Control de procesos mediante autómatas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL
ÁREA ACADEMICA DE INGENIERÍA TEXTIL
CONTROLES ELÉCTRICOS Y AUTOMATIZACIÓN EE-621
PERIODO ACADÉMICO 2014-I
“CONTROL DE PROCESOS MEDIANTE AUTÓMATAS PROGRAMABLES”
PROFESOR: Ing. COSCO GRIMANEY, JORGE
REALIZADO POR:
CHÁVEZ BUELOT, JUAN JOSÉ
ENCISO MOLINA, CARLOS ALBERTO
LLAJA MAYHUA, JORGE LUIS
VALENTIN ALVARADO, JOSÉ LUIS
FECHA DE ENTREGA DEL INFORME 22 / 05 / 2014
LIMA- PERÚ
CONTROL DE PROCESOS MEDIANTE AUTÓMATAS PROGRAMABLES
1. Introducción
Los procesos que se caracterizan por proporcionar a su salida un flujo continuo de un
producto líquido o sólido se denominan procesos continuos. Este tipo de procesos se
caracteriza tanto por generar como por recibir en sus entradas variables analógicas y a los
sistemas de control asociados con ellos se les suele denominar sistemas de control de
procesos.
Los sistemas electrónicos de control de procesos pueden trabajar en lazo abierto (el
proceso solo actúa en la señal de entrada) o en lazo cerrado (el proceso actúa en función
de la señal de salida). La implementación de los controladores de procesos complejos
mediante autómatas programables se puede llevar a cabo de dos formas diferentes:
 Mediante un programa situado en su memoria
Es la más apropiada cuando el autómata programable dispone de tiempo durante
el ciclo de ejecución del programa.
 Mediante un modulo conectado al mismo
Este modo de efectuar el control consiste en utilizar un sistema electrónico
específico que se acopla al autómata programable para que le proporcione los
valores de los diferentes parámetros que intervienen en el algoritmo ejecutado
por él.
Los diferentes tipos de algoritmos de control que puede ejecutar un sistema de
control de procesos se clasifican en 3 categorías:
 Algoritmos lineales de control.
 Algoritmos no lineales de control.
 Algoritmos especiales de control.
A partir de esta clasificación surgen diferentes tipos de controladores, en particular dos casos de
amplia utilización las cuales son:
 Los controladores no lineales intermitentes
 Los controladores lineales continuos
2. Controladores no lineales intermitentes
2.1 conceptos generales
Se denomina controladores no lineales a los que ejecutan un algoritmo de control que
no es lineal. También se denominan controladores intermitentes pues la variable de
control solo tiene un régimen permanente, un número discreto de valores.
2.2 Controlador todo –nada básico
Un sistema de control todo o nada es aquel cuya salida o elemento de accionamiento de la
planta tiene solo dos posiciones: conectado y desconectado o, en general máxima y
mínima salida.
2.3 Controlador todo-nada de dos posiciones
Comúnmente llamado control Todo-Nada, también abierto-cerrado, on-Off.
Como su nombre indica, en el control de dos posiciones el elemento final de
control solo ocupa una de las dos posiciones posibles.
2.4 Controlador todo-nada con histéresis
Para evitar la indefinición que presenta el controlador todo-nada básico cuando el
error es cero se le puede añadir una histéresis H
2.5 Controlador todo-nada con zona muerta
Los inconvenientes controlador todo –nada básico se pueden evitar se pueden
evitar también añadiéndole una zona muerta D, tal como se indica en la figura 1.
Figura 1 Controlador de dos posiciones con zona muerta.
2.6 controlador todo-nada multiposición
Utilizada para controlar cierto tipo de sistemas como los motores reversibles de
velocidad fija que actúan sobre válvulas o posicionadores, resulta útil añadir al
controlador todo-nada básico una combinación de la histéresis con la zona
muerta, tal como se muestra en la figura 2.
Mediante los ciclos de histéresis se evitan las conmutaciones bruscas entre el giro
en uno de los sentidos y el paro. Mediante la zona muerta se evitan las
conmutaciones bruscas entre un sentido de giro y otro.
Controlador todo-nada multiposición.
2.7 Controlador intermitente proporcional en el tiempo
En este controlador se establece un periodo de tiempo fijo Tm durante el cual la
variable de control toma el valor máximo un tiempo proporcional al valor del error
y permanece desactivada durante el resto del periodo.
