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UNIVERSIDAD DE VALLADOLID TRABAJO DE INVESTIGACIN EN INGENIERA DE PROCESOS Y SISTEMAS AUTOR: Jos Ramn Janeiro MartnTtulo: EVALUACIN DEL DESEMPEO DEL CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES TUTOR: Dr. Eduardo J. Moya de la Torre Dpto./rea/Empresa: S. D. Ingeniera de Sistemas y Automtica Ao Acadmico: 2008-2009 Fecha de entrega:13 de Julio de 2009 ndice de contenidos TRABAJO DE INVESTIGACIN EN INGENIERA DE PROCESOS Y SISTEMAS IJos Ramn Janeiro Martn NDICE DE CONTENIDOS CAPTULO 1: INTRODUCCIN1 1.1 TECNOLOGA CPA1 1.2 CAUSAS DE UN DESEMPEO DEL CONTROL POBRE2 1.3 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIN DEL CONTROL3 1.4 DESCRIPCIN DEL CONTENIDO DE LA MEMORIA4 CAPTULO 2: OBJETIVOS7 2.1 TRABAJO DE INVESTIGACIN TUTELADO7 2.2 OBJETIVOS8 CAPTULO 3: ADQUISICIN DE DATOS DE PROCESO11 3.1 MODELO JERRQUICO11 3.2 OPC12 3.2.1 OPC-A&E13 3.2.2 OPC-DA16 3.2.3 OPC-HDA18 3.2.4 OPC-UA21 CAPTULO 4: DESEMPEO DEL CONTROLADOR25 4.1 NDICE DE DESEMPEO DEL CONTROLADOR25 4.2 HISTORICAL - DATA BENCHMARKS27 4.3 MVC - BASED BENCHMARKS28 4.3.1 MNIMA VARIANZA29 4.3.1.1 Estimacin del ndice de MV para sistemas SISO35 4.3.1.2 Estimacin del ndice de MV para sistemas MIMO37 4.3.2 MNIMA VARIANZA GENERALIZADA38 4.3.2.1 Estimacin del ndice de GMV para sistemas SISO43 4.3.2.2 Estimacin del ndice de GMV para sistemas MIMO45 4.4 MPC - BASED BENCHMARKS47 4.4.1 ESTIMACIN DEL NDICE GPC PARA SISTEMAS SISO53 4.4.2 ESTIMACIN DEL NDICE GPC PARA SISTEMAS MIMO57 Evaluacin del desempeo del control de procesos industriales TRABAJO DE INVESTIGACIN EN INGENIERA DE PROCESOS Y SISTEMAS IIJos Ramn Janeiro Martn 4.5 LQG - BASED BENCHMARKS57 4.5.1 ESTIMACIN DEL NDICE LQG PARA SISTEMAS SISO/MIMO62 4.6 RESTRICTED STRUCTURE63 4.6.1 MVC - BASED BENCHMARKS63 4.6.1.1 Estimacin del ndice OPID67 4.6.2 LQG - BASED BENCHMARKS68 4.6.2.1 Estimacin del ndice RS-LQG para PID70 CAPTULO 5: DETECCIN Y DIAGNSTICO DE PERTURBACIONES73 5.1 PERTURBACIONES73 5.2 DETECCIN DE PERTURBACIONES DISTRIBUIDAS76 5.2.1 PERTURBACIONES OSCILATORIAS78 5.2.1.1.- Time-domain methods78 5.2.1.2.- ACF methods83 5.2.1.3.- Spectral methods86 5.2.2 PERTURBACIONES NO OSCILATORIAS86 5.2.2.1.- Spectral methods86 5.2.3 PERTURBACIONES NO ESTACIONARIAS95 5.3 DIAGNSTICO DE PERTURBACIONES96 5.3.1 NON-LINEAR CAUSES96 5.3.1.1.- Non-linear time series anlisis96 5.3.1.2.- Limit cycle methods102 5.3.1.3.- Valve diagnosis methods106 5.3.2 LINEAR CAUSES116 5.3.2.1.- Tunning diagnosis116 5.3.2.2.- Interaction/Structural diagnosis121 CAPTULO 6: PLANTA PILOTO123 6.1 DESCRIPCIN123 6.2 ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE AUTOMATIZACIN126 6.3 SISTEMA DE CONTROL128 6.4 SISTEMA DE SUPERVISIN131 6.5 SISTEMA CPA132 ndice de contenidos TRABAJO DE INVESTIGACIN EN INGENIERA DE PROCESOS Y SISTEMAS IIIJos Ramn Janeiro Martn CAPTULO 7: CONCLUSIONES Y LNEAS FUTURAS135 7.1 TRABAJO DE INVESTIGACIN TUTELADO135 7.2 CONCLUSIONES136 7.3 LNEAS FUTURAS137 7.4 AGRADECIMIENTOS137 BIBLIOGRAFA:139 Evaluacin del desempeo del control de procesos industriales TRABAJO DE INVESTIGACIN EN INGENIERA DE PROCESOS Y SISTEMAS IVJos Ramn Janeiro Martn TRABAJO DE INVESTIGACIN EN INGENIERA DE PROCESOS Y SISTEMASPgina 1Jos Ramn Janeiro Martn CAPTULO 1 Introduccin 1.1Tecnologa CPA Latecnologadenominadaevaluacin/monitorizacindeldesempeodelcontrolde