CEA_ISAPIDPresenteyFuturo(RGM)_ppt [Modo de compatibilidad]

Presente y Futuro del
Control PID
Rafael González Martín
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20 Febrero 2013
1
Contenido
• El control PID lleva con nosotros desde 1910 (Elmer Sperry), aunque fue
en 1942 (Ziegler-Nichols) cuando se convirtió en un estándar.
• Después de muchos años de evolución es el algoritmo de control
indiscutible en la industria. Un 98% de los controladores son PID.
• Ha demostrado que puede competir con técnicas modernas, muy
prometedoras, como : Fuzzy logic, Control basado en modelos, MPC,
Control Adaptativo, …
• Frases como “este nuevo controlador va a reemplazar a todos los
PIDs” se han dejado de escuchar hace tiempo.
• En esta presentación vamos a intentar descubrir las claves del éxito y
especularemos acerca del futuro que le espera a este algoritmo de
control.
• Se propondrá un debate al final de la presentación.
Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013)
2
Sumario
•
•
•
•
•
•
•
Introducción
Conferencia PID12
Estado del arte. Avances relevantes
Problemática actual
Áreas de investigación y desarrollo
Conclusiones
Debate
Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013)
3
Introducción
Vamos a empezar por el final, estas son las preguntas
que propondré en el debate :
• Seguirá siendo el PID el controlador de referencia en el
futuro?
• En caso negativo, cual sería la/s alternativa/s?
• Me sirve el PID? O necesito más.
• Cuando y porqué se usa la acción derivativa?
• Cual es el método de sintonía favorito?
• Es suficiente el PID en su estado actual o necesitamos
algún tipo de mejora funcional?
Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013)
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Conferencia PID12
•Aproximadamente cada 10 años, IFAC (International
Federation of Automatic Control) organiza una conferencia
internacional exclusiva acerca del PID.
•Este año se ha celebrado en Brescia, Italia (PID12)
•http://pid12.ing.unibs.it
•Se celebró un debate sobre perspectivas de futuro para el
controlador PID con los siguientes participantes :
Karl Johan Astrom, Senior Professor, Lund University, Sweden (chairman)
Haruo Takatsu, APC System Product Marketing Manager, Yokogawa Electric Corporation, Japan
Alf Isaksson, Corporate Research Fellow at ABB and Adjunct Professor at Linkoping University,
Sweden
Willy Wojsznis, Senior Technologist, Emerson Process Management, USA
Adriano Chinello, Technical Director Automation, Gefran SpA, Italy
Jason Wright, PlantPAx Product Manager, Rockwell Automation, USA (TBC)
Rafael Gonzalez , Advanced Control Department Manager, Repsol-Petronor, Spain
Emre Kuzu, APC Engineer, Tupras, Turkey
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Estado del arte. Avances relevantes.
• Un artículo reciente [1] concluye: “PID hardware is now
dominated by five major vendors – ABB, Emerson,
Foxboro (Invensys), Honeywell and Yokogawa”.
• El mismo artículo describe un conjunto de más de 25
aplicaciones de múltiples proveedores relacionadas con
sintonía de controladores PIDs.
• Sin embargo, son los cinco vendedores principales
quienes marcan la dirección de los avances más
significativos tanto a usuarios como a investigadores.
Vamos a ver un breve resumen intentando dejar al
margen las marcas.
[1] Li, Y. Ang, K.H., Chong, G.C.Y.: Patents, software and hardware for PID control: An overview
and analysis of the current art. IEEE Control Syst. 26(1), 42–54 (2006)
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Estado del arte. Avances relevantes.
Avances en las tecnologías utilizadas: tanto en coste,
como en espacio requerido, se ha mejorado mucho
permitiendo añadir mucha más funcionalidad a los sistemas.
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Estado del arte. Avances relevantes.
Conectividad: prácticamente se puede conectar todo con
todo. Usando buses digitales se puede distribuir el control
a cualquier nivel.
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Estado del arte. Avances relevantes.
Interfaces de usuario: Los operadores pueden ser mucho
más eficientes, asumir nuevos roles y vigilar el proceso con
mucha más precisión.
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Estado del arte. Avances relevantes.
Técnicas de sintonía: Del Ziegler-Nichols de 1942 a los
más de 500 métodos de sintonía publicados ha habido
muchas mejoras.
• Casi todas las opciones comerciales incorporan múltiples
métodos de sintonía, análisis de robustez, herramientas de
identificación del proceso, tratamiento de no linealidades,
simulación del lazo cerrado, conectividad con el proceso…
• Realmente la dificultad está casi en escoger una
herramienta.
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Estado del arte. Avances relevantes.
Funcionalidad del controlador : Cualquier implementación moderna en
un SCD o PLC ha dejado de ser solo:
t
OP (t ) = K × e(t ) +
K
 de(t ) 
+
×
×
e
(
t
)
dt
K
T


d
Ti ∫o
 dt 
•Distintos algoritmos
• Comportamiento ante fallo de
señal
• Tolerancia al cambio de SP y OP
• Tipo de ecuación (PID, PI-D, IPD, ideal o interactiva)
• Comportamiento de la ganancia.
• Limitacion de cambio en OP y SP
•…
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Problemas actuales (1/6)
Aprox.
3000
lazos
Problemas con PIDs:
•Lazos sencillos se
resuelven por
instrumentistas (50% de
los problemas son de
instrumentación del lazo)
•Los lazos complejos se
analizan por ingenieros de
Control.
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Problemas actuales (2/6)
Lazos con una supervisión “adecuada”
# loops
774
348
351
246
31
1750
Total
FC
LC
PC
TC
AC
K (%/%)
0,6
1,5
5,0
2,0
1,0
PID type
FC
LC
PC
TC
AC
xC
KAvg.
