Aparato y métodos para monitorizar y controlar unidades de proceso cíclico en un entorno estable de planta.

Aparato para monitorización y análisis (130) para el uso en una planta de producción (100),

el aparato comprende un procesador de cómputo que puede funcionar para:

recibir datos funcionales de uno o más sensores (120) que funcionan para percibir y comunicar los datos representativos del funcionamiento de por lo menos dos componentes (110) de unidad de producción cíclica asíncrona, utilizados en el proceso de producción en un intervalo de tiempo seleccionado;

procesar los datos funcionales recibidos para transformar los datos funcionales recibidos desde un dominio de tiempo a datos generados en dominio de frecuencia que tienen armónicos;

procesar los datos en dominio de frecuencia para calcular un valor de amplitud de cada uno del por lo menos un pico de los armónicos de los datos en dominio de frecuencia;

identificar el valor de la amplitud del pico de un armónico significativo de los datos en dominio de frecuencia para cada uno de los por lo menos dos componentes de unidad de producción cíclica asíncrona;

aplicar una función matemática de normalización de datos a los valores identificados de amplitud para calcular anomalías en los valores identificados de amplitud entre dos componentes seleccionados de unidad de producción cíclica asíncrona de los por lo menos dos componentes de unidad de producción cíclica asíncrona en comparación con datos representativos de valores de amplitud de funcionamiento normal para generar datos procesados de monitorización de componente de unidad de producción para los dos componentes seleccionados de unidad de producción cíclica asíncrona; y

almacenar los datos procesados generados de monitorización de componente de unidad de producción.

Aparato y métodos para monitorizar y controlar unidades de proceso cíclico en un entorno estable de planta CAMPO DE LA INVENCIÓN

Sistema y métodos para monitorizar y analizar los datos de las prestaciones de unidades de producción cíclica asincrona multilínea (por ejemplo, adsorción por oscilación de presión (PSA, pressure swing adsorption), plantas de producción de hidrógeno) que permiten el diagnóstico de anomalías funcionales, ambientales y de fallos de equipos para prevenir un fallo total de la línea de producción.

ANTECEDENTES

La detección de signos tempranos de problemas en el funcionamiento de una planta compleja es equivalente a prevenir una interrupción en los procesos de fabricación/producción. Es deseable que una planta de producción mantenga una tendencia funcional de estado estable (por ejemplo, las instalaciones de fabricación de hidrógeno). Sin embargo, en la práctica los cambios de un día a otro en la planta de producción afectarán a los funcionamientos de la planta y a menudo estresarán los funcionamientos de la planta (por ejemplo, el aumento del nivel de producción para cumplir la demanda del cliente, variaciones de composición de la alimentación de materia prima, e incluso las condiciones climáticas pueden afectar al funcionamiento de la planta). Otro factor contribuyente que hace que una producción de estado estable sea un desafío y que dificulta la detección de fallos es la naturaleza inherente de un sistema de producción cíclica pero asincrona (por ejemplo sistemas de producción de PSA).

En la técnica anterior se describen varios métodos y sistemas para abordar los problemas potenciales en las plantas de producción mediante el ajuste de variables de proceso en base a cambios en los parámetros medidos de proceso. Por ejemplo, la patente de EE.UU. 8.016.914, Belanger et al., la patente de EE.UU. 7.674.319, Lomax et al., y la patente de EE UU. 7.789.939, Boulin, enseñan diversos métodos para medir una impureza y ajustar una variable de proceso, tal como el tiempo de alimentación, para controlar esa impureza en un lecho de un sistema de PSA. Tal único control de lecho de PSA se utiliza extensamente y ha llegado a ser una práctica de la industria.

