C) Dos agentes son afectados por un tercero: Es el caso en que un agente controla una variable que afecta a otros, tal vez más de dos Dicho agente recibirá peticiones de
3.5.5 Tratamiento de Fallas
Las fallas que pueden presentarse en el proceso real son de muy diversas naturalezas, aunque para someter a prueba las habilidades de coordinación de los agentes, se adicionó al software la capacidad de simular algunas fallas que por sus propósitos
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experimentales pueden considerarse temporales. En realidad la falla de una válvula de control o un fluido que alimenta al proceso, causarían el disparo del sistema de protección llevando el proceso a un paro de planta.
El sistema de protección, este es un sistema de control independiente del SCD que sigue secuencias de cambios en apertura y cierre de válvulas. Sólo utilizado para llevar el proceso de una condición operativa a otra de mínima energía conocida como paro de planta. Al activarse el sistema de protección, los sistemas de control son relegados de sus funciones, por el drástico cambio en las condiciones de operación.
Las funciones de los agentes se consideran válidas en las regiones de operación y encaminadas al rechazo de disturbios habituales, incluso detección de fallas como atascamiento de válvulas o pérdida de alguna señal de campo, por ejemplo. Aunque una condición de falla puede ser detectada por un agente y la estrategia de control puede adaptarse a esa condición mientras no sea crítica, no se considera que los agentes, al menos en este estudio, puedan afrontar condiciones extremas como un paro de emergencia o un arranque. Las condiciones de paro y arranque de una planta son muy diferentes a las de operación en estado estable, en esos dos casos realmente es necesaria la intervención del personal de planta.
No obstante, suponiendo que los agentes pudieran hacer algo por controlar el proceso operando en esas condiciones, el proceso se mantiene en operación para observar las acciones de los agentes y compararlas con lo que harían los controladores. Las acciones por tomar dependen del tipo de falla que se presente.
Las fallas que pueden simularse son la caída abrupta de cada uno de los flujos que alimentan a la torre y atascamiento de las válvulas de control. Podría parecer que la falla de la válvula que controla el agua es lo mismo que la falla del flujo de agua o que la falla de una válvula es lo mismo que la falla del agente que la controla. No obstante, para los propósitos de la simulación, la diferencia entre la falla de un flujo y la de su válvula está en que al atascarse la válvula deja algún valor de flujo entrando al proceso, mientras que la falla del flujo lo hace cero. Por otra parte, la diferencia entre la falla de la válvula y su agente está en que cuando falla la válvula el agente puede alarmar y avisar a los otros, cuando el agente falla las comunicaciones con él se pierden y la válvula queda en la posición que el agente la dejó. Suponiendo que en un proceso real controlado por agentes uno o algunos fallaran, la peor consecuencia es que el controlador se queda en modo manual, ya que el agente opera a través del dispositivo PID como interfaz con la válvula, por lo que el operario debe volver el interruptor del controlador al modo automático.
Contrastando con la falla de un agente, en las condiciones de falla de válvula o de algún flujo es necesario que el agente detecte la falla. La presencia de perturbaciones
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externas o cambios en el punto de ajuste ayudan al agente a detectar fallas en su válvula pues al obligarlo a ajustar su salida puede percibir si los ajustes son seguidos por su variable controlada, al no ser así el agente detecta la falla y con ello el conjunto de agentes debe coordinarse para mantener el proceso en algún estado estable. Sin embargo en condiciones de estabilidad sería difícil para el agente detectar fallas en su válvula, por lo que compara continuamente estado actual del proceso con el estado estimado de su modelo de simulación en las condiciones actuales.
Una vez detectada y diagnosticada la falla, el agente debe tomar la acción correspondiente a lo que deba hacer con el proceso. En algunos casos las acciones de protección se encaminan a vaciar los cambiadores de calor antes de que el contenido se solidifique en el interior y en otros casos se prefiere mantener caliente el fluido dentro del cambiador en espera de que las condiciones cambien, las acciones dependen del proceso y del tipo de falla que se presente.
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En este capítulo se presentan los resultados de las simulaciones hechas con los elementos desarrollados controlar un proceso utilizando agentes. Como se verá a través de los experimentos presentados su principal ventaja es que pueden coordinarse cuando las condiciones de operación cambian e incluso reorganizar la estrategia de control cuando se presenta una falla que obliga a manejar el proceso de manera distinta a la habitual.
Con propósitos de comparación los experimentos se realizan simultáneamente con un modelo de la torre controlado con el esquema de control clásico y paralelamente un segundo modelo idéntico al primero controlado por los agentes.
