s.e.p. s.e.i.t. d.g.i.t

S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO

“ANALISIS. DESARROLLO Y SINTESIS DE LA CONFIGURACION DE 3 MODALIDADES

MA DE CONTROL AUTOSOPORTADO” DEL CONTROLADOR PID. BAJO UN ESQUE-

T E s I s P A R A O B T E N E R E L G R A D O D E

CHb 1DET U MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA ELECVRONICA

JOSE JUAN NIETO CRODA P R E S E N T A ,

CENT30 DE NFORMACION C E N I D E T

-_ c

CUERNAVACA. MOR. OCTUBRE DE 1991

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

DIRECCION WORD. ACADEMICA OFICIO No. 068/91

Cuernavaca, Mor., a 18 de Octubre de 1991.

ING. JOSE JUAN NIETO CRODA CANDIDATO AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA ELECTRONICA P R E S E N T E .

Dempués de haber sometido a revisión su trabajo de Tesis titulado:

"ANALISIS, DESARROLLO Y SINTESIS DE LA CONFIGURACION DE 3 MODALI- DADES DEL CONTROLADOR PID, BAJO UN ESQUEMA DE CONTROL AUTOS0 - - PORTADO".

Y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el Jurado Re-- visor de Tesis le hizo, se le comunica que se le concede autori-- zación para que se prooeda a la impresión de la misma, como re- - quisito para la obtención del grado.

Sin otro particular, quedo de usted.

A t e n t a m e a t e

en Ingenieria Electrónica. SE( ETP

Interior Internado Paimira sin C.P. ea480 Apartado Poatd 4-114 C.P. ea491 Cuernavaoa. MOI. cenidet / Tell I791 18-77-11 y (73) 12-78-19

Se l>s ISTEMA NACIONAL DE INSTITUTOS TECNOLOCICOS

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

ACADEMIA DE LA MAESTRIA EN INGENIERIA ELECTRONICA

Cuernavaca, Mor., a 18 de octubre da 1991.

Dr. Juan Manuel Ricaño Castillo Director del CENIDET P r e s e n t e .

At-n.: M.C. Alejandro Diaz Sánchez Coord. de Electrónica.

Por este conducto, hacemos de su conocimiento que, después de - haber sometido a revisión el trabajo de tesis titulado"ANALSIS, DESARROLLO Y SINTESIS DE LA CONFIGURACION DE 3 MODALIDADES DEL CONTROLAEOR PID, BAJO UN ESQUEMA DE CONTROL AUTOSOPORTADO", desarrollado por el Ing. JOSE JUAN NIETO CRODA y habiendo cum-- plido con todas las correcciones que se le indicaron, estamos - de acuerdo en que se le conceda la autorización de impresión de la tesis, y la fecha de exámen de grado.

Sin otro particular, quedamos de usted.

Comisión Revisora SELS.c, I u rirt.LlC4

M.C. Rafael E. Bourguet Diaz M.C. L. Gerardo Vela Valdes

lnterlor Internado Palmlra 8 / N C.P. 82480 Apartado Poilal 4-224 C.P. 82431 Cuernivaci. Mor. MCrlco

Tel: I731 18-77-41 y (73) 12-76-19 cenidet /

Doy gracias a Dios ... por haberme puesto en este camino.

A mis padres Jose Juan y Sara, por su confianaa, consejos y apoyo que me han brindado para seguir este apasionante camino.

A mis hermanos, Sara Nargarita, Blvia Yolanda, Haria Teresa y Gustavo, junto con Vicente y Harco üernan por su interés y apoyo para llegar al final de este trabajo.

A mis familiares y amigoe, por escucharme y animarme en los momentos i á s diffciles, y a todas aquellas personas que de una u otra manera contribuyeron para alcanzar esta meta.

Quiero amadecer a todas aquellas personas e -x&ituciones qu me brindaron su esfuerzo y apoyo para llegar a alcanzar un paso más en mi vida profesional.

De una manera muy especial a Rafael Ernesto Bourguet Dlaz, por su confianaa, interés, consejos y asesorlas desde el primero, hasta el último dla de trabajo.

Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico por su apoyo y formation, y a mis maestros por sus conocimientos adquiridos e13 el aula.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologla, por su apoyo económico.

Al Instituto de Investigaciones Eléctricas por darme la oportunidad de desarrollar este trabajo.

Por último deseo agradecer sinceramente a todo el Grupo de Control, investigadores y becarios, especialmente a Raúl Garduño Ramlree, Guadalupe Nadrigal Espinosa y Daniel Palomares Gonadlea por su apoyo, conocimientos y esfuerzo desinteresado.

2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3

2.8

.. Modo de operación manual ........................... .- Modo de operación automático ....................... 2.22 2.22 .- Modo de operación supervisor ....................... 2.23 .- Modo de operación cascada .......................... 2.23 .- Submodos de operaci6n .............................. 2.24 .- Imposiciónmanual .................................. 2.25 .- Seguimiento en la variable de proceso .............. 2.25 .- Aplicaci6n de los submodos de operación para 2.26 .- Referencias ........................................ 2.27

un sistema en configuraci6n cascada ................

CAPITULO TREE DISENO DEL SISTEKA DE CONTROL

3.1 .. Ineroducción ....................................... 3.1 3.2 .- Requerimientos de diseño ............................ 3.2 3.3 .- Diseño del ambiente del controlador ................ 3.3 3.3.1

funciones .......................................... 3.4 3.3.1.1.- Funciones de primer nivel o del programa

principal ........................................... 3.4 3.3.1.2.- Funciones de segundo nivel ......................... 3.5 3.3.1.3.- Funciones por interrupción ......................... 3.7 3.3.1.4.- Funciones de tercer nivel .......................... 3.9 3.3.2 .- Diagrama de flujo del ambiente del controlador ..... 3.12 3.4 .- Diseño del controlador PID ......................... 3.13 3.4.1

funciones ........................................... 3.13 3.13

3.4.1.2.- Funciones de segundo nivel ......................... 3.14 3.4.1.3.- Funciones de tercer nivel ........................... 3.16

3.4.3 .- Ecuación implementada del algoritmo de 3.5 3.6 .- Diseño del arreglo de la base de datos

del sistema ........................................ 3.22 3.6.1 .- Bloque de parámetros del controlador ............... 3.23

.- Arquitectura por niveles y descripción de .

.- Arquitectura por niveles y descripción de 3.4.1.1.- Funciones de primer nivel .......................... 3.4.2 .- Diagrama de flujo del controlador PID .............. 3.19

control PID ........................................ 3.21 .- Algoritmos auxiliares .............................. 3.22

3.6.2 .- Bloque de variables del controlador ................. 3.26 3.6.3 .- Bloque de limites del controlador .................. 3.30 3.6.5 .- Bloque de alarmas del controlador .................. 3-34 .- Aspectos de diseño ................................. 3.37

3.7.2 .- Sincronía entre proceso y controlador .............. 3.38 3.8 .- Comentarios acerca del diseño ...................... 3.38 3.9 .- Referencias ........................................ 3.39

3.6.4 .- Bloque de condiciones de operación del controlador ........................................ 3.33

.. 3.7 3.7.1 .- Normalizacion ...................................... 3.37

CAPITULO CUATRO INTEGRACION Y CONFIGURACION DEL SISTEMA

4.1 .- Introducci6n ....................................... 4.1 4.2 .- Flujo de datos en el CAT ........................... 4.1 '4.3 .- Equipo y programación .............................. 4.3 4.3.1 .- Equipo .............................................. 4.4

FE DE ERRATAS

En el capítulo dos, en la página 2.15, la ecuación 2.9 dice:

debe decir:

La salida del bloque es igual con la referencia cuando es

referencia = (razón * referencia remota) + polarización salida del bloque = (razón * referencia remota) + polarización configurado en modo cascada, ver figura 2.8.

En la página 2.17, la ecuación 2.10 dice:

debe decir: razón = (referencia - polarización) / referencia remota

razón = (referencia local - polarización) / referencia remota

Al final de la hoja 2.17 dice: referencia = (((referencia - polarización) / referencia

remota) * referencia remota) + polarización salida del bloque = ((referencia local - polarización) /

debe decir:

referencia remota * referencia remota) + polarización En la página 2.18, segundo renglón, dice:

debe decir: referencia = referencia

salida del bloque = referencia local - -

En la página 2.18, en 1% ecuación 2.11 di&:- polarización = referencia - (razón * referencia remota)

debe decir: polarización = referencia local - (razón * referencia remota)

- - - _-

Casi al final de la página 2.18 dice:

- (razón * referencia remota) referencia = (razón * referencia remota) + referencia

debe decir: salida del bloque = (razón * referencia remota) + referencia local

- (razón * referencia remota). Al final de la página 2.18 dice:

debe decir: referencia = referencia

salida del bloque = referencia local

En el capítulo cinco, en la página 5.9 en el punto 1, la función de transferencia dice:

1

s + jw H ( j w ) =

debe decir:

1

a + jb H(jw) =

donde "a" es la parte real y "b" es la parte imaginaria en el denominador.

En el punto 2, página 5.9, dice:

1 ( - tan" w/s IG(jw)l = .

d (s2 + w') debe d

IHijw)

Fase =

cir :

1

d (a' + b2) - -

( - tan" b/a )

En el capítulo seis, en la página 6.1, los tres últimos renglones del inciso b, dice:

"como se comprobó en el laboratorio al deshabilitar las computadoras de la estación supervisor y del simulador de

~ ---- - = .- - _ _ I ~ - _ _ - -* prócesoZ" .-- -

debe decir: llcomo se comprobó en el laboratorio al deshabilitar la

computadora de la estación supervisor@*.

I N D I C E 4

REBUMEN ...................................................... i

INTRODUCCION ................................................. ii

LISTA DE TABLAB Y FIQURAS .................................... iV

LISTA DE SIMBOLOB (NOMENCLATURA) ............................. Vii

CAPITULO üN0 CONTROL AUTOBOPORTADO 5.

1.1 1.2

1.2.1 1.2.2

1.3

1.4 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.6

.. Introducción ....................................... 1.1 .. Evolución de las generaciones de los sistemas de control ......................................... 1.2 .. Definición del Bus de campo (FIELDBUS) ............. 1.7 .. Definición y ubicación del sistema de control autosoportado (CAT) ................................ 1.8 .. Objetivos y alcance del sistema de control autosoportado (CAT) ................................ 1.8 Caracterlsticas generales del CAT .................. .. Configuración y descripción funcional del CAT ...... .. Subsistema supervisor (SSV) ........................ 1.11 .. Subsistema controlador (SCL) ....................... 1.11 .. Subsistema de comunicación (SCM) ................... 1.12 .. Simulador de procesos .............................. 1.13 .. Referencias ........................................ 1.13

.. 1.10 1.11

CAPITULO DOS MODALIDADES DEL CONTROLADOR PID

2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5

2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 2.5.1 2.5.2 2.6

.. Introducción ....................................... 2.1 .. Funcionamiento del controlador PID ................. 2.3 .- Acción proporcional ................................ 2.3

.- Algoritmos de posición y de velocidad ..............

.- Algoritmo no interactivo ...........................

.- Acción integral .................................... 2.5 .- Acción derivativa .................................. 2.6 2.7 .- Algoritmos y estructuras del controlador PID ....... 2.8 2.9 .- Algoritmointeractivo .............................. 2.9 .- Algoritmo paralelo ................................. 2.9 .- Estructuras de controlador PID ..................... 2.10 .- Utilización de las acciones de control PIDls en

procecostlpicos ................................... 2.12 .- Modalidades del controlador PID .................... 2.14 .- Controlador PID razón .............................. 2.14 .- Controlador PID autorazón .......................... 2.17 .- Controlador PID autopolarizado ..................... 2.18 .- Aspectos operacionales ............................. 2.19 .- Transferencia sin saltos (Bumpless transfer) ....... 2.19 Antisaturación (Antireset windup) .................. 2.21 .- Modos de operación del controlador ................. 2.21 .-

4.3.2 .- Programación ....................................... 4.11 4.4 .. Procedimiento para la implementación de

controladores en el sistema ....................... 4.12

4.6 .- Comentarios y recomendaciones acerca de la integración y configuración del sistema e implementaciónde controladores ................... 4.15

4.7 .. Referencias ........................................ 4.16

4.5 .. Configuración y sincronizaci6n en el sistema ...... 4.15

CAPITULO CINCO APLICACION EN MODELOS DE SISTEMAS DE CONTROL DE UNIDADES TERnOELECTRICAS

5.1 .- Introducci6n ....................................... 5.1 5.2 .- Objetivos y características de las pruebas ......... 5.2 5.3 .- Aplicación a un sistema de control de lazo simple .. 5.3 5.3.1 .- Función de transferencia y modelo del proceso ...... 5.3 5.3.2 .- Esquema del sistema de control e implementación

física ............................................. 5.4

5.3.4 .- Métodos de sintonización y selección de los parámetros del controlador ......................... 5.6

5.3.5 .- Análisis y gráficas de resultados .................. 5.11 5.3.5.1.- Aspectos de escala en gráficas de resultados ....... 5.14 5.4 .- Aplicación al sistema de control de temperaturas

de vapor de una UTE ................................ 5.18 5.4.1 .- Ecuaciones del modelo .............................. 5.18 5.4.2 .- Esquema del sistema de control e implementación

física ............................................. 5.20 5.4.3 .- Objetivo de control ................................ 5.21 5.4.4 .- Sintonización de los parámetros del controlador .... 5.22

5.3.3 .- Objetivo de control ................................ 5.5

5.4.5 .- Análisis y gráficas de resultados ................. 5.22 5.4.5.1.- Aspectos de escala en gráficas de resultados ....... 5.25 5.5 .- Aplicación al sistema de control de flujo de agua

de alimentación de una UTE ......................... 5.30 5.5.1 .- Funciones de transferencia y modelado del proceso .. 5.31 5.5.2 .- Esquema del sistema de control e implementación

física ............................................ 5.32 5.5.3 .- Objetivo de control ................................ 5.34 5.5.4 .- Sintonización de los parámetros del controlador .... 5.34 5.5.5 .- Análisis y gráficas de resultados ................. 5.34 5.5.5.1.- Aspectos de escala en gráficas de resultados ....... 5.37 5.6 .- Referencias ........................................ 5.41

CAPITULO SEIS CONCLUSIONES

Conclusiones ....................................... 6.1

APEND1CE.A .................................................... A . 1

. APENDICE B .................................................... B . l

RESUMEN

La gran importancia del control de procesos en estrategias para aumentar el aprovechamiento de los recursos y lograr mantener constante la calidad de la generación de energía eléctrica, ha provocado el empleo y desarrollo de tecnologías que permiten obtener sistemas de control con un alto desempeño.

Pensando en ello, el Grupo de Control Aplicado no Convencional del Instituto de Investigaciones Eléctricas, adquirió un microprocesador comercial con características industriales que sirviera como soporte físico para el desarrollo de estrategias y algoritmos de control.

Los problemas que se pre9entan son la implantación de algoritmos de control en el microprocesador y su integración en un sistema que permita ser manipulado desde una estación de control.

En este trabajo, se muestra la solución con el diseño y desarrollo de la implantación de los algoritmos de control, basados en controladores PID’s e integrados en un sistema de control que permite realizar la supervisión desde un nivel jerárquico superior.

La validación de los algoritmos de control se lleva a cabo en el sistema de control, denominado controlador autosoportado (CAT), con aplicaciones a modelos de unidades termoeléctricas.

i

IüTRODüCCION

En el Grupo de Control Aplicado no Convencional de IIE, se tenía la necesidad de contar con un equipo con características industriales para implantar algoritmos de control para la automatización de procesos.

Para satisfacer esta necesidad se adquirió un microprocesador comercial (controlador universal pMeC-6000), diseñado específicamente para control de procesos, robustecido y de características industriales con acondicionadores de señales analógicas y digitales, para implantar un sistema de control autosoportado bajo la supervisión y control de una estación supervisor.

El trabajo de tesis que se presenta consistió en diseñar y desarrollar la implantación de los algoritmos de control, basados en controladores PID's, bajo la supervisión de una estación de control que permite contar con las siguientes características:

* La configuración de tres modalidades del controlador PID, razón, autorazón y autopolarizado.

* La configuración y operación multilazo al evaluar 18nll controladores simultáneamente para el control de procesos.

* La operación autosoportada en los controladores del sistema por falla o paro en la comunicación con la estación supervisor.

* El monitoreo de variables controladas, de referencia y de control.

* El cambio en linea de parámetros, referencias y modos de operación de los controladores del sistema.

operación manual, automático y cascada.

* La detección y aviso de señales de alarma tanto para 10s controladores como para el proceso.

* La no saturación en los controladores.

* La transferencia sin saltos aT cambio entre modos de

ii

La validación del sistema de control para 9P controladores operando, se llevó a cabo con los modelos simplificados de la zona de vapor y agua de alimentación de una unidad termoeléctrica de 300 Mw .

La motivación de usar controladores PID's se debe a sus características para satisfacer las necesidades de control, estabilidad, robustez, precisión y rapidez, por lo que, más del 90% de los controladores industriales usan una estructura de control de tipo PID.

Ya que no se cuenta con información en lo que se refiere a la implantación práctica de controladores, esto se plantea como trabajo de investigación, desarrollo y aplicación para el control de modelos en unidades termoeléctricas, el cual es el principal interés en el Grupo de Control Aplicado no Convencional del Departamento de Automatización de Procesos del IIE.

El desarrollo del trabajo de tesis se presenta a través de los siguientes capítulos.

En el capítulo uno se menciona las ventajas de la configuración del sistema, detalla los objetivos, el alcance, las características, descripción del sistema y menciona las tareas a realizar por cada uno de los subsistemas configurados en el sistema prototipo.

El capítulo dos trata sobre los conceptos básicos, funcionamiento y estructuras del controlador PID, detalla las modalidades del controlador PID, describe los conceptos de transferencia sin saltos, antisaturación del controlador y menciona las características de los modos y submodos de operación del controlador PID.

El capitulo tres aborda el tema de diseño, se especifica la función de cada uno de los parámetros involucrados en los controladores del sistema y se detallan cada una de las funciones configuradas.

El capítulo cuatro se refiere a la integración del sistema y describe los requisitos en el equipo y la programación necesaria para llevar a cabo la integración del sistema.

El capítulo cinco describe la implantación del proceso, el analisis y las pruebas del sistema cubriendo los objetivos en los resultados obtenidos y la opción para llevar al sistema dentro O fuera de servicio, con operaciones realizadas en la estación

Por último, en el capítulo seis se describen las conclusiones del trabajo, se mencionan aportaciones, beneficios y aplicaciones futuras de los algoritmos implantados.

iii

' supervisor.

Nüi4ERO DE TABLA O FIGURA:

LIBTA DE TABLAS Y FIGURAS

DEBCRIPCION O CONTENIDO GRAFICOi

En e l capitulo uno:

Figura 1.1

Figura 1.2

Figura 1.3 Figura 1.4 Figura 1.5 Figura 1.6 Figura 1.7 Figura 1.8

Figura 1.9

Sistemas de primera generación, dispositivos autocontenidos. Sistemas de segunda generación, conjunto de simples, despliegue centralizado. Sistema de tercera generación, control centralizado. Sistema de cuarta generación, control distribuido. Sistema de quinta generación, control en red. Ambito de aplicación de la tecnología Fieldbus. Topología de BUS. Sistema de control autosoportado (CAT) con topología de BUS. Diagrama funcional, prototipo mínimo.

En e l capítulo dos:

Tabla 2.1 Aplicaciones de las acciones PID en función de procesos.

Figura 2.1

Figura 2.2

Figura 2.3

Figura 2.4

Figura 2.5

Figura 2.6

Figura 2.7

Figura 2.8

a

Diagrama que muestra la estructura general del controlador PID para el control de un proceso. Respuesta del proceso con un controlador proporcional (P). Esquema a bloques de un proceso controlado con un controlador proporcional y un ajuste manual. Efecto de las acciones proporcional e integral de un controlador PI. Efecto de las acciones proporcional y derivativa de un controlador PD. Tres algoritmos de control PID, (a) tipo no interactivo, (b) tipo interactivo, (c) tip0 paralelo. Estructuras de control PID, (a) PID, (b) PI-D, (c) I-PD. Diagrama que muestra la implementación de las modalidades del controlador PID.

iv

En el capitulo tres:

En el capitulo cuatro:

Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 3.6

Figura 3.7 Figura 3.8 Figura 3.9

Figura 3.10

Figura 3.11


Ciclo básico de evaluación de control. Diagrama jerárquico del ambiente del controlador. Diagrama jerárquico de condiciones del sistema. Diagrama jerárquico de funciones de configuración. Diagrama jerárquico de funciones de interrupción. Diagrama jerárquico de funciones de evaluación de control. Diagrama de flujo del ambiente del controlador. Diagrama jerárquico del controlador PID. Diagrama jerárquico de los lazos de control a evaluar. Diagrama jerárquico del nivel de selección de la seflal de control. Diagrama jerárquico del nivel de evaluación de la seflal de control. Diagrama de flujo de cada lazo de control - parte 1. Diagrama de flujo de cada lazo de control - parte 2. arquitectura del arreglo de la base de datos.


Figura 4.4 Figura 4.5

Figura 4.6

Figura 4.7

Figura 4.8

Figura 4.9

Controlador autosoportado, prototipo mínimo. Esquema que representa el flujo de datos en el CAT. El sistema de control autosoportado (CAT) se desarrolla en el Laboratorio de Automatización de Procesos del I I E . Fotografía que muestra el /.MAC-6000 CPU. Fotografía que muestra el módulo de acondicionamiento analógico CB-24. Fotografía que muestra el módulo de acondicionamiento de seflales digitales DMB-32. FotografIa que muestra los paneles superior e inferior de conexiones. Diagrama que muestra la estructura del "software" para el simulador de procesos. Diagrama de flujo para llevar a cabo la integracibn del sistema pMAC-6000 - PC.

En el capitulo cinco:

Fiara 5.1 Diasrama a bloques de'l sistema de control de lazo simile.

-

Fiaura 5.2 Diaarama de la implementación física para el control - - ~

del-proceso de ségundo orden. Figura 5.3 Respuesta del proceso de segundo orden en lazo

abierto a una entrada escalón para obtener los valores de L y R.

b

V

Figura 5.4

Figura 5.5

Figura 5.6

Figura 5.7

Figura 5.0


Figura 5.11

Figura 5.12


Figura 5.15


Figura 5.19

Figura 5.20

Figura 5.21



Figura 5.26

Figura 5.27

Respuesta del sistema en lazo cerrado ante una entrada escalón con los parámetros obtenidos por Ziegler - Nichols. Gráfica de Bode en continuo de la planta de segundo orden para obtener los valores de Wc y Kc máx. Respuesta del sistema con los parámetros obtenidos del ajuste de la curva. Respuesta del sistema con los parámetros obtenidos del método del análisis en la frecuencia. Respuesta del sistema con parámetros ajustados en la sintonización fina. Gráfica del lugar de las raíces del sistema. Gráficas de resultados (Proceso de segundo orden) - Prueba No. 1. Gráficas de resultados (Proceso de segundo orden) - Prueba No. 2. Gráficas de resultados (Proceso de segundo orden) - Prueba No. 3. Modelo de la zona de vapor. Diagrama a bloques para el control de la zona de vapor de una UTE. Diagrama de implementación física para el control de la zona de vapor de una UTE. Control de temperatura de vapor recalentado. Control de temperatura de vapor sobrecalentado. Gráficas de resultados (Modelo de la zona de vapor) - Prueba No. 1. Gráficas de resultados (Modelo de la zona de vapor) - Prueba No. 2. Gráficas de resultados (Modelo de la zona de vapor) - Prueba NO. 3. Gráficas de resultados (Modelo de la zona de vapor) - Prueba No. 4. Diagrama a bloques para el control en cascada. Diagrama de implementación física para el control del flujo de agua de alimentación. Control del flujo de agua de alimentación. Gráficas de resultados (Modelo del nivel del domo) Prueba No. 1. Gráficas de resultados (Modelo del nivel del domo) Prueba No. 2. Gráficas de resultados (Modelo del nivel del domo) Prueba No. 3.

- - -

vi

LISTA DE SIMBOLOS

(NOMEHCLATURA)

SIMBOLO

AFV AID BP O C

CAT CPU D d d/dt e

. . I ID Kc máx

KP Ku L lb-mollseg mA P PC PD PI PID

r R Rad OR S CCL CCM CCV T Td

..m: LJ.

TRHO Ts TCCO

SIGNIFICADO

Apertura de la válvula de agua de alimentación Analógicas y digitales Banda proporcional Grados centígrados Controlador autosoportado Unidad central de proceso Acción derivativa Perturbación en el sistema Derivada Señal de error- Entradas y salidas Módulo de G(jw) Función de transferencia Acción integral Acción integral y derivativa Ganancia tíltima o crítica de la función de transferencia normalizada Ganancia del controlador Ganancia tíltima Retardo de la respuesta Libras - mol 1 segundo Miliamperes Acción proporcional Computadora personal Acción proporcional y derivativa Acción proporcional e integral Acciones de control proporcional, integral y derivativa Referencia Pendiente máxima de la curva Radianes Grados Rankine Operador de Laplace Subsistema controlador

Subsistema supervisor Periodo de muestre0 Tiempo derivativo Tiempo integral Temperatura de vapor recalentado Tiempo de estabilización del sistema Temperatura de vapor sobrecalentado

I Subsistema de comuni d 5 i6n

vi i .

viii

C A P I T U L O U N O

CONTROL ADTOBOPORTAW (CAT)

1.1.- INTRODUCCION

Los avances de la tecnología en el diseño y fabricación de circuitos integrados y computadoras digitales han tenido un gran impacto en el campo de la automatización industrial debido al aumento en la confiabilidad, rapidez y disponibilidad de los sistemas de computo, los cuales han mejorado grandemente la interacción operador - máquina - proceso; así, ya que cada vez se requiere de mayor producción industrial a menor costo, se hace necesario usar técnicas cada vez más sofisticadas y eficaces de control automático.

Debido a estas razones, la tecnologla en control se ha inclinado hacia el desarrollo de sistemas cuyo equipo se implemente con tecnología digital; además, que incluyan algoritmos de control cuya función sea, no sólo de regulación y seguimiento, sino que también optimicen criterios para aumentar la eficiencia de los procesos y obtener un producto de mejor calidad.

