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CONTROL PREDICTIVO DE UNA UNIDAD CATALITICA DE CRUD O (FCCU) USANDO INCA

AUTOR:

Víctor Manuel González Medina.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA MEDELLIN

2009

CONTROL PREDICTIVO DE UNA UNIDAD CATALITICA DE CRUDO (FCCU) USANDO INCA II

CONTROL PREDICTIVO DE UNA UNIDAD CATALITICA DE CRUD O (FCCU)

USANDO INCA

AUTOR:

Víctor Manuel González Medina

TRABAJO DIRIGIDO DE GRADO PARA ADOPTAR AL TITULO DE INGENIERO DE CONTROL

DIRECTOR:

Jairo José Espinosa Oviedo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA MEDELLIN

2009

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DEDICATORIA

Antes que nada quisiera agradecer a Dios y a la Virgen por darme la vida y las fuerzas para afrontar cada día que pasa superando cada uno de los obstáculos que se presentan además, por permitirme conseguir tantos logros en mi vida. Siguiente quisiera agradecer a mis padres, los mejores padres del mundo, por apoyarme en todas y cada una de la decisiones que he tomado, y por aconsejarme cada día de mi vida porque, más que padres han sido mis mejores amigos, también quisiera agradecer a mis hermanos y amigos porque, a pesar de que a veces nos agarramos por cualquier situación siempre están allí de nuevo para apoyarme. También quisiera agradecer al asesor de mi tesis el cual es todo un maestro y un gran ser humano, por apoyarme y aguantarme todo este tiempo y porque a pesar de todas las complicaciones resultantes en este trabajo, siempre confió en mi además, también quisiera agradecer a mi novia, la cual ha sido un gran apoyo en mi vida y una gran consejera, por ayudarme aun cuando no lo necesitaba. Finalmente quisiera agradecer a todos los que hacen parte de mi vida, porque gracias a ellos hacen de mi vida cada día un momento genial, mil y mil gracias a todos por todo.

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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION ........................................................................................................................ V

OBJETIVOS .............................................................................................................................. VII

1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA .................................................................................... 1

2. METODOLOGIA. ................................................................................................................. 2

3. UNIDAD CATALITICA DE CRUDO (FCCU) .................................................................... 2

3.1. DESCRIPCION DEL PROCESO .............................................................................. 2

3.2. DINAMICA DEL MODELO ........................................................................................ 4

4. SISTEMA DE CONTROL ................................................................................................... 7

4.1. ACERCA DE INCA IPCOS. ...................................................................................... 7

4.1.1. Descripción de los módulos .......................................................................... 9

4.1.2. Abreviaciones Principales ............................................................................ 10

4.2. ESTRUCTURA DE CONTROL PARA LA UNIDAD FCC. ................................... 10

4.3. MODELO DEL SISTEMA ........................................................................................ 12

4.4. CONFIGURACION DE INCA IPCOS ..................................................................... 14

5. RESULTADOS .................................................................................................................. 18

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................................... 20

BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................................... 22

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INTRODUCCION

En el mundo existen muchas compañías en las cuales el control de los procesos resulta ser parte fundamental para el correcto funcionamiento de estos, desde aproximadamente 1940 en adelante se comenzaron a implementar en la mayoría de las refinerías de petróleo unidades de fraccionamiento catalítico, estas fueron necesarias debido a la alta demanda de combustibles a base de petróleo que comenzó a surgir por la misma época, las compañías de refinación de petróleo son unas de las principales compañías a nivel mundial y, las unidades de fraccionamiento catalítico se convirtieron en parte fundamental del proceso de refinación del petróleo ya que, permiten la obtención de diferentes productos al alimentar en esta el coque obtenido por extracción. El estudio de una unidad de fraccionamiento catalítico demanda mucho tiempo y esfuerzo debido a la complejidad del sistema pero, por la misma razón resulta ser un tópico interesante para temas de estudio e investigación. Actualmente es posible encontrar diferentes artículos en los cuales se han realizado estudios desde profundos y complejos hasta sencillos y superficiales de las FCC, en algunos de estos estudios se han realizado la implementación matemática de modelos de funcionamiento de las unidades de fraccionamiento catalítico que, aunque existen muchos modelos todos, poseen una filosofía de funcionamiento muy similar, para el desarrollo de este trabajo nos basaremos en un modelo realizado por Moro y Odloak [2] los cuales desarrollaron una implementación basándose en el modelo F reactor/regenerador de Kurihara. Dado que modelos hay muchos, también se han estudiado y aplicado a estos diferentes técnicas de control, desde controladores tradicionales PI(D), pasando por controladores robustos, multivariados, hasta llegar a la implementación del control predictivo, la mayoría de estas implementaciones se llevaron a cabo con fines más económicos es decir, se pretendió realizar el control con el fin de optimizar el proceso y reducir las pérdidas de coque no procesado y de catalítico re-circulado no reactivado. El fin de este trabajo de grado es lograr realizar un control predictivo a la planta seleccionada basándose en un modelo lineal para realizar las predicciones es decir, realizar la implementación de un controlador LMPC, esta implementación se llevara a cabo basándonos en modelos implementados en Simulink/MATLABTM los

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cuales nos fueron provistos al inicio de este trabajo además, de la ayuda de un programa especializado para el control de procesos generalmente químicos como por ejemplo los destiladores llamado INCA IPCOS. El programa INCA ha sido muy utilizado por las refinerías para simular controladores predictivos a unidades de fraccionamiento y con el fin de lograr los objetivos que se plantearan también será utilizado en este trabajo para lograr el control de la planta. Finalmente en este trabajo se podrá encontrar un análisis detallado del funcionamiento de la planta, una introducción a la estructura de control y una implementación de un controlador usando el programa antes mencionado, con los resultados obtenidos en este proceso se realizaran las respectivas conclusiones y recomendaciones producto del desarrollo de todo el trabajo.

