datasets are monitored. We conclude that by improving control charts widely used in industry to accomodate high dimensional datasets the proposed method adds innovation to the area of batch process monitoring and contributes to the generation of high quality standard products

ADVANCES ON BILINEAR MODELING OF BIOCHEMICAL BATCH PROCESSES

[EN] This thesis is aimed to study the implications of the statistical modeling approaches proposed for the bilinear modeling of batch processes, develop new techniques to overcome some of the problems that have not been yet solved and apply them to data of biochemical processes. The study, discussion and development of the new methods revolve around the four steps of the modeling cycle, from the alignment, preprocessing and calibration of batch data to the monitoring of batches trajectories. Special attention is given to the problem of the batch synchronization, and its effect on the modeling from different angles. The manuscript has been divided into four blocks. First, a state-of- the-art of the latent structures based-models in continuous and batch processes and traditional univariate and multivariate statistical process control systems is carried out. The second block of the thesis is devoted to the preprocessing of batch data, in particular, to the equalization and synchronization of batch trajectories. The first section addresses the problem of the lack of equalization in the variable trajectories. The different types of unequalization scenarios that practitioners might finnd in batch processes are discussed and the solutions to equalize batch data are introduced. In the second section, a theoretical study of the nature of batch processes and of the synchronization of batch trajectories as a prior step to bilinear modeling is carried out. The topics under discussion are i) whether the same synchronization approach must be applied to batch data in presence of different types of asynchronisms, and ii) whether synchronization is always required even though the length of the variable trajectories are constant across batches. To answer these questions, a thorough study of the most common types of asynchronisms that may be found in batch data is done. Furthermore, two new synchronization techniques are proposed to solve the current problems in post-batch and real-time synchronization. To improve fault detection and classification, new unsupervised control charts and supervised fault classifiers based on the information generated by the batch synchronization are also proposed. In the third block of the manuscript, a research work is performed on the parameter stability associated with the most used synchronization methods and principal component analysis (PCA)-based Batch Multivariate Statistical Process Control methods. The results of this study have revealed that accuracy in batch synchronization has a profound impact on the PCA model parameters stability. Also, the parameter stability is closely related to the type of preprocessing performed in batch data, and the type of model and unfolding used to transform the three-way data structure to two-way. The setting of the parameter stability, the source of variability remaining after preprocessing and the process dynamics should be balanced in such a way that multivariate statistical models are accurate in fault detection and diagnosis and/or in online prediction. Finally, the fourth block introduces a graphical user-friendly interface developed in Matlab code for batch process understanding and monitoring. To perform multivariate analysis, the last developments in process chemometrics, including the methods proposed in this thesis, are implemented.[ES] La presente tesis doctoral tiene como objetivo estudiar las implicaciones de los métodos estadísticos propuestos para la modelización bilineal de procesos por lotes, el desarrollo de nuevas técnicas para solucionar algunos de los problemas más complejos aún por resolver en esta línea de investigación y aplicar los nuevos métodos a datos provenientes de procesos bioquímicos para su evaluación estadística. El estudio, la discusión y el desarrollo de los nuevos métodos giran en torno a las cuatro fases del ciclo de modelización: desde la sincronización, ecualización, preprocesamiento y calibración de los datos, a la monitorización de las trayectorias de las variables del proceso. Se presta especial atención al problema de la sincronización y su efecto en la modelización estadística desde distintas perspectivas. El manuscrito se ha dividido en cuatro grandes bloques. En primer lugar, se realiza una revisión bibliográfica de las técnicas de proyección sobre estructuras latentes para su aplicación en procesos continuos y por lotes, y del diseño de sistemas de control basados en modelos estadísticos multivariantes. El segundo bloque del documento versa sobre el preprocesamiento de los datos, en concreto, sobre la ecualización y la sincronización. La primera parte aborda el problema de la falta de ecualización en las trayectorias de las variables. Se discuten las diferentes políticas de muestreo que se pueden encontrar en procesos por lotes y las soluciones para ecualizar las variables. En la segunda parte de esta sección, se realiza un estudio teórico sobre la naturaleza de los procesos por lotes y de la sincronización de las trayectorias como paso previo a la modelización bilineal. Los temas bajo discusión son: i) si se debe utilizar el mismo enfoque de sincronización en lotes afectados por diferentes tipos de asincronismos, y ii) si la sincronización es siempre necesaria aún y cuando las trayectorias de las variables tienen la misma duración en todos los lotes. Para responder a estas preguntas, se lleva a cabo un estudio exhaustivo de los tipos más comunes de asincronismos que se pueden encontrar en