[Ppt] Control Multivariable Predictivo

11/66MPC : C@s@s Prctic@s (R.G.M. Mayo 2005)

CONTROL MULTIVARIABLE PREDICTIVO

(Casos y cosas prcticas)

Rafael Gonzlez Martn(Dpto. Control Avanzado PETRONOR)


Contenido Introduccin breve de la tecnologa MPC Consideraciones de diseo y metodologa de

proyectos Caso prctico (Superfraccionadora) Cosas prcticas Beneficios reales del MPC Puntos dbiles de la tecnologa Criterios de Seleccin del Producto Ruegos y Preguntas


Tecnologa desarrollada a finales de los 70 para dar solucin a control de procesos reales con caractersticas multivariables

Permite la solucin a problemas de control con dinmicas complejas

Fcil de entenderManeja fcilmente problemas de control

multivariable

Introduccin MPC (1/7)



Compensa de forma inherentemente los retardos del sistema

Se adapta muy bien al control con restricciones Posee una caracterstica interesante de "mirar

hacia adelante " La desventaja fundamental es que necesita un

modelo del proceso. Sin embargo, siempre se necesita un tipo de modelo cuando se trata de controlar procesos 'difciles'.


Multivariable Capaz de controlar un proceso

multivariable en el que las variables interactan unas con otras

Predictivo Uso de modelos dinmicos para

prediccin y usar accin feed-forward

Manejo de restricciones En las MVs y CVs

Control Optimo


Qu significa MPC en la industria?


Introduccin MPC: Restricciones (4/7)

CVs

MVs

MVs

MVs

CVs CVs

Proceso estrechoCVs > MVsgrados de libertad < 0

Proceso cuadradoCVs = MVsgrados de libertad = 0

Proceso amplioCVs < MVsGrados de libertad > 0

La estructura del proceso determina los grados de libertad disponiblespara el controlador.

Tpico Columna binaria:CV's : calidad cabeza y fondoMV's : caudal reflujo, calor reboiler

Poco usual

Se resuelve mediante rangos en vez de SPs


Optimizacin

Si existen grados de libertad, se desea operar contra las restricciones del proceso ptimas

Se utiliza un optimizador local (LP) para determinar el punto ptimo de operacin

La programacin Lineal (LP) permite minimizar una funcin objetivo lineal con restricciones lineales

El optimizador LP empuja hacia las esquinas de la regin de operacin

Introduccin MPC: Restricciones (5/7)


Introduccin MPC: Jerarqua de Control (6/7)

CONTROL BASICO(fundamentalmente PID's sencillos, cascadas)

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

CONTROL MULTIVARIABLE(Productos Comerciales, ...)

OPTIMIZACIN EN LINEA

( ? )Se garantiza laseguridad de laplanta. Se modificadirectamente la vlvula.

Se mejora el controlbsico. Rara vez atiendea objetivos econmicosdirectos.

Controla un equipo deforma global. Incorporaobjetivos econmicoslocales de unidad.

Atiende a objetivoseconmicos globalesde planta.


LABORATORIOPRODUCTOSMATERIAS PRIMASENERGIASBALANCES

CONSOLAS de CONTROL- CONTROL

AVANZADO- MPCs

- SISTEMASDE INFORMACION

- SCADAs

PROCESO

CONTROLADORESde PROCESO (35)

CONEXIONREMOTA

ETHERNET

(RED GESTION DE LA PRODUCCION)

LCN(RED LOCAL DE CONTROL)

- CENTRAL- CENTROS REMOTOS

OFICINAS

UNIDADESDE PROCESO

SALASDE

CONTROL

MANTENIMIENTOALMACEN

SEGURIDADUSUARIOS

IMPRESORAS deALARMAS

Introduccin MPC: Layout (7/7)


Diseo y Metodologa de Proyectos

1 Estudio de viabilidad2 Diseo funcional3 Diseo de detalle4 Integracin y comisionado


1.- Estudio de viabilidad

Identificar la aplicacinAnlisis de potenciales beneficiosEstimacin del costeProblemas de controlOportunidadRecursos disponibles


2 Diseo Funcional

Definir los Objetivos Econmicos Qu beneficio debe conseguir el controlador?