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OBJETIVOS

GENERAL

� Desarrollar el control predictivo de una unidad de fraccionamiento catalítico (FCCU) usando INCA

ESPECIFICOS � Utilizar técnicas de análisis para la comprensión y apropiación del problema a

plantear. � Aplicar técnicas de modelamiento y de desarrollo matemático para poder

entender como es el funcionamiento del sistema y de esta manera poder lograr conclusiones exitosas.

� Aplicar los conceptos acerca del análisis y el control de sistemas lineales y no lineales.

� Investigar información que amplíe mis conocimientos en las áreas del control con el fin de desarrollar adecuadamente el problema planteado y dentro de las leyes del control.

� Utilizar nuevos métodos de sintonización de controladores y de análisis de los sistemas a controlar, el cual como es en este caso el uso del programa INCA para diferentes aplicaciones en la tesis como es la sintonización del controlador, la simulación del sistema para verificar su dinámica entre otras.

� Aprender un poco más acerca de control predictivo el cual actualmente es una de las técnicas de control más utilizadas en la industria debido a que hoy en día no se mira solo el buen funcionamiento sino también la economía, el medio ambiente entre otras variables.

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1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA En el mundo se puede encontrar infinidad de compañías y procesos que se encargan de producir un sinnúmero de bienes y servicios que utilizamos diariamente y que generalmente, suplen las necesidades que poseemos a diario brindándonos comodidad y seguridad, una de las mayores invenciones que facilitaron las vidas y las comodidades de las personas fue la generación de combustibles a base del petróleo los cuales hoy en día, se utilizan en dispositivos y equipos que van desde una simple estufa hasta en un trasbordador espacial. Los combustibles y otros diferentes derivados obtenidos del petróleo se obtienen en las refinerías, en estas refinerías se pueden encontrar varios componentes que permiten adquirir variados productos, uno de los componentes principales que se utilizan y que resultan ser el corazón de las refinerías son las unidades de fraccionamiento catalítico o más conocidas como FCCU, estas unidades de fraccionamiento aprovechan que el petróleo posee una variedad de hidrocarburos de diferentes longitudes así, dependiendo de la longitud del hidrocarburo podrá utilizar varios caminos para obtener compuestos como gasolina, asfaltos, aceites y otros tipos de compuestos, productos de este proceso. Para realizar el fraccionamiento de las cadenas de hidrocarburos, las FCCU utilizan catalíticos extremadamente calientes, dado que también el petróleo se encuentra extremadamente caliente durante el proceso y además este está a menudo a base de vapor, el catalítico divide las largas cadenas de hidrocarburos en unidades más cortas las cuales viajan de la FCCU a otra columna de destilación para que el hidrocarburo fraccionado sea extraído. Las FCCU aumentan la producción y la eficiencia de una refinería, por esta razón como se dijo anteriormente han llegado a ser parte integral para la industria de procesamiento de petróleo y es por esta misma razón que se han escrito varios artículos en los cuales han intentado implementar diferentes técnicas de control entre las cuales se encuentran los controladores convencionales PI(D), sistema de


control avanzado no lineal, control robusto, control predictivo (MPC) entre otros, con el fin de optimizar el proceso y reducir los costos de producción y la pérdida de producto en el proceso de fraccionamiento así, en este trabajo de grado nos centraremos en realizar el control predictivo de una unidad catalítica con el fin de optimizar el proceso y realizar el control de esta, este control lo realizaremos utilizando el software de IPCOS denominado INCA, el cual será explicado a lo largo del desarrollo de este trabajo además, utilizaremos un modelo ya calculado, el cual también se mostrará a lo largo de este trabajo de grado, dicho modelo nos ayudara a determinar la manera en la cual enfrentaremos el problema y nos llevara a encontrar una solución o a, obtener conclusiones importantes acerca del proceso y los resultados obtenidos. 2. METODOLOGIA. Cuando se desarrolla un trabajo es importante plantear una metodología que permita de una manera sistemática encontrar la solución del problema y cumplir con los objetivos, en este trabajo de grado plantearemos una metodología con el fin de buscar solución al problema planteado anteriormente, nuestra meta es realizar el control predictivo de una Unidad Catalítica de Crudo (FCCU) y concluir de los resultados obtenidos, sean positivos o no lo sean. Primero en nuestro desarrollo comenzaremos buscando todo tipo de información relacionada con el tema y que nos permita conocer el funcionamiento de nuestra planta en particular y además, nos proporcione un modelo que se acerque lo mejor que se pueda al funcionamiento real de la planta, una vez que encontremos el modelo, el siguiente paso será encontrar las condiciones de operación, estas condiciones de operación nos ayudara a realizar pruebas y a decidir cómo realizar el controlador, dado que el controlador que implementaremos es un control predictivo utilizando el software IPCOS, el paso a seguir en nuestro desarrollo será aprender a manejar de una manera adecuada en software en particular para así lograr que controle la planta encontrada en el proceso de búsqueda bibliográfica. Finalmente una vez se tenga el modelo controlado se procederá a concluir sobre los datos obtenidos ya sean los esperados o no y además, se plantearan algunas recomendaciones producto del desarrollo de este trabajo de grado. 3. UNIDAD CATALITICA DE CRUDO (FCCU) 3.1. DESCRIPCION DEL PROCESO Las unidades de fraccionamiento catalítico han existido desde hace varios años siendo parte integral de las refinerías de petróleo y además uno de los principales retos para los ingenieros en el área de control de procesos ya que, demanda


