2008
Curso “Sistemas de Supervisión”
Segundo Informe
Profesor: Dr. Juan Cardillo
PROYECTO:
“PROPUESTA PARA EL CONTROL DE SISTEMAS DE
PRODUCCIÓN CONTINUA DESDE LA TEORÍA DE
CONTROL SUPERVISORIO DE SISTEMAS A EVENTOS
DISCRETOS”
POR:
GERMAN ZAPATA MADRIGAL
DIRECTOR:
Dr. EDGAR CHACON RAMIREZ
Universidad de los Andes
Mérida, Venezuela
CONTENIDO
1. ESTADO DEL ARTE EN EL DISEÑO DE SISTEMAS DE SUPERVISIÓN BASADO EN EL
ENFOQUE HOLÓNICO ................................................................................................................ 6
CONCLUSIONES REVISION BIBLIOGRAFICA .......................................................................... 12
2. CONSIDERACIONES PRELIMINARES PARA LA SUPERVISION DE SISTEMAS HOLONICOS
– HSS .......................................................................................................................................... 14
3. DIFERENCIAS ENTRE EL SUPERVISOR JERARQUICO Y EL SUPERVISOR HOLONICO..... 16
4. FUNCIONES DE UN HSS ........................................................................................................ 17
5. ELEMENTOS METODOLOGICOS PARA EL DISEÑO DE HSS ............................................. 19
5.1 EL AUTOMATA DISCRETIZADO DE LA PLANTA (GPL)..................................................... 19
5.2 ELABORACION DE ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA DE SUPERVISION .................... 21
Guía para elaborar las especificaciones ............................................................................. 21
Tablas para definir especificaciones ................................................................................... 21
5.3 ENLACE CON LA HMI ..................................................................................................... 24
6. CASO DE ESTUDIO ................................................................................................................ 25
6.1
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ............................................................................................. 25
6.2
SECUENCIAS DE ARRANQUE ............................................................................................. 26
Arranque en caliente ........................................................................................................ 26
Arranque en frío ............................................................................................................... 27
Búsqueda de presión de operación .................................................................................. 27
Operación normal ............................................................................................................. 27
6.3
FALLAS .......................................................................................................................... 28
Temperatura alta en los gases de combustión ................................................................ 28
Presión Baja ...................................................................................................................... 28
Presión Alta ....................................................................................................................... 28
Nivel en tanque bajo ......................................................................................................... 28
Nivel en tanque alto .......................................................................................................... 29
No se realiza la ignición .................................................................................................... 29
Secuencia de parada ......................................................................................................... 29
6.4
ESPECIFICACIONES ......................................................................................................... 29
2
REGIONES DE OPERACIÓN .................................................................................................. 32
6.5
AUTÓMATA DISCRETIZADO .............................................................................................. 32
6.6
DESCRIPCIÓN FORMAL DE SECUENCIA DE ARRANQUE EN FRÍO ............................................. 34
Descripción de cada uno de los componentes de la secuencia de arranque ................. 34
Autómata de la planta ...................................................................................................... 35
6.7
INTERFAZ GRAFICA ......................................................................................................... 35
CONCLUSIONES......................................................................................................................... 37
BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 39
3
FIGURAS
Figura 1. Módulos del holón recurso .............................................................................. 14
Figura 2. Agregación de la UP ....................................................................................... 15
Figura 3. Arquitectura general de supervisión ................................................................ 19
Figura 4. Sistema de supervisión. Toma de decisiones. ................................................. 20
Figura 5. Autómata discretizado ..................................................................................... 20
Figura 6. Mapeo del autómata discretizado con la HMI................................................. 24
Figura 7. Intercambiador de calor de un paso................................................................. 25
Figura 8. Partes constitutivas del sistema ....................................................................... 26
Figura 9. Autómata discretizado de la planta: Arranque en frío ..................................... 33
Figura 10. Enlace de variables del proceso .................................................................... 35
Figura 11. Relación del esquemático del mímico con la componente gráfica ............... 36
Figura 12. Interfaz gráfica del operador ......................................................................... 36
4
TABLAS
Tabla 1. Diferencias entre el Supervisor Jerárquico y el Supervisor Holónico .............. 16
Tabla 2. Funciones de un HSS ........................................................................................ 17
Tabla 3. Secuencia de arranque ...................................................................................... 21
Tabla 4. Secuencia de parada.......................................................................................... 22
Tabla 5. Secuencia en operación normal ........................................................................ 22
Tabla 6. Secuencias ante falla ......................................................................................... 22
Tabla 7. Variables de estado ........................................................................................... 22
Tabla 8. Variables de salida ............................................................................................ 22
Tabla 9. Variables de entrada ......................................................................................... 22
Tabla 10. Leyes de control.............................................................................................. 23
Tabla 11. Parámetros de control ..................................................................................... 23
Tabla 12. Variables discretas .......................................................................................... 23
Tabla 13. Alarmas........................................................................................................... 23
Tabla 14. Variable de estado continúo ........................................................................... 29
Tabla 15. Variables de salida .......................................................................................... 30
Tabla 16. Variables discretas .......................................................................................... 30
Tabla 17. Parámetros de control ..................................................................................... 30
Tabla 18. Alarmas........................................................................................................... 31
Tabla 19. Fallas............................................................................................................... 31
Tabla 20. Eventos que determinan operación degradada ............................................... 31
Tabla 21. Indicadores de desempeño .............................................................................. 32
Tabla 22. Regiones de operación .................................................................................... 32
5
1. ESTADO DEL ARTE EN EL DISEÑO DE SISTEMAS
DE SUPERVISIÓN BASADO EN EL ENFOQUE
HOLÓNICO
Para establecer la incidencia del paradigma holónico en el diseño de sistemas de
supervisión de procesos y aportar criterios para la construcción de estos sistemas dentro
de dicho paradigma, se presenta inicialmente la literatura que aborda el tema de manera
directa y luego se revisan las características que definen un sistema como holónico.
Pese a que realmente son pocos los trabajos que tratan específicamente la supervisión de
procesos desde el enfoque holónico, que incluyan criterios desde este enfoque para el
diseño de los sistemas de supervisión (Li-Chen, 2000), (Simão, 2005), (Rezg, et al.,
1997), (Lelis, et al., 2005), (Colombo, 2001), (Seilonen, 2004), (Suárez, et al., nd),
(Georgoudakis, 2005), (Leitão, 2004), existe literatura en la que se considera algún
atributo, característica o criterio holónico o afín, para la supervisión del proceso.
Incluso, los desarrollos basados en agentes o los MAS, también aportan criterios para
las concepciones actuales y futuras que se tienen de los sistemas de supervisión
(Seilonen, nd), (Seilonen, Appelquist y otros, nd) (Seilonen, 2005), (Teppo, 2006). Así
se afirma en (Avouris and Van,1993), (Contreras,et al.,2001), (Lelis, et al., 2005), (Wu,
S.H., 2004), donde se menciona que los sistemas basados en arquitecturas de agentes
cooperantes, que se fundamentan en los avances de la computación distribuida y la
solución distribuida de problemas, están siendo introducidos en aplicaciones de
supervisión de procesos industriales, como sistemas de apoyo a los operadores en tareas
como diagnóstico de fallas y restablecimiento del sistema.
Partiendo de la definición propuesta por el Consorcio HMS (HMS, 2004), un holón
tiene como atributos básicos: la autonomía, la cooperación, la proactividad y la
reactividad. En (Leitão, 2004) se precisa que, además de estos atributos, la capacidad de
aprendizaje y auto-organización y la flexibilidad son importantes.
