Redesign Support Framework for Complex Technical Processes

Els processos industrials requereixen avaluacions periòdiques per a verificar la seva correcta operació en termes tècnics i econòmics. Aquestes avaluacions són necessàries a causa de els canvis en els mercats i en la legislació ambiental i de seguretat. Per a satisfer aquestes demandes és necessari investigar les alternatives dels processos que permetin l'ús òptim dels recursos existents amb la mínima inversió econòmica possible. Aquesta tasca es coneix com redisseny, que és un procediment per a determinar possibles canvis en un procés existent per a millorar-lo pel en alguna mètrica, tal com econòmica, ambiental, de seguretat, etc. En aquesta tesi es proposa un marc d'ajuda al redisseny per a processos tècnics. Aquest marc fa ús d'una representació jeràrquica de models múltiples del procés que es re dissenyarà en conjunció amb un motor que raonament basat en casos per a ajudar a decidir quins elements del procés han de ser modificats. El marc consisteix en quatre etapes principals: adquisició de la descripció del disseny, identificació de candidats, generació d'alternatives, i adaptació i avaluació d'alternatives.El procés original es modela jeràrquicament emprant conceptes de mitjans-fins i parts-tot. Així el coneixement sobre el comportament, l'estructura, la funció i l'objectiu de cadascuna de les parts del procés es genera i s'emmagatzema automàticament. Donat les noves especificacions o requisits que el procés ha de satisfer, el sistema troba les parts del procés que ha de ser redissenyades. S'utilitza una llibreria de casos per a obtenir seccions alternatives del procés que es puguin adaptar per a substituir parts del procés original. Per tant, el marc proposat permet modelar el procés, identificar els components de procés viables a redissenyar, obtenir components alternatius i finalment adaptar aquests components alternatius en el procés original. Aquest procediment es pot veure com activitat d'enginyeria inversa on es generen models abstractes en diversos nivells a partir d'una descripció detallada d'un procés existent per a reduir la seva complexitat. El marc ha estat implementat i provat en el domini d'Enginyeria Química.Los procesos industriales requieren evaluaciones periódicas para verificar su correcta operación en términos técnicos y económicos. Estas evaluaciones son necesarias debido a los cambios en los mercados y en la legislación ambiental y de seguridad. Para satisfacer estas demandas es necesario investigar las alternativas de los procesos que permitan el uso óptimo de los recursos existentes con la mínima inversión económica posible. Esta tarea se conoce como rediseño, que es un procedimiento para determinar posibles cambios en un proceso existente para mejorarlo con respecto a alguna métrica, tal como económica, ambiental, de seguridad, etc.En esta tesis se propone un marco de ayuda al rediseño para procesos técnicos. Este marco emplea una representación jerárquica de modelos múltiples del proceso que se rediseñará en conjunción con un motor que razonamiento basado en casos para ayudar a decidir qué elementos del proceso deben ser modificados. El marco consiste en cuatro etapas principales: adquisición de la descripción del diseño, identificación de candidatos, generación de alternativas, y adaptación y evaluación de alternativas. El proceso original se modela jerárquicamente empleando conceptos de medios-fines y partes-todo. Así el conocimiento sobre el comportamiento, la estructura, la función y el objetivo de cada una de las parte del proceso se genera y se almacena automáticamente. Dado las nuevas especificaciones o requisitos que el proceso debe satisfacer, el sistema encuentra las partes del proceso que debe ser rediseñadas. Se utiliza una librería de casos para obtener secciones alternativas del proceso que se puedan adaptar para sustituir partes del proceso original. Por lo tanto, el marco propuesto permite modelar el proceso, identificar los componentes de proceso viables a rediseñar, obtener componentes alternativos y finalmente adaptar estos componentes alternativos en el proceso original. Este procedimiento se puede ver como actividad de ingeniería inversa donde se generan modelos abstractos en diversos niveles a partir de una descripción detallada de un proceso existente para reducir su complejidad. El marco ha sido implementado y probado en el dominio de Ingeniería Química.Industrial processes require periodic evaluations to verify their correct operation, both in technical and economical terms. These evaluations are necessary due to changes in the markets, and in safety and environmental legislation. In order to satisfy these demands it is necessary to investigate process alternatives that allow the optimal use of existing resources with the minimum possible investment. This task is known as redesign, which is a procedure to determine possible changes to an existing process in order to improve it with respect to some metric, such as economical, environmental, safety, etc.A redesign support framework for technical processes is proposed in this thesis. This framework employs a multiple-model hierarchical representation of the process to be redesigned together with a case-based reasoning engine that helps to decide which elements of the process should be modified. The framework consists of four main stages: acquisition of the design description, identification of candidates, generation of alternatives, and adaptation and evaluation of alternatives.The original process is modelled hierarchically exploiting means-end and part-whole concepts, and thus knowledge about the behaviour, structure, function and intention of each part of the process is automatically generated and stored. Given the new specifications or requirements that the process must fulfil, the system finds the parts of the process which must be redesigned and a case library is used to obtain alternative process sections which can be adapted to substitute parts of the original process. Therefore, the proposed framework allows to model the process, to identify process components suitable for redesign, to obtain alternative components, and finally, to adapt these components into the original process. This procedure can be seen as a reverse engineering activity where abstract models at different levels are generated from a detailed description of an existing process to reduce its complexity. The framework has been implemented and tested on the Chemical Engineering domain.Postprint (published version

