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Colaboración en productos de automatizaciónLo que puedendecirnos los buclesSupervisión del rendimiento de una central con ayuda del control de bucleManfred Rode, Ulrich Dombrowski, Jörg BuddeLas grandes instalaciones industriales,como las centrales eléctricas,constan de numerosos componentesy subprocesos que funcionan enconjunción para dar forma al procesogeneral de la manera más fluida yóptima posible. Esto se consigue concientos, a veces millares de bucles decontrol que hacen funcionar a centralde la manera que desea el propietario.La central puede funcionar deforma óptima sólo si todos los buclesde control están perfectamente alineadosentre sí. Hasta el momento,se ha observado que esta alineaciónexige mucho tiempo y dinero en lapráctica, ya que cada modificación ycada actualización exigen una reoptimizaciónconstante, aparte del envejecimientonatural de los componentesde la central. Por esta razón, casitodas las centrales funcionan a unnivel por debajo del consideradoóptimo. Junto con STEAG, ABB hadesarrollado procesos de supervisióndel rendimiento para centrales eléctricasque permiten una vigilanciaposterior continua de manera quela central pueda funcionar al nivelóptimo.76 Revista ABB 3/2007


Lo que pueden decirnos los buclesColaboración en productos de automatizaciónCuando hablamos de “supervisióndel rendimiento de una central”nos referimos al control del rendimientode una planta de producción. Elcontrol del rendimiento está determinadopor muchos factores. Además delnatural envejecimiento de los componentesde la central, también las interrupcionesy los ajustes defectuosos(como unas válvulas incorrectamentealineadas) desempeñan su papel. Lasmodificaciones relacionadas con elproceso repercuten siempre en elcomportamiento general de la central,algo que no se tuvo en cuenta en unprincipio. Los factores relacionados conel tiempo y el dinero que se producendespués de estas modificaciones hacen,pues, que los operadores hagan funcionartemporalmente la central por debajode su capacidad. La compleja tareade analizar las causas puede resultardesalentadora, puesto que la identificaciónpositiva de una función que seencuentra por debajo del nivel óptimoexige la interpretación de grandesvolúmenes de datos.Las grandes instalaciones, como lascentrales eléctricas, suelen tener entrevarios centenares y varios millares debucles de control. Sólo un númerolimitado de éstos recibe atenciónespecial, ya que sus fallos de funcionamientorepercuten directamente en lasoperaciones. La mayoría de los buclesde control, por otra parte, se producenmás o menos en un segundo plano,puesto que los fallos de funcionamientono repercuten de forma directa en elrendimiento de la central. Ahora bien,su función es significativa por lo que serefiere al rendimiento óptimo de lacentral en conjunto.La relación entre el “bienestar” (esdecir, el rendimiento) de una central yun bucle de control se hace manifiestasi tenemos presente la función quecumple un bucle en una central.La desviación de control –una medidade la desviación de la variable delproceso que va a someterse a control(variable controlada) y del objetivonecesario (punto de consigna)– es loque inicia un flujo de masa o energético.Además de la variable controlada ydel punto de consigna, un bucle decontrol tiene también una variable desalida, que es la variable que controlael flujo de masa o energético a partirde las especificaciones de control quese apliquen. Éstas se utilizan para manipularun componente de la centralde manera que la variable controladavuelva a alinearse con el punto deconsigna. Inducir esta realineación y,en especial, mantenerla a pesar de lasposibles interrupciones imprevistas sonlos objetivos principales de un bucle decontrol.Análisis de la señal del bucle de controlLos bucles de control son en esencialas nervaduras de una instalación. Y el“estado” en que se encuentran estosbucles nos permite extraer conclusionessobre las condiciones en las queestá la planta. Puesto que los buclesde control están conectados entre sí através de los componentes de la central,un funcionamiento defectuoso enun componente tendrá su repercusiónen otro componente, probablementedistante del primero. Aunque se intentaminimizar tal repercusión mutua pormedio de desacoplamientos relacionadoscon el proceso (como la memoriabuffer o intermedia), no se puedeeliminar por completo.Las tres variables juntas