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Control Avanzado
Rafael Gonzalez Martin
Jefe Control Avanzado y Sistemas de Producción
PETRONOR

Petronor Diciembre 2010
Índice

1.
2.
3.
4.

Petronor Diciembre 2010

¿Qué es el Control de Procesos?
Herramientas
Resultados
Retos de Futuro
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.

Petronor Diciembre 2010
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.

Petronor Diciembre 2010
Ejemplo simple I
FI
2

LC

AGUA TEMP.
AMBIENTE

FI

FI

CALDERA

1

TI

TI

3

2

GRIFO
A.C.

TI
TI-3
3

GRIFO
A.F.

TI
4

A.F.

G. NATURAL BUTANO

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.

Petronor Diciembre 2010

A.C.
Ejemplo simple II

ESTADO ESTACIONARIO
Se enciende la segunda ducha

T3

T3
t

Control Avanzado

Control Básico

SP
t

T3
t

En la refinería se miden unas 30000 variables, de las que se controlan aproximadamente el 10%.

Petronor Diciembre 2010
Niveles de Automatización
Atiende a objetivos
económicos globales
de planta.

OPTIMIZACIÓN
EN LINEA
(?)

Se mejora el control
básico. Rara vez atiende
a objetivos económicos
directos.
CONTROL

MULTIVARIABLE
([DMC], RMPCT, ...)

Controla un equipo de
forma global. Incorpora
objetivos económicos
locales de unidad.

Se garantiza la
estabilidad de la
planta. Se modifica
directamente la
válvula.

CONTROL AVANZADO
(feedforward, selectores, inferencias, ... )

CONTROL BÁSICO
(fundamentalmente PID's sencillos, cascadas)

Petronor Diciembre 2010
Control Integrado
- MADRID
- TERMINAL MARITIMA

OFICINAS

MANTENIMIENTO
ALMACEN
SEGURIDAD

LABORATORIO
PRODUCTOS
CRUDOS
ENERGIAS
BALANCES

USUARIOS

CONEXION
REMOTA

ETHERNET
(RED GESTION DE LA PRODUCCION)

SALAS
DE
CONTROL

- CONTROL
AVANZADO
- DMC’s

CONSOLAS de
CONTROL
- SISTEMAS
DE INFORMACION
- PI’s

IMPRESORAS de
ALARMAS

Red de Control
CONTROLADORES
de PROCESO

UNIDADES
DE PROCESO
Petronor Diciembre 2010
Índice

1.
2.
3.
4.

Petronor Diciembre 2010

¿Qué es el Control de Procesos?
Herramientas
Resultados
Retos de Futuro
Herramientas: el PID
El controlador más ampliamente utilizado en la industria es el
denominado PID, que ejecuta el siguiente algoritmo de control:

K
 de(t ) 
m(t ) = K × e(t ) +
e(t ) dt + K × Td × 
+M
∫
Ti o
 dt 
t

P

I

D

e

D
e = Error = SP- PV

I
Petronor Diciembre 2010

P
t
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

Petronor Diciembre 2010
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

Petronor Diciembre 2010
Herramientas: SCD

Petronor Diciembre 2010
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

Petronor Diciembre 2010
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

•

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

Se desarrolló específicamente para solucionar problemas de
control multivariable (interacciones)

Petronor Diciembre 2010
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 (steptest)
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

Petronor Diciembre 2010
Herramientas: DMC
PC

FI

TI
FC
LI

FC

TI
AI
FI

Modelo del Proceso

TI
dP

TIC

LC

FC
FI

Petronor Diciembre 2010

AI
Herramientas: DMC
Operando con
restricciones

Región final de
Operación
del Controlador

Óptimo
Económico
Menor
Variabilidad

Velocidad Turbina

Presión

Nueva Región
Operación
del Controlador
Región
Operación
Preferida por
el Operador

Temperatura

Composición
Apertura válvula

Petronor Diciembre 2010

DP en columna
Índice

1.
2.
3.
4.

Petronor Diciembre 2010

¿Qué es el Control de Procesos?
Herramientas
Resultados
Retos de Futuro
Resultados
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

límite

A2
Variable de
Operación

A1

tiempo

Petronor Diciembre 2010

Variable de
Operación

tiempo
Resultados
seguridad

1,2

1

0,8

PV2(x)

0,6

acPV2(x)

limit

0,4

PV1(x)
acPV1(x)

0,2

Restricciones Calidad
0
-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

-0,2
PV

pv1 + 3σ 1 = pvmax 

 pv2 − pv1 = ∆SP = 3(σ 1 − σ 2 )
pv2 + 3σ 2 = pvmax 


Petronor Diciembre 2010
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
Petronor Diciembre 2010
Índice

1.
2.
3.
4.