Definir los Objetivos de Control Variabilidad del Proceso, rechazo de

perturbaciones Lmites de Operacin y Especificaciones de

ProductosLimitacin de Recursos

Energa, Capacidad de los equipos, Cargas


2.1 Diseo del controlador

Alcance Qu parte del proceso va a incluir

Objetivos del controlador Para qu vamos a construir el controlador

Seleccin de Variables Cmo vamos a conseguir los objetivos

Control Bsico Qu cambios vamos a realizar


2.2 Alcance

Incluir la parte de proceso que sea necesaria para cubrir todas las restricciones que afecten a los objetivos definidos

Separar en unidades de operacin similares a las que utilizan los operadores

Todas las partes del controlador deben estar conectadas. Si no hay interacciones es mejor crear varios controladores ms pequeos


2.3 Seleccin de Variables (1/3)

Variables Manipuladas (MVs) Normalmente se utilizarn puntos de consigna

de los controladores bsicos Si el proceso bsico es muy lento entonces se

debe utilizar la salida a vlvula como MV Atencin a las discontinuidades generadas por

el sistema de control bsico (rangos partidos) Asegurarse de la independencia de las MVs

entre si.


2.3 Seleccin de Variables (2/3)Variables Controladas (CVs)

Asegurarse de que todas las restricciones del proceso estn incluidas

Incluir la salida a vlvula de los controladores bsicos que se utilicen como manipuladas en vez de fiarse del anti-windup en el DCS

Considerar transformaciones si existen no linealidades

Considerar estimadores inferenciales No repetir variables con el mismo significado

fsico


2.3 Seleccin de Variables (3/3)

Variables de Perturbacin (FFs, DVs) Asegurarse de que todas las posibles

perturbaciones medidas estn incluidas directamente aunque estn en otra unidad

Evitar variables de perturbacin que no sean completamente independientes


2.4 Control bsico (1/3)

Abrir las cascadas que operan con oscilaciones

Cerrar las cascadas que rechazan las perturbaciones de alta frecuencia

Eliminar las aplicaciones de Control Avanzado que tengan un periodo de ejecucin similar al controlador MPC incluirlas en el controlador

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2.4 Control bsico (2/3)

Eliminar los sistemas de control que provocan discontinuidades o no linealidades Controladores de rango partido Controladores no lineales de Nivel Override

Aadir medidas de la perturbacin donde sea posible un mejor rechazo de la perturbacin


2.4 Control Bsico (3/3)Ajuste de PIDs

Reducir oscilaciones al mnimoMejor es una respuesta suaveEl ptimo es un ligero sobrepasamiento Considerar todo el rango de operacinAtencin a los problemas mecnicos de las

vlvulas. No intentar solucionarlos mediante el ajuste!

Mirar los filtros utilizados

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2.5 Pruebas preliminares (1/4)

Objetivos de los Pre-test ...

1. Comprobar los objetivos de operacin

2. Confirmar el alcance del controlador

3. Reducir al mnimo el nivel de ruido

4. Comprobar el funcionamiento del sistema de

recogida de datos



Instalar el software en lnea Necesario para la recogida de datos

Preparar la lista de variables a recoger SP, PV y OP de los controladores bsicos Cualquier perturbacin potencial al proceso Medida de todas las restricciones Medidas redundantes Indicadores econmicos (si existen)

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Identificar los fallos de Instrumentacin Todo lo que interfiera con la operacin Vlvulas agarrotadas, rangos incorrectos,

instrumentos que fallan, ...etc. Modificar los ajustes del control bsico

Anotar las constantes de ajuste y los factores de filtro Iniciar un cuaderno de bitcora que documente

problemas y resultados



Anticipar las condiciones de los step-test Comprobar que la planta se puede operar en las

condiciones del test Estimar el tiempo de asentamiento y la

magnitud de los movimientos Identificar restricciones adicionales

Aadir medidas a la lista de variables a recogerDeterminar los modos de los reguladores

durante los test

13


3.1 Pruebas en planta (1 de 6)Soporte tcnico durante las pruebas

Siempre que se estn tomando datos de planta Las pruebas se monitorizan desde la consola de

Operacin Normalmente 24 horas al da

Los movimientos debe hacerlos el operador As participa activamente en las pruebas l es el responsable y tiene poder de veto Discutir los movimientos antes de hacerlos


3.1 Pruebas en planta (2 de 6)

Distribuir los movimientos en distintas series a lo largo de los test

Variar la duracin de los movimientos Algunos movimientos de duracin mayor o

igual que el estacionario Tiempo medio alrededor de del estacionario

En variables crticas los movimientos deben ser lo suficientemente grandes como para asegurar un relacin seal ruido de 6:1

14


3.1 Patrones de movimientos tpicos

(2) 0 2 4 6 8 10 12SS Times

0 5 10 15 20SS Times

0 5 10 15 20SS Times



La configuracin del control bsico no debe alterarse durante las pruebas Los controladores regulatorios son parte del

procesoEvitar saturacin o wind-up en los

controladores bsicos durante las pruebas Sera como poner el controlador en MANUAL Se modifica la dinmica del proceso

