A design procedure for a supervisory control structure in plantwide control

Abstract

Abstract: This work presents a methodology for designing a supervisory control structure in Plant-wide Control (PWC). First, available PWC structures are discussed focusing on their drawbacks originated from the scarce flexibility and simplicity when implementing them in industrial environments. Additionally, the available control strategies involve decoupling of the process, losing all interactions information and therefore requiring more complex models inside the control structure to account for interactions among units. To overcome this, a hierarchical approach to PWC is proposed, introducing a two–layer control structure where dynamics on the regulatory layer are classified by hierarchical association considering that process dynamics and their set–points are optimized on the supervisory layer to achieve collaboration among Proportional–Integral–Derivative (PID) controllers in the regulatory layer. A dynamics hierarchy is established by means of the process Hankel matrix that quantifies the effect of all input variables over each state variable of the plant. Finally, the proposed methodology is applied to a Reactor–Separator–Recycle system for propylene glycol production, where a better process performance is reached using the hierarchical approach in comparison with the decentralized proposal.

Resumen: Este trabajo presenta una metodología de diseño para estructuras de control supervisorio en control total de planta (CTP). Primero se discuten las estructuras de CTP resaltando sus limitaciones, como baja flexibilidad y simplicidad para su implementación industrial. Adicionalmente, estas estructuras involucran el desacople de las dinámicas del proceso, perdiendo la información sobre las interacciones del mismo y por ende, requiriendo modelos más complejos dentro de la estructura para dar cuenta de estas interacciones. Para superar estas limitaciones, se propone una estructura de control jerárquica, introduciendo una estructura de control con dos niveles, en la que las dinámicas en el nivel regulatorio son clasificadas jerárquicamente considerando el comportamiento dinámico del proceso y sus puntos de ajuste son optimizados en el nivel supervisorio alcanzando un esquema colaborativo entre los controladores Proporcional–Integral–Derivativo (PID) del nivel regulatorio. La jerarquía de dinámicas en el nivel regulatorio se establece por medio de la matriz de Hankel del proceso, que cuantifica el efecto de toda las variables de entrada sobre cada estado del proceso. Finalmente, la metodología propuesta se aplica para controlar un sistema Reactor– Separador–Reciclo para producción de propilenglicol, logrando unmejor desempeño usando la estructura jerárquica comparado con una estructura decentralizada.