Ramón Ramírez, XVI Foro Avences en la Industría de …...Ramón Ramírez, XVI Foro Avences en la...

© ABB / PA / Control SystemsJuly 14, 2010 | Slide 1

Mejora del desempeño operativo medianteSistemas de Automatización Extendida

Ramón Ramírez, XVI Foro Avences en la Industría de la Refinación – Cd. de México, 30 de Junio, 2010

Tendencia Enfoque de Automatización

Solo un sistema tiene:

Consolidación en cuarto de control – una base para la colaboración

Un solo sistema para todas las área de la planta y todas las funciones requeridas

Capacidades de integración amplias

Mayor inteligencia en todos los tipos de dispositivos de campo

Habilidad para conectar y utilizar información de dispositivos inteligentes

Libertad de elección del bus de campo

Incremento en costos de energía – enfoque en el uso de electricidad

Integración de proceso y energía para soluciones avanzadas de automatización

Soluciones estandarizadas para integrar automatización de proceso y energía

Reducción de paros de planta no planeados

Incremento en las detección de causas raíz de errores operacionales

Ambiente eficiente de operador para toma de decisiones en tiempo real

Islas de automatización Integración de soluciones de automatización en un ambiente único

La habilidad para integrar fácil y consistentemente aplicaciones distintas

Incremento de requerimientos de acceso a la información de todas las disciplinas

El sistema debe proporcionar acceso a la información en tiempo real a todos los niveles

Plataforma de integración de información con visualización

© ABB / PA / Control Systems14 de julio de 2010 | Slide 2

Tendencias en la Automatización de Procesos


Mejora del desempeño operativoCómo?

Promoviendo la colaboración mediante sistemas de planta y aplicaciones integradas

Mejorando la efectividad del operador mediante información integrada

Aprovechando las capacidades del sistema mediante una estrategia de optimización de activos

Logrando un mejor control mediante funciones de sintonía y optimización de lazos


Mejora del desempeño operativoCómo?






Mejora del desempeño operativo Promoviendo la Colaboración

Unificación de sistemas diferentes a fin de lograr la excelencia operacional.

La colaboración se requiere entre roles funcionales de sistemas y gente

Abarcar desde dispositivos hasta sistemas de negocio

Es fundamental tener una plataforma de automatización con el nivel de integraciónrequerido para crear un ambiente colaborativo.

Existe el libro sobre Sistemas de Automatización de Procesos Colaborativos…

Plataforma de Integración basada en el uso de tecnología Industrial IT

Conectividad a sistemas de planta, aplicaciones, sistemas de control, E/S y tecnologías de bus de campo

Ejecución simultanea de varias aplicaciones Automatización de Procesos,

Electrificación, Distribución y Gestión de Energía, Seguridad…

Aplicaciones de valor agregado y servicios comunes, pre-integrados


Mejora del desempeño operativo Promoviendo la Colaboración

Promoviendo la Colaboración Automatización de Proceso y Energía integrados

Automatización de Proceso Electrificación de Proceso Distribución de Energía

One unified approach to increase productivity and decrease downtime and maintenance cost


Cuarto de Control

Sistema de Control

Control

Proceso

Protección & Control IEDs

Promoviendo la Colaboración Automatización de Proceso y Energía integrados

Controlador

Red de Planta

Controlador

Profibus/Profinet

Automatización de Subestación

Servidor de Proceso

IEC 61850

Estaciones de Proceso & Energía

Instrumentos

CCM, Drives Arrancadores

Electrificación de Proceso

Instrumentación de Proceso

Secuencia de eventos única para análisis de causa

raíz

La misma interfaz de operaciones e ingeniería para

compartir información y conocimiento

Historia y registro de

datos centralizado

Centralized Historian and Data Archiving

Estrategía de gastión de activos integrada y común

Integración eléctrica basada en

estandares abiertos tal como IEC 61850, Profinet/Profibus …

Integración eléctrica basada en

estandares abiertos tal como IEC 61850, Profinet/Profibus…

Sistema común reduce partes de

repuesto, entrenamiento, etc..

Standardized procedures, settings, control logic and

libraries

Procedimientos, ajustes, lógica de control y

librerías estandarizadas


Mejora del desempeño operativo Cómo?