Dado que las regiones operativas pueden ser diversas, se procura simular las condiciones que los controladores enfrentan en condiciones normales de operación. Adicionalmente se pretende observar hasta dónde las acciones de los agentes son capaces de controlar el proceso ante perturbaciones externas e incluso fallas del proceso. Por esa razón algunas de las perturbaciones y los cambios en los puntos de ajuste son deliberadamente exagerados en comparación con lo que habitualmente puede ocurrir en el proceso real; con esto se pretende probar la robustez del modelo y de los controladores. Puede decirse que con las condiciones extremas a las que se somete el modelo y el esquema de control se buscan las regiones donde la estrategia de agentes no puede sobreponerse a las perturbaciones. Se ha considerado que si la estrategia de control es capaz de sobreponerse al peor escenario que podría presentarse, entonces puede enfrentarse a las condiciones habituales.
Los experimentos se concentran en observar la respuesta de los agentes como controladores en las circunstancias siguientes:
• Seguimiento a cambios en el punto de ajuste.
• Rechazo a perturbaciones producidas por las corrientes que entran al proceso.
• Organización en condiciones de falla.
De acuerdo con la clasificación de variables establecida en la sección “D.2.2 Estrategia de ControlAVANZADO”, los experimentos se enfocan en la respuesta de cada
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variable controlada a cambios en su consigna y en los efectos que las cuatro variables escogidas para perturbaciones tienen sobre las cuatro variables principales del proceso. En las pruebas con los puntos de ajuste solamente se compara la respuesta de la variable afectada en cada torre. En el caso de los experimentos con perturbaciones pueden esperarse diversos efectos sobre todas las variables del proceso, pero la atención se centra en las variables controladas que son afectadas directamente por cada perturbación, por ello, como guía para seleccionar las variables a capturar en cada experimento, la Tabla 4-1 establece las relaciones más importantes entre las perturbaciones y las variables afectadas, siendo la letra de cada casilla la importancia que la perturbación tiene sobre la variable; esto de acuerdo con el arreglo de ganancia relativa (D-30) presentada en dicha sección y la Figura D-6 de la página 319. En la Tabla 4-1 cada columna representa la variable que resulta más afectada por las perturbaciones introducidas mediante las variables dispuestas en los renglones de la tabla.
2 < . # ! zD TD zF NF TC C B A B FC C C B A zC A C A B TA B A B B Donde:
A: Tiene un efecto directo
B: Efecto secundario, como resultado de interacciones C: Efecto moderado
Podrían realizarse dieciséis experimentos con las cuatro variables de disturbio para observar su efecto sobre las cuatro controladas, el número se incrementa si se considera que las perturbaciones pueden ser de tres tipos cíclicos utilizando funciones seno, rampa o pulsos. Aunque realmente en un experimento pueden agruparse diferentes variables siendo el límite diez de ellas, se realiza un experimento por cada variable de perturbación utilizando la función rampa y se capturan las variables controladas con etiqueta “A” en la Tabla 4-1 para compara su efecto en cada torre, así como sus variables manipuladas, por lo que en las secciones correspondientes a pruebas con puntos de ajuste y perturbaciones respectivamente se presentan cuatro experimentos.
Debe advertirse que dada la magnitud de las pruebas, es válido que el proceso llegue a desviarse del punto de ajuste, el objetivo de los experimentos es comparar las
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capacidades de ambos esquemas de control para llevar su proceso de vuelta a su consigna en el menor tiempo posible y sin causar con sus acciones más perturbaciones.
Debido a la falta de datos de un proceso real la respuesta dinámica de la columna no se puede validar, no obstante, se emplearon resultados de simulaciones con modelos estacionarios para ajustar las ganancias entre las variables controladas y manipuladas, con los datos que presentan en Alsop y Ferrer [225], [226] y Gokhale et al. [203] así como el modelo del manual de HYSYS v3.1 se ajustaron los parámetros del modelo hasta obtener las características dinámicas descritas en dichas publicaciones, como tiempo muerto y constantes de tiempo, realizando pruebas exhaustivas de tipo escalón a lazo abierto en las variables de interés.
Para escalar la simulación de varios días del proceso real a horas en el entorno de simulación se utilizó un factor de tiempo real de 47.05 (minutos simulados/minutos reales), con esto en el modelo transcurren 800 minutos (13:20 horas) en 17 minutos reales, en la simulación que se señala en [226] el factor es 12.
Una vez construido el modelo usando como base el programa en FORTRAN presentado en Luyben [227] y complementado con los modelos de Smith y Corripio [36] Se procede identificando las corrientes del proceso como se representa en la Figura 4-1 para asignarles los valores de sus parámetros y definir las condiciones iniciales de la simulación.
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; !
