Presente y Futuro del Control PID Rafael González Martín Estándares Certificaciones Formación Publicaciones Conferencias 20 Febrero 2013 1 Contenido • El control PID lleva con nosotros desde 1910 (Elmer Sperry), aunque fue en 1942 (Ziegler-Nichols) cuando se convirtió en un estándar. • Después de muchos años de evolución es el algoritmo de control indiscutible en la industria. Un 98% de los controladores son PID. • Ha demostrado que puede competir con técnicas modernas, muy prometedoras, como : Fuzzy logic, Control basado en modelos, MPC, Control Adaptativo, … • Frases como “este nuevo controlador va a reemplazar a todos los PIDs” se han dejado de escuchar hace tiempo. • En esta presentación vamos a intentar descubrir las claves del éxito y especularemos acerca del futuro que le espera a este algoritmo de control. • Se propondrá un debate al final de la presentación. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 2 Sumario • • • • • • • Introducción Conferencia PID12 Estado del arte. Avances relevantes Problemática actual Áreas de investigación y desarrollo Conclusiones Debate Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 3 Introducción Vamos a empezar por el final, estas son las preguntas que propondré en el debate : • Seguirá siendo el PID el controlador de referencia en el futuro? • En caso negativo, cual sería la/s alternativa/s? • Me sirve el PID? O necesito más. • Cuando y porqué se usa la acción derivativa? • Cual es el método de sintonía favorito? • Es suficiente el PID en su estado actual o necesitamos algún tipo de mejora funcional? Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 4 Conferencia PID12 •Aproximadamente cada 10 años, IFAC (International Federation of Automatic Control) organiza una conferencia internacional exclusiva acerca del PID. •Este año se ha celebrado en Brescia, Italia (PID12) •http://pid12.ing.unibs.it •Se celebró un debate sobre perspectivas de futuro para el controlador PID con los siguientes participantes : Karl Johan Astrom, Senior Professor, Lund University, Sweden (chairman) Haruo Takatsu, APC System Product Marketing Manager, Yokogawa Electric Corporation, Japan Alf Isaksson, Corporate Research Fellow at ABB and Adjunct Professor at Linkoping University, Sweden Willy Wojsznis, Senior Technologist, Emerson Process Management, USA Adriano Chinello, Technical Director Automation, Gefran SpA, Italy Jason Wright, PlantPAx Product Manager, Rockwell Automation, USA (TBC) Rafael Gonzalez , Advanced Control Department Manager, Repsol-Petronor, Spain Emre Kuzu, APC Engineer, Tupras, Turkey Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 5 Estado del arte. Avances relevantes. • Un artículo reciente [1] concluye: “PID hardware is now dominated by five major vendors – ABB, Emerson, Foxboro (Invensys), Honeywell and Yokogawa”. • El mismo artículo describe un conjunto de más de 25 aplicaciones de múltiples proveedores relacionadas con sintonía de controladores PIDs. • Sin embargo, son los cinco vendedores principales quienes marcan la dirección de los avances más significativos tanto a usuarios como a investigadores. Vamos a ver un breve resumen intentando dejar al margen las marcas. [1] Li, Y. Ang, K.H., Chong, G.C.Y.: Patents, software and hardware for PID control: An overview and analysis of the current art. IEEE Control Syst. 26(1), 42–54 (2006) Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 6 Estado del arte. Avances relevantes. Avances en las tecnologías utilizadas: tanto en coste, como en espacio requerido, se ha mejorado mucho permitiendo añadir mucha más funcionalidad a los sistemas. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 7 Estado del arte. Avances relevantes. Conectividad: prácticamente se puede conectar todo con todo. Usando buses digitales se puede distribuir el control a cualquier nivel. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 8 Estado del arte. Avances relevantes. Interfaces de usuario: Los operadores pueden ser mucho más eficientes, asumir nuevos roles y vigilar el proceso con mucha más precisión. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 9 Estado del arte. Avances relevantes. Técnicas de sintonía: Del Ziegler-Nichols de 1942 a los más de 500 métodos de sintonía publicados ha habido muchas mejoras. • Casi todas las opciones comerciales incorporan múltiples métodos de sintonía, análisis de robustez, herramientas de identificación del proceso, tratamiento de no linealidades, simulación del lazo cerrado, conectividad con el proceso… • Realmente la dificultad está casi en escoger una herramienta. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 10 Estado del arte. Avances relevantes. Funcionalidad del controlador : Cualquier implementación moderna en un SCD o PLC ha dejado de ser solo: t OP (t ) = K × e(t ) + K de(t ) + × × e ( t ) dt K T d Ti ∫o dt •Distintos algoritmos • Comportamiento ante fallo de señal • Tolerancia al cambio de SP y OP • Tipo de ecuación (PID, PI-D, IPD, ideal o interactiva) • Comportamiento de la ganancia. • Limitacion de cambio en OP y SP •… Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 11 Problemas actuales (1/6) Aprox. 3000 lazos Problemas con PIDs: •Lazos sencillos se resuelven por instrumentistas (50% de los problemas son de instrumentación del lazo) •Los lazos complejos se analizan por ingenieros de Control. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 12 Problemas actuales (2/6) Lazos con una supervisión “adecuada” # loops 774 348 351 246 31 1750 Total FC LC PC TC AC K (%/%) 0,6 1,5 5,0 2,0 1,0 PID type FC LC PC TC AC xC KAvg. 0,9 1,3 4,2 1,7 0,3 #PID (%) # loops @def (%) 44% 49% 20% 38% 20% 35% 14% 44% 2% 10% 100% 43% Default & Average Values Ti (min) TiAvg. Td (min) 0,3 1,2 0,0 5,0 10,4 0,0 2,0 2,3 0,0 6,0 6,3 0,4 10,0 6,6 0,0 Calculados a partir de estadísticas de varios complejos TdAvg. 