REGULACION AUTOMATICA

WILMER FABIAN SOSA ZEA

TEGNOLOGO EN AUTOMATIZACION INDUSTRIAL

Wfsosa8@misena.edu.co

Control distribuido

En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolución del problema del control de fábricas con gran número de lazos, y teniendo en cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores y la característica “conservadora” de la industria, se llegó a las siguientes conclusiones generales:

1. Descartar el empleo de un único ordenador (control DDC) por el serio inconveniente de la seguridad y sustituirlo por un cierto número de variables, para así distribuirlo.

2. Cada controlador universal debe ser universal, para así disponer de algoritmos de control seleccionables por software. De esta forma un solo controlador digital podía efectuar un control P, PI, PID, de relación o de cascada.

3. La velocidad en la adquisición de los datos y su salida hacia las válvulas de control debía ser en tiempo real, lo que obliga a utilizar microprocesadores de 16 bits.

4. Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo, los controladores y las interfaces, para la comunicación con el operador de la plata, se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones, en forma de cable coaxial instalado en la planta.

5. Para eliminar el espacio de panel requerido por el control clásico, se adoptó el uso de monitores TRC, en los cuales, el operador a través de un teclado, debía examinar variables de proceso, las características de control, las alarmas, etc., sin perturbar el control de la planta.

Aparece en noviembre de 1975 el TDC 2000 de Honeywell, como resultado a estos esfuerzos.La diferencia entre el control distribuido y en control clásico puede compararse con la existencia entre el primer ordenador, el ENIAC, que se configuraba cambiando cables, y el actual ordenador personal donde los cables existen electrónicamente, configurados por un programa escrito.El controlador básico del sistema de un microprocesador que proporciona los controles PID y otros algoritmos de control, es apto para el manejo de 8 lazos que proporciona los siguientes algoritmos de control:Salida manual, PID normal, PID con ajuste externo del punto de consigna, PID con control anticipado (feedforward), adelanto-retardo, sumador, multiplicador-divisor, relación, extracción de raíz cuadrada, rampas programadas (temperatura en procesos discontinuos), contador.Estos algoritmos pueden configurarse definiéndose de este modo, el último modo de control a retener en caso de avería, las unidades de ingeniería, la acción de control, el tipo de señal de entrada, etc.El controlador multifuncional que, al utilizar en su programación un lenguaje de alto nivel, se asemeja a un ordenador personal, proporciona las funciones de control lógico, manejo de procesos complejos, en los que el controlador básico es limitado.El control secuencial enlaza el control analógico (modulante con posiciones que varían una válvula de control) con el control lógico.En el control discontinuo (batch control) es usual automatizar la entrada de ingredientes, más que todo en la industria farmacéutica. Ya que se fabrican muchos productos diferentes en una unidad de fabricación, es necesario que el equipo sea versátil para satisfacer la gran variedad de fórmulas.Los controladores programables, sustituyen a los relés convencionales utilizados en la industrial. El controlador programable aporta la solución

versátil, práctica y elegante del software en un lenguaje especial, basado en la lógica de relés.El teclado del controlador dispone de símbolos que representa la lógica de contactos. Pueden desarrollarse programas que representen cualquier circuito de enclavamiento, y comprobarlos con el simulador de contactos, antes de acoplarlo al controlador de la planta.

La estación del operador proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador del proceso, el ingeniero de procesos y el técnico de mantenimiento. La presentación de la información se presenta del siguiente modo:1. El operador ve en la pantalla uno o varios gráficos que el operador

puede manipular.2. El ingeniero de proceso puede editar programas de proceso.3. El técnico de mantenimiento puede fundamentalmente diagnosticar y

resolver problemas en los elementos de control distribuidos en la planta.

El computador permite implementar os programas de aplicación de los usuarios, destinados a obtener información de la planta, procesarla con objeto de analizarla más adelante. Por otro lado el computador puede comunicarse con otros ordenadores de mayor capacidad para obtener información sobre el consumo de materias primas, factores que influyen en la producción y su rendimiento, y sobre datos analíticos que se usan para la optimización de la planta.

El lenguaje utilizado suele ser de alto nivel, Fortran, C++, Pascal objeto. Se deben desarrollar programas para mejorar la productividad de la fábrica y minimizar costes, entre estos programas podemos encontrar:

Monitorización y control de turbinas generadoras, mezclas en refinerías y en la industria de papel, autoajuste de lazos de control, librería de gráficos para la construcción de diagramas de flujo, control de calderas de vapor.

