1/41 SISTEMAS DE CONTROL! Controladores! Sistemas de control: antecedentes! Sistemas de control actuales! Arquitectura de control
Controladores 2/41 Bucle Feedback (retroalimentación) v1 TC v2
3/41 Indicar si los siguientes sistemas son controlados por realimentación y en caso positivo identificar el sensor, actuador y controlador. El sistema de calefacción por termostato de una casa La conducción de un vehículo
4/41 Indicar si es posible efectuar un control por realimentación en los siguientes sistemas:
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7/41 Bucle Feedback en planta v1 A/D 4-20 ma T D/A A 4-20 ma I/P v2 3-15 psi
8/41 Controlador! El controlador recibe la señal del transmisor, la compara con el punto de consigna y determina (mediante algún algoritmo) la señal de salida a enviar a la válvula de control. v1 TC Propiedades de un controlador Buen comportamiento Amplio rango de aplicabilidad Cálculos a tiempo Extensible Adaptable Posibilidad de cambiar automático/ manual v2 PID
9/41 Panel de mandos de un controlador
El controlador on-off 10/41 Genera dos únicos valores para el actuador en función de que el error sea mayor o menor que el set point. (ej, termostatos de las calefacciones)
El controlador PID! Proporcional! Integral! Derivativo 11/41 Desarrollado en los años 40 es el controlador MAS empleado en la industria de procesos hoy en día. Realiza el cálculo de control en bucles SISO (una entrada-una salida). Tiene tres modos de actuación: Proporcional, Integral y Derivativo. No es necesario que un controlador tenga los tres modos, existen también controladores: Proporcionales (P) Proporcionales-Integrales (PI)
Controlador Proporcional 12/41 Corrección proporcional al error MV=K*e+bias Dado: Caudal entrada 1l/min Ganancia del controlador 10 Set point 4m LC Calcular la altura final del depósito empleando el controlador proporcional d h d t F o u t = F -F i n o u t = K ( S P- h ) c d h e n e s t a d o e s t a c i o n a r i o = 0 d t F = o u t F i n -1 1 = 10 ( 4 -h ) h= 3, 9 m? Influencia de la ganancia (altura final para Kc=20)? Offset
Controlador Proporcional 13/41 Cambio en la posición de la válvula Abierta 100% Recta de operación del controlador correspondiente a una Ganancia=1 acción inversa Posicionamiento de la válvula M Cerrada 0% 0% Error Punto de consigna (set point) Variable controlada 100%
e l b a i r a V 0.25 d 0.2 e l l 0.15 o r 0.1 t n oe 0.05 Cl b a i r a V d e t a l u p i n a M 0.8 d e 0.6 l l o 0.4 r t n 0.2 eo lc b a 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 i r Time a V 1 d e t a l u p i em a n l b a i r a V 0.5 0-0.5-1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time 0-5 -10-15 -20-25 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time Influencia de la ganancia i a b l e r a V 0.8 d e 0.6 l l o 0.4 r t n 0.2 oe Cl b a i r a V 0.3 0.2 0.1 14/41 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time 0 Kc = 0 d u e -2 Kc =10 p i -4 n a M -6 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time e 0 l b a -0.1 0 i 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 r a V d Kc = 100 l e u Kc = 220 p i n a M Time
Controlador Proporcional-Integral 15/41 Acción integral: Corrección proporcional a la integral del error K = + c MV KcE E τ I? Influencia de tiempo integral: empeora la dinámica? No hay offset Controlador Proporcional-Integral-Derivativo Acción derivativa: Corrección proporcional a la derivada del error K de MV = K E + E + K T dt c c c D τ I? Influencia de tiempo derivativo: mejora la dinámica? Amplifica los ruidos K MV = K E + E + K T c c c D τ I dcv dt
Acción del controlador Directa: Ante un incremento de la variable controlada el controlador responde con un incremento de su señal de salida Inversa. Ante un incremento de la variable controlada el controlador responde con un decremento de su señal de salida. e=sp-pv e=pv-sp 16/41 Depende de la respuesta del proceso y de la acción de la válvula ante fallo (si la salida del controlador es en intensidad). Ver la relación que debe haber entre la variable controlada y la manipulada y deducir a partir de ahí yendo desde la válvula al controlador. Cómo es la acción de los controladores presentes en las figuras?
