Supervisión inteligente

Actualmente, la disponibilidad, fiabilidad, cualidad y seguridad de los sistemas (automóviles, aviones, trenes, etc.) y procesos tecnológicos complejos (redes de distribución y producción de energía, agua, etc.) se ha convertido en un requerimiento estratégico de la sociedad. Un incorrecto funcionamiento o un fallo en uno de sus componentes pueden provocar, entre otras, pérdidas económicas, peligro para los operarios, inconvenientes para los usuarios, contaminación ambiental. En este entorno entendemos por fallo cualquier cambio en el comportamiento de algún componente del sistema (desviación no permitida de alguna de sus propiedades o parámetros característicos) de manera que esté ya no puede satisfacer la función para la cual ha sido diseñado.

Con el objetivo de aumentar la fiabilidad, seguridad y disponibilidad de sistemas y procesos tecnológicos el CER CS²AC-UPC trabaja en desarrollar metodologías y herramientas de supervisión inteligente que permitan:

La mayoría de sistemas y procesos tecnológicos complejos están sometidos a una serie de requerimientos:

Deben funcionar de forma continuada en periodos largos de tiempo y con la mínima intervención de los operadores;
El coste derivado de las averías y problemas de mantenimiento debe ser pequeño;
Deben ser supervisados por operarios poco preparados y poco especializados y controladas de forma remota, ya que estas plantas se instalan en una gran diversidad de países.

Para cumplir estos requerimientos es necesario desarrollar sistemas de supervisión y monitorización inteligente que permitan:

Observar continuamente las condiciones de trabajo de los sistemas o procesos.
Detectar con prontitud el inicio de una avería o problema.
Y, una vez detectado un problema, realizar con prontitud y de forma fiable el diagnóstico (causa).

A nivel mundial nos encontramos con distintos colectivos que trabajan con el objetivo de dar respuesta a este reto. El grupo SAC forma parte de algunos de estos colectivos que periódicamente se reúnen para compartir y discutir las ventajas e inconvenientes de las diferentes soluciones aportadas.

Más concretamente, la investigación realizada en el CER CS²AC-UPC en este ámbito consiste en:

Desarrollar modelos representativos del comportamiento de los sistemas o procesos capaces de discernir entre un comportamiento normal i un comportamiento averiado;
Definir estrategias basadas en modelos que permitan localizar dichos fallos;
Caracterizar el grado de diagnosticabilidad de un sistema o proceso a partir de las variables medidas.

Una forma de aumentar la fiabilidad y seguridad de los procesos automatizados consiste en dotarlos de mecanismos de tolerancia. Por ello existe una creciente necesidad e interés en el desarrollo de sistemas de control que permita operar de manera aceptable y segura incluso después de la aparición de un fallo y que sea capaz de parar el proceso antes de que se originen daños irreparables en el mismo o en su entorno. A este tipo de sistemas de control se les denomina tolerantes a fallos.

La tolerancia a fallos se entiende como la capacidad de un sistema de control por mantener los objetivos de control incluso con la presencia de un fallo, admitiendo una cierta degradación en sus prestaciones.

En particular, el control tolerante (activo) consiste en disponer de un sistema de diagnóstico de fallos que, en tiempo real, puedan informar sobre la aparición de una avería a un sistema supervisor para que se activen alguno mecanismo de acción correctora. En particular el sistema de diagnóstico debería de determinar el componente averiado, el tipo de avería, su amplitud y el instante de aparición y, a partir de esta información, el sistema supervisor activa algún mecanismo de acomodación al mismo o de reconfiguración del control o, dependiendo de la gravedad, sea capaz de parar el sistema.

Otra forma de aumentar la fiabilidad, mejorar la disponibilidad de las máquinas y reducir costos asociados a las paradas no deseadas, debido a fallos en alguno de los componentes, consiste en implementar estrategias de mantenimiento predictivo que tiene como objetivo minimizar la aparición de averías mediante la planificación de tareas de mantenimiento. Eso se consigue realizando un seguimiento del envejecimiento del sistema (averías incipientes) y estimando la vida útil de los componentes del proceso. Los sistemas informáticos de supervisión que incorporan mantenimiento predictivo asociado a las tareas de diagnóstico se les denomina monitorización de la salud del sistema (SHM).

El CER CS²AC-UPC está trabajando en el desarrollo de herramientas que integren el diagnóstico, el pronóstico y el control con el objetivo de conseguir mejoras en la disponibilidad, fiabilidad, cualidad y seguridad de los sistemas. Una de las primeras estrategias implementadas se muestra en la siguiente figura.

Estas técnicas se están aplicando a una gran diversidad de procesos reales y de laboratorio como: aerogeneradores, UAVs, turbinas de gas, redes de distribución de agua, ascensores, pilas de combustible, ....

Diagnosticar en tiempo real el estado de los sistemas automatizados

Mejorar el sistema de control introduciendo estrategias de tolerancia a fallos

Incorporar estrategias de mantenimiento predictivo que permitan estimar la vida útil restante del sistema y poder planificar las tareas de mantenimiento con antelación a la aparición del los fallos