comisionamiento de lazos de control con planta virtual ......fuente:diapositivas curso: control...

Comisionamiento de Lazos de Control con Planta Virtualempleando Plataformas IndustrialesMaestría en Automatización y Control (MACI)

Douglas A. Plaza Guingla, Ph.D.

Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación (FIEC)Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Guayaquil, March 3, 2021

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1 MotivaciónRelación Academia-Industria en el área de ControlDigital Industry

2 Sistemas de controlLazo de control automáticoObtención del modelo matemático empíricoControlador PID IndustrialSintonización del controlador PIDSintonización Automática

3 Comisionado con Planta VirtualLibrerías en plataformas industrialesComisionado de PID Compact en Siemens

4 Conclusiones

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1 MotivaciónRelación Academia-Industria en el área de ControlDigital Industry

2 Sistemas de controlLazo de control automáticoObtención del modelo matemático empíricoControlador PID IndustrialSintonización del controlador PIDSintonización Automática

3 Comisionado con Planta VirtualLibrerías en plataformas industrialesComisionado de PID Compact en Siemens

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Relación Industria-AcademiaEn mayo del 2018 tuve la oportunidad de asistir al congreso científico: 3eraConferencia IFAC de los avances del control PID. Asistí en calidad de expositorde un artículo relacionado a la sintonización de controladores PID basado enel Control por Modelo Interno.

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Relación Industria-AcademiaIndustria:

Kevin StarrKevin Starr began his career installing, tuning, and training on industrialautomation systems. His ABB career has enabled him to work in a wide varietyof process industries, including chemical, metals, mining, plastics, oil & gas,pulp & paper, rubber, and water treatment. Kevin has taught process controltechniques and implemented optimization services for ABB all over the world.https://www.youtube.com/watch?v=boGxBTZx-ek&list=PLOgEb39vsYlsZGdZV-aYeaH4gxYVXxsuw

Academia:

Karl Astrom and Tore HagglundProfessors at Lund Universiy, Lund, Suecia. Entre una de sus mayorescontribuciones a la ingenería de control ha sido el desarrollo del "Método delRelé" en 1984 (The Åström-Hägglund method). Método que permitióimplementar autosintonizadores en los controladores industriales.https://www.youtube.com/watch?v=R-h66PrQ808

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Relación Industria-Academia

Academia:

Robin De KeyserProfessor at Ghent University, Ghent, Belgium. Desarrolló uno de los métodosdel control predictivo basado en modelo: EPSAC (lineal), NEPSAC (no-lineal).Ha propuesto mejoras al método del relé empleando métodos de repuesta defrecuencia: Método Kaiser-Rajka. Robin es profesor internacional de nuestroprograma MACI y también el profesor Daniel Rivera de ASU University,Phoenix, USA. Daniel Rivera ha sido parte del grupo que desarrolló el métodoControl por Modelo Interno

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Relación Industria-Academia

Soy académico...

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Relación Industria-Academia...con motivación de direccionar la investigación a la aplicación.

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Optimización de procesos importantes en la pirámide deautomatización

https://miro.medium.com/max/700/0*WsJQDgJdj5vXVVBx

El IIoT permite la integración de las distintas capas de la pirámide de unamanera eficiente (transferencia de información clave de la empresa en elmomento en que se la necesita). Por otro lado el concepto CLOUD buscaanalizar la data empleando tiempos bajos haciendo predicciones/proyeccionesacertadas. (AI-Data Science).

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Estrategia de Digitalización de la Industria Siemens

https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/your-success/digital-transformation-strategy/

Gemelo DigitalEl Gemelo Digital reproduce en un computador el comportamiento del sistemafísico real. Los componentes fundamentales del gemelo digital son: el modelodel objeto, proceso o servico y los datos.

