Reducing the operating costs of chemical processes is very beneficial in decreasing a company's bottom line numbers. Since chemical processes are usually run in steady-state for long periods of time, saving a few dollars an hour can have significant long term effects. However, the complexity involved in most chemical processes from nonlinear dynamics makes them difficult processes to optimize. A nonlinear, open-loop unstable system, called the Tennessee Eastman Chemical Process Control Problem, is used as a test-bed problem for minimization routines. A decentralized controller is first developed that stabilizes the plant to set point changes and disturbances. Subsequently, a genetic algorithm calculates input parameters of the decentralized controller for minimum operating cost performance. Genetic algorithms use a directed search method based on the evolutionary principle of "survival of the fittest". They are powerful global optimization tools; however, they are typically computationally expensive and have long convergence times. To decrease the convergence time and avoid premature convergence to a local minimum solution, an auxiliary fuzzy logic controller was used to adapt the parameters of the genetic algorithm. The controller manipulates the input and output data through a set of linguistic IF-THEN rules to respond in a manner similar to human reasoning. The combination of a supervisory fuzzy controller and a genetic algorithm leads to near-optimum operating costs for a dynamically modeled chemical process. / Master of Science

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Plant-wide performance monitoring has generated a lot of interest in the control engineering community. The idea is to judge the performance of a plant as a whole rather than looking at performance of individual controllers. Data based methods are currently used to generate a variety of statistical performance indices to help us judge the performance of production units and control assets. However, so much information can often be overwhelming if it lacks precise information. Powerful computing and data storage capabilities have enabled industries to store huge amounts of data. Commercial performance monitoring softwares such as those available from many vendor companies such as Honeywell, Matrikon, ExperTune etc typically use this data to generate huge amounts of information. The problem of data overload has in this way turned into an information overload problem. This work focuses on developing methods that reconcile these various statistical measures of performance and generate useful diagnostic measures in order to optimize process performance of a unit/plant. These methods are also able to identify the relative importance of controllers in the way that they affect the performance of the unit/plant under consideration. / Process Control

[pt] A humanidade está vivenciando a Quarta Revolução Industrial, caracterizada pela implementação global da internet, utilização de inteligência artificial e automatização dos processos. Este último é de grande importância para indústria química, uma vez que seu desenvolvimento possibilitou um aumento significativo da quantidade de dados armazenados diariamente, o que gerou uma demanda para análise desses dados. Este enorme fluxo de informações tornou o sistema cada vez mais complexo com uma aleatoriedade de falhas no processo que se identificadas poderiam ajudar a melhorar o processo e evitar acidentes. Uma solução ainda pouco comum na indústria, porém com grande potencial para identificar estas falhas de processo com excelência, é a emergente inteligência artificial. Para lidar com esta questão, o presente trabalho realiza a detecção e identificação de falhas em processos industriais através da modelagem de redes neurais artificias. O banco de dados foi obtido através do uso do benchmark de processo Tennessee Eastman, implementado no Software Matlab 2017b, o qual foi projetado para simular uma planta química completa. A enorme quantidade de dados gerados pelo processo tornou possível a simulação em um contexto de Big Data. Para modelagem dos dados, foram tanto aplicadas redes neurais tradicionais feedforward, quanto redes recorrentes: Rede de Elman e Echo State Network. Os resultados apontaram que as redes feedforward e de Elman obtiveram melhores desempenhos analisados pelo coeficiente de determinação (R2). Assim, o primeiro modelo obteve melhor topologia com 37x60x70x1, algoritmo de treinamento trainlm, funções de ativação tansig para as duas camadas intermediárias e camada de saída ativada pela purelin com R2 de 88,69 por cento. O modelo da rede de Elman apresentou sua melhor topologia com 37x45x55x1, algoritmo de treinamento trainlm, funções de ativação tansig para as duas camadas intermediárias e camada de saída ativada pela função purelin com R2 de 83,63 por cento. Foi concluido que as redes analisadas podem ser usadas em controle preditivo de falhas em processos industriais, podendo ser aplicadas em plantas químicas no futuro. / [en] Humanity is experiencing the 4th Industrial Revolution, characterized by the global implementation of the internet, use of artificial intelligence and automation of processes. The last one is of great importance for the chemical industry, since its development allowed a significant increase in the amount of data stored daily, which generated a demand for the analysis of this data. This enormous flow of information made the system more and more complex with a randomness of process faults that if identified could help improve the process and prevent accidents. A solution not yet common in industry, but with great potential to identify these process faults with excellence, is the emergent artificial intelligence. To deal with this issue, the present work performs fault detection and diagnosis in industrial processes through artificial neural networks modeling. The database was obtained using the benchmark of processes Tennessee Eastman, implemented in Matlab 2017b Software, which is designed to simulate a complete chemical plant. The huge amount of data generated by the process made it possible to simulate in a Big Data context. For data modeling, were applied both traditional feedforward neural networks as well as recurrent networks: Elman Network and Echo State Network. The results indicated that the feedforward and Elman networks obtained better performances analyzed by the determination coefficient (R2). Thus, the first model obtained the best topology with 37x60x70x1, trainlm as training algorithm, tansig as activation functions for the two intermediate layers and output layer activated by the purelin function with R2 of 88.69 percent. The Elman network model presented its best topology with 37x45x55x1, trainlm as training algorithm, tansig as activation functions for the two intermediate layers and output layer activated by purelin function with R2 of 83.63 percent. It was concluded that the analyzed networks can be used in predictive control of fault in industrial processes and can be applied in chemical plants in the future.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-09-19T19:51:49Z No. of bitstreams: 1 DaniloCurveloDeSouza_TESE.pdf: 2406741 bytes, checksum: 3c85e2f4d8b969a73d53e67544840db1 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-09-20T19:36:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DaniloCurveloDeSouza_TESE.pdf: 2406741 bytes, checksum: 3c85e2f4d8b969a73d53e67544840db1 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-20T19:36:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DaniloCurveloDeSouza_TESE.pdf: 2406741 bytes, checksum: 3c85e2f4d8b969a73d53e67544840db1 (MD5) Previous issue date: 2017-06-23 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico (CNPq) / A presente tese apresenta uma t?cnica inovadora ? designada como sistema especialista baseado em regras ponderado por tend?ncias (SEBRPT) ? fundamentada na integra??o de duas ferramentas existentes na ?rea de intelig?ncia artificial, os sistemas especialistas (SE) e a an?lise qualitativa de tend?ncias (QTA). Um dos objetivos desta abordagem ? usufruir das principais vantagens associadas a cada uma das ferramentas utilizadas, tais como a facilidade de se representar o conhecimento atrav?s de regras e a capacidade de extrair o comportamento e as tend?ncias de um sinal cont?nuo. Esta metodologia tamb?m permite preencher uma lacuna entre m?todos puramente baseado em n?meros (quantitativos) e m?todos puramente simb?licos (qualitativos), permitindo assim uma obten??o de resultados a partir de um processo de infer?ncia baseado tanto nos valores exatos como nas tend?ncias de um determinado sinal. Dessa forma, a t?cnica abordada possibilita a extra??o de um "fator de certeza" associado a uma regra previamente modelada por um especialista, descartando assim a l?gica puramente booleana (verdadeiro/falso) adotada nos sistemas especialistas cl?ssicos. O m?todo proposto permite uma ado??o direta em ambientes industriais, especialmente na ?rea de automa??o inteligente. Seus principais recursos e caracter?sticas, com aplica??o no monitoramento de processos industriais, ser?o demonstrados por simula??es e resultados experimentais baseados no benchmark conhecido como o processo de Tennessee Eastman.

