la simulación dinámica aplicada al Índice control ... · tiempo alimentan el siguiente ......
TRANSCRIPT
1
Get More from OneAvantis • Foxboro • SimSci-Esscor • Triconex
Process Systems
La simulación dinámica aplicada al control automático de procesos
Fusari-Marrassini
Ing. Marina FusariIng. Norberto Marrassini
2Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Índice
¿Qué es la Simulación Dinámica?
¿Cuáles son las diferencias entre Simulación Estacionaria y Simulación Dinámica?
Aplicaciones de la Simulación Dinámica
Simulación Dinámica-Control de Procesos
Construcción de una Simulación Dinámica
Operación de una Simulación Dinámica
Ejemplos de aplicación
3Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
¿Qué es la simulación dinámica?
La Simulación Dinámica modela procesos industriales complicados basándose en principios fundamentales de la termodinámica y fórmulas matemáticasLa Simulación Dinámica puede usarse para analizar escenarios de operación de planta normal o emergencia bajo el esquema “qué-pasa-si”. El modelo estará sujeto a las mismas restricciones hidráulicas, de transferencia de calor y de materia que la plantaPuede usarse para entrenar personal (llevar a cabo operaciones críticas antes de realizarlas sobre la planta real)Puede usarse en estudios de Optimización / Control AvanzadoLos modelos dinámicos predicen de forma precisa el estado estacionario así como el comportamiento transienteLa Simulación Dinámica puede ejecutarse en “tiempo-real”, es decir el modelo puede ejecutarse para ver la respuesta en términos de minutos/segundos de operación o bien ejecutarse más rápido o más despacio que el tiempo real
4Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Estado Estacionario vs. Estado Dinámico
Simulación Estacionaria
Balance de masa
Balance de energía
Balance de momento
N/A
Otras relaciones Presión-Flujo
N/A
Simulación Dinámica
Balance de masa
Balance de energía
Balance de momento usando Darcy
Otras relaciones Presión Flujo aplicables a situaciones no estándar de la Ley de Darcy (Ej.: bombas,compresores, tuberías y válvulas en flujo crítico)
∑∑ −=productsfeeds
FF )()(0
∑∑ −=productsfeeds
FF )()(0
∑∑ +−=productsfeeds
QHFHF ).().(0
∑∑ −=productsfeeds
FFdtdm )()(
∑∑ +−=productsfeeds
QHFHFdtdE ).().(
PkF ∆= .
5Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Estado Estacionario vs. Estado Dinámico
Simulación Estacionaria
Se fijan presiones para calcular flujos (o viceversa)
Simulación Dinámica
Presiones y flujos calculados a partir de ecuaciones de balance y restricciones (Ej.: CV de una válvula) e interacciones (Ej.:Apertura/Cierre de la Válvula)
P1
P3
P?F?
F?P3
P?P1F?
F?
6Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Estado Estacionario vs. Estado Dinámico
Simulación Estacionaria
Un solo conjunto de resultados para el estado estacionario
Simulación Dinámica
Los resultados de cada paso de tiempo alimentan el siguiente paso
Ex yD
D
D
x0 x1
x1 x2
xn Xn+1
……
2
7Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Estado Estacionario vs. Estado Dinámico
Estado Estacionario Estado Dinámico
Cuando el estado transiente termina los resultados concuerdan con el Estado Estacionario:
“Validación del Estado Estacionario
Matches Steady-State Simulator Solution
Dynamic Simulator Solution Get More from OneAvantis • Foxboro • SimSci-Esscor • Triconex
Process Systems
Simulación Dinámica-Aplicaciones
Fusari-Marrassini
9Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Diseño del Proceso
Diseño del Proceso
10Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Diseño del Proceso
Necesidad: ¿Cómo diseñar un proceso que reduzca el costo por equipo y al mismo tiempo sea fácil de controlar?
