controladores de procesos industriales

REGULACIÓN

La regulación de un sistema pretende mantener

ciertos parámetros del mismo dentro de unos

márgenes deseables para el proceso.

La regulación de sistemas se dividirá en:

Regulación sin realimentación (lazo abierto)

Regulación con realimentación (lazo cerrado)

•Un sistema en lazo abierto es, básicamente, un control manual.

•Confiamos en la respuesta del sistema en función de comportamientos

anteriores.

•No tenemos información del resultado de la acción (La variable de salida

no influye en la variable de entrada)

-Ducha

-Consigna manual: más caliente o más frío

-Perturbación:

-Abren al agua fría: te escaldas

-Abren el agua caliente: te congelas

-Lavavajillas

-Consigna manual: programa de lavado

-Perturbación: Vajilla MUY sucia y poco jabón o abrillantador

REGULACIÓN: CONCEPTOS

•Un sistema en lazo cerrado es un control automático.

•Cuando, en un proceso, la variable regulada es continuamente

supervisada y comparada con la variable de referencia. Según el resultado

de la comparación, la variable de entrada cambia para ajustar la salida al

valor deseado.

•Aparece el concepto de realimentación.

-Horno

-Consigna: Temperatura deseada

-Resultado: Temperatura real (medida)

-Acción: Calentar o enfriar

-Perturbación:

-Abren la puerta: baja la temperatura


ESTABILIDAD

• Un sistema estable conseguirá que la variable regulada (X) esté

siempre muy próxima a la consigna (W) (Sistema Estable)

• Dependiendo del ajuste, pueden aparecer oscilaciones transitorias

(Sistema Estable)

• Un mal ajuste dará lugar a oscilaciones continuas o muy prolongadas

en el tiempo (Sistema Inestable)

Un sistema inestable puede dañar los elementos de control o

estropear el resultado del proceso.

En la práctica, los sistemas de regulación en lazo cerrado

deben ser estables.


•Un regulador compara el valor medido (valor actual, variable de proceso, PV)

con el valor deseado (Consigna, Setpoint, SP) y, a continuación, emite la variable

manipulada (Controller output, CO)

•Cada sistema requiere un tipo de regulación diferente.

•Hay dos tipos:

•Acción continua

•Acción discontinua (ON-OFF)


•Acción discontinua

•La variable manipulada tiene valores

preestablecidos

•El regulador típico discontinuo es el termostato

•La variable manipulada cambia cíclicamente,

apareciendo un fenómeno oscilatorio (Hunting)

•Acción continua

•La variable manipulada

cambia continuamente en

función de la desviación del

sistema.


•Acción discontinua

•Regulación de dos puntos (ON - OFF)

•0% o 100% de potencia de control

•Control sencillo, sin pretensiones.

•Error limitado por la banda

proporcional


La regulación ON-OFF, o de dos posiciones


• Acción continua

• La salida puede tomar infinidad de

valores intermedios (resolución)

• El error será mínimo

• Ajuste complicado (parámetros

P,I,D)


El suelo radiante utiliza sistemas de regulación continua (PID) mediante

termostatos digitales.

REGULACIÓN: APLICACIONES

•Process Value (PV, X)

•Variable de proceso o variable regulada.

•Es el valor actual (medido) de la salida.

•El valor instantáneo de la variable regulada se denomina valor real.

•Aquí sería el volumen de agua del depósito.

REGULACIÓN: VARIABLES DEL SISTEMA

•Controller output (CO, Y) •Variable de control o variable manipulada.

•Es el valor de la variable que modifica las condiciones de trabajo (variable

regulada)

•En el ejemplo, sería la corriente que controla la elevtroválvula.


•Setpoint (SP, W) •Valor deseado o consigna.

•Es el valor teórico que queremos que alcance la variable regulada.


•Disturbance (Z) •Interferencia

•La variable regulada debe mantenerse en el valor de la variable de referencia.

•Siempre aparecerán perturbaciones no deseadas que modifican la evolución

de la salida.

•Necesidad de un control automático.


•Deviation (e, Xd) •Desviación o error

•Diferencia entre el valor deseado (SP, referencia) y el valor real, PV (variable

regulada).


