CONTROL PID USANDO UN AUTÓMATA S7-200 DE SIEMENS

3º INGENIERÍA INDUSTRIAL AUTÓMATAS Y SISTEMAS DE CONTROL PRÁCTICA SISTEMAS DE CONTROL CONTROL PID USANDO UN AUTÓMATA S7-200 DE SIEMENS 1.- OBJETIVOS En la industria existen numerosos procesos a controlar (temperatura de un inyector, velocidad de una cinta transportadora, posición de un actuador eléctrico,...) y a su vez, también es conocida la gran utilización de autómatas programables debido a su potencia, versatilidad y precio. En muchas ocasiones se usan para el control de los citados procesos PID s industriales (existen muchas marcas en el mercado como WATLOW, OMRON, eurotherm,...), pero el problema de éstos es que su período de muestreo no puede bajar de los 0.1... 0.5 segundos dependiendo de la marca y el modelo. Este período de muestreo es bueno para controlar procesos térmicos (control de temperatura) pero para controlar la velocidad de un motor, no es suficiente. Una solución a este problema puede ser dotar a uno de los autómatas que tengamos en planta de una tarjeta E/S analógi ca. En nuestro caso, utilizaremos un autómata SIEMENS S7-200 (concretamente un 214) con un módulo analógico EM235. Con ellos podemos llegar a muestrear del orden de milisegundos (0.001... 0.005), aunque este tiempo de muestreo depende en gran medida de la carga computacional que tenga la CPU. En esta práctica proponemos controlar un servomotor en posición y velocidad, procesos que no se pueden realizar con un PID industrial, por lo que es el ejemplo ideal de elección de sistema de control. En este documento podemos encontrar además del enunciado de la práctica, una ayuda completa para programar el PID, el modo de utilizar el PID una vez programado, la forma de configurar el módulo analógico y el programa resultante. 1

2.- CONTROL DE POSICIÓN DE UN SERVOMOTOR Se realizará la programación del control de posición de un servomotor accionado mediante una salida analógica(aqw0) del autómata de 10 a 10v. La posición del servomotor se determina mediante un potenciómetro rotativo que proporciona una señal de 10 a 10v que será conectada a una entrada analógica del autómata(aiw2). Mediante el asistente PID se realizará el programa de control de posición del servomotor. La tabla de lazo comenzará en la posición VB100. Mediante la tabla de estado se leerán los 9 elementos de dicha tabla y se forzarán cada uno de dichos elementos a los valores indicados en los experimentos. En los dos experimentos se variará la consigna entre 0.3 y 0.7 para cada uno de los distintos valores de controlador propuesto. Experimentos: 1. Sólo control proporcional Nota: Configurar el módulo analógico 10 a +10v Parámetros: VD116 = 0,01 VD128 = 0,5 VD120 = 1E+13 VD124 = 0 Tiempo de muestreo Bias (ver tabla en Anexo II) Tiempo de acción integral Tiempo de acción diferencial Variar la constante proporcional VD112 dando le los siguiente valores: 0.1, 0.5, 1.0, 3.0, 10.0 2. Proporcional + Diferencial Con los mismos parámetros del experimento 1. VD112 = 10,0 y VD124 = 0. Con los mismos parámetros del experimento 1. VD112 = 10,0 y VD124 = 0,002. Con los mismos parámetros del experimento 1. VD112 = 30,0 y VD124 = 0,002. 3.- CONTROL DE VELOCIDAD DE UN SERVOMOTOR Se realizará la programación del control de velocidad de un servomotor accionado mediante una salida analógica(aqw0) del autómata de 0 a 10v. La velocidad del servomotor se determina mediante un tacometro que proporciona una señal de 0 a 10v que será conectada a una entrada analógica del autómata(aiw2). Se programará el PID que realice el control de velocidad del servomotor con ayuda de los ejemplos proporcionados en teoria. La tabla de lazo comenzará en la posición VB100. Mediante la tabla de estado se leerán los 9 elementos de dicha tabla y se forzarán cada uno de dichos elementos a los valores indicados en los experimentos. En los experimentos se utilizará el freno manual del servomotor para ver el efecto del controlador propuesto. Nota: Configurar el módulo analógico 0 a +10v 2