De esta manera, la tecnologla se adapta a la incorporación de sistemas de control distribuido ' en plantas generadoras, la cual presenta una opción adecuada para obtener una mejor eficiencia; sin embargo, deberá tomarse en cuenta el gasto de inversión que se justifique a partir de cierto tamaño del proceso.

A s í , el desarrollo de un equipo de control que sea económico y que contenga características de innovación tecnológica en los rubros arriba mencionados ofrecerá grandes ventajas con respecto a los convencionales, tanto en el ámbito industrial, como en el sector eléctrico en particular [i.i].

El desarrollo de controladores basados en microprocesador que pueden ser enlazados bajo el control de una computadora ha dado una alternativR económica en el control y monitoreo de procesos industriales.

' Sistemas de control de la cuarta generación basados en microprocesador (figura 1.4) con características industriales que ofrecen la ventaja de aumentar la eficiencia, confiabilidad y mejoramiento en el control, por ejemplo, en las operaciones de generación de unidades termoeléctricas [1.7].

1.1

w

Debido a la estructura que se maneja, pueden tenerse varias configuraciones en red (estaciones de trabajo enlazadas a un mismo punto), en la cual cada una puede contener varios controladores ubicados cerca del proceso para facilitar las acciones de medición y control con canales independientes a la red.

Los modernos sistemas de control de procesos tienden a incorporar dos nuevas caracterlsticas en la automatización de procesos [ l . Z ] :

EXPANDIBILIDAD: Los sistemas deben ser totalmente modulares de modo que permitan la expansión de controladores con canales de entrada y salida según lo requiera el proceso.

La red puede ser extendida sin alterar el "hardware" existente o causar un cambio significativo en el "software" implementado.

Las funciones pueden ser desarrolladas simultáneamente ya que cada canal es individualmente programable en la computadora, con la ventaja que cada una de las unidades lleva a cabo su función permitiendo a la computadora llevar a cabo otras tareas.

Y

XüLTIPROCEBAMIENTO: Desarrollar tareas de control múltiple al mismo tiempo que correr otros programas es posible con la nueva generación de "software" de supervisión y control desarrollado para uso de computadoras.

Una computadora puede monitorear y controlar sistemas de control de procesos, desplegando gráficas, mostrando condiciones actuales del proceso, de perturbaciones presentes y de alarmas del proceso.

El 1%oftwaret8 debe proporcionar una interface para accesar y controlar cada uno de los parámetros involucradoc en cada controlador del proceso.

1.2.- EVOLUCION DE LAB QEMERACIONEB DE LOB BISTEMAS DE CONTROL

La clasificación por generaciones de los sistemas de control facilita el análisis de las ventajas y desventajas que se han presentado conforme a su evolución [1.3, 1.41.

Dentro de la primera generación se pueden mencionar los dispositivos que realizaban las funciones de medición, control y actuación dentro de un solo bloque, los cuales no ofreclan interacción con el operador.

Por esta causa este tipo de controladores ha quedado prácticamente fuera de uso.

1.2

La figura 1.1 muestra los sistemas de control de la primera generación como un conjunto de puntos aislados de control.

Campo Control - Autocontenldo

Autocontenldo

Control Autocontenldo

Autocontenido

Figura 1.1.- Sistemas de primera generación, dispositivos autocontenidos

La segunda generaaidn cuenta con la presencia del controlador neumático y posteriormente electrónico, introduciéndose el uso de dispositivos independientes especializados en la ejecución de las tareas de medición, control y actuación.

Sus principales caracterkticas de centralización de la información en cuartos de control y el aumento en la interacción entre operador - proceso, han dejado prácticamente fuera de competencia a los sistemas de control de la primera generación.

La figura 1.2 muestra los sistemas de control de la segunda generación como una arquitectura formada por una colección de lazos individuales de control.

La tercera generacidn se distingue por el uso de computadoras digitales donde se ejecutan las tareas de todos los lazos de control en una sola unidad.

Cuenta con una interacción operador - proceso más amigable por medio de consolas de operación, monitores y teclados.

1.3

Sensores (Campo)

Figura 1.2.- Sistemas de segunda generación, conjunto de lazos simples, despliegue centralizado

Las primeras aplicaciones presentaron algunas limitaciones, tales como poca capacidad de procesamiento y de memoria, programación en lenguaje ensamblador y otras que en conjunto reduclan la confiabilidad de la máquina, llegando en ocasiones a contar con respaldos analógicos totales que incrementaban notoriamente el costo del sistema. Sin embargo, se logró avanzar en cuanto ai desarrollo de interfaces de operación y problemas de tolerancia a fallas, no realizable con los sistemas de la segunda generación.

Su principal desventaja es la centralización de las tareas de control.

La figura 1.3 muestra los sistemas de control de la tercera generación con arquitectura de control centralizado.

La auarta generaaibn se describe como un conjunto de controladores simples o multilazo basados en microprocesador, enlazados por un canal de comunicación para transferir información entre cada uno de los controladores del proceso y la estación de operación.

1.4

Cuar.to de .Control Sensores

Estaclon

de

3peraclon

Actuadores

c

a

m

P

O

Figura 1.3.- Sistemas de tercera generación, control centralizado

La figura 1.4 muestra los sistemas de control de cuarta generación con arquitectura de control distribuido.

I I I PISTA DE OATOS

I I CONTROLAWR

MULTILAZO

I

Figura 1.4.- Sistemas de cuarta generación, control distribuido

1.5

El uso de microprocesadores da una respuesta a la desventaja del control centralizado al mejorar el desempeño de los sistemas de control. Sin embargo, continúa la desventaja aunque en manor grado; ya que es más fácil y económico respaldar un controlador multilazo a una computadora de proceso completa. Por esta razón los sistemas de cuarta generación han superado prácticamente a los sistemas de tercera generación.

La arquitectura de la quinta genemacibn se caracteriza por el uso de un bus de campo al cual se puede conectar toda clase de dispositivos para adquisición de datos y control. Se conoce con el nombre de sistemas de control en red.

Esta arquitectura contiene las características de los sistemas de la segunda y cuarta generación, esto es, la integridad de lazos simples de control con la funcionalidad del procesamiento distribuido.

La figura 1.5 muestra los sistemas de control de quinta generación con arquitectura de control de red.

QF(z+ WERAUON SUPERVISION + Red MAPIEPA CP-72

F

Figura 1.5.- Sistemas de quinta generación, control en red

Las ventajas que proporciona esta arquitectura no disponibles

a) Equipo no dependiente de un solo fabricante ante la

antcriormente para el u'cuario, son las siguientes:

normalización internacional del bus de campo. O

1.6

b) Disminución del costo total de los sistemas y

c) Expansión y reemplazo económico del sistema.

d) Msjor control de procesos en tanda, es decir, una mejor

compatibilidad en componentes.

combinación entre control analógico y control secuencia1 para el control de procesos.

particular. e) Adecuada selección de componentes para una aplicación

f) Alta confiabilidad del sistema.

g) Costo reducido de instalación.

h) Mejoramiento del desempeño del sistema con elementos

i) Compatibilidad en la comunicación.

procesando en paralelo.

1.2.1.- DEFINICION DEL BU8 DE CAMPO (FIELDBUS)

Sistema de comunicación propuesto por el Comité Nacional Alemán de la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) ante la necesidad de un estándar de comunicación para procesos de control basados en red local contemplado a bajo costo y con caracteristicas de interconectar desde elementos básicos como sensores y actuadores hasta controladores inteligentes.

Su nombre, BUS DE CAMPO (FIELDBUS), se debe a lo común que es llamar a los instrumentos básicos, elementos de campo.

Se está desarrollando por ICA SP-50 [1.5] y otros comités internacionales y tiene una aplicación que va desde la industria del proceso continuo hasta la producción de tipo discreto.

Debe operar en tiempo real con transmisión serie basada en bit sobre un bus digital y las principales ventajas que justifican su aplicación son las siguientes:

a) B a j o costo de cableado en la instalación.

b) Velocidad y calidad en la transmisión.

c) Accesibilidad para expansión del sistema.

La figura 1.6 muestra la banda de velocidad de transmisión contra la distancia, se ubica el alcance del CAT tal que le permite albergar una gran diversidad de procesos.

1.7

0.1 1 i o 100 1K l O K üiaiancia (mts.)

Figura 1.6.- Ambito de aplicación de la tecnología Fieldbus

1.2.2.- DEPINICION Y WICACION DEL SISTEMA DE CONTROL AUTOSOPORTADO (CAT)

El CAT es un sistema configurado bajo la topología de BUS (con caracteristicas de superioridad en prestaciones en comunicación y versatilidad de expansión), con un sistema de comunicación basado en la norma EIA ~ ~ 4 8 5 2; se muestra en ia figura 1.7.

De esta manera el CAT queda definido bajo una topología de bontrol de quinta generación; en la figura 1.8 se muestra el sistema de control autosoportado (CAT) con topología de BUS.

1.3 .- OBJETIVOS Y ALCANCE DEL SISTEMA DE CONTROL AUTOSOPORTADO (CAT)

El CAT se desarrolla en el Instituto de Investigaciones Eléctricas por el grupo de Control Aplicado no Convencional del Departamento de Automatización de Procesos.

Surge para satisfacer la necesidad de contar con un equipo factible y con características industriales para incorporar y probar algoritmos de control avanzado en modelos de unidades

Su empleo se inclina en red local al hacer posible un funcionamiento multiusuario con capacidad hasta 32 dispositivos emisores y 32 receptores.

1.8

- CONTROLADORES

LAZO SIMPLE

SENSOR ACTUADOR SENSOR ACTUADOR ANALOGICO ANALOGICO DIQITAL DIGITAL

Figura 1.7.- Topología de BUS

SENSOR ACTUADOR SENSOR AOTUACQR ANALOGICO ANAL001CO DIGITAL DIGITAL

Figura 1.8.- Sistema de control autosoportado con topología de BUS

1.9

De esta manera, se trabaja en el diseño, desarrollo e integración de un sistema de control y automatization de procesos de aplicación generalizada basado en computadoras personales y microprocesadores comerciales con caracterlsticas industriales.

Los objetivos que se persiguen en el sistema de control autosoportado permitirán:

a) Crear infraestructura para la automatización de procesos industriales y adiestramiento de personal en el diseño, desarrollo y operación de sistemas de control.

b) Contar con un soporte físico implementado bajo un ambiente de operación en tiempo real con características de sistemas comerciales.

c) Contar con un equipo para implementar y probar algoritmos de control.

De esta manera se contará con un prototipo en configuración mínima de un sistema de monitoreo y control competitivo basado en tecnología digital para responder a la automatización de procesos industriales de mediana escala en forma eficiente; sin descartar la idea de promover sistemas de control a bajo costo con altos índices de desempeño.

1.4.- CARACT~IBTICAB OENERALEB DEL CAT

Ante el buen desempeño de los objetivos mencionados se realiza la integración de un sistema de monitoreo y control que presenta las siguientes caracterlsticas [1.6]:

BDPERVIBIONI La operación del proceso podrá ser seguida desde una estación de monitoreo y supervisión basada en una computadora personal.

AUTOBOPORTE: Los controladores deberán ser capaces de funcionar a pesar de desconexión o falla de la estación supervisora.

AUTODESAñROLLOi El desarrollo de "software1' del sistema no requerirá de equipo adicional, por lo tanto disminuirán los costos de producción.

ARQUITECTmU ABIERTA: El sistema de control deberá ser un sistema abierto tanto en "hardware" como en "software", lo que permitirá una mejor estructuracibn del sistema en su uso, aplicacibn, mantenimiento y actualización.

MODULAR: Gran capacidad de expansión por su arquitectura modular basada en topología de bus.

1.10

CONPIOURABLE: El sistema tendrá opción para configurar los esquemas de control adecuados para el control del proceso.

EQUIPO DE PROGRAUACION: Se pretende que la programación de los . controladores y de la estación se. pueda hacer desde la estación supervisor sin necesidad de equipo adicional.

VELOCIDAD Y DISTANCIA DE TRANSMISION: Alta velocidad de transmisión a grandes distancias en par trenzado sin repetidores y de alta inmunidad al ruido, basado en la norma EIA RS485.

1.5.- CONFIGWRACION Y DESCRIPCION FüNCIONAL DEL CAT

La figura 1.9 muestra la estructura física del sistema prototipo en configuración mínima; consta de tres subsistemas:

a) Subsistema supervisor b) Subsistema controlador c) Subsistema de comunicación

y un simulador de procesos.

1.5.1.- SUBSISTEMA SUPERVISOR (SSV)

Consiste en una estación de monitoreo y supervisión basada en una computadora personal, una tarjeta de comunicaciones RS-4221485 y una impresora.

La estación de monitoreo y supervisión tiene la tarea de realizar:

* El despliegue de información del proceso. * El despliegue de información del sistema de control. * El monitoreo y reconocimiento de alarmas. * El reporte de información del proceso. * El registro y almacenamiento de información. * El monitoreo de acciones y ordenes del operador. * La programación del sistema de control. * La carga de programas en el controlador. * El intercambio de información con el controlador.

1.5.2.- SUBSISTEMA CONTROLADOR (SCL)

Formado por la unidad de adquisición y control (pMAC-6000), el panel de entradas salidas binarias y los módulos de acondicionamiento de señales.

La unidad de adquisición y control tiene la tarea de realizar:

1.11

* La adquisición de señales analógicas y binarias de proceso. * El control regulatorio (analógico) continuo. El control analógico en tanda de secuenciamiento sencillo.

* El control lógico de secuenciamiento complejo. * El envío de señales analógicac y binarias al proceso. * El intercambio de información con la estación supervisor. La recepción de programas de la estación supervisor.

USUARIO

MONITOREO Y SUPERVISION IJ

[ . COMUNICACION J

ADQUlSlCiON [ Y CONTROL

]SIMULADOR, PLANTA(

Figura 1.9.- Diagrama funcional, prototipo mínimo

1 . 5 . 3 .- SUBSISTEMA DE COMIJNICACION (SCM)

Constituido por un canal de comunicación; par trenzado para

El canal de comunicación tiene la tarea de realizar:

interfaz RS-485.

1.12

* El intercambio bidireccional de información en línea. * La transmisión de programas fuera de línea.

1.5.4.- SIMULADOR DE PROCESOS

El simulador de procesos consta de una computadora personal en la cual estará implementado el modelo del proceso a simular y una tarjeta RTI-815 de entrada 1 salida para señales analógicas y digitales.

El simulador de procesos tiene la tarea de realizar:

* La adquisición de señales analógicas y digitales. * Opción a cambio de parámetros del proceso. * La evaluación de las ecuaciones del modelo. * Monitoreo digital, gráfico y barras de tendencia de las variables de entrada y salida del proceso. * La simulación lógica de sensores y actuadores binarios.

* Almacenar la información de la simulación en archivos de datos. * El envío de señales analógicas y digitales.

El desarrollo de este trabajo se ubica en el subsistema controlador. Para llevar a cabo la etapa de validación del sistema de control, se adaptan modelos de unidades termoeléctricas en el simulador de procesos. 7

u 1.6.- REFERENCIAS: 4 I'

B C L U

' [1.1] Alvarez G., Joaquín, R. Garduño R., G. Madrigal E., 2 0 - z z "Estación de Control Digital, Etapa I: Objetivos y Bases

Simulación, Enero de 1988. de Diseño It Reporte interno, IIE, Departamento de W

n u o u E L1.21 Williams Roger, "Microcomputers control distribution

systems" c&I, Abril de 1989.

~1.31 Garduño R., Raúl y A . Herrera C., "Fieldbus: hacia los sistemas de control de quinta generación", V Simposium Internacional de Electrónica y Comunicaciones, Monterrey, N. L., Marzo de 1989.

Garduño R., Raúl, A. Herrera C., J.M. Ricaño C., "CAT, un sistema de control en red" , Boletín IIE, Volumen 14 No.3, Mayo 1 Junio de 1990.

L" ~

[1.4]

l1.51 Kazahaya Mati "Field Bus: New Standard? I' Control Enaineerinq, Octubre de 1987.

1.13

[ 1 . 6 1 Garduño R., Raúl, Diseño e integración de un controlador autosoportado. Objetivos, producto, descripción y alcance Documento interno, IIE, Departamento de Simulación, Junio de 1989.

11-71 Madinaveitia V., Miguel y R. Chavez T., “Sistema de contrql distribuido para la central termoeléctrica del ciclo combinado de Dos Bocas’*, Boletín IIE Vo1.15. Nun. 1, Enero / Febrero de 1991.

1.14

C A P I T U L O D O S

MODALIDADES DEL CONTROLADOR PID

2.1.- INTRODUCCION

A pesar de la continua búsqueda de nuevas técnicas de control de sistemas en procesos industriales, el controlador más usado es sin duda alguna el controlador PID [2.1].

Más del 90 % de los lazos de control en industrias qulmicas, petroqulmicas y termoeléctricas siguen usando controladores de tipo PID.

Lo anterior se debe a su fácil implementación tanto analógica como digital; los operadores están bastante familiarizados con su mantenimiento, calibración y operación, se tiene un conocimiento que ha sido probado y enriquecido en años de práctica en la industria y aplicaciones que han solucionado problemas de control.

Antes de continuar con el tema de los controladores PID, se definen al lector algunos términos empleados durante el desarrollo del trabajo; entre ellos, son los siguientes:

ESTRATEGIA DE REGULACION: Se entiende como el arreglo entre las señales involucradas en el sistema de control para mantener la variable controlada lo más cerca posible de un valor constante de referencia.

ACCIONES DE CONTROL: Se refieren a la acción proporcional (Kp), a la acción integral (Ti) y a la acción derivativa (Td).

VARIANTES DEL CONTROLADOR PID: Son las diferentes combinaciones que pueden tomar las acciones del controlador PID para el control de un proceso; estas son: controladores P, I, PI, PD, ID.

ALGORITMO DE CONTROL: Se refiere a la ecuación que obtiene la señal de control a enviar a proceso; se emplea en modos de operación que obtienen la señal de control en forma automática; se tienen algoritmos de posición y de velocidad y diferentes tipos del algoritmo de control, entre ellos, no interactivos, interactivos y paralelos; su diagrama a bloques y función de transferencia se muestran en la figura 2.6.

2.1

MODALIDAD DEL CONTROLADOR PID: Se refiere a la configuracidn que puede tomar el controlador PID; las modalidades que se desarrollan en este trabajo son: controlador PID normal, razón, autorazón y autopolarizado.

MODOS DE OPERACION DEL CONTROLADOR: Se refiere a la forma en la que se obtiene la señal de control a enviar, estos son: modo de operación manual, automático, supervisor y cascada.

CONTROLADOR PID: Se refiere al bloque controlador. Obtiene los valores de referencia y variable de proceso, se genera el error y calcula la señal de control.

ESTRUCTURA DEL CONTROLADOR PID: Se refiere a la ubicación de las acciones del controlador, Xp, Ti y Td, para llevar a cabo un control más específico respecto a las caracterlsticas del proceso; estas son: PID, PI-D y I-PD, en la figura 2.7 se muestran las tres posibles estructuras de control PID.

SUBMODO DE OPERACION: Un submodo de operación se define como un conjunto de condiciones que se realizan dentro de ciertos modos de operación. El operador no tiene acceso a activarlos, entre ellos están: imposición manual y seguimiento de variable de proceso.

Si se aborda el problema de la selección de una estrategia de regulación que haga posible el control de un proceso industrial, es ineludible tener en cuenta el controlador PID, o una de sus posibles variantes (controladores P, I, PI, PD, ID), ya que estos proporcionan características que satisfacen las necesidades de control (estabilidad, robustez, precisión y rapidez) de la mayor€a de los procesos industriales [2.2].

Un buen desempeño en el controlador PID consiste en combinar tres acciones basicas de control (2.1), estas son: la acción proporcional, la cual se multiplica por el error (e), diferencia entre el punto de referencia (r) y la variable de salida del proceso ( y ) , ver figura 2.1; la acción integral, realiza la integración del error a lo largo del tiempo, y la acción derivativa que realiza la derivada del error con respecto al tiempo.

La combinación de estas acciones da lugar a la expresión básica del controlador PID:

u(t) = Kp [ e(t) + - jie(t) dt + Td I Ti dt

2.2

siendo u(t) la señal de control o de entrada al proceso y e(t) la señal de error del sistema.

'

En la figura 2.1 se muestra la estructura general del controlador PID para el control de un proceso.

La selección adecuada de estas tres acciones del controlador se realiza ajustando o sintonizando los tres parámetros Kp, Ti y Td de la expresión (2.1) del controlador PID [2.3].

3

Figura 2.1.- Diagrama que muestra la estructura general del controlador PID para el control de un proceso

2.2.- FUNCIONAMIENTO DEL CONTROLADOR PID

A continuación, se describe el funcionamiento de cada una de las acciones que forman parte en el controlador PID y como se denominan sus parámetros.

2.2.1.- ACCION PROPORCIONAL

La acción proporcional es un parámetro de ganancia Kp; a veces se sustituye el parámetro Kp de la expresión (2.1) por su inversa EP = 100 % f Kp, llamada banda proporcional. A s í , en un controlador puramente proporcional (p), la relación porcentual entre la señal de control (u) y el error (e) es el parámetro de la ganancia (Kp) y su inversa es la banda proporcional (BP).

Por ejemplo, un 20 % de BP expresa que un error del 20 % provoca una acción sobre la señal de control del 100 %.

Un controlador P produce un error (offset) siempre que el proceso necesite un aporte de energía a su entrada (u) para que se mantenga constante su salida ( y ) a un cierto valor. En efecto, tal como aparece en la figura 2.2, el hecho de que el error (e) llegue

2.3

a ser cero, la señal de control (u) tiende al mismo valor, y en consecuencia, la salida ( y ) alcanza un valor de equilibrio diferente de la referencia, si el proceso controlado es estable.

Salida

--._ Referencia -_

Tlempo 'I I sena1 de conlrol

Figura 2.2.- Respuesta del proceso con un controlador proporcional (P)

La manera de resolver el problema del error consistía en reajustar manualmente (manual reset) la señal de control (u) añadiéndole un nivel a la referencia que permitiese anular el error, se muestra en la figura 2.3.

* Nuale Wawl

Control Silidl

Regulador P Reierencia

Figura 2.3.- Esquema a bloque de un proceso controlado con un controlador proporcional y un ajuste manual

Sin embargo, si se usa el algoritmo de posición, existe una

2 . 4

señal denominada de polarización que no permite que aunque el error sea cero, la señal de control tienda al mismo valor, sino al valor de la señal de polarización.

Si se usa el algoritmo de velocidad, el valor de la señal de polarización se maneja implícito debido a las características del algoritmo.

Los algoritmos de posición y de velocidad se describen con más detalle en la sección 2 . 2 . 4 .

2.2.2.- ACCION INTEGRAL

La acción integral, segundo sumando de la ecuación (2.1), suministra una señal de control (u) que es proporcional a la integral del error (e).

El parámetro de acción integral (Ti) se expresa en minutos o segundos por repetición o en su inversa (l/Ti) repeticiones por minuto o segundo.

El sentido físico de las unidades de minutos o segundos por repetición consiste en el intervalo de tiempo que necesita la acción integral para suministrar una señal de control equivalente a la obtenida con la acción proporcional (una repetición) si el error se mantiene constante, tal como se muestra gráficamente descrito en la figura 2 . 4 .

Figura 2 . 4 . - Efecto de las acciones proporcional e integral de un controlador PI

Un controlador PI que combine adecuadamente las dos acciones descritas, permite anular el error en estado estacionario, ya que

2.5

si la salida del proceso es constante, se debe a que su entrada también es constante y para esto es necesario que el integrador no actue, lo que equivale a decir que el error es nulo. Por esta razón algunos controladores comerciales denominan automatic reset, a la acción integral.

Sin embargo, la acción integral tiene el inconveniente que "puede llevar a" la inestabilidad al proceso controlado, por lo que es conveniente seleccionar un valor pequeño de repeticiones/minuto (1/Ti) o añadir una acción opuesta, como es la acción derivativa.

2.2.3.- ACCION DERIVATIVA

La acción derivativa, tercer sumando de la expresión (2.1) , suministra una variable proporcional a la derivada del error. El parámetro de la acción derivativa (Td) se expresa en unidades de tiempo (minutos o segundos).

Esta acción permite acelerar la respuesta del proceso cuando se producen cambios en la referencia, sin embargo, no actúa en estado estacionario, se anule o no el error.

Para justificar este efecto de la acción derivativa, obsérvese su comportamiento mostrado en la figura 2.5 cuando el error aumenta iineaimente con el tiempo; una única acción proporcional suministra igualmente una acción de control lineal con el tiempo, mientras que una doble acción, proporcional - derivativa, eleva la acción de control anterior y aparenta ser una acción proporcional que se anticipa en el tiempo td al error (linea a trazos), por esta razón, algunos autores denominan acción anticipatoria a la acción derivativa.

Figura 2.5.- Efecto de las acciones proporcional y derivativa de un controlador PD

2.6

El efecto acelerador o de anticipación en respuesta de la acción derivativa, produce una estabilización rápida en régimen transitorio del proceso controlado, por lo tanto, puede compensar el efecto de la acción integral.

En resumen, un ajuste adecuado en las tres acciones del controlador PID, (sintonización de parámetros), se puede obtener una respuesta rápida en el régimen transitorio y anular el error en estado estacionario.

Estas son las características básicas del controlador PID que lo hacen tan usual al seleccionar una estrategia de regulación.

2.2.4. - ALGORITMO8 DE POBICION Y DE VELOCIDAD

La ecuación básica para el controlador PID en continuo es escrita en el dominio de Laplace de la siguiente manera:

1 Tds- U ( S ) = Kp [ 1 + - + 1 Eis) (2.2)

Tis (1 + Tds/N) donde U ( s ) y E(c) son la transformada de Laplace de la salida del controlador y la señal de error respectivamente; Kp es la ganancia proporcional, Ti es el tiempo integral y Td es el tiempo derivativo. Se tiene un filtro con una constante de tiempo Td/N en la parte derivativa, el valor de N está entre 3 - 10 y es impuesto por el fabricante [2.5].