Otras características propias de los sistemas holónicos son: la inteligencia distribuida
(Leitão, 2004), (Avouris and Van,1993), (Georgoudakis, 2005), la estructura de
información descentralizada, la autoridad en la toma de decisiones, la integración de
aspectos físicos y de información, y la relación entre holones (Gou y otros, 1997; HMS,
2004; Torrealba, 2005). La tendencia actual gira en torno al cambio de sistemas con
controladores individuales a sistemas formados por colecciones de sistemas físicos y de
información heterogéneos, con interconexiones e interacciones complejas (Suárez, et
al., nd).
(Avouris y Van,1993) expresan directamente que en el diseño de interfaces de usuario
(a nivel de SCADA), no se han introducido aspectos como la distribución del
conocimiento y del razonamiento, la naturaleza cooperativa de las interacciones, la
heterogeneidad de nodos para resolver problemas.
6
Según (Rezg, et al., 1997), los nuevos sistemas de control supervisorio deberán estar
dotados de habilidades de adaptación, con nuevas capacidades de búsqueda de
soluciones, habilidades de innovación, permitiéndoles modificar sus reglas y sus
sistemas de control de acuerdo con los objetivos perseguidos y la detección de
condiciones de degradación. El comportamiento lleva a tener sistemas distribuidos,
basados en la noción de una misión a cumplir, incluyendo algunos grados de libertad y
autonomía local. La noción de objetivo y su indicador de desempeño asociado se
vuelven importantes. El comportamiento basado en metas es característico de las
sociedades formadas por holones o por agentes (Seilonen, 2004) y en ese sentido, el rol
del supervisor es fundamental.
A continuación se relacionan los trabajos que se analizaron, en los cuales se incluyen
directamente atributos holónicos en la supervisión.
Por ejemplo, en (Li-Chen, 2000), se afirma que para proveer a los SCADA de las
funcionalidades tales como autonomía, cooperatividad, agilidad, inteligencia
distribuida, se desarrolla un mecanismo SCADA ágil, denominado Holonic SCADA, en
los que las MTU, RTU y los dispositivos de campo son construidos como holones.
Dentro del holón MTU se distinguen los módulos de comunicaciones, registro, librería
de requerimientos estratégicos y de usuario, envío de requerimientos. Dentro del holón
RTU se tienen los módulos de comunicaciones, registro, ejecución de requerimientos,
base de datos común. Básicamente la propuesta está orientada hacia la descomposición
modular, la inteligencia distribuida y la cooperación entre los módulos.
En (Suárez, et al., nd) se afirma que la concepción de un holón es claramente una
extensión de los sistemas SCADA, con comunicaciones mejoradas y capacidades de
procesamiento claramente orientadas a la toma de decisiones.
El trabajo de (Simão, 2005) aborda directamente el control holónico. Propone un
Supervisor Holónico (HSC – Holonic Supervisory control) y lo presenta como aquel
sistema cuyo propósito es controlar la cooperación de las necesidades de los equipos
(holones) para producir partes, mediante un proceso de producción definido (método).
El HSC es responsable de organizar la cooperación entre los recursos por medio de
requerimientos de servicios con base en las decisiones que toma. Estas decisiones
podrían estar basadas en las capacidades y estados de los recursos. Los equipos
(holones) son elementos esenciales a ser manejados por el HSC. Así, el HSC instiga la
cooperación de Holones-equipo por medio de Métodos y comandos, y la toma de
decisiones es suministrada mediante notificaciones.
En (Rezg, et al., 1997), el control supervisorio es actualizado con un modelo dinámico
que ayuda a anticipar situaciones de riesgo, mediante búsqueda de conjeturas que
podrían llevar el sistema a condiciones críticas (proactividad); aprendizaje, para mejorar
el conocimiento acerca de situaciones ya conocidas y modificación de reglas de trabajo
y órdenes para adaptarse dinámicamente al contexto, de acuerdo con las perturbaciones
(falla de un equipo) o modificación de objetivos (arribo de órdenes de producción
urgentes). En la estructura que se propone, se incluye un supervisor de R&W, al cual se
le encomienda la tarea de la reactividad. Este supervisor se caracteriza por la habilidad
de reaccionar a estímulos mediante la búsqueda de una solución admisible, en un
tiempo apropiado, considerando la dinámica de su ambiente. De esta manera un control
7
supervisorio será reactivo si da una solución admisible después de la ocurrencia de un
evento en un tiempo apropiado, respetando las especificaciones fijadas por el nivel
superior. El nivel reactivo está comandado por un supervisor proactivo, el cual traduce
los objetivos desde el nivel superior y está habilitado para anticiparse a corregir
tendencias que podrían ser un obstáculo para alcanzar los objetivos.
Según (Lelis, et al., 2005), la base de un sistema de supervisión es el diagnóstico de
fallas. Cualquiera sea el grado de sofisticación del sistema de control, debe tener un
módulo de supervisión que incluye un módulo de monitoreo, uno de detección de fallas
y uno de toma de decisiones. “El objetivo final de la supervisión es el de lograr
sistematizar la tolerancia a las fallas. Otra parte importante es la ayuda en la toma de
decisiones con el propósito de disminuir los efectos de las fallas en el funcionamiento
del proceso”. Los SCADA se pueden considerar sistemas de supervisión “tradicional”,
que se enfocan en interfaces HMI y captura de datos. Tienen además, el sistema de
alarmas; generación de referencias para los lazos de control local y su monitoreo. En
estos sistemas aún es precaria la funcionalidad de diagnóstico de fallas.
Para (Colombo, 2001), el control holónico es responsable de la interfaz entre el sistema
y las personas o entre este y otros holones y los sistemas de información y periféricos
(sensores y actuadores). Para ello contiene módulos de software que utilizan
comunicaciones interholónicas para negociar y coordinar los planes de producción y
recuperarse de operaciones anormales; funciones de control en tiempo real para
supervisar las secuencias de operaciones, así como para detectar mal funcionamiento.
Un modelo para el monitoreo de procesos industriales, basado en una ontología
holónica es presentado en (Georgoudakis, 2005). El modelo propuesto hace posible la
efectividad de la distribución de inteligencia, mediante herramientas de asociación web
services y distribución de trabajo a los holones a través de workflow.
Dentro de las necesidades de información propias de un sistema de automatización,
(Teppo, 2006) establece que la supervisión del proceso se requiere en todo instante para
observar cambios críticos en la operación. Cambios que pueden ser debidos a
variaciones en la entrada de materia prima, daños de equipos o cambios en el manejo
del proceso. Sin embargo, dentro del mismo sistema de supervisión, las necesidades de
los usuarios son diferentes. Por ejemplo, las necesidades de información del operador
del cuarto de control son distintas de las del administrador, quien está interesado en la
medición del desempeño global. Por tanto, las herramientas de supervisión deben ser
personalizadas a las necesidades de los diferentes usuarios. La arquitectura propuesta se
basa en sociedades de agentes, formadas por un conjunto de agentes de información
mediadores con distintas responsabilidades o roles. La operación interna de los agentes
se basa en el principio orientado por metas (goal-orientated). El resultado final es un
sistema de supervisión, basado en MAS, configurable por el usuario.
Con respecto a la incidencia de los atributos holónicos que deben ser considerados en
un sistema de supervisión, puede destacarse la importancia de la función supervisora
para lograr la autonomía del holón. Si se parte de la definición de autonomía propuesta
por (Colombo, 2006), (Wyns, 1999), (Luder, 2005) y (Leitão, 2004): “capacidad de una
entidad de crear, controlar y monitorear (supervisar) la ejecución de sus propios planes”,
es claro el papel de la supervisión al convertirse en elemento de la autonomía. Para
Langer (Langer, G. nd), la autonomía se logra por la capacidad que tiene el holón de
8
tomar decisiones. En un esquema de control, la toma de decisiones se realiza mediante
el supervisor.