este tipo de datos. Además, se proponen dos nuevas técnicas de sincronización para resolver los problemas existentes en aplicaciones post-morten y en tiempo real. Para mejorar la detección de fallos y la clasificación, también se proponen nuevos gráficos de control no supervisados y clasificadores de fallos supervisados en base a la información generada por la sincronización de los lotes. En el tercer bloque del manuscrito se realiza un estudio de la estabilidad de los parámetros asociados a los métodos de sincronización y a los métodos estadístico multivariante basados en el Análisis de Componentes Principales (PCA) más utilizados para el control de procesos. Los resultados de este estudio revelan que la precisión de la sincronización de las trayectorias tiene un impacto significativo en la estabilidad de los parámetros de los modelos PCA. Además, la estabilidad paramétrica está estrechamente relacionada con el tipo de preprocesamiento realizado en los datos de los lotes, el tipo de modelo a justado y el despliegue utilizado para transformar la estructura de datos de tres a dos dimensiones. El ajuste de la estabilidad de los parámetros, la fuente de variabilidad que queda después del preprocesamiento de los datos y la captura de las dinámicas del proceso deben ser a justados de forma equilibrada de tal manera que los modelos estadísticos multivariantes sean precisos en la detección y diagnóstico de fallos y/o en la predicción en tiempo real. Por último, el cuarto bloque del documento describe una interfaz gráfica de usuario que se ha desarrollado en código Matlab para la comprensión y la supervisión de procesos por lotes. Para llevar a cabo los análisis multivariantes, se han implementado los últimos desarrollos en la quimiometría de proc[CA] Aquesta tesi doctoral te com a objectiu estudiar les implicacions dels mètodes de modelització estadística proposats per a la modelització bilineal de processos per lots, el desenvolupament de noves tècniques per resoldre els problemes encara no resolts en aquesta línia de recerca i aplicar els nous mètodes a les dades dels processos bioquímics. L'estudi, la discussió i el desenvolupament dels nous mètodes giren entorn a les quatre fases del cicle de modelització, des de l'alineació, preprocessament i el calibratge de les dades provinents de lots, a la monitorització de les trajectòries. Es presta especial atenció al problema de la sincronització per lots, i el seu efecte sobre el modelatge des de diferents angles. El manuscrit s'ha dividit en quatre grans blocs. En primer lloc, es realitza una revisió bibliogràfica dels principals mètodes basats en tècniques de projecció sobre estructures latents en processos continus i per lots, així com dels sistemes de control estadístics multivariats. El segon bloc del document es dedica a la preprocessament de les dades provinents de lots, en particular, l' equalització i la sincronització. La primera part aborda el problema de la manca d'equalització en les trajectòries de les variables. Es discuteixen els diferents tipus d'escenaris en que les variables estan mesurades a distints intervals i les solucions per equalitzar-les en processos per lots. A la segona part d'aquesta secció es porta a terme un estudi teòric de la naturalesa dels processos per lots i de la sincronització de les trajectòries de lots com a pas previ al modelatge bilineal. Els temes en discussió són: i) si el mateix enfocament de sincronització ha de ser aplicat a les dades del lot en presència de diferents tipus de asincronismes, i ii) si la sincronització sempre es requereix tot i que la longitud de les trajectòries de les variables són constants en tots el lots. Per respondre a aquestes preguntes, es du a terme un estudi exhaustiu dels tipus més comuns de asincronismes que es poden trobar en les dades provinents de lots. A més, es proposen dues noves tècniques de sincronització per resoldre els problemes existents la sincronització post-morten i en temps real. Per millorar la detecció i la classificació de anomalies, també es proposen nous gràfics de control no supervisats i classificadors de falla supervisats dissenyats en base a la informació generada per la sincronització de lots. En el tercer bloc del manuscrit es realitza un treball de recerca sobre l'estabilitat dels paràmetres associats als mètodes de sincronització i als mètodes estadístics multivariats basats en l'Anàlisi de Components Principals (PCA) més utilitzats per al control de processos. Els resultats d'aquest estudi revelen que la precisió en la sincronització per lots te un profund impacte en l'estabilitat dels paràmetres dels models PCA. A més, l'estabilitat paramètrica està estretament relacionat amb el tipus de preprocessament realitzat en les dades provinents de lots, el tipus de model i el desplegament utilitzat per transformar l'estructura de dades de tres a dos dimensions. L'ajust de l'estabilitat dels paràmetres, la font de variabilitat que queda després del preprocessament i la captura de la dinàmica de procés ha de ser equilibrada de tal manera que els models estadístics multivariats són precisos en la detecció i diagnòstic de fallades i/o en la predicció en línia. Finalment, el quart bloc del document introdueix una interfície gràfica d'usuari que s'ha dissenyat e implementat en Matlab per a la comprensió i la supervisió de processos per lots. Per dur a terme aquestes anàlisis multivariats, s'han implementat els últims desenvolupaments en la quimiometria de processos, incloent-hi els mètodes proposats en aquesta tesi.González Martínez, JM. (2015). ADVANCES ON BILINEAR MODELING OF BIOCHEMICAL BATCH PROCESSES [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/55684TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Developing Quality Control Charts for the Control Points of a Food Product