La discretización de la expresión (2.2) se realiza de una selección adecuada en [2.6], aproximación de Euler para la parte integral y aproximación hacia atrás para la parte derivativa; se llega a la ecuación del controlador PID digital, escrita de la siguiente forma:

T Td (4-1)

Ti (9-1) T ( q + T ) u(kT) = Kp [ 1 + + 1 e(kT) (2.3)

donde : (-T) * N

En la ecuación 2.3 se ha obtenido la forma de posición para el controlador PID y consiste en el cálculo total de la salida (señal de control). Sin embargo, si se calculara el cambio en la señal de control, u(kT) , una forma incremental o de velocidad se determina de la ecuación 2.3:

A u(kT) = u(kT) - U(kT-T) 2.7

( 2 . 4 )

Hasta aquí, se define el concepto de un algoritmo de posición y de un algoritmo de velocidad. En la secciones 2.5.1 y 2.5.2, se presentan las ventajas y desventajas de cada uno de ellos, el motivo para emplear uno u otro y en la sección de diseño (capítulo 3), se detalla el algoritmo implementado: algoritmo de velocidad.

2.3.- ALGORITMO8 Y E8TRUCTURñ8 DEL CONTROLADOR PID

En los controladores industriales es frecuente encontrar diferentes tipos del algoritmo de control PID; cualquiera de ellos, se puede considerar que pertenece a uno de los tres grupos de controladores PID (no interactivos, interactivos y paralelos), cuyo diagrama de bloques y función de transferencia se muestran en la figura 2.6, [ 2 . 7 ] .

Controladores PID

Tipo No interactivo lnteractivo Paralelo

Eisl u s 1 PI -93 Diagrama

%G de bloque8

Función da I I I Transferencla K ~ ( l *-' Toc) K,(I +-+ Tis) K,(I + -+T i ' s )

T,'s Tl's TI

(al íbl (cl

Figura 2.6.- Tres algoritmos de control PID, (a) tipo no interactivo, (b) tipo interactivo, (c) tipo paralelo

En dicha figura los bloques P, I y D en el paralelo representan cada una de las acciones básicas de control, el bloque D en el interactivo es equivalente a un bloque PD clásico con ganancia proporcional a la unidad, y los bloques PI y PID representan las combinaciones clásicas de las acciones de control.

2.8

Sin embargo, los fabricantes emplean de forma diferente estos términos, de modo que la única manera de saber que tipo de algoritmo incorpora un determinado controlador, es comparar la ecuación del controlador con las ecuaciones mostradas.

La razón por la Cual existen diferentes tipos de algoritmos de control, proviene de los controladores analógicos, lo cual resultaba más económico construir un controlador con acciones separadas (interactivo y paralelo), a un controlador con las tres acciones de control en un solo bloque (no interactivo), véase figura 2.6. Sin embargo, con la utilización de microprocesadores las diferencias económicas desaparecen:

Una de las ventajas entre los diferentes tipos del algoritmo de control, consiste en el número de bloques empleados; asi, el algoritmo no interactivo es el más usado actualmente. El criterio para su aplicación consiste principalmente en el manejo de las acciones de control, como se describe a continuación en cada uno de los algoritmos.

2.3.1.- ALGORITMO NO INTERACTIVO

El algoritmo clásico se conoce con el nombre de algoritmo no interactivo de control PID. Con el calificativo de no interactivo se quiere poner de manifiesto que las acciones de control integral y derivativa son independientes, aunque exista un parámetro del controlador, la ganancia proporcional Kp, que afecte a las tres acciones (proporcional, integral y derivativa).

Este algoritmo está considerado como estándar por la ISA (Instrument Society of America), es el más citado en la bibliografía y el más utilizado actualmente.

2.3.2.- ALGORITMO INTERACTIVO

Se denomina algoritmo interactivo de control PID al algoritmo generalmente empleado en los antiguos reguladores analógicos. Con el calificativo de interactivo se quiere recalcar que la modificación en cualquiera de las constantes de tiempo Ti* o Td', afecta a las tres acciones (proporcional, integral y derivativa); tal como se entienden dichas acciones en el algoritmo clásico, por lo tanto, actúa de la misma manera que el algoritmo no interactivo.

2.3.3.- ALGORITMO PARALELO

Se conoce como algoritmo paralelo de control PID al algoritmo que permite modificar cada acción por separado. Con el calificativo *'paralelo", se quiere indicar que las tres acciones (proporcional, integral y derivativa), son independientes.

2.9

2.3.4.- ESTRUCTURAS DEL CONTROLADOR PID

El controlador PID permite gran flexibilidad no sólo en el algoritmo de control, sino también en lo referente al tratamiento de la señal de referencia. Algunos fabricantes incorporan esta última Característica en sus controladores industriales, lo que permite elegir entre diferentes estructuras de control. La figura 2.7 muestra las tres posibles estructuras de control PID.

~~

E.truotura. d. oontrol PID

Figura 2.7.- Estructuras de control PID, (a) PID, (b) PI-D, (C) I-PD

Las estructuras del controlador PID se presentan para diferentes aplicaciones en sistemas de control. Una de ellas se presenta en configuración cascada, cuando se desea asignar una señal de control suave (sin cambios bruscos) a la referencia del controlador esclavo, se presentan las estructuras PI-D o I-PD.

La elección de una u otra estructura no afecta a la estabilidad del sistema en lazo cerrado ni a la respuesta del sistema a cambios en la carga, pues la ecuación característica es la misma en los tres casos, esto es:

Si se define G ( s ) como la función de transferencia del proceso y las acciones del controlador PID como:

1

Tis a) PID = Kp (1 + - + Tds)

2.10

1

Tis b) PI = Kp (1 + - 1 D = Kp * Tds;

KP C) PD = Kp (1 + Tds) I = I

Tis

y se aplica la fórmula de ganancia de Mason [5.6], se obtiene lo siguiente:

Para el caso de la figura 2.7 (a):

G ( s ) * Kp (1 + 1/Tis + Tds) - - Y(S)

R ( S ) 1 + [ G ( S ) * Kp (1 + 1/Tis + Tds) ]

Para el caso de la figura 2.7 (b):

G ( s ) * Kp (1 + l/Tis) - - Y(S)

R ( S ) 1 + [ G ( s ) * Kp (1 + 1/Tis + Tds) 3

Para el caso de la figura 2.7 (c):

G ( s ) * (Kp / Tis) - - Y(S)

R ( s ) 1 + [ G ( s ) * Kp (1 + 1/Tis + Tds) ] (2.7)

De (2.5), ( 2 .6 ) y (2.7) se demuestra que la elección de una u otra estructura no afecta a la estabilidad del sistema en lazo cerrado; efectivamente la ecuación característica es la misma para los tres casos y los polos del sistema están igualmente ubicados.

Para demostrar que la elección de una u otra estructura no afecta a la respuesta del sistema a cambios en la carga, se define d(s) como una perturbación aditiva a la salida del proceso; se aplica Mason y se llega a la función de transferencia:

d(s) 1 + [ G ( s ) * Kp (1 + 1/Tis + Tds) ]

La función de transferencia es igual para los tres casos y se observa que la ecuación característica no cambia. A s í , se demuestra que la selección de cualquiera de las estructuras no afecta a la respuesta del sistema para cambios en la carga.

2.11

Sin embargo, si afecta a la respuesta del sistema para cambios en el punto de referencia.

Los ceros de (2.5), (2.6) y (2.7) se comportan con dinámicas diferentes para cada caso, por lo tanto, la elección de una u otra estructura si afecta a la respuesta del sistema para cambios en el punto de referencia.

Con base en estudios realizados en [2.5], se puede decir que, con los mismos parámetros de control, los cambios de estructura tienen las siguientes consecuencias:

* El cambio de estructura PID a PI-D suele dar lugar a respuestas con mayor tiempo de subida y mayor sobrepaso (para cambios del punto de referencia) y por tanto suele alargar el transitorio. Al mismo tiempo, este cambio de estructura implica reducción en el valor inicial de la señal de control pero no una mejora en su evolución. De ahí que la estructura PI-D no significa una mejora en la respuesta del sistema.

* El cambio de estructura PID a I-PD da lugar a respuestas con mayor tiempo de subida, menor sobrepaso y prácticamente el mismo tiempo de asentamiento, por tanto mejora el transitorio. Todo ello con un esfuerzo mucho menor en la señal de control, lo que hace muy recomendable la estructura I-PD en sistemas de control sometidos a grandes cambios en el punto de referencia.

2.3.5.- UTILIZACION DE LAS ACCIONES DE CONTROL PID's EN PROCESOS TIPICOS

La utilización de las acciones del controlador PID varía mucho en función de la aplicación o proceso concreto a controlar. Por. ejemplo, es esencial la utilización de la acción derivativa en el control de la temperatura de un proceso, sin embargo, es innecesaria en el control de presión de gas e incluso es perjudicial en el control de caudal de líquidos [2.2].

A continuación, se comenta la utilización del regulador PID en algunos procesos típicos y al final se proporciona una tabla propuesta por Shinskey [2.4], que resume la aplicación del controlador PID en procesos químicos.

* En servocistemas que son sistemas de control de posición o dirección velocidad y aceleración, se utilizan habitualmente las tres acciones del controlador PID, por ejemplo, en los autopilotos de naves o en el control de los ejes de un robot, aunque existen algunos casos, como es el control numérico de algunas máquinas herramientas, que sólo aplican las acciones proporcional yfo derivativa (controlador P o PD).

2 :12

* En sistemas de control de caudal y presión de llquidos es esencial aplicar una acción integral. En cambio, es perjudicial la acción derivativa (regulador PI), ya que el ruido inherente en los sensores de estas variables no permite su aplicación. .

* En control de presión de gas son innecesarias las acciones integral y derivativa (regulador P) dado que este proceso es muy estable y puede aplicarse una elevada acción proporcional (ver en la tabla los valores recomendados) que prácticamente elimina el error en estado estacionario.

* En control de nivel de llquidos no se utiliza la acción derivativa, que es perjudicial por la misma razón que en el control del caudal. Es necesaria la acción integral si el proceso es continuo, y no lo es si el proceso mismo ya dispone de elemento integrador, proceso en batch (regulador P o PI).

* En control de temperatura y de presión de vapor es necesaria la acción integral, y es esencial la acción derivativa, si se desea acelerar la respuesta en estos procesos.

* En composición de PH es esencial la acción integral, y la acción derivativa es recomendable dada la inestabilidad intrínseca de estos procesos continuos.

Caudal y presión (líquidos)

Presión (gas) Nivel (líquido)

Temperatura y presión

composición de PH

(vapor 1

Acción Acción Acción Proporcional Integral Derivativa

50 - 500 % Esencial No

o - 5 % Innecesaria Innecesaria

5 - 5 0 % Sí NO

10 - 100 % s1 Esencial

100 - 1000 % Esencial Sí posible

2.13

2.4.- MODALIDADES DEL CONTROLADOR PID

El controlador PID normal cuenta con ciertas características para diferentes aplicaciones. Existen diferentes modalidades de este tipo de controlador e igualmente cuentan con características y ventajas para cierto tipo de aplicaciones.

En esta sección se describe el funcionamiento de tres modalidades del controlador PID, entre ellas:

a) Controlador PID Razón b) Controlador PID Autorazón c) Controlador PID Autopolarizado

La diferencia entre estas modalidades y el controlador PID normal, consiste básicamente cuando actúan en configuración cascada, su referencia es la salida de otro controlador y se dice que tienen referencia remota, se muestra en la figura 2.8; cuentan con diferentes características en la obtención del valor de referencia asignado para evitar la transferencia con saltos al cambio entre modos de operación; se muestran las características, SUS ventajas, su desempeño para aplicaciones y la ecuación para obtener la referencia asignada para cada una de las modalidades.

En la figura 2.8 se muestra la configuración del controlador para modos de operación manual, automático y cascada; en modos de operación manual y automático se asigna una referencia local y en modo de operación cascada se asigna una referencia remota, esto es:

Modos manual y automático:

referencia = referencia local

Modo cascada:

referencia. = (razón * referencia remota) + polarización.

2.4.1.- CONTROLADOR PID RAZON

Esta modalidad del controlador tiene la misma configuración que el controlador PID normal cuando actúa en sus modos de operación: manual y automático; sln embargo, cuando es configurado en modo de operación cascada cuenta con diferentes características.

La diferencia que existe con el controlador PID normal, consiste básicamente en la referencia asignada al controlador esclavo, controlador con referencia remota asignada por otro controlador por configuración cascada, la cual está relacionada con dos factores denominados: razón y polarización.

2.14

DIAGRAMA OUE MUESTRA LA CONFIQURACION PARA

LAS MODALIDADES DEL CONTROLADOR PI0

I

REFERENCIA

REFERENCIA

MANUAL AUTOMATIC0

Figura 2.8,- Diagrama que muestra la implementación de las modalidades del controlador PID

El factor razón consiste en una variable que ofrece la ventaja de poder seleccionar de O a 100 por ciento el valor de referencia que estará presente en el controlador esclavo.

El factor polarización consiste en una variable que ofrece la ventaja de subir o bajar, según el valor asignado, sobre un nivel de polarización la referencia que tendrá asignada el controlador esclavo.

En esta modalidad del controlador PID, los factores razón y polarización son ambas puestos. por el operador.

Después de haberse mencionado cada uno de los factores que afectan la referencia del controlador configurado en modo cascada, se menciona la acción conjunta, dependiendo de los valores asignados tanto a la razón como a la polarización, su expresión es [2.8]:

referencia = (razón * referencia remota) + polarización ( 2 . 9 )

Una de las principales ventajas de este factor de polarización es cuando la variable remota es igual con cero, de esta manera, no importa el valor asignado al factor razón (2.9), ya que será cero, por lo tanto, ahora dependerá únicamente del valor asignado a la polarización, ya sea que se desee asignar una referencia positiva o negativa en el controlador esclavo, esto es:

2.15

si : referencia remota = O;

de (2.9), se obtiene:

referencia = polarización.

ahora depende Bnicamente del valor de polarización para asignar el valor de referencia en el controlador esclavo.

En caso que la variable remota sea positiva y se desee asigr,ar una referencia negativa en el controlador esclavo, el valor asignado a la polarización deberá ser mayor y con signo negativo al producto "razón por referencia remota". El valor de polarización se selecciona tan grande como tan negativa se desee la referencia en el controlador esclavo.

por ejemplo, si:

referencia remota = + 1.0 => valor positivo

el valor del factor razón es positivo, entre O y 100 %, por lo tanto el producto "razón por referencia remota" es positivo; así, si asignamos un valor de 0.5 al factor razón y un valor de 2.0 al valor de polarización con signo negativo, tenemos de (2.9):

referencia = (0.5 * 1.0) + (- 2.0);

referencia = - 1.5. se obtiene un valor de referencia de - 1.5; de este modo, el valor asignado al factor razón y al factor polarización, hacen la diferencia que asigna que tan negativo será el valor en la referencia del controlador esclavo.

Una de las ventajas que se tienen al manejar este tipo de modalidad del controlador PID, es sin duda alguna, el poder seleccionar un porcentaje de una entrada ajena al algoritmo; de este modo y en base a la selección de estos parámetros, es posible obtener cualquier valor de referencia ya sea positivo o negativo.

Otro de los puntos a mencionar es que en este modo de operación, la referencia del controlador esclavo no puede ser manualmente ajustada.

El controlador PID razón es usado en aplicaciones donde una o más variables de procesos requieran ser controladas en una razón o porcentaje de una variable de entrada.

Un controlador razón puede ser usado para controlar una variable de proceso en una razón deseada a otra variable de proceso, o dos o más controladores razón pueden ser usados a la

salida de un controlador básico con cada controlador razón controlando una variable de proceso a una razón deseada de la salida del controlador básico [2.9].

2.4.2.- CONTROLADOR PID AUTORAZON

Esta modalidad del controlador tiene las mismas caracterlsticas que el controlador PID razón, excepto que el coeficiente razón es calculado automáticamente mientras que el coeficiente de polarización es asignado directamente por el operador.

El cálculo automático del factor razón se realiza con el objetivo de realizar la transferencia sin saltos a modo de operación cascada, sin necesidad de pasar por un serie de pasos de que evitan la transferencias con saltos, denominado imposición manual (sección 2.7.1). Una vez que el controlador esté en modo de operación cascada, la razón puede ser alterada por el operador. . Si se selecciona el modo de operación cascada, la referencia local, referencia impuesta por el operador en modo de operación automático, ver figura 2 . 8 , no podrá ser configurada como referencia al controlador, por lo tanto, la referencia local no puede ser manualmente ajustada.

El cálculo automático de la razón está basado en la siguiente ecuación [ 2 . 8 ] :

razón = (referencia - polarización) referencia remota (2.10)

Se involucra la referencia local en el controlador para evitar saltos al realizar la transferencia de modo manual o automático a modo de operación cascada.

Una de las ventajas de este modo es el cálculo automático de la razón, de modo que encuentra una misma referencia cuando sucede la transferencia a modo de operación cascada, sin importar el valor asignado a la polarización.

El controlador PID autorazón es usado en aplicaciones del mismo tipo que el PID razón, con la ventaja o particularidad que en la aplicación de esta modalidad el operador no deberá preocuparse por ajustar el factor razón manualmente.

La justificación de estas ecuaciones, se puede realizar sustituyendo el valor de la razón calculado automáticamente en la ecuación (2.9), esto es:

referencia = (((referencia - polarización) / referencia remota) * referencia remota) + polarización

2.17

donde :

referencia = referencia

2.4.3.- CONTROLADOR PID AUTOPOLARIZADO

Esta modalidad del controlador tiene las mismas características que el controlador PID razón, excepto que el coeficiente de la polarización se calcula automáticamente mientras el coeficiente razón se mantiene constante.

El cálculo automático del factor polarización, al igual que en el cálculo de la razón, se obtiene con el objetivo de realizar la transferencia sin saltos a modo de operación cascada, sin la necesidad de pasar por el método denominado imposición manual.

polarización puede ser alterada por el operador.

operador.

a la siguiente ecuación [ 2 . 8 ] :

Una vez que se ha hecho el cambio a modo cascada, la

La referencia local no puede ser manualmente ajustada por el

El cálculo automático de la polarización, es realizado en base

polarización = referencia - (razón * referencia remota) (2.11)

De donde podemos observar la aparición de la referencia local, con el propósito de seguir con una misma referencia, al realizar los cambios para los modos de operación.

Una de las ventajas que se obtiene de este tipo de modalidad, es que en el momento de ser calculado automáticamente la polarización, no se lleva a cabo el método denominado imposición manual.

El controlador PID autopolarizado es usado en aplicaciones del mismo tipo que el PID razón, con la ventaja que el operador no deberá preocuparse por ajustar el factor polarización manualmente.

La justificación de estas ecuaciones, se puede realizar sustituyendo el valor de la polarización calculado automáticamente en la ecuación (2.9), esto es:

referencia = (razón * referencia remota) + referencia - (razón * referencia remota)

donde :

. . referencia = referencia

2.18

2.5.- ASPECTOS OPERACIONALES

En el diseño de controladores quizás el principal objetivo esté enfocado en obtener una buena regulación, sin embargo, se pueden perder de vi,sta aspectos de igual importancia, como es la transferencia sin saltos entre modos de operación y la saturación en el controlador [2.6].

Diversas empresas que desarrollan paquetes en sistemas de control implementan sus algoritmos PID de diferentes maneras, debido a las diferentes alternativas para solucionar estos aspectos.

Cabe mencionar que en el desarrollo de este trabajo se usó el algoritmo de velocidad no interactivo; se muestran sus ventajas y se mencionan algunas alternativas para evitar la saturación en el controlador cuando se usa el algoritmo de posición.

2.5.1.- TRANSFERENCIA SIN SALTOS (BLMPLESS TRANSFER)

Debido que el controlador es un sistema dinámico es necesario asegurar que el estado del sistema sea el correcto cuando se haga el cambio entre modos de operación manual - automático.

Cuando el sistema está en modo manual el controlador produce una señal de control que puede ser diferente de la señal de control generada manualmente.

Es necesario asegurar que estos dos valores sean iguales en el momento del cambio de modo de operación. Esto se denomina @@transferencia sin saltos@@.

El algoritmo de velocidad tiene la ventaja que no necesita ser inicializado cuando es cambiado de modo manual a modo automático. En general, el operador pone el actuador en una posición deseada antes de cambiar a modo automático. El actuador no va a cambiar cuando se haga el cambio de modo manual hasta que ocurra un error.

Esto se debe al hecho que en el algoritmo de velocidad se calculan incrementos en la señal de control con respecto a las señales de error en el sistema, ecuación (2.4); as€, cuando se realiza la transferencia a modo de operación automático, las señales de error son iguales con cero, debido al seguimiento de variable de proceso (sección 2.7.2) que se realiza en modo manual; por lo tanto de ( 2 . 4 ) , tenemos:

A u(kT) u(kT) - u(kT-T)

como las señales de error son iguales con cero:

A u(kT) = O;

por lo tanto:

u(kT) = u(kT-T)

si T = 1, uk = uk-l. Las señales de control pasadas ukml y ukm2 en (3.2) se igualan con la señal de control generada manualmente siempre que el controlador esté operando en modo manual. De esta manera, las señales de control pasadas, son idénticas con la Última señal de control generada manualmente; así, mientras no exista un error en el sistema, el incremento en la señal de control ser6 igual con cero, la señal de control presente igual con las señales de control pasadas, y las señales de control pasadas iguales con la última señal de control generada en modo manual.

De este modo, se evita la transferencia con saltos y se dice que el algoritmo de velocidad no necesita ser inicializado.

Sin embargo, en el algoritmo de posición el valor de la salida tiene que ser inicializado para obtener la transferencia sin saltos.

Esto se debe al hecho que en el algoritmo de posición se calcula la señal de control completa con respecto a las señales de error en el sistema, ecuación (2.3); asl, cuando se realiza la transferencia a modo de operación automático, las señales de error son iguales con cero, debido al seguimiento de variable de proceso (sección 2.7.2) que se realiza en modo manual; por lo tanto de (2.3), tenemos:

T Td (9-1)

Ti (4-1) T (q+T) u(kT) = Kp [ 1 + + 1 e(kT)

como las señales de error son iguales con cero:

u(kT) = O; => señal de control igual con cero

por lo tanto, el algoritmo de posición necesita la suma de un valor de polarización, valor necesario para mantener al proceso en cierto Valor; este Valor de polarización debe ser igualado con el último valor generado en modo manual, sin embargo, por ser un valor ajeno a (2.3), se dice que debe ser inicializado.

La razón por la cual se seleccionó el algoritmo de velocidad, se debe a que no necesita ser inicializado, evita la transferencia con saltos en la sefial de control, y evita la saturación en el controlador cuando la salida es limitada (se detalla en la sección 2.5.2).

2.20

2.5.2.- ANTIBATURACION (ANTIREBET WINDUP)

Un controlador con acción integral es un sistema inestable a lazo abierto, por lo cual puede ocasionar serias dificultades bajo ciertas circunstancias.

Si la salida del controlador se satura y este continúa integrando el error, se presenta el efecto de "reset windup" o saturación del integrador 12.101.

Por lo que la salida del integrador puede tomar valores muy grandes y puede tomar un tiempo muy largo para regresar a un valor de operación nuevamente.

Este problema se evita automáticamente cuando se usa el algoritmo de velocidad, a causa de que la integración se detiene automáticamente cuando la salida es limitada [2.6].

Esto se debe a que el incremento en la señal de control llega a ser cero, esto es:

A u(kT) = u(kT) - u(kT-T) como la salida es limitada a 0.0 s uk 5 1.0, si el valor de uk se mantiene igual a 1, el valor de uk-1 fue 1, por lo tanto se tiene:

A u(kT) = O;

por consiguiente, las señales de error son iguales con cero ( 2 . 4 ) , y las señales de control son iguales; así, la integración para automáticamente cuando la salida es limitada.

Si se desea usar el algoritmo de posición, deberán tomarse algunas precauciones y tratarse de la siguiente manera:

Una forma es parar el integrador cuando la salida se limita, y la otra forma es usar integración condicional, en la cual la parte integral del controlador se usa solamente cuando el error es suficientemente pequefio.

Esta es otra de las ventajas para llevar a cabo la selección del algoritmo de control.

2.6.- MOüOB DE OPERACION DEL CONTROLADOR

Los modos de operación del controlador disponibles, son los siguientes:

a) Modo de operación manual b) Modo de operación automático c) Modo de operación supervisor

2.21

d) Modo de operación cascada

y cuentan con las siguientes características:

a) El sistema puede inicializar con cualquiera de los modos de operación arriba mencionados.

b) El cambio entre modos de operaci6n se puede realizar desde una estación local programada (acceso con teclado al sistema pMAC-6000) o directamente desde la estación supervisor.

c) La transferencia entre modos de operación se realiza sin saltos.

2.6.1.- MODO DE OPERACION MANUAL

En este modo de operación el proceso se controla directamente por el operador, el cual puede variar la señal de salida del controlador a través de acciones de subir o bajar este valor dentro del rango de la misma señal; en este modo de operación las entradas al controlador (referencia y variable de proceso), no provocan salida alguna.

La transferencia a modo de operación automático se realiza sin saltos igualando el valor de referencia al valor que vaya tomando la variable de proceso, se denomina seguimiento de variable de

(3.2), a la señal de control generada manualmente.

La transferencia a modo de operación cascada se realiza sin saltos ajustando la salida del controlador maestro a la referencia asignada en el controlador esclavo, se denomina imposición manual.

proceso, e igualando las señales de control pasadas, ukml y ukm2 en I

2.6.2.- MODO DE OPERACION AUTOMATIC0

En este modo de operación el operador fija directamente la referencia y el algoritmo de control se encarga de calcular la señal de control correctiva.

Las entradas al bloque de control son la variable de proceso y el valor de referencia, a partir de estas variables se genera el error presente, el cual se introduce en el algoritmo digital que junto con los valores del error y señales de control pasadas genera la serial de control presente.

La transferencia a modo de operación manual se realiza sin saltos igualando el valor deseado en modo manual al valor que vaya tomando la salida del controlador en modo automático.

2.22

La transferencia a modo de operación cascada se realiza sin saltos ajustando la salida del controlador maestro a la referencia asignada en el controlador esclavo.

