El Verdadero Objetivo de un Sistema de Control Cómo convertir el Monitoreo de Control de Efectividad en una Optimización de Efectividad

El verdadero propósito de los sistemas de control de procesos es maximizar las ganancias de la planta. Enfoque con efectividad los cambios para mejorar: identifique, cuantifique, y priorice los problemas

Por: George Buckbee y Lew Gordon

Esta es una pregunta que no se escucha a menudo: ¿Cuál es el propósito del sistema de control de mi Planta? A primera vista, la respuesta parece ser tan obvia, que no vale la pena pensar sobre este tema. Las plantas modernas son simplemente demasiado grandes, complicadas, y peligrosas de operar sin controles de procesos. Sin controles de procesos, no habría productos para vender y no se recibiría ingresos. Pero esta respuesta justifica los sistemas de control por lo que ocurriría en su ausencia, y establece una barrera muy baja para juzgar su efectividad. Es más útil y constructivo, el justificar los controles en cuanto a lo que ellos contribuyen a las operaciones de una planta. Los ingenieros de planta responden esta pregunta en términos técnicos. Los sistemas de control de procesos:

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Mantienen estabilidad, en las condiciones deseadas Restauran las condiciones del proceso cuando son cambiadas por disturbios Llevan el proceso a nuevas condiciones de operación, en respuesta a cambios del valor deseado (“Set Point”)

Para medir esta contribución, los ingenieros de control usan métrica relacionada al control, tales como error integrado, respuesta a los cambios de carga, y robustez del sistema de control. Sin embargo, es más útil y significativo responder esta pregunta en términos económicos. El real propósito de un sistema de control de procesos es maximizar la rentabilidad de la planta, ayudándola a obtener una óptima renta, mediante una combinación de equipos de procesos, materiales de entrada, y gasto de energía. En este contexto, el sistema de control es una herramienta para maximizar la producción y rendimiento, mientras se minimiza el consumo de energía y los costos de mantenimiento por unidad de producto. Su efectividad puede, y debería

medirse, por su contribución a tasas aumentadas de producción, mayor rendimiento, ahorros de energía, economías en costos de mantenimiento, y tiempos mayores de operación de los equipos. Un sistema de control que opera con baja efectividad, y no está facilitando la operación de la planta en óptimas condiciones, simplemente no está realizando su trabajo. Senda para aumentar las ganancias No es suficiente saber que la efectividad de su sistema de control podría ser mejor. Si se desea enfocar efectivamente los esfuerzos para mejorarlo, usted debe identificar, cuantificar, y priorizar los problemas. Usted también debería poder seguir la pista, y confirmar los beneficios de cualquier acción correctiva. El seguimiento y la confirmación, proveen la justificación para enfocarse en otros aspectos. Más importante que eso, proveen la necesaria evidencia para mantener el entusiasmo y soporte de la Gerencia, que incluye el soporte presupuestario.

Un software flexible y capaz de monitorear la efectividad de los lazos de control es el mejor soporte para este proceso. Este software reside en un Servidor conectado con la red de datos del sistema de control de la planta. Acumula datos de procesos y de controI en tiempo real, y genera una historia de métrica de la efectividad de control. Un software con características completas, puede desarrollar diagnósticos y recomendaciones, y proveer herramientas integradas para sintonización de lazos y análisis de válvulas. Partir desde el comienzo El primer requisito de un sistema de control es que esté funcionando. El “Factor de Servicio” del Lazo de Control es la primera métrica que debiera ser un objetivo a mejorar. Para que un controlador se encuentre “en servicio”:

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La red de comunicaciones entre el proceso y la función de control debe estar operando correctamente. El sistema no debe marcar los datos recibidos como “malos”. El valor de la Variable de Proceso (PV) debe estar dentro de su rango calibrado.

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La señal de salida del controlador (CO), sea a un actuador o a otra función de control, no debe encontrarse en sus límites de operación.

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El controlador debería estar en modo “Control”, trabajando automáticamente.

Estas condiciones básicas deberían ser las primeras que se verifiquen en un esfuerzo para mejorar la efectividad.

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Errores de comunicación en la red, pueden indicar fallas o ausencia de equipos en terreno. Mediciones fuera de rango pueden indicar equipos de terreno en necesidad de ser recalibrados. Salidas de control normalmente en, o cerca de sus límites, pueden indicar hacia válvulas cuyos tamaños fueron indebidamente calculados. Los controladores quedan en posición “Manual” por una cantidad de razones, que incluyen actuadores dañados, controladores pobremente sintonizados, y diseños inadecuados de las estrategias de control. Lo que importa es encontrar por qué el Lazo permanece en control manual.