sofisticadas estructuras de control y rigurosos modelos no lineales que consumen demasiado tiempo. En el mundo actualmente operan diversos tipos de unidades FCC entre las cuales podemos encontrar la Flexicracker y el modelo IV de Exxon, la unidad Orthoflow de M. W. Kellog, entre otras; aunque la estructura física de las unidades FCC difieren, la filosofía de operación de estas es muy similar. Las unidades FCC poseen múltiples puntos de alimentación las cuales consisten de componentes que poseen puntos de ebullición altos (gas oíl) y que además vienen de otra parte del largo proceso de refinación, estos fluidos ingresan a la unidad de fraccionamiento con el fin de ser separados en compuestos que sean más ligeros o como dijimos antes, romper las largas cadenas de hidrocarburos en unas más cortas. Una representación esquemática de la unidad FCC Kellog Orthoflow F reactor/regenerador que es la estructura sobre la cual nos basaremos es mostrada en la figura 3.1.1 la cual se muestra a continuación.

FIGURA 3.1. 1. “ FCC Kellog Orthoflow F reactor/regenerador”2. A, Riser (reactor tubular); B, Tanque del reactor; C, Cama del reactor (catalizador utilizado); D, primer estado del regenerador fase densa; E, Segundo estado del regenerador fase densa; F, Fase diluida general; G, Válvula de catalizador regenerado; H, Válvula catalizador utilizado; I, Ciclones del reactor; J, Fase diluida segundo estado; K, Fase diluida primer estado; L, Regenerador; M, Stripper; N, Ciclones del regenerador [2].


Como se observa en la figura anterior la unidad FCC consiste en general de tres secciones principales que son el reactor, el regenerador y el “riser”. El sistema entero es llamado convertidor. Cuando el ciclo comienza se alimenta el combustible precalentado de bajo valor luego, se mezcla con vapor para ser inyectado en el riser del reactor después, una vez se encuentra adentro, se mezcla con un catalizador caliente regenerado, este catalizador caliente proveerá calor sensible, calor de vaporización y calor de reacción los cuales son necesarios para la separación endotérmica. Como resultado de la reacción de separación un material de carbono (Coke) se depositan sobre las superficies del catalizador, este Coke genera que el catalizador se desactive con lo cual será necesario regenerar continuamente dicho catalizador. El catalizador que se estaba utilizando pasa a través de una zona de recuperación, en esta zona se inyecta con vapor, con el objetivo de remover los hidrocarburos depositados. En el regenerador se quema el Coke dejando activo el catalizador para que este pueda ser utilizado nuevamente el cual fluirá de nuevo para su uso a través de una válvula de control del riser, finalmente en las líneas anteriores se explico brevemente el funcionamiento de la unidad de fraccionamiento catalítico que para nuestro caso tomamos como base el FCC Kellog Orthoflow F reactor/regenerador del cual se puede mirar una explicación más detallada refiriéndose a la bibliografía ([2] Moro & Odloak, 1995) así, podemos decir que el objetivo de la planta que tomamos para realizar el proceso de control es la de fraccionar compuestos con cadenas largas de hidrocarburos en unos con cadenas más cortas generando así, nuevos productos.

3.2. DINAMICA DEL MODELO Actualmente es posible encontrar una gran cantidad de literatura relacionada con el modelamiento y la simulación de unidades FCC. A continuación se muestra en la figura 3.2.1 un diagrama esquemático simplificado del proceso analizado en este trabajo, una extensión matemática del modelo y los parámetros del proceso es posible encontrarse en Moro & Odloak [2] el cual también fue validado por ellos con datos industriales pero, no serán mostrados en este trabajo así, nuestro modelo en cuestión será básicamente el modelo de regenerador de estados presentado por Moro & Odloak [2] el cual es una extensión del modelo creado por Kurihara, este modelo describe de una manera muy aproximada las dinámicas y el comportamiento en estado estacionario de la unidades industriales FCC basadas en el modelo F Kellog Orthoflow por ello, ha llegado a ser un estándar para la validación de las estructuras de control de las FCC en la refinerías de Petrobras.


Figura 3.2.1. Esquema de la FCC del modelo F Kellog Orthoflow [1] ,[3]

El modelo sobre el cual nos estamos basando, está representado por 74 ecuaciones algebraicas complejas lineales y no lineales, 26 ecuaciones diferenciales ordinarias, 9 entradas y 9 salidas, estas ya habían sido previamente programadas en lenguaje C e implementadas en los programas Simulink/MATLABTM con el fin de poder ser simulado y analizado, estos programas son posibles encontrasen adjuntos a este trabajo en el mismo CD en la carpeta FCC y me fueron proporcionados por el director del trabajo dirigido de grado. A continuación en la tabla 3.2.1 se muestran las condiciones de operación en estado estable para el modelo en el que nos basamos.


Descripción de variables Tag Valor

Variables de entrada Tasa de flujo total de aire de combustión u0 221 ton/h Posición de la válvula de catalítico regenerado u1 82 % Tasa de flujo total de petróleo alimentado (gasoil + deasphalted heavy oíl)

u2 9700 m3/d

Temperatura de la tasa de flujo total de petróleo u3 235 ºC Posición de la válvula del flujo de gas combustible u4 63 % Posición de la válvula de catalítico gastado u5 73 % Flujo de vapor a la posición de la válvula de la turbina de compresión de gas

u6 74 %

Temperatura del aire de combustión u7 190 ºC Primer etapa/razón de alimentación de flujo de aire u8 200.5/221 Variables de salida Temperatura del regenerador 1ª etapa de la fase densa y0 670.14 ºC Temperatura del regenerador 2ª etapa de la fase densa y1 700.88 ºC Severidad estimada de la reacción de craqueo y2 77.5 % Temperatura del Riser (reactor) y3 542.2 ºC Diferencial de presión entre el reactor y el regenerador y4 0.65 kgf/cm2 Catalítico inventado en el reactor y5 90 ton Presión de succión del compresor de gas húmedo y6 1.0 kgf/cm2 Temperatura del regenerador 1ª etapa de la fase diluida y7 704.39 ºC Temperatura del regenerador general de la fase diluida y8 697.53 ºC

Tabla 3.2.1. Condiciones nominales operacionales de estado estable para la unidad FCC [3], [1].

