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Cement Rotary Kiln Model Using Fractional Identification

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This paper proposes the fractional order model of a cement rotatory kiln. The model consists of two parts: static and dynamic. The static part depends on the energy balance and the way how the heat is distributed around the whole process. The dynamic part is obtained through the fractional method of identification, and it shows how the process responds to changes in the input variables. The input of the dynamic model is the output of the static one. The model is validated using data from a real plant, two statistical methods: boxes and whiskers, and statistical metrics normalized by fuzzy functions.
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Cement Rotary Kiln Model Using Fractional
Identification
O. Hernández, P. Ortiz and J. Herrera
Abstract— This paper proposes the fractional order model of a
cement rotatory kiln. The model consists of two parts: static and
dynamic. The static part depends on the energy balance and the way
how the heat is distributed around the whole process. The dynamic
part is obtained through the fractional method of identification, and it
shows how the process responds to changes in the input variables. The
input of the dynamic model is the output of the static one. The model is
validated using data from a real plant, two statistical methods: boxes
and whiskers, and statistical metrics normalized by fuzzy functions.
Keywords— Component, Rotatory kiln, fractional model, MISO
system.
I. INTRODUCCIÓN
A UTILIZACIÓN de hornos rotatorios en la industria
del cemento data desde 1873, año en el cual fue
inventado dicho equipo, aunque sólo fue patentado por
Thomas Edison en 1909. El horno rotatorio es el equipo
principal en la fabricación de cemento y el que más energía
toma en todo el proceso [1]; por tal razón se le instalan una
gran cantidad de instrumentos y controladores para
automatizar su operación y facilitar las decisiones de control
del operador. Los avances en los sistemas de control
industrial, como los Controladores Lógicos Programables
(PLC), los Sistemas de Control Distribuido (DCS), los
desarrollos en redes de comunicación y el aumento de las
capacidades de los equipos de almacenamiento han facilitado
la captura y almacenamiento en bases de datos de las
variables del proceso de clinkerización [2] [3] [4].
Modelar un horno rotatorio no es una tarea fácil por ser un
proceso de parámetros distribuidos, no lineales, variantes en
el tiempo y fuertemente acoplados. En las últimas dos
décadas se han usado métodos de control avanzado e
inteligencia artificial para tratar de modelar y controlar el
horno; las técnicas más utilizadas son: redes neuronales, las
cuales permiten simular y controlar el proceso como
sistemas MIMO [1]. Otra técnica usada es lógica difusa [2],
la cual se acerca más a los conceptos cualitativos que maneja
el operador de planta. Una técnica que se ha implementado
es el diseño de sistemas expertos, los cuales toman como
punto de partida la experiencia de los operadores de planta y
las ventajas que brinda el sistema de control de la planta [3].
En Los últimos años se han usado combinaciones de varias
de estas técnicas con herramientas clásicas como PID o
máquinas de soporte vectorial para mejorar la robustez y el
desempeño de los sistemas de control, es el caso de los
trabajos de [4]. Este trabajo presenta un modelo con
estructura MISO de comportamiento fraccionario para un
horno rotatorio.
En este trabajo se propone un marco para modelar un horno
rotatorio de cemento. El marco se compone de dos partes: i)
Parte estática, que se obtiene utilizando un balance de
energía, en el cual se toman todas las variables medidas del
proceso y las entregadas por los análisis de laboratorio. ii)
Parte dinámica, la cual se obtiene a partir de la salida del
sistema estático, este se toma para hacer una identificación
de orden fraccionaria para determinar el comportamiento
dinámico del proceso. La unión de estas dos partes da el
modelo completo del proceso. Adicionalmente, se verifica la
validez del modelo comparando el comportamiento real del
proceso con los resultados entregados por el modelo, para tal
validación se utilizan dos técnicas estadísticas: diagramas de
cajas y bigotes y una técnica utilizada en modelos de tipo
ambiental, la cual es una combinación de ocho métricas
estadísticas relacionadas por una función borrosa.
El trabajo está organizado de la siguiente manera: en la
sección se describe el proceso de clinkerización, en la
sección 3 se presenta el diseño del modelo, esta sección se
divide en 3.1 donde se presenta el diseño de la parte estática,
en 3.2 se presenta la validación de la parte estática y en 3.3
