Integración de técnicas y las secuencias de alarmas para la detección y el diagnóstico de fallos

Résumé

[EN] The present thesis work has been developed around the integration of techniques for the early detection and diagnosis of failures in industrial processes. It has been considered the sequence of the alarms of a fluidized catalytic Cracking Unit and its use in early detection and diagnosis of failures. The specific objectives are listed in the first part of the document and refer to process safety, operational reliability and management of alarms. The aim of this thesis and previous research work is to increase process security and operational reliability and to decrease the number of alarms that are presented to the operators of industrial plants, contributing to the appropriate detection and troubleshooting. First I make a review of the state of the art techniques for the detection and diagnosis of failures and their integration, as well as the search of algorithms to analyze sequences of alarms. Its application is subsequently displayed in a set of data associated with a real failure of a fluidized catalytic cracking plant, to find the sequence of alarms associated with the faults in question. Then I discuss the techniques proposed for integration and the issue of the development of an intelligent software tool for the detection and diagnosis of failures, which is already in operation at the refinery in Barrancabermeja (Colombia). A clear methodology is shown to be able to find sequences of alarms. At the end I reach some valuable conclusions and detailed contributions to the state of the art in the field of detection and diagnosis of failures. During the research work I studied the feasibility of using intervalar models for dealing with uncertainty. I made important findings in this study, and concluded that the use of models (such as the step response) simplified the complexity of the construction of the complete model of a fluidized catalytic cracking unit. It has been used statistical process control (SPC) as a tool to detect symptoms of operational failures. This research developed and proposed the extended fault dictionary as an alternative to the integration of different detection and fault diagnosis techniques. The extended dictionary of failures is a logical framework where symptoms which can detect each technique, along with the hypothesis of failure and the mode of operation of the process that are valid to detect the failure. This framework allows the construction of logical rules through which the process of logical inference can be applied to validate the hypotheses of failure. [ES] El presente trabajo de tesis se ha desarrollado en torno a la integración de técnicas para la detección temprana y el diagnóstico de fallos en procesos industriales y a las secuencias de las alarmas de una unidad de Cracking Catalítico Fluidizado, y su uso en la detección temprana y el diagnóstico de fallos. En la primera parte del documento se detallan los objetivos específicos y se habla de los temas de Seguridad de Proceso, Confiabilidad Operacional y Gerenciamiento de Alarmas, que dieron origen a esta tesis doctoral. Se muestra como el objetivo de esta tesis y de trabajos de investigación previos es el de incrementar la seguridad de proceso, la confiabilidad operacional y disminuir el número de alarmas que se le presentan a los operadores de plantas industriales, contribuyendo a la apropiada detección y diagnóstico de fallos. Luego se hace una revisión del estado del arte en las técnicas para la detección y el diagnóstico de fallos, y la integración de las mismas, así como de algoritmos de búsqueda para analizar las secuencias de alarmas. Su aplicación se mostrará posteriormente en un conjunto de datos asociados a un fallo real de una planta de Cracking Catalítico Fluidizado, para hallar la secuencia de las alarmas asociada al fallo en cuestión. Posteriormente se habla sobre las técnicas propuestas para la integración y se toca el tema del desarrollo de una herramienta de software inteligente para la detección y el diagnóstico de fallos, que ya se encuentra en operación en la refinería de Barrancabermeja (Colombia). Se muestra una metodología clara para poder hallar las secuencias de alarmas. Al final se llegan a algunas conclusiones valiosas y se detallan los aportes al estado del arte en el tema de detección y diagnóstico de fallos. Durante el trabajo de investigación desarrollado se hizo un estudio de la viabilidad de utilizar modelos intervalares para abordar el tema de la incertidumbre. Se hicieron importantes hallazgos en dicho estudio, y se concluyó que es mejor el uso de modelos simplificados (como el de respuesta escalón) debido a la complejidad que trae implícita la construcción del modelo completo de una unidad de Cracking Catalítico Fluidizado. Se ha utilizado el Control Estadístico de Procesos (SPC) como herramienta para detectar los síntomas de los fallos operacionales sobre los que se ha centrado esta investigación. Esta investigación desarrolló y propuso el diccionario de fallos extendido como alternativa para la integración de diferentes técnicas de detección y diagnóstico de fallos. El diccionario extendido de fallos es un marco lógico donde se pueden plantear los síntomas que permite detectar cada técnica, junto con la hipótesis de fallo y el modo de operación del proceso, en el que son válidos los síntomas para detectar el fallo. Este marco permite la construcción de reglas lógicas a través de las cuales se puede aplicar el proceso de inferencia lógica para validar las hipótesis de fallo. [CAT] El present treball de tesi s'ha desenvolupat al voltant de la integració de tècniques per a la detecció precoç i diagnòstic de fallades en els processos industrials. S'ha considerat la seqüència de les alarmes d'una unitat de craqueig catalític fluïditzat i el seu ús en la detecció precoç i diagnòstic d'avaries. Els objectius específics s'enumeren en la primera part del document i es refereixen al procés de seguretat, fiabilitat de funcionament i gestió d'alarmes. L'objectiu d'aquesta tesi i el treball previ de recerca és augmentar la seguretat del procés i la confiabilitat operativa i disminuir el nombre d'alarmes que es presenten als operadors de plantes industrials, contribuint a la detecció adequada d'avaries i depuració d'alarmes. Primer vaig fer una revisió del estat de l'art per a la detecció i diagnosi de fallades i la seva integració, així com la recerca d'algorismes per analitzar seqüències d'alarmes. La seva aplicació posteriorment es mostra en un conjunt de dades associades a una planta de craqueig catalític fluïditzat, trobar la seqüència d'alarmes associades amb les fallades en qüestió. Llavors vaig parlar de les tècniques proposades per a la integració i del desenvolupament d'una eina de software intel·ligent per a la detecció i el diagnòstic de fallades, que ja està en funcionament a la refineria a Barrancabermeja (Colòmbia). Una metodologia clara es demostra que és capaç de trobar seqüències d'alarmes. Al final vaig arribar a algunes conclusions valuoses i detalle contribucions a l'estat de l'art en el camp de detecció i diagnosi de fallades. Durant el treball de recerca vaig estudiar la viabilitat d'utilitzar models intervalars per tractar amb incertesa. He fet descobriments significatius en aquest estudi i vaig concloure que l'ús de models (com la resposta davant d'esglaó) simplifica la complexitat de la construcció del model complet d'una unitat de craqueig catalític fluïditzat. S'ha utilitzat el control estadístic de processos (SPC) com una eina per detectar símptomes de fallades operacionals. Aquesta investigació desenvolupa i proposa el diccionari estès de fallades com una alternativa a la integració de diferents tècniques de detecció i diagnòstic de fallades. El diccionari estès de fallades és un marc lògic on els símptomes que pot detectar cada tècnica, juntament amb la hipòtesi de fallada i el mode de funcionament del procés que són vàlids per detectar es avaries. Aquest marc permet la construcció de regles lògiques a través de les quals es pot aplicar el procés d'inferència lògica per validar les hipòtesis de fallada.