Monitoring the production process is a critical issue for improving the quality of product and for reducing the costs regarding external failures. Quality control charts are often used to visualize measurements on the process during the monitoring activities. This paper presents a case study based on the use of advanced charts, Cumulative Summation (CUSUM) and Estimated Weighted Moving Average (EWMA) charts, for visualizing the control points of a particular chicken product in fast-food industry. Furthermore, GM (1,1) and GM (1,1) Markov models were built to generate predictions to see the trends and future values to maintain a follow-up procedure for the fluctuations in the process performance. In this context, three control points are considered that are weight of the chicken wings, sterilizer temperature, and grid-pan temperature. The findings provide a significant feedback for the efficiency of the corresponding processes. Results show that the methodology selected to develop these charts has an important impact on creating an effective quality control process

Method of lines and runge-kutta method in solving partial differential equation for heat equation

Solving the differential equation for Newton’s cooling law mostly consists of several fragments formed during a long time to solve the equation. However, the stiff type problems seem cannot be solved efficiently via some of these methods. This research will try to overcome such problems and compare results from two classes of numerical methods for heat equation problems. The heat or diffusion equation, an example of parabolic equations, is classified into Partial Differential Equations. Two classes of numerical methods which are Method of Lines and Runge-Kutta will be performed and discussed. The development, analysis and implementation have been made using the Matlab language, which the graphs exhibited to highlight the accuracy and efficiency of the numerical methods. From the solution of the equations, it showed that better accuracy is achieved through the new combined method by Method of Lines and Runge-Kutta method