la identificación y validación de la parte dinámica de orden
fraccional. Por ultimo en la sección 4 se presentan las
conclusiones.
II. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE
CLINKERIZACIÓN
El cemento es un producto compuesto por tres materiales
principales: regulador de fraguado (yeso o anhidrita),
adiciones (caliza, puzolana o escoria) y clinker. El clinker es
un producto formado por silicatos de calcio obtenidos a
partir de la fusión parcial de una mezcla homogénea de
materiales que contienen CaO, SiO2, Al2O3 y Fe
2O3. El
proceso de clinkerización (formación del Clinker) se lleva a
cabo en un horno rotatorio, con una inclinación del 5%. El
horno se alimenta con material homogeneizado por el
extremo superior, y tiene un quemador de combustible en el
extremo inferior, tal como se muestra en la Fig. 1. El
material hace el recorrido al interior del horno y a medida
que se acerca al quemador se presenta un incremento de
temperatura que permite las reacciones químicas requeridas
para obtener Clinker en el extremo inferior del horno.
L
O. Hernández, Cementos Argos S.A, ohernandez@argos.com.co
P. Ortiz, Grupo Automática, Electrónica y Ciencias Computacionales,
Instituto Tecnológico Metropolitano, paulaortiz@itm.edu.co
J. Herrera, Grupo Automática, Electrónica y Ciencias Computacionales,
Instituto Tecnológico Metropolitano, jorgeherrera@itm.edu.co
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 12, NO. 2, MARCH 2014 87
Figura 1. Horno rotatorio de cemento.
En la industria del cemento se distinguen cuatro tipos de
procesos productivos según las características del material
que se alimente al horno: Proceso vía húmeda, en este el
material se alimenta con humedad de 30 a 40%. Proceso vía
semi-húmeda, la humedad es del 20%. Proceso vía semi-
seca, la humedad está entre 10 y 15%. Proceso seco, la
humedad es inferior al 1%. El consumo específico de calor
para cada uno de estos procesos varía según la Tabla 1.
TABLA
I.
C
ONSUMO ESPECIFICO DE CALOR SEGÚN EL TIPO DE PROCESO
.
Tipo de proceso Consumo de calor(Kcal/kg)
Vía húmeda 1800-2200
Vía semi-húmeda 1600
Vía semi-seca 1300
Vía seca 1000
El Clinker para cada uno de estos procesos tiene unas
características particulares que diferencian los métodos de
fabricación y los consumos específicos de calor; los datos de la
Tabla 1 corresponden a Clinker para fabricación de cemento
blanco. Para el caso del cemento gris el consumo especifico
está entre 1250 y 1400 kcal/kg de Clinker por vía húmeda. Otra
de las diferencias importantes en la fabricación de cemento
blanco y gris es la forma como se enfría el Clinker. El Clinker
para gris se enfría con aire y permite recuperar calor para
mejorar la entalpia del aire de combustión, mientras que el
Clinker para blanco se enfría con agua y la recuperación de
calor es más difícil porque es vapor de agua el resultado del
enfriamiento y su incorporación al proceso no es fácil.
Figura 2. Esquema general del modelo estático.
III. MODELO PROPUESTO
El modelo propuesto para un horno rotatorio tiene dos partes.
La primera parte utiliza un balance de energía, en el cual se
toman todas las variables medidas del proceso y las
entregadas por los análisis de laboratorio para obtener un
sistema MISO, el cual se ha denominado parte estática. La
salida del sistema MISO se toma para hacer una
identificación de orden fraccionaria para determinar el
comportamiento del proceso ante variaciones de sus
variables en el tiempo, esta parte se ha llamado dinámica. La
unión de estas dos partes da el modelo completo del proceso.
Estos dos modelos se explican a continuación.
A. Parte Estática
Para modelar el proceso de combustión se utiliza el principio
de la temperatura adiabática de llama y el factor de
utilización de calor expuesto en [5].
La Fig. 2 muestra el esquema general propuesto para
determinar el modelo estático del proceso de clinkerización,
el cual está basado en las leyes de la termodinámica clásica.
Se aprecia el calor disponible por la transformación del
combustible en el quemador del proceso y las diferentes
etapas en las cuales se emplea dicho calor, como la
transformación de la materia prima en Clinker, la
evaporación de agua y las pérdidas de calor en la coraza del
horno. Este balance da como resultado el calor que sobra en
el proceso y que se refleja en la temperatura de los gases de
salida del horno.
El desarrollo de cada uno de los bloques observados en la
Fig. 2, se realiza desglosando la Ecuación (1), la cual
describe el comportamiento del calor generado por la
combustión, en términos del poder calorífico inferior del
combustible, las entalpias del combustible y el aire de
combustión, la energía para la formación del clinker, las
pérdidas por radiación y convección, y la energía para
evaporar agua.