3
controladores lineales continuos
3.1introducción
Los controladores lineales continuos se caracterizan por realizar un conjunto de
operaciones lineales como por ejemplo la resta y la multiplicación por una constante
(amplificación).
En función del tipo de operador lineal se obtienen diferentes controladores continuos a
continuación se presentan algunos.
3.2 controlador continuo proporcional
Se denomina regulador o controlador continuo proporcional a un sistema de control en el
que el error se multiplica por un factor de ganancia proporcional 𝐾𝑝 para obtener la
variable de control que actúa sobre el proceso y modifica su punto de operación hasta que
la variable de proceso y la consigna sean prácticamente iguales.
3.3 controlador continuo proporcional integral derivativo (PID)
3.3.1
introducción
Para mejorar el comportamiento del controlador o regulador continuo proporcional y hacer que la
diferencia (error) entre la variable de consigna y la variable de salida del proceso en régimen
permanente sea tan pequeña como sea necesario sin que se produzcan oscilaciones, se debe
combinar la acción proporcional con una acción integral y una acción derivativa en las
proporciones adecuadas. En el regulador PID la acción integral hace que se anule el error en
régimen permanente y la acción derivativa proporciona al regulador capacidad para anticipar el
futuro y tiene un efecto predictivo sobre la salida del proceso, que limita su oscilación en régimen
transitorio, al mismo tiempo que aumenta su velocidad de respuesta.
3.3.2
Control de acción integral
Es un tipo de control en el cual la velocidad de salida del controlador es proporcional a la magnitud
del error.la acción integrativa o “RESET” por si sola puede existir, por lo que debe combinarse con
la acción proporcional obteniéndose así el tipo de control PI.
Se debe resaltar que el efecto integral, en la proporción adecuada, mejora notablemente el error
en régimen permanente sin que para ello sea necesario elevar el valor de la ganancia proporcional
y sin modificar apreciablemente el régimen transitorio.
Figura 3 Control Proporcional e Integral (PI) en bucle cerrado de la velocidad de un
motor de corriente continua.
Con objeto de comprender mejor el efecto de la acción derivativa, en la figura 6.19 se analiza en
bucle abierto (sin formar parte de un bucle de control) la respuesta de un regulador PD. En la
figura 6.19a se representa el diagrama de bloques dcl regulador PD a cuya entrada se aplica una
señal de error en rampa. El bloque que realiza la acción proporcional genera a su salida una rampa
de pendiente Kp veces mayor y el que realiza la acción derivativa genera un escalón de amplitud Kp
veces Ta. La señal CV es la suma de las dos acciones.
Si el efecto derivativo se aplica al control en bucle cerrado de velocidad del motor de corriente
continua de la figura 6.11 se obtiene el sistema de la figura 6.20. En este caso se tienen que ajustar
la ganancia proporcional Kp y el tiempo derivativo Td. En la figura 6.21 se puede observar la
respuesta del sistema con diferentes valores del tiempo derivativo Tdy una ganancia proporcional
Kp elevada.
Comparando la figura 6.21 con la 6. 17 se observa que el sistema se estabiliza mucho más
rápidamente y que la sobreoscilación es menor e incluso llega a anularse. Sin embargo. Aunque
mejora la velocidad de respuesta sigue existiendo un error en régimen permanente (Offset error).
Por otra parte, el diseñador debe tener cuidado al elevar el ni el de los parámetros KpyTdporque
cuando se presentan cambios bruscos del valor de consigna SP, que provocan a su vez valores muy
altos de la actuación CV en el instante del cambio, se pueden producir transitorios de tensión y de
corriente así como fuerzas mecánicas que dañen permanentemente al sistema.
Otro problema que surge al utilizar la acción derivativa es que puede ocasionar que variables de
proceso ruidosas provoquen niveles excesivos de CV. Con objeto de eliminar estos inconvenientes,
los controladores industriales modifican la ecuación del término derivativo y lo sustituyen por una
derivada filtrada por un sistema de primer orden de adelanto de fase (Lead circuit) con una
constante dc tiempo Td/N.
En general los fabricantes de reguladores industriales PID suelen representar Td de la forma
indicada en Ia figura 6.22 que indica la evolución dela señal CV (y en la figura) generada por un
regulador PD al aplicar un escalón a la entrada de error.
