Sistemas de Diagnóstico de Fallas Usando Modelos Cualitativos y Cuantitativos

1 Descripción del proyecto

1.1 Resumen

El proyecto Sistemas de Diagnóstico de Fallas Usando Modelos Cualitativos y Cuantitativos, con duración de dos años se enmarca dentro de la línea de investigación y desarrollo de sistemas automáticos confiables para procesos industriales que cultiva la responsable del proyecto desde 1990 en la UNAM. En particular se estudia el diseño de sistemas automáticos detectores e identificadores de fallas usando modelos cuantitativos y cualitativos en conjunto con la teoría de lógica borrosa. Los algoritmos de supervisión automática por software propuestos se probaran en plantas piloto; como son la tubería de 130m de largo y el sistema de tres tanques interconectados del Instituto de Ingeniería.

El principal producto del proyecto es la realización de un sistema para localizar fugas en redes, el cual será amigable, operará en línea, será capaz de operar en régimen no estacionario, ayudará a los operadores de las redes a reconfigurarla en condiciones de emergencia, y el cual podrá implantarse en sistemas de cómputo de bajo costo.

El grupo de investigación trabaja bajo la dirección de la responsable y esta formado actualmente por el M en I Rolando Carrera y cuatro alumnos de licenciatura y posgrado de la UNAM.

1.2 Objetivos

Desarrollar sistemas automáticos de monitoreo y supervisión por software que ayuden a los operadores de procesos a reconfigurarlos cuando se presenten anomalías y fallas que deterioran y ponen en peligro la seguridad de las instalaciones de un proceso.

Las herramientas de diseño que se utilizan para generar, a partir de mediciones del proceso, las señales de alarma son modelos causales cualitativos obtenidos a partir de relaciones analíticas y heurísticas del proceso en conjunto con la teoría de lógica borrosa.

Como aplicación específica, el sistema de diagnóstico deberá ser probado y validado en una tubería piloto de 132m de largo y 10cm de diámetro en donde se pueden emular fugas y averías en diversas partes de la instalación. Para probar la parte del autómata asociada a la re-configuración de un proceso ante condiciones de falla se empleará un sistema hidráulico de tres tanques de almacenamiento con dos servo-válvulas.

1.3 Metas

1.3.1 Determinar una metodología para modelar procesos usando relaciones del tipo causa efecto y árboles de decisión. El procedimiento deberá ser aplicable al caso de generación de residuos o señales de error del sistema hidráulico de tres tanques y la tubería sin tomas laterales.

1.3.2 Diseñar nuevas estructuras de estimadores de las salidas de un proceso que sean robustas a entradas desconocidas usando modelos heurísticos del comportamiento de un proceso.

1.3.3 Desarrollar algoritmos de toma de decisiones usando la teoría de lógica borrosa los cuales permitan aislar múltiples fallas con efectos aditivos en un proceso.

1.3.4 Comparar el desempeño del sistema de diagnóstico propuesto con la técnica desarrollada por investigadores del II usando modelos matemáticos, para el caso de la detección de fugas de una tubería.

1.3.5 Evaluar experimentalmente el desempeño del sistema de diagnóstico en el sistema de tres tanques y la tubería piloto del II.

1.3.6 Formar grupos de trabajo independientes en el país con alto grado de especialización capaces de resolver problemas asociados a la supervisión y configuración de sistemas.

1.3.7 Promover en el ámbito de la ingeniería de servicio y producción, la necesidad de mejorar la seguridad y confiabilidad de los procesos vía la realización de sistemas de monitoreo automático de bajo costo.

1.3.8 Fortalecer al grupo de investigación y docencia de la UNAM en el área de supervisión y re-configuración de sistemas automáticos involucrando a estudiantes de posgrado en el proyecto e impartiendo clases en el posgrado de Ciencias e Ingeniería de la Computación y de Ingeniería de UNAM.

1.3.9 Consolidar la vinculación entre los grupos de investigadores del país que atacan problemas afines de control y supervisión robusta de procesos (UNAM, UANL, CENIDET). Para ello se aprovechara los contactos académicos y convenios ya existentes entre la responsable del proyecto y los doctores mexicanos recién graduados en el área de supervisión de procesos. (Dr. Luis Gerardo Vela del CENIDET-SEP, Dr. Efraín Alcorta de la UANL y Dr. Héctor Benítez IIMAS-UNAM)

1.4 Antecedentes

La confiabilidad y seguridad de los sistemas complejos es un problema importante y de gran preocupación en el ámbito mundial. Específicamente dentro de la comunidad de sistemas automáticos se han propuesto métodos analíticos basados en una redundancia por software para detectar y aislar fallas. El término falla se refiere en general a una anomalía o evento que provoca el mal funcionamiento de un proceso. Este tipo de herramientas o métodos permite diseñar sistemas de supervisión y monitoreo por software mejorando la confiabilidad de los procesos dinámicos complejos. Las bases de estos sistemas son la identificación de parámetros, la redundancia analítica de las salidas de un sistema y la información heurística disponible de un proceso en condiciones normales y anormales.