 =
+

+

−

−

−

(1)
donde, 
 es el cambio de temperatura de los gases de salida,
es el calor de combustión o llama,  es el calor propio
aportado por el combustible,  es el calor propio aportado
por el aire de combustión,  es el calor de formación de
clinker,  es el calor de radiación y convección, es el
calor para evaporar agua, es la masa de los gases de
combustión y  es la capacidad calórica de los gases de
combustión.
Validación de la parte estática
Para validar el modelo se emplearon los datos de tres
campañas diferentes del horno, de los años 2010, 2011 y 2012.
Los datos son tomados del sistema de control de un horno
rotatorio de cemento blanco, propiedad de Cementos Argos
S.A., utilizando Ole Process Control (OPC), al cual se le
configura el tiempo de muestreo de un minuto. El esquema del
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sistema de control y su proceso de adquisición de datos se
muestra en Fig. 3.
Se utiliza una medida estadística gráfica, como los gráficos de
cajas y bigotes, para determinar la calidad de los resultados
obtenidos, en ellos se aprecia como las medianas y los
extremos de las cajas disminuyen para los datos del modelo
con respecto a los datos reales del proceso. Además se observa
el acercamiento entre las medianas y los bigotes del modelo
con respecto a los de la medida real. De esta manera se
obtiene una idea del comportamiento de los datos del modelo
con respecto a los datos de la medida real.
Figura 3. Sistema de control y servidor OPC.
Para medir cuantitativamente el desempeño del modelo se
utiliza el método citado en [6], el cual consiste en medir ocho
métricas estadísticas, las cuales se relacionan entre por una
función de tipo borroso. Las métricas utilizadas son
Fractional Bias (FB), Normalized Mean Square Error
(NMSE), Geometric Mean (MG), Geometric Variance (VG),
FAC2, Index of Agreement (IOA), Unpaired Accuracy of
Peak (UPAC2), Relative Error Mean (MRE). La forma como
se calculan y se determinan los intervalos para las funciones
borrosas se muestran en la Tabla 2. En dicha tabla los datos
Co corresponden a los valores observados del proceso y los
Cp a los pronosticados por el modelo. El termino ND
corresponde al número de datos tomados para Co y Cp.
Para calcular el índice de desempeño se aplica la Ecuación 23,
en la cual se da un peso a cada una de las reglas difusas de
cada una de las métricas mencionadas anteriormente.
 = 8.5 +5.5
+6
+5

+2.5
(2)
Donde, ID es el índice de desempeño del modelo frente a los
datos medidos,  es el número de métricas con cualidad
Muy bien (MB), es el número de métricas con cualidad
Bien (B), es el número de métricas con cualidad Regular,
es el número de métricas con cualidad Mal (M) y  es
el número de métricas con cualidad Muy mal (MM).
El método es consistente en cuanto al desempeño por la
naturaleza probabilística de las métricas empleadas.
Para el modelo se tomó el oxígeno como constante, con esta
condición, en las Figuras 4, 5 y 6 se observan las señales
obtenidas a partir del modelo y la señal real de la temperatura
de salida de los gases para los datos de las campañas de
operación mencionadas anteriormente.
TABLA II. RANGOS de MEDIDAS ESTADÍSTICAS.
Ecuación Rangos Regla
difusa

=
−
. (
+
)
-0.3<FB<0.3
1<FB<1.2
-1.2<FB<-1
FB>1.33 ó FB<-1.33
MB
B
M
MM
 = (

)
0.7<MG<1.3
3<MG<4
0.25<MG<0.33
MG>5 ó MG<0.2
MB
B
M
MM
 =
−
NMSE<4
9<NMSE<16
25<NMSE
MB
R
MM

=(
−
)
VG<1.6
3.34<VG<6.82
12<VG
MB
R
MM
 = .
.

0.5<FAC2
0.3<FAC2<0.4
FAC2<0.2
Good
Fair
Poor

=,
, %
-0.2<UAPC2<0.2
0.67<UAPC2<0.75
-3<UAPC2<-2
UAPC2>0.8 ó
UAPC2<-4
MB
B
M
MM
IOA=Índice de
correlación
IOA>0.75
0.3< IOA <0.5
IOA <0.2
MB
R
MM