TIPOS DE REGULACIÓN

Todos los sistemas reaccionarán de una manera

determinada y diferente.

La respuesta dependerá del diseño o composición de la máquina o

sistema, y no puede modificarse sin modificar el sistema.

(el “truco” estará en determinar esta respuesta temporal para

poder manejarla)

Tres componentes en función de su comportamiento:

•Proporcional, P

•Integral, I

•Derivativo, D

TIPOS DE REGULACIÓN: Respuesta temporal

•El tiempo que tarda en reaccionar la variable de salida ente un cambio

en la variable de entrada se denomina Tiempo de respuesta.

•El tiempo de respuesta determinará los parámetros de regulación.

•Un tiempo de respuesta lento (temperatura, nivel) requerirá una

regualción “lenta”

•Un tiempo de respuesta rápido (caudal, presión, posición) requerirá una

regulación “ágil”.

•En función del tiempo de respuesta se configurará el tipo de regulación

necesario:

•P, I, PI, PD, PID

TIPOS DE REGULACIÓN: Proporcional

•La salida de la variable manipulada (CO, Y) es proporcional a la

desviación del sistema (e, Xd)

•Al ser proporcional a la desviación del sistema, sólo aparecerá si

hay una diferencia entre la variable de proceso (PV, X) y la consigna

(SP, W)

La relación entre entrada y salida es el coeficiente proporcional o ganancia

proporcional

Kp = Yo / Xo

Kp elevada grandes cambios en el sistema -> oscilaciones

Kp baja falta de regulación

Siempre quedan desviaciones en el sistema

TIPOS DE REGULACIÓN: Regulador Proporcional

Necesitamos mantener la presión de suministro de agua constante mediante un

control de nivel de un depósito y una válvula de alimentación que deja entrar

agua para relleno.

1. Vemos que el agua baja 100mm por debajo del nivel “bueno” (SP) debido al

consumo.

2. Abrimos rápidamente la válvula 10 vueltas para compensar.

3. Entra agua y el nivel empieza a subir

4. El nivel sube por encima de los 50mm (sigue abierta la válvula)

5. Cerramos rápidamente la válvula, pero algo menos que antes (2 vueltas).

6. El nivel acaba por bajar (sigue habiendo consumo), y se pasa.

7. Abrimos la válvula una vuelta

8. El nivel sube más lentamente, pero acaba por pasarse

9. ETC......

El nivel “rondará” siempre el valor correcto, tendiendo a Xd=0 (no llegará)

TIPOS DE REGULACIÓN: Ejemplo de Regulación Proporcional

•Añade a su salida la desviación respecto al

tiempo.

•Mientras hay desviación, la variable manipulada

(CO, Y) se incrementa.

•Al aumentar la variable manipulada (CO, Y),

decrece la desviación hasta que ésta se hace

cero (pero se “pasa”).

Conseguiremos llegar a un error nulo, pero la salida oscilará entorno a Xd=0.

TIPOS DE REGULACIÓN: Integral

•Integra la desviación del sistema.

•La velocidad de cambio de la variable manipulada, Y, es proporcional a la

desviación del sistema (Xd).

Problemas de oscilación o lentitud de respuesta

Poco utilizados de forma aislada

TIPOS DE REGULACIÓN: El Regulador Integral



agua para relleno.


consumo.

2. Empezamos a abrir la válvula lentamente

3. Transcurrido un tiempo, el nivel baja más lentamente (seguimos abriendo)

4. El nivel empieza a subir, pero seguimos abriendo hasta que el nivel llega al

valor correcto. Entonces dejamos de abrir.

5. El nivel sube por encima de los 100mm (sigue abierta la válvula)

6. Empezamos a cerrar la válvula de la misma manera que antes se abría.

7. El nivel sube más despacio (seguimos cerrando) y acaba por bajar (sigue

habiendo consumo), cuando llega al valor correcto, dejamos de cerrar

8. ETC......

El nivel “rondará” siempre el valor correcto con oscilaciones prolongadas

TIPOS DE REGULACIÓN: Ejemplo de Regulación Integral

•Mide la velocidad con la que cambia la

desviación del sistema (e, Xd)

•Si la desviación cambia deprisa, la variable

manipulada (CO, Y) es grande (y viceversa)

•Un regulador D no tiene sentido (la variable Y

solo aparece con un Xd diferente de cero)

TIPOS DE REGULACIÓN: Derivativa



agua para relleno.


consumo.