El computador debe generar cada vez más información, la que debe ser transmitida rápidamente en la planta, a veces en tiempo real, esta información es manejada por los periféricos del computador, los cuales deben trabajar a la misma velocidad que los sistemas basados en los procesadores Pentium.

Las alarmas son importantes en el control de procesos. Hay alarmas de alto y bajo valor de variable, alarmas de desviación entre el punto de consigna y la variable controlada, alarmas de tendencia, alarmas de estado de la señal de entrada o de salida. No es conveniente instalar muchas alarmas, ya que el operador las debe silenciar de manera manual presionando un pulsador por alarma.

El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación de sistemas convencionales de control. Los transmisores disponen de un sistema de auto calibración y diagnóstico de averías que permite al personal resolverlas rápidamente.

Otro parámetro interesante es la llamada disponibilidad, es decir, la fracción de tiempo que el sistema es operable, por ejemplo, la disponibilidad de 90% significa que se trabaja en un 90% mientras que el 10% restante está en reparación.

Los sistemas de control distribuido se han consolidado en el mercado industrial, gracias sus ventajas, ventajas que son tan claras que al estudiar la instrumentación y el control de una nueva fábrica o de una antigua, es difícil no considerar los sistemas de distribución como una opción clara para este.

El coste del equipo electrónico disminuye día a día, mientras que el software continúa su creciente desarrollo.

SISTEMAS DE CONTROL AVANZADO

Son aquellos que se apartan de las técnicas realizadas con controladores neumáticos o electrónicos analógicos PID, control de relación y en cascada. Cuando el control convencional presenta problemas, la alternativa es el control avanzado.

La estrategia del control avanzado viene definida por la estimación de los costos y cuantificación de beneficios, el establecimiento de recursos humanos y un plan de viabilidad.

Los sistemas de control avanzado crece día a día por los beneficios que permite conseguir en la automatización de una planta. Las ventajas que presenta es el ahorro de energía, aumento de la capacidad de fabricación y disminución del costo de fabricación.

Los rendimientos típicos que ofrecen los sistemas de control avanzado abarcan:

El ahorro de energía se aumenta en un 5%, la capacidad de fabricación de la planta aumenta desde 3 a 5%, el costo de operación de la planta se reduce de 3 a 5%, el porcentaje de recuperación de los productos se mejora de 3 a 5%, el retorno de la inversión se consigue en un tiempo de 6 meses a 5 años, el rendimiento global es de 5 a 35%.

En el control multivariable existe una relación de influencia entre varias variables del proceso que se controla. En una planta la mayoría de los lazos de control son de una entrada y una salida y pueden ser controlados satisfactoriamente con un instrumento PID. Existen varios métodos para el control de multivariables que se ejecutan con ordenador:

Modelizar el proceso con ecuaciones de estado, es decir ecuaciones diferenciales del proceso que se linealizan en número igual al de las variables ligadas.

Modelización con control predictivo con algoritmo de control basado en la igualdad entre las respuestas en lazo cerrado y en lazo abierto.

Los reactores se utilizan típicamente en plantas de polietileno, se utilizan modelos matemáticos multivariables. Los sistemas de control avanzados predicen los productos que se fabrican y los controlan mediante la variación de los productos entrantes.

Mientras que otros procesos basta controlar en lazo cerrado las variables, en los reactores dicho procedimiento comportaría un tiempo excesivo por la necesidad de analizar e producto para comprobar si está o no en las especificaciones.

El objetivo del control estadístico del proceso (SPC) es monitorizar el comportamiento de las variables aleatorias que pueden conducir a problemas de control o de variaciones de calidad de los productos fabricados.

El sistema trabaja en tiempo real con leyes de probabilidad de las variables para los valores no aleatorios y presenta los resultados en forma de grafico generales y de tendencia, y de tablas.

La fijación de los límites de control viene dada por las formulas:

Donde:

X= Promedio subgrupos de la variable.

R=Promedio subgrupos de margen de la variable.

A y D= Son constantes cuyo valor depende del tamaño del subgrupo y que se determina estadísticamente.

Además de los gráficos X-X, X-R, existen los gráficos de atributos que proporcionan dos valores (conformidad, no conformidad, presente/ausente, etc.), de las variables muestreadas y que se presentan en 4 tipos de gráficos:

P: registro de defectos en muestras de tamaño variable. Np: registro de unidades no conformes en muestras de tamaño constante. C: número de no conformidades en muestras de tamaño constante. U: número de no conformidades por unidad a partir de muestras de tamaño

variable.