2.6.3.- MODO BUPERVIBOR

,La señal de control la calcula el algoritmo de control PID. La estación supervisor tiene a su cargo la tarea de intercambiar información con el controlador (NMAC-6000) y de coordinar a los controladores, de manera que automáticamente se ejecute para cada uno de los controladores y realice en lSnea con el proceso las siguientes operaciones:

a) Cambio de parámetros del controlador b) Cambios en el modo de operación c) Cambios en referencia d) Cambios en el valor deseado en modo manual e) Opción para habilitar o deshabilitar cada controlador f) Opción para llevar al sistema dentro o fuera de servicio

La transferencia a otros modos de operación se realiza sin saltos.

Este modo no es indispensable para el control y manipulaciones en el proceso ya que puede manipularse por medio de la estación local programada.

En la estación supervisor se encuentran los algoritmos que optimizan criterios económicos de operación, de control estadístico y monitoreo global de la planta.

2.6.4. - MODO DE OPERACION CASCADA

Un sistema en configuración cascada implica que la salida de un controlador primario se convierte en la referencia de un controlador secundario. De este modo, se dice que el controlador secundario actúa en modo de operación cascada.

La señal de control se genera por el algoritmo de control PID, sin embargo, la señal de referencia es una variable remota que proviene de otro algoritmo de control.

En operación cascada, l a referencia no' puede ser modificada por el operador y el cambio a otros modos de operación se realiza sin saltos a través de una serie de pasos mostrados en la sección 2 . 7 .

2.23

2 .7 .- B W N O W B DE OPERACIOH

Los submodos de operacidn disponibles son:

a) imposición manual b)

Se definen como condiciones que se presentan dentro de ciertos modos de operación; sin embargo, el operador no tiene acceso a activarlos t2.111.

La salida de un controlador es básicamente una función de la

seguimiento en la variable de proceso

diferencia entre dos entradas al bloque.

Por ejemplo, la salida de un controlador PID es una función de la diferencia entre la referencia y la variable de proceso, donde el objetivo de la salida es hacer la diferencia cero.

Esto depende de muchos factores dinámicos, de modo que la salida no es un valor fijo. Podemos decir que es una salida *8flotante88 y puede tener cualquier valor [2.12].

Sin embargo, los algoritmos auxiliares mantienen una salida **fija", dadas las entradas al bloque. Por ejemplo, el algoritmo sumador siempre produce una salida proporcional a la suma de sus entradas y se obtiene un solo valor correcto en la salida.

Se presenta un problema de transferencia cuando el controlador

Deben seguirse una serie de pasos para no presentar saltos al cambio del controlador secundario a modo cascada. Usualmente el controlador primario y secundario empiezan en modo manual. Los pasos son:

1.- Se ajusta la referencia del secundario igual con la

2.- Se hace el cambio del secundario a modo automático.

3 . - Se ajusta la salida del primario igual con la referencia

4.- Se hace el cambio del secundario a modo cascada.

5.- Se pone la referencia del primario igual con la variable

secundario es transformado a modo de operación cascada.

variable de proceso del secundario.

del secundario.

de proceso del primario.

6 . - Se hace el cambio del primario a modo automático.

A s í , el sistema est6 totalmente automático y en cascada.

2 . 2 4

Se usan los conceptos de salidas "fija** y *lflotantelg para realizar la transferencia sin saltos entre modos de operación en un proceso denominado impoaioión manual.

2.7.1.- IMPOSICION " U A L

Este submodo sólo opera cuando el controlador actúa bajo un esquema tipo cascada.

Se presenta en el controlador maestro cuando el controlador esclavo opera en modo manual, automático o supervisor; consiste en evitar la transferencia con saltos en el proceso cuando el controlador esclavo es configurado a modo de operación cascada.

Las acciones que se realizan son las siguientes [2.11]:

1.- La salida del controlador maestro se iguala a la

Esto se realiza antes de que el controlador esclavo sea configurado en nodo cascada, ya que una vez configurado, el controlador esclavo toma como referencia la salida de su controlador maestro.

referencia del controlador esclavo.

2.-Se realiza el seguimiento de la variable de proceso en el

Se anticipa para realizar la transferencia sin saltos ai

controlador maestro.

cambio a modo de operación automático.

2 . 7 . 2 . - SEGUIMIENTO EN LA VARIABLE DE PROCESO

Este submodo de operación se presenta sólo cuando el controlador actúa en modo de operación manual.

Se presenta bajo la necesidad de obtener el error igual con cero al realizar el cambio a modo de operación automático.

Bajo este submodo de operación, la referencia del controlador mantiene el misma valor que la variable de proceso, de manera que la diferencia entre ellas es cero, por lo tanto el error es cero.

Su función consiste en evitar los saltos en la señal de control cuando se realice la transferencia de modo manual a cualquier otro modo de operación.

La justificación de este submodo de operación se basa en la ecuación del algoritmo de control (3.2), la cual necesita que el error sea igual con cero al cambio a modo de operación automático para obtener la señal de control igual con las señales de control

2.25

pasadas y de este modo evitar la transferencia con saltos en la señal de control; esto es, en la ecuación:

vuk bl * v u b l + b2 * vukm2 + a0 * vek + al * vekml + a2 * vekm2;

si se emplea seguimiento en la variable de proceso:

vref = vvp;

y como:

vek = vref - wp;

por lo tanto, vek es igual con cero, lo que también vekml y vekm2 serán iguales con cero, así:

vuk = bl * vukml + b2 * vukm2; donde :

bl = 1 - GAMMA; b2 = GAMMA;

vuk = (1 - GAMMA) n k m l + GAMMA * vukm2; Y

si :

vukml = vukm2 = 0.5 (último valor generado en modo manual)

vuk = 0.5.

Será el mismo valor en la señal de control presente que el último valor generado manualmente. De este modo se justifica el seguimiento de variable de proceso siempre que el controlador actue en modo de operación manual.

2.7.3.- APLICACION DE LOS SUBMODOS DE OPERACION PARA UN S I S T W EN CONFIOURACION CASCADA

Para ver la aplicación de cada uno de los submodos descritos anteriormente, se retoma la secuencia de pasos para resolver el problema de transferencia a modo de operación cascada del controlador secundario.

El controlador primario es puesto en modo de operación manual y el controlador secundario en modo de operación automático [2.12].

1) La referencia del secundario iguala automáticamente la variable de proceso del secundario a causa de seguimiento de variable de proceso.

2.26

2) Se hace el cambio del secundario a modo cascada.

3) La salida del primario iguala automáticamente la referencia

4 ) .La referencia del primario iguala automáticamente la

del secundario a causa de imposición manual.

variable de proceso del primario a causa de seguimiento de variable de proceso.

El sistema está nuevamente en automático y en cascada.

El diseno y la implementación de cada uno de los conceptos descritos se presentan en el capítulo de diseño del sistema de control.

2.8.- REPERENCIAB

[2.11 Arruti A. y J. Flórez, Introducción al diseño de controladores PID digitales (1) It, Automática e Instrumentación, Noviembre de 1986.

L2-21 "Fundamentos del PID" , Automática e Instrumentación, No. u, Julio de 1990.

12.81

[ 2 . 9 ] '

r2. lo]

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Shinskey, I' Process control systems", Ed. McGraw-Hill, EUA, 1979.

Morilla, G., Fernando, "Contribución a los métodos de autosintonía de reguladores PIDI' Tesis doctoral, WED, 1987.

Astrom K., Johan and B. Wittenmark, @I Computer Controlled Systems Theory and Design I t , . Prentice-Hall, Inc., EUA, 1984, Sec. 8.2, 8.3, pp. 175 - 189. Morilla, G., Fernando, I' Controladores PID: algoritmos y estructuras", Automática e Instrumentación, No. 204, Julio de 1990.

Honeywell: Algorithms TDC 2000, Engineering Data.

Bailey, Service Manual, type 702 Ratio Controller.

Rundqwist Lars, "Anti-reset Windup for PID Controllers", Departament of Automatic Control, Lund Institute of Technology, Lund Sweden, 1990.

2.27 I

[2.11] Bourguet D., Rafael, G. Madrigal E., 'I Algoritmos de control: Consideraciones durante la etapa de especificación Is, V Reunión Nacional de Investigación en el Area Eléctrica, Torreón, Coah., 1990.

Honeywell: Basic Controller TDC 2000. Configuration Data. [2.12]

2.28

C A P I T U L O T R E E

DISEÑO DEL SISTEXA DE CONTROL o

3.1.- INTRODUCCION

Si bien es cierto que sobre PID's hay mucho escrito, esto se refiere a aspectos teóricos y a resultados de aplicación; sin embargo, en lo que se refiere a la implementación práctica, resulta que, lejos de pensar en una cantidad suficiente de información, esta resulta escasa y casi nula, debido obviamente a los intereses particulares de las compañías cuyo mercado es el control automático.

Si se requiere obtener el máximo rendimiento de un determinado controlador industrial, es conveniente conocer su algoritmo de control, así como el tipo de estructura y el tipo de parámetros que emplea. Los fabricantes describen muy poco esta labor, ya que suministran escasa información sobre el funcionamiento interno del bloque controlador y porque utilizan distinta terminologfa para describir los algoritmos y parámetros del control [3.1].

Sin embargo, analizando los puntos en que se está de acuerdo con respecto a PID's, se mencionan los siguientes:

a) El algoritmo no interactivo se ha establecido en los controladores PID digitales; sin embargo, algunos fabricantes, por ejemplo el modelo CLCOl de Bailey, incorpora en sus equipos una serie de bloques básicos que permiten realizar cualquier tipo de algoritmo de control PID. Otros controladores como el Electromax V de Leeds & Northrup, utilizan el algoritmo paralelo.

b) Todos lo controladores industriales incluyen la estructura de control PID, de manera general, siempre que no sean frecuentes los cambios bruscos en el punto de referencia; sin embargo, algunos fabricantes incluyen la posibilidad de elegir otra estructura, por ejemplo la PI-D para la Fischer & Porter y la I-PD para Honeywell t3.11.

Debido a esto, el controlador PID toma un papel muy importante en los controladores industriales; asl, durante el desarrollo de este capftulo, se trata lo referente al diseño del controlador PID con tres de sus modalidades y al ambiente que se requiere para considerarse como un sistema de control bajo un nivel jerárquico superior .

3.1

3.2.- REQUERIMIENTOS DE DISENO El objetivo general del subsistema controlador consiste en

obtener un sistema de control prototipo con características industriales basado en el controlador PID, en un microprocesador comercial bajo un esquema de control autosoportado.

Para ello se desarrolla un sistema programático que permite cumplir con los siguientes requerimientos:

D e l sistema de control:

a) Coordinar las funciones de adquisición, control y envío.

b) Habilitar o deshabilitar cada uno de los controladores del sistema y tener opción para llevar al sistema dentro o fuera de servicio.

c) Enviar mensajes de alarma a la estación supervisor, de los parámetros y variables del controlador que operen fuera del intervalo asignado.

d) No depender directamente de la estación supervisor para realizar las tareas de control directo, la transferencia entre modos de operación, los cambios en el valor deseado en modo manual y en referencias; así como poder habilitar o deshabilitar cada lazo de control y opción para llevar al sistema dentro o fuera de servicio.

D e l controlador PID:

a) Transferencia entre modos de operación manual, automático y cascada.

b) Evitar la transferencia con saltos en la señal de control (bumplecs transfer).

c) Evitar la saturación en la parte integral del controlador (antireset-windup).

d) Permitir el ajuste de parámetros y cambios de referencia en línea desde un nivel jerárquico superior.

e) Configurar cada una de las modalidades del controlador PID tan sólo con la asignación del tipo de controlador (modalidad), a usar: razón, autorazón o autopolarizado.

3.2

3.3.- DIBEÑO DEL AMBIENTE DEL CONTROLADOR En esta sección se describe el diseflo del ambiente del

controlador y el ciclo básico de evaluación de control, el cual consiste básicamente de tres funciones:

I .

I a) Función de adquisición b) Evaluación de control c) Funcibn de envlo I

. .

La figura 3.1 muestra la estructura general del ciclo básico de evaluación de contro1.1 El bloque de adquisición recoge la variable de proceso y la deposita en la base de datos, enseguida el bloque controlador trae de la base de datos el valor de la variable de proceso, evalúa la seflalide control y la deposita en la base de datos; por último, el bloque de envlo va a la base de datos y envla la señal de control a proceso.

La base de datos del sistema está configurada como un arreglo global y puede ser 11vista18/ por todas y cada una de las funciones del sistema; tiene la ventaja que puede ser accesada directamente desde un nivel jerárquico superior.

I

I I

ESTRUCTURA GENERAL DEL CICLO

E

I Figura 3.1.- Ciclo básico de evaluación de control

A continuación, se muestra la arquitectura jerárquica empleada en el sistema, la descripción detallada de la estructura general del ciclo, más algunas funciones adecuadas para el ambiente del controlador. I

3 . 3

3.3.1.- ARQUITECTURA POR NIVELES Y DESCRIPCION DE FUNCIONE8

CONFIGURA CONDINIC ARRANQUE OPERACION PARO

En el diseño del ambiente del controlador se presentan tres niveles de funciones y un nivel de funciones de interrupción [ 3.2 1 ; el diagrama jerárquico se muestra en la figura 3.2.

SALIDA

NIVEL I De condiciones del sistema

NIVEL I1 De configuración

NIVEL DE INTERRUPCIONES

NIVEL I11 De evaluación de control

Figura 3.2.- Diagrama jerárquico del ambiente del controlador

3.3.1.1.- FUNCIONES DE PRIMER NIVEL O DEL PROOWMA PRINCIPAL

En la figura 3.3 se muestra el diagrama jerárquico de las funciones de primer nivel, de condiciones del sistema o del programa principal.

Figura 3.3.- Diagrama jerárquico de condiciones del sistema

oonf igura:

condinia :

Llama a las funciones de configuración

Función de condiciones iniciales de operación

3.4

arranque:

operación:

paro :

salida:

Función de arranque del controlador

Función de operación del controlador

Función de paro del controlador

Función de salida del controlador

3.3.1.2.- FUNCIONES DE BEOWNDO NIVEL

En la figura 3.4 se muestra el diagrama jerárquico de las funciones de segundo nivel o funciones de configuración.

CONFIGURA

I CFGENSA

Figura 3.4.- Diagrama jerárquico de funciones de configuración

cf genea : Configuración de canales de entrada y salida

* Limpia canales de entrada 1 salida. * Asigna un canal de entrada a cada controlador. * Asigna un canal de salida a cada controlador. * Asigna canal de permiso para activar el simulador. Se muestra la sintaxis empleada para la asignación de canales

de entrada f salida analógicas. Se describen las características de la configuración y se muestra un ejemplo 13.31.

Ejemplo : atype (15, O, O, 15, 6, 1, O )

Se trata de un canal de entrada al controlador configurado con las siguientes caracterlsticas:

Número de canal ldgico 15 Intervalo (O - 367) Es un entero que identifica el canal lógico (canal configurado

por "software"), a ser configurado para la entrada / salida analógica. Este número está en un intervalo entre O y 367.

Dirección IEEE-488 O (Por default)

Es un entero en el intervalo de O a 30 que especifica la

3.5

dirección IEEE-488 del sistema MMAC-6000. Si el ligado de comunicación no se usa, la dirección IEEE por default del sistema pMAC-6000 es O .

m e r o de trasplano O Trasplano principal

Es un número entero (O - 4) que especifica el trasplano de entrada 1 salida sobre el cual reside el canal analógico. Se asigna un O si el canal analógico es localizado sobre el trasplano principal; un 1, si el canal analógico es localizado sobre el trasplano de expansión # 1; un 2, si el canal analógico es localizado sobre el trasplano de expansión # 2, y asf sucesivamente hasta el trasplano de expansión # 4.

Número de canal físico 15 Intervalo (O - 23) Es un número entero que especifica el canal ffsico (canal

configurado por "hardware") a ser configurado en la entrada 1 salida analógica. El intervalo de valores es entre (O - 23) y corresponde a la dirección física del trasplano.

Conv. a unidades de Ing. 6 5831-03 Sal.+/-10 v.

Es un entero que especifica las unidades de Ingeniería que van a ser usadas para la conversión analógica.

Tipo de canal 1 Entrada analógica

Es un número entero que especifica el tipo de canal usado (entrada o salida) y el tipo de conversión a emplear si el canal se configura como una entrada.

Modo de conversión O Inmediato a 12 bits

Es un entero que especifica ya sea conversión inmediata u otro tipo de conversión. Cuando es configurado un canal de entrada / salida analbgica sobre el sistema pMAC-6000 o en sus trasplanos de expansión, el modo de conversión se especifica como un O.

.

1 cfgalar: Configuración de límites de alarmas

* Se asignan llmites y prelímites altos y bajos a la variable de proceso.

* Se asignan límites alto y bajo al acumulador integral. * Se asignan límites alto y bajo al valor de referencia.

Detalles sobre límites y alarmas, ver secciones 3.6.3 y 3.6.5.

3.6

* Se asignan límites alto y bajo al valor deseado en modo

* Se asignan límites alto y bajo a la salida del algoritmo de

* Se asignan límites y prelímitec altos y bajos a la señal de

manual.

control PID.

error.

Se asignan límites alto y bajo a la salida del controlador.

* Se asignan límites alto y bajo a la razón de cambio de la salida del controlador.

* Se asigna un valor falso ( O ) o verdadero (1) a parámetros y variables del controlador de interés al operador cuando operan dentro o fuera del intervalo asignado.

cf gpids: Configuración de PID's

* Asigna parámetros y variables a cada uno de los controladores del sistema.

* Asigna condiciones de operación a cada uno de los controladores del sistema.

cf gints : Configuración de interrupciones

El sistema cuenta con tres tipos de interrupciones. Cada una de ellas se describe a continuación.

3.3.1.3.- FUNCIONES POR INTERRUPCION

En la figura 3.5 se muestra el diagrama jerárquico de las funciones del nivel de interrupciones.

CFGINTS u TECLADO a

VALIDACION TEC -

Figura 3.5.- Diagrama jerárquico de funciones de interrupción

3.7

comunica: Función de servicio a interrupción

Esta función tiene a su cargo la comunicación y la transferencia de parámetros entre el controlador pMAC-6000 y la estación supervisor. Debe existir compatibilidad absoluta en la base de datos entre el controlador y la estación supervisor.

La estación supervisor puede manipular acciones sobre el controlador una vez que está siendo evaluado, hasta antes de abortar el controlador. La sintaxis a emplear en la función depende del tamaflo del arreglo de datos definido (" ALGS.H " 13.21). Esta función tiene segunda prioridad para interrumpir el sistema.

control: Función que contiene funciones que forman el ciclo de adquisición, evaluación y envío

Esta función se configura con prioridad uno para ser evaluada y no interrumpida cada período del ciclo básico asignado. La evaluación no interrumpida es desde la adquisición de la variable de proceso hasta el envío de la señal de control. Básicamente es lo siguiente:

introff (Interrupciones deshabilitadas)

adq norm var-cal lazos envia - desnorm

intron (Interrupciones habilitadas) 2

El tiempo que-resta entre el período del ciclo básico y la evaluación de este ciclo, es el tiempo de acceso a interrupciones de segunda prioridad.

teclado: Función que accesa la estación local

Esta función se configura con segunda prioridad para interrupciones en el sistema. Básicamente es una estación local para el operador. Consiste de un teclado programado para realizar manipulaciones con cada uno de los controladores, entre ellas:

a) Opción a operar en Itcontrol dentro" o "control fuera".

b) Habilitar o deshabilitar cada lazo de control.

Las funciones entre 88introff" e "intron" son funciones de tercer nivel y se describen en la sección 3.3.1.4.

c) Transferencia a modos de operación manual, automático,

d) Cambios en el valor deseado en modo manual.

e) Cambios en el valor de referencia.

supervisor y cascada.

ADQ- VAR NORM CAL-

validadon - tea: La función teclado da mensajes al operador rechazando aquellas

manipulaciones incorrectas para el modo de operación actual. En manipulaciones fuera de secuencia, lleva al controlador a condiciones seguras de operación:

Función de validación de la estación local

LAZOS ENVIA- ALARMAS ALARMAS MONI- UMAC TOREO DESNORM -

a) Cambios en el valor de referencia cuando está operando en modo manual.

b) Cambios en el valor deseado en modo manual cuando está operando en modo automático.

c) Cualquier tecla no programada en el teclado.

d) Cambios en los modos de operación fuera de secuencia en configuración cascada.

La estación local está programada para manipular al controlador en caso de falla en la comunicación con la estación supervisor.

3.3.1.4.- FüNCIONEB DE TERCER NIVEL

En la figura 3.6 se muestra el diagrama jerárquico de las funciones de tercer nivel o funciones de evaluación de control.

Figura 3.6.- Diagrama jerárquico de funciones de evaluación de control

3.9

a d e n o m : Función que adquiere y normaliza la variable de proceso '

* Lee la variable de proceso por canal de entrada asignado a

* Normaliza ia(s) variable(s) de proceso sobre el intervalo de cada controlador.

proceso.

var-cal : Función para cálculo de variables internas

controlador, como el cálculo de una derivada, una integral, etc. Esta función realiza cálculos internos necesarios en el

lasos: Función que evalúa cada lazo de control

Esta función evalúa cada uno de los lazos de control del sistema; está configurada para evaluar todos los lazos del sistema antes de enviar alguna señal de control. Se pueden configurar hasta ocho lazos de control en el sistema uMAC-6000.

envia - deanorm: Función de envío y desnormalización de la salida del controlador

Esta función convierte el valor acotado de la salida del controlador (O a 1) a un valor en miliamperes, según el módulo de salida a usar. Los módulos de salida disponibles en el sistema son de (0-20) 6 (4-20) mA.

Durante pruebas preliminares del sistema, esta función se encarga de prender y apagar la bandera de permiso para activar el simulador una vez lista(s) ia(s) señal(es) de control a enviar.

alarmas: Función de señales de alarma para el supervisor

Función que evalúa todos los parámetros y variables seleccionados a estar dentro o fuera de intervalo y señala si existe seguimiento de la variable de proceso (ver sección 3.6.5; "17 segdvpti). Esta información, se despliega en la estación supervisor bajo la siguiente nomenclatura:

L

O - Dentro de intervalo 1 - Fuera de intervalo

' Función necesaria para la evaluación del control, puede ser tan detallada como se requiera. Se implementa en forma sencilla sin desviar el objetivo en el subsistema controlador.

3.10

La configuracidn del sistema supervisor tiene la opción para desplegar o no desplegar aquellos de importancia para el operador.

alarmas-umao:

la estación local bajo la siguiente nomenclatura:

Función de despliegue local de alarmas

Esta función tiene a su cargo imprimir mensajes de alarmas en

. *

Si la variable es mayor o igual al límite alto: "Limite alto de ... : Activo"

Si la variable es menor o igual al límite bajo: "Límite bajo de ... : Activo"

Si la variable está dentro del intervalo asignado: ll----,----------------------ll

monitoreo: Función de despliegue local de variables

Esta función tiene a su cargo monitorear las variables del sistema en la estación local. Cuando se tienen dos o más controladores se antepone el número de PID; las variables que se despliegan en cada período de muestre0 son las siguientes:

Iteración (segundos) Señal de referencia (en volts) Variable de proceso (en volts) Señal de error (valor normalizado) Señal del algoritmo de contrgl (en "por unidad" de la señal de control) Salida del controlador (en "por unidad" de la señal de control) Valor deseado en modo manual (en I8por unidad" de la señal de control) Valor de salida del controlador (en miliamperes) Valor de salida del controlador (en volts) Pendiente de la salida del controlador (en grados)

si se tiene configuración cascada :

Referencia remota (en "por un'idad" de la señal de control)

3.11

2 .- DIAQRliHA DE FLUJO DEL AMBIENTE DEL CONTROLADOR

INICIO

CFGPIDS

r"i CFGINTS

1"

Figura 3.7.- Diagrama de f lu jo del ambiente del controlador

3.12

3.4.- DISEÑO DEL CONTROLADOR

En esta sección se PID y cada una de las

la arquitectura del controlador forman parte en el diseño del

Vale la pena son los conceptos a que se refiere cuando se de control" y del tvcontrolador'v. La que el controlador tiene a su la referencia

adquirida la sumar de control y de error pasadas; y la control consiste únicamente en el cálculo de la

controlador.

diseño del controlador PID [3.2

NIVIIL Evaluación de

~

NI~EL I Estado operativo del lazo a evaluar

1 1 1

I11 la señal de control

de control I

funciones que evalúan el estado a configurar.

operativo de los lazos de control

3.13

, I?, EST AUT MAN

Figura 3.9.- Diagrama jerárquico de los lazos de control a evaluar

laeoi: Función que evalúa el estado operativo del lazo 1

Esta función evalúa el estado operativo del lazo 1. Cada lazo puede estar habilitado o deshabilitado. Cuando el lazo de control está habilitado la estación automático / manual decide la señal de control a enviar, de otro modo, la señal de control a enviar son las condiciones iniciales de operación o el Último valor asignado.

est - aut - man: Función que selecciona la señal de control a enviar, ya sea manual o automática

La estación automático 1 manual depende directamente del modo de operación que este asignado, de este modo, se tiene la siguiente relación:

caso O : Modo de operación manual: Se obtiene la señal de control manualmente; se despliega el modo de operación en la estación local, y se hace un llamado a la función alg - manual.

caso 1, 2 6 3 : Modos de operación automático, supervisor y cascada: Se obtiene la señal de control

automáticamente por medio del algoritmo de control; se despliega el modo de operación en la estación local, y se hace un llamado a la función alg-automático.

3.4.1.2.- FUNCIONES DE SEGUNDO NIVEL

En la figura 3.10 se muestra el diagrama jerárquico de las funciones de segundo nivel del diseño del controlador PID O funciones de selección de la señal de control a enviar.

3.14

ALG - MANUAL

Figura 3.10.- Diagrama jerárquico del nivel de selección de la seflal de control

ALG - AUTOMATIC0 TRANSF - MAN - AUT - CAS

alg-manual: Función que obtiene la señal de control manualmente

El valor deseado en modo manual se iguala con el valor que envía la salida del controlador. De este modo, se manipula directamente la salida del controlador en forma manual.

alg - automatico: Se obtiene la señal de control automáticamente Esta función consiste de funciones auxiliares para calcular la

seflal de control por medio del algoritmo. Su descripción detallada se muestra en el diagrama jerárquico de la sección 3.4.1.3 (figura 3.11).

tranSf-UIan-aut - cas: Función de transferencia de valores en los cambios de modos de operación

Esta función tiene a su cargo evitar la transferencia con saltos de la señal de control al realizar cambios entre modos de operación manual, automático y cascada.

manual rampa: Función que hace llegar al valor deseado en modo

Se utiliza cuando el valor deseado en modo manual se introduce

4 - manual en forma de rampa

numéricamente por medio del teclado.

