AUTOMATIZACIN INTELIGENTE

INFORME No 2: PROCESO DE CONTROL Y SEGUIMIENTO

Presentado por:

JOHN ALEXANDER MITROVITCH BENAVIDESFERNANDO EMILSON SENZ CAJAMARCA JORGE ELIECER SOTO RODRGUEZ

Profesor:

HARVEY DAVID ROJAS CUBIDES

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELECTRNICA

Abril de 2015

CAPITULO 1

PRELIMINARES

1.1. Resumen

En el presente informe se describe de manera secuencial, el trabajo realizado en la segunda actividad de laboratorio de automatizacin a un proceso de seguimiento y control a perturbaciones en una planta, mediante el manejo de los equipos presentes en laboratorio (controlador lgico programable), a travs de la transmisin de datos programables en lenguaje Ladder, satisfaciendo los requerimientos solicitados y a la vez haciendo clculos de programacin para PID y estos simularlos en el simulador de MATLAB (SIMULINK).

1.2. Objetivos

Calcular las variables de programacin para el proceso de control de la planta mediante ecuaciones para PID. Programar el proceso de control y seguimiento mediante operacin controlada desde el panel operador. Programar perturbaciones en la planta y observar el comportamiento del control a rechazos de las perturbaciones mediante la lectura de tiempos de respuesta de esta. Realizar un proceso de simulacin del control y seguimiento de la planta Comparar las grficas obtenidas en el simulador con las grficas del proceso de control.

1.3. MARCO TERICO

El PLC es un controlador lgico programable, es decir un sistema computarizado que puede ser programado para controlar automticamente la lgica de funcionamiento de mquinas, plantas y procesos[footnoteRef:1] la siguiente figura muestra el esquema de control de una mquina o proceso. El PLC facilita la solucin de problemas de automatizacin y control en las industrias. Es un dispositivo muy flexible y de gran capacidad de procesamiento que se puede adaptar a cualquier tipo de requerimiento, ayudando a mejorar los niveles de produccin de una planta. (Lema, Et.al 2013) [1: Developing a Logix5000 Proyect, Manual de Global Manufacturing Solutions, RockwellAutomation, Octubre 2001]

Figura 1 Sistema de Control

La secuencia bsica de operacin del PLC es:

Lectura de seales desde la interfaz de entradas. Procesado del programa para obtencin de las seales de control. Escritura de seales en la interfaz de salidas.

1.3.1. ELEMENTOS

El PLC est constituido por cinco elementos principales:

Fuente de Alimentacin CPU Memoria Mdulos de Entradas y Salidas Mdulos de Comunicacin

1.3.2. MDULOS DIGITALES

Trabajan con seales de voltaje que son interpretadas como 0 o 1 tanto para las entradas como para las salidas. Algunos captadores de tipo discreto son: finales de carrera, botones, pulsadores. El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un rel interno del PLC en el caso de mdulos de salidas a rel. En los mdulos estticos los elementos que conmutan son transistores o triacs a la misma tensin. En los mdulos electromecnicos son contactos de rels internos del mdulo que pueden actuar sobre elementos que trabajen a tensiones distintas. (Lema, Et.al 2013)

1.3.3. MDULOS ANALGICOS

Convierten una magnitud analgica en un nmero que se guarda en una variable interna del PLC. Se realiza una conversin A/D, porque el PLC trabaja con seales digitales. La precisin o resolucin es determinada por el nmero de bits y por el intervalo muestreo. Para las salidas se convierte el valor de una variable numrica interna del PLC en tensin o intensidad mediante conversin D/A con precisin y resolucin determinada por el nmero de bits y el periodo de muestreo. Algunos actuadores que admiten mando analgico son: variadores de velocidad, reguladores de temperatura; usados en la regulacin y control de procesos continuos. (Lema, Et.al 2013)

1.3.4. INTERFAZ DE OPERADOR

Los PLC necesitan interfaces hombre-mquina (HMI) para poder interactuar con los operadores para la configuracin, la supervisin y el control diario del sistema automatizado. Un sistema simple puede usar botones y luces para interactuar con el usuario, estos estn ubicados en pupitres o mesas de control. En la mayora de casos las PCs de operador son una muy buena opcin, sin embargo para aplicaciones de campo se utilizan paneles de operador dedicados, es decir, para aplicaciones especficas, mejorando el rendimiento del proceso. En la actualidad se utilizan pantallas tctiles o touchscreen para industrias, estas son evolucin tecnolgica que facilita la interaccin con el sistema. (Lema, Et.al 2013).

1.3.5. CONTROLADOR PID

Un controlador PID se caracteriza por combinar tres acciones (P, I y D) mediante el siguiente algoritmo de control:

Este algoritmo est considerado como el PID estndar por la ISA (Instrument Society of America). A continuacin se resumen los trminos bsicos:

- Accin proporcional (P): es la accin que produce una seal proporcional a la desviacin de la salida del proceso respecto al punto de consigna. - Accin integral (I): es la accin que produce una seal de control proporcional al tiempo que la salida del proceso ha sido diferente del punto de consigna. - Accin derivativa (D): es la accin que produce una seal de control proporcional a la velocidad con que la salida del proceso est cambiando respecto del punto de consigna. - Constante de tiempo integral (Ti): es el tiempo, generalmente expresado en minutos, que debe transcurrir para que la accin integral alcance (iguale o repita) a la accin proporcional. - Constante de tiempo derivativa (Td): es el intervalo de tiempo, generalmente expresado en minutos, en el que la accin derivativa adelanta a la accin proporcional.