Combinación de las accionesProporcional. Integral y Derivativa (PID)
Tal como se indica en el apartado 6.33.1 anterior, para mejorar el comportamiento del regulador
continuo proporcional descrito en el apartado 6.3.2, y lograr que la diferencia (error) entre la señal
de consigna SP y la señal de salida del procero PV en estado estacionario sea tan pequeña como
sea necesario, sin que se produzcan oscilaciones, se debe combinar la acción proporcional con una
acción integral y una acción derivativa en las proporciones adecuadas.
Tal corlo se muestra en sucesivos apartados, el regulador así obtenido:


Es adecuado para realizar muchos sistemas de control y se utiliza en más del 95% de los
casos.
El más utilizado es el regulador PI (90%), aunque hay dos tipos de procesos en los que no
es adecuado.
En el bucle secundario el regulador más adecuado es P o PI cuando la variable secundaria es
significativamente más rápida que la primaria y PD si no lo es.
En este tipo de control es necesario ajustar primero los parámetros del bucle de control interno y
a continuación los del regulador externo. Los métodos de ajuste que se pueden utilizar en ambos
casos se describen en el apartado 6.3.5.
Reglas relativas al tipo de respuesta del proceso
En este caso la acción dc control másadecuado se establece en función del tipo de respuesta del
proceso [ESPA 98] En la tabla 6.1 se indican las acciones más apropiadas, tanto para cambios del
punto de consigna de la variable que se regula como para compensar la influencia de las
perturbaciones.
Como resumen de las reglas antes citadas se puede indicar que, aunque en la práctica el control PI
es el más utilizado, hay dos tipos de procesos cuyas características hacen que no funcione
satisfactoriamente:
• Procesos en los que se producen cambios bruscos de la carga.
. Procesos que poseen grandes retardos
6.3.5 Ajuste empírico de controladores PID
Utilizando la teoríade control, se pueden calcular matemáticamente los parámetros de un
regulador PID [DORF 05][BARR 96], y predecir con precisión el comportamiento del proceso
controlado por él. Para ello es necesario modelar la función de transferencia, es decir, obtenerla
relación entre la salida y la entrada del proceso a controlar, para lo cual se tienen que determinar
diferentes parámetros mecánicos.
Métodos basados en experimentos
Este tipo de métodos estiman en primer lugar determinadas características dinámicas del proceso
mediante un experimento y a continuación calculan los parámetros del regulador mediante tablas
o fórmulas deducidas en función de las características dinámicas estimadas. Estos métodos se
pueden además clasificar en dos clases:
. Métodos en bucle abierto
. Métodos en bucle cerrado
Estos métodos se basan en medir ciertas características de la respuesta del sistema en bucle
abierto y ajustar los parámetros del regulador a partir de los resultados obtenidos y mediante el
uso de tablas.
El criterio de optimización utilizado para realizar el ajuste en estos métodos es lograr que, tanto
para un cambio de la señal de consigna SP cormo ante una perturbación en la carga, el sistema en
bucle cerrado responda con una razón de amortiguamiento de ¼, es decir que la amplitud B de la
segunda oscilación sea 4 veces menor que la amplitud A de la
primera. Este criterio establece en la práctica los requisitos de funcionamiento (especificaciones)
que debe cumplir el sistema de control en bucle cerrado.
3.5.3 Métodos empíricos de ajuste con identificación en bucle cerrado:
Miden las características en la respuesta del sistema en bucle cerrado y ajusta los parámetros del
regulador comparando los resultados obtenidos con los de tablas. La optimización se logra cuando
el sistema responde con una razón de amortiguamiento de ¼, ante un cambio en la señal de
consigna o una perturbación en la carga.
3.5.3.1 Método de “prueba y error”: Realiza la acción, comprueba su efecto y vuelve a realizar la
acción modificándola de acuerdo al resultado obtenido.
3.5.3.2 Método de Ziegler – Nichols con identificación en bucle cerrado (método de oscilación): Se
sintoniza al regulador PID ajustando sus parámetros mediante tablas para conseguir que el
sistema responda con una razón de amortiguamiento de ¼. Este método determina dos
parámetros que son ganancia última Ku y periodo último Tu de los que se obtiene los valores de
Kp, Ti y Td. Debido a que requiere una oscilación constante, opera cerca de la inestabilidad lo que
lo hace un método difícil de automatizar.