del bucle decontrol (punto de consigna, variablecontrolada y variable de salida) suelenser suficientes para valorar la funcionalidadde un bucle de control y, portanto, del correspondiente componentede la central. Por lo común, la funcionalidadde un bucle de control se compruebacon el análisis de las anomalíasdel punto de consigna durante la activación.Teniendo en cuenta la multitudde controles que hay en una central,no resulta difícil entender por qué seusa cada vez menos este tipo de controlde calidad durante el funcionamiento,habida cuenta de los costes yla escasez de tiempo.Un concepto probadoEl concepto de aplicar bucles de controlde estado como indicadores de lacondición en que se encuentra unacentral fue objeto de amplias investigacionesen el decenio de 1980. Un sectoresencial fueron las industrias papeleras.La idea fundamental era no tenerque analizar uno por uno los buclesde control, como sucede en el métodoclásico de anomalías ya mencionado.Tenía que haber una forma de usar lospatrones de la señal durante el funcionamientopara así obtener informaciónsobre la calidad de los bucles de controly para poder extraer conclusionessobre el rendimiento de la central enconjunto.Otra cuestión era eliminar un problemaoriginado por la falta creciente de personalcualificado. Mientras que en elpasado un ingeniero solía ser responsablede tal vez una docena de bucles,hoy en día tiene que ocuparse de viarioscentenares de bucles de control.En consecuencia, la supervisión individualha dejado de ser una alternativa,por la cantidad de tiempo que exige.Al utilizar términos como “supervisiónde bucles de control”, “evaluación delrendimiento de los bucles de control”,“auditoría de bucles” y “supervisión delrendimiento de control”, los ingenieroshan desarrollado métodos de naturalezaparecida que, sobre la base de numerosasvariables estadísticas y susinterconexiones, ofrecen un análisiscuantitativo de un bucle de controlindividual [1].En este momento, tales métodos se hancomprobado en la práctica y son válidosdesde el punto de vista funcional.Resultan atractivos no sólo para laspapeleras, sino también, cada vez más,para la industria química. Y no es extrañosi tenemos presentes las cantidadesde dinero que debe invertir la industriaquímica en un bucle de control:si se incluye el sistema de medición, elactuador, los controles y la transferenciade señal, la cifra puede oscilar entre5.000 y 100.000 euros [2]. En este contexto,los posibles recargos de entre100 y 200 euros por bucle de controlpor incluir la supervisión del rendimientode control (CPM por sus siglasen inglés) son, de hecho, menos significativos.Por lo que se refiere a la supervisióndel rendimiento de una central, hayotro argumento para la realización dela CPM: los mencionados problemas deCuadro STEAG GmbHSTEAG GmbH es una filial de RAG y laquinta productora de energía eléctricamás grande de Alemania. Se dedicaprincipalmente a la generación de electricidaden centrales eléctricas de carbón.Potencia eléctrica instalada total:9.000 MWCifra de negocios en 2006:2.730 millones de eurosTrabajadores: casi 5.000http://www.steag.de (junio de 2007)Revista ABB 3/200777


Lo que pueden decirnos los buclesColaboración en productos de automatizacióncalidad asociados al establecimiento yel dimensionamiento de los controles.Según las estimaciones realizadas, untercio aproximadamente de los buclesde control funcionan bien mientras queotro tercio resultan, por término medio,sólo útiles. Cerca del 30 % de los controlesfuncionan sobre todo de formamanual, debido a que su rendimientode control es inadecuado.¿Por qué no aplicarlo en las centraleseléctricas?La herramienta informática desarrolladapor ABB OptimizeIT Loop PerformanceManager (LPM) incluye algoritmos queestudian en línea las señales del buclede control y ofrecen un análisis de controlactualizado y virtual. Es decir, eneste caso la realización de una pruebaaparte de las funciones individuales basadaen el método del punto de consigna/perturbaciónresulta ahora anticuada:el comportamiento de la central encondiciones de funcionamiento normalesya facilita suficiente informaciónsobre la calidad de los controles.El equipo de control del proceso en lacentral térmica de STEAG de Lünen,Alemania (véase la fotografía queacompaña al título de este artículo),era muy partidario de probar el procesode ABB para análisis de rendimientoen sus instalaciones. “Disponemos demuchos y muy diversos datos