[Resumen] Este artículo describe la tarea de supervisión del proceso de simulación en tiempo real de procesos de control. El
algoritmo propuesto de supervisión del proceso de simulación está basado en el procesamiento masivamente
paralelo de ecuaciones de paridad, en donde se comparan datos actuales reales con la salida dinámica del modelo
de proceso. Si los residuos de las ecuaciones de paridad están dentro de límites admisibles entonces la
información de inicialización y actualización del modelo de simulación, es admitida y el proceso de simulación es validad

Ferreiro García, Ramón

Pérez Castelo, Francisco Javier

Repositorio da Universidade da Coruña

SUPERVISION DE LA SIMULACION DE PROCESOS DE CONTROLMEDIANTE ECUACIONES DE PARIDADR. Ferreiro GarcíaDept. Ing. Industrial, E.S.Marina Civil, Paseo de Ronda 51, 15011 A Coruña, ferreiro@udc.esF.Javier Perez CasteloDept Ing. Industrial, javierpc@udc.esResumenEste artículo describe la tarea de supervisión del procesode simulación en tiempo real de procesos de control. Elalgoritmo propuesto de supervisión del proceso desimulación está basado en el procesamiento masivamenteparalelo de ecuaciones de paridad, en donde se comparandatos actuales reales con la salida dinámica del modelode proceso. Si los residuos de las ecuaciones de paridadestán dentro de límites admisibles  entonces lainformación de inicialización y actualización del modelode simulación, es admitida y el proceso de simulación esvalidado.Palabras Clave: Ecuaciones de paridad, Supervisión,Inicialización de Bloques Función, Supervisor desimulación, Herramientas de simulación.1 INTROCCIÓN AL ENTORNO DESIMULACIÓNLa simulación de procesos de control en tiempo real esllevada a cabo con herramientas orientada a objetos yconducida por eventos, que consiste en un entorno gráficodistribuido de programación en tiempo real para utilizarcon información adquirida por medio del hardware decontrol así como por sensores virtuales o datosemulados.[6].Los programas de simulación son creados añadiendoobjetos gráficos al área de trabajo y vinculando talesobjetos mediante líneas de unión. Tal vista gráficaconsiste en el programa del usuario. No son necesarias lastareas de linkado y compilado.El término “objetos” se refiere a bloques funciónutilizados para construir el programa de usuario. Lasimulación con bloques función realiza una gran variedadde tareas, desde la adición de cantidades hasta realizardecisiones lógicas, leer archivos o controlar instrumentosentre otras. La figura 1 muestra dos bloques función (unaentrada analógica y un bloque integrador) unidos por unalínea de flujo.Fig. 1. Unión de dos bloques función (bloques funciónentrada analógica e integrador)2 ENTORNO DE SIMUILACIÓNDeltaVDeltaV Simulate [6] es una herramienta de simulación entiempo real que soporta el desarrollo de la tarea deconfiguración de DeltaV, validación y entrenamiento deoperadores de planta dentro de un entorno virtual deingeniería. Permite la configuración de opciones sobrecontrol continuo, control batch, control avanzado, asícomo el scada asociado a las estaciones de trabajo.DeltaV [6] es un software de fácil utilización, escalable ypotente para diseñar y operar aplicaciones de control deprocesos. Con esta herramienta se puede simular laejecución de la interface del usuario y seleccionarmódulos de control definidos para la planta. Utilizando lascapacidades de simulación de procesos de control yentrada/salida de DeltaV y fieldbus, se puede predecirobjetivos y estrategias para conseguirlos.La figura 2 muestra el entorno ingeniería hardware de unsistema de control de una planta de proceso, en donde lasimulación es un ingrediente cotidiano, y               AI1    SIMULATE_IN   OUT                                   #                INT1     IN_1                   OUT     IN_2              OUT_PTRIP     REV_FLOW1  OUT_TRIP     REV_FLOW2   N_RESET     RESET_IN                                               #1consiguientemente, la supervisión del proceso desimulación, con objeto de asegurar sus resultados.Fig.2. Entorno del hardware del proceso de control.2. ALGORITMO DE SUPERVISIÓN DELA SIMULACIÓNPara supervisar el proceso de simulación, se propone  unalgoritmo basado en el procesamiento de ecuaciones deparidad [1], [2], [3]. Tal procedimiento consiste encomparar la información actual capturada en tiempo realcon la salida del modelo dinámico del proceso. Losvalores de la generación de residuos son cruciales paraaplicar en el procedimiento de toma de decisiones en loque concierne a la validación de la informaciónsupervisada [4] [5].Si los valores residuales de las ecuaciones de paridadestán contenidos dentro de los límites de un rangopredefinido, entonces la información adquirida en tiemporeal validada, es admitida y utilizada para actualizar y/oinicializar los módulos de simulación del proceso decontrol. En caso contrario, o cualquier otro caso, cualquierintento de