Adicional a lo antes expresado sobre los modelos, hay que adicionar que las implementaciones realizadas sobre C y Simulink para el control del proceso incluyen un sistema de control basado en tres controladores convencionales PI con el fin de dar una operación estable a la unidad FCC, los lazos de control singulares fueron implementados de la siguiente manera: la variable y4 es controlada manipulando la variable u4, la variable y5 es controlada manipulando la variable u5 y finalmente la variable y6 se controla manipulando la variable u6. Para nuestro análisis en particular utilizaremos una estructura de control similar a las MPC antes utilizadas por otros autores, la diferencia estará en que la parte de control de nuestro sistema será realizada por un software diseñado especialmente para realizar este tipo de operaciones el cual es INCA IPCOS así, consideraremos un sistema de control MIMO de 4 x 4 donde las entradas o variables manipuladas del proceso serán: u0, u2, u3 y u8. Las salidas o variables controladas del sistema serán y0, y1, y2 y y3.


4. SISTEMA DE CONTROL En la literatura existen varios artículos en los cuales han realizado el control de unidades de fraccionamiento catalítico FCC usando desde controladores convencionales PI hasta el control predictivo MPC, este último es nuestro controlador de interés ya que es sobre el cual nos basaremos para poder controlar la planta en análisis. El control predictivo basado en modelo (MPC) describe una clase de algoritmo de control cuyo fin especifico es controlar el futuro del comportamiento de la planta mediante el uso de un explicito modelo del proceso analizado. Para cada intervalo de control el algoritmo MPC intenta calcular una secuencia de lazo cerrado para ajustar las variables manipuladas en orden a la optimización futura del comportamiento de la planta. La primera entrada en la secuencia óptima es aplicada a la planta, caracterizando así un movimiento del horizonte de control. El procedimiento entero es repetido en el siguiente intervalo de control. Este tipo de controlador fue originalmente desarrollado debido a que los controladores tradicionales de un lazo fueron incapaces de satisfacer los requerimientos cada vez más difíciles en plantas complejas y refinerías de petróleo, el MPC puede ser encontrado hoy en día en una amplia variedad de procesos industriales incluyendo procesos químicos, procesos alimenticios, compañías automotrices, empresas metalúrgicas, procesos aeroespaciales entre muchos otros más. Aunque hay muchos algoritmos MPC, ellos difieren simplemente en el modelo del proceso usado (paso/respuesta al impulso, funciones de transferencia, modelos polinomiales, espacio de estados, etc.), perturbaciones (constantes, retardos, ruidos blancos, etc.) y adaptación. La tecnología de MPC actualmente disponible es basada en modelos lineales y, por lo tanto, es conocido con el término genérico MPC lineal (LMPC). Mientras el MPC ofrece el potencial para mejorar la operación del proceso, este posee también problemas teóricos y prácticos (en diseño, implementación y mantenimiento) los cuales suelen ser un reto mucho mayor que los relacionados con los LMPC [3]. En este trabajo utilizaremos un MPC lineal, pero en vez de realizar el cálculo del controlador utilizaremos el programa INCA IPCOS el cual, nos permitirá realizar el control del proceso de la FCC, a continuación se presenta una breve descripción del programa. 4.1. ACERCA DE INCA IPCOS. INCA IPCOS es un programa propiedad de la compañía IPCOS, esta compañía ofrece soluciones de automatización y optimización de procesos continuos y


agrupados, adicional a ello, la compañía también ofrece soluciones entre las que se puede mencionar el control predictivo de procesos de destilación. En este trabajo de grado utilizaremos la aplicación de INCA, este es un software especializado para realizar el control de procesos basados en modelos, este programa consta de varios módulos los cuales actuando conjuntamente son los que permiten el proceso de control, la visualización de los datos, el registro de datos, etc. La comunicación entre los módulos de INCA se logra mediante protocolos OPC. La estructura de la operación del programa se muestra a continuación en la imagen mostrada.

Figura 1. Estructura del ambiente de INCA [4]

Como se puede apreciar en la figura anterior, algunos de los módulos del programa son INCATest, INCACalc, INCAModeler, INCAView, INCASimulator e INCAEngine y las funciones de cada uno de estos módulos se presentan a continuación.


4.1.1. Descripción de los módulos Dado que es indispensable conocer cuál es la función de cada uno de los módulos del programa para saber que realizar con ellos y de cuales hacer uso cuando se desarrolla una nueva aplicación, a continuación realizaremos una leve descripción de la funcionalidad de cada uno de estos. 4.1.1.1. Application Logger cuando se utiliza este modulo es posible registrar y

visualizar la información de las diferentes aplicaciones que se implementan en el desarrollo de la programación.

4.1.1.2. OPC DataServer Este modulo es la unidad central de intercambio de datos entre los diferentes módulos conectados en el proceso además, el intercambio de datos y la sincronización de tareas entre estos diferentes módulos es realizado gracias al OPC Server.