El problema básico de los métodos analíticos tradicionales para la detección y localización es la necesidad de contar con un modelo analítico preciso de los procesos por supervisar. Estas circunstancias motivaron a la responsable del proyecto a buscar alternativas de solución al problema de la generación y evaluación de los síntomas en condiciones de fallas con técnicas que no requirieran modelos matemáticos precisos y que además tomaran en cuenta la experiencia de los operadores. Este nuevo enfoque podría mejor la aplicabilidad a casos reales de los sistemas de diagnóstico y re-configuración actuales. Específicamente, esta búsqueda llevó a considerar como una alternativa viable abordar el problema usando modelos de conocimiento causales, razonamiento simbólico y teoría de lógica borrosa ya que estas herramientas han mostrado ser robustas en aplicaciones simples de control.

1.5 Metodología

La metodología que se desea aplicar consiste en la integración de grupos de trabajo, en donde la responsable será la líder y se abordarán con ayuda de todos los participantes del proyecto las actividades académicas. Algunas de ellas se tienen previstas como trabajos de tesis de licenciatura, de maestría y de doctorado.

Por lo que respecta a la implantación de los sistemas, estos se llevaran a cabo usando MATLAB en conjunto con el paquete de programación gráfica Labview para el manejo de las tarjetas de adquisición de datos y adecuación de señales e implantación en tiempo real.

El soporte del manejo de las instalaciones piloto, (tubería y sistema hidráulico de los tres tanques) y uso de los sistemas SCADA de ambas plantas piloto estará bajo la responsabilidad del técnico académico participante.

Las hipótesis del trabajo son:

· Se pueden encontrar modelos cualitativos a partir de relaciones analíticas del tipo causa efecto para modelar procesos dinámicos. En particular, los procesos se puede aproximarse, para fines de detección y localización de fugas, por modelos cualitativo discreto en donde las fallas se consideran incertidumbres a determinar.

· Se puede diseñar el generador del diagnóstico de las fallas vía modelos cualitativos extendiendo la teoría de estimadores con entradas desconocidas.

· Se puede mejorar la robustez del diagnóstico de fallas vía una máquina de inferencia diseñada con base en la teoría de sistemas borrosos.

· Se puede reformular el problema de detección de fallas como N problemas separados uno por cada falla, lo cual simplifica el diseño del generador de residuos.

1.6 Infraestructura

La infraestructura con que cuenta el II para el desarrollo del proyecto es:

1.6.1 Tubería piloto para pruebas de detección de fugas. Está compuesta por: 1) Tanque de almacenamiento de agua (7.4 m3), 2) Bomba hidráulica de 50 CP, 3) Válvulas de compuerta para regular el flujo de agua, 4) Tanque de presión hidroneumático para atenuar transitorios de golpe de ariete, 5) Tubería de hierro galvanizado de 10.5 cm de diámetro con 132.56 m de longitud, 6) Instrumentos de medición para flujo y presión en la entrada y salida de la tubería, 7) Cuatro válvulas de esfera para provocar fugas y 8) Una servo válvula instrumentada para controlar las fugas.

1.6.2 Sistema hidráulico de tres tanques con un sistema de control automático diseñado por investigadores del II e instrumentado para emular fallas en sensores y actuadores y dos servo-válvulas para emular fallas específicas en las componentes del proceso.

1.6.3 Paquetes matemáticos: Matlab, Mathematica, Simnon y Maple.

1.6.4 Sistema de adquisición de datos que consta de los siguientes elementos: PC, sistema de programación de propósito general LabVIEW para adquisición de datos y control de instrumentos, tarjeta de E/S LabPC-1200 y Módulo SCXI.

1.6.5 Cinco computadoras personales Pentium conectadas en red.

1.6.6 Cubículos disponibles para los estudiantes participantes.

1.6.7 Acceso a la biblioteca de Posgrado de la FI e II.

1.6.8 Apoyo secretarial.

1.7 Académicos participantes

1.7.1 Cristina Verde, investigador titular B de tiempo completo del Instituto de Ingeniería y miembro del grupo de tutores del Posgrado en Ciencias e Ingeniería de la Computación de la UNAM.

1.7.2 Rolando Carrera, técnico académico titular B de tiempo completo. Instituto de Ingeniería. UNAM.

2 Participación en reuniones académicas

2.1 Detección Borrosa de Fugas en Tuberías. CIE-2000, CINVESTAV-IPN-Zacatenco DF. 6-8 de septiembre del 2000.

2.2 Leak detection in pipelines considering qualitative and quantitave models. Seminario del Laboratorio de Automática de Grenoble. 27 de septiembre del 2000.

