Autor: Walter Gastelbondo Barragán

Directores:

Ph. D. Rocco Tarantino Alvarado

MSc. Sandra Aranguren Zambrano

 

RESUMEN

 

Ningún proceso industrial se encuentra excepto de presentar fallas, estas anomalías en muchos casos no se pueden evitar, pero se pueden aplicar mecanismos para mitigarlas. Una de las estrategias utilizadas para mitigar las fallas es a través de la implantación de esquemas tolerantes a fallas. La tolerancia a fallas se refiere a un sistema o componente diseñado de tal manera, que en el caso de que algún elemento falle, un equipo o procedimiento puede inmediatamente tomar acción para evitar la pérdida del servicio. Esta acción, puede ser generada mediante la adaptación de la ley de control, la aplicación de redundancia en determinados elementos o en una combinación de ambas.

A través del desarrollo de este proyecto se busca plantear esquemas tolerantes a fallas, para incrementar el nivel integrado se seguridad (S.I.L.) en los Sistemas Instrumentados de Seguridad, estos esquemas estarán basados principalmente en técnicas de detección y diagnóstico de fallas como son, redundancia física, redundancia analítica o reconfiguración de la ley de control. El caso estudio seleccionado es la Función Instrumentada de Seguridad (FIS) de nivel en una caldera industrial de alta presión, para lo que se hace necesario obtener el modelo no lineal del proceso a través de la aplicación de la técnica de balance de masa. En cuanto al cálculo del SIL, este se determina a través del modelado de los estados mediante cadenas de Markov y validación mediante simulaciones dinámicas.

Bibliografía

 

[1]Tarantino, R, and Aranguren S. “Métodos de Detección y Diagnóstico de

Fallas Industriales” Pamplona. 2005.

 

[2] Gastelbondo W, Tarantino, R, and Aranguren S. Diseño de un Sistema de

Detección y Diagnóstico de Fallas de Alto Impacto en Calderas Industriales

de Alta Presión. Pamplona. 2005

 

[3] Creus, Antonio. “Instrumentación Industrial”. Barcelona. Alfa y Omega.

 

[4] Isermann, R. “Process Fault Detection Based on Modeling and Estimation

Methods –A Survey. Atomatica. 1984

 

[5] Meizoso C, Piñón A, Ferreiro R. Análisis de la Problemática en la

Generación de Residuales Para Detección de Fallos Mediante Autómatas

Programables. Universidad de la Coruña. 2004.

 

[6] Huo Y, Petros A, Mirmirani M. Fault-Tolerant Control and Reconfiguration

For High Performance Aircraft: Review . University of Southern California.

2001.

 

[7] Alcorta, Efraín. Detectando Fallas Mediante Redundancia Analítica. UANL.

2001.

 

[8] Piñón Andrés. Análisis del Estado Actual de las Técnicas en Instrumentos

Inteligentes. Universidad de la Coruña. 2005.

 

[9] Frank P. M., “Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and

knowledge-based redundancy,” Automatica, 1990.

 

[10] Clark R. N., “A simplified instrument failure scheme,” IEEE Trans. Aerosp.

 

[11] J, Gertler. Analytical Redundancy Methods in Fault Detection and

Diagnosis. Safeproce. Baden Baden. Germany. 1991.

 

[12] Lou X. C., Willsky A. S., and Verghese G. L., “Optimally robust redundancy

relations for failure detection in uncertain systems,” Automatica. 1986.

 

[13] Chen J., Patton R. J., and Liu J. P., “Detecting incipient sensor faults in

flight control systems,” in Proc. Third IEEE Conf. Control Applications,

Glasgow, U.K. 1994.

 

[14] Armin Wolfram, Rolf Isermann. “Component Based Tele-Diagnosis

Approach to a Textile Machine”. Darmstadt University of Technology. 2002

 

[15] Istvan Szaszi, Subhabrata Ganguli, Andres Marcos, Gary J. Balas, Jozsef

Bokor. “Application Of Fdi To A Nonlinear Boeing-747 Aircraft” roceedings

of the 10th Mediterranean Conferenceon Control and Automation.

Portugal. 2002.

 

[16] R. Conatser, J. Wagner, S. Ganta, I. Walter. “Diagnosis of automotive

electronic throttle control systems” Departments of Mechanical and

Electrical Engineering, Clemson University. USA. 2004.

 

[17] Xuekui Wu, Guy Campion. “Fault detection and isolation of systems with

slowly varying parameters—simulation with a simpli.ed aircraft turbo

engine model”. Catholic University of Louvain. Belgium. 2002.

 

[18] Rocco Tarantino, Ferenc Szigeti, Eliezer Colina-Morles. Generalized

Luenberger observer-based fault-detection "lter design: an industrial

application”. Universidad de los Andes, Mérida, Venezuela. 1999.