Bi la runción está habilitada: El valor deseado en modo manual

Su objetivo es proteger y no presentar cambios bruscos a los elementos de control final (por ejemplo, la apertura de una válvula de control).

3.15

sigue al valor deseado en modo manual final asignado en forma de rampa; la pendiente depende de la velocidad manual asignada. Evita saltos bruscos ante cambios en el valor deseado en modo manual. Los resultados de su aplicación se observan en el capitulo 5.

CALC. CALC PID RAZON- PRE ACOTA REF' ERROR CAMBIO POL- -

a) Se asigna directamente el valor deseado en modo manual

b) Se asigna 88wdmmf = temp" en función teclado.

final (wdmmf) desde la estación supervisor.

ACTUA- LIZA

8i la función está deshabilitada: Se presentan cambios bruscos (en escalón) ante cambios en el valor deseado en modo manual.

. a) Se asigna directamente el valor deseado en modo manual (wdmm) desde la estación supervisor.

b) Se asigna I8wdmm = temp" en función teclado. . 3.4.1.3.- FUNCIONE8 DE TERCER NIVEL

En la figura 3.11 se muestra el diagrama jerárquico de las funciones de tercer nivel del diseño del controlador PID o funciones de evaluación de la serial de control.

Figura 3.11.- Diagrama. jerárquico del nivel de evaluación de la sena1 de control

calc-ref: Función que calcula la referencia para cada modo de operación

La asignación de la referencia depende directamente del modo de operación, esto es:

3.16

caso O : Modo de operación manual: No se de operación.

caso 1,2 : Modo do operación automático y la referencia para el controlador PID normal.

asigna en este modo

supervisor: Calcula

caso 3 : Modo de operación cascada: Selecciona el tipo de PID (modalidad) a configurar, y calcula la referencia para evitar la transferencia con saltos a otros modos de operación.

calc - error:

del controlador, esto es:

Función que calcula el error

El cálculo del error depende directamente del modo de acción

caso O : Modo de acción inversa del controlador. Se obtiene el error en base a la expresión:

error = referencia - variable de proceso.

caso 1 : Modo de acción directa del controlador. Se obtiene el error en base a la expresión:

error = variable de proceso - referencia.

pid: Función que calcula la señal de control

Esta función evalúa la señal de control presente en función de la señales de control pasadas y los valores normalizados del error.

Se trata de un algoritmo de velocidad no interactivo. Puede verse como un bloque independiente. Se llama como una función y es la base de una biblioteca de algoritmos de control que se desarrollan en el departamento de Automatización de Procesos. El algoritmo de control PID implementado se detalla en la sección 3 . 4 . 3 .

rason - cambio: Función que calcula la razón de cambio de la salida del controlador

Esta función tiene la tarea de calcular la pendiente de la salida del controlador. Consiste en obtener la derivada de la señal de control. Se obtiene en radianec y se hace una conversión a grados. Esta función debe realizarse antes de la actualización de las señales de control.

3.17

pregol: Función que calcula la salida del controlador con prealimentación y polarización

Esta función suma los valores de prealimentación y polarización a la sefial del algoritmo de control para dar la salida del controlador.

acota: Función que acota la salida del controlador

Esta función tiene a su cargo limitar la salida del controlador entre O y 1. Si la salida del controlador fuese mayor que 1.0, el valor será 1.0; o si la salida del controlador fuese ,, menor que 0.0 el valor será 0.0.

actualiza: Función que actualiza errores y señales de control pasadas

Esta función tiene la tarea de actualizar las señales de error y sefiales de control pasadas.

ref-rampa : Función que hace llegar a la referencia deseada en forma de rampa 5

Si la función está habilitada: El valor de referencia sigue en forma de rampa al valor de referencia final asignado. La pendiente depende de la velocidad manual asignada. Se evitan saltos bruscos en cambios de referencia.

a) Se asigna directamente el valor de referencia final (vreff) desde la estación supervisor.

b) Se asigna "vreff = temp" en función teclado.

Si la función está deshabilitada: Se presentan cambios bruscos (en escalón) ante cambios en el valor de referencia. Se empzea para pruebas. de laboratorio.

a) Se asigna directamente el valor de referencia (vref) desde 1a.estación supervisor.

b) Se asigna '%ref = temp" en función teclado.

El controlador de Fisher [3.11] hace cambios de referencia en rampa; lo presenta como una ventaja innovadora y el objetivo es evitar severos transitorios por cambios de referencia.

3.18

3. !.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL CONTROLADOR PID

1

--

Figura 3.12.- Diagrama de f l u j o de cada lazo de c o n t r o l - p a r t e 1

3.19

Q

+

Figura 3.13.- Diagrama de flujo de cada lazo de control - parte 2 ’

3.20

3.4.3.- ECUACION IMPLEMENTADA DEL ALGORITMO DE CONTROL PID

PID empleado, A u(KT), en su forma incremental o de velocidad. A continuación se muestra la ecuación del algoritmo de control

I(

A u(KT) = U(KT) - U(KT-T) (3.1)

donde :

(-T) * N Td

7 = - exp

Después de multiplicar todos los sumandos por (1 + 7*q-') para evitar tener el operador 'I q '* en el denominador, y agrupando términos comunes con respecto a las señales de control pasadas (bi y b2) y señales de error presente y pasadas (a0, al y a2), respectivamente; se muestra el código implementado en lenguaje de programación C de la función del algoritmo del controlador PID.

Se usa el criterio de Astrom [ 3 . 4 ] para obtener el valor de ' **N,*' por medio de la siguiente relación:

O 5 (kpm * N / ktd) 5 2;

(kpm * N / ktd) se iguala a un valor de 1; así, N = ktd/ kpm, como se muestra en la implementacihn del código en la función PID. La letra *'rig se iguala con "GAMJ4A*' en el desarrollo del código.

pid ( ) { float N, GAMMA, bl, b2, aO, al, a2;

N = ktd / kpm; GAMMA = - (exp (-(kpm) * N / ktd));

bl = 1 - GAMMA; b2 = GAMMA; a0 = kkp * (1 f (ktd / kpm) ) ; al = kkp * ((kpm 1 kti) - 1 + GAMMA - 2 * (ktd / kpm)); a2 = kkp * (GAMMA * ((kpm / kti) - 1) + ktd / kprn);

3.21

/***** Salida del algoritmo de control pid *****/ vuk = bl * vukmi + b2 * vukm2 + a0 * vek + al * vekmi + a2 *vekm2;

if (vuk < 0.0) vuk = 0.0; if (vuk > 1.0) vuk = 1.0;

(3.2)

El problema de saturación en el controlador se supera cuando el algoritmo de velocidad se usa. La integración se detiene automáticamente cuando la salida se limita [3.4].

3.5.- ALGORITMOS AUXILIARES

Son bloques auxiliares para implementar los esquemas de ~ control. Entre los más importantes están: los sumadores,

multiplicadores, divisores, extractores de raíz cuadrada, integradores, redes de atrazo 1 adelanto, generador de funciones, limitadores, selector de dos posiciones y selectores de señal baja o alta [3.10].

3.6.- DISENO DEL ARREGLO DE LA BASE DE DATOS DEL SISTEMA Una de las reglas que no se deben perder de vista en la

realización de programas de "software", consiste en la declaración de variables locales en cada función; sin embargo, en el manejo de la estructura para la implementación del controlador PID, se consideró adecuado formar una base de datos global, a la cual tuvieran acceso todas y cada una de las funciones que forman parte del ambiente del controlador . 6

En la etapa de diseño, para la definición de los parámetros del controlador, es común tener en mente únicamente las ganancias del controlador PID (Proporcional, Integral y Derivativa). Sin embargo, para aplicaciones industriales deben tomarse en cuenta otros parámetros, tales como ganancias de prealimentaci'n, polarización, valores de restableclmiento, valores de emergencia, valores de incremento en la velocidad, limites y alarmas.

En la figura 3.14 se muestra la arquitectura que compone el arreglo global en la base de datos, un arreglo para datos reales y un arreglo para datos enteros.

' PASC (Paquete de programas avanzados para supervisión y ' control), es un sistema abierto y flexible para la creación y ejecución de programas que permiten realizar acciones de supervisión y control sobre un proceso determinado. Muestra la arquitectura muy similar en el. disetio de la base de datos con el, desarrollo que se present.a [ 3 . 6 ] .

3.22

14 PARAMETROS

Figura 3.14.- Arquitectura del arreglo de la base de datos

22 20 5 22 VARIABLES LIMITES CONDICIONES ALARMAS

Para la selección de los parámetros adicionales, se tuvo el apoyo de documentos relacionados con la descripción funcional de algoritmos de control de varias firmas de Ingeniería [ 3.5, 3.7, 3.8 y 3.91; se hizo un estudio analizando las características de cada uno de ellos y se adaptaron aquellos de propia importancia a nuestro interés.

Se tiene en el Departamento de Automatización de Procesos del IIE el documento de especificaciones del subsistema controlador [3.10], con reglas establecidas para los modos de operación, tanto de los controladores, como de los algoritmos auxiliares; de la nomenclatura de los parámetros del controlador, de variables, límites y alarmas.

A continuación se describe cada uno de los bloques que forman parte del arreglo global en la base de datos.

3.6.1.- BLOQUE DE PARAMETROS DEL CONTROLADOR

La selección de este bloque de parámetros se realizó en base a aquellos que se consideran "fijos" después de una sintonía adecuada de los parámetros del controlador.

La nomenclatura que usan es la siguiente:

* La primera inicial es la letra K (parámetro). * De la segunda inicial en adelante trata de identificar el nombre del parámetro o iniciales del significado completo.

A continuación se muestra el número asignado en el arreglo de datos reales de la base de datos, la nomenclatura, el significado:' las unidades, el intervalo de operación y la función de cada uno de los parámetros.

3.23

O kkP Ganancia proporcional del controlador Unidades: 1 1 B.P. Intervalo: 0.001 a 10,000

Es llamada también ganancia del algoritmo de control, constante de proporción o proporcional e indica lo recíproco del porcentaje de banda proporcional del sistema que intervendrá en el cálculo del controlador.

1 kti Tiempo integral del controlador Unidades: segundos por repetición Intervalo: 0.001 a 10,000

I

Es la constante de integración o integral e indica el intervalo de tiempo que necesita para suministrar una señal de control equivalente a la obtenida con la acción proporcional.

2 ktd Tiempo derivativo del controlador Unidades: segundos Intervalo: 0.001 a 10,000

/I

Es la constante derivativa e indica el porcentaje de la razón de cambio de la señal de entrada que es tomado en cuenta para el cálculo de la salida del control.

Estos tres parámetros forman las acciones básicas del controlador PID.

3 kPm Periodo de muestreo del algoritmo de control Unidades: segundos Intervalo: mayor o igual a 1.0

Es el período de muestreo a emplear en el algoritmo de control.

4 kpre Constante de prealimentación Unidades: adimensional Intervalo: -10.0 a 10.0

Es la constante de prealimentación multiplicada por la s e f i a l de prealimentación. Sus usos son los siguientes: se puede escalar a la prealimentación con un valor deseado o se puede anular la prealimentacibn al hacer cero esta constante con la ventaja de hacerlo en línea sin necesidad de volver a configurar el sistema.

5 kpol Constante de polarización Unidades: normalizado Intervalo: 0.0 a 1.0

Es la constante de polarización multiplicada por la señal de polarización. Es usado para compensar posibles errores en estado estable. Puede considerarse como un valor de “offset”, y es un ’

3.24

valor constante.

6 kvpma Variable de proceso máxima Unidades: volts Intezvalo: de proceso

Es el valor superior del intervalo de proceso.

7 kvpmi Variable de proceso mínima Unidades: volts Intervalo: de proceso

Es eJ valor inferior del intervalo de proceso.

La diferencia entre el valor superior y el valor inferior del intervalo de proceso, es el valor usado en la normalización (ver sección 3.7. I) . 8 krazn Factor razón en modo cascada Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0

Es la constante de escalamiento del punto de referencia remoto, sirve para posibles compensaciones en configuración cascada.

9 kbias Factor de polarización en modo cascada Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0

Es la constante de desplazamiento del punto de referencia remoto, sirve para posibles compensaciones en configuración cascada.

10 kvrmm Valor de restablecimiento en modo manual Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0

Consiste en restablecer la operación del controlador debido a una condición de falla del sistema.

11 kvemm Valor de emergencia en modo manual Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0

Consiste en detener la operación del controlador debido a una condición de emergencia en la operación.

Tanto para el valor de restablecimiento como para el valor de emergencia, debido a que los algoritmos dejan de ejecutarse, es necesario especificar en que estado queda la salida de control del P I D para proteger al elemento final de campo.

r 3.25

12 kvmle velocidad manual lenta Unidades: por ciento de la seflal de control Intervalo: de proceso

13 kvmra Velocidad manual rápida Vnidades: por ciento de la señal de control Intervalo: de proceso

Asignan la pendiente de la recta cuando se transporta, ya sea el valor deseado en modo manual o el valor de referencia, de un valor a otro.

Estas variables están directamente asociadas en el teclado programado de la estación supervisor para realizar cambios lentos (velocidad manual lenta) o rápidos (velocidad manual rápida) en las variables asignadas. . .

3.6.2.- BLOQVE DE VARIABLES DEL CONTROLADOR

La selección de este bloque se realizó en base a aquellos que se consideran variables en el sistema.


* La primera inicial es la letra V (variable). * De la segunda inicial en adelante trata de identificar el nombre del parámetro o iniciales del significado completo.

A continuación se muestra el número asignado en el arreglo de datos reales de la base de datos, la nomenclatura, el significado, las unidades, el intervalo de operación y la función de cada una de las variables.

14 vai Acumulador de la parte integral Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0

Es el acumulador de la parte integral del controlador PID. NO es usado en el algoritmo de velocidad; sin embargo, tiene localidad reservada para el algoritmo de posición.

15 vref señal de referencia Unidades: volts Intervalo: de proceso

Es la señal de referencia del controlador. Se asigna directamente por el operador sólo cuando esta deshabilitada la fun c i ón 'I ref - rampa I' .

La función ref rampa (ver sección 3.4.1.3) se deshabilita cuando se desean cambios bruscos (en escalón) en ia referencia.

3.26

16 vreff Señal de referencia final Unidades: volts Intervalo: de proceso

Es asignada directamente por el operador cuando está habilitada la función "ref rampa". Evita saltos bruscos en cambios de referencia. -

17 vrefn Señal de referencia normalizada Unidades: valor normalizado Intervalo: de proceso normalizado

evalúa internamente. No la fija el operador.

18 vrefx Señal de referencia auxiliar Unidades: volts Intervalo: de proceso

Señal de referencia auxiliar. Durante la etapa de diseño se requirió asignar una referencia de este tipo. No es usada en el sistema.

Referencia normalizada sobre el intervalo de proceso; se

vrefre Señal de referencia remota Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0

Señal de referencia asignada únicamente en configuración cascada. Es la referencia que asigna el controlador maestro al controlador esclavo. Esta referencia no puede ser manipulada por el operador.

19 vpre Señal de prealimentación Unidaáes: adimensional Intervalo: de proceso

Señal de prealimentación multiplicada por una constante de prealimentación y sumada con la señal del algoritmo de control. Esta señal generalmente es una variable de proceso, que por SUS características se emplea como anticipatoria.

20 V p O l Señal de polarización Unidades: adimensional Intervalo: -1.0 a 1.0

Señal de polarización a la salida del controlador; se trata de una señal sumada a la señal del algoritmo de control para mantener este valor a la salida del controlador; puede considerarse como Un ofoffset", y es un valor constante. Es multiplicada por la constante de polarización.

3.27

21 w d m m Valor deseado en modo manual Unidades: Intervalo: 0.0 a 1.0

en "por unidad" de la señal de control

Es el valor deseado en la salida del controlador cuando se opera en modo manual, se asigna directamente por el operador sólo cuando está deshabilitada la función "manual rampa" (ver sección

En la transportación de un valor a otro se genera un escalón

- 3.4.1.2).

al cambio en el valor deseado en modo manual.

22 Wdmmf Valor deseado en nodo manual final , Unidades: en "por unidad" de la señal de control

Intervalo: 0.0 a 1.0

Es el valor deseado en la salida del controlador cuando se opera en modo manual, se asigna directamente por el operador cuando está habilitada la función "manual - rampa".

La transportación de un valor a otro se realiza por medio de una rampa; la pendiente depende de la velocidad manual asignada.

Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0

wdmmre Valor deseado en modo manual remoto

Esta variable se emplea únicamente en modo de operación cascada. Es la referencia que asigna el controlador maestro al controlador esclavo, cuando el controlador maestro está en modo de operación manual. Evita la transferencia con saltos a modo de operación cascada; esta variable puede ser manipulada por el operador.

23 vvp Variable de proceso unidades: volts Intervalo: de proceso

Es la variable de proceso a controlar. El intervalo está limitado según el acondicionador de entrada asignado.

24 vvpn Variable de proceso normalizada Unidades: valor normalizado Intervalo: de proceso normalizado (ver sección 3.5.1)

Variable de proceso normalizada sobre el intervalo de proceso.

25 vvpnml Variable de proceso pasada normalizada unidades: valor normalizade Intervalo: de proceso normalizado

Variable de proceso normalizada sobre 21 intervalo de proceso !

3.28

con una iteración atrás; se usa para obtener la derivada en la variable de proceso.

26 vuk Señal presente del algoritmo de control Unidades: Intervalo: 0.0 a 1.0


Es la señal de control calculada por el algoritmo de control PID.

27 vukml Señal pasada del algoritmo de control Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0

ES la señal de control una iteración atrás. Se usa en el cálculo de la señal de control presente.

2 8 vukm2 Señal antepasada del algoritmo de control Unidades: en l'por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0

Es la señal de control dos iteraciones atrás. Se usa en el cálculo de la señal de control presente.

29 vek Señal presente de error Unidades: valor normalizado Intervalo: - 1.0 a + 1.0

Es la señal presente de error.

30 vekml Señal pasada de error Unidades: valor normalizado Intervalo: - 1.0 a + 1.0

Es la señal de error una iteración atrás. Se usa en e: cálculo de ia señal de control presente.

31 v e h 2 señal antepasada de error Unidades: valor normalizado Intervalo: - 1.0 a + 1.0

ES la señal de error dos iteraciones atrás. Se usa en el cálculo de la señal de control presente.

32 VSC Salida del controlador Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: 0.0 a 1.0 ,

Es la salida generada por el bloque del controlador. Es la suma de la señal calculada por el algoritmo de control PID, la preaiimentación y la poiarizacion.

3.29

33 vscmi Salida pasada del controlador Unidades: Intervalo: 0.0 a 1.0


Es la señal de control una iteración atrás. Se puede usar para obtener la derivada y asignarla como señal de prealimentación a otro algoritmo de control.

34 vpsc Pendiente de la razón de cambio del controlador Unidades: qrados Intervalo: de elemento final de control

Es el valor de la pendiente entre el valor presente y el valor pasado de la salida del controlador.

35 vsal Salida del módulo del controlador Unidades: miliamperes (m). Intervalo: (O a 20) Ó ( 4 a 20) según módulo seleccionado.

Es la salida del controlador multiplicada por el módulo seleccionado.

3.6.3.- BLOQUE DE LIMITES DEL CONTROLADOR

La selección de este bloque se realizó en base a aquellas variables con interés de informar al momento de operar fuera de un prellmite o de un límite.


* La primera inicial es la letra L (limite). * De la segunda inicial en adelante trata de identificar el nombre del parámetro o iniciales del significado completo.

A continuación se muestra el número asignado en el arreglo de datos reales de la base de datos, la nomenclatura, el significado, las unidades, el intervalo de operación y la función de cada uno de los limites.

36 laavp Unidades: volts Intervalo: mayor o igual al valor crítico superior de proceso

37 labvp Límite alto - bajo de la variable de proceso

Límite alto - alto de la variable de proceso

- Unidades: volts Intervalo: mayor o j.gual a l valor precrítico superior de proceso

38 lbavp Unidades: volts intervalo: menor o igual al valor precrítico inferior de proceso

Límite bajo - alto de la variable de proceso

3.30

39 lbbvp Unidades: volts

Límite bajo - bajo de la variable de proceso Intervalo: menor o igual al valor crítico inferior de proceso

Límites críticos y precríticos, superiores e inferiores de operación de la variable de proceso. Se consideran límites críticos (alto-alto y bajo-bajo) a los valores extremos del intervalo de operación del proceso y límites precríticos (alto-bajo y bajo-alto) a valores cercanos a los extremos del intervalo de operación de proceso. La asignación de valores depende de criterio del operador y del intervalo del proceso.

40 lavai Límite alto del acumulador integral Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: mayor o igual a 1.0

41 lbvai Limite bajo del acumulador integral Unidades: en "por unidad" de la ceiial de control Intervalo: menor o igual a 0.0

Estos límites no se usan en la implementación del algoritmo de velocidad, sin embargo, se consideró adecuado reservar localidades para estos límites, debido a la posibilidad de implementar un algoritmo de posición.

42 lavref Límite alto de la referencia Unidades: volts Intervalo: mayor o igual al valor superior de operación normal de

proceso

43 lbvref Límite bajo de la referencia Unidades: volts Intervalo: menor o igual al valor inferior de operación normal de

proceso

Límites alto y bajo del valor de referencia; deperiden directamente del intervalo de operación normal de proceso.

44 lawdmm Límite alto del valor deseado en modo manual Unidades: en "por unldad" de la señal de control intervalo: mayor o igual a 1.0

45 lbwdmm Límite bajo del valor deseado en modo manual Unidades: en "por unidad" de la sena1 de control Intervalo: menor o igual a 0 . 0

Límites alto y bajo en el valor deseado en modo manual; son asignados a los valores extremos que puede tomar la señal de control cuando opera en modo manual.

46 lavuk Límite alto de la salida del algoritmo PID Unidades: en "por unidad" de la señal de control

3 . 3 1

Intervalo: mayor o igual a 1.0

47 lbvuk Límite bajo de la salida del algoritmo PID Unidades: en "por unidad" de la señal de control

A Intervalo: menor o igual a 0.0

Límites alto y bajo en la salida del algoritmo de control PID; son asignados a los valores extremos que puede tomar la señal de control cuando opera en modo automático.

4 0 laavek Límite alto - alto del error Unidades: valor normalizado Intervalo: mayor o igual al valor crítico superior de operación

49 labvek Límite alto - bajo del error Unidades: valor normalizado Intervalo: mayor o igual al valor precrltico superior de operación

50 lbavek Límite bajo - alto del error Unidades: valor normalizado Intervalo: menor o igual al valor precrltico inferior de operación

51 lbbvek Límite bajo - bajo del error Unidades: valor normalizado Intervalo: menor o igual al valor crltico inferior de operación

Son límites que se emplean en el desarrollo y depuración de estrategias de control.

52 lavsc Límite alto de la salida del controlador Unidades: en 88por unidad" de la señal de control Intervalo: mayor o igual a 1.0

53 lbvsc Límite bajo de la salida del controlador Unidades: en "por unidad" de la señal de control Intervalo: menor o igual a 0.0

Límites alto y bajo en la salida del controlador PID; son asignados .a los valores extremos que puede tomar la salida del controlador cuando opera en modo automático.

54 lavpsc

Unidades: grados Intervalo: de elemento final de control

55 lbvpsc

Unidades: grados Intervalo: de elemento final de control

Límite alto de la razón de cambio de la salida del controlador

Límite bajo de la razón de cambio de la salida del controlador

/ Se asiqnan a valores extremos considerados por el operador. Se

3 . 3 2

evitan cambios bruscos en la salida del controlador. 'I I

3 .6 .4 . - BLOQUE DE CONDICIONES DE OPERACION DEL CONTROLADOR

La selección de este bloque se realizó en base a las

La nomenclatura que se usa es la siguiente:

* Se trata de identificar el nombre completo unido por

condiciones de operación del controlador.

medio de guiones bajos.

A continuación se muestra el número asignado en el arreglo de datos enteros de la base de datos, la nomenclatura, el significado y el valor asignado para cada configuración.

edo operativo Estado operativo del controlador PID - O

O - Fuera de operación 1 - Dentro en operación

tipo pid Tipo de PID a configurar - 1

o - PID Normal 1 - PID Razón 2 - PID Autorazón 3 - PID Autopolarizado

2 numgidmaestro Número de PID maes r

O - No tiene PID maestro asignado 1, 2 , 3 . . . - Número de PID maestro asignado

3 modo - operacion Modo de operación del controlador

O - Modo de Operación manual 1 - Modo de operación automático 2 - Modo supervisor 3 - Modo de operación cascada

4 modo- C ion Modo de acción del controlador

O - Modo de acción inverso 1 - Modo de acción directo

3 . 3 3

3 .6 .5 . - BLOQUE DE ALARMAS DEL CONTROLADOR

La selección de este bloque se realizó en base a aquellos parámetros y variables con interés de informar en la estación supervisor al momento de operar fuera de intervalo.

Una condición de alarma sucede cuando los valores de la variables exceden el intervalo preestablecido (para las variables analógicas), o cambia a un estado no permitido (para las variables digitales) .


* Antes del guión bajo indica el parámetro o variable a usar. * Después del guión bajo indica *I fr *I lo cual significa fuera

~

de intervalo, bajo el siguiente criterio (por ejemplo):

kkp - fr O (indica que está dentro del intervalo especificado)

especificado) kkp - fr 1 (indica que está fuera del intervalo

A continuación se muestra el número asignado en el arreglo de datos enteros de la base de datos, la nomenclatura y el significado de cada alarma.

La mayoría de los parámetros y variables han sido definidos en las secciones 3.6.1 y 3.6.2; el criterio para su evaluación se basa en el intervalo de operación de cada uno de ellos.