3.5.3.3 Método del relé de Astrom y Hagglund: Consigue una oscilación mantenida de pequeña
amplitud con un relé donde obtiene los valores de Ku y Tu. Utiliza las tablas de Ziegler – Nichols
para obtener la oscilación de la variable PV al aplicar un escalón en la variable SP.
3.5.4 Métodos de ajuste basados en modelos matemáticos: Minimiza los índices de error (se
detalla a continuación) o la especificación del margen de fase y/o ganancia.
3.5.4.1 Métodos de sintonía basados en la minimización de índices de error
Tratan de minimizar un índice de error integral. Todas identifican las características del proceso o
la planta en bucle abierto para minimizar el error en bucle cerrado. Los más utilizados son:
1. Integral del valor absoluto del error IAE: Penaliza grandes errores y favorece respuestas
con rampas pequeñas.
∞
IAE = min ∫0 e(t)dt
2. Integral del cuadrado del error ISE: Penaliza errores u oscilaciones largas. Su valor es
menor si el tiempo de establecimiento también es menor.
∞
ISE = min ∫0 e2 (t)dt
3. Integral del valor absoluto del error por el tiempo ITAE: Es intermedio entre ISE e ITAE.
∞
ITAE = min ∫0 e(t)tdt
Las fórmulas de López, Rovira, Murril y Smith realizan el ajuste de los parámetros de forma rápida
y cómoda sintonizando los controladores P, PI y PID usando los índices IAE, ISE e ITAE.
3.6 Implementación del control continuo PID mediante un autómata programable
El autómata programable es un sistema digital que implementa a los sistemas de control de
procesos mediante dos estrategias:
. Ejecución de un programa de control PID por parte del autómata programable
Es la más adecuada cuando el autómata programable tiene tiempo de ciclo suficiente para realizar
la tarea por programa. El autómata recibe la señal del sensor en la entrada y actúa sobre el
proceso a la salida mediante variables analógicas. Las constantes y el punto de consigna se reciben
mediante una interfaz.
.Módulo o unidad de regulación acoplado al autómata programable.
La unidad central realiza los cálculos donde muestrea las variables PV y SP, las digitaliza
obteniendo la variable de control CV. El microprocesador recibe las constantes y el punto de
consigna introducidos en el autómata programable (A través de unidad HMI por ejemplo).
3.6.2 BLOQUES FUNCIONALES Y LENGUAJES
Los fabricantes proporcionan bibliotecas con bloques funcionales preprogramados que se utilizan
en combinación con diferentes lenguajes con el fin de facilitar la implementación de sistemas de
control con autómatas programables.
Un ejemplo es el bloque funcional FB CONT_C escrito en lenguaje AWL, KOP o FUP mediante el
sistema de programación STEP7 o en lenguaje CFC mediante otro programa.
LENGUAJE CFC DE DESCRIPCION DE SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS CONTINUOS
El editor CFC (Continuous Function Chart), diagrama de funciones continuas en ingles, es una
herramienta de Ingeniería abierta y de aplicación universal destinada a editar gráficamente
funciones de automatización basadas en bloques de función pre programados; corre bajo los
sistemas operativos Microsoft Windows Professional, XP Professional y Seven. El editor CFC
permite crear un programa de usuario ejecutable para una CPU o PLC, probarlo y ponerlo en
servicio. La interfaz entre el sistema operativo de la CPU y el programa de usuario son las tareas
que en SIMATIC S7.
Operación e Interfaz
El editor CFC ofrece dos modos de operación: el modo de creación y el modo de prueba. En la
configuración gráfica de esquemas utilizando el modo de creación es posible conmutar entre dos
vistas: la vista de hoja, en la que pueden editarse todos los detalles, y la vista de esquema que
incluye 2 columnas de 3 hojas cada una para operaciones inter-hojas e inter-esquemas. Para
optimizar el orden de ejecución se dispone también de un editor al efecto similar al WindowsExplorer. La vista de hoja incluye un área de trabajo central y 2 franjas laterales en las que se
muestran las remisiones que superan el límite de hoja y esquema (entradas a la izquierda, salidas
a la derecha). CFC organiza y administra automáticamente estas remisiones. Cuando se hace clic
con el ratón sobre una de estas remisiones se sigue la señal correspondiente y se abre el esquema
que incluye el bloque asociado.
Crear esquema CFC
El editor CFC trabaja orientado a esquemas. Al crear un nuevo proyecto se genera, entre otros,
una carpeta de esquemas donde se almacenan los esquemas CFC creados para el programa de
usuario. El número de esquemas depende del tamaño de la aplicación así como de la forma en que
el usuario la haya estructurado.