 

[19] Isermann, R. “Model-Based Fault Detection And Diagnosis Status And

Applications”. Institute of Automatic Control, Darmstadt University of

Technology. 2004.

 

[20] Jui-Jung Liu, Shan-Jen Cheng, I-Chung Kung, Hui-Chen Chang, S.A.

Billings. Non-linear system identification and fault diagnosis using a new

GUI interpretation tool. National Defence University. Taiwán. 2000.

 

[21] Stojan Persin, Boris Tovornik. “Real-time implementation of fault diagnosis

to a heat exchanger”. University of Maribor. Slovenia. 2004.

 

[22] Zohreh Fathi, W. Fred Ramirez, A. P. Tavares, Gerard Gilliland. “Symbolic

 

[23] Sandra Aranguren, Rocco Tarantino. “Sistemas Para La Detección Y

Diagnóstico De Fallas: Implantación Industrial”. Revista Colombiana de

Tecnologías de Avanzada. 2004.

 

[24] John Wagner And Rahmat Shoureshi. “A Robust Failure Diagnostic

System For Thermofluid Processes”. Automática, Vol. 28, No. 2, Pp. 375-

381. 1992

 

[25] Tarantino R, and Aranguren S. “Confiabilidad En Procesos De

Automatización”. Revista Colombiana De Tecnologías De Avanzada.

2004.

 

[26] The Internacional Electrotechnical Comisión. Funcional Safety and IEC

61508: A Basic Guide. 2002

 

[27] Subcomité Técnico de Normalización de PEMEX. Determinación de Nivel

Integrado de Seguridad de los Sistemas Instrumentados de seguridad.

Mexico. 2002.

 

[28] Paris. S. and Kumar B. Performance-Based Standards: Safety

Instrumented Funcions And Safety Integrity Levels. Elsevier. 2000

 

[29] Castellano. J. Tomarse la Seguridad en serio. Química Universal. 2005.

 

[30] Scenna, N; Real M; Rodríguez N. “HASIL, un Prototipo Para el Desarrollo

de HAZOP/SIL”. Universidad Tecnológica Nacional. Argentina. 2004.

 

[31] Rosaler, Robert C. ”Manual del Ingeniero de Planta”. Mac-Graw

Hill/Interamericana de Editores, S.A. de C.V. 2002.

 

[32] Estándar de Seguridad Funcional IEC 61508: Sistemas de Seguridad.

 

[33] Aplicación de los Sistemas Instrumentados De Seguridad Para las

Industrias de Proceso. Estandar ANSI/ISA S.84.01.

 

[34] Henley. E. and Kumamoto. H. Probabilistic Risk Assessment. IEEE. New

York. 1992.

 

[35] Puig. V, Quevedo J, Escobet T. Control Tolerante a Fallos: Mecanismos de

Tolerancia y Sistema Supervisorio.

 

[37] Victor J. Maggioli a and William H. Johnson, Jr. Control system safety

interlocks Design and implementation. 1997.

 

[38] R Bell and D Reinert. Risk and system integrity concepts for safety-related

control systems.

 

[39] Y. Misumi, Y. Sato. Estimation of average hazardous-event-frequency for

allocation of safety-integrity levels. Elsevier. 2000.

 

[40] Kato E, Sato Y. On the application of safety integrity levels to safety related

systems, Procs. 30th ISATA Road and Vehicle Safety, pp. 383–390,

Florence, June 1997.

 

[41] Moubray John. Reliability Centred Maintenace. Second Edition. Editorial

Planta Tree. 1997.

 

[42] Tarantino R, Cabezas K, Rivas F, Colina E. Failure Detection and

Diagnostic System Based on a Hibrid Method.

 

[43] Istvan Szaszi, Subhabrata Ganguli, Andres Marcos, Gary J. Balas, Jozsef

Bokor. Application Of FDI To A Nonlinear Boeing -747 Aircraft. Department

of Control and Transport Automation, Budapest Uni versity of Technology

and Economics.2002.

 

[44] Arévalo, Sergio. “Disponibilidad de Datos en un Sistema Tolerante a

Fallas”. Grupo de Sistemas y Comunicaciones. Universidad Rey Juan

Carlos. Madrid. 2004.

 

[45] R. Conatsera, J. Wagnerb,S. Gantab,I. Walkerb. Diagnosis of automotive

electronic throttle control systems. Control Engineering Practice. 2004

[46] Zhang, Y. y Jiang, J.. Bibliographycal review on reconfigurable fault-tolerant

control systems. Proceedings IFAC SAFEPROCESS. 2003

 

[47] Eva M. Castro. Fiabilidad y tolerancia a fallos. Dpto. Automática/Área de

Ingeniería Telemática. 2005

 

[48] Patricia González Gómez. “Redundancia en Hardware” Dpto. Electrónica y

Sistemas. Universidad de la Coruña. 2005.