Experimentos: 1. Sólo control proporcional Parámetros: VD116 = 0,01 VD128 = 0 VD120 = 1E+13 VD124 = 0 Tiempo de muestreo Bias (ver tabla en Anexo II) Tiempo de acción integral Tiempo de acción diferencial Variar la constante proporcional VD112 dando le los siguiente valores: 3, 6, 10, 20.0 Disminuye el error en régimen permanente pero no se hace nulo. 2. Proporcional + Diferencial Parámetros: VD112 = 3,0 VD116 = 0,01 VD128 0 VD124 = 0 Cte proporcional Tiempo de muestreo Bias (ver tabla en Anexo II) Tiempo de acción diferencial Con dichos parámetros variar VD120 (Tiempo de acción integral) entre los valores 0.1, 0.01, 0.001 Para programar un control PID con un SIEMENS asistente PID que incorpora el software Step 7 MicroWin 32. S7-200, disponemos de una gran ayuda gracias al Describamos primero el funcionamiento del PID de SIEMENS y pasaremos después a mostrar paso a paso las ventanas que nos aparecen en el asistente. 4.- ASISTENTE PID (DESCRIPCIÓN) Nota: El Asistente PID sólo está disponible en el modo SIMATIC. 3.1.- Para usar el asistente definimos una serie de pasos a seguir para programar con éxito nuestro control. PASO 1 Elegir un lazo 2 Ajustar los parámetros del lazo 3 Opciones de entrada y salida del lazo 4 Opciones de alarma del lazo 5 Especificar el área de memoria para cálculos 6 Especificar la subrutina de inicialización y la rutina de interrupción 7 Generar el código El Asistente de operaciones S7-200 se puede utilizar para simplificar la configuración de operaciones PID. El Asistente le solicita que introduzca las opciones de inicialización y genera luego un bloque lógico y un 3

bloque de datos para la configuración que se haya indicado. Tras elegir PID en la primera pantalla, el Asistente le solicita que introduzca las siguientes informaciones: PASO 1 Elegir un lazo Qué lazo PID desea configurar? Las diferentes CPUs soportan un número diferente de lazos PID, tendremos que buscar en la ayuda del autómata específico que estamos usando para extraer este dato, pero en nuestro caso, usaremos solamente un PID, por lo que todas las CPUs de la serie 200 nos servirían. PASO 2 Ajustar los parámetros del lazo Acciones a realizar: 1. La operación PID utiliza una tabla de parámetros de 36 bytes en la memoria V. Se debe indicar la dirección de dicha tabla en forma de dirección directa (byte) de la memoria V. Nota: No es recomendable definir un nombre simbólico para la dirección de la tabla de parámetros. El código generado por el Asistente PID utiliza esa dirección para crear operandos en forma de offsets relativos a la tabla de parámetros. Si define un nombre simbólico para la tabla de parámetros y cambia luego la dirección asignada a dicho símbolo, el código generado por el Asistente PID no se ejecutará correctamente. 2. Indicar la consigna normalizada del lazo. Para dicha consigna se puede indicar una dirección de palabra doble o una constante que debe ser un número real comprendido entre 0.00 y 1.00. En este punto, nos hemos de hacer una serie de preguntas que son de vital importancia para la realización del control: Cuál de be ser la consigna del lazo?, Cuál es el tiempo de muestreo del lazo?, Cuál es el tiempo de acción integral del lazo?, Cuál es el tiempo de acción derivada del lazo?. Consultar el ANEXOIII Cálculo PID para obtener una descripción de cómo los parámetros del lazo afectan la ejecución del cálculo PID. PASO 3 Ajustar las opciones de entrada y salida del lazo Opciones de la entrada del lazo: 1. Cuál es el la variable del proceso? Ésta se puede indicar como dirección de palabra o como símbolo definido. 2. Cómo se debe escalar la variable del proceso antes de calcular el lazo? Opciones de la salida del lazo: 1. Se trata de una salida digital o analógica? 2. Cuál es el la variable de salida del lazo? Si la salida es analógica, se podrá indicar una dirección de palabra o un símbolo definido. Si la salida es digital, se podrá indicar una dirección de bit o un símbolo definido. 3. Cómo se debe escalar la salida antes de calcular el lazo? PASO 4 Ajustar las opciones de alarma del lazo 4