=
 −
||


-0.15<MRE<0.15
0.67<UAPC2<0.75
-3<UAPC2<-2
UAPC2>0.8 ó
UAPC2<-4
MB
B
M
MM
Los diagramas de cajas y bigotes de las Figuras 7, 8 y 9
muestran como las medianas de las señales del modelo se
acercan a las medianas de las señales reales. Los bigotes son
más amplios en la variable real que en la variable del modelo,
debido al ruido presente en el sensor de temperatura del
proceso.
Los valores por fuera de los bigotes son valores atípicos que
no son repetitivos en el modelo, estos están asociados a los
valores iniciales de las variables; estos valores no se
descartaron para el cálculo de las métricas estadísticas porque
la cantidad de valores atípicos es muy pequeña en
comparación con la cantidad de datos totales tomados del
proceso.
Los índices de desempeño medidos con el método de las ocho
métricas estadísticas de la Tabla 2, para las campañas de
validación se muestran en la Tabla 3. Se observa que los
HERNÁNDEZ et al.: CEMENT ROTARY KILN MODEL USING 89
índices de desempeño son mayores a 92.5, y la métrica que da
un resultado Muy Malo o Regular es el índice de correlación
IOA, el cual muestra el efecto del ruido asociado a los
sensores empleados en el proceso y a la variación introducida
por las perturbaciones propias del proceso como la
composición química de la pasta, la calidad del combustible y
los cambios en las condiciones ambientales.
Figura 4. Señal Real y Señal Modelo (Operación 2010).
Figura 5. Señal Real y Señal Modelo (Operación 2011).
Figura 6. Señal Real y Señal Modelo (Operación 2012).
Figura 7. Cajas y bigotes de 2010.
Figura 8. Cajas y bigotes de 2011.
Figura 9. Cajas y bigotes de 2012.
Tabla III. Desempeño del modelo para las tres campañas.
2010 2011 2012
FB FB FB
-0.01414 G -0.018366 G -0.003518 G
NMSE NMSE NMSE
0.002773 G 0.004102 G 0.003726 G
MG MG MG
0.985309 G 0.980789 G 0.995444 G
VG VG VG
1.002901 G 1.004271 G 1.003936 G
FAC2 FAC2 FAC2
0.961038 G 1 G 1 G
IOA IOA IOA
0.095442 P 0.059362 P 0.219172 F
UAPC2 UAPC2 UAPC2
0.069 G 0.09 G 0.073 G
MRE MRE MRE
-0.01625 G -0.021534 G -0.006501 G
ID ID ID
92.5 92.5 96.25
B. Identificación de la parte dinámica de orden
fraccional
El trabajo expuesto anteriormente se realizó para encontrar el
modelo estático del proceso, el cual presenta un
comportamiento similar al proceso real. El modelo estático
sirve como soporte para encontrar el modelo dinámico, pues a
050 100 150 200 250 300 350
0
50
100
150
200
250
300
Tiempo (min)
Temperatura (° C)
Real y Modelo (2010)
Real
Modelo
050 100 150 200 250 300
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Real y Modelo (2011)
Tiempo (min)
Temperatura (° C)
Real
Modelo
050 100 150 200 250 300
0
50
100
150
200
250
300
Tiempo (min)
Temperatura (° C)
Real y Model0 (2012)
Real
Modelo
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
1 2
Real Modelo
Temperatura (° C)
Real y Modelo (2010)
200
220
240
260
280
300
1 2
Real Mode lo
Temperatura (° C)
Real y Model (2011)
0.5 11.5 22.5
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
Real Mode lo
Temperatura (° C)
Real y Modelo (2012)
12
90 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 12, NO. 2, MARCH 2014
partir de las variables de entrada, la variable de salida del
modelo estático y la variable real de salida, se realiza la
identificación para hallar el modelo de orden fraccionario
dinámico. El modelo dinámico representa el comportamiento
del proceso ante variaciones de sus variables de entrada en el
dominio del tiempo o de la frecuencia. Para hallar el modelo
de orden fraccionario dinámico se utilizó la teoría expuesta en
[7] para sistemas de orden conmensurado y racional. Los
datos empleados son tomados de un calentamiento del horno,
donde la dinámica del sistema queda determinada por la
variación de las variables de entrada (ratas de combustible,
rata de pasta y rata de agua) y su incidencia en la variable de
salida (temperatura de los gases de salida). Con los datos
obtenidos del modelo y los datos reales de la variable de salida
se hace la identificación de un sistema de orden fraccionario.
Se hallan varios modelos de orden conmensurado uno y dos; y
se hacen las respectivas validaciones con los métodos
estadísticos expuestos anteriormente. La parte fraccionaria
obtenida tiene la forma que se muestra en la Ecuación 3.
 =
+ , 0 <  < 2 (3)
El operador utilizado es Grunwald-Letnikov porque la
identificación se realiza en el dominio del tiempo y utilizando
el comando ‘fotfid’ del toolbox FOMCON.
Tabla IV. Modelos fraccionarios obtenidos.
Modelos fraccionarios obtenidos Desempeño
.
. . . 96.25
.
. . +. 96.25
.
.  ∗ . +. 92.5
.
.  ∗ .
+
. 92.5
.
. .
+
. 92.5
.
.  ∗ . +. 92.5
.
. .
+
. 92.5
.
.  ∗ .
+
. 92.5
.
.  ∗ . +. 92.5
.
. .
+
. .
+
. 96.25
.
. .
+
. .
+
. 96.25
.
. . +.∗.+. 92.5
.
. . +. . +. 96.25
.
. +.∗. +. 82.5
Se realizó la identificación para varios exponentes
fraccionarios y se hizo la verificación llevando la función de
transferencia de los modelos resultantes al modelo estático y
simulando en SIMULINK. El desempeño de cada uno de los
modelos se calculó con la herramienta de las métricas
estadísticas utilizada anteriormente para verificar el modelo
estático. Los resultados para los modelos obtenidos se
muestran en la Tabla 4.
Los modelos conmensurados de orden uno y dos y orden
fraccional 0.1 y 0.2 tienen índices de desempeño de 96.25,
igual que el conmensurado de orden dos y orden fraccionario
0.4. En la Fig. 10 se muestra la señal de los modelos con
ID=96.25 respecto a la señal de la temperatura real.
Figura 10. Señal real y Señal modelos fraccionarios con ID=96.25.
IV. CONCLUSIONES
En este trabajo se propuso un marco para modelar el sistema
de combustión de un horno rotatorio de cemento a partir de un
balance de energía. Los métodos empleados para medir el
desempeño del modelo fueron los diagramas de cajas y
bigotes y un método de ocho métricas estadísticas
relacionadas por una función difusa. Los resultados malos en
algunas métricas estadísticas se deben al error introducido en
el modelo al tomar variables como el oxígeno, la temperatura
ambiente, la temperatura de la coraza del horno, la humedad
de la pasta y el poder calorífico del combustible como
constantes. El modelo se completó haciendo una identificación
del sistema de orden fraccional conmensurado y racional. Para
