APC, un paso más hacia la optimización

Las soluciones para el control avanzado de procesos (APC) es una tecnología relativamente desconocida aunque su importancia para la optimización y simulación de procesos complejos es extremadamente relevante en sectores que requieren optimización muy precisa de lazos de temperatura, presión, caudal… que son a su vez de gran importancia para el propio proceso de producción. Las soluciones son múltiples y pueden ser implementadas con herramientas disponibles en el propio sistema de control o pueden necesitar software adicional que complemente las posibilidades de programación del DCS. A medida que aumenta la complejidad del lazo, las soluciones se hacen más complejas y el uso de estas herramientas adicionales se hace casi imprescindible. Más detalles, a continuación.

“Aunque quizá el APC sea una tecnología relativamente desconocida, existe desde más de 30 años y Honeywell cuenta con más de 25 años de experiencia en proyectos de APC en varias industrias, desde upstream, refino, petroquímica, minería, refinería de aluminio o en la industria de la pulpa y papel”, comienza hablando Guillermo Luque, Sales Manager Central and Southern Europe, Honeywell Connected Industrials. Así, esta compañía dispone de una Suite de soluciones de control avanzado, así como de una solución de optimización dinámica desarrollada por Honeywell y sobre la que tiene varias patentes:

• Honeywell Forge Process Control: una “Suite” de soluciones de control multivariable que permite ejecutar proyectos en múltiples industrias.
• Honeywell Plant Wide Optimizer: optimización dinámica de una planta completa. Varias patentes asociadas.

Por su parte, Schneider Electric dispone de una solución específica para control avanzado de procesos llamada AVEVA APC, comercializada por AVEVA, nuestra filial de software industrial. Se trata de “un software de control predictivo por modelo (MPC) que incrementa la rentabilidad de los procesos productivos mejorando la calidad, aumentando la producción y reduciendo el consumo energético”, según explica Agustín Fragoso León, Industrial End User Business Development de Schneider Electric. Se conecta directamente a una gran variedad de sistemas de automatización y utiliza datos históricos y en tiempo real para analizar, identificar y modelizar las relaciones causa-efecto más relevantes en un proceso. “La identificación y verificación de relaciones causa-efecto son técnicas analíticas potentes que proporcionan a los ingenieros de proceso información útil para entender el comportamiento del proceso y sus principales características”, añade el experto.

“Desde nuestro punto de vista, la premisa básica para conseguir soluciones en el control avanzado de procesos es disponer de una base sólida en el control de regulación básico”, considera, por su parte, Álvaro Marchal, Ingeniero Comercial de Sistemas de Control y Fiabilidad en Emerson Automation Solutions, “sólo basado en lo anterior se puede desarrollar y construir un proyecto de optimización con resultados relevantes”. Emerson ha desarrollado sus aplicaciones de control avanzado basándose en esta condición, desarrollando sus soluciones de forma nativa en su sistema de control (DCS) DeltaV, que dispone de un modelo de control predictivo multivariable totalmente nativo para aplicaciones de control complejas con múltiples interacciones en el proceso, largos tiempos de espera, repuestas inversas y/o restricciones simultaneas. DeltaV es capaz de calcular valores inferenciales mediante el uso de redes neuronales proporcionando sensores virtuales para las medidas que previamente solo podrían estar disponible mediante el uso de análisis de laboratorio o analizadores online. 

Finalmente, la compañía dispone de un conjunto de aplicaciones SmartProcess que optimizan los procesos más importantes de sus unidades mediante el uso de control predictivo (MPC). MPC usa modelos dinámicos del proceso y un registro del comportamiento anterior, para predecir la manera en que se comportará en el futuro. Estas predicciones se utilizan para determinar una secuencia óptima de acciones de control que garantizan que todos los objetivos se logran simultáneamente.

Niveles de complejidad

Respecto a los niveles de complejidad en los que se mueven estos tipos de aplicaciones, Desde Honeywell aseguran que “depende de la complejidad del proceso en el cual se va a implementar un control multivariable. Habitualmente, para una unidad de refino típica (FCC, unidad de crudo, etc…), la implementación de un proyecto de control avanzado requiere típicamente por parte del cliente un recurso que conozca el proceso, el uso de una solución de control multivariable y la participación de panelistas y supervisores durante fases de pruebas y comisionado”. En cuanto a la optimización de una planta completa, el nivel de complejidad es más alto. Para una refinería, además de los recursos indicados previamente, se necesitará una persona encargada de la planificación.

Fragoso León, explica que AVEVA APC realiza pruebas de respuesta del proceso que recogen datos relevantes sin interrumpir las operaciones de producción. Utilizando herramientas estadísticas, los ingenieros de proceso con experiencia pueden analizar las señales obtenidas para detectar interacciones causa-efecto que caracterizan el comportamiento del proceso. Además, proporciona un control muy preciso de variables clave del proceso, que forman parte de un modelo dinámico. Esto permite desacoplar interacciones que ocurrirían si los mismos lazos fueran controlados de forma independiente por controladores separados, de forma que se consigue operar el proceso en un punto óptimo desde el punto de vista económico. Por otra parte, una capacidad singular de AVEVA APC es la de poder aplicar el control predictivo por modelo a procesos que requieren múltiples modelos. “Por ejemplo, en aplicaciones de mezclado o de producción estacional, utiliza un programa de ganancia en línea que puede cambiar automáticamente entre varios modelos sin desconectar el controlador”, puntualiza.