Respuesta: La información requerida para el diseño sólo puede obtenerse a partir de una simulación dinámica, con un sistema de control realista y perturbaciones anticipadas.
11Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Análisis de Seguridad
Diseño del Proceso
Análisis de Seguridad
HAZOP
Start-Up
Shut-DownWhat If Scenarios
12Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Análisis de Seguridad
Necesidad: Estudios ¨Qué pasa si…¨(¨What if¨)
¿Qué pasa si el reactor se queda sin agua de enfriamiento?
¿Qué pasa si la válvula no abre?
¿El sistema de alivio está correctamente dimensionado?
Respuesta: La planta simulada puede ir a donde no se quiere que la planta llegue!
La simulación dinámica puede enseñar cómo recuperarse de situaciones indeseables y descubrir capacidades escondidas. Uno puede tener la habilidad de demostrar que los setpoint pueden operarse más cerca de las restricciones ayudando al operador a ganar confianza
3
13Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Selección de la Estrategia de Control
Diseño del Proceso
Análisis de Seguridad
Selección de la Estrategia de Control
14Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Selección de la Estrategia de Control
Necesidad: ¿De tres estrategias posibles de control para una unidad de crudo cuál es…
- La más económica?
- La más segura?
- La más robusta?
Respuesta: El simulador dinámico le permite al ingeniero comparar el funcionamiento de las distintas estrategias de control, e investigar las interacciones entre el proceso y los lazos de control
15Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Verificación del Sistema de Control de la Planta
Diseño del Proceso
Análisis de Seguridad
Selección de la Estrategia de Control
Verificación del Sistema de Control de la Planta
16Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Verificación del Sistema de Control de la Planta
Necesidad
Respuesta: Sistemas de control nuevos o modificados pueden ser evaluados con seguridad sin poner en riesgo el equipo de la planta. El tiempo es dinero y acelerar el Comissioning de la planta puede ahorra mucho dinero.
ProcesoReal
DCS
SimulaciónDinámica
DCS
17Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Entrenamiento de Operadores (OTS)
Diseño del Proceso
Análisis de Seguridad
Selección de la Estrategia de Control
Verificación del Sistema de Control de la Planta
Entrenamiento de Operadores (OTS)
18Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Entrenamiento de Operadores (OTS)
Necesidad: ¿Cómo entrenar operadores antes de dejarlos operar la planta?
¿Cómo asegurar que el modelo refleje de forma precisa las condiciones reales de la planta?
¿ Cursos de actualización para operadores?
Respuesta: El entrenamiento de operadores es una extensión natural del chequeo de control y de la simulación dinámica.
Una vez que se ha configurado el control, se ha validado y funciona como se esperaba, el modelo integrado de proceso y el sistema decontrol se convierte en la perfecta Estación de Entrenamiento.
Los operadores pueden practicar el arranque, parada y situaciones de emergencia. Situaciones que no ocurren todos los días
4
19Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Mejora en la Performance de la Planta
Diseño del Proceso
Análisis de Seguridad
Selección de la Estrategia de Control
Verificación del Sistema de Control de la Planta
Entrenamiento de Operadores (OTS)
Mejora en la Performance de la Planta
20Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Aplicaciones-Mejora en la Performance de la Planta
Necesidad: ¿Cómo lograr esto?
Respuesta: Al entender mejor el proceso es posible hacer pequeños arreglos en el equipo de la planta, localización de la alimentación, condiciones de operación o estrategias de control que pueden dar lugar a incrementos en el rendimiento, variabilidad del proceso, uso de la energía, calidad del producto y minimización de desechos.
Los modelos dinámicos de alta fidelidad pueden usarse para sintonizar los controles.
21Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Simulación Dinámica-Aplicaciones
Diseño de Procesos
Reducción del costo de equipos, análisis del sistema de control y de perturbaciones anticipado.