 

[49] Patton, R. J. Fault-tolerant control: the 1997 situation. Proceedings of IFAC

Symposium on Safeprocess. 1997.

 

[45] Blanke, M., Kinnaert M. Lunze J. y Staroswiecki M. (2003). Diagnosis and

 

[52] Pérez, Elizabeth. “Middleware y Tolerancia a Fallas”. Área de Computación

y Sistemas. UAM-Iztapalapa. México. 2002

 

[53] Mejía, Pedro. “Fiabilidad y Tolerancia de Fallos”. Sección de Computación

CINVESTAV. México. 2005

 

[54] Marcos, Andres. “Fault Detection And Fault Tolerant Approaches With

Aircraft Application”. Louisiana Workshop on System Safety. Dept.

Aerospace Engineering and Mechanics, University of Minnesota. 2003

 

[55] Jin Jiang. “Fault-tolerant Control System Design and Analysis” Department

of Electrical and Computer Engineering The University of Western Ontario

London. Canadá. 2003.

 

[56] Tarantino R. y Aranguren S. “Análisis y Diseño de Esquemas

Redundantes: Sistemas Mecatrónicos, Una Aplicación” Universidad de

Pamplona. 2004.

 

[57] Drs. Bonnie Heck, J.V.R. Prasad, and George Vachtsevanos. “Software

Enabled Control (SEC) Algorithms for Extreme Performance”. Georgia

Institute Of Technology. 1999.

 

[58] Pablo J. Regina. Tolerancia a Fallas en Sistemas de Tiempo Real.

Departamento de Computación Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.

Universidad De Buenos Aires. 1999.

 

[59] Vicená Puig, Joseba Quevedo, Teresa Escobet, Bernardo Morcego, Carlos

Ocampo. Control Tolerante A Fallos (Parte II): Mecanismos De Tolerancia

Y Sistema Supervisor. Universitat Politëcnica De Catalunya (UPC). 2004

 

[60] Jiang, J.. Design of reconfigurable control systems using eigenstructure

assignment. Internacional. Jounal of Control. 1994

 

[61] Zhang, Y. y Jiang, J. Active fault-tolerant control system against partial

actuator failures. IEEE Proceedings on Control Theory and Applications.

2002.

[62] Cassandras, C.G., Lafortune S. y Olsder G.J. Introduction to the modelling,

control and optimisation of discrete event systems. In: Trends in Control

(A. Isidori, Ed.). Springer-Verlag. 1995

 

[63] Morari, M., Baotic M. y Borrelli F. Hybrid systems modeling and control.

 

[65] Xing L, Fleming KN, Loh WT. Comparison of Markov model and fault tree

approach in determining initiating event frequency for systems with two

train configurations. Reliability Engineering and System Safety 1996.

 

[66] W G Gulland. Methods of Determining Safety Integrity Level (SIL)

Requirements - Pros and Cons. 2004.

 

[67] Vicená Puig, Joseba Quevedo, Teresa Escobet, Bernardo Morcego, Carlos

Ocampo. Control Tolerante A Fallos (Parte I): Fundamentos y Diagnostico

de Fallos. Universitat Politëcnica De Catalunya (UPC). 2004

 

[68] Andrés J. Piñón Pazos, Ramón Ferreiro García, José Luís Calvo Rolle,

Francisco Javier Pérez Castelo. Análisis Del Estado Actual De Las

Técnicas En Instrumentos Inteligentes. 2003

 

[69] Box G, Graves ,S, Bisgaard, S, Van Golder, James, J., Marko, K, Seifer,M,

Poublon, M., and Fodale, F. Detecting Malfunctions in Dynamic Systems.

2000.

 

[70] Park S. W. and Lee C. S. J., “Fusion-based sensor fault detection,” in Proc.

IEEE Int. Symp. Intelligent Control, 1993.

 

[71] Harada K., “Intelligent Sensors in Process Instrumentation” Intelligent

sensors. Elsevier Science B.V.

 

[72] Koppen-Seliger B. and Frank P. M., “Fault detection and isolation in

technical processes with neural networks,” in Proc. 34th IEEE Conf.

Decision and Control, New Orleans, LA, 1995.

 

[73] Stoustrup, J., Grimble, M., J. Integration control and fault diagnosis: A

separation result, Proc. of IFAC Symposium on Fault Detection, Hull,

1997.

 

[74] R. Dunia, S. Qin, T.F. Edgar, T. McAvoy, Identification off aulty sensors

using principal components a nalysis. 1996.