FAULT DIAGNOSIS TOOLS IN MULTIVARIATE STATISTICAL PROCESS AND QUALITY CONTROL

[EN] An accurate fault diagnosis of both, faults sensors and real process faults have become more and more important for process monitoring (minimize downtime, increase safety of plant operation and reduce the manufacturing cost). Quick and correct fault diagnosis is required in order to put back on track our processes or products before safety or quality can be compromised. In the study and comparison of the fault diagnosis methodologies, this thesis distinguishes between two different scenarios, methods for multivariate statistical quality control (MSQC) and methods for latent-based multivariate statistical process control: (Lb-MSPC). In the first part of the thesis the state of the art on fault diagnosis and identification (FDI) is introduced. The second part of the thesis is devoted to the fault diagnosis in multivariate statistical quality control (MSQC). The rationale of the most extended methods for fault diagnosis in supervised scenarios, the requirements for their implementation, their strong points and their drawbacks and relationships are discussed. The performance of the methods is compared using different performance indices in two different process data sets and simulations. New variants and methods to improve the diagnosis performance in MSQC are also proposed. The third part of the thesis is devoted to the fault diagnosis in latent-based multivariate statistical process control (Lb-MSPC). The rationale of the most extended methods for fault diagnosis in supervised Lb-MSPC is described and one of our proposals, the Fingerprints contribution plots (FCP) is introduced. Finally the thesis presents and compare the performance results of these diagnosis methods in Lb-MSPC. The diagnosis results in two process data sets are compared using a new strategy based in the use of the overall sensitivity and specificity[ES] La realización de un diagnóstico preciso de los fallos, tanto si se trata de fallos de sensores como si se trata de fallos de procesos, ha llegado a ser algo de vital importancia en la monitorización de procesos (reduce las paradas de planta, incrementa la seguridad de la operación en planta y reduce los costes de producción). Se requieren diagnósticos rápidos y correctos si se quiere poder recuperar los procesos o productos antes de que la seguridad o la calidad de los mismos se pueda ver comprometida. En el estudio de las diferentes metodologías para el diagnóstico de fallos esta tesis distingue dos escenarios diferentes, métodos para el control de estadístico multivariante de la calidad (MSQC) y métodos para el control estadístico de procesos basados en el uso de variables latentes (Lb-MSPC). En la primera parte de esta tesis se introduce el estado del arte sobre el diagnóstico e identificación de fallos (FDI). La segunda parte de la tesis está centrada en el estudio del diagnóstico de fallos en control estadístico multivariante de la calidad. Se describen los fundamentos de los métodos más extendidos para el diagnóstico en escenarios supervisados, sus requerimientos para su implementación sus puntos fuertes y débiles y sus posibles relaciones. Los resultados de diagnóstico de los métodos es comparado usando diferentes índices sobre los datos procedentes de dos procesos reales y de diferentes simulaciones. En la tesis se proponen nuevas variantes que tratan de mejorar los resultados obtenidos en MSQC. La tercera parte de la tesis está dedicada al diagnóstico de fallos en control estadístico multivariante de procesos basados en el uso de modelos de variables latentes (Lb-MSPC). Se describe los fundamentos de los métodos mas extendidos en el diagnóstico de fallos en Lb-MSPC supervisado y se introduce una de nuestras propuestas, el fingerprint contribution plot (FCP). Finalmente la tesis presenta y compara los resultados de diagnóstico de los métodos propuestos en Lb-MSPC. Los resultados son comparados sobre los datos de dos procesos usando una nueva estrategia basada en el uso de la sensitividad y especificidad promedia.[CA] La realització d'un diagnòstic precís de les fallades, tant si es tracta de fallades de sensors com si es tracta de fallades de processos, ha arribat a ser de vital importància en la monitorització de processos (reduïx les parades de planta, incrementa la seguretat de l'operació en planta i reduïx els costos de producció) . Es requerixen diagnòstics ràpids i correctes si es vol poder recuperar els processos o productes abans de que la seguretat o la qualitat dels mateixos es puga veure compromesa. En l'estudi de les diferents metodologies per al diagnòstic de fallades esta tesi distingix dos escenaris diferents, mètodes per al control estadístic multivariant de la qualitat (MSQC) i l mètodes per al control estadístic de processos basats en l'ús de variables latents (Lb-MSPC). En la primera part d'esta tesi s'introduïx l'estat de l'art sobre el diagnòstic i identificació de fallades (FDI). La segona part de la tesi està centrada en l'estudi del diagnòstic de fallades en control estadístic multivariant de la qualitat. Es descriuen els fonaments dels mètodes més estesos per al diagnòstic en escenaris supervisats, els seus requeriments per a la seua implementació els seus punts forts i febles i les seues possibles relacions. Els resultats de diagnòstic dels mètodes és comparat utilitzant diferents índexs sobre les dades procedents de dos processos reals i de diferents simulacions. En la tesi es proposen noves variants que tracten de millorar els resultats obtinguts en MSQC. La tercera part de la tesi està dedicada al diagnòstic de fallades en control estadístic multivariant de processos basat en l'ús de models de variables latents (Lb-MSPC). Es descriu els fonaments dels mètodes més estesos en el diagnòstic de fallades en MSPC supervisat i s'introdueix una nova proposta, el fingerprint contribution plot (FCP). Finalment la tesi presenta i compara els resultats de diagnòstic dels mètodes proposats en MSPC. Els resultats són comparats sobre les dades de dos processos utilitzant una nova estratègia basada en l'ús de la sensibilitat i especificitat mitjana.Vidal Puig, S. (2016). FAULT DIAGNOSIS TOOLS IN MULTIVARIATE STATISTICAL PROCESS AND QUALITY CONTROL [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61292TESI