SISTEMAS EXPERTOS

Emula la capacidad de toma de decisiones de un experto humano en un dominio dado de tema. El sistema experto se integra en el sistema de control de la planta para asistir al operador en la detención de fallos y en la solución de los casos en que el proceso sale fuera del control. Los sistemas expertos han sido posibles gracias al microprocesador. El sistema detecta y diagnostica los problemas potenciales que pueden presentarse en el control de procesos de la planta.

El sistema experto también debe incorporar las operaciones necesarias para solucionar correctamente las situaciones anómalas del proceso.

Un sistema experto dispone de:

Un control inferencial, sistema para manejar en tiempo real grandes cantidades de datos del proceso, encadenamiento hacia adelante, simulación y ensayo de la base de conocimiento, explicaciones del razonamiento empleado.

Etapas típicas con las que actúa un sistema experto:

Reconocimiento de las situaciones anómalas, comparación con los datos provenientes del sistema experto, diagnostico, corrección del problema.

Según la información recibida el operador actúa sobre el proceso o bien puede que el sistema actué automáticamente por el sistema de control, avisando al operador las acciones a realizar.

Entre las aplicaciones típicas que estos sistemas expertos pueden realizar figuran:

La conexión a un sistema de control distribuido, adición a controles individuales, supervisión de fábricas de cemento y de papel, control de nivel del fondo.

El beneficio que el sistema experto aporta a la plata es la reducción de los tiempos de paro, y lo que es más importante la probabilidad de que el funcionamiento anómalo de la plata conduzca a situaciones catastróficas.

CONTROL POR REDES NEURONALES

Las redes neuronales están conformadas por un conjunto de elementos que están conectadas entre sí en una forma semejante a la del cerebro humano. La señal procedente de las diversas entradas o “dendritas” genera excitación en la salida o “axón” de la neurona, siempre que sobrepase determinado umbral.

Un sistema que se presta al control por redes neuronales es el control de pH, es difícil tener un buen control por retroalimentación con un controlador PId, ya que el proceso es altamente no lineal.

CONTROL POR LOGICA DIFUSA (FUZZY)

La lógica difusa fue desarrollada por Zadeh en 1965 y es adecuada para el control de procesos no lineales y con comportamiento variable en el tiempo. En el control digital la señal de salida es un conjunto de bits con dos valores o señales posibles, sí o no, todo o nada, 1 o 0.

EVOLUCION DE LA INSTRUMENTACION

Los instrumentos fueron naciendo a medida que las exigencias del proceso lo impusieron. Las necesidades de la empresa han sido, el motor que puso en marcha la inventiva de los fabricantes o de los propios usuarios para idear y llevar a cabo la fabricación de instrumentos para procesos industriales.

El desarrollo se inició con los manómetros, termómetros y válvulas manuales localmente montadas. En esta fase eran necesarios muchos operadores para supervisar y maniobrar las válvulas. Los procesos eran montados empíricamente, basándose en la intuición y en la experiencia.

La siguiente etapa fue la centralización de las funciones de medida de control más importantes, pertenecientes a una operación del proceso, en un panel localmente montado. De este modo podía observarse y controlarse el funcionamiento de cada elemento particular de la instalación de una manera más coordinada y eficaz. Para hacer esto posible, se desarrollan instrumentos galvanométricos operados por termopar, termómetros con largos capilares y caudalimetros con largos tubos de conducción de la presión diferencial.

El desarrollo de los trasmisores neumáticos permitió la centralización de la funciones de medida y de regulación de toda una unidad del proceso en una sala de control.

A medida del paso del tiempo, las salas de control se hicieron inevitablemente grandes, debido al crecimiento de los procesos y tamaño de los instrumentos convencionales y se desarrolló la instrumentación neumática miniatura, que aprecio en el mercado hacia el año 1947, dotada con conmutación automático-manual incorporada, pero al mismo tipo de transferencia.

Los complejos de múltiples procesos empezaron a utilizar salas de control separadas y la coordinación y la conmutación entre los operadores en estas salas de control comenzaron a mostrar algunos problemas.

Los sistemas de instrumentación de alta densidad tuvieron que satisfacer los siguientes requisitos básicos e importantes:

a. Permitir que el operador asimile rápidamente la informaciónb. Permitir que el operador tome sus decisiones muy rápidamente.c. Permitir una rápida ejecución de las decisiones del operador.

Una vez desarrollados los instrumentos miniatura neumáticos y electrónicos, los procesos se fueron haciendo más complejos y su optimización llego a ser necesaria. Los primeros computadores de procesos se desarrollaron realmente entre los años 1960-1965 y se aplicaron principalmente e centrales térmicas, industrias metalúrgicas, químicas y petroquímicas.