0,0 0,0 0,0 0,9 0,0 40% de los lazos permanecen en los valores por defecto. El comportamiento de esos lazos es suficientemente “bueno” Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 13 Problemas actuales (3/6) • Demasiadas opciones para el usuario final Ideal vs. interactivo PID, PI-D, I-PD Carga vs. set point K vs. PB Min. Vs. Rep./min. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 14 Problemas actuales (4/6) • Especificaciones del lazo: Ajustar el FC-531 considerando que la presión aguas arriba varía frecuentemente. Quien tiene prioridad? Que caracteristicas temporales son necesarias? Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 15 Problemas actuales (5/6) • Naturaleza multivariable de los procesos. FC531.OP(%)(--), FC531.PV (M3/H)(-) 80 70 60 50 40 30 0 10 20 30 minutos 40 50 60 40 50 60 PC531.PV(KGCC)(-) 50 45 40 35 0 10 20 30 minutos Es un PID el controlador adecuado? Proceso FC-531.OP FC-531.PV Linea+Valvula (a) FC-531.OP Proceso FC-531.PV PC-531.PV Existe algún método de sintonía? Linea + Valvula (b) Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 16 Problemas actuales (6/6) Problemas colaterales comunes en los cinco continentes y en todo tipo de industrias: • En muchos casos el personal de planta se ha reducido sustancialmente, en algunos casos se deja de tener incluso soporte corporativo. • Los técnicos de instrumentación y los ingenieros de control no tienen formación adecuada en PIDs. Existen tantas displicinas asociadas que la formación se dispersa. • Las herramientas de planta están infrautilizadas provocando una dejación de funciones importantes. El día a día se impone. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 17 Areas de Investigación y Desarrollo De todos los “futuribles”, esta es una selección de los nuevos desarrollos que se están empezando a utilizar en la industria: • Mejoras en el retorno de las condiciones de saturación • Modificación del PID para conectividad wireless (event driven) • Sintonización Robusta Adaptativa, que no Control Adaptativo. • “Performance monitoring” para la detección automática de problemas en la sintonía de los lazos • Diagnósticos de los elementos finales de control. Detección automática de fallos “tipo” en las válvulas. • Otros… Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 18 I+D: Retorno de la saturación La introducción del “External Reset” permite mejorar el control en casos en los que la salida del controlador suele estar saturada: Con Reset Externo Sin Reset Externo TC187.SP TC187.PV TC187.OP Producción vapor Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 19 I+D: PID para wireless •En los transmisores wireless la potencia consumida es directamente proporcional a la frecuencia de muestreo. •Para que el control PID sea efectivo sólo es necesario refrescar la PV de 4 a 10 veces más rápido que la constante de tiempo del lazo más el tiempo muerto. •La mejora consiste en trasmitir sólo cuando es necesario. Uso del 5%. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 20 I+D: Sintonización Robusta Adaptativa El control adaptativo no ha logrado tener una presencia industrial digna de mención, no obstante, calcular el modelo del proceso en línea puede generar otros beneficios: •Diagnósticos del comportamiento del lazo •Diagnósticos en el actuador final •Por supuesto uso del modelo para sintonía. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 21 I+D: Performance monitoring Hay multiples herramientas que detectan automáticamente comportamientos indeseados de los lazos, diagnostican el problema e incluso proponen soluciones. Reducir K ? Lazo oscilatorio Aumentar Ti ? Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 22 I+D: Diagnóstico actuadores •En este caso el patrón de la oscilación es reconocido y asociado a un problema en la válvula. •Se están investigando otro tipo de patrones que se puedan correlacionar a otros problemas. Valvula agarrotada Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 23 Conclusiones (1/2) • Aproximadamente el 50% de los lazos PID requieren poca o nula atención. • El término derivativo se usa mucho menos que lo debido. La mayoría de las veces debido a una formación insuficiente. • Definir correctamente las especificaciones del lazo es muy dificil. En ocasiones no hay criterios estandarizados • Demasiadas decisiones para el usuario final. • Hay que mejorar las metodologías de diseño incluyendo la naturaleza multivarible de los procesos. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 24 Conclusiones (2/2) Sin embargo: • El PID no tiene rival a bajo y medio nivel. Realmente lo hace mejor que otras tecnologías más modernas • Los controladores MPC son líderes en entornos superiores de control y optimización, pero siempre dependen de los PIDs a bajo nivel. No son tecnologías excluyentes, se tienen que complementar de forma adecuada • Sigue atrayendo el interés de la comunidad científica y está más vivo que nunca a nivel de investigación. • Mi pronóstico es que el PID seguirá en el negocio durante más tiempo que nosotros. Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 25 Ruegos y Preguntas Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 26 Debate • Seguirá siendo el PID el controlador de referencia en el futuro? • En caso negativo, cual sería la/s alternativa/s? • Cuando y porqué se usa la acción derivativa? • Cual es el método de sintonía favorito? • Es suficiente el PID en su estado actual o necesitamos algún tipo de mejora funcional? Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 27