En la Figura 4-1 los rombos numerados representan las corrientes de la torre de destilación cuyos datos de operación se presentan en la Tabla 4-2 siguiente:
2 A
Corriente 1 2 3 4 5 6
Nombre→ (carga) C3’s destilado Vapor Fondos Reflujo destilado Vapor Domos
Vapor, lbmol/hr 0 8214.423 0 0 8214.423 0 Líquido, lbmol/hr 1785.744 0 714.2977 7142.977 0 0 Presión, psia 240 220 240 220 240 220 Temperatura, °F/°C 140/60 140/60 140/60 140/60 194/90 140/60 Propileno, mol% 0.725 0.8 0.5 0.8 0.5 0.8 Propano, mol% 0.275 0.2 0.5 0.2 0.5 0.2
Las características físicas de la torre que el modelo representa son las siguientes:
2 A #$ ;
Número de platos 232
143
Espacio entre platos 60.92 cm
Diámetro de la columna 3.50 mts
Altura 142 mts
Propileno en domo 0.8 mol-%
Propileno en fondos 0.2 mol-%
Carga:
Flujo 1785.744 lbmol/hr
Propileno 0.725 mol%
Los rangos en los que pueden oscilar las cuatro variables de perturbación son los siguientes:
2 /
Variable Mínimo – máximo, unidad Temperatura del enfriante 64.4 – 104, °F / 18 – 40, °C
Temperatura de la carga 68 – 212, °F / 20 – 100, °C Composición de la carga 0.5 – 0.95 mol-%
Flujo de carga 1190.4962 – 2380.9924, lbmol/hr / 150 – 300, mol/s
Habitualmente el objetivo del control es alcanzar y mantener una composición de domo del 95% de pureza, lo cual equivale al 5% de componente ligero o el 95% de componente pesado en el fondo. Para ese fin debe mantenerse un nivel de fondo lo más cercano al 100% de su capacidad, por lo que el punto de ajuste de nivel de fondo se ajusta a un 97.5% y una temperatura de domo del 40%; es decir procurar que no opere con un domo muy caliente.
Es importante mencionar que en el esquema de control con agentes el control de la composición de fondo se hace manipulando directamente la temperatura, no a través de un arreglo en cascada por ello en los casos donde se muestran las acciones de los controladores sólo se presentan las curvas del flujo de vapor al rehervidor en la T2 mientras que en la T1 se presentan las curvas del arreglo maestro-esclavo.
Con objeto de emplear una misma escala en la representación gráfica de las variables, sus rangos se escalan a valores que van del 0 al 100% tanto en las variables que se dibujan en la pantalla como las que se pueden salvar en archivos de datos. De este modo se pueden dibujar en una misma gráfica variables como composiciones junto a variables como flujos, cuyas unidades difieren en su magnitud por varias potencias de diez. Por esa razón en lo sucesivo se hace referencia a magnitudes en porcentaje. Por ejemplo, en condiciones de operación la temperatura de domo debe ser de 60° C, lo que equivale al 28.6% del rango de la variable. Asimismo, el flujo de carga en condiciones
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normales de operación se sitúa a la mitad del rango que va de 155 a 300 mol/s, lo que equivale a 225 mol/s o el 50% en la escala de 0 a 100%. Lo mismo aplica a las demás variables de perturbación en la Tabla 4-4, durante las simulaciones se ajustan a la mitad de su rango para tener un margen del 50% hacia arriba o hacia abajo en la generación de perturbaciones.
Con objeto de sintonizar los seis controladores se sigue el procedimiento de Ziegler y Nichols (Z-N) descrito en [36], que consiste en aumentar la ganancia del controlador, sin acciones integral ni derivativa, mientras se realizan pequeños incrementos en el punto de ajuste hasta lograr que el lazo de control oscile. Con los datos obtenidos, la ganancia máxima o última Ku y el período máximo o último Tu de la respuesta oscilatoria de cada
lazo sintonizado mientras los demás están en modo manual (abiertos) se sintonizan los parámetros de acuerdo con la Tabla 4-5 a continuación:
2 , . $ B C ) = ? Tipo de controlador P I D P 2 u K - - PI 2 . 2 u K 2 . 1 u T - PID 7 . 1 u K 2 u T 8 u T
Se considera sintonizar primero los controladores de fondo, ya que es donde se inserta la energía para que los lazos de domo funcionen. Se comienza con el lazo responsable de la producción de vapor destilado. Considerando que es un control esclavo del control de composición, el primario es puesto en manual y al secundario se le cancela la función de esclavo para independizarlo del primario. En la Figura 4-2 se presenta la respuesta del controlador de temperatura de fondo en el momento que comienza a lograse la oscilación, aunque las oscilaciones lentamente se van atenuando por lo que se hacen incrementos adicionales en la ganancia del controlador, ver Figura 4-3, hasta que se sostienen por lo que se ha llegado a la ganancia “última” o máxima, con la cual se reajustan los parámetros del controlador con lo que se atenúa rápidamente la oscilación del lazo, Figura 4-4. Puede verse que la temperatura no puede realmente alcanzar la
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misma amplitud de la señal del controlador; eso se debe a que su constante de tiempo es más grande. Sin embargo, en la Figura 4-5 capturada durante la sintonía del control de composición de fondo, se nota que la temperatura es capaz de seguir fielmente en trayectorias que no varían tan rápidamente, esta figura corresponde al momento en que el controlador primario es sintonizado con sus parámetros de Z-N. En la misma figura, se nota el efecto de los escalones insertados en el punto de ajuste del control primario, debido a que el control de temperatura es el secundario de este arreglo sigue tan rápido como es posible al maestro aún a costa de tener que oscilar más rápidamente.