seleccionar los modelos adecuados se midió el desempeño con
las métricas estadísticas empleadas para la parte estática,
obteniendo el modelo completo del proceso con
comportamiento fraccional.
El número de modelos con índice de desempeño alto (96.25)
fueron seis y podrían ser más, pero el criterio para seleccionar
uno de ellos depende de factores determinados por el
diseñador del sistema, tales como el conocimiento previo del
proceso y la simplicidad para la posible implementación en
un proceso real. En trabajos futuros se utilizará uno de los
modelos de índice de desempeño alto para diseñar un control
fraccional robusto o predictivo para todo el proceso que
permita controlar mejor variables críticas como la rata de
carbón, la rata de pasta y la rata de agua de enfriamiento; y por
ende mejorar índices financieros, ambientales y de seguridad
de la planta de cemento.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece a Cementos Argos S.A. por permitir el uso de los datos del
proceso de clinkerización de la Planta de Puerto Nare y al ingeniero John
Quiroz por sus valiosos aportes técnicos para el desarrollo de este trabajo. Se
reconoce el apoyo brindado por el Instituto Tecnológico Metropolitano y su
Grupo de Investigación de Automatización y Electrónica al proyecto
PM12104.
0100 200 300 400 500 600 700 800 900
0
50
100
150
200
250
300
Tiempo (min)
Temperatura ° C
Modelo ID=96.25
Real
Conm 1 F rac 0.1
Conm 1 F rac 0.2
Conm 2 F rac 0.1
Conm 2 F rac 0.2
Conm 2 F rac 0.4
HERNÁNDEZ et al.: CEMENT ROTARY KILN MODEL USING 91
REFERENCIAS
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Omar Hernández Se grad como ingeniero electrónico en
la Universidad de Antioquia, en 1995. Actualmente se
desempeña como ingeniero de mantenimiento en Cementos
Argos S.A. Magister en Automatización y Control Industrial
en el Instituto Tecnológico Metropolitano de Medellín. Entre
sus líneas activas de investigación se encuentra el
modelamiento control de sistemas de orden fraccional.
Paula Ortiz Ingeniera en instrumentación y control en el
Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. 1999. Magister
en Ingeniería área automática de la Universidad Pontificia
Bolivariana. 2008. Docente asistente del ITM. Actualmente se
encuentra estudiando el doctorado en Ingeniería en la
Universidad Nacional de Colombia. Entre sus líneas de
investigación se encuentra el control fraccional y el control no-lineal.
Jorge Herrera se graduó como ingeniero electrónico en la
Universidad del Quindío, en 2004. Doctor en Informática
Industrial y técnicas avanzadas de producción por la
Universidad Autónoma de Barcelona. Actualmente es
docente investigador en el Instituto Tecnológico
Metropolitano. Entre sus líneas activas de investigación se
encuentra la identificación paramétrica y el control adaptable.
92 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 12, NO. 2, MARCH 2014
... El material realiza el recorrido al interior del horno y a medida que se acerca al quemador su temperatura aumenta, permitiendo las reacciones químicas requeridas para obtener clínker en el extremo inferior del horno. En la industria del cemento se distinguen cuatro tipos de procesos productivos, según las propiedades de los materiales que se utilicen: proceso vía húmeda: en este el material se alimenta con una humedad del 30 % a 40 %; proceso vía semihúmeda: la humedad es del 20 %; proceso vía semiseca: la humedad está entre 10 % y 15 %: y proceso seco: la humedad es inferior al 1 % [5]. ...
... Debido a su estructura y funcionamiento, este tipo de sistemas aportan emisiones de CO2 al ambiente en gran cantidad, siendo el horno el principal componente donde se da la calcinación. En vista a la necesidad energética y calórica del proceso, es necesario medir el aporte de las emisiones que se dan para poder controlarlas, ya que en la clinkerización se consume el 80 % de la energía térmica de una planta cementera [5]. ...
... Proceso de clinkerización. Fuente: basado en[5]. ...
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Este artículo presenta una revisión de investigaciones realizadas mediante diferentes estrategias de control aplicadas en hornos cementeros rotatorios, sistema donde se da la fabricación de clínker, material indispensable para la elaboración del cemento. Esta exploración menciona estudios que se han desarrollado desde los años ochenta hasta el presente, destacando en cada una la metodología de control utilizada, los beneficios obtenidos en el proceso y sus futuras aplicaciones, esto con el fin de brindar al lector una visión global del uso de técnicas de control para hornos cementeros rotatorios y de cómo los avances científicos, con el paso de los años, han contribuido a esta industria en la eficiencia y mejora de sus procesos productivos; por tanto, se mencionan aportes y métodos de control como sistemas expertos (SE), control predictivo basado en modelo (MPC), redes neuronales artificiales y lógica difusa. Al finalizar la mencionada revisión se infiere que tecnologías de inteligencia artificial y de la industria 4.0 que se tienen actualmente como la computación en la nube, el procesamiento de grandes volúmenes de datos, el uso de los gemelos digitales, la ejecución de algoritmos de aprendizaje automático (machine learning) y sus herramientas de predicción, junto con la aplicación de SE y demás técnicas de control mencionadas, permitirían realizar un control avanzado, que pueda responder de forma satisfactoria a las necesidades de producción actuales y ofrecer múltiples beneficios como el tiempo de respuesta del control, la estabilidad, y mejoras en producción y calidad del material en un horno rotatorio.
... However, the use of this thermal aggregate did not become widespread until the first decade of the 20th century when Thomas Edison filed a patent allowing large-scale reproduction. With the tremendous technological advances of that century, rotary kilns underwent significant modifications in their mechanical and electrical components, automation, and types of fuels Hernandez, Ortiz and Herrera (2014), gradually improving their operability, control, and energy efficiency, among others. Despite these constant advances, these kilns are responsible for approximately 30 percent of the production cost and 65 percent of the energy use in the aggregate and cement clinker industry (Zanoli;Pepe;Rocchi, 2016). ...
