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Diagnostico de Procesos
Posgrado en Ing. Electronica
Capitulo I
Seguridad y Diagnostico en
Procesos Industriales
D.U. Campos-Delgado
Facultad de Ciencias
UASLP
Enero-Junio/2016
1
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CONTENIDO
Conceptos Generales
Estudios Estadısticos de Seguridad
Sistemas de Control y Supervision en Lınea
Panorama General del Diagnostico de Pro-
cesos
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Conceptos Generales
La automatizacion de procesos ha permiti-
do lograr un desempeno nunca imaginado y
conseguir condiciones de operacion que re-
tan las capacidades fısicas de los sistemas,
por ejemplo
• Sistemas de aviacion,
• Reactores nucleares,
• Protesis,
• Sistemas aeroespaciales,
• Sistemas automotrices,
• Sistemas de dosificacion de medicamen-
tos,
• Generacion de energıa electrica, etc.
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Ademas de alcanzar un alto desempeno, en
mucho sistemas la seguridad es un punto
crucial → condiciones que debe satisfacer el
sistema para evitar el riesgo de accidentes.
Supervision (concepto clasico): evaluar el
estado actual de un proceso, e identificar
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una condicion no permitida o deseada del
mismo, y tomar las acciones adecuadas pa-
ra evitar un accidente o danos humanos y
materiales ⇒ (A) Monitoreo y (B) Protec-
cion.
Monitoreo: ciertas mediciones son revisa-
das de forma periodica con respecto a ni-
veles de tolerancia, y un operador genera
alarmas y acciones de respaldo.
Proteccion: en caso de identificarse una
condicion peligrosa o de riesgo, el sistema
de supervisor lleva al proceso a una ope-
racion de modo-seguro, que en ocasiones
involucra parar el sistema de forma gradual
o subita.
El detectar una condicion de operacion no
permitida sera mas relevante si el proceso
opera bajo un sistema de control en lazo
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cerrado, ademas de ser necesario realizarlo
de forma rapida si el sistema tiene tiempos
de respuesta cortos.
Por lo que surge la necesidad de realizar la
supervision de forma automatica y pron-
ta.
Conceptos asociados a la supervision (Co-
mite de IFAC: SafeProcess)
• Falla (fault): desviacion no permitida de
al menos una propiedad caracterıstica
de un sistema con respecto a sus condi-
ciones nominales, aceptables o estandar
de operacion.
• Averıa (failure): interrupcion permanen-
te de una funcion basica del sistema ba-
jo cierta condicion de operacion.
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• Disfuncion (malfunction): el sistema es
incapaz de cumplir alguna de las funcio-
nes para las que fue disenado, de mane-
ra intermitente.
Ejemplo practico:
• La baterıa no puede suministrar la co-
rriente nominal → falla.
• El limipiaparabrisas no opera en condi-
ciones de lluvia moderada → disfuncion.
• La corriente no es suficiente para que el
motor del limpiaparabrisas encienda →
averıa.
Dependiendo del perfil temporal de la falla
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• Falla abrupta
• Falla incipiente o progresiva
• Falla intermitente
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
0.5
1
abru
pta
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
0.5
1
incip
iente
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
0.5
1
tiempo (seg)
inte
rmitente
¿Cual serıa mas facil de identificar y por
que?
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Estudio Estadıstico de Seguridad
Las tres propiedades basicas asociadas con
la seguridad: (A) Confiabilidad (reliability),
(B) Sustentabilidad (maintainability), (C)
Disponibilidad (availability).
Estas propiedades se estudian de forma es-
tadıstica en la practica.
Confiabilidad: propiedad de un sistema pa-
ra desempenar una funcion requerida bajo
una cierta condicion de operacion, y un pe-
riodo determinado.
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• Esta propiedad se afecta por fallas y
averıas.
• Una medida para cuantificarla es MTTF
(mean time to failure) → tiempo pro-
medio de funcionamiento de una unidad
antes de que ocurra una falla.
• MTTF de (i) balero 0.61 × 106 h, (b)
banda mecanica 5.07 × 104 h, (iii) mo-
tor electrico 0.11 × 106 h, (iv) engrane
0.21× 106 h.