Quantitative infrared thermography resolved leakage current problem in cathodic protection system

Leakage current problem can happen in Cathodic Protection (CP) system installation. It could affect the performance of underground facilities such as piping, building structure, and earthing system. Worse can happen is rapid corrosion where disturbance to plant operation plus expensive maintenance cost. Occasionally, if it seems, tracing its root cause could be tedious. The traditional method called line current measurement is still valid effective. It involves isolating one by one of the affected underground structures. The recent methods are Close Interval Potential Survey and Pipeline Current Mapper were better and faster. On top of the mentioned method, there is a need to enhance further by synthesizing with the latest visual methods. Therefore, this paper describes research works on Infrared Thermography Quantitative (IRTQ) method as resolution of leakage current problem in CP system. The scope of study merely focuses on tracing the root cause of leakage current occurring at the CP system lube base oil plant. The results of experiment adherence to the hypothesis drawn. Consequently, res

Online statistical hypothesis test for leak detection in water distribution networks

This paper aims at improving the operation of the water distribution networks (WDN) by developing a leak monitoring framework. To do that, an online statistical hypothesis test based on leak detection is proposed. The developed technique, the so-called exponentially weighted online reduced kernel generalized likelihood ratio test (EW-ORKGLRT), is addressed so that the modeling phase is performed using the reduced kernel principal component analysis (KPCA) model, which is capable of dealing with the higher computational cost. Then the computed model is fed to EW-ORKGLRT chart for leak detection purposes. The proposed approach extends the ORKGLRT method to the one that uses exponential weights for the residuals in the moving window. It might be able to further enhance leak detection performance by detecting small and moderate leaks. The developed method’s main advantages are first dealing with the higher required computational time for detecting leaks and then updating the KPCA model according to the dynamic change of the process. The developed method’s performance is evaluated and compared to the conventional techniques using simulated WDN data. The selected performance criteria are the excellent detection rate, false alarm rate, and CPU time.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Statistical fault detection in photovoltaic systems

Faults in photovoltaic (PV) systems, which can result in energy loss, system shutdown or even serious safety breaches, are often difficult to avoid. Fault detection in such systems is imperative to improve their reliability, productivity, safety and efficiency. Here, an innovative model-based fault-detection approach for early detection of shading of PV modules and faults on the direct current (DC) side of PV systems is proposed. This approach combines the flexibility, and simplicity of a one-diode model with the extended capacity of an exponentially weighted moving average (EWMA) control chart to detect incipient changes in a PV system. The one-diode model, which is easily calibrated due to its limited calibration parameters, is used to predict the healthy PV array’s maximum power coordinates of current, voltage and power using measured temperatures and irradiances. Residuals, which capture the difference between the measurements and the predictions of the one-diode model, are generated and used as fault indicators. Then, the EWMA monitoring chart is applied on the uncorrelated residuals obtained from the one-diode model to detect and identify the type of fault. Actual data from the grid-connected PV system installed at the Renewable Energy Development Center, Algeria, are used to assess the performance of the proposed approach. Results show that the proposed approach successfully monitors the DC side of PV systems and detects temporary shading.Peer ReviewedPostprint (author's final draft