ASPECTOS PRÁCTICOS DE IMPLEMENTACIÓN EN TIEMPO REAL

Transcripción

1 ASPECTOS PRÁCTICOS DE IMPLEMENTACIÓN EN TIEMPO REAL La tendenia atual es utilizar más ontrol digital que ontroladores analógios, debido a la disponibilidad de omputadores a bajo osto. Computador Clok A-D Algoritmo Controlador D-A {y(t k )} {u(t k )} u(t) Proeso y(t) La señal de salida del proeso y(t) es ontinua. Esta señal es onvertida a una señal digital a través del onversor análogo-digital A-D. La onversión se realiza a un tiempo de muestreo t k. El omputador interpreta la señal {y(t k )} omo una seuenia, proesando las mediiones a través de un algoritmo de ontrol y entregando una nueva seuenia {u(t k )}. Esta seuenia es onvertida a un señal analógia por el onversor digitalanálogo D-A El reloj permite sinronizar el funionamiento del sistema. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 1

2 Tipos a señales: Señal análogo Señal uantifiada Señal muestreada o ontinua ontinua Muestreo de proesos o disretizaión El muestreo de una señal ontinua remplaza la señal original por una seuenia de valores en puntos disretos. El proeso de muestreo es generalmente seguido por un proeso de uantifiaión. En el proeso de uantifiaión la señal maestreada es reemplazada por una amplitud digital (representada por un número binario). La señal digital alimenta al omputador. La salida del omputador es digital y alimenta a un retenedor. La salida del retenedor es una señal ontinua que alimenta al atuador. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 2

3 D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 3

4 ELEMENTOS BÁSICOS DEL SISTEMA DE CONTROL DIGITAL Muestreador retenedor: Ciruito que reibe una señal analógia y mantiene está señal onstante por un periodo de tiempo espeífio. Conversor análogo/digital (A/D): Aparato que onvierte una señal analógia en una señal digital (numero binario). El muestreador-retenedor es usualmente parte de onversor A/D. Conversor digital/análogo (D/A): aparato que onvierte la señal digital (serial odifiada binaria) a una señal analógia. Transdutor: Convierte una señal de entrada en una señal de salida de otra forma. Por ejemplo, onvierte una señal de presión (atm) a una señal de voltaje (volts). Existen transdutores ontinuos y disretos. TIPOS DE MUESTREO Muestreo periódio: t k = kt (k = 0,1,2,3,...) Los instantes de muestreo son equidistantes. Muestreo on múltiple periodo: Diferentes lazos en un sistema de ontrol pueden tener distintas onstantes de tiempo. Por lo tanto, se puede requerir distintos periodos de muestreo. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 4

5 MUESTREO DE SEÑALES CONTINUAS Teorema de Shanon Una señal ontinua on transformada de Fourier que es ero fuera del intervalo (-ω 0,ω 0 ) está dada úniamente por sus valores en puntos equidistantes si la freuenia es mayor que 2ω 0. La señal ontinua se puede reproduir por la señal muestreada a través de la siguiente expresión: f (t) = f (kh) sin ( ω (t kh) / 2) ω s s (t kh) / 2 donde ω s es la freuenia de muestreo. Por lo tanto, el tiempo de muestreo debe umplir 2ω < ω s 0 on ω 0 la freuenia más alta inluida en la señal medida D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 5

6 Reonstruión de una señal ontinua La inversión de la operaión de muestreo es la onversión de la señal f(tk) a una funión ontinua f(t). Mantenedor de orden ero f (t) = f (t k ) t k t t k+ 1 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 time Mantenedores de ordenes mayores Para funiones suaves, es posible obtener errores de reonstruión menores a través de la extrapolaión on polinomios de mayor orden. Una extrapolaión de primer orden esta dada por: t t ( f (t k) f (t k 1) ) t k t tk 1 k f (t) = f (t k) + + t k tk 1 D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 6

7 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 time De esta manera, la reonstruión se realiza dibujando una línea entre las muestras más reientes. Mantenedor preditivo de primer orden Para evitar las disontinuidades obtenidos por los mantenedores anteriores, se plantea el mantenedor preditivo. Se obtiene una interpolaión de los datos muestreados a través de la siguiente expresión: = + t t ( f (t k 1) f (t k) ) tk t t k 1 k f (t) f (t k ) + + t k+ 1 t k t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 time D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 7

8 Instrumentaión y automatizaión industrial Benefiios eonómios por la inlusión del ontrol automátio al proeso industrializado: - Mejoramiento alidad del produto. - Disminuión onsumo de insumos. - Mejoramiento de supervisión y administraión del proeso. Definiión de sistema de automatizaión Conjunto de herramientas de software, hardware y omunia que interatúan on el proeso y que permiten alanzar los objetivos de la exploraión tales omo los niveles de operaión o transferenias adeuada entre estados a pesar de influenias externas que afetan su omportamientos. Objetivos de sistema de automatizaión - Benefiio eonómio. - Calidad del produto: Menor varianza, mayor pureza, menos rehazos. - Seguridad del personal y medio ambiente: menos aidentes, menor ontaminaión. - Efiaia: perseuión de objetivo espeifio. Ej. Defensa. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 8