La arquitectura holónica HoMUCS (Langer, 1999) provee una estructura interna del
holón consistente en un conjunto de clases y mecanismos basados en eventos. El
descriptor de autonomía está conformado por reglas que determinan la autonomía
holónica mediante la abstracción del sistema en sus funciones fundamentales de
planeación, ejecución y monitoreo (supervisión).
Acerca de la proactividad como atributo holónico a considerar dentro de los sistemas de
supervisión, entendida esta como capacidad del holón de anticiparse cambios en sus
planes y objetivos, se encuentra por ejemplo el aporte de (Bunch, et al., 2004), quien
afirma que la detección temprana de condiciones anormales mediante sistemas
proactivos de monitoreo puede ayudar a prevenir salidas no planeadas, reducir pérdidas
de producción y frecuencia de mantenimiento, mejorar la eficiencia del operador al
mejorar la identificación de fallas.
El rol de la proactividad en la supervisión es garantizar que la operación normal se
respeta e identificar situaciones de riesgo que podrían conducir a romper esa normalidad
(Rezg, et al., 1997). De otro lado, las situaciones anormales deben ser observadas antes
de que afecten los objetivos de producción (Seilonen, nd).
Un atributo del control holónico, a través del supervisor holónico, es predecir estados
futuros. Esto es posible si se tienen habilitados modelos de predicción. Por ejemplo, la
capacidad en una máquina podría utilizarse para predecir la producción que dicha
máquina tendrá y notificar a otros holones esta capacidad probable. La notificación
relacionada con la predicción de estados futuros puede ser muy útil para la toma de
decisiones (Simão, 2005).
Según (Rezg, et al., 1997), el nivel proactivo del supervisor detecta tendencias en los
indicadores de evolución, condiciones de degradación apoyado en la ejecución histórica,
cambios en el contexto o algunas modificaciones en los objetivos que vienen desde
niveles superiores. Así, el nivel proactivo debe estar habilitado para anticiparse en
corregir tendencias que podrían ser un obstáculo para alcanzar los objetivos.
En (Lelis, et al., 2005) el objetivo de la predicción de un sistema de supervisión es
anticipar y prevenir fallas críticas y la subsiguiente necesidad de realizar una acción
correctiva de operación o mantenimiento. Los resultados de la predicción son utilizados
para tomar decisiones anticipadas.
Con respecto a la reactividad, entendida como la capacidad de reaccionar a estímulos
del entorno, puede afirmarse que este atributo es una funcionalidad propia de los
sistemas de supervisión de la actualidad, es decir, la reactividad ya está incluida como
atributo holónico en los sistemas convencionales.
El nivel reactivo se caracteriza por la habilidad de reaccionar a estímulos mediante la
búsqueda de una solución admisible, en un tiempo apropiado, considerando la dinámica
de su ambiente (Rezg, et al., 1997).
9
En DES, la reactividad está caracterizada por la definición e integración de las
restricciones organizacionales y disfuncionales del sistema de producción y por
tomarlas en cuenta durante el tiempo de ejecución. De esta manera un control
supervisorio será reactivo si da una solución admisible después de la ocurrencia de un
evento en un tiempo apropiado, respetando las especificaciones fijadas por el nivel
superior.
El control supervisorio propuesto en (Rezg, et al., 1997) está basado en la propuesta de
Ramadge y Wonham (Ramadge y Wonham, 1989), que descansa en el respeto por las
especificaciones, que son la expresión de los objetivos de ejecución, tomando en cuenta
el estado actual del sistema.
La cooperación es un atributo que le da a los holones la posibilidad de trabajar juntos
para lograr una meta común. En (Seilonen, 2004) se propone una arquitectura de control
cooperativo, basada en agentes, que opera como un supervisor de alto nivel en un
modelo de automatización multicapas, monitoreando el nivel inferior del sistema de
automatización y configurando su lógica de operación ante situaciones cambiantes. En
el dominio de cooperación, los agentes encargados de los subprocesos cooperan con el
supervisor y con los agentes subordinados. Diversas aplicaciones de control
supervisorio pueden ser configuradas como aplicaciones genéricas de automatización en
el modelo Multi-Agente propuesto. Los modelos de las funciones de estas aplicaciones
se describen inicialmente en el nivel de sociedades de agentes y luego en el nivel de
agentes individuales. La propuesta incluye un escenario de refinamiento cooperativo,
para ajustar las variables del control supervisorio. Este refinamiento cooperativo entre
los agentes de los subprocesos tiene la forma de un proceso iterativo de búsqueda e
incluye planeamiento local de las acciones de control y negociación con otros agentes
acerca de sus acciones.
En (Seilonen, 2005), la cooperación para la supervisión se establece mediante contratos
entre agentes para alcanzar los objetivos de control del proceso. Los agentes
supervisores pueden asignar submetas a sus subordinados o agentes similares pueden
negociar entre pares para manejar interrelaciones entre sus metas.
Otra característica propia del enfoque holónico es aquella que mediante las
denominadas agregación, especialización y escalabilidad permite abordar un problema
complejo, reduciendo dicha complejidad con componentes especializados, sintonizados
para resolver problemas más simples (Villa, et al., 2003), formando las llamadas
holarquías.
Un sistema de supervisión conformado por agentes supervisores que supervisan
subprocesos puede supervisar el proceso global mediante las interacciones de los
agentes. Los agentes permiten manejar la complejidad gracias a la
multiplicidad/distribución/interacción de tareas e información (Contreras,et al.,2001).
De acuerdo con (Wyns, 1999), la agregación es una solución apropiada para afrontar la
complejidad de las interacciones entre holones o agentes y la misma complejidad de los
sistemas. Los holones agregados se definen como un conjunto de holones relacionados
que son agrupados, formando un holón mayor con su propia identidad. De esta manera
se forma una jerarquía agregada. Dependiendo del punto de vista del observador, los
holones están fraccionados en subholones o tratados como un todo. Los holones
10
agregados no son conjuntos estáticos de holones, ya que pueden cambiar
dinámicamente sus contenidos, dependiendo de las necesidades del sistema.
La agregación genera unas estructuras de recursividad y por ello, la programación
orientada a objetos es una tecnología adecuada para la implementación de esta
característica (Colombo, 2001).
Acerca de la especialización, ésta se define como la separación de holones con respecto
a sus características (Wyns, 1999). Como los holones especializados requieren
comportamiento especializado, se requerirán diferentes desarrollos y consideraciones
de implementación y, lógicamente, los objetivos de control y la supervisión tendrán
enfoques diferentes, dependiendo de la especialidad del holón.
Las características de inteligencia distribuida hacen que la escalabilidad de un sistema
sea posible, permitiendo la fácil adición de miembros a la holarquía. Esta escalabilidad
habilita a los recursos para adoptar el concepto: “plug-and-produce” (Alibhai, 2004).
Así mismo, mediante la escalabilidad se pueden afrontar los cambios organizacionales:
empresas que entran y salen (Huang, 2002), recursos que entran y salen, productos que
ingresan o son retirados del mercado, órdenes de producción que se crean y se ejecutan.
Conviene entonces plantearse interrogantes con respecto a la incidencia de los
conceptos de agregación, especialización y escalabilidad en el diseño de sistemas de
supervisión.