Mejora del desempeño operativo Mejorando la Efectividad del Operador

Operaciones Integradas Integración única de

Información sin importar la fuente

Consolidación en cuarto de control

Interfaz de Operador de Alto desempeño

Habilidad para manejar vistas efectiva y dinámicamente

Gestión de Alarmas Avanzado Atención a factores humanos

Consola de Operación Mejorada

Competencias de Operador Ambiente de entrenamiento de

Operador usando los mismos desplegados gráficos y estrategias de control

Los operadores están bajo más presión para operar que nunca!

Mejorando la Efectividad del Operador…mediante información integrada

El Sistema de control debe proporcionar la base para una presentación optima de la información: Información de muchas fuentes Visualización “Thin client” de

todos los datos de proceso Integración de sistemas de

control y aplicaciones de valor agregado

Aplicaciones de terceros incluyendo video, documentación y dibujos CAD

Proyección panorámica y soporte de múltiples monitores

Suporte para consolidación en cuarto de control



Mejorando la Efectividad del Operador Tecnología de Objetos Aspecto

Capacidad de monitorear, controlar, optimizar y mantener desde una interfaz poderosa.

Integración única de información para la acción a través de la tecnología de Objetos Aspecto

Información relevante y filtrada basada en los roles y responsabilidad del usuario

Ambiente de soporte para decisión efectiva en condiciones de rutina o críticas

Información que se necesita, a solo un clic derecho…

Control

Carátulas

Tendencias

Gráficos

Video

Salud de Activo

Reportes

DocumentaciónERP/ CMMS






Logrando un mejor control mediante aplicaciones de sintonía y optimización de lazos


Mejora del desempeño operativo Optimización de activos

Reduce los paros de planta y los tiempos para reparar

Monitoreo programado (agendado) del estado de salud de los activos y reporte por condición

Brinda un Análisis de Causa Raíz (RCA) y recomienda acciones

Herramientas de visualización y reportes

Facilita el Mantenimiento Centrado en Confiabilidad

Puesto de Mantenimiento

Arbol de Activos

Reportes


Mejora del desempeño operativo Optimización de activos

Equipos de Campo

Dispositivos inteligentes

Sistema de Calibración

Monitores estándar de Activos

Chequeo booleano, Límites Alta/Baja, tiempo de marcha, contadores, delta de caudal, desviación X-Y

Desempeño de Lazos

Equipos de Planta

Intercambiadores de Calor

Motores y Drives

Monitoreo de Vibración

Unidades de Proceso

Redes de Control

Sistema de Estado

Sistema de control Harmony

Equipos informáticos

Salud de las PCs, servicios, , switches, impresoras

Nodos del 800xA

Desempeño de Produción

OEE

Otros Indicadores Claves de Performance (KPI)


Optimización de Activos Integración a modulo de mantenimiento

¿Esta el CMMS enterado del problema? ¿Se ha programado un mantenimiento?

Enviar reporte de falla al CMMS

Orden de trabajo adicionada y programada automáticamente en el CMMS (si requiere calibración, la orden de trabajo es re-enviada a la Lista de Acciones del DMS)

Problema identificado por el Monitor de Activos

Acción correctiva tomada. El Operador es notificado que el problema del activo fué corregido

Tiempo de reparación reducido a través de la optimización de

los procesos de trabajo

Optimización de Activos Creando valor a partir de la información


La información es un activo clave para todos los negocios

Un productor estratégico debería preguntarse: ¿Cuál fué mi producción diaria durante

el último mes? ¿Cuántas toneladas faltan producir este

mes? ¿Cuál es el consumo de energía y

químicos por día? ¿Cuál es el consumo de vapor por

tonelada de producto terminado? ¿Cuáles son las alarmas más

frecuentes? Etc…

La oportunidad de una toma de decisión se basa en la presentación de la información relevante en forma concisa

Información relevante

…en el momento Correcto…en el contexto Correcto

…a la gente Correcta

http://inside.abb.com/global/gad/gad02007.nsf/vwImages/3F1E86C1D563E77CC1256D9F0005DB87/$File/ABB Industrial IT.jpg?OpenElement�

Optimización de Activos Creando valor a partir de la información


Mediante interfaz de visualización (tipo cliente liviano) para el sistema.

