Unidad 2. Controladores PID ParteIII

5/26/2018 Unidad 2. Controladores PID ParteIII

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D. Sez, EL42D (2006). Dpto. Ing. Elctrica, U. Chile. 1

ASPECTOS PRCTICOSDE IMPLEMENTACIN EN TIEMPO REAL

La tendencia actual es utilizar ms control digital que controladoresanalgicos, debido a la disponibilidad de computadores a bajo costo.

La seal de salida del proceso y(t) es continua. Esta seal es convertida auna seal digital a travs del conversor anlogo-digital A-D. La conversinse realiza a un tiempo de muestreo tk. El computador interpreta la seal{y(tk)} como una secuencia, procesando las mediciones a travs de unalgoritmo de control y entregando una nueva secuencia {u(tk)}. Estasecuencia es convertida a un seal analgica por el conversor digital-

anlogo D-A El reloj permite sincronizar el funcionamiento del sistema.

AlgoritmoControlador

D-AD-AA-D Proceso

Clock

{y(tk)} {u(tk)}

u(t) y(t)

Computador

AlgoritmoControlador

D-AD-AA-D Proceso

Clock

D-AD-AA-D Proceso

Clock

{y(tk)} {u(tk)}

u(t) y(t)

Computador


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Tipos a seales:

Seal anlogo Seal cuantificada Seal muestreadao continua continua

Muestreo de procesos o discretizacin

El muestreo de una seal continua remplaza la seal original por unasecuencia de valores en puntos discretos.

El proceso de muestreo es generalmente seguido por un proceso de

cuantificacin. En el proceso de cuantificacin la seal maestreada esreemplazada por una amplitud digital (representada por un nmero

binario).

La seal digital alimenta al computador. La salida del computador esdigital y alimenta a un retenedor. La salida del retenedor es una sealcontinua que alimenta al actuador.


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ELEMENTOS BSICOS DEL SISTEMA DE CONTROL DIGITAL

Muestreador retenedor: Circuito que recibe una seal analgica y mantieneest seal constante por un periodo de tiempo especfico.

Conversor anlogo/digital (A/D): Aparato que convierte una sealanalgica en una seal digital (numero binario).

El muestreador-retenedor es usualmente parte de conversor A/D.

Conversor digital/anlogo (D/A): aparato que convierte la seal digital(serial codificada binaria) a una seal analgica.

Transductor: Convierte una seal de entrada en una seal de salida de otraforma. Por ejemplo, convierte una seal de presin (atm) a una seal devoltaje (volts).

Existen transductores continuos y discretos.

TIPOS DE MUESTREO

Muestreo peridico: tk= kT (k = 0,1,2,3,....)

Los instantes de muestreo son equidistantes.

Muestreo con mltiple periodo:

Diferentes lazos en un sistema de control pueden tener distintas constantesde tiempo. Por lo tanto, se puede requerir distintos periodos de muestreo.


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MUESTREO DE SEALES CONTINUAS

Teorema de Shanon

Una seal continua con transformada de Fourier que es cero fuera delintervalo (-0,0) est dada nicamente por sus valores en puntosequidistantes si la frecuencia es mayor que 20.

La seal continua se puede reproducir por la seal muestreada a travs dela siguiente expresin:

( )

=

2/)kht(

2/)kht(sin)kh(f)t(f

s

s

donde ses la frecuencia de muestreo.

Por lo tanto, el tiempo de muestreo debe cumplir

0s2


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Reconstruccin de una seal continua

La inversin de la operacin de muestreo es la conversin de la seal f(tk)a una funcin continua f(t).

Mantenedor de orden cero

1kkk tt t)t(f)t(f +=

Mantenedores de ordenes mayores

Para funciones suaves, es posible obtener errores de reconstruccinmenores a travs de la extrapolacin con polinomios de mayor orden. Unaextrapolacin de primer orden esta dada por:

( ) 1kk1kk1kk

kk ttt)t(f)t(ftt tt)t(f)t(f ++=

timet0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7


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De esta manera, la reconstruccin se realiza dibujando una lnea entre lasmuestras ms recientes.

Mantenedor predictivo de primer orden

Para evitar las discontinuidades obtenidos por los mantenedores anteriores,se plantea el mantenedor predictivo.

Se obtiene una interpolacin de los datos muestreados a travs de lasiguiente expresin:

( ) 1kkk1kk1k

kk ttt)t(f)t(ftt

tt)t(f)t(f ++

+

+=




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Instrumentacin y automatizacin industrial

Beneficios econmicos por la inclusin del control automtico al procesoindustrializado:

- Mejoramiento calidad del producto.- Disminucin consumo de insumos.- Mejoramiento de supervisin y administracin del proceso.