11
CONCLUSIONES REVISION BIBLIOGRAFICA
Se ha presentado una breve revisión sobre los trabajos que reporta la literatura acerca
del diseño de sistemas de supervisión con criterios holónicos, con el objetivo de avanzar
en la formulación de una propuesta para la supervisión de procesos de producción
continuos desde el enfoque holónico, hacia los denominados Sistemas holónicos
Supervisados – HSS.
Es de resaltar que realmente es poca la literatura que aborda directamente la inclusión
de los principios holónicos en la supervisión y que en general no se considera ni se
profundiza acerca de los procesos continuos, lo que plantea un amplio campo de trabajo.
En mayor proporción se encuentran desarrollos de sistemas de supervisión basados en
MAS y dada la afinidad de estas tecnologías con el enfoque holónico, se podrían
obtener de allí muchos elementos importantes para la visión holónica de la supervisión
de procesos.
Acerca de las características del paradigma, que incidirán de manera notable en los
criterios de diseño de los HSS, se pueden mencionar:
 El supervisor es de naturaleza distribuida. Se distribuye entre los holones que
conforman la UP y que tienen un comportamiento dinámico, tales como el holón
misión y el holón recurso.
 La agregación es una característica recursiva que le facilita al enfoque holónico
el tratamiento de la complejidad, posibilitando la implementación del principio
holónico: “el todo y las partes” y permitiendo crear estructuras muy complejas a
partir de holones más simples. El diseño de los supervisores deberán soportar
este concepto.
 Como conclusión preliminar se ha establecido la descentralización de la función
de supervisión, disponiendo supervisores en los recursos. En tal sentido, la
metodología de diseño se verá afectada por la especialización del holón, lo que
exigirá que se tengan en cuenta las características propias del holón, pero sin que
se sacrifique la agregación, a través de la recursividad.
 Los cambios en la UP, tales como ingreso y salida de recursos ó nuevos
productos, deben afectar de alguna manera la estructura teleinformática e
igualmente, tendrá efectos sobre el supervisor. El diseño de sistemas de
supervisión en el entorno del paradigma holónico deberá brindar sistemas
flexibles y adaptables para acomodarse a los cambios, incluidos cambios en la
infraestructura de producción y en los métodos de producción. En la creación de
las holarquías, las unidades de producción y los recursos están habilitados con el
concepto “plug-and-produce”, el cual incide a su vez en la concepción del
supervisor.
 El sistema de supervisión debe contener un módulo de cooperación, el cual le
permite negociar el objetivo de producción y mediante mecanismos de
comunicación y negociación puede cooperar con otros holones para alcanzar el
objetivo global de la UP.
12
 Debe incluirse la función anticipativa, de tal forma que el supervisor estime
eventos futuros que puedan poner en riego la misión y realice acciones que
eviten que esos eventos se produzcan.
 La autonomía del holón se establece mediante el supervisor, ya que este es el
encargado de crear los planes del holón, así como de controlarlos y
monitorearlos.
 Nuevamente se enfatiza, como se hizo en el informe No. 1, la relevancia de la
funcionalidad de diagnóstico de fallas, esto con el fin de disminuir el efecto
causado por las salidas de operación. El diagnóstico debe a su vez tener
características predictivas para anticiparse a la ocurrencia de las fallas y, en lo
posible, evitarlas.
Finalmente, como lo sugiere (Colombo, 2001), el diseño de sistemas de supervisión
con “principios holónicos”, sugiere una implementación con software distribuido, con
autonomía de ejecución de entidades cooperativas como módulos constructivos
(holones).
13
2. CONSIDERACIONES PRELIMINARES PARA LA
SUPERVISION DE SISTEMAS HOLONICOS – HSS
Se presentan a continuación, con base en lo expuesto en el Informe No.1 y en la revisión
bibliográfica sobre HSS, algunas características que deberán ser involucradas en la
supervisión de sistemas holónicos. Estas características se presentan de forma tal que se
resaltan las diferencias con el enfoque de supervisión jerárquico.
Igualmente, estas características se presentan para ser consideradas dentro de la
propuesta de arquitectura holónica para sistemas de producción continua presentada en
(Chacón, 2002). Esta propuesta se basa en el concepto de unidad de producción (UP),
conformada por los holones recurso (HR), misión (HM) e ingeniería o producto (HI).
 Cada UP está dotada de un supervisor, el cual monitorea y controla el avance del
objetivo de producción asignado. El supervisor de la UP contiene el estado
global de la UP, conformado por los estados relevantes de los holones recurso y
los estados de los holones misión (avances de los objetivos). La construcción del
supervisor de la UP sugiere una operación de composición de dinámicas (en el
sentido de DES), en la que se obtenga un autómata compuesto, con los estados
relevantes de los HR´s y los HM´s.
 Cada holón recurso está dotado de un supervisor. Este supervisor está formado
por un módulo de negociación o renegociación del objetivo de producción con
los holones misión, un módulo de cooperación que maneja las interacciones con
los holones circundantes, que permite establecer holarquías y un módulo
reactivo, que realiza las acciones de control como respuesta a eventos de la
planta. El supervisor reactivo tiene las características de un supervisor de R&W.
El supervisor de R&W observa los estados relevantes del holón y genera los
eventos controlables que garantizan la trayectoria del holón hacia estados
deseados.
Figura 1. Módulos del holón recurso
14
 Cada holón misión contiene un supervisor, que monitorea el avance del objetivo
de producción.
 La agregación dentro del enfoque holónico, vía recursividad, afecta también el
diseño del supervisor. Con respecto a la agregación, la UP puede hacer parte de
UP mayor que la contiene y así, la UP más interna se convierte en un holón
recurso para la UP externa. Para la UP interna, el supervisor está formado por la
composición de los supervisores de los holones recurso y misión que la
conforman y a su vez, este supervisor de la UP debe convertirse en un supervisor
de un holón recurso para la UP externa.
Figura 2. Agregación de la UP
 Tanto el supervisor de la UP como el supervisor del HR deben estar dotados de
capacidades de anticipación, con el fin de generar acciones de control o
cooperación que permitan para prevenir situaciones que pongan en riesgo la
misión.
 El supervisor del HR estará afectado por la especialización del holón. El diseño
del supervisor del holón debe tener en cuenta esta característica, pero sin que
afecte la generalización ni la agregación. Una especialidad inicial está
relacionada con la dinámica propia del holón, así, el supervisor de un holón que
controla un proceso discreto tendrá algunas especialidades distintas a aquel que
controla un proceso continuo. Por ejemplo, el supervisor de un torno de CNC
como holón recurso, tiene algunas diferencias con el supervisor de un reactor
químico, relacionadas fundamentalmente con los objetivos de control, los
valores de referencia, las leyes de control y la naturaleza de la dinámica.
Igualmente, será necesario analizar y considerar la incidencia de las
subespecialidades en el diseño del supervisor. La misión asignada a un torno de
control numérico es diferente a la que se le asigna a un vehículo autónomo
guiado o a un transporte de material.
 Al tener asociado un supervisor a la UP y un supervisor al HR, debe tenerse en
cuenta que en la dinámica holónica, unidades de producción y recursos ingresan
a la holarquía y salen de ella (escalabilidad). Es un aspecto importante que
deberá ser considerado en la concepción del sistema de supervisión.
15
3. DIFERENCIAS ENTRE EL SUPERVISOR
JERARQUICO Y EL SUPERVISOR HOLONICO
Tabla 1. Diferencias entre el Supervisor Jerárquico y el Supervisor Holónico
EL SUPERVISOR JERÁRQUICO
EL SUPERVISOR HOLÓNICO
 Tiene débiles características de
autonomía
Autonomía para crear, negociar y
aceptar sus objetivos. Autonomía para
controlar el avance de sus objetivos en
un espacio de estados definido.
