Petronor Diciembre 2010
Control Avanzado
Rafael Gonzalez Martin Jefe Control Avanzado y Sistemas de Producción PETRONOR
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Índice
1. ¿Qué es el Control de Procesos? 2. Herramientas 3. Resultados 4. Retos de Futuro
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Conceptos básicos
• El objetivo del control de procesos es mantener ciertas variables del proceso (composiciones, caudales, temperaturas) en unos valores de operación determinados.
• Los procesos industriales son dinámicos: siempre van a ocurrir cambios (perturbaciones).
• Si no se toman las acciones adecuadas habrá variables importantes (relacionadas con la seguridad, la calidad y/o la producción) que no alcanzarán los valores objetivos.
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Objetivos del Control de Procesos
El sistema de control tiene tres objetivos fundamentales:
1. Mantener condiciones de operación estables y seguras para las personas y equipos.
2. Asegurar que los productos alcancen en todo momento la especificación requerida y se produzcan las cantidades demandadas.
3. Alcanzar los objetivos anteriores de la manera más eficiente posible.
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GRIFOA.C.
LC
FI
TI
G. NATURAL BUTANO
FI
1
2
FI TICALDERA 3 2
GRIFOA.F.
TI
3
A.F. A.C.
AGUA TEMP.AMBIENTE TI
4
Ejemplo simple I
LAZO DE CONTROL, ELEMENTOS QUE LO CONFORMAN Controlador: la persona Variable Controlada: TI-3 (Temperatura salida ducha). SP Variables Manipuladas: caudal agua caliente y caudal agua fría. Variables de Perturbación: − Temp. Ambiente (Temp. Entrada) − Calor aportado (nº. Quemadores, tipo de gas usado) − Variación o Caída presión apertura o cierre de la 2ª ducha. − Caudal de la bomba.
TI-3
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Ejemplo simple II
ESTADO ESTACIONARIO
Se enciende la segunda ducha
T 3
t
T
Control Básico
3 SP
t
T
Control Avanzado
3
t
En la refinería se miden unas 30000 variables, de las que se controlan aproximadamente el 10%.
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CONTROL BÁSICO (fundamentalmente PID's sencillos, cascadas)
CONTROL AVANZADO (feedforward, selectores, inferencias, ... )
CONTROL MULTIVARIABLE ([DMC], RMPCT, ...)
OPTIMIZACIÓN EN LINEA
( ? )
Se garantiza la estabilidad de la planta. Se modifica directamente la válvula.
Se mejora el control básico. Rara vez atiende a objetivos económicos directos.
Controla un equipo de forma global. Incorpora objetivos económicos locales de unidad.
Atiende a objetivos económicos globales de planta.
Niveles de Automatización
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Control Integrado
LABORATORIO PRODUCTOS CRUDOS ENERGIAS BALANCES
CONSOLAS de CONTROL - CONTROL
AVANZADO - DMC’s
- SISTEMAS DE INFORMACION - PI’s
CONTROLADORES de PROCESO
CONEXION REMOTA
ETHERNET
(RED GESTION DE LA PRODUCCION)
- MADRID - TERMINAL MARITIMA
OFICINAS
UNIDADES DE PROCESO
SALAS DE
CONTROL
MANTENIMIENTO ALMACEN
SEGURIDAD
USUARIOS
IMPRESORAS de ALARMAS
Red de Control
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1. ¿Qué es el Control de Procesos? 2. Herramientas 3. Resultados 4. Retos de Futuro
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Herramientas: el PID
El controlador más ampliamente utilizado en la industria es el denominado PID, que ejecuta el siguiente algoritmo de control:
M
dttdeTKdtte
TKteKtm d
t
oi
+
××++×= ∫
)()()()(
P I D e
t
P I
D e = Error = SP- PV
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Herramientas: PID
• Para cada variable que queramos controlar con un PID necesitamos una válvula.
• El PID dispone de tres parámetros de ajuste para acomodar el controlador a la dinámica del proceso que quiere regularse
• No requiere mucho “conocimiento” del proceso • Siempre actúa a toro pasado, tiene que detectar que existe un
error para tomar acciones de control “a posteriori” • Es muy simple y robusto. Por esto continua siendo la base
sobre la que se cimienta toda la arquitectura del sistema de control
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Herramientas: SCD El sistema de control distribuido SCD está basado en un gran
número de microprocesadores con tareas específicas.
Consta de tres elementos fundamentales:
Interfase con el proceso (controladores e indicaciones)
Interfase con el operador (consolas)
Vía de datos
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Herramientas: SCD
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Herramientas: APC’s
• Los sistemas de control distribuido proporcionan la plataforma para desarrollar aplicaciones de control avanzado (APC’s)
• En su origen (años 70) se denominó Control Avanzado a cualquier estrategia de control que fuera más complicada que un PID
• Actualmente llamamos Control Avanzado a un conjunto de cálculos (inferencias, reflujo interno, calor aportado) y técnicas (control feedforward, control override, cascadas múltiples, etc) que permiten mejorar el control al tener en cuenta más información.
