INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS CD. JUÁREZ INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE CONTROL PRÁCTICA 9 METODOLOGÍA INTEGRAL PARA AUTOMATIZAR UN LAZO DE CONTROL Rosa Elia Chacón Diana Delgado Carlos Hernández Objetivos: • Conocer el procedimiento para automatizar un lazo de control PID de un proceso • Investigación acerca de las soluciones comerciales al control de nivel en diferentes compañías de automatización (Elementos de medición y acción final comunes). Fundamentación teórica: Esta práctica es la integración de todas las prácticas anteriores y plantea al estudiante que sintetice y reúna en una metodología todo el procedimiento que aprendió para automatizar un proceso real. Desarrollo de la práctica: 1) El alumno integrará y propondrá un reporte integral. Propuesta y metodología para hacer el control PID real Esta práctica engloba lo visto en el semestre y es una especie de síntesis de todos los conocimientos adquiridos. A lo largo de la práctica se describirán los pasos a seguir para la implementación de un sistema de control para una planta dada, más específicamente una planta de nivel. METODOLOGÍA 1. Descripción de la planta En este paso se estudia la planta, definiendo su funcionamiento, los parámetros a controlar y el tipo que de señales que se utilizarán. 2. Definición de los componentes del sistema Una vez que hemos identificado el proceso a controlar necesitamos proponer elementos de acción final, medidores e identificar las perturbaciones del sistema. 3. Tipo de lazo de control a implementar De acuerdo a las necesidades y capacidades que nos presenta el sistema identificado, proponemos qué tipo de lazo utilizaremos, puede ser: lazo abierto, lazo cerrado, cascada y antealimentado. 4. Construir el diagrama de bloques De acuerdo a todos los parámetros definidos anteriormente se realizará el diagrama de bloques proponiendo el elemento o componente real que se va a utilizar para cada bloque. 5. Realización del diagrama ISA En el paso anterior se definió cada elemento necesario para el sistema, ahora vamos a colocarlos en un diagrama utilizando la simbología ISA, esto para estandarizar el proceso y que el funcionamiento sea más claro para cualquier persona ajena a él. En este paso aún no sabemos qué elemento de acción final o qué medidores utilizaremos pero si sabemos si son de flujo, nivel, temperatura, etc. 6. Búsqueda de componentes A continuación se realiza una búsqueda entre los principales proveedores comparando precios, funcionalidad, tamaño, adaptación y alimentación. Se elige el instrumento óptimo para cada función del proceso tomando en cuenta la comparación anterior y las características requeridas para nuestro proceso. 7. Identificación de la planta Para este paso la planta ya esta construida físicamente y operan todos los componentes exceptuando al controlador. Se pone a funcionar el proceso y se obtiene la respuesta transitoria a una entrada escalón para obtener la función de transferencia del sistema. Para modelar el sistema se debe analizar la gráfica de la respuesta obtenida y aproximar el sistema a primer o segundo orden según sea el caso. Para modelarlo como un proceso de primer orden se encuentra la Tau gráficamente obteniendo la pendiente de la línea que parte del origen y llega a la unidad cuando la señal se encuentra en el 63.2% de su valor final, a partir de este valor se obtiene la función de transferencia tomando en cuenta los retardos de tiempo y el desfase ocasionado por el punto de inicio. Si el sistema se va a modelar como un proceso de segundo orden, primero se define si es subamortiguado, críticamente amortiguado o sobreamortiguado viendo la gráfica de la respuesta. Después de encuentran los parámetros n y , utilizando una gráfica experimental y los tiempos en los que se alcanza el 20% y el 60% del valor final. Con los parámetros anteriores se propone la función de transferencia del proceso. 8. Sintonización del controlador Se deben ajustar los parámetros de controlador para obtener la respuesta deseada en la planta. Existen diversos métodos de sintonía para los controladores, entre los que se encuentran: prueba y error, los propuestos por Ziegler & Nichols, los criterios integrales y la opción de autosintonía (autotune) del controlador, si este la posee. Cuando se obtienen los parámetros con cada método se deben comparar las respectivas respuestas y utilizar la que mejor se adapte a las necesidades, se recomienda simular el sistema en MATLAB utilizando la herramienta Simulink para que estas pruebas sean más simples. Una vez que se ha elegido el tipo de controlador y los parámetros a utilizar se realizan pruebas con el controlador real y los valores obtenidos para hacer un ajuste fino, ya que ningún método proporciona alta exactitud en la sintonización. 9. Análisis de estabilidad Para asegurar la estabilidad del sistema proponemos realizar el lugar geométrico de las raíces y así saber si el sistema es estable en todo momento o si existen ganancias críticas que al sobrepasarlas nuestro sistema se vuelve inestable. Si no se está seguro respecto al controlador a utilizar (quedó alguna duda en el paso anterior) se pueden comparar los diagramas para observar las respuestas y tener más fundamentos al realizar la decisión. Para simplificar este paso se puede utilizar la herramienta MATLAB y no habrá necesidad de hacer el procedimiento analíticamente. 