procesosoControlPerformanceAssessment/Monitoring(CPA/CPM)persiguemantenerun funcionamiento altamente eficiente del sistema de automatizacin en plantas de produccin. Unmalfuncionamientoenloslazosdecontroldelproceso,incluidoslossensoresy actuadores,sonmuycomunesenentornosindustriales.Suefectoeslaintroduccinde variacionesexcesivasenelproceso,reduciendolaoperatividaddemquinas,elaumentode loscostosyperturbandolacalidadfinaldelproducto.Enconsecuencia,unreconocimiento tempranoycorreccindelmalfuncionamientoofreceunmedioparalareduccindelas variaciones y mejora de la uniformidad en el proceso. El principal objetivo de la tecnologa CPA es la de proporcionar un procedimiento automtico enlneaqueofrezcainformacinalpersonaldeplantasilosobjetivosdedesempeoylas caractersticas de la respuesta estn siendo cumplidas por las variables de control de procesos y que evale el desempeo del sistema de control. Evaluacin del desempeo del control de procesos industriales TRABAJO DE INVESTIGACIN EN INGENIERA DE PROCESOS Y SISTEMASPgina 2 Jos Ramn Janeiro Martn ElcampodelatecnologaCPAcomenzaflorecerhaceunos20aosconelestudio pionero de [Harris (1989)] por lo que es una rama de investigacin relativamente joven que ha atrado un creciente inters en los ltimos aos. 1.2Causas de un desempeo del control pobre Msdel60%detodosloscontroladoresindustrialestienenproblemasensudesempeo. Cercade30%delazosdecontroloscilatoriossondebidosaproblemasenlasvlvulasde control.Undesempeodecontrolpobreenunprocesoindustrialpuedeserdebidoaunao varas de las siguientes causas: Inadecuada sintonizacin del controlador y falta de mantenimiento: esto podra serdebidoalhechodequeelcontroladornuncahasidosintonizadooquehasido sintonizado basado en un mal modelo, o incluso que ha sido utilizado un controlador noapropiado.Msdel90%deloscontroladoresinstaladosensistemasde automatizacinsondeltipoPID,inclusoencasosdondeotroscontroladoresson msapropiados.Sinembargo,lacausamscomndeundesempeodelcontrol pobreesqueloscontroladoressonnormalmentediseadosysintonizadosenla etapadepuestaenmarcha,peroluegonoserealizaningncambiosobreellos durantedcadas,aunqueeldesempeodemuchoslazosdecontroldecaensobre el tiempo debido a: - Cambios en las caractersticas del material/producto. - Modificaciones de los puntos/rangos de operacin.-Cambiosdelestadodelequipamientodelaplanta(deterioro,modificacionesde la planta). Enlaindustria,lasprincipalesrazonesparaunafaltadesintonizaciny mantenimiento son las siguientes: -Durantelapuestaenmarcha,losingenierossintonizanloscontroladores hastaloqueellosconsideransuficientementebueno.Lamayoradelos controladoressonsintonizadosenlapuestaenmarchaynuncavuelveaser resintonizados.Variosestudiosindicanquelavidamediadeunbuen desempeo de un lazo de control es de unos seis meses. Captulo 1: Introduccin TRABAJO DE INVESTIGACIN EN INGENIERA DE PROCESOS Y SISTEMASPgina 3Jos Ramn Janeiro Martn -Amenudo,lasintonizacindeloscontroladoresesconservativapara mantener la estabilidad cuando cambian las condiciones de funcionamiento de sistemas no lineales. Esto conduce a un comportamiento lento del controlador. -Haymuypocaspersonasencargadasdelmantenimientodelsistemade automatizacinyestnmuyocupadosenmantenerelsistemade automatizacin en operacin. -Amenudo,losoperadoreseingenierosnotienenlaformacinnecesariade controldeprocesosparasercapacesdesaberquepuedeesperarsedel control o que causa el desempeo tan