/ # / " # D ! # D ! ! #
Una vez que el lazo de temperatura de fondo está sintonizado, el procedimiento de se aplica al control de composición. En la Figura 4-6 se observa el momento en que el
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controlador comienza a oscilar sostenidamente. A la misma figura se agrega la respuesta del lazo secundario ya que la salida del control de composición es el punto de ajuste del control de temperatura. Así, al haber sintonizado primero el controlador secundario se asegura que responderá apropiadamente al control de composición. En la misma figura se observa que la composición no responde tan rápido como lo hacen los controladores. En la Figura 4-7 se observa la respuesta del lazo de composición cuando ya se han determinado los ajustes del controlador escritos en la Tabla 4-6.
Se intenta seguir el mismo procedimiento para sintonizar el controlador de composición de domo, no obstante al aumentar la ganancia se producen “espigas” que producen respuestas abruptas del controlador por lo que hacen cada vez más inestable al lazo. La Figura 4-8 muestra el momento en que los incrementos en la ganancia y los escalones hacia arriba y abajo comienzan a sostener e incluso a aumentar la magnitud de las oscilaciones. No obstante en los siguientes minutos la oscilación no muestra, al menos, una frecuencia fundamental en la cual poder basarse para estimar el tiempo integral como se ve en la Figura 4-9 la cual es la continuación de la Figura 4-8, por lo que se toma como período máximo (o último) el de la Figura 4-8. Con los valores estimados de ganancia y de período, se sintonizan los parámetros del control de composición con lo que se obtiene la respuesta del lazo vista en la Figura 4-10.
La conducta vista en la Figura 4-9 guarda semejanza con la que se observa y se explica en [225] de donde se toma la gráfica de antes y después de la estrategia de control que ellos presentan y se reproduce en la Figura 4-11 para su comparación ya que se nota que es un lazo inestable.
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147 5 / ! 8 / ! . : / # D ! 7 ) B 9 * +
El lazo de composición de domo padece un problema, después de ser sintonizado como se vio en la Figura 4-10, cuando se hace un cambio en el punto de ajuste tiende con mucha facilidad a desestabilizarse como se ve en la Figura 4-16. Nótese que la fase de la acción de control es de 90° respecto a la composici ón. Esto se debe a que interactúa con el lazo de composición de fondo; los ajustes hechos en el reflujo afectan la temperatura de fondo, en respuesta el control correspondiente ajusta la temperatura y con ello la cantidad de vapor a lo que el control de composición de domo responde con una variación en sentido opuesto en el reflujo. Con objeto de atenuar su sensibilidad se decide reducir su ganancia a la mitad, con lo cual se logra que el lazo deje de oscilar, como se ve en la misma figura, después de lo cual se le hacen algunas pruebas cambiando su punto de
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ajuste como se ve en la Figura 4-13, la cual es la continuación de la figura anterior donde se ha empleado una menor escala de tiempo para apreciar la oscilación con más detalle.
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Por su parte, los lazos de nivel de domo y fondo, se sintonizan rápidamente siguiendo el procedimiento de Z-N. En el caso del nivel de fondo la Figura 4-14 muestra las oscilaciones del lazo mientras que después de sintonizarlo se establece en el punto de ajuste después de aproximadamente 25 horas como se ve en la Figura 4-15.
Durante la sintonización del lazo de temperatura de domo se capturan las respuestas a ganancia máxima y después de sintonizarlo de la Figura 4-16. Asimismo la sintonización del lazo de nivel de domo se muestra en la Figura 4-17.
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% 4 ! 3 /
Los parámetros de sintonía de cada controlador se registran en la Tabla 4-6 siguiente: 2 % 4 $ ,6A B C ) = ? Sección de domo P I D Composición: 0.1875 50 0 Temperatura: 0.9375 20 0 Nivel: 1.5 7.5 0 Sección de fondo Composición: 3.06818 3.3333 0 Temperatura: 3.23529 40 0.001 Nivel: 0.21325 55 0.001
La siguiente fase es producir el conocimiento que los agentes necesitan para controlar el entorno, por ello las RN de los agentes se entrenan en el simulador de una torre antes de iniciar los experimentos comparativos.
Los agentes no se sintonizan, pero deben entrenarse. Antes de insertar el agente al