Petronor Diciembre 2010

¿Qué es el Control de Procesos?
Herramientas
Resultados
Retos de Futuro
Retos de futuro
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
Petronor Diciembre 2010
Retos de Futuro
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
Petronor Diciembre 2010
Retos de Futuro
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

Petronor Diciembre 2010
Conclusión
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

Petronor Diciembre 2010

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Petronor control avanzado

  • 1. Control Avanzado Rafael Gonzalez Martin Jefe Control Avanzado y Sistemas de Producción PETRONOR Petronor Diciembre 2010
  • 2. Índice 1. 2. 3. 4. Petronor Diciembre 2010 ¿Qué es el Control de Procesos? Herramientas Resultados Retos de Futuro
  • 3. 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. Petronor Diciembre 2010
  • 4. 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. Petronor Diciembre 2010
  • 5. Ejemplo simple I FI 2 LC AGUA TEMP. AMBIENTE FI FI CALDERA 1 TI TI 3 2 GRIFO A.C. TI TI-3 3 GRIFO A.F. TI 4 A.F. G. NATURAL BUTANO 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. Petronor Diciembre 2010 A.C.
  • 6. Ejemplo simple II ESTADO ESTACIONARIO Se enciende la segunda ducha T3 T3 t Control Avanzado Control Básico SP t T3 t En la refinería se miden unas 30000 variables, de las que se controlan aproximadamente el 10%. Petronor Diciembre 2010
  • 7. Niveles de Automatización Atiende a objetivos económicos globales de planta. OPTIMIZACIÓN EN LINEA (?) Se mejora el control básico. Rara vez atiende a objetivos económicos directos. CONTROL MULTIVARIABLE ([DMC], RMPCT, ...) Controla un equipo de forma global. Incorpora objetivos económicos locales de unidad. Se garantiza la estabilidad de la planta. Se modifica directamente la válvula. CONTROL AVANZADO (feedforward, selectores, inferencias, ... ) CONTROL BÁSICO (fundamentalmente PID's sencillos, cascadas) Petronor Diciembre 2010
  • 8. Control Integrado - MADRID - TERMINAL MARITIMA OFICINAS MANTENIMIENTO ALMACEN SEGURIDAD LABORATORIO PRODUCTOS CRUDOS ENERGIAS BALANCES USUARIOS CONEXION REMOTA ETHERNET (RED GESTION DE LA PRODUCCION) SALAS DE CONTROL - CONTROL AVANZADO - DMC’s CONSOLAS de CONTROL - SISTEMAS DE INFORMACION - PI’s IMPRESORAS de ALARMAS Red de Control CONTROLADORES de PROCESO UNIDADES DE PROCESO Petronor Diciembre 2010
  • 9. Índice 1. 2. 3. 4. Petronor Diciembre 2010 ¿Qué es el Control de Procesos? Herramientas Resultados Retos de Futuro
  • 10. Herramientas: el PID El controlador más ampliamente utilizado en la industria es el denominado PID, que ejecuta el siguiente algoritmo de control: K  de(t )  m(t ) = K × e(t ) + e(t ) dt + K × Td ×  +M ∫ Ti o  dt  t P I D e D e = Error = SP- PV I Petronor Diciembre 2010 P t
  • 11. 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 Petronor Diciembre 2010
  • 12. 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 Petronor Diciembre 2010
  • 14. 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 Petronor Diciembre 2010
  • 15. 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 • 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 Se desarrolló específicamente para solucionar problemas de control multivariable (interacciones) Petronor Diciembre 2010
  • 16. 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 (steptest) 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 Petronor Diciembre 2010
  • 17. Herramientas: DMC PC FI TI FC LI FC TI AI FI Modelo del Proceso TI dP TIC LC FC FI Petronor Diciembre 2010 AI
  • 18. Herramientas: DMC Operando con restricciones Región final de Operación del Controlador Óptimo Económico Menor Variabilidad Velocidad Turbina Presión Nueva Región Operación del Controlador Región Operación Preferida por el Operador Temperatura Composición Apertura válvula Petronor Diciembre 2010 DP en columna
  • 19. Índice 1. 2. 3. 4. Petronor Diciembre 2010 ¿Qué es el Control de Procesos? Herramientas Resultados Retos de Futuro
  • 20. Resultados 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 límite A2 Variable de Operación A1 tiempo Petronor Diciembre 2010 Variable de Operación tiempo
  • 21. Resultados seguridad 1,2 1 0,8 PV2(x) 0,6 acPV2(x) limit 0,4 PV1(x) acPV1(x) 0,2 Restricciones Calidad 0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -0,2 PV pv1 + 3σ 1 = pvmax    pv2 − pv1 = ∆SP = 3(σ 1 − σ 2 ) pv2 + 3σ 2 = pvmax   Petronor Diciembre 2010
  • 22. 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 Petronor Diciembre 2010
  • 23. Índice 1. 2. 3. 4. Petronor Diciembre 2010 ¿Qué es el Control de Procesos? Herramientas Resultados Retos de Futuro
  • 24. Retos de futuro 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 Petronor Diciembre 2010
  • 25. Retos de Futuro 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 Petronor Diciembre 2010
  • 26. Retos de Futuro 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 Petronor Diciembre 2010
  • 27. Conclusión 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 Petronor Diciembre 2010