5 kkp - fr Ganancia proporcional del controlador fuera de intervalo

kti - fr Tiempo integral del controlador fuera de intervalo

ktd - fr Tiempo derivativo del controlador fuera de intervalo

Tres acciones básicas del controlador PID, cada una con un

6

7

intervalo de operación asignado.

8 kpre - fr Constante de prealimentación fuera de intervalo

9 kpol - fr Constante de polarización fuera de intervalo

operación asignado. Constantes de prealimentación y polarización con intervalo de

3 . 3 4

10 kvpaa-fr Valor alto-alto de variable de proceso fuera de intervalo

11 kvpab-fr Valor alto-bajo de variable de proceso fuera de

12 kvpba fr Valor bajo-alto de variable de proceso fuera de

intervalo

- intervalo

13 kvpbb - fr Valor bajo-bajo de variable de proceso fuera de intervalo

Valores crlticos y precríticos, superiores e inferiores de la variable de proceso con intervalos de operación establecidos.

14 krazn - fr Factor razón en modo cascada fuera de intervalo

15 kbias - fr Factor de polarización en modo cascada fuera de. intervalo

Factores en configuración cascada con intervalos de operación asignados.

16 vai - fc Acción integral fuera de control

velocidad, sin embargo, se reserva su localidad. Esta alarma no esta implementada para el algoritmo de

17 seg-vp Seguimiento de la variable de proceso

Aunque el concepto de seguimiento de variable de proceso quedó defiriido en el capítulo 2, como, "el mantener la referencia del controlador al mismo valor que la variable de proceso", en esta prueba se presenta quizás erróneamente el nombre, sin embargo, se habilita cuando la variable de proceso está en +/- 5% del valor deseado en modo manual; sólo se habilita en modo de operación manual y se despliega en la estación supervisor bajo la siguiente nomenclatura:

18

del

O - No hay seguimiento de vp 1 - Si hay seguimiento de vp

vref - fr Esta alarma se activa cuando el valor de referencia está fuera ntfrvcrlo de operación establecido.

Valor de referencia fuera de intervalo

3 . 3 5 <

19 vpre-fr Valor de prealimentación fuera de intervalo

2 0 vpol-fr Valor de polarización fuera de intervalo

Estas alarmas se activan cuando la señal de prealimentación o de polarización operan fuera de los intervalos establecidos.

21 wdmm-fr Valor deseado en modo manual fuera de intervalo

Esta alarma da aviso al operador que está en el límite de la señal de control (no sería conveniente una transferencia a modo de operación automático).

22 vuk - fr Señal del algoritmo de control fuera de intervalo

En el caso que el controlador esté saturado y esta alarma no esté habilitada, es fácil deducir que la saturación no proviene del algoritmo de control PID, sino de la suma con las señales de preaiimentación y polarización.

23 vekaa - fr Valor absoluto alto-alto del error fuera de intervalo

2 4 vekab-fr Valor absoluto alto-bajo del error fuera de

Estas alarmas indican cuando los límites críticos o precrlticos actúan fuera de los intervalos de operación establecidos.

intervalo

2 5 vsc - fr Salida del controlador fuera de intervalo

En el caso que el controlador esté saturado y la alarma del algoritmo de control PID esté habilitada, es fácil deducir que la saturación proviene del algoritmo de control, más no de las señales de prealimentación y polarización.

2 6 vpsc-fr Razón de cambio del controlador fuera de intervalo

Esta alarma se activa cuando suceden cambios bruscos en la salida del controlador y exceden los límites establecidos.

3 . 3 6

3.7.- ASPECTOS DE DISENO

Durante la etapa de diseño se presentan algunos aspectos para la implementación y el buen funcionamiento del controlador PID; entre ellos, la normalización de variables y la sincronla entre proceso y controlador; se describen en las siguientes secciones.

3.7.1 .- NORMALIZACION El intervalo de valores que se evalúan en el controlador se

realizan en forma normalizada, es decir no intervienen valores en unidades de Ingeniería.

Se define que una variable se encuentra normalizada cuando su intervalo de posibles valores difiere en la unidad. Este valor normalizado se logra a través de una operación en la cual interviene el valor máximo y el valor mínimo que puede tomar la señal.

Los principales intervalos de normalización son los de la entrada y la salida, que sirven como base para poder normalizar las variables que intervienen en el cálculo del error.

La ecuación empleada en la normalización es la siguiente:

variable a normalizar

intervalo de proceso ~ _ _ - variable normalizada = --

de una manera más específica y mostrando la normalización de la variable de proceso, se muestra:

VVP

(kvpma - kvpmi) vvpn =

donde :

vvpn = variable normalizada vvp = variable a normalizar (kvpma - kvpmi) = intervalo de proceso

( 3 . 3 )

Vepende directamente del intervalo ae proceso el valor de vvpn; de 0.0 a 1.0 (para intervalo de proceso de O a 10 volts), o de 0.25 a 1.25 (para intervalo de proceso de 1 a 5 volts).

3 . 3 7

3.7.2.- SINCRONIA ENTRE PROCESO Y CONTROLADOR

Durante la etapa de pruebas preliminares, se presentó un problema de sincronía entre el proceso y controlador.

La solución a este problema se realizó al implementar una bandera en el simulador (canal de señal digital), la cual tuviera acceso a la evaluación del. modelo únicamente cuando fuera activada por el controlador al momento de tener lista(s) ia(s) señal(es) de control a enviar al proceso; de este modo, el controlador activa la bandera (se permite la evaluación en el modelo) y desactiva la bandera (queda en espera de ser activada) cadi. vez que el controlador envía una señal de control (Función "envia desnorm" , - ~ 3 . 2 1 ) .

Así el simulador, evalúa únicamente cada vez que el controlador envía señal de control a proceso; por lo tanto, se dice que el simulador actúa en tiempo real.

3.0.- COMENTARIOS ACERCA DEL DISENO

Como comentarios acerca de la etapa de diseño, se mencionan los siguientes:

a) Se implementan tres modalidades del controlador PID, usando la misma ecuación en el algoritmo de control.

b) Quizás se vean absurdos o innecesarios algunos parámetros del controlador, sin embargo, se debe tener en cuenta que es la base para formar la biblioteca de algoritmos de control; se respetan localidades para la implementación de otros algoritmos.

F

c) Como resultado de este capítulo, se obtiene el cóaigo para implementar el sistema de control; Te muestra en el documento de listados de programas de aplicación [ 3 . 2 ] .

d) Se tiene información y configuración detallada del sistema de control; resulta sencillo canaiizar alguna anomalía en el sistema [3.2].

e) Se desarrollan programas de utilería para el monitoreo y evaluación de las estrategias de control. Programas de monitoreo, de proceso y alarmas.

3 . 3 8

I 3.9.- REFERENCIAS

I' Algorithms, functional Northruw, 1980.

descriptión MAX 1 I' Leeds -k

I Orato R., J.M., R. Almaraz R.,, M., L. Luna T., 'I Sistema de procesos remotos", ler . Congres para la Ingeniería, Cuernavaca

Honeywell: Algorithms TDC 2000

Bailey, Service Manual, type 71

Honeywell:4Basic Controller TDC

Madrigal E., Gpe., R. E. Bourgt "Especificaciones del subsisten interno, versión preliminar, I Cuernavaca, Mor., México, Juni'

Fisher Controls, "DRP900 6.1:DRP9001Al, Diciembre de 19

P. Flores P . , M. Cabrera ;upervisión y control de ) Nacional de Informática Mor., Octubre de 1989.

Engineering Data.

2 Ratio Controller.

2000. Configuration Data.

?t D. y L. M. Aguilar G . , i controlador", &cumento E, Depto. de Simulación, de 1990.

Controller", -- Bullein 7.

3.39 1

C A P I T U L O C U A T R O

INTEGRACION Y CONFIGURACION DEL SISTEMA

4.1.- INTRODVCCION

En este capítulo se muestra lo referente a la integración y configuración del sistema de control autosoportado. Se detalla el flujo de datos en el sistema de control, se describe el equipo y la programación necesaria para llevar a cabo la implementación fisica del sistema y la metodología empleada desde la etapa preliminar hasta obtener los resultados con el sistema instalado en configuración minima.

4.2.- FLUJO DE DATOS EN EL CAT

En la figura 4.1 se muestra esquemáticamente el controlador autosoportado (CAT) en configuración minima. Consiste en una estación de monitoreo y supervisión ubicada en un nivel jerárquico superior donde se lleva a cabo el monitoreo de variables y supervisión del sistema; la unidad de adquisición y control (pMAC-' 6000), ubicada en un nivel jerárquico inferior y manipulada por la estación supervisor para realizar transferencia de parámetros y condiciones en los controladores del sistema; los módulos SB-24 y DMB-32, como canales de entrada y salida analógicos y digitales, y el simulador de plantas a cargo de una computadora personal con la tarjeta RTI-815 implementada con canales de entrada y salidas analógicos y digitales.

El flujo del datos en el controlador autosoportado (CAT), se lleva a cabo cuando el operador realiza un cambio en la estación supervisor, este valor va a la base de datos, la cual es común entre los subsistemas supervisor y controlador, asf, el subsistema controlador recibe el valor y actuará con el acondicionador para llevarlo al simulador de procesos y regresar al subsistema controlador.

Si la estación supervisor no realizara cambios o estuviese ausente, camblo de parámetros desde una estación local programada (teclado programado con acceso al pMAC-6000) , el flujo de datos se concentraría en lazo cerrado entre el subsistema controlador y el simulador de procesos; la figura 4.2 muestra el flujo de datos en el controlador autosoportado.

4.1

ESTACION DE MONITOREO

Y SUPERVISION

OLlVETTl M-280

RS-485 .................................... ................................................................ ; ............................................................................ EPSON FX-286

SE-24 UMAC-6000

UNIDAD DE

....................................................................................

SIMULADOR DE

PLANTAS

I 1 16 ENT. ANALOGICAS

8 SAL. ANALOGICAS -

16 ENTRADAS DIGITALES

16 SAL. DIGITALES - I I

............................................. ........................................................... I,

[. OLlVETTl - M280 TARJETAS RTI-815

.........

Figura 4.1.- Controlador autosoportado, prototipo m í n i m o

4.2

La transferencia entre modos de operación manual, automático y cascada, el monitoreo de variables del sistema y el cambio de parámetroc del controlador, se lleva a cabo desde a estación supervisor.

Las perturbaciones se presentan de manera aditiva a l a salida del proceso, es decir, con respecto a la descripción de la figura 4 . 2 , se presentan antes de cerrar el lazo entre el subsistema controlador y el simulador de procesos.

La realización de los programas de aplicación se realizan en una computadora personal, sin embargo, una vez realizado el procedimiento de compilado y ligado, el programa de aplicación corre en el subsistema controlador IuMAC-6000 CPU), mostrado en la figura 4 . 4 .

Figura 4 . 2 . - Esquema que representa el flujo de datos en el CAT

4.3.- EQUIPO Y PROGRAMACION

La figura 4 . 3 muestra el equipo que forma el sistema prototipo en configuración mínima. A la derecha del lector se muestra la computadora donde se lleva a cabo la tarea de supervisión y control (estacijn supervisor); al centro, el controlador universal pMAC- 6 0 0 0 y a la izquierda, se muestra la computadora donde se lleva a cabo la simulación de procesos.

4 . 3

Figura 4 . 3 . - El sistema de control autosoportado (CAT) se ,

desarrolla en el Laboratorio de Automatización de Procesos del IIE

4.3.1.- EQUIPO

ESTACION DE MONITOREO Y SUPERVISION

a) Computadora personal Olivetti M280, AT compatible.

La función de la computadora es llevar a cabo el monit reo y supervisión del sistema de control; realiza el cambio de parámetros y condiciones de l o s controladores, despliega el monitoreo de variables y condiciones de interés al operador, despliega mensajes de alarmas y muestra en forma gráfica la referencia, variable de proceso y señal de control.

b) Impresora Epson FX-286

La función de la impresora Epson FX-286 consiste en imprimir la situación actual del sistema, archivos historia gráficos y señales de alarma, entre otras.

4 . 4

c.) Tarjeta de comunicaciones RS-422/485

La tarjeta DS-301 constituye un protocolo de comunicación serie. Esta se encuentra conformada por dos canales de comunicación asincrónica (UART: 16450) RS485. Es posible establecer comunicación en distancias considerablemente grandes (hasta 1300 mts.), a velocidades de transmisión razonablemente altas (19.2 Kbauds o 57600 bits por segundo), en ambientes ruidosos; esto se logra a través de un conector tipo DB-9 [4.2]. Físicamente, es la comunicación entre la estación supervisor y el controlador @MAC- 6 0 0 0 .

CONTROLADOR UNIVERSAL pMAC-6000

a) pMAC-6000 CPU

Es el elemento principal del sistema; está interconectada con los módulos de acondicionamiento analógico y digital, puede conectarse a una expansión en el sistema; se muestra en la fotografía de la figura 4.4. El CPU está basado en un microprocesador 80188 a una velocidad de 8 MHz, un coprocesador

Figura 4.4.- Fotografía que muestra el @MAC-6000 CPU

4.5

matemático CMOS 8087, opcional para aumentar la velocidad en cálculos matemáticos (soportado sólo en C); una memoria de 2 5 6 K bytes de RAM respaldada por batería, 192 K bytes de EPROM (64 K para el usuario de kMACBASIC, 128 K para el usuario en C), 2 K de, EEPROM en el cual 1 K bytes es disponible para el usuario y reloj respaldado por batería. Las características a detalle se muestran en "ventajas del controlador universal ~ L M A C - ~ O O O " , apéndice B.

b) Módulos de acondicionamiento analógico SB-24

Dentro del sistema pMAC-6000 existe una gran variedad de módulos de entrada 1 salida para acondicionamiento de señales; se describe la configuración instalada en [4.2] y se detallan los módulos empleados en [3.2] para la integración del sistema; los módulos de entrada J salida de acondicionamiento analógico son fabricados por ANALOG DEVICES y se muestran en la fotografía de la figura 4.5.

Módulo: Características:

5B39-02 ( 4 a 20) m ~ . salida

Empleado en los modelos de la zona de vapor, flujo de agua de alimentación de una UTE e implementación del canal que permite la, evaluación en el simulador de procesos, como canales de salida de los controladores.

(-5 a + 5) V. Entrada

5839-04 ( O a 20) mA. Salida

Empleado en el modelo del proceso de segundo orden, como canal (-5 a + 5) V. Entrada

de salida del controlador.

5B32-01 ( 4 a 20) mA. Entrada ( O a + 5) v. salida

(- 5 a + 5) V. Salida 5B31-03 (-10 a + l o ) v. Entrada

Empleado en todos los modelos implementados como canales de

5831-02 (- 5 a + 5) V. Entrada

5B34-C-02 ( O a 100) oC. Entrada

entrada a los controladores.

(- 5 a i 5) v. Salida

( o a + 5) v. Salida

5B37-J-01 (-100 a +760) "C. Entrada ( O a + 5) V. Salida

4.6

La selección y uso de los acondicionadores se lleva a cabo según sean las unidades en la entrada y los requerimientos en la salida.

Figura 4.5.- Fotografía que muestra el módulo de acondicionamiento analógico SB-24

c) Módulos de acondicionamiento digital DMB-32

La tarjeta DMB-32 es un sistema multiplexor digital de E/S, opcional y direccionable desde el sistema pMAC-6000 a través del conector DIGITAL2 que se encuentra en la tarjeta del CPU. La tarjeta DMB-32 puede manejar hasta ocho módulos relevadores de E í S ; la configuración digital instalada 14.21; los módulos operan con ló-gica negativa en un rango de O a 5 volts, es fabricada por ANALOG DEVICES y se muestra en la fotografía de la figura 4.6, numerados del uno al ocho de izquierda a derecha del lector.

El conector DIGITAL2 puede manejar hasta ocho tarjetas de este tipo con 32 señales cada una, haciendo así un total de 256 señales de E f S . Actualmente se cuenta con una tarjeta DMB-32 y ocho módulos de relevador, cuyas características son las siguientes:

4.7

c

Módulo: Características:

1D32Q (10 - 32) Vcd Entrada Se trata de una entrada de voltaje de corriente directa y el

fabricante lo caracteriza con color blanco, módulos uno y dos.

1A120QA (90 - 140) Vca Entrada Se trata de una entrada de voltaje de corriente alterna y el

fabricante lo caracteriza con color amarillo, módulos tres y cuatro.

OA240QA (12 - 280) Vca Salida Se trata de una salida de voltaje de corriente alterna y el

fabricante lo caracteriza con color negro, módulos cinco y seis.

OD60Q ( 5 - 60) Vcd Salida Se trata de una salida de voltaje de corriente directa y el

fabricante lo caracteriza con color rosa, módulos siete y ocho.

La selección y uso de los acondicionadores se podrían emplear en el arranque y paro de motores, por ser elementos de potencia, dependiendo de las unidades de entrada y requerimientos de salida.

Figura 4.6.- Fotografía que muestra el módulo de acondicionamiento de señales digitales DMB 32

4.8

d) Paneles superior e inferior de conexiones

Consta de 18 tablillas instaladas verticalmente. Cada una de ellas consta de 20 pares de tornillos. ‘Se usa para llevar a cabo las conexiones en los canales de entrada y salida analógicos y digitales del sistema pMAC y tarjetas RTI-815, con el propósito de tener un panel de conexiones y no realizar conexiones en los módulos de acondicionamiento; la conexión es común en los pares de tornillos, uno proviéne del módulo y el otro queda disponible para el usuario.

La figura 4.7 muestra la fotografía del panel de conexiones; se denomina panel superior de conexión a la5 10 tablillas de la parte de arriba, numeradas de izquierda a derecha del lector, bajo la siguiente localización:

tarjeta 1 a tarjeta 3 E/S analógicas de la R T I # 1 tarjeta 4 a tarjeta 6 E/S analógicas de la R T I # 2 tarjeta 7 a tarjeta 10 E / S analógicas pMAC-6000

y se denomina panel inferior de conexión a las 8 tablillas de la parte de abajo [ 4 . 2 ] , igualmente numeradas bajo la siguiente localización :

tarjeta 1 a tarjeta 2 E/S digitales de la R T I # 1 tarjeta 3 a tarjeta 4 E / S digitales de la RTI # 2 tarjeta 7 a tarjeta 10 E/S digitales pMAC-6000

en lugar de las tablillas 5 y 6, se muestra una tablilla protoboard donde se llevó a cabo la instalación de los potenciómetros necesarios para hacer la conversión de unidades de corriente a unidades de volts (ajuste en la salida del controlador y entrada al proceso).

CANAL DE COMUNICACION

a) Par trenzado para interfaz RS-405

La función del canal de comunicación es llevar a cabo la transmisión y recepción de datos e información entre la estación supervisor y el subsistema controlador y vlceversa [ 4 . 3 ] .

SIMULADOR DE PROCESOS

a) Computadora personal Olivetti M280

La función de la computadora es llevar a cabo la simulación del proceso, despliega en pantalla el monitoreo gráfico, digital,

4.9

y en variables de tendencia de las variables de proceso y señales de control. El desplegado en pantalla se realiza en unidades de volts y unidades de Ingeniería según el modelo implementado r5 .2 , 5.10, 5.131.

D Figura 4.7.- Fotografía que muestra los paneles superior e inferior de conexiones

b) Tarjetas E/S, AID, RTI-815

La tarjeta RTI-815 es una tarjeta de ANALOG DEVICES; es compatible con computadoras personales. Proporciona una interface directa entre la computadora personal y el mundo analógico y digital; es út'il en a realización de tareas tales como adquisición de datos A I D , salida de datos A I D , así como en aplicaciones que requieren el manejo de señal de reloj en E/S.

Cuenta con ocho canales de entrada analógica con una resolución de 12 bits y opera en rangos de O a +10 v., +/- 5 v y +/- 10 v., dos canales de salida analógicos con una resolución de 12 bits y una exactitud del +/- 0.02 %.

Cuenta con ocho canales de enkrada y ocho canales de salida

4.10

digitales con polaridad invertida. Su configuración es compatible con TTL.

4.3.2.- PROGRAMACION

Se describe el "software" empleado en la iniplementación del controlador pMAC-6000 y del simulador de procesos.

a) Programación en los modelos de simulador

La programación necesaria en la simulación de procesos implementados se realizó en lenguaje de programación C. La estructura de los modelos se configuró en archivos independientes para brindar al programa una mayor flexibilidad y mantenimiento.

Las tarjetas RTI-815 cuentan con rutinas para direccionar los canales de entrada y salida, analógicos y digitales de la tarjeta RTI-815; el programa ejecutable para cada modelo se obtiene del enlace entre los archivos independientes y las rutinas de entrada y salida de las tarjetas con el compilador de Turbo C 2.0 [5.2, 5.10, 5.131.

El lenguaje utilizado para el direccionamiento en las rutinas de entrada y salida de las tarjetas RTI-815 es ensamblador para microprocesadores 80188, 80286, 8087.

con opción a cambio de parámetros de entrada. Cada uno de los modelos muestra una interface hombre-máquina

Una vez obtenido el programa ejecutable de cualquiera de los modelos, se ofrece una interface hombre - máquina para cambio de parámetros iniciales de operación y el resultado de la simulación se muestra en un archivo historia de tiempo, variables de proceso y señales de control.

La figura 4 . 8 muestra la estructura del "software" implementado para la simulación de procesos.

Figura 4 . 8 . - Diagrama que muestra la estructura del "software" para el simulador de procesos

4.11

b) Programacih en el controlador

La programación necesaria en el controlador se realizó en lenguaje de programación C, con el compilador AZTEC c86, esto debido a la capacidad relocalizar código en microprocesador.

La forma en que está configurado el "softwarel', consiste en un programa de aplicación particular para cada uno de los modelos implementados, aplilpid, para un sistema de control de lazo simple; apli2pid, para un sistema de control multilazo y aplicasc, para un sistema de control en configuración cascada y dos archivos de biblioteca. Uno de ellos, el algs.h, describe todos las declaraciones de arreglos y estructuras, localidades en la base de datos y el algoritmo de control PID; el otro archivo, auxs.h, se definen las funciones auxiliares del controlador PID [3.2].

La intención de esta estructura en "software", se debe a la idea de formar una biblioteca de algoritmos de control incluidos en I1ALGS.HI1 [ 3.21, y que puedan ser llamados de un programa de aplicación; la estructura del sistema de control se detalla en el capitulo 3 .

4.4.- PROCEDIMIENTO PARA LA IMPLEMENTACION DE CONTROLADORES EN EL SISTEMA

Esta sección muestra la metodología recomendada en base a la experiencia para llevar a cabo la implementación del sistema de control; se muestra por medio de un diagrama de flujo y una serie de pasos a seguir.

En la figura 4 . 9 se muestra un diagrama de flujo para llevar a cabo la implementación.

Se parte del hecho que se tienen instaladas las rutinas Y tarjetas RTI-815 en la computadora que lleva a cabo la simulación de procesos.

Analizanao Únicamente el modelo:

1) Análisis del modelo a implementar. En este punto se debe comprender lo que se espera obtener del modelo, analizar su estabilidad, ganancia, etc.

2) Implementación del modelo Una vez cubierto el punto anterior se especifica, diseña e impiementa el modelo matemático.

3) Pruebas de validación al modelo. Se observa la respuesta del modelo ante entradas escalón o rampa, para comprobar la correcta reproducción del proceso.

4.12

........... ...... .. ......-... ......... ......... .., ".-.. *...... "."..

................. ........... ......~ ...... -... ..........

..... "I ...... 1 - I .. + .......... ".....

............ ch_7 ,111.11. .<I..I.

.............. I .............. I .............. .............. ............

O., oO",.O..oe"

' , z ............ O., oO",.O..oe" IJ

Figura 4.9.- Diaqrama de flujo para llevar a cabo la integración del sistema fiMAC-6000 - PC

4.13

Analimando la ley de control:

4 ) Definición de la estructura y la estrategia de control En este punto se define la estrategia de control a emplear para el control del proceso.

5 ) Programación del controlador Se implementa el control en la computadora con la estrategia y estructura seleccionadas.

Enlazando modelo y control en Pc:

6) Enlace y simulación entre modelo y controlador. Se acoplan las señales de salida en los controladores según los módulos a emplear en la simulación; primero se calcula el control y luego el modelo; se recomienda tener un actuador en la entrada y un transductor en la salida del modelo. Debe tenerse cuidado en las unidades que se manejen.

7) Se realizan pruebas y ajuste en los controladores del sistema Se realizan ajustes necesarios ya sea en el control o en el proceso; se ajustan los parámetros del sistema para cumplir con el objetivo de control.

Volviendo al modelo y controlador para llevar a cabo la simulación en PC - pMAC-6000:

ü i Prueba de las rutinas en canales de entrada y salida y adaptación a1 modelo. Se corren rutinas de prueba para canales de EfS, A I D a emplear y se adaptan al modelo; hasta aquí, el modelo está validado e implementado con E / S , en la computadora que lleva a cabo la simulación de procesos, ver figura 4.3.

9) Se configura el controlador con canales de E/S, AID. Se toma la parte de control, se adaptan canales de entrada y salida y se implementan funciones de comunicación.

10) Se ajusta el potencidmetro al intervalo del modelo se implementan y ajustan los potenciómetros que sean necesarios, según los canales de salida a emplear, más el potenciómetro para el canal de salida que activa al simulador. Se recomienda usar potenciómetros de alta precisión cercanos al valor deseado.

11) Se lleva a cabo el procedimiento de compilado y ligado Una vez configurado el control y enlazada la comunicación y compatibilidad con el modelo, se lleva a cabo el compilado y ligado, mostrado en el apéndice A, en el ambiente Aztec C 8 6 .

4 . 1 4

12) se obtiene la simulación ~MAC-PC. Una vez cubierto el paso anterior, el subsistema controlador y el simulador de procesos deberán estar acoplados y sincronizados para obtener la simulación pMAC-6000 - PC.

4.5.- CONPIGüRACION Y SINCRONIZACION EM EL SISTEMA

En esta sección se describe la configuración del sistema y se define la lógica para lograr la sincronización.

El "software" está configurado de una manera estándar en el control empleado en los modelos implementados, por ejemplo, si se quiere llevar a cabo un cambio de un sistema multivariable, como es la zona de vapor de una UTE, a un sistema en cascada, deberá tratarse de una manera particular únicamente los parámetros, condiciones y canales de salida de los controladores [3.2].