9 SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL Esquemas de ontrol a) Control digital direto (DDC): Se reemplazan los ontroladores análogos de planta por un sistema de ontrol entralizado usando algoritmos de ontrol digital b) Sistema de ontrol distribuido (DCS Distributed Control System). Se define omo una red de omputadores integrados de ontroladores miroproesadores y equipos de omuniaiones para el ontrol de proesos y supervisión. ) Sistema SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition). Se define omo un sistema de ontrol supervisor y adquisiión de datos que usa un red de omputadores para ontrol y omuniarse, remotamente, on sistemas de produión autónomos. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 9

10 Arquiteturas DCS a) Arquitetura entralizada. En este aso, una sola unidad de omputaión, que puede ser remota para mantener el proeso bajo ontrol. Esta unidad realiza las tareas a alto nivel omo adquisiión de datos en tiempo real y monitoreo, análisis de informaión y administraión de la informaión. Figura 1. Arquitetura de ontrol entralizada. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 10

11 b) Arquitetura distribuida. La tenología desentralizada o distribuida reparte las tareas de ontrol entre omputadores omuniadas efiientemente entre si. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 11

12 Sistema de DCS de la Central Temoelétria Nueva Rena D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 12

13 Tenología de sistema de ontrol distribuidos Los DCS son omúnmente apliado a un sistema de ontrol de planta amplio de proesadores distribuidos, periférios operaionales, miroomputadores junto on un sistema de omuniaión en red en tiempo real. En la figura se muestra un estrutura típia de DCS. Las funiones básias se puede lasifiar en los siguientes grupos: Funiones de ontrol primarias: Estas están relaionadas on el ontrol direto de subproesos en un nivel loal. Estas funiones inluyen ontrol realimentado, ontrol prealimentado, ontrol inferenial, ontrol en asada, et. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 13

14 Funiones de ontrol seundarias. Estas están relaionadas on niveles altos de jerarquía. Estas funiones onsideran las tareas de supervisión, monitorizaión, administraión, manutenión y optimizaión. Ejemplos: Status indiador, alarma, registro, rutinas de optimizaión, partida y detenión. Módulos funionales genérios Módulos entrada/salida, Bus entrada/salida, Módulos de ontrol, Módulos de omuniaión, Data highway, Módulos de interfaz de usuario, Software DCS. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 14

15 ELEMENTOS DE UN LAZO CONTROL r(t) PID D/A Atuador Proeso y A/D Transmisor Sensor I/R Elementos sensores. Ejemplos: sensor de nivel, temperatura, et. Elementos atuadores. Ejemplos válvulas, motores, et. Elementos de omuniaión. Ejemplos: añerías neumátias, ables elétrios, et. Conversores y adaptadores. Ejemplos onversores A/D, adaptadores P/I, et. Controladores. Ejemplo: ontrolador PID digital. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 15

16 Influenia de elementos del lazo de ontrol en el omportamiento global del sistema realimentado r e F Controlador y β Atuador y Planta Fp α Sensor Para un régimen estátio, se tiene: ( R α ) ' = F βf ' p ' R βf Fp = 1+ αβf F p = T Como E = R ' 0 en un sistema on ontrolador aeptable. E R 0 (Aión integral) Luego, la influenia de variaión de un parámetro ualquiera k sobre la salida es: '= T * R ' = T ' = R T R k k D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 16

17 D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 17 Porentualmente: T k k T T R k k T R = = ' ' Por lo tanto, para una variaión en la planta se tiene: p p F R F E = ' ' Si hay un buen PI 0 R E Para otros elementos se tiene: F R F E = ' ' β β = R E ' ' α α = R E 1 ' ' Luego un error porentual en los elementos sensor-transmisor (k) afetará en la misma proporión a la salida. Por el ontrario, errores porentuales en ontroladores, atuadores o planta tienen poa influenia en la salida. (régimen estátio). CONTROLARÁS CUAN BIEN PUEDAS MEDIR