[pt] A indústria 4.0 impulsionou o desenvolvimento de novas tecnologias para atender as demandas atuais do mercado. Uma dessas novas tecnologias foi a incorporação de técnicas de inteligência computacional no cotidiano da indústria química. Neste âmbito, este trabalho avaliou o desempenho de controladores baseados em aprendizado por reforço em processos químicos industriais. A estratégia de controle interfere diretamente na segurança e no custo do processo. Quanto melhor for o desempenho dessa estrategia, menor será a produção de efluentes e o consumo de insumos e energia. Os algoritmos de aprendizado por reforço apresentaram excelentes resultados para o primeiro estudo de caso, o reator CSTR com a cinética de Van de Vusse. Entretanto, para implementação destes algoritmos na planta química do Tennessee Eastman Process mostrou-se que mais estudos são necessários. A fraca ou inexistente propriedade Markov, a alta dimensionalidade e as peculiaridades da planta foram fatores dificultadores para os controladores desenvolvidos obterem resultados satisfatórios. Foram avaliados para o estudo de caso 1, os algoritmos Q-Learning, Actor Critic TD, DQL, DDPG, SAC e TD3, e para o estudo de caso 2 foram avaliados os algoritmos CMA-ES, TRPO, PPO, DDPG, SAC e TD3. / [en] Industry 4.0 boosted the development of new technologies to meet current market demands. One of these new technologies was the incorporation of computational intelligence techniques into the daily life of the chemical industry. In this context, this present work evaluated the performance of controllers based on reinforcement learning in industrial chemical processes. The control strategy directly affects the safety and cost of the process. The better the performance of this strategy, the lower will be the production of effluents and the consumption of input and energy. The reinforcement learning algorithms showed excellent results for the first case study, the Van de Vusse s reactor. However, to implement these algorithms in the Tennessee Eastman Process chemical plant it was shown that more studies are needed. The weak Markov property, the high dimensionality and peculiarities of the plant were factors that made it difficult for the developed controllers to obtain satisfactory results. For case study 1, the algorithms Q-Learning, Actor Critic TD, DQL, DDPG, SAC and TD3 were evaluated, and for case study 2 the algorithms CMA-ES, TRPO, PPO, DDPG, SAC and TD3 were evaluated.