La sincronización se realiza estándar en los tres modelos y se implementa como sigue:

Se configura un canal de salida del controlador para enviar una señal que active al simulador; se usa un módulo de salida analógica de 4 - 20 mA.

Este canal es implementado para activar y desactivar un canal digital en el simulador. Se hace uso de un potenciómetro ajustado a 160 12, de modo que el simulador logra recibir los valores de umbral de la lógica TTL, es decir, un valor por debajo de 0.64 volts y por arriba de 3.2 volts [4.1].

4.6.- COMENTARIOS Y RECOMENDACIONES ACERCA DE LA INTEGRACION Y CONFIGURACION DEL SISTEXA E IMPLEMENTACION DE CONTROLADORES

La integración y configuración del controlador autosoportado se llevó a cabo con macros de compilado y ligado, pruebas de calibración y pruebas de comunicación entre la estación supervisor, computadora maestra y el sistema pYiC-6000, sistema esclavo [ 4.41 .

La configuración del sistema está en configuración mínima,

* 1 6 entradas analógicas * 8 entradas analógicas * 16 entradas digitales * 16 entradas digitales

ver figura 4.1, y detalles en los acondicionadores de señal y p m C - 6000 CPU I4.21.

4.15

Como recomendaciones para llevar a cabo la implementación del subsistema controlador con el simulador de procesos, lo cual es el desarrollo fuerte de este trabajo, es conveniente seguir cada uno de los pasos recomendables, se recomienda implementar el modelo y el control s610 en computadora, realizar pruebas y ajustes para cumplir con el objetivo de control, y una vez que se esté seguro de los resultados a obtener en el sistema, implementar el modelo en Pc y el controlador en el sistema @MAC-6000.

Realizar las pruebas directamente en PC - @MAC-6000. puede consumir 2 6 3 veces más de tiempo y esfuerzo.

Los archivos de biblioteca a1gs.h y auxs.h, están configurados para qlnl' número de controladores, por lo tanto, sólo será modificado los programas de aplicación.

Un aspecto importante es correr y probar las rutinas de las tarjetas RTI-815, comprobar específicamente los canales de entrada y salidas, analógicas y digitales a emplear en la integración del sistema.

Se recomienda leer el valor de voltaje que se presenta a la salida del controlador; se sugiere mantener un valor constante y ajustar el valor del potenciómetro empleado al valor deseado a la entrada del proceso.

4.7.- REFERENCIAS

[ 4 . 1 1 I' The TTL Data Book I f , Volume 2, Standard TTL, Schottky, Low-Power Schottky Circuits, Texas Instrum&, 1985.

~ 4 . 2 1 Herrera C., Armando, 'I Documento de configuración de hardware del sistema de control I f , documento interno, IIE, Departamento de Simulación, Cuernavaca, Mor., Mex., Julio de 1989.

L 4 - 3 1 " @MAC-6000 C programming ' I , Analocr Devices, 1987, 1988.

L4 .41 Garduño R., Raúl y A . Herrera C., Procedimientos de Compilación y Ligado de Software en desarrollo 'I,

documento intern, I I E , Departamento de Simulación, Cuernavaca, Mor., Mex., Abril de 1990.

4.16

C A P I T U L O C I N C O

APLICACION EN MODELOS DE SISTEMAS DE CONTROL

DE UNIDADES TERHOELECTRICAS

5.1.- INTRODUCCION

Una vez que se han cubierto las etapas de especificación, diseiio e implementación del sistema de control bajo un nivel jerárquico superior, continúa la etapa de validación.

Para llevar a cabo la etapa de aplicación y validación del control basado en PID's, se implementaron tres sistemas de control; entre ellos, son los siguientes:

a) Sistema de control de un solo lazo - Sistema SISO Modelo de un proceso de segundo orden.

b) Sistema de control de dos lazos - Sistema MlMO Modelo de la zona de vapor de una UTE.

c) Sistema de control de dos lazos - Sistema en CASCADA Modelo del flujo de agua de alimentación de una UTE.

En el desarrollo de este capítulo se muestran los siguientes puntos para cada uno de los sistemas implementados:

a) Los objetivos y características a alcanzar er. las pruebas.

b) El diagrama a bloques del sistema de control.

c) La función de transferencia y modelo del proceso.

d) El esquema de la implementación física.

e) La sintonización de los parámetros del controlador.

f) El objetivo de control.

9) Las gráficas y análisis de resultados.

5.1

5.2.- OBJETIVOS Y CARACTERISTICAB DE LAB PRUEBAS

Los objetivos de las pruebas se establecieron para probar un sistema de control que permita realizar en línea:

a) Cambios en el valor deseado en modo manual, realizados en rampa para proteger al elemento final de control.

para pruebas de laboratorio.

manual, automático y cascada.

b) Cambios en el valor de referencia, realizados en escalón

c) Transferencia sin saltos al cambio entre modos de operación

d) Respuesta a perturbaciones presentes en el sistema.

e) Opción para habilitar o deshabilitar cada lazo de control.

f) Opción para llevar al sistema pMAC-6000 dentro o fuera

g) Transferencia de parámetros y condiciones de operación

h) Evitar la saturación en los controladores.

de servicio.

desde un nivel jerárquico superior (estaciin supervisor).

Las características que debe tener el modelo implementado, consiste básicamente en los siguientes puntos:

a) Capacidad para adquirir la(s) señal(es) de control por

b) Capacidad para enviar la(s) variable(s) de proceso por

canal(es) de entrada configurado(s).

canal(es) de salida configurado(s).

c) La presencia de un actuador a la entrada y un transductor a la salida, de modo que se puedan evaluar valores normalizados en las ecuaciones del modelo.

c ) Sincronización en el sistema, esto es, el proceso evalúa

d) Opción en la interface hombre - máquina para cambio de cada vez que el controlador envía sefial de control.

parámetros fuera de línea.

Una vez establecidos los objetivos y las caracterlstlcas del sistema, continúa la etapa de pruebas; se detallan cada uno de los sistemas a aplicar.

5.2

5.3.- APLICACION A üü SISTEMA DE CONTROL DE LAZO SIMPLE

Se presenta un sistema de control de lazo simple; consiste de un proceso de segundo orden de una entrada - una salida (Sistema SISO) en lazo cerrado con el controlador PID; las perturbaciones se presentan aditivas a la salida del proceso.

En la figura 5.1 se muestra el diagrama a bloques del cisterna de control de lazo simple.

DIAGRAMA DE BLOQUES PARA EL CONTROL DE UNA

PLANTA DE SEGUNDO ORDEN

Figura 5.1.- Diagrama a bloques del sistema de control de lazo simple

5.3.1.- FUNCION DE TRANSFERENCIA Y MODELO DEL PROCESO

El sistema consiste de un proceso de segundo orden subamortiguado, el cual tiene una razón de amortiguamiento ( c ) = 0 . 7 y una constante de tiempo (? ) .= 10 seg.

Se trata de un sistema estable con dos polos complejos conjugados, de valores:

s, = - 0.1 + j 0.1020 s2 = - 0.1 - j 0.1020

Para la implementación de este proceso se partió de un

5.3

documento denominado 'I Simulador de una planta de segundo orden I*

r5.11; se modificó la interface digital, se implement6 el control adecuado para una entrada - una salida y se llevo a cabo la etapa de pruebas.

La arquitectura que maneja el modelo del proceso de segundo orden consiste en la implementación de funciones independientes dentro de archivos físicos agrupados por módulos [ 5 . 2 ] ; se describe la función de cada uno de los archivos que forman parte del modelo, se muestra el compilador de ligado para obtener el programa ejecutable y se define la interface hombre - máquina implementada.

La función de transferencia del proceso es la siguiente: '

Y Wn2

X ( s 2 +2(~ns + wn2) G ( S ) = - =

donde :

(razón de amortiguamiento) = 0.7 Wn (frecuencia natural) = 0 . 1 4 2 8 rad/seg.

1 7 (constante de tiempo) = = 10 seg.

C Wn se obtiene de la relación [ 5 . 3 ] :

4 Ts = 4 7 =

C Wn

(5.1)

( 5 . 2 )

donde:

Ts = Tiempo de estabilización del sistema

5.3.2.- ESQUEMA DEL SISTEMA DE CONTROL E IMPLEMENTACION FISICA

La figura 5 . 2 muestra el diagrama de la implementación física del controlador PID en lazo cerrado con el proceso de segundo orden (una entrada - una salida).

El controlador PID está implementado en el sistema pMAC-6000, se muestran los canales de entrada 1 salida del controlador y la conversión del módulo de corriente en la salida del controlador a unidades compatibles con el proceso.

5 . 4

DIAQRAMA DETALLADO DEL SISTEMA DE SEGUNDO ORDEN

Figura 5 . 2 . - Diagrama de la implementación física para el control del proceso de segundo orden

El proceso está implementado en una computadora personal con la tarjeta RTI - 8 1 5 con canales de entrada / salida, analógicos y digitales; maneja un intervalo de valores entre ? 10 volts, cuenta con rutinas para leer la señal de control en el canal de entrada y depositar la variable de proceso evaluada en el canal de salida.

Las perturbaciones en el sistema están implementadas a la salida del proceso. Físicamente, consiste de una fuente de voltaje externa de O a 5 volts, la cual suma un valor de voltaje ajustado en la fuente a la lectura de la variable de proceso. De este modo, el controlador PID lee una seííal alterada en el canal de lectura y actuará para corregir la perturbación.

5.3.3.- OBJETIVO DE CONTROL

El objetivo de control que se persigue en las pruebas del sistema de una entrada - una salida, consiste en obtener una gráfica semejante a una respuesta de un proceso de primer orden (sin sobrepaso), sin oscilaciones y cop. un tiempo corto de estabilización (menor a 4 7 , 15.31). como se muestra en la figura 5 . 8 .

5 . 5

5.3.4.- METODOB DE SINTONIZACION Y SELECCION DE LOS PARAMETROB DEL CONTROLADOR

La sintonización para obtener los parámetros del controlador PID, se llevó a cabo por medio de los siguientes métodos:

a) Método de la curva de reacción de Ziegier-Nichols

Fue el primer método de sintonización que se llevó a cabo para obtener los parámetros del controlador PID.

Se obtuvo la respuesta del proceso de segundo orden en lazo abierto sin controlador a una entrada escalón ' para obtener los parámetros de la pendiente máxima R y el retardo L de la respuesta; se muestra en la figura 5.3 y se obtuvieron los siguientes valores:

L = 2.14; R = 0.072;

Para obtener los parámetros óptimos del controlador, se aplica la siguiente relación para control PID [5.4]:

Kp = 1.2 1 RL; Ti = 2 L; Td = 0.5 L.

y se obtuvieron los siguientes valores:

Kp = 7.78; Ti = 4.28; Td = 1.07

Figura 5.3.- Respuesta del proceso de segundo orden en lazo abierto a una entrada escalón para obtener l o s valores de L, y R

En la figura 5.4 se muestra la respuesta del sistema con l o s parámetros obtenidos por este método para el contrclador PID.

' Gráficas obtenidas con el paquete de control CC, versión 3 . 0

5.6

.

Figura 5 . 4 . - Respuesta del sistema en lazo cerrado ante una entrada escalbn con los parámetros obtenidos por Ziegler - Nichols

Sin embargo, debido a la dinámica de la planta de segundo orden (sobrepaso en la respuesta, figura 5.3), no se recomienda aplicar el método de la curva de reacción de Ziegler-Nichols.

Del mismo modo, la respuesta del sistema no cumple con el objetivo de control; presenta sobrepaso, oscilaciones y no llega a estabilizarse en cuatro constantes de tiempo ', por lo tanto se buscaron otros métodos de sintonización.

b) Método de la ganancia última - período último

Fue el segundo método empleado para la sintonización de los parámetros del controlador PID; consiste en la aplicación de la frecuencia critica y ganancia límite.

Se partió de la siguiente relación [ 5 . 5 ] ;

Ku = KC máX; Tu = (2 * W ) / WC

donde :

Ku = Ganancia última (ganancia máxima antes de caer en la inestabilidad); se obtiene del reclproco de I G(jw)i frecuencia a la cual el ángulo de fase es -180 grados.

a la

Tu = Período Último o Última oscilación.

Wc = Es la frecuencia crítica del sistema; se obtiene a partir

La intención es reducir el tiempo de estabilización en la respuesta del proceso.

5.7

de la gráfica de Bode cuando la fase cruza por -180 grados [ 5 . 6 ] .

y sustituir estos valores para control PID [5.4], en la siguiente relación:

Kc = 0.6 Ku; Ti = Tu 1 2; Td = Tu 1 8 .

Se obtuvo la gráfica de Bode para obtener los valores de la frecuencia crítica (Wc) y ganancia límite (Kc máx); la figura 5.5 muestra la gráfica para obtener estos valores (Wc y Kc máx); sin embargo, debido a las características del proceso (proceso de segundo orden sin retardo) la fase no cruza por -180 grados.

Figura 5.5.- Gráfica de Bode en continuo de la planta de segundo orden para obtener los valores de Wc y Kc máx.

Por lo tanto, no se aplicó el método y se buscó un procedimiento de ajuste de la curva.

o) Ajuste de curva de l a planta de segundo orden para aplicar

El ajuste de la curva surgió de la necesidad de la imposibilidad de realizarlo con el proceso de segundo orden sin retardo; así se llevó a cabo el procedimiento [5.7], llegando a obtener los siguientes resultados:

e l método de ganancia última - período último

Kp = 780.64; Ti = 0.6349; ‘Id = 0.1587.

En la figura 5.6 se muestra la respuesta del sistema con los parámetros obtenidos por el método del ajuste de la curva.

5.8

Figura 5.6.- Respuesta del sistema con los parámetros obtenidos del ajuste de la curva

Los resultados de la aplicación de este método están fuera del objetivo de control; aunque el tiempo de estabilización es muy corto, se presenta un sobrepaso no deseado y oscilaciones en la respuesta del sistema.

d ) Método de análisis en la frecuencia

Fue otro método usado para la sintonización de los parámetros del controlador PID; consiste en los siguientes pasos:

1) De la función de transferencia del proceso H ( s ) , reemplazar H(jw) para llegar a la siguiente. forma:

1

s + jw 2) y obtener el módulo y la fase de:

H ( j w ) =

1 ( - tan" w / s ) i G ( j w ) i =

.J (S2 + w')

3) Se sustituye el valor de Wc, frecuencia de corte, cuando la magnitud pasa por cero db.

4) Se obtiene magnitud y fase. Se diseña un ángulo de 50 grados (se suma a -180 grados); de esta valor, se suma con la fase y se obtiene el ángulo Cp.

5.9

Con el ángulo @, se forma un triángulo Kp (wTd - l/wTi); cateto adyacente Kp, con la unidad.

Se aplican funciones trigonométricas y parámetros del controlador.

con cateto opuesto e hipotenusa igual

se obtienen los

Del método aplicado se obtuvieron los siguientes parámetros:

Kp = 0.4032; Ti = 14.7496; Td = 3.6874;

La figura 5.7 muestra la respuesta del sistema con los parámetros obtenidos por el método del análisis en la frecuencia.

Figura 5.7.- Respuesta del sistema con los parámetros del método del análisis en la frecuencia

obtenidos

La respuesta del sistema es más adecuada a las características del objetivo de control; sin embargo, se llevó a cabo una sintonización fina en los parámetros del controlador: se obtuvieron los siguientes valores:

Kp = 1.00; Ti = 10.00; Td = 2 . 6 0

con los cuales se realizaron las pruebas.

Se realizó a prueba y error con valores cercanos a los obtenidos por el método del análisis en la frecuencia.

5.10

La figura 5.8 muestra la respuesta del sistema con los parámetros del controlador obtenidos en la sintonización fina.

Figura 5.8.- Respuesta del sistema con parámetros ajustados en la sintonización fina

5.3.5.- ANALISIB Y GRAFICAB DE RESULTADOS

En la figura 5.9 se muestra el lugar de las raíces del sistema como prueba de estabilidad a los parámetros finalmente obtenidos con la sintonización fina.

Figura 5.9.- Gráfica del lugar de las raíces del sistema

La validación del "software" implementado se llevó a cabo comparando la respuesta obtenida de la simulación del proceso con la respuesta obtenida con el paquete de control CC.

5.11

Para llevar a cabo las gráficas de resultados, se describe la realización de tres pruebas y se muestran 3 gráficas para cada una de las pruebas.

(a) Referencia (b) Variable de proceso (c) Señal de control

Prueba No. 1

TIEMPO: OPERACION:

O Modo de operación manual, wdmm = 0 . 0 Condiciones iniciales de operación, O % de acción de control

20 Modo de operación manual, wdmm = 0.5 y modo de operación manual.

Cambio en el valor deseado en modo manual al 50 % de la acción de control, en forma de rampa para proteger al elemento final de control 5 .

150 Una vez seleccionado el valor deseado en la variable de

proceso, hay una transferencia sin saltos a modo de operación automático.

Transferencia a modo de operación automático

180 Cambio de referencia a 7.0 volts

250 cambio de referencia a 5.0 volts Se realizan cambios de referencia del 20 % en escalón para

pruebas de laboratorio; la variable de proceso alcanza el 95 % do la referencia deseada en dos constantes de tiempo ( Z r ) , [5.31.

350 Control fuera Se lleva al sistema fuera de servicio.

Los resultados se muestran eri las gráficas 5.10 (a, b, C).

Prueba No. 2

TIEMPO: OPERACION:

O Condiciones iniciales de operación, O % de acción de control

Modo de operación manual wdmm = 0.0

La velocidad manual asignada fue de 0.01, es decir, 1 % por segundo en la acción de control.

5.12

y modo de operación manual.

20 Modo de operaoión manual w d m m = 0.5 Cambio en el valor deseado en modo manual al 5 0 8 de la acción

de control, en forma de rampa para proteger al elemento final de control.

120 Una vez seleccionado el valor deseado en la variable de



150 Cambio de referencia a 6.0 volts Se realiza un cambio de 10 % en la referencia, en forma

escalón para pruebas de laboratorio; la variable de proceso alcanza el 95 % de la referencia deseada en dos constantes de tiempo ( 2 7 ) , [5.3].

2 10 Transferencia a modo de operación manual Se realiza una transferencia sin saltos a modo de operación

manual.

220 Cambio en el valor deseado en modo manual,

310 Cambio en el valor deseado en modo manual,

Cambios en el valor deseado en modo manual al 2 0 % y al O % de acción de control para llevar al proceso a cero volts, en forma de rampa para proteger al elemento final de control.

350 control fuera Se lleva al sistema fuera de servicio.

wdmm = 0.2

Wdmm = 0 . 0

Los resultados se muestran en las gráficas 5.11 (a, b, c).

Prueba NO. 3

TIEMPO: OPERACION:

O Modo de operación manual w d m m = 0.0 Condiciones iniciales de operación, O % de acción de Control

y modo de operación manual.

20

90 Cambio en el valor deseado en modo manual al 30 % y al 60 % de

la acción de control, en forma de rampa para proteger al elemento final de control.

Modo de operaaión manual w d m m = 0.3 Modo de operación manual w d m m = 0.6

5.13

160 Transferenaia a modo de operación automático Una vez seleccionado el valor deseado en la variable de


200 Perturbacign presente de 1.65 volts Perturbación presente en el sistema del 33 %, el canal de

entrada al controlador lee un valor en la variable de proceso igual con 7.65 volts y tiene una referencia asignada en 6.0 volts; llega al 95 % de la referencia establecida en dos constantes de tiempo ( 2 T ) t i5-31.

250 Perturbación fuera Perturbación fuera del sistema, el canal de entrada al

controlador lee un valor en la variable de proceso igual con 4.35 Volts y tiene una referencia asignada en 6.0 volts; la variable de proceso llega al 95 % de la referencia establecida en dos constantes de tiempo ( 2 7 ) , [5.3].


L o s resultados se muestran en las gráficas 5.12 (a, b, c).

Una prueba importante realizada en el laboratorio, consistió en la comprobación del comportamiento autosoportado de los controladores en el sistema; se llevó a cabo al apagar las computadoras de la estación supervisor y del simulador de procesos; se habilitaron las computadoras y el controlador demostró continuar evaluando con el último valor enviado del proceso.

5.3.5.1.- ASPECTOS DE ESCALA EN GRAPICAS DE RESULTADOS:

L a s unidades en el eje de las "x" representan segundos, para las "respuestas del sistema al escalón" obtenidas con el paquete de control CC y para las gráficas de resultados.

Las unidades en el eje de las " y " para las gráficas de referencia y variable de proceso representan volts, con una escala de O - 10 volts.

Las unidades en el eje de las " y " para la gráfica de la señal de control representa porcentaje en la señal de control o "en por unidad de la sefial de control", las unidades y la escala representan:

0 volts => 0.0 "en por unidad de

10 volts => 100% de acción de control => 1.0 "en por unidad de

=> O % de acción de control la señal de control".

la señal de control".

5.14

PROCESO DE SEOU-O ORDEN

igura ~ 5.10 (c)

Gráficas de resultados (Proceso de segundo orden) - Prueba NO. 1

5.15

PROCESO DE SEO-9 ORDEN I

-1 I -. l

Gráficas de resultados (Proceso de segundo orden) - Prueba No. 2 5.16

.)

e _I

o .

_ . - i D D o I . , " - I T . . - -

.- .oy -- co-*oL

igura 5.12 (c)

Gráficas de resultados (Proceso de segundo orden) - Prueba No. 3 5.17

5.4.- APLICACION AL SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURAS DE VAPOR DE UNA UTE

Una vez que se ha validado el sistema de control para el proceso de segundo orden como un sistema de una entrada - una salida, es necesario validar la implementación de "n" número de PID's evaluando simultáneamente para el control de un proceso.

Se presenta un modelo de dos entradas - dos salidas, mostrado en la figura 5.13; consiste en la zona de vapor de una unidad termoeléctrica 6 , las dos entradas como señales de control, inclinación de quemadores (XGG) y flujo de agua de atemperación (WSY) y las dos salidas como variables de proceso, temperatura de vapor recalentado (TRHO) y temperatura de vapor sobrecalentado (TSSO) .

TEMPERATURA DE VAPOR

RECALENTADO

INCLlNAClON DE OUEMAWRES

mn VAPOR 7880 FLUJO DE AGUA DE TEMPERAWRA

DE VAPOR ATEMPEnffilON SOBRECALEN TAW

Figura 5.13.- Modelo de la zona de vapor

Las perturbaciones se presentan aditivas a la salida de la variable de proceso de vapor recalentado (TWO); las prealimentaciones son: la derivada en la variable de proceso TRHO para el controlador PID uno y la derivada de la salida del controlador PID uno, para el PID dos.

La figura 5.14 muestra el diagrama a bloques del sistema de temperaturas de vapor (dos entradas - dos salidas). 5.4.1.- ECUACIONEB DEL MODELO

El modelo consiste de un sistema de dos entradas - dos

La utilización de este modelo para validar el sistema de control, se debe a que forma parte de una UTE; se aplica el control con características industriales, se conocen las características y el comportamiento del modelo.

5.18

salidas, ambaC salidas están relacionadas con ambas entradas.

Para la implementación de este modelo, se parte de las ecuaciones obtenidas por identificación [5.8, 5.91 como un modelo multivariable evaluado por control autosintonizable.

DIAGRAMA DE BLOQUES PARA EL CONTROL DEL SISTEMA MULTIVARIABLE

I L

Figura 5.14.- Diagrama a bloques para el control de la zona de vapor de una UTE

En base a estas ecuaciones se implcmenta el modelo con una arquitectura de funciones independientes dentro de archivos físicos, agrupados por módulos [5.10], se desarrolló una interface gráfica, se implementó el control adecuado para dos entradas - dos salidas y se llevó a cabo la etapa de pruebas.

La ecuaciones del modelo son las siguientes:

yOs1 = 3.3990*ylsl - 2.5905*y2sl + 0.1152*y3sl + 0.3706*y4Sl - 2.3045*ylS2 + 3.6644*y2S2 - 1.147O*y3S2 - 0.2687*y4S2 + 5.8834E-O4*uOel + 0.1652*ulel - 0.2949*u2el + 6.3998E-O2*~3el + 4.2822E-O2*u4el + 1.7149E-@4*uOe2 - 7.1381E-OL*ule2 - 0.3744*u2e2 + 0.3392*u3e2 + 8.0660E-O2*~4e2 (5.3)

yOS2 = 1.2887*ylsl - 1.4154*y2Sl + 3.4964E-O2*y3Sl + 0.2472*y4Sl + 0.3677*ylS2 + 1.1368*y2S2 - 0.321P*y3S2 - 0.2722*Y4S2 + 7.5629E-O4*uOel + 2.1313E-O2*ulel - 0.1338iuZel +.0092E-O2*~3el + 3.3409E-O2*~4el - 3.4893E-O4*uOeZ - 0.2064*ule2 - 6.5409E-O2*~2e2 + 0.1637*u3e2 + 6.6454E-02 *u4e2 (5.4)

5.19

donde las señales controladas o de salida (1 y 2) son:

YoS1, Yhl, Y2S1, y3s1, y4s1, YoS2, Y1S2, y2s2, y3s2, y4s2.

y las variables de control (1 y 2):

uOel, ulel, u2e1, u3e1, u4e1, uOe2, ule2, u2e2, u3e2, u4e2.

El modelo programado cuenta con un actuador en la entrada y un transductor en la salida [5.10], de modo que se puedan adquirir y enviar señales de voltaje, manejar unidades de Ingeniería y valores normalizados en la evaluación de las ecuaciones del modelo.


La figura 5.15 muestra el diagrama de la implementación física del control en lazo cerrado con el modelo de la zona de vapor (dos entradas - dos salidas).

DIAQRAMA DETALLADO PARA EL SISTEMA MULTIVARIABLE

Figura 5.15.- Diagrama de implementación física para el control de la zona de vapor de una UTE

El control está implementado en el sistema pMAC-6000; consiste de dos controladores PI, cada uno con una referencia asignada para el control del sistema multivariable, se muestran los canales de entrada y salida de los controladores y la conversión del módulo de

5.20

corriente a unidades compatibles con el modelo.

El modelo está implementado en una computadora personal con la tarjeta RTI - 815 con canales de entrada / salida, analógicos y digitales; maneja un intervalo de valores entre ? 10 volts, cuenta con rutinas para leer las señales de control en los canales de entrada y depositar las variables de proceso evaluadas en los canales de salida.