2. Si el nivel baja deprisa, abrimos rápidamente 10 vueltas

3. En cuanto el nivel comienza a subir, cerramos completamente.

4. Miramos el cambio en el nivel.

5. Si el nivel baja otra vez, repetimos.

6. ETC......

El nivel no se podrá ajustar, variará muy bruscamente

TIPOS DE REGULACIÓN: Ejemplo de Regulación Derivativa

•Como componente aislado:

•Proporcional

•Integral

•Como componente combinado:

•Proporcional – Derivativo PD

•Proporcional – Integral PI

•Proporcional – Integral – Derivativo PID

TIPOS DE REGULACIÓN: Combinaciones

•Engloba las características de ambos

•Tendremos reacciones rápidas y compensación del error, Xd

•El Tiempo de reposición (Reset Time) hace que el regulador sea más rápido que un

regulador I.

Problemas de oscilación si los valores son elevados (Kp elevada y Tr corto)

El ajuste debe hacerse durante la puesta a punto

TIPOS DE REGULACIÓN: PI



agua para relleno.


consumo.

2. Abrimos 5 vueltas rápidamente para compensar la caída

3. Ahora abrimos lentamente para hacer subir el nivel.

4. El nivel llega al valor bueno, y dejamos de abrir.

5. Sigue entrando agua, nos “pasamos”.

6. Cerramos 2 vueltas rápidamente para contrarrestar la subida

7. Cerramos lentamente para bajar el nivel (hay consumo)

8. ETC......

El nivel se podrá ajustar a SP con rapidez

TIPOS DE REGULACIÓN: Ejemplo de regulación PI

•Engloba las características de ambos

•Tendremos reacciones cortas pero grandes, medidas por el tiempo de acción

derivativa (Rate Time)

•El tiempo de acción derivativa, Td, mide la rapidez de compensación en

comparación con uno de tipo P.

•Problemas de oscilación si D es elevado

•Error remanente

TIPOS DE REGULACIÓN: PD



agua para relleno.


consumo.


3. Además, abrimos totalmente para aumentar la acción anterior y restablecer

rápidamente el nivel

4. Nos pasamos

5. Cerramos 2 vueltas para compensar la subida

6. Cerramos totalmente para hacer bajar el nivel (sigue el consumo)

7. ETC......

El nivel no se podrá ajustar a SP

TIPOS DE REGULACIÓN: Ejemplo de regulación PD

•Engloba las características de todos

•Tiene en cuenta la velocidad de cambio en la desviación.

•El tiempo de acción derivativa, Td, indica el tiempo en el cual es más rápido que un

PI.

•Respuesta rápida y compensación inmediata de la

desviación en caso de cambios

•Más propenso a oscilar

TIPOS DE REGULACIÓN: PID



agua para relleno.


consumo.


3. Seguimos abriendo lentamente para acercarnos a SP

4. Además, abrimos totalmente para aumentar la acción anterior y restablecer

rápidamente el nivel (anticipación)

5. Nos pasamos

6. Cerramos 2 vueltas para compensar la subida

7. Seguimos cerrando lentamente para acercarnos a SP

8. Cerramos totalmente para hacer bajar el nivel rápidamente

9. ETC......

El nivel se podrá ajustar a SP rápida y eficazmente

TIPOS DE REGULACIÓN: Ejemplo de regulación PID

ON – OFF

P

PI

PD

PID

CONTROL SIMPLE

NO HAY OFFSET OVERSHOOT Y HUNTING

OVERSHOOT Y SEGUIMIENTO

INICIALES PEQUEÑOS

ESTABILIZACIÓN LENTA

OFFSET

SIN OFFSET ESTABILIZACIÓN LENTA

RESPUESTA RAPIDA OFFSET

CONTROL PRECISO EN

PROCESOS CONTINUOS DIFICIL DE AJUSTAR

VENTAJAS INCONVENIENTES

TIPOS DE REGULACIÓN: Resultados

Los complejos petroquímicos hacen uso de todo tipo de sistemas de regulación.