simulación es fallido debido a la invalidez delmodelo. Esta aseveración se razona del siguiente modo:El valor a ser inicializado dentro del bloque funciónintegrador (INT) debe ser el valor actual de la variable decontrol, si y sólo si el valor de los residuos está dentro dellos límites de un rango establecido. En cualquier otrocaso, el proceso de simulación queda invalidado.Las ecuaciones de paridad son conseguidas a partir delmodelo dinámico de la planta y del modelo del índice decambio de la variable controlada. Por tanto son requeridosdos tipos de información:♦ Estimación del índice de cambio (IdC) en base a lamedición directa (MD) de la variable controlada(VC)♦ Estimación del índice de cambio de la VC en base amedición indirecta (MI)En la figura 3 se muestra en diagrama de flujoesquemático del algoritmo de supervisión basado enecuaciones de paridadFig 3.Diagrama esquemático del algoritmo de supervisiónen base a ecuaciones de paridad3 SIMULACIÓN DINÁMICA DE UNPROCESO DE CONTROL BATCHLa simulación de procesos masivamente paralelos esaplicada corrientemente a tareas de procesos de control[6]. Por ejemplo, la producción de una planta de procesodebe ser limitada en concordancia con la capacidad deabastecimiento de la materia prima. Para determinar si loscambios del proceso de diseño propuestos permiten mayorcapacidad, se necesita una simulación dinámica de todo elproceso, de alta fidelidad. Con ello el operadorresponsable de resolver el problema de limitación deproducción, conoce si las especificaciones de productopueden ser satisfechas utilizando la estrategia inicial decontrol.Pese a ello, la simulación en tiempo real tiene que serrealizada bajo severas y restrictivas condiciones: Modelosdel proceso, parámetros del proceso, variables de procesoen tiempo real y algoritmos computacionales, tienen queser precisos. Con objeto de asegurar que las variables deproceso en tiempo real satisfacen los requerimientos deprecisión, se tiene que aplicar una tarea de supervisióncapaz de validar la información. La siguiente subseccióndescribe este procedimiento.3.1 APLICACIÓN A LA DIAGNOSIS DELA SIMULACIÓN DE UNPROCESO BATCHEn control batch, algunas recetas incluyen etapas en lascuales un estado transitorio requiere un tiempodesconocido a priori para alcanzar el estado estacionario.En este caso, el estado dinámico transitorio de un procesosecuencial debe ser susceptible de predicción con objetoIdC de VC en basea MD de VCDM IMIdCresiduosIdC de VC en base almodelo del procesoModelo de SimulaciónIdCToma de Decisiones+de administrar la materia prima a suministrar en lasiguiente etapa de la receta. Con objeto de predecir laduración de un estado transitorio de una etapa delproceso, es necesaria una etapa simultánea de simulaciónde alta fidelidad. Esta tarea requiere la inicialización detodos los bloques función involucrados en el modelo desimulación con información actualizada en tiempo real.Para asegurar el valor apropiado de inicialización y/oactualización de tales bloques función (por ejemplo todoslos bloques integradores inherentes al modelo desimulación), se propone el siguiente algoritmo desupervisión del proceso de simulación utilizandoecuaciones de paridad de modo masivamente paralelo(tantas como integradores contenga el modelo delproceso).El proceso de control elegido para el estudio consiste enun intercambiador de calor dentro de un tanque con lassiguientes características:Sección transversal del tanque A,Caudal y temperatura de entrada  F1 y T1,Caudal y temperatura de salida F2, T2,Masa, densidad y calor específico del fluido a calentar M,δ y Cp,Nivel del tanque y volumen de fluido L y V.Energía suministrada al calentador QeEl componente aditivo no es relevante en el balance demateria y energía.Fig.4.De acaractbalancBalanF −δ1Balance de energía: 22112 )(TFCTFCdtTVdCqPPPe⋅⋅⋅−⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=δδδ (2)el índice de cambio del nivel y temperatura está dadocomo)(1 21 FFAdtdL−⋅= (3)222112 2)(1 TFTTFqLAdtdTe ⋅⋅++⋅−⋅= (4)La medición indirecta del índice de cambio de nivel ytemperatura es conseguido por medio de la aplicación delas expresiones (3) y (4). La estimación del índice decambio en el nivel y temperatura mediante medicióndirecta puede ser conseguida mediante una aproximacióna sus derivadas como0101ttLLtLdtdL tt−−=∆∆≈ (5)01021222ttTTtTdtdT tt−−=∆∆≈(6)Los residuos R1 y R2 dados por (7) y (8) han sidogenerados comparando (3) con (5) y (4) con(6).resultando las siguientes expresiones:))(1()(1 210101 FFAttLLR tt −⋅−−−=(7))(2 0212 TTR tt −−= (8)aditivoFT1TT1LM, Cp,δF1,T1Qe Diagrama esquemático del proceso de controlcuerdo con la notación establecida para laserísticas del proceso, el modelo está dado por loses de materia y energía comoce de materia (continuidad total):dtdLAF ⋅⋅= δδ2(1))2)(1( 2221101TFTTFqLAtte ⋅⋅++⋅−⋅−Finalmente, si los residuos no exceden los valores límite oestán dentro del rango delimitado, el