Metodología para el retrofit de procesos químicos basada en una representación jerárquica

Los procesos industriales en operación deben ser evaluados periódicamente para satisfacer las demandas económicas (coste de producción, eficiencia, etc.) y medioambientales (disminución de emisiones atmosféricas, residuos, etc.) a las que se ven sometidos. Una de las formas de hacer esta tarea es mediante el retrofit.El objetivo de este trabajo fue desarrollar una metodología para el retrofit de procesos químicos basada en representaciones jerárquicas para hacer mas eficiente y menos costosa la evaluación de nuevas condiciones de operación.La metodología se fundamenta en:- La aplicación de manera inversa del procedimiento de diseño jerárquico de Douglas [Douglas, 1988].- La representación de procesos mediante diagramas de bloques genéricos de Turton [Turton et al., 1998].- La estructura básica de los sistemas basados en conocimientos (base de conocimiento, motor de inferencia e interfaz de usuario) [Han et al., 1996].La metodología que se planteo para el retrofit de proceso integra conocimientos relacionados con el retrofit, diseño, síntesis y análisis de procesos, de forma que se logró diseñar e implementar herramientas informáticas de apoyo al retrofit de procesos. Además de los conocimientos de ingeniería química antes mencionados, se incorporaron conocimientos del área de ingeniería informática para desarrollar un sistema basado en conocimientos utilizando algoritmos computacionales de comunicación, visualización y técnicas de inteligencia artificial.La metodología consiste de cuatro etapas generales:1. Extracción de la información.2. Análisis y representación de la información.3. Generación de alternativas de solución.4. Adaptación y evaluación de alternativas de solución.La metodología se implementó en un Sistema Basado en Conocimientos (SBC).El SBC está formado por tres prototipos informáticos y una ontología que sirve de base para un lenguaje común entre los prototipos. Los prototipos son:- HEAD (Hysys Extraction Data), el cual permite la extracción de información de procesos simulados con ayuda del simulador comercial Hysys.Plant .- AHA! (Automatic Hierarchical Abstraction tool) el cual realiza el análisis y la representación de la información proporcionada por HEAD mediante el enfoque de modelos múltiples. Uno de los objetivos de AHA! es la generación de niveles de abstracción que permitan al usuario comprender e identificar las secciones de un proceso químico.- RETRO (Reverse Engineering Tool for Retrofit Options), el cual realiza una búsqueda de secciones susceptibles de mejora con base en información proporcionada por el usuario y unos criterios funcionales, para posteriormente generar y evaluar alternativas de solución mediante un sistema de razonamiento basado en casos.El SBC ha sido validado con 50 procesos químicos. Ha sido aplicado detalladamente a los procesos de producción de amoniaco y acetona con resultados satisfactorios en cuanto a la reducción del tiempo y complejidad de las tareas de análisis, representación y generación de alternativas de solución durante el retrofit.Los avances y resultados de la investigación se han publicado en 9 artículos (3 en revistas internacionales, 1 en un libro y 5 en libros de congresos con revisores) y se han presentado en 10 congresos internacionales (7 ponencias y 3 pósters) y 3 nacionales (3 pósters).Industrial processes require periodic evaluations to verify their normal operation, as much in economical as in technical terms. These evaluations are necessary due to changes in markets, safety and environmental legislation. It is necessary to satisfy these demands in order to investigate process alternatives that allow the optimal use of existing resources with the possible minimum investment. One way to make this task is by means of retrofit.The objective of this work is to develop a methodology for retrofit of chemical processes based on hierarchical representations. The concepts involved in the methodology are,- The application in inverse manner of hierarchical procedure for conceptual design of Douglas [Douglas, 1988]- The representation of processes by means of generic block diagrams from Turton [Turton et al., 1998].- The structure of knowledge based systems (knowledge base, inference machine and user interface) [Han et al., 1996].The proposed methodology has learning from retrofit, design, synthesis and analysis of processes, so that it was managed to design and implement support tools for retrofit of processes. Knowledge from computer science area in addition to knowledge from chemical engineering were applied in order to develop a knowledge-based system by using computational algorithms from communication, visualization and artificial intelligence techniques.The methodology consists of four general steps,1. Data extraction. Information of chemical process is extracted from an initial representation.2. Analysis and representation of information. Extracted information is abstracted at several levels based on a set of hierarchical functions, precedence rules and user information.3. Generation of alternatives. The alternatives are generated based on the new specification for the original process and a Case-Based Reasoning (CBR) system.4. Adaptation and evaluation. The generated alternatives are evaluated until their new specifications are satisfied.The methodology was implemented as Knowledge-Based System (KBS). The KBS has three prototypes and one ontology. The ontology is used as common language between the prototypes. The prototypes are,- HEAD (Hysys Extraction Data) was developed in MS Visual Basic . The goal is to extract information from a process flow diagram (PFD) which is simulated in Hysys.Plant .- AHA! (Automatic Hierarchical Abstraction tool) is a prototype developed in Java that generates different levels of abstraction from the initial PFD in order to identify sections where retrofit can be applied.- RETRO (Reverse Engineering Tool for Retrofit Options) includes a CBR system to retrieve from a library cases with equipment/devices (Units) or groups of them (Meta-units) which were similar to the one selected by the user.A set of cases (Units and/or Meta-units) is obtained as output from the CBR system. The set is ordered according to similarity of cases. The user should take the most similar alternative and make the adaptation in a simulator (in our case, we have used Hysys.Plant ).The KBS has been validated with 50 chemical processes. It has been applied in detail to the processes of ammonia and acetone production with satisfactory results in reduction of time and complexity of the analysis, representation and generation of alternatives of solution during retrofit tasks.The advances and results of the research have been published in 9 articles (3 in international journals, 1 in a book collection and 5 in refereed conference papers).Also they have been presented in 10 international congresses (7 communications and 3 posters) and 3 nationals (3 posters)