Selección de la estrategia de control
Comparación del comportamiento de estrategias de control alternativas e investigación de la interacción entre el loop de control y el de procesos
Análisis de seguridad
Evaluación cuantitativa de los sistemas de alivio
22Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Simulación Dinámica-Aplicaciones
Verificación del sistema del control de la planta
Verificación de la funcionalidad del nuevo sistema de control antes de la implementación final
Entrenamiento de Operadores (OTS)
Extensión natural de la verificación de control para el caso de los operadores
Mejora de la performance de la planta
Mejor entendimiento de los procesos mediante realización de pequeños cambios
Get More from OneAvantis • Foxboro • SimSci-Esscor • Triconex
Process Systems
Simulador Dinámico-Control Automático de Procesos
Fusari-Marrassini 24Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Librería de ControlesLos modelos en la librería de controles se usan con dos fines. Pueden combinarse en forma conjunta para proveer capacidades de funciones de transferencia, o integrarse en un modelopara proveer un sistema de control funcional
PID ControllerSurge controllerMaster Balancer
– Usado como controlador para salidas múltiples
Dual Input SwitchMultiple Input Selection
– Provee el valor más alto, más bajo, mediano o promedio de una determinada cantidad de puntos
Rate limit– Establece la salida de acuerdo con una relación limitada en la entrada
LeadLag– Provee la influencia lead y lag sobre una entrada analógica
5
25Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Librería de ControlesLatch- Provee un algoritmo latch digital simple
Logical And- Establece la salida digital como verdadera si todas las entradas digitales son verdaderas
Logical Or- Establece la salida digital como verdadera si alguna de las entradas digitales es verdadera
Function Generator- Establece la salida analógica basada en interpolación lineal
Calculator- Establece como salida digital el resultado de la ecuación
SummationTimer
26Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Controlador PIDEl controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo) provee tres algoritmos, Ideal, Paralelo y Serie para control Proporcional y/o Integral y/o Derivativo
El usuario puede elegir cualquier combinación de acciónProporcional, Integral o Derivativa mediante una adecuadainicialización de las ganancias del controlador
El usuario puede elegir también el tipo de acción del controlador, DIRECT (PV-SP) o REVERSE (SP-PV)
En la acción DIRECT, la salida se incrementa si el error se incrementa en dirección positiva, y decrece si el error se incrementa en dirección negativa, ej. Controlador de nivel
27Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Controlador PID
En acción REVERSE, el controlador actúa en forma opuesta, ej. Controlador de flujo.
Si la ganancia proporcional (Kp) no se inicializa, la parte proporcional del algoritmo no se agregará a la salida
Si la ganancia integral (Ki) no se inicializa, la parte integral del algoritmo no se incluye en la salida
Si la ganancia derivativa (Kd) y el tiempo derivativo (Td) no se inicializan, la parte derivativa del algoritmo no se agrega a la salida
28Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Controlador PIDDefinición de Parámetros– Action - Acción del controlador PID– B_Out - Bias en la salida– B_PV - Bias en el valor del proceso– B_SP - Bias en el set poing– Hi_In - Límite superior en la salida– Hi_Out - Límite superior en la entrada– K_PV - Ganancia del proceso– K_SP - Ganancia del set point– Kd - Ganancia derivativa– Ki - Ganancia integral– Kp - Ganancia proporcional– Lo_Out - Límite inferior en la salida– Lo_In - Límite inferior en la entrada– Period - Período de tiempo en segundos– PV - Valor del proceso– SP - Set point– Td - Tiempo derivativo en segundos
29Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
PID Loop de control simple
En modo normal hay una variable medida y una manipulada. El transmisor, el controlador y el actuador forman un loop de control simple.
El ejemplo muestra la aplicación del controlador PID para control de flujo en modo normal. El transmisor de flujo mide el flujo y lo transmite al controlador de flujo. El controlador de flujo toma la acción correctiva basado en el error. La salida del controladorcontrola la posición de la válvula y por lo tanto el flujo.
30Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
PID Control en cascadaEn el control en cascada hay una variable manipulada y más de una variable medida
El ejemplo muestra que la temperatura del reactor se mantiene mediante circulaciónde agua en la camisa del reactor. La temperatura de reactivos se mide y se transmite al controlador maestro. La temperatura a la cual se desea mantener el reactor se determina como el set point en el controlador maestro. La temperatura de salida del agua de enfriamiento se mide y se transmite al controlador secundario. La salida del controlador maestro es el set point para el controlador secundario. El loop de control secundario detecta cambios en la temperatura del agua de enfriamiento y ajusta el flujo de la misma de acuerdo con esto.
6
31Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Controlador PIDModos del controlador
– Auto - PID establece la salida basándose en la acción, el error en SP y PV y el ajuste de los parámetros inicializados
– Manual – Establece la salida del PID mediante ajuste del manual output slider – DCS Override – Establece la salida a DCS.
32Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Controlador SurgeControlador PID usado para mantener un compresor fuera del surge mediante ajuste de la posición de la válvula.
La entrada de la línea de control del surge y el PV las obtiene de la curva del compresor al cual está asociado.
Utiliza el error en el SP que obtiene de la línea de control de surge y del PV para tomar unaacción de control.
El usuario especifica el surge offset definido como el flujo para potencia cero. La línea de control de surge es una línea paralela a la línea de surge que se interseca con el offset a potencia cero.
La proximidad del punto de operación al surge se define en términos de la Proximidad de Surge– Valor < 1 fuera de la región de surge– Valor = 1 en la línea de surge– Valor > 1 dentro de la región de surge
S urg e C on tro l L ine
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1 2 3 4
Q
DH
Com pres s or curveS urge LineControl Line
Surge Offset
ExitFlowCompressorlowSurgeLineFmitySurgeProxi =
33Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Controlador SurgeDefinición de Parámetros– Action - Acción del controlador PID– B_Out - Bias en la salida– B_PV - Bias en el valor del proceso– B_SP - Bias en el set poing– Hi_Out - Límite superior en la salida– K_PV - Ganancia en el valor del proceso– K_SP - Ganancia en el set point– Kd - Ganancia derivativa– Ki - Ganancia integral– Kp - Ganancia proporcional– Lo_Out - Límite inferior en la salida– Period - Período de tiempo en segundos– PV - Valor del proceso m3/sec– Qmax - Flujo máximo en la curva del compresor en m3/sec– SP - Set point.en m3/sec– Td - Tiempo derivativo en segundos
34Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Controlador Surge
Disyuntor de bajo flujo, alarma de bajo flujo y disyuntor externo– La trip fraction (TripFrac) es una fracción del offset del surge y establece el flujo de corte a potencia cero. La
línea de corte pasa por este punto y es paralela a la línea de surge – Si TripFrac = 1, se superpone con la línea de control. – Si TripFrac = 0, se superpone con la línea de surge. Si no se desea que haya corte por bajo flujo entonces,
TripFrac debe setearse como 0.
Cuando el punto de operación está debajo de la línea de corte el controlador surge es desconectadoy la salida de corte va hasta el 100%. Permanecerá en ese valor por un período de tiempo igual al TimeDead incluso cuando el punto de operación vuelva a estar dentro de la zona normal. Una vezque pasa este tiempo la salida del controlador alcanza el valor de salida del PID con un decaimiento de primer orden basado en el tiempo de decaimiento (TimeDecay).
S u rg e C o n tro l L in e
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1 2 3 4
Q
DH
C om pres s or c u rveS urge L ineC ont ro l L ine
Trip flow at zero head
Trip line
35Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Controlador Surge
El controlador Surge también puede ser desconectadomanualmente o estar basado en alguna desconexiónlógica definida por el usuario. La salida de la desconexiónlógica pasa a ser la entrada de la desconexión externa. Ésta última tiene prioridad sobre la desconexión por bajoflujo.