Existe la necesidad de controlar diversos controladores estableciendo una jerarquización entre los mismos y lograr una versatilidad que permita el cambio

fácil del tipo de control y obtener la mayor economía posible en el control de la planta.

Los microprocesadores se distribuyen de forma arquitectónica y están conectados entre sí a través de una vía de comunicaciones, la cual comunica a su vez con el centro supervisor de control central, desde donde se tiene acceso de modo automático o manual a todas las variables de la planta.

La presentación visual o mímica en las consolas puede configurarse incorporando a voluntad del usuario las formas (tuberías, tanques, bombas, etc.), la llamada a la información puede agilizarse por medio de un sistema de infrarrojos que detecta la posición del dedo del operador, al tocar este la pantalla, así si el operador no tiene experiencia puede pedir al sistema menús de ayuda, diagramas de flujo, presentación de alertas, etc., sin tener que preocuparse por la sintaxis de las ordenes.

La ventaja fundamental del control distribuido es la mayor seguridad y economía de funcionamiento, al ser los lazos de control de cada microprocesador de menos longitud (por estar situado en el centro óptimo de las variables de proceso captadas) y menos vulnerables al ruido o a los daños; por otro lado, ante la posible pérdida de la vía de comunicaciones los controladores continúan operando localmente, además el operario tiene acceso a los datos de todos los controladores, y puede visualizarlos a través de pantallas de televisión, ya que se haya en contacto con los mismos a través de la vía de comunicación.

El control distribuido ha evolucionado en los siguientes aspectos:

Controladores multifunción para uso de procesos discontinuos en la modificación fácil y repetitiva de operaciones (récipes), incluyendo control

lógico y secuencial, paros de emergencia, compensadores y diversos algoritmos de control.

Sistemas de optimización de plantas coordinando múltiples controladores programables.

Aplicaciones crecientes en el área de modernización de plantas. Microprocesadores cada vez más rápidos pasando por versiones de 8 bits,

16 bits y 32 bits. Apoyo cada vez más perfeccionado al operador, a producción y a

mantenimiento, en su integración en el manejo de la planta (consolas, control avanzado, módulos históricos…).

Perfeccionamiento en las vías de comunicaciones utilizando cables coaxiales y fibras ópticas, así como nuevos protocolos de comunicaciones.

El control predictivo aparece en la década de los 80, y en controlador trabaja como un inversor de modelo del proceso (modelo lineal) siendo capaz, por su robustez, de solucionar el control de la mayoría de procesos no lineales.

Cabe señalar que se están aplicando técnicas de análisis en la interfaz hombre-máquina en la seguridad y fiabilidad de operación de sistemas complejos, las técnicas que utilizan en general son:

Cadenas de Markov, definen un proceso aleatorio en un cierto número de estados finitos probables.

Análisis de fallos en árbol, (fault-tree analysis) que ante un suceso (fallo de un equipo o error humano) proporciona la secuencia cronológica de accidentes que pueden tener lugar.

Simulación de Monte-Carlo, permite la estimulación del tiempo de fallo de un sistema a partir de las funciones de densidad de probabilidad de sus componentes individuales.

Técnica de Dylam, modeliza los componentes del sistema, define los algoritmos de control, establece los sucesos de partida (ejemplo, busca los sucesos que puedan provocar temperaturas altas en un proceso) y genera y analiza los sucesos.

Redes de Petri, es un modelo grafico que describe el flujo de actividades en sistemas complejos.

Modificación de la fiabilidad humana, (razonamiento ante incertidumbre, error humano ante tiempos límite de reacción y factores humanos).

Fiabilidad del software.

Los resultados de estos análisis permiten hacer mínimos los errores humanos en el diseño, la construcción y la operación de la planta. En este último caso, pueden diseñarse modelos hombre-máquina para permitir estudiar los diferentes comportamientos del operador ante situaciones difíciles, en las que tras reconocer la situación, gracias a la información presentada en las pantallas de la sala de control ayudando o no por sistemas expertos, actúa sobre el proceso, y espera que su acción vuelva el proceso a la normalidad.

En el futuro puede afirmarse que la tecnología digital evolucionara, integrando totalmente la información de la planta con el flujo de información continuo entre las diversas áreas de la planta (fabricación, mantenimiento, laboratorio y gestión).

BIBLIOGRAFIA

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL, ANTONIO CREUS SOLE, PAG. 481- 599.