Se anticipa a situaciones que pongan en
riesgo el objetivo de producción
 No dispone de funciones
anticipativas
 No tiene previstos mecanismos
de comunicación entre UP
 Es centralizado
 No tiene capacidad de
aprendizaje
 No considera mecanismos de
cooperación
 Prevalece la presencia del
operador humano en la toma de
decisiones
 Dispone de pocas
funcionalidades para diagnóstico
de fallas
Â
 Las relaciones e interacciones
entre los niveles de control son
rígidas
La construcción de holarquías se basa en
los mecanismos de comunicación entre
holones
El supervisor holónico se distribuye
entre los holones recurso y los holones
misión; el primero supervisa el estado
del recurso y el segundo supervisa el
estado del objetivo. Mediante la
composición de estos supervisores se
construye el supervisor de la UP.
Incluye funcionalidades de aprendizaje,
que se desarrollan a medida que el
sistema evoluciona históricamente.
Técnicas de Inteligencia artificial
pueden resultar apropiadas para estas
funcionalidades.
Se basa en la cooperación entre holones
y entre UP´s.
Minimiza la presencia del operador
humano (Teppo, 2006).
Involucra criterios de control tolerante a
fallas
Se centra en el monitoreo del objetivo a
cumplir y en sus indicadores de
desempeño asociados
Las relaciones e interacciones entre los
niveles de control son flexibles
(holarquías)
16
4. FUNCIONES DE UN HSS
La siguiente tabla fue presentada de manera preliminar en el informe No.1. A
continuación se presenta una versión ampliada con base en funcionalidades adicionales
que se analizaron en este informe, para incluir criterios holónicos que no habían sido
considerados.
Tabla 2. Funciones de un HSS
FUNCION
OBSERVACIONES
 Ejecutar las rutinas de arranque e
inicialización del proceso
 Ejecutar las rutinas de parada del
proceso
Tanto en operación normal como
en operación degradada y en falla
 Ajustar los parámetros de control
 En operación normal
 Seleccionar la ley y la estructura de
control
 En operación normal
 Evaluar si los controladores locales
satisfacen criterios de desempeño
especificados.
 Ajustar el objetivo de control, los
parámetros y la ley de control para
permitir la operación degradada
 Determinar la región en la cual
opera el sistema
 Conmutar la ley de control para
ajustarse a la región de operación
 Determinar el comportamiento del
sistema (normal, degradado, en
falla)
 Monitorear los estados relevantes
del proceso
 Monitorear
proceso
macroestados
del
 Alertar al operador ante cambios
en regiones de operación, bajo
desempeño
de
controladores,
variables por fuera de rango,
desviación de parámetros
 Alertar ante eventos de calidad
 Monitorear la eficiencia en línea
17
FUNCION
OBSERVACIONES
del sistema
 Alertar ante caídas de eficiencia
por debajo de valores establecidos
 Monitorear
sistema
el
desempeño
del
 Alertar ante caídas del desempeño
 Monitorear el avance del objetivo
de producción
 Alertar
ante
riesgos
de
incumplimiento del objetivo de
producción
 Indicar estados del proceso no
deseados o no permitidos
 Detectar inestabilidades
 Detectar, diagnosticar, identificar,
aislar situaciones de falla
 Reconfigurar el sistema en caso de
falla
 Ejecutar
procedimientos
emergencia
de
 Disparar acciones de tolerancia a Para sistemas diseñados con criterios de
fallas
FTC
 Predecir el comportamiento del Funcionalidad propia de los sistemas de
sistema y anticipar situaciones de supervisión “inteligentes” o basados en
riesgo
agentes o en holones
 Comandar las acciones de cambio
en regiones o puntos de operación
 Generar
eventos
hacia
el
controlador a partir de la Agenda
de producción.
 Determinar las salidas del sistema
a mantenimiento correctivo.
18
5. ELEMENTOS METODOLOGICOS PARA
EL DISEÑO DE HSS
Con base en el trabajo desarrollado, presentado en los Informes 1 y 2, y con miras a
proponer un aporte en el diseño de Sistemas Holónicos Supervisados como parte de la
investigación doctoral, se pretende a continuación expresar algunas pautas
metodológicas que podrían ser consideradas en la práctica industrial actual, relacionada
con el diseño de sistemas de supervisión convencionales, que se caracterizan por ser
jerárquicos.
Inicialmente se presenta una arquitectura que además de los elementos convencionales
como registros históricos y tendencias, incluye un autómata, denominado Autómata
discretizado de la planta, un módulo de diagnóstico de fallas, denominado
Diagnosticador, y un Generador de eventos. Estos elementos aparecen a partir de las
conclusiones del presente trabajo y se muestran en la Figura 3.
Figura 3. Arquitectura general de supervisión
La metodología que se presenta se concentra en estos últimos elementos. En el capítulo
6 se ilustra la aplicación en un caso de estudio.
5.1 EL AUTOMATA DISCRETIZADO DE LA PLANTA (GPL)
El GPL se construye con base en los estados relevantes de la planta (modelada
mediante autómatas híbridos o redes de Petri híbridas). A partir de la observación de los
estados del autómata, el supervisor toma las decisiones que actúan sobre el controlador
del proceso, conformando el sistema de supervisión que se presenta en la
Figura 4 en el que la toma de decisiones puede ser efectuada por operadores humanos o
por operadores con asistencia de sistemas inteligentes.
19
Figura 4. Sistema de supervisión. Toma de decisiones.
En la siguiente figura se muestra el autómata discretizado.
Figura 5. Autómata discretizado
El Diagnosticador se obtiene desde señales de sensores de falla (σs), desde técnicas de
análisis de falla, según se mencionó en el Informe No.1, o desde módulos de
diagnóstico.
El generador de eventos involucra la determinación de las regiones de operación y la
conmutación entre los estados de operación normal y operación degradada.
Es de suma importancia, en la metodología propuesta, definir las condiciones que
determinan el estado de operación degradada.
20
5.2 ELABORACION DE ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA DE
SUPERVISION
Para el diseño del sistema de supervisión, es importante como punto de partida, definir
las especificaciones y alcance del mismo. Para ello se utiliza la información disponible
del proceso y modelos existentes, la revisión de manuales de operación, entrevistas con
operadores, revisión de documentos de alcance definidos por el cliente.
Para la búsqueda de información y entrevistas con operadores, es importante dar
respuesta a los siguientes interrogantes, los que pueden ser utilizados como una guía
para elaborar las especificaciones.
Guía para elaborar las especificaciones
 Determinar las acciones del operador
• En operación normal
• En operación degradada
• Durante contingencias
 Determinar los estados relevantes del proceso.
 Determinar secuencias de arranque y parada.
 Determinar las contingencias del sistema.
 Definir las condiciones que determinan el estado de operación degradada
 Determinar las regiones de operación.
• Determinar las leyes de control empleadas en cada región de operación y
sus respectivos parámetros.
 Determinar indicadores de desempeño.