0,9
1,3
4,2
1,7
0,3
#PID (%) # loops @def (%)
44%
49%
20%
38%
20%
35%
14%
44%
2%
10%
100%
43%
Default & Average Values
Ti (min)
TiAvg.
Td (min)
0,3
1,2
0,0
5,0
10,4
0,0
2,0
2,3
0,0
6,0
6,3
0,4
10,0
6,6
0,0
Calculados a
partir de
estadísticas
de varios
complejos
TdAvg.
0,0
0,0
0,0
0,9
0,0
40% de los lazos permanecen en los valores por defecto.
El comportamiento de esos lazos es suficientemente “bueno”
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Problemas actuales (3/6)
•
Demasiadas opciones para el usuario final
Ideal vs. interactivo
PID, PI-D, I-PD
Carga vs. set point
K vs. PB
Min. Vs. Rep./min.
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Problemas actuales (4/6)
•
Especificaciones del lazo: Ajustar el FC-531 considerando que la presión aguas arriba
varía frecuentemente.
Quien tiene
prioridad?
Que caracteristicas
temporales son
necesarias?
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Problemas actuales (5/6)
•
Naturaleza
multivariable de
los procesos.
FC531.OP(%)(--), FC531.PV (M3/H)(-)
80
70
60
50
40
30
0
10
20
30
minutos
40
50
60
40
50
60
PC531.PV(KGCC)(-)
50
45
40
35
0
10
20
30
minutos
Es un PID el controlador adecuado?
Proceso
FC-531.OP
FC-531.PV
Linea+Valvula
(a)
FC-531.OP
Proceso
FC-531.PV
PC-531.PV
Existe algún método de sintonía?
Linea + Valvula
(b)
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Problemas actuales (6/6)
Problemas colaterales comunes en los cinco continentes y en
todo tipo de industrias:
• En muchos casos el personal de planta se ha reducido
sustancialmente, en algunos casos se deja de tener
incluso soporte corporativo.
• Los técnicos de instrumentación y los ingenieros de
control no tienen formación adecuada en PIDs. Existen
tantas displicinas asociadas que la formación se
dispersa.
• Las herramientas de planta están infrautilizadas
provocando una dejación de funciones importantes. El
día a día se impone.
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Areas de Investigación y Desarrollo
De todos los “futuribles”, esta es una selección de los nuevos
desarrollos que se están empezando a utilizar en la industria:
• Mejoras en el retorno de las condiciones de saturación
• Modificación del PID para conectividad wireless (event
driven)
• Sintonización Robusta Adaptativa, que no Control
Adaptativo.
• “Performance monitoring” para la detección automática
de problemas en la sintonía de los lazos
• Diagnósticos de los elementos finales de control.
Detección automática de fallos “tipo” en las válvulas.
• Otros…
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I+D: Retorno de la saturación
La introducción del “External Reset” permite mejorar el
control en casos en los que la salida del controlador suele
estar saturada:
Con Reset Externo
Sin Reset Externo
TC187.SP
TC187.PV
TC187.OP
Producción vapor
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I+D: PID para wireless
•En los transmisores
wireless la potencia
consumida es
directamente proporcional
a la frecuencia de
muestreo.
•Para que el control PID
sea efectivo sólo es
necesario refrescar la PV
de 4 a 10 veces más
rápido que la constante de
tiempo del lazo más el
tiempo muerto.
•La mejora consiste en
trasmitir sólo cuando es
necesario. Uso del 5%.
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I+D: Sintonización Robusta Adaptativa
El control adaptativo no ha logrado tener una presencia
industrial digna de mención, no obstante, calcular el modelo
del proceso en línea puede generar otros beneficios:
•Diagnósticos del
comportamiento del lazo
•Diagnósticos en el
actuador final
•Por supuesto uso del
modelo para sintonía.
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I+D: Performance monitoring
Hay multiples herramientas que detectan automáticamente
comportamientos indeseados de los lazos, diagnostican el
problema e incluso proponen soluciones.
Reducir K ?
Lazo oscilatorio
Aumentar Ti ?
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I+D: Diagnóstico actuadores
•En este caso el patrón de
la oscilación es reconocido
y asociado a un problema
en la válvula.
•Se están investigando otro
tipo de patrones que se
puedan correlacionar a
otros problemas.
Valvula agarrotada
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Conclusiones (1/2)
• Aproximadamente el 50% de los lazos PID requieren
poca o nula atención.
• El término derivativo se usa mucho menos que lo
debido. La mayoría de las veces debido a una formación
insuficiente.
• Definir correctamente las especificaciones del lazo es
muy dificil. En ocasiones no hay criterios estandarizados
• Demasiadas decisiones para el usuario final.
• Hay que mejorar las metodologías de diseño incluyendo
la naturaleza multivarible de los procesos.
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Conclusiones (2/2)
Sin embargo:
• El PID no tiene rival a bajo y medio nivel. Realmente lo
hace mejor que otras tecnologías más modernas
• Los controladores MPC son líderes en entornos
superiores de control y optimización, pero siempre
dependen de los PIDs a bajo nivel. No son tecnologías
excluyentes, se tienen que complementar de forma
adecuada
• Sigue atrayendo el interés de la comunidad científica y
está más vivo que nunca a nivel de investigación.
• Mi pronóstico es que el PID seguirá en el negocio
durante más tiempo que nosotros.
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Ruegos y Preguntas
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Debate
• Seguirá siendo el PID el controlador de referencia en el
futuro?
• En caso negativo, cual sería la/s alternativa/s?
• Cuando y porqué se usa la acción derivativa?
• Cual es el método de sintonía favorito?
• Es suficiente el PID en su estado actual o necesitamos
algún tipo de mejora funcional?
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