Bloques en el esquema CFC
Los bloques pre-programados o los esquemas procedentes de un catálogo se posicionan,
siguiendo descripciones tecnológicas, por "arrastrar y colocar" sobre un área de trabajo de una
hoja de un esquema CFC, se interconectan y se parametrizan. Apoyado con una potente función
de autorouting y otra integrada de creación de avisos esto permite configurar y documentar
claramente flujos completos de señales.Como CFC administra el mismo los recursos del sistema de
destino, el usuario puede concentrarse en los aspectos tecnológicos de la configuración y no
necesita tener conocimientos profundos sobre el sistema de automatización. Los bloques preprogramados pueden ser bloques tomados de librerías o programas o basarse en tipos creados
por el propio usuario
Adaptar las propiedades de ejecución
Las propiedades de ejecución de los bloques definen cuándo y en qué orden la CPU procesará los
bloques dentro del programa de usuario. Esto es decisivo para la respuesta temporal en el sistema
de destino, es decir para tiempos de reacción, tiempos muertos o la estabilidad de las estructuras
función del tiempo. Al crear un nuevo esquema CFC se crea automáticamente, en una tarea cíclica,
un grupo de ejecución, que recibe el nombre del esquema, y que incluye todos los bloques del
esquema. De esta forma cada bloque recibe ya desde su inserción propiedades de ejecución que el
usuario puede optimizar efectuando cambios en el editor de ejecución o usando un algoritmo.
Compilar esquemas CFC para obtener programa ejecutable
Para que el programa de usuario pueda ser ejecutable en la CPU actual todos los esquemas CFC
contenidos en la carpeta, que representan el programa de usuario, se traducen al código máquina
correspondiente. Dependiendo del sistema de destino se utilizan para ello diferentes
compiladores; para SIMATIC S7 p. ej. El compilador SCL. Tan pronto como esté terminada
completamente la compilación es también posible compilar exclusivamente cambios. La
compilación incluye una verificación de coherencia que también puede ejecutarse por separado.
Tras terminar la compilación se crea el correspondiente protocolo o informe que permite
comprobar la ejecución de la misma.
Compilar esquemas CFC para obtener programa ejecutable
Antes de poder comenzar con la prueba y puesta en servicio es necesario cargar en la CPU desde
CFC el programa de usuario creado para el sistema de destino. Los cambios en el programa
realizados tras una carga completa terminada con éxito pueden cargarse también en calidad de
cambios sin necesidad de interrumpir la ejecución del programa en la CPU (Stop de la CPU). Tras
pasar al modo de test es posible aprovechar las funciones de observación y parametrización online
de conexiones de bloques así como de asistencia en la puesta en marcha de las funciones
integradas en el editor CFC tales como visualización del estado de la CPU, inicio y finalización del
programa, borrado total de la CPU o ajuste de la hora. En el modo de prueba es posible activar y
desactivar de forma puntual esquemas individuales o sus grupos de ejecución.
Documentar
El editor CFC permite documentar extensamente la estructura global de su aplicación. Además del
esquema actual (a elección inclusive sus conexiones) y los datos de referencia asociados tales
como secuencia de ejecución, bloques utilizados, referencias cruzadas, jerarquía de llamada de
bloques, interconexiones textuales, datos locales, asignación de recursos o datos estadísticos es
posible también imprimir los informes generados durante la configuración y puesta en servicio.
Técnica esquema en esquema para esquemas jerárquicos
La técnica "esquema en esquema" permite encapsular un esquema para su reutilización, es decir
dotarlo de conexiones en las cuales pueden colocarse las entradas/salidas de bloque importantes
para la interconexión con otros esquemas/bloques. Un esquema así preparado puede colocarse
como un bloque en otros esquemas, abrirse allí, modificarse a voluntad e interconectar. Esto
permite crear jerarquías estructuradas por aspectos tecnológicos cuyos elementos son
estandarizables y reutilizables.
Compilar esquema como tipo de bloque
También es posible compilar un esquema como tipo de bloque y, luego, utilizarlo como un bloque
normal. Como en la técnica esquema en esquema es necesario definir previamente e
interconectar las conexiones para dicho esquema. Tras la compilación los bloques de este tipo
pueden aplicarse las veces que se desee; cualquier modificación se efectúa de forma central para
todos.