• El MTTF de la conexion de dos com-
ponentes iguales sera (i) en serie 0.5 del
original, y (ii) en paralelo 1.5 veces.
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Sustentabilidad: conjunto de operaciones
y cuidados necesarios (mantenimiento) pa-
ra que un sistema pueda seguir funcionan-
do adecuadamente.
• Para cuantificar esta propiedad se em-
plea MTTR (mean time to repair) →
tiempo promedio para reparar un equi-
po.
• Tres tipos de estrategias de manteni-
miento: (A) preventivo, (B) correcti-
vo, y (C) predictivo.
Disponibilidad: capacidad de un sistema
de llevar a cabo una funcion especıfica en
un momento determinado.
• Un ındice cuantificable para esta pro-
piedad es MTBF (mean time between
failures) → tiempo promedio entre dos
fallas consecutivas
MTBF = MTTF +MTTR
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• Un medida de la disponibilidad A es
A =MTTF
MTBF.
• Por lo que si MTTR ≪ MTTF ⇒ MTBF ≈
MTTF .
Los analisis de seguridad son crıticos en
la ingenierıa moderna → analisis de con-
fiabilidad, ETA (event tree analysis),FTA
(fault tree analysis) y FMEA (failure mode
and effect analysis).
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Control y Supervision en Lınea
Dentro de un sistema de control retroali-
mentado se pueden tener 2 objetivos en la
operacion: (i) regulacion o (ii) seguimien-
to.
Ademas el sistema de control automatico
debe
• Compensar las perturbaciones en el pro-
ceso e incertidumbre en el comporta-
miento del sistema.
• Vigilar que el funcionamiento no se aleje
de un condicion deseada y generar ac-
ciones correctivas de ser necesario.
• Llevar al proceso a una condicion de
operacion segura en caso de condicio-
nes no previstas.
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Modos de funcionamiento general: (i) arran-
que, (ii) normal y (iii) paro.
Un condicion de paro puede traer graves
consecuencia monetarias o poner en riesgo
a los operarios.
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Una vez identificada un falla existen varias
opciones correctivas dentro del sistema de
control:
• Ajuste de los niveles de referencia o con-
diciones de operacion deseadas.
• Cambiar el algoritmo de control por uno
mas conservador o cuyo proposito sea
mantener estabilidad.
• Modificar la arquitectura estructural
del proceso.
En un proceso complejo generalmente la
supervision de realiza por un operador, da-
da la experiencia y conocimiento que ha
adquirido, y su capacidad de improvisar so-
luciones oportunas a problemas nuevos.
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Sin embargo, la supervision se restringe ge-
neralmente a verificar que las variables se
encuentren dentro de umbrales de opera-
cion normal, y serıa muy dificil para el ope-
rador evaluar correlaciones temporales o re-
laciones dinamicas entre las mediciones.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500−3
−2
−1
0
1
2
3
4
5
tiempo (muestra)
Esta
do d
el pro
ceso
Alarma
Por lo tanto, surge la necesidad de rea-
lizar la supervision del proceso de forma
mas eficiente, automatica y sistematizada,
buscando lograr tiempos de deteccion mas
cortos e identificar condiciones anormales
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de operacion no triviales, e inclusive gene-rar acciones correctivas tambien de forma
automatica.
El primer paso es extraer informacion de lascondiciones de operacion normal y anormal
del proceso, lo cual puede lograrse por
• Modelos matematicos,
• Procesamiento de senales.
Con respecto de las acciones correctivas sepueden visualizar 2 estrategias
• Modo de acomodo (accommodation),
• Modo de reconfiguracion.
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Diagnostico de Procesos
Deteccion de Fallas: evaluar si el sistema
se encuentra trabajando en una condicion
normal o bajo la accion de una falla.
Aislamiento de Fallas: una vez detecta-
da una condicion de falla, dictaminar que
elemento del sistema se encuentra en con-
dicion de falla.
Identificacion de Fallas ya aislada la falla,
cuantificar la amplitud y evolucion tempo-
ral de la falla en el sistema (objetivo ideal
pero difıcil en la practica !!).
Acomodo de Fallas: con el conocimiento
del elemento con falla en el proceso, modi-
ficar la ley de control o sus parametros para
compensar en lo posible el efecto adverso
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de la falla en el desempeno en lazo cerrado,
priorizando la estabilidad del sistema.