Definicin de sistema de automatizacin

Conjunto de herramientas de software, hardware y comunica queinteractan con el proceso y que permiten alcanzar los objetivos de laexploracin tales como los niveles de operacin o transferencias adecuadaentre estados a pesar de influencias externas que afectan sucomportamientos.

Objetivos de sistema de automatizacin

- Beneficio econmico.- Calidad del producto: Menor varianza, mayor pureza, menos

rechazos.- Seguridad del personal y medio ambiente: menos accidentes, menor

contaminacin.- Eficacia: persecucin de objetivo especifico. Ej. Defensa.


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SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL

Esquemas de control

a) Control digital directo (DDC): Se reemplazan los controladoresanlogos de planta por un sistema de control centralizado usandoalgoritmos de control digital

b) Sistema de control distribuido (DCS Distributed Control System). Sedefine como una red de computadores integrados de controladores

microprocesadores y equipos de comunicaciones para el control deprocesos y supervisin.

c) Sistema SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition). Sedefine como un sistema de control supervisor y adquisicin de datosque usa un red de computadores para control y comunicarse,remotamente, con sistemas de produccin autnomos.


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Arquitecturas DCS

a) Arquitectura centralizada. En este caso, una sola unidad decomputacin, que puede ser remota para mantener el proceso bajocontrol. Esta unidad realiza las tareas a alto nivel como adquisicinde datos en tiempo real y monitoreo, anlisis de informacin yadministracin de la informacin.

Figura 1. Arquitectura de control centralizada.


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b) Arquitectura distribuida. La tecnologa descentralizada o distribuidareparte las tareas de control entre computadores comunicadas

eficientemente entre si.


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Sistema de DCS de la Central Temoelctrica Nueva Renca


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Tecnologa de sistema de control distribuidos

Los DCS son comnmente aplicado a un sistema de control de plantaamplio de procesadores distribuidos, perifricos operacionales,microcomputadores junto con un sistema de comunicacin en red entiempo real.

En la figura se muestra un estructura tpica de DCS.

Las funciones bsicas se puede clasificar en los siguientes grupos:

Funciones de control primarias: Estas estn relacionadas con el controldirecto de subprocesos en un nivel local. Estas funciones incluyencontrol realimentado, control prealimentado, control inferencial, controlen cascada, etc.


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Funciones de control secundarias. Estas estn relacionadas con nivelesaltos de jerarqua. Estas funciones consideran las tareas de supervisin,

monitorizacin, administracin, manutencin y optimizacin. Ejemplos:Status indicador, alarma, registro, rutinas de optimizacin, partida ydetencin.

Mdulos funcionales genricos

Mdulos entrada/salida, Bus entrada/salida, Mdulos de control,Mdulos de comunicacin, Data highway, Mdulos de interfaz de

usuario, Software DCS.


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ELEMENTOS DE UN LAZO CONTROL

Elementos sensores. Ejemplos: sensor de nivel, temperatura, etc.

Elementos actuadores. Ejemplos vlvulas, motores, etc.

Elementos de comunicacin. Ejemplos: caeras neumticas, cableselctricos, etc.

Conversores y adaptadores. Ejemplos conversores A/D, adaptadores P/I,etc.

Controladores. Ejemplo: controlador PID digital.

r(t)

PID D/A Actuador Procesoy

A/D SensorTransmisor

I/R


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Influencia de elementos del lazo de control en el comportamiento globaldel sistema realimentado

Para un rgimen esttico, se tiene:

( )'' cRFFc pc =

TFF

FF

R

c

pc

pc =+

=

1

'

Como 0'= cRE en un sistema con controlador aceptable.

0RE (Accin integral)

Luego, la influencia de variacin de un parmetro cualquiera k sobre lasalida c es:

RTc *'=

kk

TRcT

R

c

== ''

r e

Fcy y Planta

Fpc

Sensor

Controlador Actuador


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Porcentualmente:

Tk

kT

TR

kkTR

c

c

=

=

'

'

Por lo tanto, para una variacin en la planta se tiene:

p

p

FR

FE

c

c

=

'

'Si hay un buen PI 0R

E

Para otros elementos se tiene:

c

c

FR

FE

c

c

=

'

'

=

R

E

c

c

'

'

=

R

E

c

c1

'

'

Luego un error porcentual en los elementos sensor-transmisor (k) afectaren la misma proporcin a la salida c.

Por el contrario, errores porcentuales en controladores, actuadores o plantatienen poca influencia en la salida. (rgimen esttico).

CONTROLARS CUAN BIEN PUEDAS MEDIR


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Controladores Lgicos Programables (PLC)

Los controladores lgicos programables o PLC (Programmable LogicController), en ingls, son dispositivos electrnicos muy usados enautomatizacin industrial.

Su historia se remonta a fines de la dcada de 1960, cuando la industriabusc en las nuevas tecnologas electrnicas una solucin ms eficientepara reemplazar los sistemas de control basados en circuitos elctricos conrels, interruptores y otros componentes comnmente utilizados para el

control de los sistemas de lgica combinacional.