Cada accin de control tiene una respuesta caracterstica: - La accin proporcional vara instantneamente con el error y alcanza un valor estacionario cuando lo alcanza ste. - La accin integral tiene en cuenta la historia pasada del error y se anula cuando se hace cero. - La accin derivativa predice los cambios en el error y se anula cuando alcanza un valor estacionario.

1.3.5.1. CONTROLADOR P

Un ejemplo tpico de control proporcional se muestra en la figura 1, donde se observa la conducta de la variable controlada despus de un salto en escaln unitario en el punto de consigna. Se observan los siguientes hechos caractersticos cuando aumenta la ganancia Kp del controlador:

1El error en estado estacionario disminuye.2El proceso responde ms rpidamente.3La sobreoscilacin y las oscilaciones aumentan

1.3.5.2. ACCION INTEGRAL PI

Esta accin elimina el problema del error en estado estacionario frente a perturbaciones de carga constante. Por eso se utiliza para determinar de forma automtica el valor correcto de u0. Adems se usa para corregir el error en rgimen permanente.Otra de las razones intuitivas que ayuda a comprender los beneficios de la accin integral es que, cuando se introduce, la existencia de un pequeo error durante un intervalo prolongado de tiempo puede dar lugar a un gran valor de la seal de control. El algoritmo de la accin integral es el siguiente:

Las propiedades de la accin integral se muestran en la figura 2 en la que se puede ver la simulacin de un controlador PI. La ganancia proporcional se mantiene constante y se vara el tiempo integral.

El caso particular en el que Ti es infinito se corresponde con el control P. Al introducir la accin integral se observa que:

1. El error en estado estacionario se elimina cuando Ti tiene valores finitos.2. Cuando Ti disminuye (mayor accin integral) la respuesta se hace cada vez ms oscilatoria, pudiendo en ltimo trmino llegar a inestabilizar el sistema.

1.3.5.3. ACCION DERIVATIVA PD

Uno de los problemas del controlador PI y que limita su comportamiento es que solo considera los valores del error que han ocurrido en el pasado, es decir, no intenta predecir lo que pasar con la seal en un futuro inmediato.La accin derivativa realiza ese tipo de compensacin, que se basa en introducir una accin de prediccin sobre la seal de error. Una forma sencilla de predecir es extrapolar la curva de error a lo largo de su tangente. El algoritmo de la accin derivativa es el siguiente:

El parmetro Td es el tiempo derivativo y puede interpretarse como un horizonte de prediccin. Al basar la accin de control en la salida predicha, es posible mejorar el amortiguamiento de un sistema oscilatorio. En la figura 3 se pueden observar las propiedades de un controlador de este tipo.

En la figura anterior se puede ver que las oscilaciones se amortiguan cuando se utiliza la accin derivativa. A medida que Td aumenta la salida se va aproximando cada vez ms a una exponencial.

Una desventaja importante de la accin derivativa es que hay que ser muy cuidadoso a la hora de escoger el valor del tiempo derivativo. En las instalaciones industriales es frecuente desconectar la accin derivativa (hacer Td = 0), aunque en otras ocasiones est muy recomendada. Un ejemplo es el caso de procesos multi-capacitivos, como puede ser el control de temperatura. Debido a la inercia del sistema es importante saber hacia dnde se est evolucionando. La accin de calentamiento tiene que pararse a tiempo. Una conduccin lenta de calor puede significar que, incluso despus de desconectar el sistema de calentamiento, la temperatura contine aumentando durante mucho tiempo. Durante este perodo la temperatura puede sobrepasar considerablemente su punto de consigna si no se ejerce una accin de control cuidadosa. Otro ejemplo donde es importante predecir el error es cuando hay grandes retardos o tiempos muertos en el proceso. En esta situacin, desgraciadamente, la accin derivativa no suele dar una buena prediccin y hay que utilizar controladores especficos (basados en el predictor de Smith o en las estrategias de control predictivo) para solucionar el problema. Si no se tiene acceso a un controlador de este tipo, en estos casos es mejor utilizar un controlador PI.

El controlador PID combina en un nico controlador la mejor caracterstica de estabilidad del controlador PD con la ausencia de error en estado estacionario del controlador PI.

La adicin de la accin integral a un controlador PD es esencialmente lo mismo que aadir dicha accin a un controlador P.La tabla 1 muestra cmo varan la estabilidad, la velocidad y el error en estado estacionario cuando se modifican los parmetros del controlador. Es necesario sealar que esta tabla contiene un conjunto de reglas heursticas y, por tanto, hay excepciones.

Kp aumentaTi disminuyeTd aumenta

Estabilidadse reducedisminuyeaumenta

Velocidadaumentaaumentaaumenta

Error est. estacionariono eliminadoeliminadono eliminado

1.4. PALABRAS CLAVECPU, PLC, PID, PI, PD, P, memoria, fuente, interfaz, grafcet, entradas y salidas (digitales y anlogas).

CAPITULO 2

DESARROLLO EXPERIMENTAL

2. 2.3. DESCRIPCIN DE PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALES

CYBERGRAFIA

file:///C:/Users/usuario/Downloads/108T0084.pdf

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