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This paper presents a comprehensive system of mathematical models to describe, simulate, and optimize the operational and energetic aspects of rotary furnaces within the cement industry. To achieve this, we delve into the interaction between the furnace and other aggregates within the plant. We define the key variables governing the furnace’s operation through a meticulous analysis. Leveraging the power of genetic algorithms, we successfully validate the model’s performance under static and dynamic operational conditions. A pivotal aspect of our approach involves considering the behavior of combustion gases as analogous to a piston flow system. This consideration enhances our understanding of the complex processes occurring within the furnace. Furthermore, we establish shutdown criteria based on predetermined values obtained from the Case study facility: TR (Total Runtime) of 47 minutes, GT (Gas Temperature) at 97 percent, and ℵ (Agitation Speed) at 35 percent. These predefined values align with the desired outcomes of our objective function (Z). Through integrating and implementing our findings, a promising avenue emerges for improving the final product’s fuel consumption rate and quality. By concurrently addressing the plants and furnaces efficiency indicators, we set the stage for a more sustainable and productive operation in the cement industry.
... En esta industria, el horno rotatorio de cemento constituye el equipo principal de su proceso productivo [4], [5]. Actualmente, debido al continuo aumento en la demanda de cemento, así como a las estrictas medidas de protección del medio ambiente, los hornos rotatorios de cemento de menor eficiencia energética, como por ejemplo los hornos rotatorios vía húmeda y/o vía semi-húmeda, están siendo remplazados por hornos rotatorios vía seca con precalentador de ciclones y precalcinador, los cuales mejoran la calidad del clinker y aumentan la eficiencia térmica [6]- [9]. El precalentador consiste en una torre vertical que contiene una serie de ciclones con un sistema de combustión auxiliar (precalcinador) ubicado en la parte inferior de la torre de precalentamiento para aumentar la temperatura de la harina cruda antes de introducirla en el horno rotatorio [10]. ...
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This paper proposes the design of a state feedback Smith predictor controller (SFC-SP) for the effective temperature control in a precalciner of a cement rotary kiln. The dynamic model of this process is obtained from real-time data by applying a system identification procedure. This identification procedure yields a fourth order with dominant time delay transfer function. A state feedback controller combined with a Smith predictor is therefore designed which behaves effectively. Simulated results compare the performance of the proposed controller with a standard PID controller. Two performance indexes have been used in this comparison: the integral absolute error (IAE), and the control effort (EU). Simulations show that the proposed controller provides lower values of these indexes and, therefore, outperforms the standard PID controller in terms of performance and accuracy.
... El control automático constituye una poderosa herramienta para garantizar el funcionamiento óptimo de los hornos rotatorios, así como para elevar la eficiencia y satisfacer las demandas del proceso productivo con tiempos mínimos de respuestas [6,7]. Sin embargo, el diseño de controladores efectivos de las variables críticas de los hornos rotatorios constituye una tarea difícil, debido al complejo comportamiento dinámico que distingue a esta clase de plantas, el cual se caracteriza por presentar parámetros distribuidos y variantes en el tiempo, retardo de tiempo dominante y diversas pertur-L Design of a Generalized Predictive Controller for Temperature Control in a Cement Rotary Kiln J. Salcedo, R. Rivas, and J. J. Sotomayor baciones [8,9]. Observar, que las plantas presentan retardo de tiempo dominante cuando la relación T / τ >>1, donde τ es el retardo de tiempo y T es la mayor constante de tiempo de las plantas [10]. ...
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In this paper a generalized predictive controller (GPC) for effective control of clinkerization temperature in a cement rotary kiln is designed. By using methods for identification of dynamic systems a mathematical model of the plant under study is obtained, whose validation results showed a high adequacy degree. The design of the GPC controller is performed based on the mathematical model obtained. It is shown that the designed controller allows controlling the plant under study with a high accuracy considering different real industrial operation scenarios. The comparative simulation results of the control system with PID and GPC controllers showed a better performance when the GPC controller is applied.
... Actualmente, para la derivación de modelos matemáticos precisos y robustos de plantas con comportamientos dinámicos complejos se vienen utilizando de forma exitosa las herramientas de identificación de sistemas, ver por ejemplo [42][43][44][45][46][47][48][49]. Estas herramientas, a diferencia de las utilizadas en la derivación de modelos mecanicistas [37,41,50], no necesitan de una descripción detallada del proceso y logran obtener modelos razonablemente precisos y robustos en situaciones donde es difícil o imposible modelar el comportamiento dinámico mediante la aplicación de otros métodos, ver por ejemplo [51][52][53]. ...
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In this paper by applying the direct continuous-time system identification methods an accurate and reliable control oriented model of the conductivity in the polishing phase of the purification process of the nimotuzumab, a monoclonal antibody, is derived. A brief introduction to the theoretical aspects of the direct continuous-time system identification methods is presented. The complete direct system identification procedure, from the design of the experiment to model validation is developed. For this purpose, the CONTSID toolbox is used. The model validation results show that the model obtained reproduces with high accuracy the observed data, and therefore it can be used in the design of control systems and/or for prediction purposes.