 

[75] Ahmed-Zaid, F., Ioannou, P., Gousman, K., Rooney, R. “Accommodation of

Failures in the F-16 Aircraft Using Adaptive Control,” IEEE Control Systems

Magazine.1991.

 

[76] Benkhedda, H. and Patton, R.J., “Fault Diagnosis Using Quantitative and

Qualitative Knowledge Integration,” UKACC International Conference on

 

[78] Frank, P.M. and Ding, X. “Survey of Robust Residaul Generation and

Evaluation Methods in Observer-based Fault Detection Systems, ” Journal

of Process Control. 1997.

 

[79] Gertler, J. and Kunwer, M.K., (1995), “ Optimal Residual Decoupling for

Robust Fault Diagnosis, ” International Journal of Control. 1995.

 

[80] Chen, J., Patton, R. J. and Zhang, H.Y. “Design of Unknown Input

Observers and Robust Fault-detection Filters,” International Journal of

Control, 1996.

 

[81] Balle P., Fischer, M., Fussel, D., Nelles, O., & Isermann, R. (1998).

Integrated control, diagnosis and reconfiguration of a heat exchanger.

IEEE Control Systems Magazine. 1998.

 

[82] Leith, D. J., & Leithead, W. E. (1998). Gain-scheduled & nonlinear systems:

dynamic analysis by velocity-based linearisation families. International

Journal of Control. 1998.

 

[83] Patton, R., Frank, P., & Clark, R. Issues of fault diagnosis in dynamic

systems. London: Springer. 2000.

 

[84] Fathi Z., Ramirez W. F. and Aarna O. Joint state and parameter estimation

for a nuclear reactor with fast and slow modes. Optimal Control Applic.

Meth. 1992.

 

[85] Fathi Z., Korbicz J. and Ramirez W. F. Analytical and knowledge-based

redundancy for fault diagnosis in process plants. AIChE J. 1993.

 

[86] Himmelblau D. M. Fault detection and diagnosis--today and tomorrow.

IFAC Kyoto Workshop on Fault Detection and Safety in Chemcial Plants,

Kyoto, Japan, pp. 95-105 (1986).

 

[87] Börner, M., L. Andréani, P. Albertos and R. Isermann, Detection of Lateral

Vehicle Driving Conditions Based on the Characteristic Velocity. IFAC

Congress 2002, Barcelona, Spain. 2002.

 

[88] Krishnaswami, V., G.-C. Luth and R. Rizzoni. Nonlinear parity equation

based residual generation for diagnosis of automotive engine faults.

Control Engineering Practice. 1995.

 

[89] Nielsen, L. and M. Nyberg. Model-based diagnosis for the air intake system

 

[90] Füssel, D. and R. Isermann. Hierarchical diagnosis utilizing structural

knowledge and selflearning neuro-fuzzy-scheme. IEEE Trans. Electronics.

2000.

 

[91] Ogata Katsuhiko. Ingeniería de Control Moderna. Cuarta Edición. Prentice

Hall. Madrid. 2003.

 

[92] Huerta, Rosendo. El Análisis De Criticidad, Una Metodología Para Mejorar

La Confiabilidad Operacional. PDVSA. Venezuela.

 

[93] García Oliverio. El Análisis Causa Raíz, Estrategia de Confiabilidad

Operacional. Reliability World Latin America. Leon. 2005.

 

[94] Montgomery, Douglas C. Introduction To Statistical Quality Control. John

Wiley. New York. 2001.

 

[95] Creus Sole, Antonio. Control De Procesos Industriales. Criterios De

Implantación. Marcombo. Barcelona. 1988.

 

[96] García Moreno, Emilio. Automatización De Procesos Industriales.

Alfaomega. México. 2001.

 

[97] Piedrafita Moreno, Ramón. Ingeniería De La Automatización Industrial.

Alfaomega. México. 2001.

 

[98] Spiegel, Murray R. Teoría Y Problemas De Probabilidad Y Estadística.

Mcgraw-Hill. Mexico. 1975.

 

[99] Valdez Gomez, Remigio. Cálculo De Probabilidades. Limusa. México.

1997.

 

[100] Pérez López, César. Técnicas Estadísticas Con Spss. Prentice-Hall.

2001.

 

[101] Gastelbondo, Walter, Tarantino, Rocco, y Aranguren Sandra. Ingeniería

Para la Construcción de Procesos de Capacidad Simple Para el

Desarrollo de Métodos de Detección y Diagnóstico de Fallas. IIDTA. 2005.

 

[102] Gualdron Oscar. Desarrollo de Diferentes Métodos de Selección de

variables Para Sistemas Multisensoriales. Universidad Rovira I Virgili. 2006