Que incluya:

Gráficos

Tendencias y SPC

Alarmas y eventos

Interfase a Excel®






Logrando un mejor control mediante aplicaciones de sintonía y optimización de lazos


Logrando un mejor control…amplio rango de protocolos

Suporte de estándares basados en protocolos para máximo uso de diagnósticos de dispositivos y control en campo

Integración de datos única proveniente de fuentes diferentes incluyendo controladores, dispositivos de campo, sistema eléctrico sin importar el protocolo

Acceso mejorado habilita un mejor control, estrategias de control de activos consolidada y una mejor visibilidad del operador

Lazos de Control

PV: valor de proceso

SP: setpoint

CO: salida de control

PID: controlador Proporcional-Integral-Derivativo

CLCM: Monitoreo de Condiciones de Lazos de Control

KPI: Indicadores Clave de Performance

APC: Control Avanzado de Procesos

MPC: Control Predictivo basado en Modelo

SPC: Control Estadístico de Proceso

MvSPC: Control Estadístico Multivariable de Proceso

RTO: Optimización en Tiempo Real

Optimización de lazos de controlTerminología


El Escenario de Control Avanzado de Procesos

LAB

MPC

ModeloRTOModelado Riguroso

Optimizaciónde Lazos Control de Proceso en DCS

Proceso

SPC MvSPC

SPC

ModelosInferenciales Operador


¿Por qué Optimización de Lazos?

“¿Opera mi planta en forma óptima?”

Si no, ¿cuánto se debe a automación de proceso, especialmente lazos de control?

Deberíamos usar medidas disponibles en lugar de solamente almacenarlas

Operación normal no necesariamente significa operación óptima

Optimización de lazos ahorra dinero sinmayores inversiones de capital


Desempeño: Variabilidad es una amenaza!

Oscilaciones

¿El lazo presenta oscilaciones?

¿Cuáles son las causas posibles?

¿Qué podemos hacer para eliminarlas?

Alta variabilidad

¿Es la variabilidad mínima?

¿Qué tan lejos se encuentra del mínimo?

¿Por qué ha aumentado?

¿Puede mejorarse?


El desempeño real no es óptimo!


Una inversión que debe dar retorno! Lazo de control típico es un activo de $ 25,000 La mitad se pierde

50 % bien sintonizados 25 % control no efectivo 25 % reduce performance

Mitad de tiempo de buena performance = 6 meses

2 – 4 horas para investigar y mejorar performance de un lazo de control

Proceso típico contiene 2000 – 4000 lazos de control

Pocas personas con conocimiento apropiado En promedio, un ingeniero de proceso está a

cargo de 400 lazos de control 25 % de 4000 lazos impacta severamente, lo

que significa pérdidas de $ 25,000,000 !!© ABB / PA / Control Systems14 de julio de 2010 | Slide 26

Los analistas comienzan a comprender...

Citas: “ ... mientras el equipamiento de proceso es una parte integral de programas de manejo de

activos, los lazos de control ... frecuentemente no reciben la misma atención.” “La performance de los lazos de control ... se degrada lentamente en el tiempo sin llamar la

atención ” “Sin una adecuada sintonía de lazos de control para minimizar variabilidad, ... se pierden

beneficios sustanciales” “... aún una leve degradación en el control del proceso puede resultar en millones de dólares

perdidos de ganancias” “Identificar los lazos de control con mayor repago requiere evaluar todos los lazos de control, lo

cual sería una tarea insuperable sin ayuda de software de supervisión y análisis de lazos de control”

“Cuando recién instalado, el control avanzado de proceso proporciona típicamente beneficios sustanciales. Mantener estos beneficios debido a condiciones cambiantes, sin embargo, es un problema”

“… es buen tiempo de asegurar los sistemas de control como parte sus esfuerzos de manejo de activos.”

Edición de Junio 2003:

“Se debe incluir lazos de control en manejo de activos”

Les A. Kane, Editor


¿Cómo son los datos de un lazo de control?

Salida de control

Set-point & valor de proceso

Tiempo

O


Costo de un mal control

Alto

BajoTiempo

Sueño

Cos

toSintonía del lazo

Alto

Bajo

Realidad

Cos

to

Tiempo

Alto

Bajo

Sueño realista con Auditoria

Cos

to

Tiempo© ABB / PA / Control Systems14 de julio de 2010 | Slide 29

Beneficios de Sintonía y Auditoria

Mantener el sistema de control regulatorio en su máximo

Performance del lazo Habilita al operario a mantener lazos en su punto de óptima performance

Mantenimiento preventivo Alerta de problemas de equipos/proceso a su debido tiempo

