Controle supervisório hierárquico de processos industriais modelados por abstrações sucessivas de sistemas a eventos discretos

Abstract

Nesta tese são desenvolvidas contribuições para o controle supervisório hierárquico de sistemas a eventos discretos (SEDs), viabilizando sua aplicação em processos industriais comandados por um circuito de componentes. Tais sistemas tipicamente possuem natureza contínua, combinada com uma dinâmica a eventos discretos complexa, relacionada a intertravamentos de segurança e outros requisitos lógicos sobre os componentes do processo. Inicialmente, são desenvolvidas estratégias de modelagem e de implementação visando a aplicação da teoria de controle supervisório a um processo industrial típico. Essas estratégias abrangem a preempção de eventos não controláveis, a interação entre supervisor e controle PID e a implementação em redes Foundation Fieldbus. Em seguida, tendo em vista a modelagem de circuitos de componentes de processos industriais, como diferentes tipos de válvulas industriais, com o objetivo de evitar o problema da explosão de estados, é desenvolvida uma estratégia de modelagem por abstrações sucessivas, empregando o controle supervisório hierárquico de sistemas a eventos discretos. A cada nível de abstração, os componentes são associados sucessivamente em série ou em paralelo, resultando em modelos abstratos equivalentes intermediários com estrutura isomórfica à de um componente individual, obtendo ao fim um único modelo equivalente que representa o comportamento do circuito. Neste contexto, mostra-se que, ao obter o modelo equivalente para um circuito contendo uma válvula de controle, a propriedade de observador do mapa repórter associado não é atingida, e que esse é um requisito apenas suficiente para garantir o não-bloqueio na estrutura hierárquica. Isto posto, com o intuito de flexibilizar a propriedade de observador, são formalizadas novas condições baseadas em eventos confiáveis e mostra-se que a elegibilidade desses eventos confiáveis em especificações controláveis no alto nível hierárquico passa a ser uma das condições para o não-bloqueio. Por fim, como resultado principal da tese, é formalizada a abordagem interníveis que permite o controle supervisório de um sistema formado por um processo industrial comandado por um modelo de válvula equivalente, mesmo com a sincronização de eventos reais e abstratos no alto nível, diferente dos resultados encontrados na literatura. Em conclusão, a abordagem proposta é aplicada a um exemplo prático de um processo industrial comandado por um circuito contendo uma válvula de controle em série com uma válvula de bloqueio, demonstrando a viabilidade dos métodos para modelagem e controle supervisório hierárquico ótimo e não bloqueante.

Abstract: This thesis presents contributions to the hierarchical supervisory control of discrete event systems (DES), aiming the application on industrial processes controlled by a circuit of components. This type of process typically exhibits a continuous dynamic, combined with a complex discrete event dynamic associated to safety interlocks and other logic requirements for the process components. Initially, modelling and implementation strategies are developed aiming the application of the supervisory control theory to a typical industrial process. These strategies address the preemption of uncontrollable events, the interaction between the supervisor and the PID control, and the implementation on Foundation Fieldbus systems. Later, considering the modelling of component circuits, such as different types of industrial valves, aiming to avoid the state explosion problem, a strategy of modelling by successive abstractions is proposed, employing the hierarchical supervisory control of discrete event systems. In each abstract level, the componets are associated successively in series or in parallel, resulting in intermediary equivalent abstract models, with a structure isomorphic to a single compenent, and finally in a single abstract equivalent model representing the entire circuit behavior. In this context, upon obtaining the equivalent model for a circuit containing a control valve, the observer property in the associated reporter map is not achieved, and this property is proved to be only sufficient for ensuring nonblocking in the hierarchical structure. Then, with the objective of weaken the observer property, new conditions based on reliable events are defined, and the eligibility of the reliable events on the high-level controllable specifications becomes one of the conditions to guarantee nonblocking. Finally, in order to deal with the synchronization of abstract events with real events at the high-level in this type of structure, the inter-level approach is proposed as the main result of the thesis. This approach allows the supervisory control of an industrial process controlled by an abstract equivalent model, even with the synchronization of abstract with real events, different of the results in the literature. In conclusion, a practical example is presented using the proposed approach in an industrial process controlled by a control valve in series with an on-off valve, showing the applicability of the methods for modeling and obtaining the nonblocking optimal hierarchical supervisory control.