• Los actuales sistemas de control distribuido disponen de diferentes módulos y algoritmos que facilitan el desarrollo de este tipo de aplicaciones
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Herramientas: DMC (Control basado en modelos)
• A finales de los años 80 apareció la tecnología de Control Multivariable Predictivo Basado en Modelos
• Se basa en la utilización de un modelo dinámico del proceso
• Se desarrolló específicamente para solucionar problemas de control multivariable (interacciones)
• Tiene cierta capacidad de optimización local (utiliza criterios económicos) teniendo en cuenta todas las restricciones tanto en las variables manipuladas como en las controladas
• Desde 1995 disponemos de una licencia corporativa para utilizar el software DMC para desarrollar controladores multivariables
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Herramientas: DMC
• El modelo consiste en la relación matemática que describe el efecto sobre cada variable controlada causado por el movimiento de una variable manipulada. Estos modelos se obtienen “empíricamente” a través de pruebas en planta (step-test)
• Utilizando dichos modelos el controlador predice la situación futura de la planta si no se toma ninguna acción de control
• Utiliza un optimizador local (LP) para determinar el punto óptimo de operación
• El controlador siempre “empuja” hacia el conjunto de restricciones óptimas. El DMC se convierte en el “exprimidor” de unidades
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Herramientas: DMC
PC FI
dP
FI
TI
FC
FI
LI
AI
AI
TIC
TI
FC
TI
LC
FC
Modelo del Proceso
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Óptimo Económico
Operando con restricciones
Apertura válvula
Temperatura
Velocidad Turbina
DP en columna Presión
Composición
Región Operación
Preferida por el Operador
Región final de Operación del Controlador
Nueva Región Operación
del Controlador
Menor Variabilidad
Herramientas: DMC
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Puesto que el objetivo del control de procesos es mantener ciertas variables tan cerca como sea posible de determinados valores, existe un criterio objetivo para “medir” la bondad del control: la desviación estándar respecto del punto de consigna
límite
tiempo
límite
Variable de Operación
tiempo
A1
A2
Variable de Operación
Resultados
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Resultados
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
PV
PV2(x)
acPV2(x)
PV1(x)
acPV1(x)limit
)(33
32112
max22
max11 σσσ
σ−=∆=−
=+
=+SPpvpv
pvpv
pvpv
seguridad
Restricciones Calidad
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Resultados
Haciendo bien nuestro trabajo facilitamos el trabajo de otros Como resultado final, contribuimos al margen:
• Aumentando la capacidad de producción Maximizando carga
Maximizando rendimiento
Maximizando recuperación
• Minimizando el consumo energético
• Aportando mayor estabilidad y seguridad en la operación
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1. ¿Qué es el Control de Procesos? 2. Herramientas 3. Resultados 4. Retos de Futuro
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Consolidación:
• Estamos en una fase de meseta tecnológica en la que debe hacerse un gran esfuerzo de asimilación por parte de los operadores
• Debemos evitar que la fascinación ante las posibilidades de
las nuevas tecnologías nos haga olvidar o abandonar el imprescindible y necesario mantenimiento de los niveles básicos de control
• A la vista de los recursos disponibles, el esfuerzo en nuevos
desarrollos tendrá que estar modulado por la capacidad de mantenimiento de los controladores multivariables ya existentes y por la mejora continua de los niveles básicos
Retos de futuro
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Integración:
• Frontera difusa entre las distintas áreas implicadas en el control de la planta: (Operación, Procesos, Instrumentación , Control Avanzado y Sistemas de Información)
• Según se van incluyendo en las estrategias de control
objetivos económicos y estrategias de gestión se incrementa el conocimiento requerido para desarrollar adecuadamente dichas estrategias (Gestión, Planificación, Operación, Procesos y Control Avanzado)
• La responsabilidad de la mejora continua de la operación de
las plantas es compartida, o, al menos, distribuida entre Planificación, Operación, SSTT y Control Avanzado
Retos de Futuro
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Aumento de posibilidades:
• Aumento de sinergias entre los sistemas de información y los sistemas de control
• Disponibilidad de instrumentación “inteligente”, dispositivos “wireless”, sensores virtuales.
• Optimización en tiempo real
• Disponemos de la tecnología necesaria. Las mejoras vendrán a través del conocimiento, de manera que habrá que cuidar a los especialistas en control de proceso
Retos de Futuro
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El Control Avanzado es el conjunto de herramientas que permiten:
• Ahorro energético • Aumento de capacidad • Mejora de rendimientos • “Ensanchamiento” de cuellos de botella • Reducción de incidentes • Optimización de recursos
En resumen:
MAYOR EFICIENCIA
Conclusión