Diagnostico de Fallas → Deteccion +
Aislamiento/Identificacion de Fallas
• Enfoque Pasivo: considerando solo las
mediciones del proceso se detecta y aisla
una condicion de falla.
• Enfoque Activo: en ciertos puntos del
proceso se introducen senales de excita-
cion con fines de diagnostico.
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Control Tolerante a Fallas → Diagnosti-
co + Acomodo de Fallas
• Enfoque Pasivo: la ley de control se di-
sena considerando posibles condiciones
de falla que se modelan como incerti-
dumbre en el proceso o perturbaciones
→ enfoque de control robusto.
• Enfoque Activo: se basa en una etapa
inicial de diagnostico cuya informacion
permite realizar el acomodo de la falla
o una reconfiguracion completa del al-
goritmo de control o el actuador.
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Residuos r(t): senales indicadoras de una
falla f(t) en el sistema, por lo que deben
ser cero (o cercanas a cero) en ausencia de
fallas, y mayores a cero para una condicion
anomala del proceso.
Los residuos deben ser desacoplados de las
perturbaciones d(t) e insensibles a la in-
certidumbre ∆P(t) en el conocimiento del
sistema !
r(t)
{
≈ 0 f(t) = 06= 0 f(t) 6= 0
∀d(t),∆P(t)
En la practica, se puede calcular un umbral
de deteccion JTH > 0 que se define como
JTH = maxf(t)=0 ∀d(t),∆P (t)
|r(t)|
Por lo que se detecta una falla si se cumple
|r(t)| > JTH.
Redundancia analıtica: concepto que se
emplea para a partir del modelo matemati-
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co del proceso generar residuos, lo cual se
logra a traves de observadores dinamicos.
¿Que es un observador? ⇒ Estimador de
los estados/salidas de un sistema dinami-
ca, el cual en condiciones nominales cum-
ple convergencia del error a cero asintoti-
camente.
Ejemplo: considerar un sistema lineal e in-
variante en el tiempo (LIT)
x = Ax+Bu
y = Cx
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donde x ∈ Rn representa el vector de esta-
dos, y ∈ Rp el vector de salidas, u ∈ R
m el
vector de entradas, y la matrices (A,B,C)
tienen dimensiones compatibles. Entonces
el observador esta dado por
˙x = Ax+Bu+ L(y − y)
y = Cx
donde x y y los estimados de los estados y
salidas, y la matriz L ∈ Rn×p debe garanti-
zar que (A+ LC) sea una Hurwitz. �
Utilizando la redundancia analıtica se asu-
me que las fallas pueden ser modeladas con
2 enfoques
• Aditivo → la falla es una entrada exoge-
na adicionales que se introducen en el
modelo dinamico del sistema.
• Multiplicativa → la falla corresponde a
cambios en los parametros del modelo
del sistema.
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Por lo que considerando nuevamente unsistema LIT:
x = (A+∆A)x+ (B+∆B)u+ E1d+ F1f +w
y = (C+∆C)x+ E2d+ F2f + v
donde d ∈ Rd representa el vector de per-
turbaciones, f ∈ Rf representa el vector de
fallas aditivas, (w,v) vectores de ruido, y
(∆A,∆B,∆C) matrices asociadas con las
fallas multiplicativas.
Los metodos diagnostico que se enfocan
en el procesamiento de las mediciones,
consideran evaluaciones sobre ventanas co-
rredizas o ventanas con traslape, para en-
seguida extraer rasgos o sıntomas para de-
tectar un falla y enseguida clasificar.
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Con este fin se pueden emplear las siguien-
tes tecnicas
• Transformada rapida de Fourier (FFT)
o transformada de Fourier de tiempo re-
ducido (STFT),
• Analisis de Componentes Principales (PCA)
o Analisis de Componentes Independien-
tes (ICA)
• Escalograma y Analisis Multiresolucion
por Ondeletas o wavelets.
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Tarea # 1
Problemas (Fault-Diagnosis Systems, R. Iser-
mann, Ed. Springer, 2005):
Seccion 3.6 (pags. 47 y 48): 4), 5), 6), 8)
y 10)
Seccion 4.7 (pags. 57 y 58): 3), 5) y 8).
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