Todos los problemas indicados son, en realidad, oportunidades potenciales. Eslabones hacia una mejor efectividad del sistema de control, y más alta rentabilidad de la planta. Inestabilidad es el enemigo Los productos deben cumplir con sus especificaciones de calidad, y con los objetivos de cantidad de producción. No debe existir violación alguna de los límites de emisión. Además, se debe respetar los límites de operación de los equipos. Típicamente, la más alta eficacia de energía y rendimiento ocurre cuando una planta está operando simultáneamente contra las restricciones mencionadas. Cualquier condición de efectividad de una planta que no sea óptima, es negativa. La variación es el enemigo mortal de la optimización de las condiciones de operación. Sea que la variación aparece como ruido aleatorio, ciclos continuos, o pobre reacción a los cambios de carga, la consecuencia es la misma: para no violar los límites de operación, los valores deseados deben alejarse una distancia proporcional hacia el lado seguro de la operación óptima. Este margen cuesta dinero. Para la mayor efectividad económica, el alejamiento debería ser mínimo. Cuando mejora el control y se reduce la variación, el valor deseado (“Set Point”) puede ser movido más cerca del límite, sin violar la especificación del producto. Los ahorros de energía resultantes, pueden ser impresionantes. En un ejemplo de proceso de secado, una reducción de sólo US$120/hora, suma ahorros anuales significativos:

US$120/hr x 24 h/d x 350 d/y = US$1,008,000 $/yr

La línea de puntos define el máximo contenido de humedad permitido. Para evitar la violación de este límite, el valor deseado debe ser más bajo, de modo que la típica variación del contenido de humedad no exceda este límite. En promedio, el producto es secado en exceso. El precio pagado por un pobre control es un mayor consumo de energía y desperdicio de sólidos.

Este concepto no es menos aplicable a procesos por lotes, los cuales están a menudo cambiando de una a otra condición de operación. En este caso, es la efectividad a través del lote la que debiera ser estable y optimizada. Las transiciones deberían ser tan rápidas como lo permita la calidad del producto, para máxima razón de producción. Las variables medidas deberían seguir repetidamente una trayectoria óptima para máxima eficiencia energética, rendimiento, y vida del equipo. Encontrar el problema real La lista de indicadores y síntomas significativos de pobre efectividad de control, es larga y variada. Los principales entre ellos son mediciones de variabilidad y error, tales como desviaciones estándar, variancia, error promedio, error absoluto, error integrado, cruces del valor deseado, entre otros. Pero un paquete de Monitoreo de Efectividad de Lazos de Control, puede también cuantificar la efectividad de un sistema de control en formas más sutiles. Algunas de estas mediciones incluyen:

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Cambios de la señal de salida del controlador, bajo operación “Manual”. Cambios grandes indican un sistema de control en el que un usuario no puede confiar en “Automático”. Por lo tanto, el operador tiene que proveer el control. Cambios de Modo: En forma similar una gran cantidad de transferencias indica hacia controladores que no pueden manejar disturbios y/o cambios de valor deseado. En ambos casos, puede requerirse sintonización y/o cambios de estrategia. Mediciones de oscilación: el Monitoreo de Efectividad de Lazos de Control puede usar análisis de Fourier para detectar componentes periódicas sostenidas en la señal de una variable de proceso. Mediante referencia con otra información, tal como las existentes constantes de sintonización, el software puede diagnosticar la causa raíz del ciclo. Recorrido totalizado de las válvulas y de sus cambios de dirección: Valores altos y bajos indican cuales actuadores necesitan mantenimiento, y cuáles no lo necesitan. Esta percepción puede acortar cambios y evitar cierres no-planificados de la planta.

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Parámetros de Modelo de Proceso: Mediante la observación de la respuesta del proceso ante acciones normales del operador, el Monitoreo de Efectividad de lazos de control puede parametrizar el modelo del proceso en términos de tiempo muerto, tiempos de retraso de capacidad, y ganancias en estado estacionario. Esto puede demostrar una necesidad para re-sintonizar, sintonización adaptiva, y/o caracterización no-lineal.

Toda esta información puede ser de importancia crítica para el diagnóstico de las causas reales de una pobre efectividad del control. Una confirmación puede obtenerse de un análisis directo de la historia de datos de un lazo. Algunos de los problemas comunes que los usuarios pueden encontrar son los siguientes: Solución de problemas de oscilación: Una oscilación sostenida bajo control automático, es el ejemplo más dramático de pobreza de control. Cuando esto ocurre, puede existir un sinnúmero de razones, incluyendo actuadores dañados, controladores mal sintonizados, ganancias variables de lazo, lazos que interactúan, e inadecuado diseño de estrategias de control. Oscilaciones en expansión son tan inaceptables en operaciones normales, que nunca se debe tolerar controladores con ganancias suficientemente altas como para causar oscilaciones en expansión. El usuario necesita corregirlas inmediatamente (o colocar el controlador en manual permanentemente). Más a menudo, el problema es de oscilaciones variables, que aparecen y desaparecen con cambios en la razón de alimentación y/o punto de operación. Esto es siempre una fuerte pista de que alguna otra ganancia en el lazo es variable. Dos posibilidades son:

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Ganancia variable de la válvula. La relación entre la posición de la válvula y el caudal es a menudo no-lineal, por lo que la ganancia de la válvula cambia con su punto de operación. Un compensador no-lineal es a menudo la solución. Ganancia variable del proceso. Las ganancias del proceso varían a menudo con la producción y/o otras condiciones de operación. Ejemplos incluyen lazos de pH, y control de nivel en estanques de formas irregulares. Sintonización programada o adaptiva es a menudo la solución.