Se han descubierto e implementado otros métodos de detección de fallos de planta de producción. Por ejemplo, como se describe en el artículo titulado "Finding the Source of Nonlinearity in a Process With Plant-Wide Oscillation", Nina F. Thornhill, 2005, Thornhill propone un índice de falta de linealidad que puede utilizarse para detectar una causa primordial de la oscilación para un sistema dinámico que tiene una pluralidad de circuitos de control interactuando. Este método puede utilizarse para detectar oscilaciones causadas por ciclos límite autosostenidos en un circuito de control. Tales oscilaciones a menudo se originan en un circuito pero se propagan a los otros circuitos. Con esta práctica actual, la medición desarrollada de falta de linealidad produce valores altos para el circuito de control de fuente y valores más bajos para las oscilaciones secundarias que permiten realizar un análisis de causa primordial. El método se basa en la comparación de datos sustitutos y datos verdaderos de planta. Con esta práctica actual, los datos sustitutos se obtienen al aplicar una transformada de Fourier discreta (DFT, discrete Fourier transform) a datos verdaderos y luego aleatorizando los argumentos de la DFT y manteniendo constante la amplitud. A continuación en el método, se aplica una DFT inversa para producir los datos sustitutos. Los datos verdaderos con acoplamiento de fase producen tendencias más estructuradas y más previsibles que los datos sustitutos. Por consiguiente, con esta práctica existente, el índice de falta de linealidad explota la diferencia en los datos que significa utilizar análisis de series temporales. Thornhill describe un método que se utiliza prácticamente para detectar la oscilación por toda la planta debida a circuitos de control interactuando y ayuda a afinar los controladores para tener unas óptimas prestaciones de planta. Además, el documento WO-A-2006/086894 describe un dispositivo de diagnóstico para diagnóstico de dispositivo de proceso. Dentro de un sistema de control de proceso se utiliza un método estadístico para diagnóstico para monitorizar dispositivos tales como una bomba o una válvula.

Las prácticas existentes son insuficientes, sin embargo, para identificar qué etapa de un proceso de producción asincrona cíclica es la causa primordial de un fallo o problema de producción generalmente observada. Aunque las practicas actuales descritas en la técnica anterior utilizan una DFT para generar los datos sustitutos para uso en la identificación de fallos de proceso, no abordan diversos puntos clave como el procesamiento de variables de planta de producción en estado estable. Específicamente, con fluctuaciones de ciclo de producción, las variables pueden tener una base de "oscilación autosostenida" debida a un efecto primario/secundario de un circuito de control o que proviene del ruido. Sería ventajoso tener un sistema y un método de detección que manejen los datos cíclicos de estado estable cuando la oscilación es el funcionamiento normal. Tales sistemas y métodos podrían funcionar para comparar características de oscilación en diversas partes de las líneas de producción en una planta de producción (por ejemplo, diversos "lechos" de producción de una planta de PSA) en la que las partes de líneas de producción entre líneas de producción similares funcionarían para tener una oscilación similar con diferente fase (por ejemplo, planta de producción de PSA multilecho que tiene unas etapas de producción asincrona entre una pluralidad de líneas de producción). Por otra parte, sería ventajoso tener un sistema y un método de monitorización aplicados continua y automáticamente en un proceso de producción en la totalidad de una planta de producción en estado estable.

A modo de ejemplo, un sistema y un método ventajosos podrían funcionar en el contexto de una planta de PSA con medición de variación de lecho a lecho, y relacionar esas variaciones con procesos dentro y fuera del propio proceso de PSA, tal como el cambio de composición de alimentación, anomalías de etapas de producción de planta y/o

deficiencias funcionales, tales como equipos rotos (por ejemplo, una válvula rota en el propio sistema de PSA). El método deseado podría proporcionar unas etapas para detectar cualquier desviación en un sistema cíclico (por ejemplo, PSA) fuera de fase con varias subunidades (por ejemplo, lechos). El objetivo es asegurar que cada unidad se comporte idénticamente a todas las demás cuando se transponga en la misma fase. El propio sistema cíclico fuera de fase (por ejemplo, PSA), a su vez, se ve afectado funcionalmente por otros procesos de la planta y los sistemas y los métodos deseados tendrían en cuenta tales variables ambientales y funcionales.