Las siguientes tablas resumen las especificaciones del sistema de supervisión:
Tablas para definir especificaciones
Tabla 3. Secuencia de arranque
21
Tabla 4. Secuencia de parada
Tabla 5. Secuencia en operación normal
Tabla 6. Secuencias ante falla
Tabla 7. Variables de estado
Tabla 8. Variables de salida
Tabla 9. Variables de entrada
22
Tabla 10. Leyes de control
Tabla 11. Parámetros de control
Tabla 12. Variables discretas
Tabla 13. Alarmas
C: Crítica
A: Alta
M: Media
B: Baja
23
5.3 ENLACE CON LA HMI
La interfaz HMI (Human – Machine interface), sirve de intermediaria entre el operador
humano y el autómata discretizado y entre el operador y el controlador.
Una vez creado el autómata discretizado, se realiza un enlace entre sus estados y
eventos y la interfaz, como se muestra en la siguiente figura.
Figura 6. Mapeo del autómata discretizado con la HMI
24
6. CASO DE ESTUDIO
Con el fin de ilustrar la metodología de diseño propuesta, se presenta un caso de
estudio relacionado con el diseño del Sistema de supervisión de un sistema de
generación de vapor industrial.
6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
Las calderas son instalaciones industriales que haciendo uso del poder calórico de un
combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para cometidos tales como
generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc.
Dichos dispositivos industriales son de gran aplicabilidad a nivel mundial en la
industria; su objetivo principal es el de generar calor que pueda luego ser aprovechado
en diferentes secciones de un proceso. El calor es transferido en forma de vapor; el cual
puede ser aprovechado para una gran diversidad de usos. El vapor generado se conduce
a través de tuberías, las cuales deben encontrarse aisladas térmicamente, hacia los
diferentes puntos del proceso.
El principio físico de funcionamiento es la conservación de la energía, planteada en la
primera ley de la termodinámica. Para explicar esto más claramente se ilustra el caso
más general, un intercambiador de calor (que es lo que en realidad es una caldera):
Figura 7. Intercambiador de calor de un paso
Como entradas se tienen dos fluidos uno caliente y otro frío (o menos caliente). Cuando
ingresan estos dos fluidos a un tanque sin mezclarse, se permite que se genere un
intercambio de calor del fluido más caliente al más frío, pero para que se dé el
intercambio lo más completo posible (porque es imposible que se dé el intercambio
completo, según la segunda ley de la termodinámica), se hace pasar el fluido frío varias
veces por el tanque que contiene el fluido caliente (se forman serpentines), aumentando
así la eficiencia de la máquina.
25
Para generar el fluido caliente existen muchas formas, por ejemplo reacciones
nucleares, fluidos residuos de otros procesos, entre otros. Para este caso, este fluido (que
será aire) se generará usando una combustión, lo más completa posible, entre el aire que
será inyectado con el fin de regularlo, el gas natural y una chispa generada por un
transformador (a este conjunto se le llama quemador). Este aire ya caliente se hará pasar
por unos ductos (llamados tubos de humos) que tendrán varios pasos a través del tanque
donde estará el otro fluido (que será agua). De esta forma se completará el proceso de
generación de vapor, los humos que salen del tanque se van hacia la chimenea para ser
desechados, aunque lo más recomendable, y algunas veces lo usado, es con esos gases
precalentar el agua que va hacia el tanque, para de esta forma aumentar la eficiencia de
la caldera.
En la Figura 8 se ilustran las partes constitutivas del sistema: el tanque de
almacenamiento de agua, el subsistema de alimentación de agua, los circuitos de aire y
combustible, la caldera y la salida de vapor.
Figura 8. Partes constitutivas del sistema
Los subprocesos que se consideran son los siguientes:
6.2 SECUENCIAS DE ARRANQUE
Arranque en caliente
Se da cuando la caldera ha sido apagada en una maniobra de operación normal
durante un período de tiempo corto, después del cual se necesita que esté de
nuevo en operación. Para que esta secuencia se pueda dar se tienen como
condición que la caldera tenga un nivel de agua normal en el tanque.
Después de que se verifiquen estas condiciones, se debe proceder a cerrar las
válvulas de aire y de combustible hasta que queden completamente cerradas (si
es necesario), luego se comienza a abrir proporcionalmente con una pendiente
26
positiva las válvulas del aire y del combustible hasta el punto mínimo en el cual
se garantiza que hay aire y combustible suficientes para que haya ignición. En
este instante se genera la chispa con ayuda del transformador para que se
produzca la ignición, dándole un tiempo límite para que se realice. Si no, se
produce una alarma, se genera una señal de falla e inmediatamente se cierran las
válvulas. Si por el contrario se verifica que si hay ignición (por medio de una
fotocelda), se apaga el transformador y se abre la válvula de salida del vapor.
Arranque en frío
Cuando se va a arrancar una caldera después de una falla, un mantenimiento o
un paro prolongado, es necesario realizar el arranque en frío. Lo primero que se
hace es llenar el tanque de la caldera antes de realizar la ignición, por esto se
realiza primero un lazo en el cual se pueda garantizar que el nivel está un poco
por encima del nivel normal de la caldera, luego esto, se puede seguir con el
procedimiento que se describió para el arranque en caliente.
Búsqueda de presión de operación
Partiendo del punto de apertura mínimo de las válvulas donde se dio la ignición,
se realiza una rampa ascendente hasta que se encuentre la presión adecuada. Se
debe garantizar que debido a que la presión en un principio se puede caer
fácilmente, el sistema sea capaz de volver a encontrar la presión adecuada. Para
ello se utiliza un regulador que podría ser un PID.
Operación normal
Durante la operación normal se pueden presentar las siguientes situaciones:
 El nivel de agua en el tanque se baja por debajo del nivel mínimo en cuyo
caso, no es necesario sacar de servicio la máquina, simplemente se debe
realizar un proceso de llenado en línea para el tanque alcance el nivel
normal, mediante un controlador de nivel. En caso de que el tanque al cabo
de un tiempo no pueda alcanzar el nivel normal es porque seguramente debe
haber una anormalidad y se debe realizar una parada de emergencia para
verificar las condiciones de la caldera.
 Cambios en la salida de vapor debidos a cambios en la demanda. Mediante
un lazo de control, que actúa sobre las válvulas de combustible y de aire, se
mantiene el valor de presión de vapor de salida.
27
6.3 FALLAS
Temperatura alta en los gases de combustión
Esta señal indica una caída de eficiencia en la caldera, por esto no es una falla
crítica y no exige sacar de operación la caldera. Es una de las señales que
determina un estado de operación degradado, que tolera la operación bajo estas
condiciones y durante determinado período de tiempo. Se puede disponer de un
contador que posibilite la operación hasta un máximo permitido.
Presión Baja
La definición de presión baja en la salida va muy ligada al proceso para el cual
se esté requiriendo el vapor, por eso es necesario según sea el caso calibrar el
factor de presión baja. Cuando en la salida se llega a ese valor calibrado de valor
bajo, el sistema debe tratar de solucionar el problema. Una de las posibles causas
es que la caldera se halla apagado adrede y se esté trabajando con el vapor que
se tenga almacenado, por eso en este caso se debe enviar la orden de arranque en
caliente al sistema, con esto se espera que el problema se solucione en muy poco
tiempo, pero si la caldera por el contrario no ha sido apagada y la presión esta
muy por debajo, puede ser que se está pidiendo más demanda de lo que la
máquina puede entregar, o porque existen fugas de vapor muy significativas. En
este caso se debe apagar la caldera para realizar un mantenimiento.
Presión Alta
Cuando la presión en la caldera está por encima de los valores permitidos
inmediatamente el presóstato envía una señal al sistema de control el cual debe
inmediatamente apagar la caldera para evitar posibles catástrofes.