Solucionando problemas de las válvulas: Oscilaciones de amplitud constante son a menudo la consecuencia de la condición física del actuador final.

El registro muestra la tendencia de un lazo en oscilación. La tendencia blanca es la PV. La tendencia verde es la CO. Este ciclo no se está expandiendo ni decayendo. Por lo tanto, el problema no es de sintonización, y los intentos para eliminar la oscilación cambiando la sintonización van a fracasar. La pista está en la forma distorsionada de la tendencia de la PV, en comparación con la tendencia sinusoidal de la CO. Las secciones planas en las partes superiores e inferiores de los ciclos indican períodos en los que la PV no está cambiando aunque la señal a la válvula está cambiando. Esta es una clásica indicación de histéresis y/o fricción y estancamiento (“Stiction”) en el mecanismo de la válvula. Un gráfico de PV versus CO de estos pntos de datos, puede confirmar este diagnóstico.

Después de dibujar un gráfico de PV versus CO para confirmar el diagnostico, en el cual los pares de datos PV/CO mostrarán la histéresis en el actuador, el mantenimiento físico del actuador es a menudo la solución. A veces, el agregar una pequeña cantidad de derivativa a un controlador de caudal, puede sobrepasar el efecto de fricción y estancamiento. Trabajando con restricciones: Los Controladores operan a menudo en condiciones con restricciones operacionales. Si la condición es temporal, o cíclica, un lazo a menudo oscilará contra esta restricción aumentando la inestabilidad del proceso. Si persiste la condición, entonces existe una restricción permanente en el proceso, y una pérdida de control para esta variable. El adecuado cálculo del tamaño de la válvula, o configuración del controlador con señales para inicialización y seguimiento es a menudo la solución. Esto puede envolver integración con otras funciones de control usando selector y/o esquemas lógicos para una adecuada transferencia de automático a manual. Desenredando interacciones del proceso: Una típica unidad de proceso tiene una buena cantidad de lazos de control. Es raro encontrar un lazo cuya PV no siente también el efecto de influencias además de su propia CO. En forma similar, una salida de controlador afecta típicamente a múltiples mediciones. En este ambiente, las oscilaciones en un lazo a menudo aparecen también en otros lazos, sea directamente o por interacciones recíprocas. En forma similar, cuando existen disturbios en variables no-controladas, ellas también aparecen como variaciones en diversas PV que son afectadas. Esas son las fuentes de muchas oscilaciones sin explicación. El software de Monitoreo de Efectividad de los Lazos de Control, puede ayudar mediante la identificación de los lazos que están oscilando con frecuencias similares. Esto puede identificar el lazo que es la fuente del problema. Otra herramienta de este software, para resolver problemas de interacción es el Mapa de Interacciones del proceso. Esta herramienta ilustra el grado de interacción, y el relativo desplazamiento en el tiempo de la interacción. Se puede determinar la causa raíz como una fuerte influencia (color intenso) en el lado de adelanto del diagrama.

Cuando usted descubre estas interacciones, modificaciones del sistema de control, tales como prealimentación o controles de desacoplamiento, son a menudo la solución. Sin importar cuál es el tema, el problema más fundamental está, sin embargo, a menudo no en la tecnología de los sistemas de control. El mayor obstáculo para la optimización de un sistema de control se encuentra en la naturaleza humana. Problemas de efectividad pueden existir durante años sin que alguien se interese en enfrentarlos. Los usuarios terminan clasificando esos problemas como “normales”, y está sólo en la naturaleza humana aceptarlos como tal, en vez de arriesgarse a las inciertas consecuencias de un cambio. Sin embargo, con suficiente voluntad y perseverancia, la recompense puede ser significativa. Rentables oportunidades para mejorar la efectividad del sistema de control se encuentran en múltiples lugares de una planta de producción. Típicamente, no hay escasez de “frutos que cuelgan cerca de la mano”, que rendirán grandes beneficios económicos, a cambio de relativamente pequeñas inversiones de tiempo y esfuerzo.

SOBRE LOS AUTORES:

George Buckbee, P.E.: Vice Presidente de Desarrollo de Productos en ExperTune Inc.   Su e‐mail es: [email protected].   Lew Gordon: Ingeniero principal de aplicaciones en Invensys. Su e-mail es: [email protected].

Recursos •

Mejorar la Efectividad www.isa.org/InTech/20081105 • Poder de la Gente www.isa.org/InTech/20070204 • Convergencia de IT, Automatización www.isa.org/InTech/200801web Control Avanzado Desatado: Administración de efectividad de la planta para óptimo beneficio www.isa.org/link/ACU_bk

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  Traductor:   Rodolfo Villalón H., P.E.: Centro de Estudios y Perfeccionamiento Industrial, (CEPI) Ltda.    Representante de ExperTune. Su e-mail es: [email protected]