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Iniciar la identificacin de modelos durante las pruebas Comenzar en cuanto tengamos datos suficientes

disponibles Utilizar los resultados para modificar el tamao

o la duracin de los movimientos Hacer ms movimientos donde peores salgan

los modelos Seguir con las pruebas hasta que los modelos

fundamentales sean buenos


3.1 Prueba en planta (6 de 6)

Duracin esperada de las pruebas: 8..10 * (# Independientes) * (Tss)

Realizar 15-20 movimientos en cada variable independiente

Concentrarse en un movimiento cada vez Pueden hacerse otros movimientos si es

necesario Evitar movimientos correlacionados

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Identificacin Dinmica (1 de 2)

Analizar distintos casos Identificar los datos vlidos para la

obtencin de modelosSeleccionar nmero de coeficientes y

tiempos de estabilizacinConstruir el modelo final


Identificacin Dinmica (2 de 2)

Los primeros anlisis durante las pruebas Indican cmo van los test Primera idea de la bondad de los modelos No valen para comisionar

Anlisis detallados tras las pruebas Revisin a fondo de las condiciones de planta

durante las pruebas Eliminar los datos sospechosos Anlisis exhaustivo de la calidad del modelo

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Simulacin del controlador

Parmetros de ajuste del controlador: Optimizacin Econmica

Costes para la Programacin Lineal

Tratamiento de restricciones en estacionario Depende del Producto comercial

Minimizacin dinmica del error Depende del Producto comercial


Optimizacin econmica

Cada MV tiene un coste asociado Representa el incremento de beneficio asociado

a un incremento de +1.0 en esa MV Considerar la variable en s y el efecto

econmico de los cambios que produce en el resto del proceso

Normalmente se obtienen a partir de los precios de los productos y de las ganancias en estacionario del modelo

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Restricciones en estado estacionario

Hay que indicarle al controlador qu debe hacer cuando no hay solucin factible

Existen dos posibilidades: Jerarquizacin de las restricciones por orden de

rango se satisfacen las restricciones ms importantes sin

importan cunto se violan las dems

Minimizar la suma ponderada de violaciones optimiza el nivel de importancia global de las

violaciones de todas las restricciones


Ajuste Off-line

Definir distintos escenarios Perturbaciones tpicas Cambios de SP tpicos

Definir que entendemos por buen control Objetivos ptimos en el estacionario Objetivos no factibles Comportamiento Dinmico Esfuerzo de control

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Comisionado

Formacin informal a operadoresConectar el controlador con rangos

estrechos en las variables manipuladasModificar ajustes si es necesarioAmpliar los rangos de las variables

manipuladasModificar los lmites de las variables

controladas


Finalizacin del proyecto

Formacin rigurosa a los operadoresDocumentacin detallada de todas las fases

del proyectoEvaluacin de beneficiosPlan de seguimiento

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Caso Prctico

Para ilustrar la utilizacin de un control multivariable predictivo (MPC) se va a estudiar su utilizacin en el control de una columna superfraccionadora. Se trata de un Splitter de Propano-Propileno que se encuentra en la seccin de ligeros de la unidad FCC.


INTRODUCCIN

Se denominan superfraccionadoras las columnas de destilacin con un gran nmero de platos (80, 100, 120, incluso ms).

Separan componentes que tienen muy baja volatilidad relativa. El punto de ebullicin de los productos suele estar muy

prximo. Se pueden encontrar diferencias de temperatura entre cabeza y fondo de 10 C, 5 C o incluso menos.

La pureza en el producto destilado puede estar comprendida entre 99 y 99.9 % del componente a recuperar.

En muchas ocasiones la prdida por fondo no debe ser superior a 0.5% del producto de cabeza.

21


CARACTERSTICAS

La relacin L/D es muy alta, alcanzando valores de 15, 20 25 (P.e. 100 m3/h en el reflujo y 5 m3/h en el destilado).

El trfico interno lquido-vapor (L/V) es muy elevado. En el ejemplo anterior L/V = 100 / 105 = 0.95.

Tambin es muy elevada la energa necesaria en el reboiler para efectuar la separacin.

La variacin de composicin es muy lenta. Ante una perturbacin puede ocurrir que se alcance un nuevo estado estacionario en la columna en 6, 8, 10 o ms horas.

Para mantener la especificacin de los productos de cabeza y fondo, fundamentalmente el de ms valor aadido, es necesario disponer de un sistema de control que mantenga la columna totalmente ESTABLE. Es la columna de destilacin binaria ms difcil de controlar.