10. Respuesta a la frecuencia Proponemos realizar un análisis de la respuesta en frecuencia y construir los diagramas de Bode y Nyquist para así encontrar los márgenes de ganancia y frecuencia, además de observar la estabilidad del sistema. Se puede utilizar el programa MATLAB para realizar este análisis con mayor precisión. 11. Metodologías para realizar un control más preciso Si el control no es preciso o se quiere mejorar su funcionamiento podemos implementar estrategias de control más avanzadas tales como el control antealimentado y el control en cascada. Es importante recalcar que el costo de instalación puede aumentar debido a los medidores que se tienen que agregar y a las funciones extras requeridas en el controlador, por lo que se recomienda analizar bien si es necesario hacer estos cambios. Los pasos propuestos en nuestra metodología son una guía rápida del proceso a seguir. Si se requiere de una explicación más profunda en algún punto es recomendable referirse a las prácticas anteriores: Práctica Práctica # 1 Práctica # 2 Práctica # 3 Práctica # 4 Práctica # 5 Práctica # 6 Práctica # 7 Práctica # 8 Paso en la Metodología Descripción de la planta Definición de los componentes del sistema Tipo de lazo de control a implementar Construir el diagrama de flujo Realización del diagrama ISA Identificación de la planta Sintonización del controlador Análisis de estabilidad Respuesta a la frecuencia Identificación de la planta Identificación de la planta Sintonización del controlador Análisis de estabilidad Respuesta a la frecuencia Tipo de lazo de control a implementar Metodologías para realizar un control mas preciso SOLUCIONES COMERCIALES AL CONTROL DE NIVEL Medidores de presión diferencial y caudal SAMSON Aparato destinado a la medición e indicación de presión diferencial o magnitudes de medición derivadas de ella. Para gases y líquidos Márgenes de medición de 0 ... 40 hasta 0 ... 4000 mbar1) Presiones estáticas hasta 40 bar. Sobre demanda con dos contactos final de carrera inductivos. Funciones: Mediciones de nivel de líquidos en depósitos a presión, especialmente para gases criogénicos licuados. Medición de presión diferencial entre el tramo primario y el retorno. Mediciones de caída de presión en válvulas y filtros. Mediciones de caudal según el sistema de presión diferencial. Características: Adecuados para líquidos, gases y vapores. Facilidad para equiparlos posteriormente con contactos final de carrera. Posibilidad de sobrecargarlos unilateralmente hasta la presión estática máxima admisible. Adecuados para montaje en campo y en panel. Ajuste del cero por delante. Modificación del margen de medición. Carcasa del indicador asegurado contra rotura. Bloque de válvulas con conexión para control de la presión del depósito acoplable directamente. Conexión para presostato. Para la explicación del funcionamiento de los medidores, ir a las especificaciones anexadas. ANDERSON GREENWOOD SERIES 200 PILOT OPERATED SRV VALVE La válvula Anderson Greenwood utiliza el principio de la presurización del área superior del área diferencial del pistón con presión lineal para mantener el pistón cerrado para definir la presión. Al definir la presión, la válvula se suelta, despresurizando el volumen en el área superior del pistón causando que el pistón se eleva y la válvula principal se suelta. Cuando el piloto se asienta, el volumen en el área superior del pistón es represurizada y la válvula principal se cierra. Rango de presión: 25 psig a 10,600 psig Para mayor información sobre la válvula referirse a las especificaciones anexadas. POSICIONADOR ELECTRONEUMÁTICO NEUMÁTICOS BURKERT PARA ACTUADORES Características: Controlador de proceso integral (característica PID) Electrónica Digital Indicación de posición opcional Acoplamiento a actuadores lineales o rotativos} Opción de sensor de posición externo o interno. El posicionador SideControl tipo 1067 sirve para regular la posición de válvulas de actuador neumático. SideControl tiene aplicaciones en diversas áreas mediante conexión a válvulas de proceso o a actuadotes lineales y rotativos. Se puede acoplar a sensores de posición independientes o sistemas de posicionamiento neumático. El diseño compacto del cuerpo de aluminio y la disponibilidad de versiones para bajas capacidades de flujo de aire que permiten emplearlo con válvulas de posicionamiento de tamaños y diámetros nominales pequeños. El controlador de proceso PID integral puede activarse para configurar bucles de control descentralizados. Para mayor información sobre el posicionador referirse a las especificaciones anexadas. Dentro de la práctica 1 se encuentran más componentes que pueden ser parte del proceso de nivel, con sus respectivas especificaciones. Conclusión: Con esta práctica hemos resumido y finalizado lo visto durante el semestre. Esta metodología la consideramos muy importante debido a que nos ayuda a implementar el control de cualquier proceso. Consideramos que el dejar los pasos de una manera general y resumida simplifica su aplicación ya que el conocimiento global lo hemos plasmado en las prácticas anteriores. Bibliografía: Biblioteca digital Búsqueda en Internet. Ingeniería de Control Moderna. Prentice Hall. Ogata, 2003. Burkert. Burkert Fluid Control Systems. http://www.burkert.es/ESN/buerkert_datasheets.php?type=1067 Samson. Medidores de presión diferencial y caudal (Media). http://www.samson.de/pdf_in/_sk16_me.htm Tyco. Anderson Greenwood Series 200 POSRV. http://www.tycoflowcontrol-na.com/