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Digitalización de las operaciones gracias a la simulación

Control Avanzado y nuevos modelos de optimización

GPROMS Plattform original
Visión general de la plataforma gPROMS de Siemens PSE. FOTO: Siemens
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Las tecnologías de Control Avanzado de Procesos (APC) – que se pueden definir como todos aquellos procedimientos de control que van más allá de un simple lazo de control PID – se llevan utilizando en el control de los procesos industriales desde los años 80 hasta el punto de que en la actualidad casi se consideran una commodity en determinados sectores de la industria de proceso. Gracias a estos métodos se consigue reducir la varianza y la desviación típica de las variables de control y además se hace posible desplazar los setpoints más cerca de las limitaciones críticas del proceso, pero sin el riesgo de sobrepasarlas.


Dicho con otras palabras, los beneficios que se consiguen gracias al uso de estos métodos son entre otros un mayor rendimiento y calidad de los productos, una reducción en el consumo de materias primas y de energía, minimizar la carga de trabajo del operador (reduciendo a su vez el número de alarmas) y una regulación de los lazos de control más optimizada.


Algunos de los proveedores de soluciones de DCS, como es el caso de Siemens con el SIMATIC PCS 7, proporcionan la posibilidad de implementar funcionalidades APC integradas en el propio DCS. Pero es cierto, que en ocasiones debido a la complejidad del proceso que se requiere controlar o a la capacidad de computo necesaria para resolver el problema es necesario recurrir a soluciones externas implementando una interfaz con el DCS en base a estándares como comunicaciones OPC.


Por otra parte, las herramientas de simulación son utilizadas ampliamente en la industria de proceso en mayor o menor medida en diferentes fases del ciclo de vida de una planta: desde el I+D, durante la ingeniería para llevar a cabo una simulación del diseño del proceso y su optimización, continuando con el uso de un modelo de simulación para llevar a cabo una puesta en marcha virtual para reducir tanto los tiempos como los costes, así como los problemas durante la puesta en marcha real, y por último a nivel de operación típicamente en sistemas de entrenamiento de operadores (OTS).


Nos podríamos plantear si es posible sacar provecho también del gemelo digital de la planta - en base a una simulación basada en un modelo predictivo de alta fidelidad - durante la operación de la planta para funcionalidades relacionadas con el Control Avanzado. En una primera instancia, es fácil entender que los modelos de simulación son útiles para probar y comparar diferentes conceptos y estrategias de control, puesto que permiten ejecutar experimentos del tipo “que ocurre si” sin coste, sin riesgos para la instalación y además de manera reproducible. ¿Pero sería posible ir un paso más allá?


Para conseguirlo Siemens adquirió a finales de 2019 la compañía Process Systems Enterprise (PSE), un proveedor global líder en tecnología de software y servicios para el modelado avanzado de procesos que ofrece soluciones basadas en modelos que abarcan todo el ciclo de vida del proceso a través de un conjunto de herramientas unificado e integrado. La plataforma de simulación gPROMS combina tanto modelos en estado estacionario como dinámicos con todo el poder de las capacidades de optimización, análisis y modelado orientado a ecuaciones en un entorno de diagramas de proceso fácil de usar.  De manera opcional, se pueden utilizar diferentes librerías para caracterizar aplicaciones e industrias especificas como plantas de agua - tanto desalación como tratamiento de agua, refino, procesos químicos, plantas de energía, y un largo etcétera, incluyendo también electrolizadores y celdas de combustible que están en auge en la actualidad gracias a tecnologías como el hidrógeno verde.


En concreto con la incorporación de la tecnología de PSE, gracias al uso de soluciones basadas en modelos durante la operación de la planta, Siemens está en disposición de aportar valor mediante la habilitación de las siguientes funcionalidades:


Utilización de soft sensors o sensores virtuales que permiten estimar variables de proceso desconocidas o calcular KPIs relevantes gracias al modelo de simulación de alta fidelidad y los datos en tiempo real del proceso. Estos sensores virtuales pueden ser utilizados tanto para el control como la monitorización del proceso, por ejemplo, como variables de control en un sistema de Control Predictivo basado en Modelo (MPC) o bien mostrándose en los sinópticos del Sistema de Control para lograr que los operadores de planta obtengan una mayor transparencia sobre el proceso que están controlando.


Disponer de un programador para llevar a cabo una optimización de la planta (RTO). Mediante esta solución se pueden obtener los setpoints optimizados para los diferentes lazos de control de una parte o de toda la planta. Esto se consigue a partir del modelo actualizado del proceso ejecutando un cálculo de optimización matemática para maximizar un objetivo de beneficio económico variando múltiples variables de decisión importantes para el negocio como pueden ser los precios de los materiales a producir, el coste de la energía y las materias primas utilizadas, la disponibilidad de los equipos de planta y la demanda del mercado. Al mismo tiempo el operador de planta puede obtener una indicación del beneficio económico que puede obtenerse con la implementación de este conjunto de setpoints.


Desarrollar un Control Predictivo basado en Modelo no Lineal (NLMPC). Existen determinados tipos de procesos por lotes o semicontinuos, como los reactores de polimerización, dónde el uso de un controlador MPC lineal se complica por los continuos cambios en las condiciones de operación. Para este tipo de procesos, Siemens PSE ha desarrollado un NLMPC basado en la combinación del modelo dinámico de planta junto con los datos actuales de operación de la planta para maximizar el rendimiento durante la operación normal y el cambio en las condiciones de operación, proporcionando setpoints óptimos para los lazos de control y los sistemas APC mientras se asegura que se conserven las restricciones de calidad de los equipos, procesos y productos.

Gdap3 platform overview


Visión general de la solución de Siemens PSE para digitalizar las operaciones (gDAP)


De este modo la adquisición por parte de Siemens del proveedor de gemelos de procesos digitales Process Systems Enterprise (PSE) ha traído nuevas capacidades para la digitalización de las operaciones de proceso basadas en la combinación de modelos predictivos de alta fidelidad que contienen un conocimiento profundo del proceso y datos de planta. Además, estas soluciones de vanguardia ayudan a completar la visión de utilizar un mismo gemelo digital durante todo el ciclo de vida de la planta.


Roberto Sandoval García,

Responsable de Producto de Soluciones DCS 

y de Simulación en Proceso en Siemens España




Este artículo aparece publicado en el nº 530 de Automática e Instrumentación

Págs. 48 a 49

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