proceso desimulación es validado y sus resultados son admitidoscomo buenos o fiables3.2 TAREA DE IMPLEMENTACIÓNALGORITMO D SUPERVISIÓNEl Algoritmo de supervisión está realizado con el lenguajeestándar de Foundation Fieldbus el cual se muestra en lafigura 5. Los bloques función TT1, FT1, TT2, FT2 y LT2son responsables de la adquisición de información entiempo real. Con esta información, el bloque funciónF2,T2FT2TT2CALC1 realiza todas las operaciones aritméticas y lógicaspara la obtención de los residuos mediante elprocesamiento de las expresiones (7) y (8), y ejecuta latoma de decisiones evaluando loas expresiones IF..THENpara habilitar o deshabilitar la inicialización de losbloques función de integración con valores coherentes conla dinámica del proceso, así como actualizar o corregir losvalores de simulación en concordancia con la dinámicadel proceso.El bloque función CALC1 tiene que ser editado medianteun editor de texto o expresiones. El editor de expresionespermite la edición bajo el lenguaje de programación ST(Structured Text) del estándar de programación IEC-1131-3 en su sintaxis específica. Así, el primer pasoconsiste en editar las expresiones (3,4,5,6,7,8) y entonceseditar las reglas de toma de decisión, las cuales serepresentan bajo la forma siguiente:Regla Nº 1IF abs(R1) <Lim(R1) THENINIT1 = TRUE “Inicialización habilitada, la cualinicializa  el bloque función INT1”ELSE  OUT1 = FALSE “inicialización deshabilitada, uqsignifica que la tarea de simulación falla y envía unaalarma”ENDIFRegla Nº 2IF abs(R2) <Lim(R2) THENINIT2 = TRUE “Inicialización habilitada, la cualinicializa el bloque función INT2”ELSE OUT2 = FALSE “inicialización deshabilitada, uqsignifica que la tarea de simulación falla y envía unaalarma”ENDIFLas ecuaciones (3) y (4) llevan sus resultados a losterminales o pines de salida 1 y 2 del bloque funciónCALC1, valores que son capturados por los terminales opines de entrada de los bloques función integración paralas variables de nivel y temperatura respectivamente demanera simultánea3 CONCLUSIONESLa validación de la tarea de simulación es llevada a cabocomparando el índice de cambio de las variablescontroladas usando dos procedimientos  alternativos. Conlos resultados de los residuos se someten a la evaluaciónlógica para discriminar si los valores para inicializar losbloques función integración son válidos yconsecuentemente, la simulación es admitida como buena.Por otra parte, si los residuos están fuera de rango, ello esdebido a un fallo en el proceso o en la medida.Definitivamente, si hay fallo los resultados de lasimulación no son en absoluto fiables, haciéndosenecesario reconducir las tarea de diagnosis hacia lalocalización y reconfiguración o solución del problemacausante del fallo.Referencias[1] Ballé, P. and Isermann, R. (1997), “Trends in theapplication of model-based fault detection anddiagnosis of technical processes”, ControlEngineering Practice, vol. 5, no.5, pp. 709-719.[2] CEP (1997), IFAC Journal Control EngineeringPractice, Special Section on Supervision, FaultDetection and Diagnosis of Technical Processes,Tutorial Workshop IFAC Congress 1996, vol. 5, no. 5,pp. 637-719.[3] Isermann, R. (1997), “Supervision, fault-detection andfault-diagnosis methods – an introduction”, ControlEngineering Practice, vol. 5, no. 5, pp. 638-652.[4] Gertler, J. J. (1999), Fault detection and diagnosis onengineering systems”, New York, NY, USA, MarcelDekker.[5] Wolfram A., Füssel D., Brune T. and Isermann, R.(2001). Component-based Multi-Model Approach ForFault Detection and Diagnosis of a Centrifugal Pump.ACC ‘2001, Arlington, Virginia, USA.[6] Fisher Rosemount Systems (2001) DeltaV SoftwareV5.3. Emerson Process Management U.S.A. Austin,TX 78754 USA. www.EasyDeltaV.comFig. 5. Algoritmo de supervisión del pFoundation Fieldfbus               TT1    SIMULATE_IN   OUT                                   #1              LEVEL_INT     IN_1                          OUT     IN_2              OUT_PTRIP     REV_FLOW1  OUT_TRIP     REV_FLOW2   N_RESET     RESET_IN               FT1    SIMULATE_IN   OUT                                   #2               TT2    SIMULATE_IN   OUT                                   #3               FT2    SIMULATE_IN   OUT                                   #4               LT1    SIMULATE_IN   OUT                                   #5      CALC1          IN1    OUT1    IN2    OUT2    IN3    OUT3    IN4    OUT4    IN5    OUT5roceso de simulación implementado bajo el lenguaje estándar de                TEMP_INT     IN_1                          OUT     IN_2              OUT_PTRIP     REV_FLOW1  OUT_TRIP     REV_FLOW2   N_RESET     RESET_IN                                               #2                                               #1                         #1

Supervisión de la simulación de procesos de control mediante ecuaciones de paridad FF

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