Acción del controlador 17/41 Fail open: efecto inverso (cambia la acción del controlador) Fail close: efecto directo (no cambia la acción del controlador) Si es f.c.: La válvula no cambia acción del controlador. FIC: Ante aumento de fuel debe meter menos fuel, como f.c. no cambia la acción, tenemos FIC es ACCIÓN INVERSA TIC: Ante aumento de temperatura debe meter menos fuel, es inverso, actuando sobre el set point (lo baja) lo que es igual que un aumento de flujo de Fuel, ACCIÓN INVERSA Se necesita: Se necesita: s.p. TIC válvula (f.c. directo) FIC Luego TIC INVERSA Luego FIC INVERSO
Lazos básicos 18/41 Control de presión Control de nivel PI / P (PID raro): depende de volumen Relativamente alta ganancia. Control de temperatura PI / P (PID raro): depende de volumen y caudales Con ruido. Alta ganancia. Control de caudal PID: lento con inercia, sin ruido Ganancia alga y tiempo integral Moderado-alto PI: rápido, no lineal y con ruido (sensores sensibles) La dinámica depende del elemento final de control Ganancia pequeña y tempo integral corto.
19/41 Lazos básicos Control de presión Control de nivel Control de caudal Control de temperatura Control de composición Tipo de controlador PI / P (PID raro) PI / P (PID raro) PI PID PI/PID (poco usual)
20/41 Sistemas de control
21/41! Antecedentes Controladores neumáticos - Fase I! Aparecen en los años 20! Instalados en campo cerca de las válvulas! Utiliza elementos neumáticos para implementar la acción del PID.! Sustituyó el control manual de muchos lazos.
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23/41 Controladores neumáticos - Fase II! A finales de los 30 aparece la transmisión neumática.! Los controladores se sitúan en una sala de control en lugar de en campo! Los operadores pueden manejar varios lazos al mismo tiempo.
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Controladores analógicos 25/41! Aparecen a finales de los años 50. Sistemas punto a punto.! Reemplaza el tubing neumático por cables.! Emplea resistores, capacitores y transistores para implementar la acción del PID.! En 1970 desaparecen los controladores neumáticos.! Permiten estrategias de control avanzado: ratio, adelanto, etc.
Panel de control con elementos electrónicos 26/41
27/41 Sistemas de control por computador: supervisión y vigilancia! Basado en un computador digital.! Permitía almacenamiento de datos, funciones de alarma, optimización del proceso.! Se instaló el primer sistema en una refinería en 1959.! Tenía problemas de fiabilidad.
28/41 Control de supervisión por computador Video Display Unit Alarming Functions Printer Supervisory Control Computer Analog Control Subsytem... Interfacing Hardware Data Storage Acquisition System
29/41 Control Digital Directo! Un ordenador central realiza los cálculos de todos los lazos de control.! Recibe y manda todas las señales una vez acondicionadas por convertidores A/D.! Alto precio.! Poco fiable.
! Sistemas actuales: PLCs 30/41! Para pequeños/medianos sistemas.! Dispositivos programables orientados a implementar funciones lógicas y secuenciales conectados a un proceso CPU Comunicaciones Tarjetas I/O (digitales y analógicas) Fuente de alimentación
31/41 Ciclo de trabajo Memoria de programa Memoria Imagen de las entradas CPU Memoria Imagen de las salidas Tarjetas de entrada Memoria de datos Tarjetas de salida Sensores del Proceso Actuadores del Proceso
32/41 Programación PC ó consola Programación mediante software de configuración Transferencia al PLC mediante conexión RS-232 o red Distintas formas de ejecución del programa: cíclica, a una hora, por evento, etc Posibilidad de supervisión/ depuración desde el PC
Aplicaciones 33/41
! Sistemas actuales: DCS 34/41! Introducido a finales de los años 70.! Distributed Control System. Sistema de Control Distribuido: Distribución funcional y geográfica.! Funcional: Múltiples microprocesadores atendiendo a un número limitado de acciones (más fiabilidad)! Geográfico: Armarios de adquisición de datos cerca del proceso.
35/41 Requisitos de los DCS! Sistema de control y supervisión! Procesador e interfase forman un conjunto indivisible. Configurable.! Es una solución estándar, escalable, y tipificable.
36/41 Componentes Estaciones de control y adquisición de datos
37/41 Interfases hombre máquina (MMI o HMI)
Software de programación/configuración 38/41! Software de configuración! Puntos de entrada/salida! Tratamiento de la señal! Tratamiento de alarmas! Selección de algoritmos! Algoritmos de control! Configuración de parámetros! Funciones de cálculo! Software de visualización/representación Estaciones auxiliares! Estaciones de comunicaciones entre los diferentes niveles: gateways,bridges! Estaciones de ingeniería (pueden utilizar recursos comunes.
Arquitecturas de control 39/41
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43/41 Requisitos de los niveles de control
Comunicaciones Analógica Digital 44/41
45/41 Bus de campo (field bus)
Protocolos 46/41
Pasado, presente y futuro 47/41