Las perturbaciones en el sistema están implementadas a la salida de la variable de proceso TRHO. Físicamente, consiste de una fuente de voltaje externa de O a 5 volts, la cual suma un valor de voltaje ajustado en la fuente a la lectura de la variable de proceso. De este modo, el controlador PI lee una señal alterada en el canal de lectura y actuará para corregir la perturbación.

En las figuras 5.16 y 5.17 se muestran los esquemas para el control de temperatura de vapor recalentado y temperatura de vapor sobrecalentado; los parámetros de los controladores y constantes se obtuvieron del modelado de la zona de vapor [5.11].

Figura 5.16.- Control de temperatura de vapor

recalentado

5.4 .3 .- OBJETIVO DE CONTROL

Figura 5.17.- Control de temperatura de vapor

sobrecalentado

El objetivo de control que se persigue en las pruebas del sistema de dos entradas - dos salidas, consiste en obtener estabilización en las variables de proceso ante perturbaciones presentes en el sistema y seguimiento aceptable (comparado con un controlador autosintonizable [5.8]), a cambios de referencia.

5.21

5 . 4 . 4 . - SINTONIZACION DE LOS PARAMETROS DEL CONTROLADOR

La sintonización de los parámetros de los controladores PI se llevó a cabo a prueba y error conforme a las características en el modelo implementado como se describe en [5.11].

Los parámetros para el controlador PI uno, son:

lip = 1.00; Ti = 60.00 Los parámetros para el controlador PI dos, son:

Rp = 2.00; Ti = 60.00 con los cuales se realizaron las pruebas.

5.4.5.- ANALISIS Y GRAFICAS DE RESULTADOS

Se realizan operaciones para cambios de referencia en cada una de las variables de proceso y se simulan perturbaciones en el sistema.

Se describe la realización de cuatro pruebas y se muestran 6 gráficas para cada una de las pruebas.

a ) Referencia de la variable de proceso uno - T W O b) Referencia de la variable de proceso dos - TSSO c) Variable de proceso uno - TRHO d) Variable de proceso dos - TSSO e) Señal de control uno - XGG f) Señal de control dos - WSY

Condiciones iniciales de operación:

PI uno : 86.1882 % de acción de control. 4.27 Volts. 0.3302 Rad.

PI dos : 73.7906 8 de acción de control. 3.6384 volts. 32.98 lb-mollseg.

Valores de operación en las variables de proceso:

TRHO = 1464.7 OR TSSO = 1464.5 OR

5.22

.

Prueba No. 1

TIEMPO: OPERACION:

O Modo de operación manual wdmm (1) = 0.861882 Modo de operación manual w d m m (2) = 0.737906 ,


Condiciones iniciales de operación.

30 Una vez seleccionados los valores de operación en las

variables de proceso, hay una transferencia sin saltos a modo de operación automático.

60 Perturbación a TRHO durante 2 segundos con una

La variable de proceso TRHO tiende a 1511 OR (5.13 volts - fuera de escala); sin embargo, en dos segundos no alcanza este valor y llega a estabilizarse al 95 % de la referencia establecida en 60 segundos.

magnitud de 0.55 volts.


L o s resultados se muestran en las gráficas 5.18 (a,b,c,d,e,f).

Prueba NO. 2

TIEMPO: OPERACION:

O Modo de operación manual w d m m (1) = 0.861882 Modo de operación manual w d m m (2) = 0.737906


30 Transferencia a modo de operación automático Una vez seleccionados los valores de operación en las


60 Cambio de referencia a TRHO a 1470 R.

12 o Cambio de referencia a TRHO a 1460 R. Cambios de referencia en la variable de proceso TRHO. La

variable de proceso TSSO percibe el cambio de referencia, sin embargo, se mantiene en su referencia establecida.

200 control fuera Se lleva al sistema fuera de servicio.

5.23

Los resultados se muestran en las gráficas 5.19 (a, b, c, d, e, f) .

Prueba NO. 3

TIEMPO: OPERACION:

O Modo de operación manual wdmm (1) = 0.861882 Modo de operación manual wdmm (2) = 0.737906





60 Cambio de referencia a T880 a 1470 O R

12 o Cambio de referencia a TS80 a 1460 O R Cambios de referencia en la variable de proceso TSSO. La

variable de proceso TRHO percibe el cambio de referencia, sin embargo, se mantiene en su referencia establecida.


Los resultados se muestran en las gráficas 5.20 (a,b,c,d,e,f).

Prueba No. 4

TIEMPO: OPERACION:

O Modo de operación manual w d m m (1) = 0.861882 Modo de operación manual w d m m (2) = 0.737906





60 Cambio de referencia a TRHO a 1470 o R

120 cambio de referencia a TSSO a 1470 o R Cambios de referencia en las variables de proceso TRHO y TSSO;

Sin ambas variables de proceso perciben el cambio de referencia; embargo, en la variable de proceso que no se realiza el cambio,

5 . 2 4

-- --

se mantiene la referencia establecida.



5.4.5.1.- ABPECTOS DE ESCALA EN GRAFICAS DE REBULTADOB

Las unidades en el eje de las 8fx8f representan segundos. Las unidades en el eje de las fiyfl de las gráficas se muestran

con una escala de 1 a 5 volts, lo que representa la siguiente conversi6n a unidades de Ingenierfa:

Temperatura del vapor recalentado TRHO:

5.0 volts => 1500 O R. 1.0 volts => 1160 o R.

Temperatura del vapor sobrecalentado TSSO:

5.0 volts => 1500 o R. 1.0 volts => 1160 O R.

Inclinación de quemadores XGG:

5.0 volts => + 0.52 Rad. => 100% de acción de control =>

1.0 volts => - 0.52 Rad. => O % de acción de control =>

1.0 "en por unidad de la sena1 de control".

0.0 Iten por unidad de la señal de control".

Flujo de agua de atemperación WSY:

5.0 volts => 50 lb-mol/seg. => 100% de acción de control => 1.0 "en por unidad de la señal de control".

1.0 volts => O lb-mol/seg. => O % de acción de control => 0.0 "en por unidad de la señal de control".

La validación del "softwaref' se llevó a,cabo comparando las gráficas obtenidas con el controlador autosintonizable de la temperatura de vapor de una UTE [5.8], con las gráficas obtenidas en el simulador de procesos.

5.25

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Gráficas de resultados (Modelo de la zona de vapor) - Prueba No. 1 5.26

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igura 5.19 (f)

Gráficas de resultados (Modelo de la zona de vapor) - Prueba No. 2 5.27

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Gráf icas de r e s u l t a d o s (Modelo d e l a zona de vapor) - Prueba N o . 3

5 .28

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... -.. <- -. I nigura 5.21 ( f )

Gráficas de resultados (Modelo de ia zona de vapor) - Prueba No. 4 5.29

5 * 5 * - APLICACION AL SI8TEiáA DE CONTROL DE FLUJO DE AGUA DE UIMENTACION DE UNA UTE.

Una vez que se ha validado el sistema de control para el proceso de segundo orden como un sistema de una entrada - una salida y el sistema de control de temperaturas de vapor de una UTE como un sistema de dos entradas - dos salidas, se procede a validar un sistema de control implementado en configuración cascada.

Se presenta un modelo de una entrada - dos salidas; consiste en el modelo del flujo de agua de alimentación de una unidad termoeléctrica ', la entrada es la señal de control del controlador esclavo (AFV) y las salidas son las variables de proceso, flujo de agua de alimentación (WFW) y nivel en el domo (XDRW).

variable de proceso del flujo de agua de alimentación (WFW). Las perturbaciones se presentan aditivas a la salida de la

La figura 5.22 muestra el diagrama a bloques del sistema del flujo de agua de alimentación; el controlador PID esclavo ( P I D E) en lazo cerrado con el flujo de agua de alimentación (PROC 2) y perturbaciones presentes en el sistema (d), forman el lazo rápido o secundario y el controlador P I D maestro ( P I D M ) en lazo cerrado con el nivel en el domo (PROC 1), forman el lazo lento o primario.

DIAGRAMA A BLOQUES DEL CONTROL EN CASCADA

I (

Figura 5.22.- Diagrama a bloques para el control en cascada

La utilización de este modelo para validar el sistema de control, se debe a que forma parte de una UTE; se aplica el control con características industriales, se conocen las características y el comportamiento del modelo.

5.30

5.5.1.- FUNCIONES DE TRANSFERENCIA Y MODELADO DEL PROCESO

, Para la implementación de este modelo, se parte de las funciones de transferencia del domo contra apertura de la válvula (XDRW J AFV) y el flujo de agua de alimentación contra la apertura de válvula (WFW / AFV) [5.12].

En base a estas funciones de transferencia se implementa el modelo con una arquitectura de funciones independientes dentro de archivos físicos, agrupados por módulos [5.13], se desarrolló una interface gráfica, se implementó el control adecuado para una entrada - dos salidas y se llevó a cabo la etapa de pruebas.

Las funciones de transferencia y ecuaciones del modelo son las siguientes:

para nivel del domo con respecto a la apertura U e válvula:

En forma de función de transferencia:

Salida 1 (5.5) - G ( s ) = -

Entrada 159.3 S2

En forma de ecuación [5.13]:

ykn = 2.0 * yk-ln - 1.0 * yk-2n + 3.138732E-03 * uk-1 + 3.1387323-03 * uk-2; (5.6)

donde :

ykn, yk-ln, yk-2n:

uk-1, uk-2:

son las señales controladas o de salida.

son las variables de control.

Para el flujo de agua de alimentación con respecto a apertura de válvula:

En forma de función de transferencia:

Salida 890.9

Entrada S G ( s ) = = (5.7)

En forma de ecuación [5.13]:

ykf = 1.0 * yk-lf + 890.9 * uk-1; (5.8)

5.31

donde :

ykf, yk-if: son las señales controladas o de salida.

uk-1 : es la variable de control.

El modelo programado cuenta con un actuador en la entrada y un transductor en la salida [5.13], de modo que se puedan adquirir y enviar señales de voltaje, manejar unidades de Ingenierfa y valores normalizados en la evaluación de las ecuaciones del modelo.


La figura 5.23 muestra el diagrama de la implementación ffsica del control en lazo cerrado con el modelo del flujo de agua de alimentación (una entrada - dos salidas).

DIAQRAMA DETALLADO DEL MODELO Y CONTROLENCASCADA

Figura 5.23.- Diagrama de implementación física para el control del flujo de agua de alimentación

El control está implementado en el sistema /.bMAC-6000; consiste de dos Controladores PI en configuración cascada (en serie); el controlador PI maestro con una referencia asignada y el controlador PI esclavo con una referencia igual con la seña de control del PI maestro para el control del modelo del flujo de agua de alimentación; se muestran los canales de entrada y salida de los controladores y la conversión del módulo de corriente a unidades compatibles con el modelo.

5.32

El modelo está implementado en una computadora personal con la tarjeta RTI - 815 con canales de entrada 1 salida, analógicos y digitales; maneja un intervalo de valores entre ? 10 volts, cuenta Con rutinas para leer la señal de Control en el canal de entrada y depositar las variables de proceso evaluadas en los canales de salida.

Las perturbaciones en el sistema están implementadas a la salida de la variable de proceso del flujo de agua de alimentación. (WFW). Físicamente, consiste de una fuente de voltaje externa de O a 5 volts, la cual suma un valor de voltaje ajustado en la fuente a la lectura de la variable de proceso. De este modo, el controlador PI lee una señal alterada en el canal de lectura y actuará para corregir la perturbación.

En la figura 5 . 2 4 se muestra el esquema para el control del flujo de agua de alimentación; los parámetros de los controladores y constantes se obtuvieron del modelado del flujo de agua de alimentación [5.11].

Fiqura 5.24.- Control del f l u j o de agua de al-imentación

5.33

5.5.3. - OBJETIVO DE CONTROL

. El objetivo de control que se persigue en las pruebas del sistema de una entrada - dos salidas, consiste en controlar la variable de proceso del flujo de agua de alimentación ante perturbaciones presentes en el sistema (lazo ráDid0). ver f in i i rn

~

2 - - - , . ~- - - 5.22, de modo que cualquier perturbación 'que afec^te al flujo, será absorbida por este lazo y se correairá antes aue el nivel an 01

~ - ~- -- -1. -- domo se vea afectado, es decir, la iariable de proceso de nivel en el domo (lazo lento), no percibirá que hubo perturbación presente en el sistema [5.14].

5.5.4.- SINTONIZACION DE LOS PARAUETROS DEL CONTROLADOR

La sintonización de los parámetros de los controladores PI se llevó a cabo a prueba y error conforme a las caracterlsticas en el modelo implementado como se describe en t5.111.

Los parámetros para el controlador PI maestro. son:

up = 3.00; Ti = 60.00

Los parámetros para el cont.rolador PI esclavo, son:

Kp = 0 . 3 0 ; Ti = 120.0

con los cuales se realizaron las pruebas.

5.5.5.- ANALISIS Y GRAFICAS DE RESULTADOS

Se realizan operaciones para cambios en el valor deseado en modo manual en el controlador esclavo y se simulan perturbaciones en el sistema.

Se describe la realización de tres pruebas y se muestran seis gráficas para cada una de ellas.

ai Referencia de la variable de proceso que se retroalimenta - I ~

con el PID maestro (XDRW) b) Referencia de la variable de proceso que SP retroalimenta

con el FID esclavo [WFW); e s igual con la señal de control del pid maestro (gráficas "b" y "ei')

c) ;rariable de proceso uno (XDRW) d ) Variable de proceso dos (WFW) e) Sena1 de control del Pi maestro f) Señal de control del PI esciavo (AFV)

5 . 1 4

Condiciones iniciales de operación:

PI maestro: 0.0 % de acción de control.

PI esclavo: 5 7 . 3 1 5 7 6 % de acción de control. 2 . 8 6 5 7 8 8 volts. 0 . 4 6 6 4 4 7 pulgadas.

Valores de operación en las variables de proceso:

XDRW = - 0 . 7 6 7 E-O3 pulgadas. WFW = 3 1 5 . 0 lbs/seg.

Prueba No. 1

TIEMPO: OPERACION :

O Modo de operación manual w d m m (e) = 0.5731576 Modo de operación manual w d m m (m) = 0 . 0


10 Cambio en el valor deseado en modo manual wdmm (e) = 0 . 6 Cambio en el valor deseado en modo manual en el controlador

esclavo a 3 volts o 0 . 5 pulgadas en la apertura de la válvula; la variable de proceso del flujo de agua de alimentación llega a estabilizarse en 900 segundos, sin embargo, la variable de proceso del nivel en el domo, se mantiene en su referencia asignada.

30 Transferencia del controlador esclavo a modo automático

5 0 Transferencia del controlador esclavo a modo cascada

70 Transferencia del controlador maestro a modo automático Transferencia sin saltos entre modos de operación para llevar

al sistema a operar totalmente automático y en cascada.


Los resultados se muestran en las gráficas 5 . 2 4 (a,b,c,d,e,f).

Prueba No. 2

TIEHPO: OPERACION:

o Modo de operación manual wdmm (e) = 0 .5731576

5 . 3 5

Modo de operación manual w d m m (m) = 0 .0 Condiciones iniciales de operación.


40 Transferencia del controlador esclavo a modo cascada


90 Transferencia del controlador maestro a modo manual


130 Transferencia del controlador esclavo a modo manual Transferencia entre modos de operación para llevar al sistema

a operar totalmente en modo manual; se lleva a cabo la secuencia inversa para llevar al sistema a operar en automático y cascada, hay transferencia sin saltos al cambio entre modos de operación.


140 control fuera aj Se lleva al sistema fuera de servicio.


Prueba No. 3

TIEMPO: OPERACION:

O Modo de operación manual w U m m (e) = 0.5731576 Modo de operación manual w d m m (m) = 0.0



20 Transferencia del controlador esclavo a modo cascada



50 Perturbación presente La perturbación se llevó a cabo al hacer que el controlador

esclavo leyera una señal errónea en su canal de entrada durante 15 segundos, es decir, se abrió el lazo y no se tomo en cuenta el valor de la variable de proceso del flujo durante ese tiempo, llega a estabilizarse en 650 segundos, sin embargo, la variable de proceso del nivel en el domo se mantiene en la referencia asignada.

5.36

2 0 0 Control fuera Se lleva al sistema fuera de servicio.


5.5.5.1.- ASPECTOS DE ESCALA EN GRAFICAS DE RESULTADOS:

Las unidades en el eje de las "x" representan segundos.

Las unidades en el eje de las iiyl' de las gráficas se muestran con una escala de - 5 a + 5 volts , lo que representa la siguiente conversión a unidades de Ingeniería:

Nivel en el domo XDRW:

5.0 volts => 30.0 pulgadas. 1.0 volts => - 8.0 pulgadas.

Flujo de agua de alimentación WFW:

5.0 volts => 6 9 4 . 4 4 lbsfseg. 1.0 volts => 0.0 lbsfseg.

Apertura de la válvula AFV:

5.0 volts => 1.0 pulgadas -> 100% de acción de control => 1.0 "en por unidad de la señal de control".

1.0 volts => 0.0 pulgadas => 0% de acción de control => 0.0 "en por unidad de la señal de control".

La suma algebraica de la presión presente y la suma de todos los flujos [5.13], lleva a la variable de proceso del controlador esclavo a un valor negativo, el cual es compensado con una referencia negativa (valor de polarización en configuración cascada, [3.21).

La validaciGn del "software" se llevó a cabo comparando 10 esperado del objetivo de control, con las gráticas obtenidas en c i simulador de procesos.

5.37

FLUJO DE A m A DE >uiIYBNTACXOU ......-. . -

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Gráficas de resultados (Modelo del nivel del domo) - Prueba No. 1

5.38

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Gráficas de resultados (Modelo d e l n i v e l d e l domo) - Prueba No. 2

5 . 3 9

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Gráficas de resultados (Modelo del

5.40

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nivel del domo) - Prueba No. 3

574 1

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igura 5.27 (f)

Gráficas de resultados (Modelo del nivel del domo) - Prueba No. 3

5.40

5.6.- REFERENCIAS

[5.9]

[5.10]

(5.111

Bourguet D., Rafael E., Simulador de una planta de segundo orden 'I, documento interno, IIE, Departamento de Simulación, Cuernavaca, Mor., Mex., 1989.

Nieto C., José Juan, 'I Simulador de una planta de segundo orden, documento de diseño del simulador de procesos ' 1 ,

documento interno IIE125/2623/11/F, IIE, Departamento de Automatización de Procesos, Cuernavaca, Mor., Mex., Junio de 1991.

Dorf, Richard C., I' Sistemas Automáticos de Control, Teoría y práctica 'I, Fondo Educativo Interamericano,

Ziegler, J. G. and Nichols, N. B., *I Optimum settings for automatic controllers It. Trans. ACME. 64. 759-768, 1942.

Bourguet D., Roberto, Sintonización de los sistema de los modelos de control de la central nucleoeléctrica de Laguna verde *I, tesis de licenciatura, IIE - Instituto Tecnológico de la Laguna, Torreón, Coah., México, Junio de 1988.

Katsuhiko Ogata, l1 Ingeniería de control moderna ' I ,

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Ricaño C., J. Manuel y D. Palomares G., I' Modelado e identificación para control autoajustable de procesos de generación", Boletín IIE, vol. 13 No. 5 , Septiembre 1 Octubre de 1989.

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S.A., 1978, pp. 96 - 104.

5.41

r5.121 Vargas V., F. de J., "Análisis de los lazos de regulación de una central termoeléctrica por medio de los métodos de respuesta en frecuencia", tesis de licenciatu-, IIE- Universidad Veracruzana, H. Veracruz, Ver., Mex.,1987.

[5.13] Nieto C., José Juan, *I Simulador del flujo de aguat de alimentación de una unidad termoeléctrica (UTE), documento de diseño del simulador de procesos 'I,

documento interno IIE/25/2623/11/F, IIE, Departamento de Automatización de Procesos, Cuernavaca, Mor., Mex., Junio de 1991.

[5.14] Control en cascada (1): fundamentos 'I, Automática Instrumentación, No. 209, Enero de 1991.

5.42

C A P I T U L O S E I S

CONCLUSIONES

La culminación de un trabajo es satisfactoria al comparar los objetivos trazados en la etapa de especificaciones con los obtenidos finalmente en la etapa de resultados.

Ha quedado diseñado e implementado el sistema de control basado en controladores PID's dentro del subsictema controlador, a un nivel jerárquico inferior en el controlador autosoportado (CAT).

Se realizaron pruebas con el sistema implementado y se comprobó que cuenta con las siguientes características:

a) La supervisión y control del sistema se llevó a cabo desde la estación supervisor; se realiza el cambio de parámetros y transferencia sin saltos entre los modos de operación en los controladores del sistema, por medio del teclado de una computadora personal.

b) Los controladores en el subsistema controlador tienen un comportamiento autosoportado, es decir, tienen capacidad para funcionar a causa de falla o paro en la estación supervisor, como se comprobó en el laboratorio al deshabilitar las computadoras de la estación supervisor y del simulador de procesos.

c) La arquitectura que se maneja en "software", tanto en el controlador como en la implementación de modelos, da flexibilidad para desarrollo, aplicación y mantenimiento; permite cambios sencillos al configurar ya sea un sistema multivariable o un sistema en configuración cascada; el sistema f iYJC-6000 permite evaluar hasta 8 lazos de control sencillos.

d) Se llevó a cabo una sintonización de los parámetros del controlador en línea con el proceso; esta operación se llevó a cabo en la etapa final al cambiar cie un controlador proporcional integral derivativo (PID) a tin controlador proporcional ( P ) y viceversa. El controlador se comportó como un controlador "todo o nada" sin presentar el problema de

6.1

saturación.

e) La aplicación del control a modelos de UTE comprueba el buen funcionamiento del control con características industriales y el comportamiento de los modelos, lo cual es de pleno interas en el Grupo de Control Aplicado no Convencional.

La aportación de este trabajo pionero dentro del IIE, en lo que se refiere a la implementación de algoritmos de control en un microprocesador comercial bajo un esquema de control autosoportado, es la base para formar una biblioteca de algoritmos de control para la automatización de procesos. Se deja un especializado en control con una arquitectura flexible para restructuración y mantenimiento, y con capacidad para implementar diferentes algoritmos de control.

Además, se deja la programación en PC de los modelos simplificados de la zona de vapor y agua de alimentación de una unidad termoeléctrica de 300 Mw., acondicionados con el manejo de tarjetas de entrada- salida iRTI-815), que permiten la interacción con el exterior.

Se mencionan algunos comentarios al final del cada capítulo, sin embargo, en las etapas de diseño e integración del sistema de control, capítulos tres y cuatro, se transmite la idea del "saber como** lo referente al diseño, implementación e integración de este tipo de sistemas de control.

Las funciones realizadas en el sistema de control basado en controladores PID's, integrado con la estación supervisor, son similares a los controladores industriales y está a la altura para los programas de modernización en la industria, debido a la arquitectura configurada de control en red.

La metodología y el diseño generados por este trabajo están siendo empleados por el Grupo de Control en un proyecto de transferencia a la línea SAC (Sistema de Adquisición y Control) del IIE.

Se cuenta con un diskette tanto en el Departamento de Automatización de procesos del IIE, como en el CENIDET, con el usoftware** desarrollado tanto para el sistema de control, como para la implementación de cada uno de los modelos aplicados.

Finalmente, los algoritmos de control implementados en el microprocesador comercial (pMAC-6000), permitirán al CAT desarrollarse e implementarse en áreas donde sea necesario resolver problemas en:

./

6.2

a) Automatización total de procesos.

b) Control de procesos en tanda, combinación entre control analógico y control secuencia1 para el control de procesos.

c) Control de procesos con algoritmos no convencionales.

d) Simulación de procesos y sistemas de control.

6.3

APENDICE A

PROCEDIMIENTOS DE COMPILACION Y LIGADO

DE SOFTWARE EN DESARROLLO

Una vez que ha sido desarrollado el "software" en lenguaje de programación C, debe ser localizado en el sistema pMAC-6000 por medio del compilador de lenguaje C, AZTEC C86; a continuación se presentan los pasos a seguir: I

1.- Establecer el medio ambiente,

c> AZTEC código de usuario

donde: código de usuario son las iniciales del nombre del usuario; establecido en la vía de usuarios del sistema.

2.- Edición

> ZEDT nombre archivo - donde: nombre archivo es el nombre del archivo (sin extensión)

a ser editado. Se ejecuta después de establecer el medio ambiente y puede omitirse en la secuencia de pasos. Con este comando se llama al editor de Turbo C (versión 2 . 0 ) .

I1

3 . - Conp i lado > ZCOMP nombre archivo

donde: nombre - archivo es el nombre del archivo (sin extenciór.) a ser compilado. Se ejecuta después de establecer el medio

-

, ambiente.

4.- Ligado

> ZRAM nombre archivo

donde: nombre-archivo es el nombre del archivo (sin extensión)

-

a ser ligado. Se ejecuta después de haber sido compilado.

?.. 1

5.- Habilitacibn en la comunicación

> kormit

Establece el archivo ejecutable como protocolo de comunicación y actúa como recibidor en el sistema pMAC-6000 [ 4 . 3 ] .

6.- Habilitacibn en el sistema pMAC-6000

> Umuo

Esta instrucción habilita la operación del coprocesador matemático y las librerías, con funciones de entrada 1 salida disponibles en lenguaje de programación C [ 4 . 3 ] .

7 . - Transferencia de software en el sistema pMAC-6000

% Load nombra-arohivo

donde: nombre-archivo es el nombre del archivo (sin extensión) a cargar el sistema pMAC-6000; se crea el programa ejecutable.

8.- Corrida del programa cargado

> run

Da como resultado la corrida del programa cargado en el paso anterior; la forma de abortarlo es por medio de la instrucción cm.,-c.

En el sistema /~MAC-6000 pueden estar presentes el compilado y ligado de varios programas, sin embargo, s610 corre el último 8tsoftware cargado.

\

A. 2

APENDICE B

ESPECIFICACIONES Y CARACTERISTICAS DEL

CONTROLADOR UNIVERSAL PMAC-6000

6 . i

.I

,... , . - I:.

I I, ,111. .U

I

s.e.p. s.e.i.t. d.g.i.t

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