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The focus of this paper is the analysis and design scheme of simultaneous fault detection and control (SFDC) for linear continuous-time fractional-order systems assumed to be affected by sensor, actuator and process faults as well as disturbances. In essence, this simultaneous design unifies both the control and the detection modules into a single unit that is called the controller/detector unit. This unit is designed such that it generates two signals, namely the residual and the control signals. The system can be stabilized using the control signal, and the residual signals can detect the fault based on model-based fault detection and isolation algorithms. The SFDC module should be designed so that the effects of faults and disturbances on the residual signals are maximized and minimized, respectively. To this end, the SFDC problem is formulated as the mixed \(H_{ - } /H_{\infty }\) optimization problem. Stability and fault detection are both considered through certain performance indices, and new sufficient conditions in the form of linear matrix inequalities are obtained. Finally, some simulation examples are given to illustrate the effectiveness of the proposed design method.
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In this paper, a hybrid temperature prediction model is developed for an industrial roller kiln of lithium-ion battery cathode materials, which is based on first-principle model and moving window-double locally weighted kernel principal component regression (DLKWKPCR). First, the mechanism model is built for the roller kiln according to the energy conservation law and heat transfer mechanism. Since the first-principle model is based on some simplified assumptions, it often results in large estimation errors. Thus, a data-driven error compensation model is further constructed with real-time process running data. In order to handle the strongly nonlinear, highly redundant and gradually time-varying characteristics, the error compensation model is built with moving window based DLWKPCR. Finally, a hybrid temperature prediction model is obtained by combining the compensation model and the mechanism model. An industrial roller kiln is utilized to test the effectiveness of the hybrid prediction model, in which the modeling results demonstrate that the developed hybrid prediction model can correctly estimate the roller kiln temperature.
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The main aim of the work is used to develop the mathematical model which are used to design conventional control system for the real time cement plant to control several variables of a cement rotary kiln in the plant. A cement rotary kiln is a non linear distributed process which has a highly complex dynamic behavior due to chemical reaction, development of a system to understand the behavior of a kiln process as mathematical model based on control scheme for cement rotary kiln processes. However, the variables are back-end temperature,pre heater temperature, oxygen content and CO2 gas content of the kiln are used to develop the model of the processes by the most use of Automation. The proposed controller uses a PI controller and PID controller. Finally the designed of Controller scheme for cement rotary kiln process of results are car- ried out by MATLAB software for evaluation of the performance kiln process.
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In the roller kiln of cathode materials for lithium batteries, the timely measurement of temperature is very important for effective process control. However, it is sometimes difficult or costly to measure the temperature timely. To handle this problem, a kind of soft sensor modeling framework with double locally weighted kernel principal component regression based on approximate linearity dependence (ALD) is proposed, which simultaneously carries out sample and variable weighted learning in the high-dimensional and nonlinear space to solve the process time-varying and strong nonlinearity problems. Moreover, a kind of just-in-time learning framework based on ALD is adopted for selectively updating the online local models. By setting a reasonable threshold of ALD, the prediction time can be effectively reduced, and the prediction accuracy can be maintained. The effectiveness of the proposed method is demonstrated on an industrial roller kiln. The results show that the proposed method can meet the requirements of prediction accuracy and time efficiency of the roller kiln of cathode materials for lithium batteries.
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A SVM (Support Vector Machine) classification for rotary kiln based on time series trend characteristics was presented in this paper. The amount of coal feed depended on its trends which were predicted by the dynamic rules of rotary kiln data. The original sample was cleaned by data preprocessing, and the piecewise linear representation based on key points was used to extract the trend characteristics of rotary kiln time series data. The parameters of SVM were decided by Particle Swarm Optimization method. It was proved that the proposed model with high prediction level which enhanced the robustness of the control of rotary kiln could be applied on the actual situation.
Article
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This paper proposes a novel hybrid algorithm for fault diagnosis of rotary kiln based on a binary ant colony (BACO) and support vector machine (SVM). The algorithm can find a subset selection which is attained through the elimination of the features that produce noise or are strictly correlated with other already selected features. The BACO algorithm can improve classification accuracy with an appropriate feature subset and optimal parameters of SVM. The proposed algorithm is easily implemented and because of use of a simple filter in that, its computational complexity is very low. The performance of the proposed algorithm is evaluated through two real Rotary Cement kiln datasets. The results show that our algorithm outperforms existing algorithms.