1. Se debe activar un bit como valor de alarma baja? En caso afirmativo, se puede indicar una dirección de bit o un símbolo definido, así como especificar el límite de la alarma baja. 2. Se debe activar un bit como valor de alarma alta? En caso afirmativo, se puede indicar una dirección de bit o un símbolo definido, así como especificar el límite de la alarma alta. 3. Se debe activar un bit para indicar un error en el módulo de entradas analógicas? En caso afirmativo, se puede indicar una dirección de bit o un símbolo definido, así como especificar en qué posición está conectado el módulo de entradas a la CPU. PASO 5 Especificar el área de memoria para cálculos 1. El cálculo PID requiere una memoria "borrador para los resultados intermedios. Es preciso indicar la dirección (de byte) de la memoria V donde debe comenzar el área de cálculo. 2. Opcional: Desea agregar el control manual del lazo PID? PASO 6 Especificar la subrutina de inicialización y la rutina de interrupción En esta pantalla se pueden asignar nombres a la subrutina de inicialización y a la rutina de interrupción que generará el Asistente. PASO 7 Generar el código PID Esta pantalla muestra una lista de las unidades de organización del programa generadas por el Asistente PID y describe brevemente cómo se deben integrar en el programa. Tras responder a las preguntas y hacer clic en el botón "Cerrar", el Asistente de operaciones S7-200 generará el bloque lógico y el bloque de datos para la configuración que se haya indicado. 5.- ASISTENTE PID (INTRODUCCIÓN DE DATOS VENTANA A VENTANA) Para la programación del regulador usando este tipo de sistema, usamos el ya nombrado Step 7 MicroWin 32, de forma que partimos de una correcta instalación del software y de la configuración del programa para trabajar con el autómata correspondiente. Para más información sobre estos temas, remitirse a la práctica correspondiente. Aplicaremos el asistente al control de velocidad que se pide como segunda parte en el enunciado de la práctica, dejando como tarea el realizar las modificaciones oportunas para que funcione el control de posición (primera parte). Una vez abierto el programa, en la opción Herramientas, encontramos la opción del asistende de operaciones. Pulsamos sobre ella. 5

Una vez seleccionada esta opción, nos aparece la pantalla que podemos ver abajo. En ella tenemos las opciones de PID, NETR/NETW y HSC. Seleccionamos la opción PID y pulsamos con el ratón en Siguiente. En este momento nos aparece la pantalla con nombre Asistente de operaciones S7-200 (PID) en el que se nos pregunta que lazo queremos configurar. Seleccionamos el lazo 0, que es el que tenemos por defecto. 6