4.1.1.3. Scheduler este al igual que los dos módulos antes descritos es muy importante en el proceso de programación, el Scheduler recibe la señal de confirmación de la tarea y envía una señal de notificación a la tarea. El Scheduler puede operar en dos modos que son: Handshaking y Timing. En el ultimo modo el temporizador interno inicia la secuencia mientras que en el modo Handshaking la secuencia opera tan rápido como sea posible y la siguiente tarea es iniciada inmediatamente después de completada la tarea previa.

4.1.1.4. INCATest normalmente este modulo sirve para realizar la visualización de los datos, realizar pruebas manuales, realizar pruebas automáticas con fines dirigidos a la identificación, almacenar datos de entrada – salida, ver algunos estados de las variables, etc. Cuando se tienen otros propósitos como de mantenimiento, todas las variables avaladas en el DataServer pueden ser directamente accedidas en este mediante el administrador de Items o con la herramienta “Monitor”. Esto permite a los usuarios escribir y leer las variables como puntos de operación deseados, sintonización de parámetros de controlador, etc.

4.1.1.5. Linearization como muchos procesos el simulador de procesos es altamente no lineal. Para ampliar el rango de operación del controlador una técnica aceptada es medir la linearización de los datos del proceso debido a que encontrando una función de linearización conlleva mucho tiempo. Para procesos prácticos se provee esta función de linearización utilizando INCACalc.

4.1.1.6. INCAEngine este es el trabajador real de la configuración. Este calcula las acciones de control apropiadas basadas en los valores observados


de las variables controladas, objetivos de operación, historia de las MV, etc.

4.1.1.7. INCAView esta herramienta permite al ingeniero de control modificar parámetros y sistematizarlos en INCAEngine. Los usuarios solo pueden ver el futuro para las MV’s y la predicción para las CV’s.

Adicional a los módulos antes mencionados, INCA permite a los usuarios crear sus propios módulos para que cumplan funciones específicas, por ello los usuarios deberán no solo crearlos sino darles las propiedades que requieran conveniente para que la operación de estos sea correcta. En el desarrollo del trabajo de grado utilizaremos algunos de los módulos antes descritos entre los que se encuentran DataServer, INCATest, Scheduler, INCAEngine y otra aplicación creada con las propiedades que requerimos llamada FCCULineal la cual es encargada de ejecutar el programa MATLAB con el fin de que este pueda entrar a operar y ejecute el proceso a controlar. 4.1.2. Abreviaciones Principales Además de conocer la función que poseen los módulos del programa también es indispensable saber algunas abreviaciones principales que posee el programa y que son de gran utilidad entenderlas ya que, de cómo se elijan estas dependerá bastante que el resultado sea el más óptimo, estas abreviaciones son: 4.1.2.1. MV (Variable Manipulada) es una entrada del proceso que puede ser

independientemente sistematizada por el controlador. 4.1.2.2. DV (Variables de perturbación) es una entrada del proceso medible que

afecta la salida del proceso, pero no puede ser sistematizada por el controlador.

4.1.2.3. CV (Variable Controlada), salida de proceso controlada por el controlador.

Más adelante en este trabajo mostraremos como se desarrollara para nuestro caso en particular un programa para INCA y como consideraremos nuestras variables para el correcto desarrollo del problema. 4.2. ESTRUCTURA DE CONTROL PARA LA UNIDAD FCC. La representación de control de un proceso FCC depende altamente de cómo se seleccione la estructura de control. Este tema ya ha sido analizado por varios autores, principalmente tocando el tema concerniente a las posibles


combinaciones de pares de variables manipuladas y controladas para control exacto y parcial. En este trabajo de grado se implementara la estructura de control tomando INCA como controlador y además, utilizaremos un sistema considerando simplemente un esquema de control 4x4 en donde las entradas o variable manipuladas serán [3]:

� Tasa de flujo total de aire de combustión (u0). El aire es usado para la combustión del coque formado en las reacciones de craqueo, el cual se deposita sobre la superficie del catalítico gastado desactivándolo. El coque será removido con el fin de reactivar el catalítico. La energía de combustión ayuda a mantener la alta temperatura del regenerador, supliendo así el calor requerido para la reacción de craqueo en el riser. En el modo de combustión parcial, una gran cantidad de flujo de aire dentro del regenerador genera más energía, incremente la temperatura de sí mismo, lo cual permite que se incremente la temperatura del riser [3].

� Tasa de flujo total de petróleo alimentado dentro del riser (u2), está definida por la demanda del mercado y la planificación de la producción sin embargo, esta variable puede ser usada para atenuar perturbaciones transitorias. Una larga cantidad de flujo introducido decrementa la proporción del catalítico del flujo de petróleo alimentado, decrementa la temperatura del riser, decrementa el ritmo de conversión de los productos alimentados y así, reduce la formación de coque [3].

� Temperatura de la tasa de flujo total de petróleo (u3). Esta entrada es usada para cerrar el balance de control en el proceso. Las más altas temperaturas de la alimentación introducen más energía en el sistema global de la FCC, incrementando así todas las temperaturas del mismo [3].

� Primer etapa/razón de alimentación de flujo de aire (u8). Esta es la ultima variable que manipularemos en el proceso con el fin de completar así las estructura de control en el sistema de FCC que intentamos controlar.

Salidas o variables controladas del proceso:

� Las temperaturas de la fase densa del regenerador del primero y segundo estado (y0 y y1) son usados para estabilizar la operación del FCC. En esta es importante controlar esas variables para proveer suficiente calor para la alimentación de la vaporización y el craqueo, evitar la desactivación irreversible del catalítico y administrar los ciclones en el regenerador además, minimiza la concentración del coque sobre el catalítico regenerado [3].