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Estrategia de Digitalización Rockwell Automation

https://www.rockwellautomation.com/en-au/capabilities/digital-transformation.html

Conclusiones de la sección motivaciónTanto en la estrategia que utiliza el gemelo digital (Siemens) y la queutiliza a la realidad aumentada (RA) es importante contar con modelos.Los modelos se representan con ecuaciones o estructuras matemáticas(ecuaciones diferenciales, series de tiempo, black-box, white-box, funciónde transferencia, espacio de estados, modelos escondidos de Markov,redes Bayesianas, redes Neuronales, etc).En control industrial se emplean Funciones de Transferencia.(douplaza@espol.edu.ec) Conferencia Hablemos de: 12 / 39

La industria del "futuro"

https://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/br/cie-br002_-en-p.pdf

La universidad tiene la gran oportunidad de mejorar sus programasacadémicos empleando tecnología industrial virtual (Motivo de la charla dehoy, un grano de arena dentro del mundo de la digitalización). ESPOL vienetrabjando con Siemens y Rockwell Automation en esta estrategia.

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Lazo de control automático industrialTodo lazo de control está formado por: el actuador y sensor-transmisor queforman la instrumentación, el controlador (PLC) y el proceso a controlar.

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Experimento: Respuesta al escalón en lazo abierto

El experimento consiste en aplicar una señal escalón a la entrada de la válvula(mA) y registrar los datos de salida de la planta (Temperatura).

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Experimento: Respuesta al escalón en lazo abiertoLos datos registrados de la salida se los grafican. Los parámetros t28.3%, t63.2%

y ∆Y se los obtienen a partir de la gráfica.

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Modelo First order plus dead time FOPDTSe emplea el método empírico de los dos puntos para obtener el modeloFOPDT.

Método de los dos puntos

τp = 1.5(t63.2%− t28.3%) θ = t63.2 − τp

t28.3% = 2.3, t63.2% = 3.2,

τp = 1.5(t63.2%− t28.3%) = 1.35

θ = t63.2 − τp = 1.85

∆U = 2.25, ∆Y = 135 kp =∆Y∆U

= 60.

Por tanto el modelo FOPDT del reactor está dado por:

Gp(s) =kp

τps + 1e−θs Gp =

601.35s + 1

e−1.85s

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Modelo FOPDT del reactor

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Controlador PID Estructura Standard

Estructura StandardEn el dominio del tiempo

u(t) = kc

(e(t) +

1τI

∫e(t)dt + τD

de(t)dt

).

En el dominio de la frecuencia: Función de Transferencia

U(s)

E(s)= kc

(1 +

1τIs

+ τDs

)= kc

(τIτDs2 + τIs + 1

τIs

).

La función de transferencia es impropia. Para que la función de transferenciasea implementable/realizable, esta deberá ser al menos semipropia por tantose agrega un filtro con una constante de tiempo τF de valor τF = 1

0.1 τD

U(s)

E(s)= Gc(s) = kc

(1 +

1τIs

+ τDs1

τF s + 1

).

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Controlador PID Estructura Standard

A continuación mostramos la estructura standard en diagrama de bloques(SIMULINK). Considerando una planta de primer orden.

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Bloque funcional PID_compact en TIA Portal

https://support.industry.siemens.com/cs/document/108210036/simatic-s7-1200-s7-1500-pid-control?dti=0&lc=en-WW

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Bloque funcional PID_compact en TIA Portal

https://support.industry.siemens.com/cs/document/108210036/simatic-s7-1200-s7-1500-pid-control?dti=0&lc=en-WW

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Método de Sintonización: Síntesis Directa

Fundamento del métodoSi defino de antemano el comportamiento dinámico del sistema en lazocerrado, por ejemplo una dinámica de primer orden:

GCL(s) =1

τCLs + 1.

Entonces, si conozco el modelo del proceso podré encontrar (diseñar) elcontrolador.

kc =1

kpτCLτp

τI = τp τD = 0.

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Implementación PIDA continuación se presenta el diagrama de bloques de un sistema en lazocerrado con una planta de primer orden Gp(s) = 10

5s+1 y un controlador PID.Las ganancias del controlador han sido sintonizadas de acuerdo al método desíntesis directa.