TIPOS DE REGULACIÓN: Aplicaciones

La sonda lambda es un dispositivo electromecánico que se coloca a la entrada

de los gases del convertidor catalítico. Los impulsos eléctricos que genera son

analizados por un dispositivo electrónico, que dará las señales necesarias al

sistema de inyección y encendido para optimizar la calidad de los gases de

escape


La lógica difusa (FUZZY LOGIC) permite un control más cómodo que el

tradicional PID.

Es un conjunto de instrucciones lógicas modificadas para manejar

conceptos parciales (más, menos, un poco más, un poco menos...)

lógica discreta:

1= absolutamente cierto / 0 = absolutamente falso

Lógica difusa:

1.00 = absolutamente cierto / 0.00 = absolutamente falso


•Estabilizadores de imagen en cámaras

•Reconocimiento de escritura (palmtops)

•Control industrial

•Puentes-grúa

•Control de aspiradoras, lavadoras...


CONTROL INDUSTRIAL

Los sistemas de control de procesos se deben

representar según las especificaciones de las normas

vigentes:

DIN19227, 19239, 1946.... simbología

DIN28004 diagramas de flujo para procesos

CONTROL INDUSTRIAL Simbología

•Cada elemento tiene su representación gráfica propia (más de 3.500 símbolos)

•Todos los puntos del proyecto se identifican mediante puntos EMCS

Electronic Measuring Control System block diagrams

•El diagrama de flujo del proceso se traza según DIN 28004 y se denomina

diagrama PI (Piping and Installations)

CONTROL INDUSTRIAL Simbología

Tipo de punto EMCS

•Define las características del punto:

básico Regulación de procesos Controladores lógicos

PLC

CONTROL INDUSTRIAL Terminología

•Las variables y etiquetas se representan mediante un círculo.

TI

232

Indicación de temperatura (local)

Identificador del punto de proceso

depósito

•Si el círculo está dividido, el proceso señalado está

centralizado

PIC

230

Control de presión con Indicación en

la consola de control


P D I C

Presión (primera letra)

Diferencial (letra suplementaria)

Indicación (1ª letra siguiente)

Control (2ª letra siguiente) Control de presión diferencial con

indicación en la consola de control

PDIC

230

Proceso realizado

en la consola de

control

depósito

Identificación del

punto de

Proceso


MEDIDA O VARIABLE DE ENTRADA TRATAMIENTO

PRIMERA LETRA LETRA SUPLEMENTARIA SIGUIENTE LETRA

A Defecto, Alarma

C Control automático

D Densidad Diferencial

E Magnitudes eléctricas Sensor

F Caudal Magnitud

G Distancia, Longitud, Posición

H Manual Límite superior

I Indicación

K Tiempo

L Nivel Límite inferior

O Indicación SI/NO


MEDIDA O VARIABLE DE ENTRADA TRATAMIENTO

PRIMERA LETRA LETRA SUPLEMENTARIA SIGUIENTE LETRA

P Presión

Q Propiedades del material Integral, Suma

R Radiación Grabar, Imprimir

S Velocidad, revoluciones,

frecuencia

Configuración de circuitos,

Secuencia de control

T Temperatura Transmisión

U Multivariable

V Viscosidad Control de válvula

W Velocidad, masa

Y Cálculo

Z Emergencia, seguridad


Indicación local de

la presión diferencial

Medida de presión con indicación

en consola de control

Medida de nivel con indicación y alarma

en consola de control


Regulación de nivel de llenado

en la consola de control

Regulación de temperatura

Con alarma por

temperatura elevada

en la consola de control


Control de caudal

Medida de caudal

Ajuste manual

de la salida


Control de

temperatura

Medida de

temperatura

Medida de nivel

con alarma de

nivel bajo en el

controlador

Salida

controlada

por nivel

CONTROLADORES INDUSTRIALES

CARACTERÍSTICAS


•Sistemas controlados por microprocesador

•Especializados en regulación de procesos (temperatura, nivel, caudal,

presión, velocidad...)

