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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
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Tendencias en la Automatización de Procesos
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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
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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
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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
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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
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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
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Mejora del desempeño operativo Cómo?
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
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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
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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
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Mejora del desempeño operativo Cómo?
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 aplicaciones de sintonía y optimización de lazos
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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
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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)
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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
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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
Optimización de Activos Creando valor a partir de la información
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Mediante interfaz de visualización (tipo cliente liviano) para el sistema.
Que incluya:
Gráficos
Tendencias y SPC
Alarmas y eventos
Interfase a Excel®
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Mejora del desempeño operativo Cómo?
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 aplicaciones de sintonía y optimización de lazos
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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
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El Escenario de Control Avanzado de Procesos
LAB
MPC
ModeloRTOModelado Riguroso
Optimizaciónde Lazos Control de Proceso en DCS
Proceso
SPC MvSPC
SPC
ModelosInferenciales Operador
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¿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
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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?
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El desempeño real no es óptimo!
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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
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¿Cómo son los datos de un lazo de control?
Salida de control
Set-point & valor de proceso
Tiempo
O
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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
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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
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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
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Diferencia entre Sintonía y Evaluación
Etapa de Diseño Etapa de Evaluación
Diseño razonable
Diseño ligeramenteagresivo
?
¿es esto un buen control?Si no: ¿por qué?
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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.)
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Supervisión de lazos de control – no-invasivo!
índices (KPI)
Monitoreo de Condicionesde Lazos de Control (CLCM)o Auditoria
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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
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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
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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
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Índice de Oscilación (dominio del tiempo)
0.88 0.25Controlador sintonizado
0 = sin oscilación, 1 = oscilación perfecta
Tiempo [s]
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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 [%]
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Diagnóstico usando correlación cruzada
control de composición control de caudal
Diagnóstico: fricciónestática
no hay fricción© ABB / PA / Control Systems
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Antes:
Después:
Índice de Harris – Ejemplo
0.47
0.96
O
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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
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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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