Méthodologie d'analyse et de rétro-conception pour l'amélioration énergétique des procédés industriels

A la veille d’une nouvelle conférence sur le climat, les questions environnementales demeurent plus que jamais au premier plan de la vie publique. La lutte contre le réchauffement climatique, et les émissions de gaz à effet de serre, dont l’attribution à l’activité humaine fait globalement l’objet d’un consensus scientifique, constituent l’un des plus grands défis de l’humanité pour les prochaines années. Dans ce contexte, l’amélioration de l’efficacité énergétique des sites de production est une des préoccupations des industriels. Les réglementations environnementales, et les fluctuations des cours de l’énergie les forcent à continuellement améliorer leurs procédés pour en maintenir la compétitivité. Ceux-ci doivent ainsi pouvoir disposer d’outils leur permettant d’effectuer des diagnostics énergétiques sur les installations, leur facilitant la prise de décision et leur permettant d’élaborer des solutions d’efficacité énergétique sur leurs sites industriels. Les travaux présentés dans ce document visent à introduire une méthodologie d’analyse et de rétro-conception pour l’amélioration énergétique des procédés industriels. Cette méthodologie, qui s’appuie sur une utilisation combinée de la méthode du pincement et de l’analyse exergétique, se décompose en trois grandes étapes : la première comprend le recueil des données, la modélisation et la simulation du procédé. La deuxième étape, dédiée à l’analyse du procédé, est elle-même divisée en deux phases. La première, qui s’appuie pour l’essentiel sur l’utilisation de la méthodologie du pincement, s’intéresse uniquement à l’analyse du système de fourniture et de récupération de l’énergie thermique. Si cela s’avère nécessaire, le procédé complet est étudié dans une deuxième phase. L’analyse pincement se limitant à l’étude des procédés thermiques, une méthodologie d’analyse exergétique est mise en œuvre. Cette méthodologie s’appuie sur l’implémentation de l’analyse exergétique dans l’environnement ProSimPlus, entreprise par Ali Ghannadzadeh, et poursuivie pendant cette thèse. Les formules d'exergie ont été affinées pour s’ajuster aux différents modèles thermodynamiques. L’approche d’analyse proposée dans ce manuscrit est basée sur l’utilisation d’une nouvelle représentation graphique des bilans exergétiques : le ternaire exergétique. Ce dernier permet d’illustrer tous les aspects des bilans exergétiques et ainsi d'assister l’ingénieur dans l’analyse du procédé. La troisième étape s’intéresse à la conception pour l’amélioration énergétique. Alors que l’analyse du pincement propose des solutions d’amélioration, l’analyse exergétique ne le permet pas. Elle nécessite l’apport d’une certaine expertise pour aboutir au développement de solutions d’améliorations. Pour pallier ce problème, l’expertise est en partie capitalisée dans un système de raisonnement à partir de cas. Ce système permet de proposer des solutions à des problèmes nouveaux en analysant les similarités avec des problèmes anciens. Cet outil se révèle utile pour définir des solutions locales d’améliorations énergétiques. L’analyse du pincement associée à des outils numériques est ensuite utilisée pour concevoir des propositions complètes d’améliorations. La seconde partie de ce manuscrit présente cette étape