2.3 Correlación entre Inteligencia Artificial y Sistemas Biológicos. VI Jornada de Químicos Clínicos de la Región siglo XXI, IMSS. 21 de noviembre del 2000.

2.4 Control and Decisión Conference, 12-15 diciembre 2000, Sydney Australia.

2.5 Laboratory Pipeline for Education and Researach on Fault Detection. Advance Control Education Symposium, 17-19 diciembre del 2000, Brisbane, Australia.

2.6 Detector Automático de Fugas en Ductos por Software. EXITEP 2001, 4-7 de febrero del 2001.

3 Objetivos y Metas logradas

3.1 Construcción de una algoritmo de aislamiento de múltiples fallas en un conducto cerrado basado en la teoría de lógica borrosa. Considerando las direcciones de los residuos en presencia de fugas de magnitudes similares se determina la ubicación de las fugas (meta 1.3.3 de la propuesta).

3.2 Obtención de un modelo causa efecto para describir el comportamiento de un fluido en condiciones de fugas. Usando relaciones estáticas entre las variables discretizadas de un ducto fue posible definir relaciones de paridad que permiten reformular el problema de detección de fugas en n problemas aislados de separación de dos conjuntos de fugas (parcialmente meta 1.3.1 y 1.3.2 de la propuesta).

3.3 Iniciación de las actividades relacionadas con la creación de recursos humanos e infraestructura tendientes a lograr las metas 1.3.6, 1.3.7, 1.3.8 y 1.3.9.

4 Formación de recursos Humanos (cursos y tesis)

4.1 Rafael Macías, candidato al doctorado FI-UNAM. Diseño y construcción del sistema automático de control de un espectrómetro de masas usando modelos cualitativos.

4.2 Nancy Visairo, candidato al doctorado del CENIDET. Desarrollo de observadores para localización e identificación de fallas.

4.3 Juventino Cuellar, estudiante de maestría de la FI-UNAM. Simulador de una tubería para detección de fugas múltiples.

4.4 Oscar Rosas, estudiante de licenciatura de la FI-UNAM. Localización de Fugas usando Lógica Borrosa.

4.5 Sandra Pascual, estudiante de maestría de la FI-UNAM. Implantación de un detector de fugas en tiempo real usando Labview.

4.6 Se impartió el curso de posgrado Análisis de sistemas lineales del Posgrado en Ingeniería UNAM.

4.7 Se impartió el curso de posgrado Lógica borrosa del Posgrado en Ciencia e Ingeniería de la Computación UNAM.

4.8 Se impartió el curso de licenciatura Control Analógico. FI-UNAM.

4.7 EL II en conjunto con el CENIDET organizó el curso (20 horas) Herramientas de Reconfiguración y Supervisión por Software para operadores de Procesos impartido por la Profa. S Gentil del LAG, Francia. Julio y agosto de 2000.

5 Artículos y publicaciones

5.1 C Verde y O Rosas. Detección Borrosa de Fugas en Tuberías. CIE-2000, CINVESTAV-IPN-Zacatenco, 6-8 de septiembre del 2000.

5.2 C Verde. Laboratory Pipeline for Education and Researach on Fault Detection. Advance Control Education Symposium, 17-19 diciembre del 2000, Brisbane, Australia.

5.3 C Verde S Gentil y O Rosas. Fuzzy Directional Residuals Evaluation for Multileaks in Pipelines. ECC-2001, Porto, Portugal 1-5 septiembre del 2001.sometido.

6 Material Didáctico

En colaboración con la Profa. S Gentil del LAG de Grenoble se están preparando las notas del curso de Detección e Identificación de Fallas, las cuales estarán disponibles en red.

7 Prototipos Desarrollados y Usuarios

Se encuentra en etapa de ajuste el sistema localizador de fugas en tiempo real el cual se realizo en una PC estándar con tarjetas comerciales de National Instruments y usando el paquete gráfico Labview.

8 Vinculación con el sector productivo

Se han establecido contactos con el Grupo de Ingeniería de Sistemas Electrónicos de la Gerencia de Geofísica de Explotación de la Subdirección de Exploración y Producción Departamento del Instituto Mexicano del Petróleo para colaborar de manera conjunta y poder adquirir datos de una tubería real instrumentada de PEMEX para estudiar el desempeño del sistema detector de fallas.

9 Equipo adquirido con apoyo de REDII

-PC para realizar pruebas de campo en tiempo real. Esta adquisición permite validar el sistema de diagnóstico de fallas fuera de las instalaciones del II y tener una versión del sistema de diagnóstico de fácil transportación.