� Severidad estimada de la reacción de craqueo (y2). Esta es una variable estimada y es bastante relacionada a la tasa de conversión de los productos realimentados [3].

� Temperatura del riser (y3), deberá ser controlada para estabilizar las reacciones de craqueo y es muy relacionada a las ganancias económicas de la FCC. Típicamente, esta variable es usada para maximizar la tasa de conversión de los productos realimentados [3].

El objetivo de control para esta unidad FCC es la estabilidad y el equilibrio de fase bajo consideraciones económicas por ejemplo, proveer una operación optima en condiciones de operación estable y un apropiado sistema de protección contra situaciones no medibles e indeseables que podrían así, conllevar a una condición errónea de operación, de seguridad y de limitaciones del sistema debido a la minimización de los efectos de interacción y además, cuidar los puntos de operación tan cerrados como sea posible en sus valores nominales. Entonces realizaremos una estructura de control utilizando lazos de control con las variables antes especificadas, el controlador se implementara en un software especializado como se dijo en literales anteriores además, nos basaremos en un sistema lineal con el fin de realizar las predicciones necesarias para el correcto control del proceso. 4.3. MODELO DEL SISTEMA Obtener un modelo de un sistema en la mayoría de los casos resulta ser un caso bastante complejo, en la literatura existen un sinnúmero de artículos en los que los autores brindan modelos relacionados con unidades de fraccionamiento catalítico, en nuestro caso en particular utilizaremos un modelo expresado mediante una matriz de funciones de transferencia y que relaciona las mismas variables elegidas en nuestro sistema, el modelo que utilizaremos es posible encontrarse en Sotomayor y Odloak [1]. El modelo obtenido por ellos fue generado mediante adquisición de datos, es posible encontrar más información sobre la obtención de este refiriéndose a la bibliografía, a continuación en la tabla 4.3.1 se muestra la matriz de funciones de transferencia que relaciona las variables.


u0 u2 u3 u8 y1

y2

y3

y4

Tabla 4.3.1. Modelo de matriz de funciones de transferencia de la FCC [1].

A pesar de que el modelo expresado en la tabla anterior es de gran utilidad, no posee la arquitectura que necesitamos para el desarrollo de este trabajo debido a que, el programa INCA IPCOS solo permite el ingreso de modelos en la forma de repuestas al impulso FIR o modelos en espacio de estado, este ultimo será el esquema que utilizaremos con el fin de obtener una convención adecuada que nos ayude a alcanzar un modelo propicio para nuestro propósito. Las ecuaciones representativas de un modelo lineal en espacio de estados son mostradas a continuación.

EC [1]

EC [2]

De donde x(t) es la matriz que representa los estados del sistema, u(t) representa las entradas, y(t) representa la salida y finalmente A, B, C y D son matrices con parámetros constantes y dimensiones especificas. Para lograr realizar la conversión del modelo de una representación en funciones de transferencia a un modelo de espacio de estado, se utilizo las herramientas del programa MATLABTM, para el proceso de cambio de estructura se realizo la programación de un algoritmo guardado como un archivo el cual es posible encontrar adjunto a este trabajo en la carpeta cuyo nombre es Modelo Lineal, en esta carpeta se encuentra el archivo LinFinal.M, este archivo permite realizar el cambio de esquema permitiendo así visualizar en el workspace de MATLAB las matrices A, B, C y D una vez se realice la compilación del programa especificado luego, con estas matrices se creara un modelo en forma de estructura que será implementado en INCA Engine para realizar las predicciones de control, este modelo tipo estructura también se puede encontrar en la carpeta Modelo Lineal o


se puede extraer de la implementación de INCA IPCOS ya que este fue montado en dicha configuración. 4.4. CONFIGURACION DE INCA IPCOS En realidad realizar una configuración en el programa INCA IPCOS es algo que consume demasiado tiempo y además resulta ser un proceso complejo debido a la poca información actualizada que existe del programa y que permita conocer el modo de funcionamiento, además de su complicada interfaz que ilustra poco la manera en que se deben realizar las aplicaciones. A continuación se mostrara como se realizo el proceso de programación en la interfaz de INCA y algunas recomendaciones importantes para el correcto funcionamiento de la aplicación creada. Para comenzar se creó un nuevo programa utilizando el configurador de IPCOS en este, adicionamos cinco (5) nuevas aplicaciones que corresponden al DataServer, INCATest, Scheduler, INCAEngine y finalmente una nueva aplicación propia para este trabajo llamada FCCULineal. En la figura mostrada a continuación se puede observar el configurator con las aplicaciones programadas.

Figura 4.4.1. Configurator de IPCOS con aplicaciones programadas.

Para las aplicaciones anteriores fueron programados algunos archivos con extensión csv (delimitados por comas), estos archivos sirven para configurar las


variables que se utilizaran en las diferentes aplicaciones, además de las características de esas variables en el proceso, los archivos csv que se utilizan se pueden encontrar adjuntos a este trabajo de grado en la carpeta Programación IPCOS, dentro de esta carpeta podrá encontrar además de las configuraciones en el “configurador” una carpeta llamada general, en esta es donde podrá encontrar realmente los diferentes csv utilizados. Cuando compile la aplicación tenga en cuenta que dado que, varias de las aplicaciones requieren llamar los archivos csv, se debe dar la dirección del directorio en el cual estos fueron almacenados por ejemplo, para la aplicación INCATest que posee un archivo delimitado por comas para su correcta aplicación, es necesario direccionar en las características de este, en el campo ConfPath el lugar en que el archivo se encuentra así, si estuviera en el escritorio se debería direccionar a él de la siguiente manera: C:\Users\usuario\Desktop\nombre de la carpeta (Lógicamente el direccionamiento depende de donde se corra la aplicación), lo mismo se deberá realizar con todas las demás aplicaciones que requieran un archivo delimitado por comas para su ejecución. Otra de las aplicaciones implementadas es el Scheduler, para la configuración de este se debe tener en cuenta agregar las diferentes aplicaciones ya que él será quien las sincronice, para ello hay que implementarlas en un orden de ejecución correcto con el fin de evitar malos funcionamientos de la aplicación, a continuación en la figura 4.4.2 se muestra la aplicación Scheduler programada para nuestro caso en particular por medio del “configurador”.