Una vez pasamos de pantalla, comenzamos con la configuración del PID propiamente dicha. En primer lugar tenemos que usar 36 bytes de memoria del autómata para depositar una tabla en la que se encontrarán parámetros de configuración. Ponemos este valor a VB100 como se especifica en el enunciado de la práctica en lugar de dejar el VB0 que tenemos en la pantalla por defecto. Por otra parte tenemos la consigna normalizada del lazo (VD4), que será la referencia del sistema de control. Este valor ha de ir entre 0 y 1. En el enunciado de la práctica tenemos varios valores de prueba. En los parámetros del lazo, tenemos que especificar la ganancia, el tiempo de acción integral, el de derivativa y el período de muestreo. Para anular la acción derivativa, recordemos, hay que poner su valor a cero, pero en el caso del tiempo de acción integral, tenemos que poner un tiempo muy grande. El máximo permitido en el asistente es 9999999, pero después en Bloque de datos, podemos introducir el 1E+013 que la práctica nos pide. El período de muestreo está en segundos y a pesar de que por defecto tenemos 1.00 seg. podemos llegar a unidades de milisegundo. Pero este tiempo depende de la carga de la CPU (tamaño del programa que esté ejecutando, tiempo de comunicaciones,...) como ya se explicó anteriormente. Si seleccionamos un T demasiado pequeño (el autómata no es capaz de procesar el algoritmo PID en el tiempo especificado), el S7-200 se pondrá automáticamente en modo STOP, indicando que no puede ejecutar el programa. Accediendo a la siguiente pantalla, configuramos las opciones de la entrada y la salida del lazo. En la entrada, especificamos escalado unipolar debido a que vamos a programar control de velocidad y lo mismo con el escalado de la salida. Para los autómatas de los que se dispone, seleccionaremos AIW2 en la entrada y AQW0 en la salida debido a que éstos son accesibles desde el frontal. Pulsando en Siguiente pasamos a la siguiente pantalla. 7

El sistema dispone de diversas alarmas de lazo, pero no usaremos ninguna de ellas en esta práctica. El cálculo de la acción de control en función del error y de los parámetros de PID es el resultado de una serie de operaciones que se han de realizar en la memoria del autómata. Para realizar estos cálculos hemos de especificar la posición de memoria a partir de la cual se realizarán. En este caso podemos dejar el valor que nos viene por defecto en el asistente, VB54. Por otra parte, podemos tener una entrada del autómata que controle la ejecución del algoritmo. Si no activamos la pestaña Activar control manual del PID, el PID se ejecuta con la SM0.0, es decir, siempre. Pero podemos desear que la entrada I0.6 controle la activación del regulador, en tal caso, seleccionamos la pestaña y especificamos dicha entrada en lugar de la I0.0 que se nos presenta por defecto. El asistente creará dos rutinas para manejar el PID, una de inicialización y otra de interrupción, podemos darles el nombre que queramos, PID_Ini y PID_Int o A y B, es indiferente. Lo que si deberemos hacer es 8

llamar desde el programa principal a la subrutina de inicialización con SM0.0, como se especifica en la última pantalla del asistente. En el bloque de datos del programa en uso podemos encontrar la lista de los valores para cada variable. Una vez programado el PID en el autómata, podemos cambiar el valor de éstos y ajustar el regulador, cosa que se pide en el desarrollo de esta práctica. En la siguiente figura tenemos la pantalla del bloque de datos mencionada, valores que podemos modificar desde la tabla de estado. Bloque de datos: 9

Tabla de estado: 10

6.- ANEXO I Regulación PID La operación Regulación PID ejecuta el cálculo de un lazo de regulación PID en el LOOP referenciado en base a las informaciones de entrada y configuración definidas en Table (TBL). Condiciones de error que ponen ENO a 0: 0006 (direccionamiento indirecto), SM1.1 (desbordamiento), SM4.3 (tiempo de ejecución). Estas operaciones afectan a las siguientes marcas especiales: SM1.1 (desbordamiento). La operación PID (lazo de regulación con acción proporcional, integral, derivada) sirve para ejecutar el cálculo PID. Para habilitar el cálculo PID, el primer nivel de la pila lógica (TOS) deberá estar en ON (circulación de corriente). Esta operación tiene dos operandos: una dirección TBL que constituye la dirección inicial de la tabla del lazo y un número LOOP que es una constante comprendida entre 0 y 7. Un programa sólo admite ocho operaciones PID. Si se utilizan dos o más operaciones PID con el mismo número de lazo (aunque tengan diferentes direcciones de tabla), los dos cálculos PID se interferirán mutuamente siendo incierta la salida resultante. La tabla del lazo almacena nueve parámetros que sirven para controlar y supervisar la operación del mismo. Incluye el valor actual y previo de la variable del proceso (valor real), la consigna, la salida o magnitud manipulada, la ganancia, el tiempo de muestreo, el tiempo de acción integral, el tiempo de acción derivada y la suma integral (bias).para poder realizar el cálculo PID con el intervalo de muestreo deseado, la operación PID deberá ejecutarse bien dentro de una rutina de interrupción temporizada o desde el programa principal, a intervalos controlados por un temporizador. El tiempo de muestreo debe definirse en calidad de entrada para la operación PID a través de la tabla del lazo. 11