“Al ser soluciones nativas al propio DCS, no existe complejidad en cuanto a infraestructura e integración se refiere”, toma el relevo Marchal desde Emerson, “las herramientas están disponibles en el sistema; este aspecto permite iniciar el proceso de mejora de control paso a paso e ir consolidando las regulaciones básicas sin necesidad de grandes inversiones”. Según considera, las herramientas disponibles en el sistema facilitan las labores y las actividades básicas sobre controles lineales y simples (entrada/salida) suelen ser ejecutados por usuarios de automatización o control de procesos sin un conocimiento avanzado. La complejidad no está asociada al uso de las herramientas como tal. El entorno y módulos son los mismos a los ya utilizados en el DCS y está orientado a facilitar el uso por un perfil de automatización de procesos, pero si se requiere de un conocimiento de los fundamentos del control automático, modelos predictivos y conocimiento del proceso productivo sobre el que se va a efectuar a fin de poder analizar la información extraída por las herramientas y poder implementar la estrategia de control más adecuado a cada proceso.

Por último, preguntados por si son utilizables estas herramientas no sólo para el control real de lazos sino también herramientas de simulación de procesos tipo Operator training Systems (OTS), Guillermo Luque, responde rotundo que sí: “Nuestra herramienta de control multivariable se puede usar con una OTS, de manera que el panelista utilice un sistema de entrenamiento que corresponda al sistema que utiliza en sala de control. Asimismo, la solución APC de Honeywell se puede integrar directamente con una OTS y permite también analizar la estrategia de control sobre el modelo y cuantificar el nivel de beneficios de un APC”.

“Cada herramienta tiene su función específica y, aunque AVEVA APC utiliza un modelo dinámico del proceso que controla, la simulación de procesos se lleva a cabo mediante herramientas como AVEVA Process Simulation y AVEVA Dynamic Simulation. Ésta última es la que proporciona los modelos del proceso para el entrenamiento de operadores mediante la aplicación AVEVA Operator Training Simulator”, contesta Agustín Fragoso León, mientras que Emerson dispone de una herramienta que permite replicar exactamente el sistema DCS de producción (sistema online) en un sistema de desarrollo o entrenamiento (sistemas offline). Esta herramienta posibilita la exportación e importación de la base de datos y estrategias de control, entre ambos sistemas (offline y online) de manera directa y bidireccional. “Es muy común en sistemas de desarrollo donde se han implementado modelos de alta fidelidad, que sean utilizados para testear estrategias de control fuera del entorno de producción y así minimizar y neutralizar posibles riesgos e impactos en la producción durante la fase de implementación”, concluye Álvaro Marchal.

LOS BENEFICIOS

Según opinan desde Emerson, por un lado, los beneficios más habituales que nos encontramos en este tipo de soluciones son la mejora de la calidad de producto, la disminución de la variabilidad, el aumento de producción y la reducción de los costes productivos. Por otro, existen otros beneficios específicos con soluciones integradas en el propio sistema como son el aumento de la fiabilidad del APC al funcionar en el propio controlador del DCS, que permite obtener el mismo nivel de redundancia que el propio sistema y, en consecuencia, una gran disponibilidad del funcionamiento del APC: la reducción de costes por interfaz de comunicación, hardware o software adicional a mantener, la reducción de costes asociados a la integración con sistemas de desarrollo y entrenamiento, así como que la fácil escalabilidad en APC integrado en el DCS en la implementación de pequeños desarrollos permite cortos periodo para el retorno de inversión.

Schneider Electric considera que, principalmente, los beneficios de este tipo de tecnología son los ahorros por reducción del consumo energético. Por ejemplo, “reduciendo la desviación estándar y llevando al proceso más cerca de sus límites, la mayoría de los procesos experimentan una reducción significativa en el uso de energía por unidad producida”. También se pueden anticipar las consecuencias de perturbaciones y de acciones de control para mantener el máximo nivel de calidad, a la vez que se aumenta la producción y se reducen las mermas. Además, el proceso se vuelve más estable, con menos perturbaciones y mayor productividad, lo que permite amortizar rápidamente la inversión en AVEVA APC. Los períodos de retorno dependen del sector, pero suelen estar entre los 3 y los 6 meses:

• Se reduce la desviación estándar, normalmente en un factor de 2 o más
• Se aumenta la producción hasta en un 5%
• Se reduce el producto defectuoso entre un 2 y un 10%
• Se reduce el consumo de energía específica entre un 3 y un 10%
• Se reducen las mermas y los costes de reprocesado

“Típicamente un proyecto APC tiene un ROI inferior a un año y frecuentemente de unos 6 meses. Dependiendo de la unidad, los beneficios oscilan entre € 200 k/año hasta más de € 1.0 MM. La optimización de una planta habitualmente proporciona beneficios superiores a varios millones de €”, consideran, por su parte, desde Honeywell.

Págs. 44 a 46