sobrenuestros controles, que pueden utilizarsepara comprobar la compatibilidadde la central con los procesos CPM”,era su desafiante afirmación.A este respecto, un activo importanteera la ya larga y positiva cooperaciónentre STEAG y ABB: por un lado, lacentral tenía ya un sistema de controldel proceso de ABB; por otra, elServicio ABB llevaba años encargándosedel mantenimiento de la planta, doscondiciones básicas que resultaron deutilidad para el experimento.Lo que era prometedor sobre todoera la sinergia entre el personal de lacentral, la larga experiencia en serviciosde mantenimiento de ABB y los conocimientotécnicos del personal científicode ABB para desarrollar un nuevoenfoque para acondicionar el controldel rendimiento al sector de las centraleseléctricas.El supuesto de prueba elegido parala central fue la inducción de aire enla cámara de combustión. Es sabidoque esta área suele ser una posiblefuente de fallos debido a las grandescantidades de aire, a los largos conductosde aire y a los molinos dispersos.Los ingenieros escogieron deliberadamenteuna zona limitada de la central.De ese modo podían concentrarse enpeculiaridades exclusivas de las centraleseléctricas y garantizar que el resultadopudiera verificarse también conmétodos tradicionales.Para poder analizar asimismo datosarchivados, los algoritmos, desarrolladosen parte en el centro de investigaciónde ABB, se introdujeron en unmarco informático que permitía el accesoa archivos de datos exportados ymostraba los resultados del análisis enEXCEL. Tal enfoque representaba unasolución que era independiente de lossistemas de control del proceso 1 .Las primeras aplicaciones in siturevelaron las diferencias entre centraleseléctricas y papeleras. Mientras que nocabe duda de que las centrales térmicasactuales, incluidas las dedicadas aoperaciones básicas, pueden funcionar,en condiciones de carga plena una vez,y de carga ligera la siguiente, la fabricaciónde papel se realiza en unas condicionesbásicas relativamente uniformes.De modo que las condiciones de trabajode un control varían en consecuen-1 Resultado de un análisis de la señal del bucle de control que abarcó varias semanasSemana 36 Semana 37 Semana 38 Semana 39 Semana 40 SeptiembreExcelente Bueno Pasable Deficiente23Usuario_SRP1 (2)45Categoría de buclePresión (1)Temperatura (23)Flujo_otros (6)DeficienteA B CRendimiento globalLa parte gris es el resumen de un análisis de rendimiento de bucle en un periodo de lasemana 36 a la 39 en septiembre de 2005. Los bloques del gráfico de barras que haydebajo de los números y los meses reflejan los rendimientos cualitativos del bucle (excelente,bueno, pasable, deficiente) en esa semana y ese mes, y están representados concolores especiales. En el gráfico de barras hay hasta cuatro bloques en una columna defecha, ya que hubo distintos casos de carga (p. ej., carga baja, carga media), representadospor números 2,…, 5 en el lado derecho de la imagen; en septiembre (la evaluaciónno tiene carácter global, sino que cada caso se evalúa por separado).Las letras A, B y C representan los bucles del molino de carbón con calidad deficiente.Eso es una indicación clara de que hay un problema real con esos bucles y una señalde que es necesario revisar el control del molino.Las evaluaciones de bucles se realizan en grupos. Todos los bucles de una categoríade bucle (p. ej., los bucles de control de la temperatura) se recogen juntos. A continuaciónse ofrece una visión general de este tipo de evaluación para que se aprecie conmayor exactitud. Los números de las barras corresponden al número de bucles (excelente,bueno, pasable, deficiente) de una categoría. Por ejemplo, 14 de todos los buclesde control de la temperatura (24) son de calidad excelente y sólo uno es de calidad deficiente.78 Revista ABB 3/2007