La alarma de bajo flujo es el valor límite de la salida del compresor por debajo del cual el controlador surge da unaalarma. Se indica mediante el parámetro LowFlowStatus, cuya salida va de 0 a 1 bajo estas condiciones.
Get More from OneAvantis • Foxboro • SimSci-Esscor • Triconex
Process Systems
Simulador Dinámico-Construcciónde una Simulación
Fusari-Marrassini
7
37Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Login
Los defaults son:
administrator/sim4me (ambiente de administrador)
simsci/simsci (ambiente ingenieril)
38Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Creando un nuevo caso
File – New>Simulation
39Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Definiendo las unidades de medición
• Seleccionar un set de UOM predefinido o crear uno propio(similar a PRO/II y ROMeo)
40Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Especificando los componentes
• Seleccionar todos los componentes necesarios, independientemente del set al cual van a pertenecer
41Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Especificar el set de componentes
Agregar un set y arrastrar los componentes que se deseenhasta ese set
42Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Especificar el Método Termodinámico
Crear un método, expandir thermodynamic data, clickear el botón derecho y seleccionar los métodos
8
43Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Dos formas de armar el flowsheet
Clickear para elegirClickear para arrastrar
44Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Dos formas de configurar los ModelosDoble-click:Data Edit Window (DEW)
Botón derecho>Edit: Object Editor Viewer (OEV)
Especificar la configuración de datos
La selección del set de componentes y método termodinámico es opcional
45Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Cargar y correr el modelo
Unfreeze/resume
ShutdownCargar el modelopor primera vez
Freeze
46Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Crear un sistema Source-Valve-Sink
Set Sink PB to 100
47Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Visualización del Modelo
Monitor/Point Viewer Object Editor/Viewer (OEV)in view mode
48Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Agregar un gráfico de Tendencias
9
49Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Operar la válvula y visualizar la tendencia
50Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Guardar y cerrar la simulación
2) Save3) File -Close
1) Shutdown
Get More from OneAvantis • Foxboro • SimSci-Esscor • Triconex
Process Systems
Operando una simulación
Fusari-Marrassini 52Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Operando la Simulación
Velocidad de Simulación del Modelo
Agregar un Punto de Referencia
Agregado de Widgets y Primitives
53Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Velocidad de Simulación del Modelo
La velocidad de Operación se expresa como un porcentaje del tiempo real
La opción Simulation Speed permite moderar la velocidad a la cual la simulación avanza en el tiempo
La velocidad actual requerida se visualiza y se modifica desde el tablero Simulation Status
Usar el mouse para operar los ¨spin buttons¨ para cambiar la velocidad requerida
La velocidad máxima para el modelo depende del tamaño de la simulación y el tipo de hardware
Para ver la Simulation Speed real usar SIMSPD como punto de referencia
54Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Agregar Referencias al Flowsheet
Puntos de Referencia
Indicador de Flujo
10
55Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Agregar-Configurar Widgets y Primitivas
Agregar Botones Widget
Agregar Indicadores Widget
Agregar Slides Widget
Agregar Primitivas de Texto
56Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Operar el Modelo desde la GUI
Algunos modelos pueden ser operados desde el flowsheet, como válvulas, controladores, motores, etc
Haciendo doble click sobre el objeto, aparece un cuadro de diálogo de operación
57Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Operando el modelo desde la GUI
La válvula se opera mediante el movimiento del comando cuando el modo es manual.
Operar el controlador mediante el cambio del set point cuando se encuentra en modo Auto.
58Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Ejemplo de Aplicación
Flujo Revertido
59Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Ejemplos-Control de Nivel en un Separador
60Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Ejemplos-Stripper de Agua Ácida
11
61Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Ejemplos-Deetanizadora
62Invensys Confidential
Process Systems
Fusari-Marrassini
Cierre
¿Preguntas?
¿Comentarios?
MUCHAS GRACIAS