FIGURA 4.4.2. Muestra del Scheduler montado en el “configurador” de IPCOS.


Tal como lo expresamos anteriormente, en el scheduler se encuentran sincronizadas las aplicaciones para un orden de inicio y una dependencia entre ellas, además se podría si se requiriera colocar un leve retardo entre el inicio de una y otra aplicación, para nuestro caso no fue necesario configurarla con retardos en el inicio. Entre las múltiples aplicaciones que permite implementar mediante el configurador INCA, está la de programar el controlador el cual, es la aplicación de nuestro interés. Para lograr nuestro fin adicionamos la aplicación INCATest, una vez se crea, lo primero es ir acomodando las características a las necesidades de control o a la estructura de control que se desee, para nuestro caso en particular se coloco en la parte general de la aplicación la cantidad de variables manipuladas y controladas, dado que el sistema estudiado es un MIMO 4x4, se coloca en estos campos cuatro (4) variables manipuladas y cuatro (4) variables controladas, adicional a esto se debe configurar el servidor al cual se conectara la aplicación y el puerto por el cual realizara el proceso, esto con el fin de lograr una conexión por medio de un servidor de la aplicación INCATest a otras aplicaciones o programas. El puerto utilizado en este caso en particular es el 1235. Otra característica que se debe revisar es la parte llamada “tunning”, en esta parte de la aplicación se pueden programar los parámetros y características de las diferentes variables y señales utilizadas en el proceso de programación y determinadas como variables manipuladas y controladas en el proceso antes descrito después, es indispensable cargar el modelo sobre el cual se basara el control predictivo para realizar las predicciones, dado que en nuestro caso hablamos de una controlador LMPC porque utilizaremos como base un modelo lineal, se implementara en el INCAEngine un modelo ya sea FIR o de espacio de estados, para el propósito de esta trabajo se implemento un modelo tipo espacio de estados con la estructura descrita en los manuales de IPCOS. El modelo se implementa es la parte de INCAEngine llamada “model”. Para terminar con las aplicaciones implementadas tenemos la FCCUlineal, esta aplicación se implemento con el propósito de poder ejecutar MATLAB por medio de la compilación de nuestro programa, para este propósito se creo la aplicación antes montada con características similares a las estándares del configurador pero con la diferencia de que en las propiedades se dará el camino en el cual se encuentra el ejecutable del programa MATLAB así, cuando se realice la compilación del programa, la aplicación FCCUlineal buscara dicho ejecutable y arrancara MATLAB para poder correr el modelo implementado en este y poder al


mismo tiempo realizar el proceso de control del sistema. Para compilar o ejecutar

la programación en el configurador, se da un clic en el icono “Start” ( ), después de esto se ejecutaran unas nuevas ventanas, estas son el servidor que corre y conecta las múltiples aplicaciones antes creadas. Una muestra de cómo se aprecia el servidor es posible verse en la figura 4.4.3, tenga en cuenta que para que MATLAB se pueda ejecutar adecuadamente con esta aplicación se deberá crear también un acceso directo al ejecutable de este y colocarlo en el escritorio.

FIGURA 4.4.3. Servidor de INCA IPCOS y MATLAB ejecutados.

En la figura anterior es posible apreciar en la parte izquierda el servidor de IPCOS, en este se muestra las aplicaciones que se encuentran ejecutándose correctamente, como se aprecia las diferentes funciones programandas en nuestro caso se ejecutan de manera adecuada. En la parte derecha se muestra la ventana principal del programa MATLAB el cual fue ejecutado al momento de iniciar el servidor. Si se desea iniciar alguna aplicación de IPCOS solo es necesario dar un clic sobre las aplicaciones en el servidor ejecutado, a continuación se muestra una imagen con algunas de estas iniciadas.


FIGURA 4.4.4. Aplicaciones iniciadas en el servidor.

Para completar satisfactoriamente la parte de programación fue necesario montar un OPC en el programa MATLAB, este OPC fue necesario debido a que parte de nuestras aplicaciones están en IPCOS y algunas otras como por ejemplo el modelo se encuentran implementado en MATLAB, el nombre del OPC implementado es pruebaopc y la programación es posible encontrarse adjunto a este trabajo en la carpeta Modelo Lineal. 5. RESULTADOS Desarrollar un trabajo de grado resulta ser en algunas ocasiones algo sencillo y en otras algo un poco complicado, durante el desarrollo de este en particular, se presentaron en el camino grandes inconvenientes, el primero de ellos fue la obtención de un modelo bajo las especificaciones necesarias, después de una ardua investigación se obtuvo uno que suplía nuestras necesidades, dado que el modelo estaba expresado en una matriz de funciones de transferencia se realizo un programa para realizar la conversión a espacio de estados. Una vez se obtuvo el modelo se comenzó a realizar la programación en INCA IPCOS, para la programación se presento otro inconveniente mas, primero la licencia que se tenía para el programa no estaba completa y segundo la nueva licencia tardo bastante tiempo en llegar, una vez se obtuvo la licencia como era necesaria se realizo el programa. INCA IPCOS es una plataforma muy buena para realizar el control