SISTEMA de CONTROL AVANZADO

B/F

SP

F

B

L/D

ALIMENTACION

FONDOS

DESTILADO

LC

T I FC AC

FX

FX

X

f (t)

F

T I

T I

FC

SP C

F I

F

FXf (t)

T IFXX

T I

C/F

T I

FLUIDOCALEF.

AC

FC T I

F

PC

FC LX

SP

LL + D

LC

LX CAL

LX X

V

D

SP

+

D/V

A I

..

.

22


Splitter C3/C3= : Objetivos de operacin

Por orden de importancia (menor a mayor) los objetivos son:1. Mnima prdida de fraccin C3= en fondo.2. Concentracion de C3= ajustada a mmimo

requerido.3. Presion diferencial dentro de lmites.4. Vlvulas de control dentro de lmites de

operacin


Splitter C3/C3= : Configuracin del Controlador

MVsCVsDVs

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Splitter C3/C3= : Modelo Identificado


Cosas Prcticas

El ejemplo anterior parece inocente y sencillo, los modelos obtenidos en la identificacin parecen correctos y las simulaciones previas a la puesta en marcha pronostican un buen comportamiento del controlador. Sin embargo, hay cuestiones de orden prctico que suelen hacer que el MPC fracase. No tiene nada que ver con la tecnologa empleada, son problemas inherentes al proceso que si no se tienen en cuenta esmuy probable que el proyecto termine siendo un fracaso. Cuanto ms grande sea el contexto del controlador, ms beneficios potenciales pero ms probabilidades de fracasar.

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OptimoEconmico Operando con

restricciones

Apertura vlvula

Temperatura

Velocidad Turbina

P en columnaPresin

Composicin

Regin deOperacin

Preferida porel Operador

Nueva Regin deOperacin

del Controlador

MV1

MV 2

Cosas Prcticas : Cambio Punto Operacin


Cosas Prcticas : Cambio Punto Operacin

Al poner en marcha el Controlador se produce un cambio en el punto de operacin que puede dar sorpresas

Analizador

Prediccin modelo

En el nuevo punto de

operacin se reduce el C3= en el fondo hasta agotarlo. La dinmica del

proceso cambia y el controlador se vuelve inestable

Nueva prediccin

Evento agotamiento, incorpora nueva DV

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Cosas Prcticas : Cambio Punto Operacin El nuevo modelo incorpora una DV adicional y esto hace cambiar algunas de las ganancias iniciales

Nueva curva para el agotamiento de C3= en el fondo

Nueva ganancia para el caudal de carga,

practicamente el 50%


Cosas prcticas : DVs no medibles

1. Que indique tanto la direccin, como la magnitud del cambio de composicin de la carga (CSE>0 ; carga ms ligera)

2. Que se detecte con suficiente tiempo de antelacin para poder hacer movimientos compensatorios

3. Que reaccione slo ante cambios de crudo, es decir que sea constante entre cambios.

Qu esperamos del Indicador del Cambio de Crudo (CSE) ?

La misma tcnica se pueda usar para correlacionar perturbaciones no medibles. Un ejemplo claro es la

deteccin de cambio de crudo en una Unidad de destilacin atmosfrica.

26



Se recopil los assays de todos los crudos que se procesaron durante los testsSe observ la variacin de nivel en los tanques para verificar la mezcla del crudo procesado y la hora exacta del cambioSe estudi el comportamiento de casi 200 variables asociadas al tren de intercambio durante los cambios de crudoLa temperaturas del crudo despus de los primeros intercambiadores en paralelo (intercambio con los gases de cabeza de la fraccionadora) fueron las que ms correlacin presentaba con los cambios de crudoSe us la media de estas temperaturas (TI-E3IN) como indicador primario

TRABAJOS PREVIOS



TI-E3IN tambin responde a cambios en otras variables independientes

Se calcula un modelo dinmico para el resto de variables que afectan a TI-E3IN

Se calcula el error de prediccin

El error de prediccin est solo correlacionado con los cambios de crudo

Se aplica un filtro inteligente para filtrar el ruido presente cuando no hay cambios de crudo

MEJORAS DEL INDICADOR PRIMARIO

27


Cosas prcticas : DVs no mediblesEvento calculado en dos semanas



(lnea discontinua sin CSE)

Cambio de signo

Mejora observada en los modelos

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Cosas Prcticas : Saturacin actuadores Imprescindible controlar todas las posibles saturaciones del proceso, concretamente las aperturas de las vlvulas que en su mayora incluyen no linealidades. En el splitter la vlvula de reflujo se comporta de la siguiente forma :