Article
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Este trabajo pretende ser una introducción y una invitación al Control Fraccionario, entendido éste como el conjunto de aplicaciones del Cálculo Fraccionario en Teoría de Control. Quiere servir para que los miembros de la comunidad de control perciban cómo el cálculo fraccionario puede ampliar los horizontes de su disciplina. Por ello, el trabajo se ha estructurado como un libro de texto que recorre desde los fundamentos y definiciones básicas del cálculo fraccionario hasta las estrategias de implantación de controladores y filtros fraccionarios, pasando por el análisis de sistemas y el diseño de controladores. Finalmente, se hace un breve esbozo de la actualidad del control fraccionario.
Conference Paper
The rotary kiln calcination is the most important part of cement production including complicated physical and chemical reaction processes with large inertia, pure hysteresis, nonlinearity and strong coupling characteristics. Considering the need of advanced process control in cement industry, this paper presents the application of support vector machine modeling and generalized predictive control PID control algorithm to the conventional cement production. The main control system structure includes three control loops as the pressure control loop, the burning zone control loop and the back-end of kiln temperature control loop. Based on the analysis of PID and generalized predictive control algorithm, the performance index of generalized predictive control algorithm is restructured into PID form. By analysis of the experimental data, the nonlinear regression model based on SVM is introduced. The control algorithm using SVM model is simulated in two cases to derive the responses of system compared with the ordinary PID control algorithm. The simulation results show the effectiveness of the control and modeling scheme with better response time and small temperature deviation.
Article
In this paper, we use nonlinear system identification method to predict and detect process fault of a cement rotary kiln. After selecting proper inputs and output, an input–output model is identified for the plant. To identify the various operation points in the kiln, locally linear neuro-fuzzy (LLNF) model is used. This model is trained by LOLIMOT algorithm which is an incremental tree-structure algorithm. Then, using this method, we obtained 3 distinct models for the normal and faulty situations in the kiln. One of the models is for normal condition of the kiln with 15 min prediction horizon. The other two models are presented for the two faulty situations in the kiln with 7 min prediction horizon. At the end, we detect these faults in validation data. The data collected from White Saveh Cement Company is used in this study.
Article
In order to suggest a new methodology for selecting an appropriate dispersion model, various statistical measures having respective characteristics and recommended value ranges were integrated to produce a new single index by using fuzzy inference where eight statistical measures for various model results, including fractional bias (FB), normalized mean square error (NMSE), geometric bias mean (MG), geometric bias variance (VG), within a factor of two (FAC2), index of agreement (IOA), unpaired accuracy of the peak concentration (UAPC), and mean relative error (MRE), were taken as premise part variables. The new methodology using a single index was applied to the prediction of ground-level SO2 concentration of 1-h average in coastal areas, where eight modeling combinations were organized with fumigation models, σy schemes for pre-fumigation, and modification schemes for σy during fumigation. As a result, the fumigation model of Lyons and Cole was found to have better predictability than the modified Gaussian model assuming that whole plume is immerged into the Thermal Internal Boundary Layer (TIBL). Again, a better scheme of σy (fumigation) was discerned. This approach, which employed the new integrated index, appears to be applicable to model evaluation or selection in various areas including complex coastal areas.
Conference Paper
This paper describes a cement production expert system developed in the way of integrating CLIPS with VC++ and based on SIMENS PCS7.The configuration, principle, exploiting methods of the system and the extraction of features of cement rotary kiln are presented. The system can give online guiding operations and increase economic profits. The experiment result shows its high adaptability and the wide prospect of the system.
Article
The process industry and the cement industry in particular, is rapidly realising the importance of expert systems for the control of large-scale production processes which have hitherto defied solution by conventional methods. Where the operational environment of a process industry is subject to vagueness and uncertainty, then expert control offers new opportunities for increased production, fuel economy, and enhanced product quality. This paper outlines a large-scale expert supervision and control system which was developed as part of a long-term project to apply advanced concepts of CIM to a cement production plant. The system comprises a cluster of nine expert subsystems using fuzzy logic, four of which are arranged in a multilayer architecture to synergistically control a rotary kiln and cooler complex. Experience with the real-time expert system since 1985, when it was first commissioned, has resulted in increases of the order of 4–5% in productivity and energy reduction as well as reduced plant maintenance over conventional manual control.
  • M Marquez Martinez
M. Marquez Martinez, Combustión y Quemadores, Barcelona: Marcombo S.A., 1989.
Vector Machine Model Based Predictive PID Control System for Cement Rotary Kiln,» de Control and Decision Conference (CCDC)
  • Z Li
  • Support
Z. Li, «Support Vector Machine Model Based Predictive PID Control System for Cement Rotary Kiln,» de Control and Decision Conference (CCDC), 2010 Chinese, Xuzhou, 2010.