7.- ANEXO II 8.- ANEXO III El algoritmo PID En estado estacionario, un regulador PID varía el valor de su salida para llevar a cero el error de regulación (e). Éste último se expresa como la diferencia entre el valor de consigna del lazo (SP) (el punto de trabajo deseado) y la entrada del lazo o variable del proceso (PV) (el punto de trabajo real). El principio de la regulación PID se basa en la ecuación que aparece abajo. Dicha ecuación expresa la salida del lazo (Mn) como una función de un término proporcional, uno integral y uno diferencial: 12

donde: El término proporcional El término proporcional MP es el producto de la ganancia (Kc), la cual controla la sensibilidad del cálculo de la salida, y del error (e) que es la diferencia entre el valor de consigna (SP) y la variable del proceso (PV) para un instante de muestreo determinado. La ecuación que representa el término proporcional según la resuelve la CPU es la siguiente: donde: El término integral El término integral MI es proporcional a la suma del error del lazo a lo largo del tiempo. La ecuación que representa el término integral tal y como la resuelve la CPU es: donde: El término diferencial El término diferencial MD, como lo implementa la CPU, es proporcional al cambio en la variable del proceso (PV). La ecuación del término diferencial es la siguiente: 13

donde: Ello implica que la variable del proceso se debe guardar para usarla en el próximo cálculo del término diferencial. En el instante del primer cálculo, el valor de PVn -1 se inicializa a un valor igual a PVn. Selección del tipo de regulación En muchos sistemas de regulación solo es necesario emplear una o dos acciones de regulación. Así, por ejemplo, puede requerirse únicamente la regulación proporcional o la regulación proporcional e integral. El tipo de regulación se selecciona ajustando correspondientemente los valores de los parámetros constantes del lazo. Así, si no se desea acción integral (sin "I" en el cálculo PID), entonces el tiempo de acción integral deberá ajustarse a infinito (tiempo integral). Incluso sin acción integral el valor del término integral puede no ser cero debido a que la suma integral MX puede tener un valor inicial. Si no se desea acción derivada (sin "D" en el cálculo PID), entonces el tiempo de acción derivada deberá ajustarse a 0.0. Si no se desea acción proporcional (sin "P" en el cálculo PID) y se desea regulación I o ID, entonces la ganancia del lazo deberá ajustarse a 0.0. Como la ganancia interviene en las ecuaciones para calcular los términos integral y diferencial, si se ajusta a 0.0 resulta un valor de 1.0, que es el utilizado para calcular los términos integral y diferencial. 9.- ANEXO IV Conexiones eléctricas. Control PID de posición: pin 11 ADAM(DB-37) : masa (de la entratada y de la salida) pin 33 ADAM(DB-37) : entrada al actuador de potencia del motor (AQW0) pin 12 ADAM(DB-37) : salida del potenciómetro de posición del motor (AIW2) Control PID de velocidad: pin 11 ADAM(DB-37) : masa (de la entratada y de la salida) pin 33 ADAM(DB-37) : entrada al actuador de potencia del motor (AQW0) pin 35 ADAM(DB-37) : salida del tacómetro del motor (AIW2) 14