Hoy en dia, los PLC's no slo controlan la lgica de funcionamiento demquinas, plantas y procesos industriales, sino que tambin pueden realizaroperaciones aritmticas, manejar seales analgicas para realizarestrategias de control, tales como controladores PID (Proporcional Integraly Derivativo).

Los PLC's actuales pueden comunicarse con otros controladores ycomputadoras en redes de rea local, y son una parte fundamental de losmodernos sistemas de control distribuido.

Un PLC es un dispositivo que tiene un cierto nmero de entradas y salidas,analgicas y/o digitales, que le permiten comunicarse con el mundoexterior.

Tienen capacidad de tomar decisiones en base a reglas programadas,

almacenar datos, generar ciclos de tiempo y ejecutar clculos aritmticos,entre otras operaciones.


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Estructura bsica de un PLC.

Un PLC se divide funcionalmente en 4 unidades.

Unidad de entradas:

Proporciona el aislamiento elctrico necesario y realiza elacondicionamiento de las seales de voltaje. Las seales se adecuan a losniveles lgicos de voltaje de la unidad lgica.

Unidad de salidas:

Acepta las seales lgicas provenientes de la unidad lgicas en los rangosde voltaje que le son propios.

Unidad Lgica:

Es el corazn del PLC basada en un microprocesador. Ejecuta lasinstrucciones programadas en memoria, para desarrollar los esquemas decontrol lgico que se especifican.

Memoria

Unidadde

EntradaUnidad Lgica

Unidadde

Salidas

Sealesal

Proceso


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Memoria:

Almacena el cdigo de mensajes o instrucciones que ejecuta la unidadlgica. La memoria se divide en PROM o ROM y RAM. Por medio deellos, se puede utilizar un PLC en diferentes procesos sin necesidad dereordenar o transformar el equipo; slo se debe modificar el programa.

Ejemplos

DL05 Micro PLC Control Products

Our smallest PLC offers six I/O combinations of AC, DC, and relay I/O,and advanced programming functions such as PID and drum sequencing.

The DL05 also features:

Eight inputs and six outputs, expandable to 30 I/O total 2 K program memory 4 K data memory Two communication ports Supports networking for MODBUS RTU master/slave, a DeviceNET

slave option module, and an Ethernet option module

129 instructions, including four PID* loops Removable terminal block Windows-based programming software (order DirectSOFT product

separately) One option card slot accepts discrete, analog I/O, high-speed

counting/ pulse output and communication modules.


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DL205 modular PLC

If your application requires the flexibility of a modular control system, aDL205 PLC is the lowest cost, most versatile solution you'll find. In fact,all you need to do is pick out a CPU, plug it in the first slot of the base you

choose, and then mix and match various modules into the available slots.The DL205 features:

Four base sizes with built-in power supply, including 12/ 24 VDC,110/ 220 VAC and 125 VDC power sources.

AC/DC discrete in/out, up to 32 points 10 A relay out 12-bit and 16-bit analog inputs and outputs

Temperature inputs Data communications, including serial and Ethernet modules Counter input/ pulse output Remote I/O master and slave, Ethernet and serial remote I/O


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Diagrama P&ID (Pipeline & Instrumentation Diagram)

Identificacin del instrumento:

A2TRC

Tres primeras letras: Identificacin funcional del dispositivo.Dos ltimas letras: Identificacin del lugar fsico o lazos.

1 letra: Variable medida o controlada. Ejemplo: T sensor temperatura.

2 y 3 letras: Funciones del elemento en cuestin: Ejemplo R: Registradory C: Controlador.

4 y 5 letras: Ejemplo: Lazo 2 y A indica primero de otros elementos delmismo lazo.


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1

KC

: Controlador de tiempo asociado al lazo de control nmero 1 (set-point).

1

TRC : Registrador y controlador de temperatura asociado al lazo de

control 1.

1TT

: Transmisor de temperatura asociado al lazo 1.

2

LR : Registrador de nivel del estanque asociado al lazo de control 2.

2

LT : Transmisor del nivel de estanque asociado al lazo 2.

3

LR : Registrador de nivel asociado al lazo 3.

3

LT : Transmisor de nivel asociado al lazo 3.

4

TRC

: Registrador y controlador de temperatura asociado al lazo 4.

4

TT : Transmisor de temperatura asociado al lazo 4.


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Los crculos que llevan una raya horizontal al medio indican que elinstrumento esta montado en el panel. Sino, quiere decir que el instrumento

se haya en el lugar mismo en que se hace la medicin.

Las lneas llenas indican lneas del proceso.

Las lneas Trasmisin hidrulica.

Las lneas indican transmisin de seales.Las lneas indican transmisin de seales neumticas.

: Vlvulas.

: Bombas.


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