Problemas de instrumentos

Problemas de actuadores

Posibilita el uso de control multivariable/avanzado

MPC limitado por la capacidad del control básico

Modelos MPC incorporan performance de lazos básicos


Control Multivariable/Predictivo basado en Modelo

Planta

Control Regulatorio Básico

Cálculo de PropiedadesInferenciales

actuadores

sens

ores

lab

Supervisión de Lazos

Sintonía y Auditoria de Lazos

Sintonía y Auditoriade Lazos

Sintonía Optimizada

- un requerimiento para proyectos APC

O


Sintonía de Controladores PID

Objetivo Hallar los parámetros del controlador PID (típicamente K, Ti y Td)

para obtener una respuesta de lazo de control deseada

Especificaciones en el dominio del tiempo y/o frecuencia

Cometidos principales del controlador: Seguimiento de setpoint

Rechazo de perturbaciones

Métodos de sintonía Ziegler-Nichols (Manual)

Lambda

IMC (Internal Model Control)

Ubicación de Polos Dominantes


Diferencia entre Sintonía y Evaluación

Etapa de Diseño Etapa de Evaluación

Diseño razonable

Diseño ligeramenteagresivo

?

¿es esto un buen control?Si no: ¿por qué?


Generar información a partir de datos! Supervisión de Performance

Rara vez se dispone de información adicional

Usar datos de operación solamente

Responder preguntas más relevantes

Preguntas típicas ¿Oscilan los lazos?

¿Trabajan en modo automático?

¿Tienen un desempeño aceptable?

¿Cuáles lazos requieren nueva sintonía?

¿Hay problemas de físicos? (desgaste de válvulas, por ej.)


Supervisión de lazos de control – no-invasivo!

índices (KPI)

Monitoreo de Condicionesde Lazos de Control (CLCM)o Auditoria


Evaluación de Performance por Pasos 1. Recolectar y analizar datos

2. Calcular Indicadores Claves de Performance (KPI)

3. Elaborar hipótesis y sugerencias basadas en los KPI

importante matemática involucrada


Diagnósticos de Lazos de Control

Diagnósticos típicos: Problema de sintonía

Lazo oscilatorio

Perturbación externa

Fricción estática en válvula

Pérdida en válvula

Tamaño de válvula incorrecto

Performance global aceptable

KPI

Reglas de Auditoria+ Diagnósticos de

Mantenimiento

Ranking de Lazos

según Performance

Buena

Regular

Pobre


Indicadores Claves de Performance Estadísticas básicas

Valor medio, desviación estándar

Validez de datos “Outliers”

Check de validez

Compresión

Modos de lazo de control Automático/Manual

Saturado

Cascada

Nivel de ruido

Índices de Performance Performance del lazo

Índice Harris

Retardo puro estimado

Índices de Oscilación Oscilando, si/no?

Frecuencia/Período

Índices de Válvulas Fricción estática

Índice de No-linealidad Índice de No-linealidad

Índice de No-Gaussiano


Índice de Oscilación (dominio del tiempo)

0.88 0.25Controlador sintonizado

0 = sin oscilación, 1 = oscilación perfecta

Tiempo [s]


Índices de Actuadores/Válvulas

Estadística simple y diagnósticos avanzados

No linealidad en válvulas es un problema importante

Desplazamiento/ hora = 3510 [%/h]

# Cambios de dirección/ hora = 1050 [#/h]

Tamaño de la válvula = 100 [%]


Diagnóstico usando correlación cruzada

control de composición control de caudal

Diagnóstico: fricciónestática

no hay fricción© ABB / PA / Control Systems

14 de julio de 2010 | Slide 41

Antes:

Después:

Índice de Harris – Ejemplo

0.47

0.96

O


64%good

24%medium

12%bad

# lazos de buena performance: 32 # lazos intermedios: 12 # lazos de mala performance: 6

Ejemplo de una Herramienta de Performance

Unidad de Proceso: Unit-xyzLazos investigados: 50Fecha: 2002-08-15Performance global: buena

Lazos de mala performance* oscilando: 3* gran desviación estándar: 2* comportamiento sospechoso: 1

Indicar malos lazos en pantallay reportes


Loop FC-xyzProblema: oscilaciónCausa probable: problema

en válvulaSolución: mantenimientoHasta tanto, sintonizar

con Ti=10.8, Kp=0.74

Loop TC-xyzProblema: oscilaciónCausa probable: externaSolución: revisar FC-xyzSintonía actual OK

Loop Lc-xyzProblema: alta varianciaCausa Probable: sintonía/estructura del controladorinsuficiente Solución: resintonizar controladorPI (Ti=10.8, Kp=0.74) y usar señales abc para feed-forward (Kf=0.92)

Ejemplo de una Herramienta de Performance


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