18 Controladores Lógios Programables (PLC) Los ontroladores lógios programables o PLC (Programmable Logi Controller), en inglés, son dispositivos eletrónios muy usados en automatizaión industrial. Su historia se remonta a fines de la déada de 1960, uando la industria busó en las nuevas tenologías eletrónias una soluión más efiiente para reemplazar los sistemas de ontrol basados en iruitos elétrios on relés, interruptores y otros omponentes omúnmente utilizados para el ontrol de los sistemas de lógia ombinaional. Hoy en dia, los PLC's no sólo ontrolan la lógia de funionamiento de máquinas, plantas y proesos industriales, sino que también pueden realizar operaiones aritmétias, manejar señales analógias para realizar estrategias de ontrol, tales omo ontroladores PID (Proporional Integral y Derivativo). Los PLC's atuales pueden omuniarse on otros ontroladores y omputadoras en redes de área loal, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de ontrol distribuido. Un PLC es un dispositivo que tiene un ierto número de entradas y salidas, analógias y/o digitales, que le permiten omuniarse on el mundo exterior. Tienen apaidad de tomar deisiones en base a reglas programadas, almaenar datos, generar ilos de tiempo y ejeutar álulos aritmétios, entre otras operaiones. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 18

19 Estrutura básia de un PLC. Un PLC se divide funionalmente en 4 unidades. Memoria Unidad de Entrada Unidad Lógia Unidad de Salidas Señales al Proeso Unidad de entradas: Proporiona el aislamiento elétrio neesario y realiza el aondiionamiento de las señales de voltaje. Las señales se adeuan a los niveles lógios de voltaje de la unidad lógia. Unidad de salidas: Aepta las señales lógias provenientes de la unidad lógias en los rangos de voltaje que le son propios. Unidad Lógia: Es el orazón del PLC basada en un miroproesador. Ejeuta las instruiones programadas en memoria, para desarrollar los esquemas de ontrol lógio que se espeifian. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 19

20 Memoria: Almaena el ódigo de mensajes o instruiones que ejeuta la unidad lógia. La memoria se divide en PROM o ROM y RAM. Por medio de ellos, se puede utilizar un PLC en diferentes proesos sin neesidad de reordenar o transformar el equipo; sólo se debe modifiar el programa. Ejemplos DL05 Miro PLC Control Produts Our smallest PLC offers six I/O ombinations of AC, DC, and relay I/O, and advaned programming funtions suh as PID and drum sequening. The DL05 also features: Eight inputs and six outputs, expandable to 30 I/O total 2 K program memory 4 K data memory Two ommuniation ports Supports networking for MODBUS RTU master/slave, a DevieNET slave option module, and an Ethernet option module 129 instrutions, inluding four PID* loops Removable terminal blok Windows-based programming software (order DiretSOFT produt separately) One option ard slot aepts disrete, analog I/O, high-speed ounting/ pulse output and ommuniation modules. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 20

21 DL205 modular PLC If your appliation requires the flexibility of a modular ontrol system, a DL205 PLC is the lowest ost, most versatile solution you'll find. In fat, all you need to do is pik out a CPU, plug it in the first slot of the base you hoose, and then mix and math various modules into the available slots. The DL205 features: Four base sizes with built-in power supply, inluding 12/ 24 VDC, 110/ 220 VAC and 125 VDC power soures. AC/DC disrete in/out, up to 32 points 10 A relay out 12-bit and 16-bit analog inputs and outputs Temperature inputs Data ommuniations, inluding serial and Ethernet modules Counter input/ pulse output Remote I/O master and slave, Ethernet and serial remote I/O D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 21

22 Diagrama P&ID (Pipeline & Instrumentation Diagram) Identifiaión del instrumento: TRC 2A Tres primeras letras: Identifiaión funional del dispositivo. Dos últimas letras: Identifiaión del lugar físio o lazos. 1ª letra: Variable medida o ontrolada. Ejemplo: T sensor temperatura. 2ª y 3ª letras: Funiones del elemento en uestión: Ejemplo R: Registrador y C: Controlador. 4ª y 5ª letras: Ejemplo: Lazo 2 y A india primero de otros elementos del mismo lazo. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 22

23 KC 1 TRC 1 TT 1 LR 2 LT 2 LR 3 LT 3 TRC 4 TT 4 : Controlador de tiempo asoiado al lazo de ontrol número 1 (setpoint). : Registrador y ontrolador de temperatura asoiado al lazo de ontrol 1. : Transmisor de temperatura asoiado al lazo 1. : Registrador de nivel del estanque asoiado al lazo de ontrol 2. : Transmisor del nivel de estanque asoiado al lazo 2. : Registrador de nivel asoiado al lazo 3. : Transmisor de nivel asoiado al lazo 3. : Registrador y ontrolador de temperatura asoiado al lazo 4. : Transmisor de temperatura asoiado al lazo 4. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 23

24 Los írulos que llevan una raya horizontal al medio Ө indian que el instrumento esta montado en el panel. Sino, quiere deir que el instrumento se haya en el lugar mismo en que se hae la mediión. Las líneas llenas Las líneas Las líneas Las líneas indian líneas del proeso. Trasmisión hidráulia. indian transmisión de señales. indian transmisión de señales neumátias. : Válvulas. : Bombas. D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 24

25 D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 25

26 D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 26

27 D. Sáez, EL4004 Dpto. Ing. Elétria, U. Chile. 27