Es necesario controlar la OP

linealizada

Ganancia proceso baja accin agresiva controlador posible

inestabilidad

Ganancia proceso alta accin suave

controlador mucho feedback ms tiempo


Beneficios reales del MPC (1/3)

Capital Cost (including manpower) (%)

TAC - Traditional AdvancedControls

Potential from Computer Applications (%)

DCS - DistributedControlSystem

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

102030405060708090

100

TAC

Constrained MultivariableControl

DCS

Real-TimeOptimization

Beneficios esperados del MPC segn vendedores

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OptimoEconmico Operando con

restricciones

Apertura vlvula

Temperatura

Velocidad Turbina

P en columnaPresin

Composicin

Regin deOperacin

Preferida porel Operador

Regin final deOperacindel Controlador

Nueva Regin deOperacin

del Controlador

MenorVariabilidad


MV1

MV 2


Mejora el Control Bsico del proceso Lleva al punto ptimo econmico de operacin, pero

hay que tener mucho cuidado en el clculo de los costes, especialmente con los productos intermedios

Mejora el control de calidad de los productos Estabilidad, control seguro, manejo explcito de

restricciones Promedio de periodo de amortizacin de seis meses

o menos en la mayora de los procesos


30


Puntos dbiles del MPC Seleccin de MVs, CVs y DVs. Es necesario un conocimiento profundo del proceso. No hay herramientas sencillas para analizar las correlaciones entre s de las MVs y CVs


TI1089

0-50%

50-100%

FC0100

FC0098

LC0108 D-7

E-22 A/D

E-49

FC0095

FC0055

E-47E-50

LC0100

FONDO DESETANIZADORA

#40

#20

#12

A C44

LODOS

A E-16

SP

SP

SPTC

0142TI

0167

E-45A UNIDAD

DE MEROX

E-51

FC0117

FC0094

TI0452

#26

A43Y0501 PVR

2.3 Seleccin de Variables (2 de 4)

PC0127

A43Y0801

RELACIONREFLUJO/CARGA

Manipuladas (MVs)Controladas (CVs)Perturbacin (DVs)

INDs ?

31


TI1089

0-50%

50-100%

FC0100

FC0098

LC0108 D-7

E-22 A/D

E-49

FC0095

FC0055

E-47E-50

LC0100


#40

#20

#12

A C44

LODOS

A E-16

SP

SP

SPTC

0142TI

0167

E-45A UNIDAD

DE MEROX

E-51

FC0117

FC0094

TI0452

#26

A43Y0501 PVR


PC0127

A43Y0801



Qu falta!


TI1089

0-50%

50-100%

FC0100

FC0098

LC0108 D-7

E-22 A/D

E-49

FC0095

FC0055

E-47E-50

LC0100


#40

#20

#12

A C44

LODOS

A E-16

SP

SP

SPTC

0142TI

0167

E-45A UNIDAD

DE MEROX

E-51

FC0117

FC0094

TI0452

#26

A43Y0501 PVR


PC0127

A43Y0801



Reflujo !

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TI1089

0-50%

50-100%

FC0100

FC0098

LC0108 D-7

E-22 A/D

E-49

FC0095

FC0055

E-47E-50

LC0100


#40

#20

#12

A C44

LODOS

A E-16

SP

SP

SPTC

0142TI

0167

E-45A UNIDAD

DE MEROX

E-51

FC0117

FC0094

TI0452

#26

A43Y0501 PVR


PC0127

A43Y0801




Puntos dbiles del MPC Seleccin de MVs, CVs y DVs. Es necesario un conocimiento profundo del proceso. No hay herramientas sencillas para analizar las correlaciones entre s de las MVs y CVs

Falta de herramientas concluyentes para la validacin del modelo. Especialmente til para detener los tests en la fase de identificacin (la parte ms costosa del proyecto) Faltan herramientas estndar para la estimacin de beneficios del proyecto Dificultad en el seguimiento / mantenimiento del controlador. Las herramientas de diagnostico estn en su fase inicial. Es una tecnologa emergente en continuo desarrollo a pesar de ser una tecnologa consolidada en la industria. Requiere un gran esfuerzo de formacin

33


Criterios de Seleccin

Es esencial ponderar la experiencia del vendedor en cada sectoren particular, especialmente para los clientes noveles


Ruegos y Preguntas

ContenidoIntroduccionConsideraciones de DiseoCaso PracticoCosas PracticasBeneficios RealesPuntos debilesCriterios de SeleccionRuegos y Preguntas

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