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Autotuners: Métodos AH, KC, KR

Fuente:Diapositivas curso: Control Avanzado de Procesos, MACI 2021.(douplaza@espol.edu.ec) Conferencia Hablemos de: 29 / 39

Autotuners: Métodos AH, KC, KR

Fuente:Diapositivas curso: Control Adaptivo y Predictivo, MACI 2019.

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Comisionado con Planta virtual

Planta virtualRepresentación en función de transferencia de la dinámica de la variable desalida del proceso ante cambios en la entrada. En resumen es lo queconocemos en teoría de control como el modelo.

Las plataformas industriales cuentan actualmente con modelos de procesoscomo bloques funcionales.Ejemplos:

Siemens:TIA Portal: Ofrece públicamente la librería LSIM. https://cache.industry.siemens.com/dl/files/707/79047707/att_915342/v1/79047707_LSim_DOC_V3_0_0_en.pdf

Rockwell Automation:Studio 500: Para PLCs ControlLogix yCompactLogix existen bloques funcionales que representan procesosincluso control por modelo interno y control multivariable. https://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/rm/1756-rm006_-en-p~k.pdf

CODESYS: Librería de lazos de Controlhttps://store.codesys.com/control-loop-library.html?___store=en

OSCAT library: La librería OSCAT ofrece bloques para control yprocesamiento de señales. Es abierta y gratis. http://www.oscat.de/

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Comisionado con PID_compact

PretuningThe pretuning determines the processresponse to a jump change of the output valueand searches for the point of inflection. ThePID parameters are calculated from themaximum rate of rise and dead time of thecontrolled system. You obtain the best PIDparameters when you perform pretuning andfine tuning.

De acuerdo a manuales de Siemens, se emplean dos métodos desintonización en pretuning:

Chien, Hrones, Reswick PID

Chien, Hrones, Reswick PI

Fuente: https://cache.industry.siemens.com/dl/files/036/108210036/att_896030/v1/s71500_pid_control_function_manual_enUS_en-US.pdf.

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Comisionado con PID_compactMétodo de Chien, Hrones, Reswick:

Fuente: Aziz, T., Hossain, M.J., Saha, T.K., Mithulananthan, N.: ‘VAR planningwith tuning of STATCOM in a DG integrated industrial system’, IEEE Trans.Power Del., 2013, 28, (2), pp. 875-885.

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Comisionado con PID_compact

Fine tuningFine tuning generates a constant, limited oscillation of the process value. ThePID parameters are tuned for the operating point from the amplitude andfrequency of this oscillation. All PID parameters are recalculated from theresults. PID parameters from fine tuning usually have better master control anddisturbance characteristics than PID parameters from pretuning. You obtain thebest PID parameters when you perform pretuning and fine tuning. Para unasintonización fina, es posible seleccionar los siguientes métodos:

PID automatic, fast, slow.

Ziegler-Nichols PID, PI, P

Fuente:https://support.industry.siemens.com/cs/document/100746401/pid-control-with-pid_compact-for-simatic-s7-1200-s7-1500?dti=0&lc=en-AR

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Comisionamiento con PID_compact

ImplementaciónJunto con esta presentación se adjuntan:

Manual paso a paso para el comisionamiento de PID con planta virtual.

Video demostrativo de la operación de sintonización.

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Conclusiones

Es de gran ayuda contar con funciones de tranasferencia en lasplataformas industriales para la sintonización y validación de los lazos decontrol.

Existen diferentes métodos de sintonización tanto manual comoautomática lo que implica que el ingeniero de control debe tenerfundamentos sólidos de teoria de control para el comisionamiento delazos de control.

Hoy en día es posible entrenar (teoría y práctica) a técnicos e ingenierosen los métodos de la teoría de control empleando plataformas industrialesincluso en la modalidad de virtualidad (Controlador PLCSim y PlantaLSIM).

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Cierre

Agradecimiento al Ing. Livington Miranda como personal de apoyoacadémico al programa MACI.

Agradecimiento al personal de postgrados FIEC-ESPOL y a lasautoridades de mi unidad por el apoyo en los proyectos MACI.

Gracias a la audiencia por su atención!

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