Nivel en tanque bajo
Cuando se presenta una señal de nivel bajo, el sistema debe tratar de solucionar
este problema por si solo abriendo la válvula del agua, a este proceso se le debe
dar un tiempo límite para que alcance el valor de nivel normal. Si en el tiempo
límite no se ha alcanzado el nivel normal se debe buscar si existen fallas. Si la
falla persiste, se debe apagar la caldera para evitar daños.
28
Nivel en tanque alto
Cuando el nivel del tanque se sube demasiado puede ser porque la válvula de
paso del agua está abierta, si es así esta se debe cerrar y esperar que con el
trabajo de la máquina el nivel baje. Si durante mucho tiempo este nivel se
mantiene arriba, se debe abrir una purga para que el agua que está en el tanque
salga; después que la caldera retoma un nivel normal de trabajo, se puede cerrar
la purga.
No se realiza la ignición
Cuando se está arrancando y no se produce la ignición, se genera una señal de
falla en el encendido. El sistema debe inmediatamente cerrar las válvulas de
forma rápida (para evitar que se siga inyectando gas) y luego se debe apagar el
transformador (si en realidad se encendió).
Secuencia de parada
Cuando se necesita parar la máquina, bien sea por falla o por operación normal,
se debe realizar la siguiente secuencia de paro. En el momento que el
controlador recibe la señal de paro, en la planta se debe empezar a cerrar las
válvulas en rampa hasta que se llegue al punto de cierre total de las válvulas de
combustible y aire. En este momento se supone que el fuego se debe apagar por
completo, condición que debe ser verificada.
6.4 ESPECIFICACIONES
Tabla 14. Variable de estado continúo
Variables de Estado Continuo
Vapor demandado
Temperatura gases de salida
Flujo de combustible
Flujo de aire
Nivel de agua en el tanque
Variables de Entrada
Cambio en el flujo de combustible
Cambio en el flujo de aire
Cambio en el flujo de agua de alimentación
29
Tabla 15. Variables de salida
Variables de Salida
Presión entregada
Posición válvula de combustible
Posición válvula de aire
Nivel del tanque de la caldera
Tabla 16. Variables discretas
Variables Discretas
Nivel de agua bajo
Nivel de agua alto
Presóstato
Fotocelda
Válvula de salida de vapor
Válvula de salida de agua
Transformador – Bujía
Nivel de agua Normal
Purga
Tabla 17. Parámetros de control
Parámetros de control
Pendiente para la válvula de combustible
Pendiente para la válvula de aire
Valor en cm. en el cual el tanque de la caldera debe estar en el momento
del arranque
% que determina el valor de presión baja
Relación óptima entre presión de salida y combustible usado
Posición máxima de la válvula de combustible
Posición máxima de la válvula de aire
Posición mínima para la válvula de combustible
Posición mínima para la válvula de aire
Valor máximo permitido para el nivel en el tanque
Valor mínimo permitido para el nivel en el tanque
Valor normal para el nivel en el tanque
Tiempo de espera, varía según el estado del proceso
Tiempo para que se de ignición
Numero máximo de conteos permitidos de Temperatura de combustión
alta
Valor de referencia para la variable x1
Valor de referencia para la variable x2
Nota: Los valores de xmax5 , xmin5 y xn5 se deben definir por una banda proporcional entre el 0.95
y el 1.05 del valor exacto del parámetro, para evitar los problemas propios de las variables
análogas , tales como la histéresis y las fluctuaciones propias de un sistema fluido.
30
TAG
Tabla 18. Alarmas
Alarmas
Prioridad
Descripción
Causa
σ δ 1 = [x 2 > x p 2 ∧ c < c max ]
Temperatura alta en los gases M
de combustión
σ f 1 = [x 2 > x p 2 ∧ c ≥ c max ]
Temperatura alta en los gases A
de combustión
Temperatura alta en los gases A
σ f 2 = x2 > x p 2 ∧ t > τ e
de combustión
σ h 4 = [y1 < k p x p1 ∧ z 4 = 0]
Presión Baja y caldera apagada A
[
]
Estado
Acción
δ (q n , σ δ 1 ) = qδ
δ (qn ,σ f 1 ) = q f
δ (qn ,σ f 2 ) = q f
δ (qn ,σ h 4 ) = qh 4
δ (qn ,σ f 3 ) = q f
σp
σp
σ 01
A
σ f 3 = [y1 < k p x p1 ∧ z 4 = 1]
C
σ f 4 = [z3 = 1]
δ (qn ,σ f 4 ) = q f
Nivel en el tanque bajo
M
σ δ 2 = [x5 < x min 5 ∧ t < τ e ]
δ (q n , σ δ 2 ) = qδ
Nivel en el tanque bajo
A
σ f 5 = [x5 < x min 5 ∧ t ≥ τ e ]
δ (q n , σ f 5 ) = q f
σp
Nivel en el tanque alto
M
σ h 9 = [x5 > x max 5 ]
δ (q n ,σ h 9 ) = q h 9
z6 = 0
Nivel en el tanque alto
M
σ δ 3 = [x5 > x max 5 ∧ t = τ e ]
δ (q n , σ δ 3 ) = qδ
Falta de ignición
A
σ f 6 = [t > τ ch ]
δ (q0 , σ f 6 ) = q f
z9 = 1
Eficiencia baja
M
σ δ 4 = [0.8k e ≥ y
Presión
Baja
encendida
Presión alta
y
caldera
1
y2
≥ 1 .2 k e ]
σp
σp
z6 = 1
σp
δ (q n , σ δ 4 ) = qδ
Salida de vapor está por debajo
del valor mínimo
Caída en la capacidad
Tabla 19. Fallas
Fallas
Repetido incremento en la temperatura de los gases de combustión
Temperatura alta en gases de combustión
Presión entregada baja, mientras la caldera está encendida
Presión alta
Nivel en el tanque bajo
En el arranque no se presenta la ignición
Tabla 20. Eventos que determinan operación degradada
Eventos que determinan operación degradada
Subida transitoria de la temperatura en los gases de combustión
Nivel en tanque bajo, pero el sistema está trabajando en solucionar el
problema
Nivel en tanque alto, pero el sistema está trabajando en solucionar el
problema
La relación de presión del vapor y de el combustible se salió de la banda
permitida
31
Tabla 21. Indicadores de desempeño
Indicadores de desempeño
Símbolo Nombre
Eficiencia
Descripción
λ1 = y1 y , h12 = 0 si 0.8k e ≤ λ1 ≤ 1.2k e
2
λ2 = x2 x , h3 = 0 si 0.9 ≤ λ2 ≤ 1.1
Mala combustión
p2
REGIONES DE OPERACIÓN
En la caldera, por tradición se puede hablar de tres regiones de operación cuyos
nombres se deben a la forma tradicional de operación de la caldera, estas regiones son:
Fuego bajo, fuego medio y fuego alto. Estas hacen referencia a la cantidad de vapor que
se produce dependiendo de la demanda y dependen de de la variable de estado .
como el valor máximo de demanda que puede entregar la caldera.
Se define
Teniendo este valor, se definen las siguientes regiones:
Tabla 22. Regiones de operación
Nombre
Descripción
Fuego Bajo
Regiones de Operación
Región
Fuego Medio
Fuego Alto
6.5 AUTÓMATA DISCRETIZADO
Se ilustra a continuación la obtención parcial del autómata discretizado de la planta, en la parte
de la secuencia de arranque en frío. En este esquema se genera el Macroestado “Arrancando”,
el cual hace parte del autómata global del proceso, como estado relevante. Se ilustra además la
relación entre el autómata y la planta, modelada como un Autómata Híbrido.