pobre. Mal funcionamiento de equipos o un mal diseo: un desempeo de control pobre podra ser el resultado de mal funcionamiento o fallos en los sensores o actuadores (como por ejemplo friccin esttica en vlvulas). El problema es ms serio cuando el proceso o componente del proceso no est bien diseado. Faltadecompensacinfeedforward:Sinoesadecuada,lasperturbaciones externas pueden deteriorar el rendimiento del control. Inapropiadaestructuradecontrol:Inadecuadasentradas/salidas,interacciones entrevariablesdelsistema,presenciadenolinealidadesfuertesofaltade compensacindeltiempoderetrasoenlossistemassonfrecuentesfuentesde problemas en la estructura de control. 1.3Procedimiento de evaluacin del control Acontinuacinsondescritoslospasosnecesariosparalaevaluacindeldesempeodel control de procesos industriales, es decir, las etapas necesarias en la tecnologa CPA: 1.Adquisicindelosdatosdeprocesonecesariosparalaevaluacindel desempeodelcontrolador:parapoderrealizarunacuantificacindeldesempeo actualdelcontroladoresnecesariolaadquisicindedatosdelproceso.Elcaptulo3 presenta la mejor forma de realizar la adquisicin de los datos de proceso. 2.Seleccinydiseodeunbenchmarkparalaevaluacindeldesempeodel controlador:eldesempeodelcontroladoresevaluadocomparndolocontraun benchmark.Elcaptulo4presentalosdiferentesbenchmarkutilizadosenla evaluacin de controladores. Evaluacin del desempeo del control de procesos industriales TRABAJO DE INVESTIGACIN EN INGENIERA DE PROCESOS Y SISTEMASPgina 4 Jos Ramn Janeiro Martn 3.Evaluacin del desempeo del controlador: en esta etapa es necesario obtener un ndicequereflejesieldesempeodelcontroladoresmalo.Paraelloesnecesario comparareldesempeoactualdelcontroladorcontraeldesempeodelbenchmark seleccionado.Elcaptulo4presentalaformadeestimarlosndicesenfuncindel benchmark seleccionado. 4.Deteccinydiagnsticodeperturbaciones:trasobtenerundesempeopobredel controlador con las tcnicas de benchmarking es necesario detectar y diagnosticar el problema para que pueda ser corregido. La causa podra estar en el lazo de regulacin evaluadooenunaperturbacinoriginadaencualquierotrolugar,yaqueellazo evaluadonoseencuentraaisladodelresto.Elcaptulo5presentatcnicasque persiguen la deteccin y diagnstico del problema. 5.Sugerenciademedidasdemejora:Despusdeldiagnsticodelproblemadel desempeopobredelcontroladorlasaccionescorrectivasdebenserllevadasacabo para conseguir un sistema de control con las prestaciones deseadas. 1.4Descripcin del contenido de la memoria Lamemoriapresente,queconstituyeelTRABAJODEINVESTIGACINparalaobtencin delDiplomadeEstudiosAvanzados(D.E.A.)enelDoctoradodeIngenieradeProcesosy Sistemas de la Universidad de Valladolid, est estructurada de la siguiente manera. Elcaptulo2presentalosobjetivosperseguidosenelpresentetrabajodeinvestigacin tutelado. LatecnologaCPA,paralaevaluacindeldesempeodeloscontroladoresydetecciny diagnstico de perturbaciones, requiere deadquisicin dedatos deproceso para lo que OPC, segnlaopinindelautor,eslamejoropcin.Porello,elcaptulo3estdedicadoala explicacin de las especificaciones OPC utilizadas para este tipo de adquisicin. El captulo 4 presenta los principales ndices de desempeo de controlador (CPI) existentes. Elndicededesempeodecontroladoresunvalorquereflejasieldesempeodeun controladoresbuenoomaloyaqueestrelacionadoconladesviacinentreelvalordela variable controlada y el valor deseado. Tras