Por lo tanto, existe la necesidad de sistemas y métodos para monitorizar y analizar los datos que rodean la ejecución de un sistema normalmente cíclico pero asincrono junto con un proceso de producción normalmente en estado estable.

COMPENDIO

Las realizaciones descritas satisfacen la necesidad en la técnica al proporcionar un aparato y un método para monitorización y análisis que permiten monitorizar un proceso de producción cíclica asincrona multietapa que tiene múltiples unidades de producción en un entorno estable de planta. En una implementación ilustrativa, un módulo de monitorización y análisis coopera con una distribución de sensores que se acoplan electrónicamente a uno o más componentes de unidad de producción y/o equipos para recopilar datos funcionales, ambientales y de fallo. En la implementación ilustrativa, el módulo de monitorización y análisis también puede conectarse a un sistema del control que coopera con diversos controles de automatización que controlan diversos equipos y/o componentes de unidad de producción.

En un funcionamiento ilustrativo, el módulo de monitorización y análisis funciona para recopilar datos de la distribución de sensores. Tales datos de monitorización pueden comprender datos de condiciones ambientales, datos funcionales y datos de componentes/equipos de unidad de producción. En el funcionamiento ilustrativo, los datos recopilados se recopilan en el dominio de tiempo. A los datos recopilados en el dominio de tiempo se les aplica una transformada de Fourier discreta para generar datos de monitorización en dominio de frecuencia. Los datos transformados son analizados entonces según un protocolo de datos de detección de fallos. En la implementación ilustrativa, el protocolo de detección de fallos comprende varias... [Seguir leyendo]

1. Aparato para monitorización y análisis (130) para el uso en una planta de producción (100), el aparato comprende un procesador de cómputo que puede funcionar para:

recibir datos funcionales de uno o más sensores (120) que funcionan para percibir y comunicar los datos representativos del funcionamiento de por lo menos dos componentes (110) de unidad de producción cíclica asincrona, utilizados en el proceso de producción en un intervalo de tiempo seleccionado; procesar los datos funcionales recibidos para transformar los datos funcionales recibidos desde un dominio de tiempo a datos generados en dominio de frecuencia que tienen armónicos;

procesar los datos en dominio de frecuencia para calcular un valor de amplitud de cada uno del por lo menos un pico de los armónicos de los datos en dominio de frecuencia;

identificar el valor de la amplitud del pico de un armónico significativo de los datos en dominio de frecuencia para cada uno de los por lo menos dos componentes de unidad de producción cíclica asincrona; aplicar una función matemática de normalización de datos a los valores identificados de amplitud para calcular anomalías en los valores Identificados de amplitud entre dos componentes seleccionados de unidad de producción cíclica asincrona de los por lo menos dos componentes de unidad de producción cíclica asincrona en comparación con datos representativos de valores de amplitud de funcionamiento normal para generar datos procesados de monitorización de componente de unidad de producción para los dos componentes seleccionados de unidad de producción cíclica asincrona; y

almacenar los datos procesados generados de monitorización de componente de unidad de producción.

2. El aparato según la reivindicación 1, en donde la transformada utilizada para generar los datos en dominio de frecuencia se selecciona del grupo de una transformada de Fourier discreta (DFT), transformada de Laplace e

histograma.

3. El aparato según la reivindicación 1 o 2, en donde cada uno de los por lo menos dos componentes de unidad de producción comprende un lecho de adsorción por oscilación de presión (PSA).

4. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde cada uno del uno o más sensores es un sensor de presión y los datos representativos del funcionamiento de por lo menos dos componentes de unidad de producción comprenden datos de presión.

5. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el pico del armónico significativo tiene una frecuencia que es igual al inverso de una duración de una única etapa de un proceso de producción realizada por cada uno de los por lo menos dos componentes de unidad de producción.

