Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestion de los residuos solidos urbanos es la valorizacion energetica, es decir la incineracion con recuperacion de energia. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineracion para evitar en lo posible la liberacion de sustancias contaminantes a la atmosfera que puedan ocasionar problemas de contaminacion industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineracion como el tratamiento de los gases se realice en condiciones optimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan metodos adecuados de medida de las variables mas importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clasico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripcion cuantitativa y la necesidad de hacer los calculos en tiempo real. Esto solo se puede conseguir con la ayuda de las modernas tecnicas de proceso de datos y metodos informaticos, tales como el empleo de tecnicas de simulacion, modelos matematicos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la logica difusa aplicado al campo de la incineracion de residuos urbanos. En el centro de investigacion FZK de Karslruhe se estan desarrollando aplicaciones que combinan la logica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineracion de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicacion de un metodo de adquisicion de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situacion desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolacion de experiencias anteriores que puedan ser utiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipotesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos disenar un metodo analogo, que pueda ser implementado en un sistema informatico, mediante el empleo de tecnicas de Inteligencia Artificial.Asi, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan informacion suficientemente estructurada para que nos sea util. Para la adquisicion de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera seleccion de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar tecnicas de clasificacion (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representacion del estado de la planta. Es posible establecer una clasificacion, pero normalmente casi todos los datos estan en una sola clase, que corresponde a la operacion normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos metodos estadisticos clasicos para buscar correlaciones entre variables (analisis de componentes principales) y asi poder simplificar y reducir la lista de variables. - Analisis de las senales. Para analizar y clasificar las senales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar metodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso mas consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analiticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseno del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el metodo al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos solidos urbanos por valorizacion energetica. En primer lugar, en el capitulo 2 Los residuos solidos urbanos, se trata el problema global de la gestion de los residuos, dando una vision general de las diferentes alternativas existentes, y de la situacion nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problematica de la incineracion de los residuos, poniendo especial interes en aquellas caracteristicas de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustion.En el capitulo 3, Descripcion del proceso, se hace una descripcion general del proceso de incineracion y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepcion y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los codigos de buena practica de combustion, el sistema de aire de combustion y el sistema de humos. Se presentan tambien los distintos sistemas de depuracion de los gases de combustion, y finalmente el sistema de evacuacion de cenizas y escorias.El capitulo 4, La planta de tratamiento de residuos solidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentacion de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperacion de energia, y el sistema de depuracion de los gases de combustion Se describe tambien el sistema de control, la operacion, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentacion y las variables que son de interes para el control del proceso de combustion.En el capitulo 5, Tecnicas utilizadas, se proporciona una vision global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes tecnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificacion, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicacion.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representacion del conocimiento. A continuacion se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y logica difusa, y se realiza una comparacion entre ellas. Se presenta una aplicacion de las redes neuronales al analisis de series temporales de temperatura.Se trata tambien la problematica del analisis de los datos de operacion mediante tecnicas estadisticas y el empleo de tecnicas de clasificacion. Otro apartado esta dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusion de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseno asistido por ordenador para el diseno de sistemas de supervision CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de analisis para obtener informacion cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicacion de estas tecnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales caracteristicas de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que tambien forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capitulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicacion de las diferentes tecnicas, redes neuronales, clasificacion, el desarrollo de la modelizacion del proceso de combustion, y la generacion de reglas. Dentro del apartado de analisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificacion de una senal de temperatura. Tambien se describe la utilizacion del metodo LINNEO+ para la clasificacion de los estados de operacion de la planta.En el apartado dedicado a la modelizacion se desarrolla un modelo de combustion que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en regimen estacionario y dinamico. Se define un parametro, la superficie de llama, relacionado con la extension del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinamica del proceso de incineracion. Luego se pasa a la definicion de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboracion de un modelo cualitativo. A continuacion se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinamico analitico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generacion de reglas En el capitulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseno e implementacion. Se describen los objetivos basicos del sistema de control de la combustion, su configuracion y la implementacion en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capitulo anterior.Por ultimo para mostrar como pueden aplicarse los distintos metodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentacion de residuos.Finalmente en el capitulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.