predictivo de diferentes procesos químicos en especial torres de destilación, pero dado que hay poca información de este al respecto y que sus manuales son un poco complejos, la programación en este resulta ser muy compleja también. Antes de realizar la implementación y el control predictivo usando las aplicaciones de INCA, se implemento un controlador tradicional LQR sobre la planta lineal con el fin de mirar el comportamiento de esta con un controlador implementado, los resultados de control fueron muy buenos, pero dado que el fin de este trabajo no es la implementación de un controlador tradicional sino de un controlador predictivo, los resultados de esta prueba no se mostraran en este trabajo pero, la programación y la implementación se podrán obtener en la carpeta Modelo Lineal adjunto a este trabajo. En esta carpeta deberá ejecutar los archivos LinFinal.MAT y fcc_LQR para poder mirar los resultados de control. Para el desarrollo de este trabajo se implemento la programación en IPCOS tal y como se describió en ítems anteriores, el modelo estaba implementado en Simulink/MATLABTM por lo que fue necesario implementar un OPC para interconectar los dos programas, al realizar esta implementación no se logro obtener el control de la planta de manera adecuada ya que, los dos programas no estaban sincronizados en la operación, lo que conllevaba a que los resultados no fueran los esperados y que el comportamiento de la planta fuera totalmente descontrolada, debido a esto, se pensó en realizar la implementación de un OPC programado como un archivo.M de MATLAB cuyo fin, fuera comenzar de manera sincronizada la operación de ambas implementaciones y poder al fin mostrar los resultados esperados para este trabajo, lamentablemente a pesar de que el OPC logro realizar la conexión entre MATLAB e IPCOS, los resultados nunca mostraron una planta controlada, con lo cual se puede decir que a pesar de la implementación los resultados que se buscaban no se pudieron encontrar debido a que no se logro una interconexión adecuada entre las diferentes aplicaciones que se tenían implementadas. Es importante aclarar que de manera separada el programa de IPCOS funciona correctamente y la implementación de MATLAB genera ciertos errores que impidieron cumplir nuestras metas, en fin, no se lograron las metas y el control de la planta no se pudo lograr a pesar de los múltiples esfuerzos realizados y de todo el tiempo invertido en la consecución de este trabajo de grado.


CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las unidades de fraccionamiento catalítico poseen una estructura matemática compleja que demanda mucho tiempo en su implementación y análisis, esto conlleva a que se requiera conocer de técnicas de modelamiento y de estructuras matemáticas con el fin de poder comprender como se realizo la implementación, durante el desarrollo de este trabajo de grado en particular se concluyo con relación al modelo que lo principal cuando se desarrolla un proyecto de control es encontrar un modelo del sistema que se acerque de una manera muy correcta al funcionamiento real de la planta así, se lograra implementar una estructura de control adecuada también que permita, lograr la estabilización del sistema además también, se pudo concluir que lo mejor es adoptar la arquitectura del modelo que sea útil para el desarrollo del sistema por ejemplo, para nuestro caso en particular la arquitectura o estructura requerida es un modelo en espacio de estados debido a que es una de las estructuras que permite INCA IPCOS para el proceso de control. Con relación a la programación sobre el software IPCOS, se pudo concluir a lo largo de la ejecución de este trabajo que es un software muy complejo, que aunque es un programa utilizado en muchas aplicaciones químicas por su especialidad para el control de ese tipo de procesos, la programación de este suele ser muy compleja y difícil de interpretar al principio, además de que la información que existe sobre este y las personas capacitadas son muy escasas, lo que conlleva a que la programación sea un reto mayor. A pesar de ello la programación en INCA para este trabajo funciono de manera adecuada aunque, los resultados no se lograron apreciar debido al problema de conexión entre las diferentes aplicaciones, se concluyo que lo mejor a la hora de elegir un programa para desarrollar un trabajo en particular no solo hay que elegirlo por lo bueno que sea sino también, por lo amigable que este sea para que el usuario logre configurarlo para realizar las tareas que se desean implementar. Cuando se implementaron las aplicaciones para el control en INCA IPCOS, una de las aplicaciones implementadas tenía como fin ejecutar el programa MATLAB para poder conectarlo a INCA y lograr que funcionaran de manera sincronizada, de este proceso se puede concluir que configurar un OPC entre dos aplicaciones diferentes resulta no ser una tarea sencilla debido a que en muchos casos las variables inscriptas en el proceso no se sincronizan de la manera en que lo deberían realizar para que todo funcione adecuadamente, lo mismo sucedió al


desarrollar este trabajo de grado, primero el OPC en Simulink no funciono, luego se implemento uno en MATLAB y aunque conecto las dos aplicaciones no las logro sincronizar para su funcionamiento así, de este podría salir una nueva propuesta de grado que se base en crear un OPC entre MATLAB e INCA IPCOS con el fin de que ambas logran sincronizarse y obtener resultados del proceso. Finalmente al desarrollar este trabajo de grado se pudo concluir que el control predictivo es una técnica que resulta ser de gran utilidad en procesos cuyos funcionamientos son demasiados complejos además, de que este se utiliza hoy en día en grandes implementaciones dado que es todo un éxito para el control de procesos y reducción de gastos. Adicional a lo antes expresado se recomienda a la hora de elegir un tema de desarrollo, tener en cuenta que, aclarar la limitaciones del sistema y obtener información clara desde el principio del desarrollo resulta ser de gran utilidad para reducir tiempo y esfuerzo además, que permite dedicar más tiempo al desarrollo de soluciones y a la implementación de estas.


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CONTROL PREDICTIVO DE UNA UNIDAD CATALITICA DE … · Aprender un poco más acerca de control predictivo el cual actualmente es una ... el controlador, dado que el controlador que