6. El aparato según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que funciona además para definir unos límites de datos funcionales representativos de un intervalo deseado de funcionamiento para las por lo menos dos unidades de producción y para procesar los datos procesados generados de monitorización de componente de unidad de producción para determinar si los datos están dentro de los límites definidos de datos funcionales.

7. El aparato según la reivindicación 6, que puede funcionar además para generar datos de alarma representativos de casos cuando los datos procesados generados de monitorización de componente de unidad de producción se encuentran fuera de los límites funcionales definidos.

8. El aparato según la reivindicación 7, que puede funcionar además para comunicar los datos generados de alarma a un aparato de control cooperativo de componente de unidad de producción para uso en proporcionar operaciones automatizadas de control a los por lo menos dos componentes de unidad de producción

9. Una planta de producción que comprende una pluralidad de unidades de producción, uno o más sensores que funcionan para percibir y comunicar los datos representativos del funcionamiento de dichas unidades de producción, y un aparato de monitorización y análisis según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

10. Un método para monitorizar y analizar los datos funcionales de una planta de producción (100) que comprende:

recibir datos funcionales de uno o más sensores (120) que funcionan para percibir y comunicar los datos representativos del funcionamiento de por lo menos dos componentes (110) de unidad de producción cíclica asincrona, utilizados en el proceso de producción en un intervalo de tiempo seleccionado; procesar los datos funcionales recibidos para transformar los datos funcionales recibidos desde un dominio de tiempo a datos generados en dominio de frecuencia que tienen armónicos;

procesar los datos en dominio de frecuencia para calcular un valor de amplitud de cada uno de por lo menos un pico de los armónicos de los datos en dominio de frecuencia;

identificar el valor de la amplitud del pico de un armónico significativo de los datos en dominio de frecuencia para

cada uno de los por lo menos dos componentes de unidad de producción cíclica asincrona;

aplicar una función matemática de normalización de datos a los valores identificados de amplitud para calcular

anomalías en los valores identificados de amplitud entre dos componentes seleccionados de unidad de producción cíclica asincrona de los por lo menos dos componentes de unidad de producción cíclica asincrona en comparación con datos representativos de valores de amplitud de funcionamiento normal para generar datos procesados de monitorización de componente de unidad de producción para los dos componentes seleccionados de unidad de producción cíclica asincrona; y

almacenar los datos procesados generados de monitorización de componente de unidad de producción.

11. El método según la reivindicación 10, que comprende además calcular el logaritmo de la razón de los valores identificados de amplitud, el logaritmo de los datos de razón de amplitud representativos del logaritmo de la razón de los valores identificados de amplitud entre los dos componentes seleccionados de unidad de producción de los por lo menos dos componentes de unidad de producción para generar los datos procesados de monitorización de componente de unidad de producción para los dos componentes seleccionados de unidad de producción.

12. El método según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, que comprende además definir unos límites de datos funcionales representativos de un intervalo deseado de funcionamiento para las por lo menos dos unidades de producción y procesar los datos procesados generados de monitorización de componente de unidad de producción para determinar si los datos están dentro de los límites definidos de datos funcionales.

13. El método según la reivindicación 12, que comprende además generar datos de alarma representativos de casos cuando los datos procesados generados de monitorización de componente de unidad de producción se encuentran fuera de los límites funcionales definidos.

14. El método según la reivindicación 12 o la reivindicación 13, que comprende además aplicar un algoritmo estadístico seleccionado a los datos procesados generados de componente de unidad de producción para identificar estadísticamente casos significativos cuando los datos procesados generados de componente de unidad de producción están fuera de los límites funcionales de datos.

15. El método según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en donde los límites funcionales de datos son calculados por procesamiento de los datos históricos recibidos de componente de unidad de producción.

16. El método según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, en donde el armónico significativo de los datos transformados en dominio de frecuencia comprende el armónico que tiene una frecuencia y el inverso de la frecuencia del último armónico significativo de los datos transformados en dominio de frecuencia es mayor que el tiempo necesario para completar una única etapa de un ciclo de producción del proceso de producción.