•Conectados al proceso mediante señales eléctricas estandarizadas

•Utilización de sensores analógicos (transductores)

•Algoritmos de control implementados (PID, fuzzy, autotuning)

•Configurables mediante módulos de adaptación

•Conectables a buses de comunicación

MODOS DE OPERACIÓN

MANUAL

•El usuario controla la variable manipulada, Y.

•Para puesta en marcha y paro del sistema.

•En este modo, el controlador no funciona.


El cambio a modo de configuración “congela” la salida hasta

que se termina el ajuste.

AUTOMATICO

•El controlador gobierna la variable manipulada, Y.

•El controlador calcula la variable manipulada de acuerdo

con su programación.

SISTEMAS DE CONTROL


•Frente a perturbaciones, el controlador

debe restablecer con rapidez el equilibrio

original

•Frente a un cambio de referencia, el

sistema debe reaccionar rápidamente

para alcanzar el nuevo equilibrio.

Varios tipos de estructuras de control, adaptados a diferentes

procesos:

•Consigna fija

•Seguimiento

•Cascada

•Proporcional

SISTEMAS DE CONTROL – Consigna fija (fixed setpoint)


•La variable de referencia tiene un valor fijo.

•En sistemas diseñados para dar una respuesta rápida a

perturbaciones.

Controles de temperatura

SISTEMAS DE CONTROL – Seguimiento (Follow-up)


•La variable de referencia cambia

•En sistemas diseñados para dar una respuesta rápida a cambios de

consigna.

Controles de temperatura

SISTEMAS DE CONTROL – Cascada (Cascade)


•Utiliza dos controladores, como mínimo (maestro-esclavo)

•La variable de salida del controlador maestro es la entrada del

controlador esclavo.

•En sistemas diseñados para dar una respuesta rápida a cambios de

consigna y aparición de perturbaciones.

Secundario: Capacidad de seguimiento de consigna

Primario: Reacciona bien ante

perturbaciones

SISTEMAS DE CONTROL – Proporción (Ratio)


•Se utiliza para mantener una proporción dada entre dos cantidades

El caudal q2 sirve como consigna

para variar q1 y mantener la

misma proporción de mezcla

•Autotuning

Basado en el ajuste del tipo Ziegler-Nichols.

Cuando se activa, el autoajuste funciona en el próximo cambio de consigna y

se desactiva automáticamente.

Se fuerza la oscilación del sistema bajo condiciones controladas, calculando

entonces los parámetros PID.

CONTROLADORES INDUSTRIALES Utilidades

•Adaptación

Basado en la lógica difusa (fuzzy logic). Optimiza contínuamente los

parámetros del regulador en función a unos algoritmos almacenados en su

memoria.

Con cada cambio de consigna (automático), se observa la respuesta

transitoria y se modifican los parámetros.

CONTROLADORES INDUSTRIALES Utilidades

Método Zieger-Nichols

1. Método práctico para la obtención de los parámetros de ajuste.

2. Configurar el regulador como regulador P (I=0 , D=0)

3. Aumentar P hasta que oscile, Kcrit

4. Determinar el periodo de oscilación, Tk

5. Calcular los parámetros según la tabla

CONTROLADORES INDUSTRIALES Ajuste

Kp Tn Tv

Regulador P 0,5 Kcrit ––

Regulador PI 0,45 Kcrit 0,85 Tk –

Regulador PID 0,6 Kcrit 0,5 Tk 0,12 Tk

•Absolutas

Se utilizan para asegurar que el sistema se mantiene dentro de unos

márgenes con la finalidad de proteger vidas, entorno e instalaciones.


ALARMAS

•Relativas

Se utilizan para informar al operador cuando el proceso se aparta de la

consigna establecida.


ALARMAS

SISTEMA RECOMENDADO NO RECOMENDADO

Temperatura PI, PID, (P) I

Presión PI, (I) D

Caudal PI, PID, (I) P

Nivel P, PI I

Rotación P, PI, PID I

Tensión todos

Posición PD, PID I

CONTROLADORES INDUSTRIALES Selección

controladores de procesos industriales

Documents