32
Figura 9. Autómata discretizado de la planta: Arranque en frío
Las componentes del Autómata Hibrido son:
, donde
, es el vector de todas variables reales.
, es el vector de variables discretas o binarias.
, es el vector de estados con dinámicas hibridas.
, es el vector de eventos tanto controlables como no controlables.
, es una matriz de guardas en la que se ponen las condiciones de evolución de la red,
G∈QHxQH .
, es un vector que indica las condiciones iniciales en las marcas del sistema.
, es una matriz en la que en sus filas se ubican los
y en las columnas las
variables tanto reales como discretas. Con este arreglo se debe explicar la dinámica de
evolución de cada una de las variables en cada uno de los estados. En el caso de las
variables reales se debe poner una ecuación diferencial y en el caso de las variables
discretas se debe poner la evolución de la variable.
, es la matriz de condiciones invariantes o dominio de cada variable; en este se ubica
.
el dominio de cada una de las variables continuas en cada estado.
33
6.6 DESCRIPCIÓN FORMAL DE SECUENCIA DE ARRANQUE EN FRÍO
HA 01  ⟨X 01 , Z 01 , Q H01 ,  01 , G 01 , Init 01 , Flow 01 , Inv 01 
Descripción de cada uno de los componentes de la secuencia de arranque
q H1
z4
x3
X 01 
x4
z5
, Z 01 
z6
x5
q H2
, Q H01 
z7
q H3
q H4
0
,  01 
 e1
q H5
q H6
0
0
0
0 y 2  0 ∧ y 3 ≠ 0 ∨ y 2 ≠ 0 ∧ y 3  0 y 2  0 ∧ y 3  0
G 01 
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
Init̸ 01 
0
0
0
0
0
0
x 5  x n5  k s 
y 2  x min 3 ∧ y 3 ≠ x min 4  ∨ y 2 ≠ x min 3 ∧ y 3  x min 3¡4
0
0
0
0
y 2  x min 3 ∧ y 3  x min 4 
0
0
0
t   ch ∧ z 4  1
0
0
0
0
0 0
0
0
0
ẋ 3  −k c ẋ 4  −k a 0 0
0
0
0
0
0
0 0
0
z6  1
0
ẋ 3  k c
ẋ 4  k a
0 0
0
z6  0
0
0
0
0
0 0
0
0
z7  1
0
0
0
0 0 z5  1
0
z7  0
0
0
Inv 01 
, Flow 01 
0
0
0
x3 ≥ 0
x4 ≥ 0
0
0
0
0
0 ≤ x 3 ≤ x min 3 0 ≤ x 4 ≤ x min 4 0
0
0
0
0
0
0
34
Autómata de la planta
G 01  Q rel
01 ,  01 ,  01 , q 0
Estados relevantes
q rel
1
q rel
2
Q rel
01 
q rel
3
q rel
4
q rel
5
q rel
6
 01 
Estado Definición
q rel
1
Disponible
0
q rel
2
Arrancando
1
Cerrando válvulas ,  01 
2
q rel
4
Llenando
3
y 2  x min 3 ∧ y 3  x min 4 
q rel
5
Inyectanto
4
t   ch ∧ z 4  1
q rel
6
Chispa
q rel
7
Fin de Arranque
, q rel
3
 q rel
1 ,0
 q rel
2
1

q rel
1 ,0

q rel
3
0

q rel
3 ,1

q rel
4
0

q rel
4 ,2

q rel
5
, q0 
0
y 2  0 ∧ y 3  0

x 5  x n5  k s 
0
 q rel
5 ,3
 q rel
6
0
 q rel
6 ,4
 q rel
7
0
 q rel
2 ,4
 q rel
7
0
6.7 INTERFAZ GRAFICA
Para la construcción de la HMI, se parte del esquema mostrado en la Figura 6, el cual
enlaza el autómata discretizado con la interfaz. En la Figura 10, se muestra el enlace de
las variables del proceso, en la Figura 11, la relación del esquemático del mímico con la
componente gráfica y en la Figura 12, un mejor detalle de la interfaz del operador.
Figura 10. Enlace de variables del proceso
35
Figura 11. Relación del esquemático del mímico con la componente gráfica
Figura 12. Interfaz gráfica del operador
36
CONCLUSIONES
 En el trabajo presentado se ha elaborado una recopilación de las funciones
principales que debe incluir un sistema de supervisión. Se definieron
funciones que tienen que ver con los regímenes transitorios (arranques y
paradas), la operación normal (cambio de valores de referencia y parámetros,
selección de leyes de control) y regímenes de falla. Quedaron también
suficientemente ilustrados los objetivos que se persiguen al supervisar un
proceso.
 En los sistemas convencionales aún es muy significativa la toma de
decisiones por parte del operador humano. Muchas de estas decisiones
podrían ser implementadas por el sistema de supervisión o por el sistema de
control. Sin embargo, en la tendencia actual no se pretende llegar a la
ausencia total del operador humano. Los sistemas de supervisión se perfilan
como sistemas inteligentes que apoyan la toma de decisiones.
 Se nota una carencia de metodologías formales para el diseño de sistemas de
supervisión. Aportes metodológicos que se hagan son importantes, con lo
cual se puede abordar el diseño de manera sistemática y generalizada, lo que
puede redundar en mejor desempeño del sistema.
 En el desarrollo de una metodología es importe que se detallen las acciones
que realiza el operador, tanto en operación normal, como en operación
degradada y en falla. La propuesta metodológica debe determinar que el
sistema de control (en el bajo nivel) adelanta las acciones en operación
normal y que el sistema de supervisión ejecuta las acciones requeridas
durante contingencias.
 El concepto de estado relevante es fundamental para el diseño. Los estados
relevantes llaman la atención del operador para que éste realice acciones que
exigen su intervención para garantizar la correcta operación del sistema. El
concepto de estado relevante se convierte además en un criterio de economía
en el flujo de información, ya que sólo se transmite información que es
importante para la toma de decisiones.
 La trascendencia de la función de diagnóstico de fallas es una llamada de
atención a abordar el problema para los sistemas holónicos, dado el impacto
de esta función para la respuesta rápida ante perturbaciones.
 Se ha establecido también una diferenciación entre los sistemas clásicos y las
nuevas tendencias. Estas últimas están caracterizadas por la inclusión de
técnicas de inteligencia artificial, computación distribuida, multiagentes y
concepciones holónicas. Se presentaron algunas consideraciones importantes
para abordar el diseño de sistemas holónicos supervisados.
 En cuanto a la terminología que se ha utilizado frecuentemente en la práctica
industrial y en la literatura, relacionada con la supervisión de procesos, se
presentan las definiciones y los conceptos que pretenden aclarar y unificar
mucha de esta terminología.
37
 Podría afirmarse, con base en la revisión y evolución histórica, que los
SCADA están dentro de una categoría de supervisión tradicional y que no
están dotados de atributos como la proactividad o de funcionalidades como
la tolerancia a fallas. La determinación de regiones de operación es indirecta,
a partir de la generación de alarmas. Se concluye también que los SCADA
son una tecnología para configurar Sistemas de supervisión y en sí mismos
no son el sistema de supervisión. Los SCADA no están bien utilizados
cuando el sistema de recolección de datos se convierte en la supervisión y no
se tiene un modelo visto de manera integral.
 No se encontró una propuesta consolidada para la construcción de Sistemas
holónicos supervisados, que tenga en cuenta las dinámicas continuas, la
predicción, la autonomía y la capacidad de negociación. Se espera que estos
aspectos sean abordados en el desarrollo de la propuesta doctoral de la cual
hace parte este trabajo.
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