Lo que pueden decirnos los buclesColaboración en productos de automatización2 Procedimiento de un análisis de perturbaciones a escala de plantaMarca de la señalPeriodo de oscilación [s]10010Tiempo1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Índice de oscilaciónSe reciben señales de bucles de control considerados sospechosos y se envían a la herramienta del procedimientode análisis de perturbaciones en un archivo EXCEL. Un análisis de oscilaciones muestra qué señales tienen oscilacionesparecidas. Estas señales están agrupadas. Todas las señales de esa agrupación están señaladas en rojo(parte superior izquierda: serie temporal de las señalas analizadas; parte superior derecha: espectros de la señalimpulsoen el mismo punto de frecuencia indica oscilaciones parecidas).0.001 0.01 0.1 HzFuente de la oscilaciónEl cálculo del índice de oscilación en relación con el periodo de oscilación de una señal (abajo) ofrece informaciónsobre el origen principal de una oscilación. Cuanto mayor sea el índice de oscilación, más probabilidad hay de quela señal sea el origen de la oscilación de un grupo de señales. La línea vertical de la cruz de un índice de oscilaciónes una medida de la varianza del periodo de oscilación y, por tanto, un valor de la simetría de oscilación.cia en una central eléctrica. Pronto sehizo evidente que no todos los datosnecesarios estaban disponibles en unarchivo, ya que los análisis de datosbasados en los cálculos matemáticosrequieren variables que suelen descartarseen los análisis meramente empíricosbasados en curvas.Sin embargo, la estrecha cooperaciónentre el motivado personal de la plantay el Servicio y el centro de investigaciónde ABB hizo muy fácil alcanzarsoluciones. Mientras que el personal dela central rellenaba los datos del archivo,el Servicio ABB preparaba el terrenopara que la exportación de datosfuera de la máxima eficacia. En ello interveníanenormes cantidades de datosque se analizaban en los laboratoriosdel centro de investigación de ABB enLadenburg, donde se desarrollaron lossuplementos necesarios de los algoritmosanalíticos.Se advirtió que, para poder acceder aenormes cantidades de datos de buclesde control correspondientes a una centraleléctrica, era conveniente aplicarun proceso que no se había previstoutilizar en centrales eléctricas. El „análisisde perturbaciones a escala de planta“(PDA) es un método para el análisisde datos de las señales distinto de losmétodos tradicionales [3]. El PDA permiterealizar mejores análisis del acoplamientoentre los componentes de la central,y es una forma más fiable de averiguarla causa de una interrupción 2 .La evaluación de los resultados delanálisis, y el debate posterior, de cercade tres docenas de bucles de control –aparte de la distribución de aire, al procesode control se añadió después elcontrol del sobrecalentamiento del vapor–a lo largo de un periodo de cercade un mes ofreció unas perspectivasnuevas y fascinantes de los componentesde la central analizados. A partir delos datos del bucle de control, los ingenierospudieron presentar al clienteunos vínculos que de otro modo nohubieran sido tan claros. Así se contestaronalgunas algunas de las preguntaspendientes del cliente. A consecuenciadel éxito del análisis en línea, el procesose está ampliando ahora a todo elbloque de la central eléctrica.Más aplicaciones de la supervisión delrendimiento de control (CPM)Dado que ya es posible aplicar la CPMa centrales eléctricas, la cartera delServicio ABB se ha ampliado paraincluir también este servicio, el cualno sólo facilita el trabajo del personalcualificado de la central eléctrica, sinoque también constituye el fundamentopara la elaboración de una base globalde conocimientos sobre el comportamientode los bucles de control encentrales eléctricas.Además, no es necesario instalar deinstalar un PC de análisis especial eincluirlo en la red de la central.La CPM permite realizar con la mayorfacilidad análisis de bucle de controlesporádicos y cíclicos a intervaloslargos.El debate sobre los resultados del análisis,que siempre se basa en datos bienfundamentados, entre el personal de lacentral y el Servicio ABB son la base delas medidas que deben adoptarse.El proyecto desarrollado junto conSTEAG ha vuelto a demostrar que lacombinación de expertos de distintoscampos científicos puede ser muy fructífera.Manfred RodeABB Corporate ResearchLadenburg, Alemaniamanfred.rode@de.abb.comUlrich DombrowskiSTEAG GmbHLünen, Alemaniaulrich.dombrowski@steag.deJörg BuddeABB Power Technology Systemsjoerg.budde@de.abb.comReferencias[1] Rode, M., 2004, Control Performance Monitoring– Ein effizientes Verfahren für die Zustandsüberwachungvon Produktionsprozessen, BWKvolumen 56 Nº 9, 51–55[2] Dittmar, R., Bebar, M., Reinig, G., 2003, ControlLoop Performance Monitoring – Motivation,Methoden, Anwenderwünsche, AutomatisierungstechnischePraxis 45 Nº 4, 94–103[3] Horch, A., Cox, J., Bonavita, N., 2007, Peakperformance – Root cause analysis of plant-widedisturbances, Revista ABB, 1, 24–29Revista ABB 3/200779

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