pid procesos

5/24/2018 Pid Procesos

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INGENIERA ELECTRNICA E INSTRUMENTACIN

CONTROL DE PROCESOS

INFORME DE PRCTICA #2

TEMA:CONTROL PID DE UN PROCESO DE

TEMPERATURA CON PLC SIEMENS CPU 224

INTEGRANTES:

LEANDRO GUEVARA CSAR JCOME SANTIAGO LLERENA MARLON SANTAMARANIVEL:DCIMO A

FECHA: 12/OCTUBRE/ 2011


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TEMA: CONTROL PID DE UN PROCESO DE TEMPERATURA, CON PLC

SIEMENS CPU 224.

1. OBJETIVOS CONOCER LAS OPCIONES PARA EL CONTROL PID QUE PRESTA EL

PLC SIEMENS CPU 224 TANTO EN MODO MANUAL COMO

AUTOMTICO.

REALIZAR EL PROGRAMA PARA UN CONTROL PID EN OPCINAUTOSINTONA PARA EL PLC SIEMENS CPU 224.

REALIZAR EL CONTROL PID DE UN PROCESO DE TEMPERATURAEN OPCIN AUTOSINTONA CON UN PLC SIEMENS CPU 224.

2. INFORMACIN TERICAControl Proporcional integral derivativo

Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control

porrealimentacin que calcula la desviacin o error entre un valor medido y el valor

que se quiere obtener, para aplicar una accin correctora que ajuste el proceso.

Elalgoritmo de clculo del control PID se da en tres parmetros distintos: el

proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional determina la

reaccin del error actual. El Integral genera una correccin proporcional a la

integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control suficiente,el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reaccin del

tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para

ajustar al proceso va un elemento de control como la posicin de una vlvula de

control o la energa suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres

variables en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un

control diseado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del

controlador puede ser descrita en trminos de respuesta del control ante un error, el

grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de oscilacin del sistema.

Ntese que el uso del PID para control no garantiza control ptimo del sistema o

laestabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos

modos de los que provee este sistema de control. Un controlador PID puede ser

llamado tambin PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de control respectivas.

Los controladores PI son particularmente comunes, ya que la accin derivativa es
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muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance

al valor deseado debido a la accin de control.

FIGURA 1. LAZO DE CONTROL PID

Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se

necesita, al menos:

1. Un sensor, que determine el estado del sistema(termmetro,caudalmetro,manmetro,etc).

2. Un controlador, que genere la seal que gobierna al actuador.3. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada (resistencia elctrica,

motor, vlvula,bomba,etc).

El sensor proporciona unaseal analgica odigital al controlador, la cual representa

elpunto actualen el que se encuentra el proceso o sistema. La seal puede representar ese

valor entensin elctrica,intensidad de corriente elctrica ofrecuencia.En este ltimo caso

la seal es decorriente alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son concorriente

continua.

El controlador lee una seal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta

seal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia), la cual es de la mismanaturaleza y tiene el mismo rango de valores que la seal que proporciona el sensor. Para

hacer posible esta compatibilidad y que, a su vez, la seal pueda ser entendida por un

humano, habr que establecer algn tipo deinterfaz(HMI-Human Machine Interface), son

pantallas de gran valor visual y fcil manejo que se usan para hacer ms intuitivo el control

de un proceso.
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El controlador resta la seal de punto actual a la seal de punto de consigna, obteniendo as

la seal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor

deseado (consigna) y el valor medido. La seal de error es utilizada por cada uno de los 3

componentes del controlador PID. Las 3 seales sumadas, componen la seal de salida que

el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La seal resultante de la suma deestas tres se llama variable manipuladay no se aplica directamente sobre el actuador, sino

que debe ser transformada para ser compatible con el actuador utilizado.

Las tres componentes de un controlador PID son: parte Proporcional, accin Integral y

accin Derivativa. El peso de la influencia que cada una de estas partes tiene en la suma

final, viene dado por la constante proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo,

respectivamente. Se pretender lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el

mnimo tiempo posible los efectos de las perturbaciones.

Proporcional

FIGURA2. RESPUESTA DE UN CONTROL PROPORCIONAL

La parte proporcional consiste en elproducto entre la seal de error y la constante

proporcional como para que hagan que el error en estado estacionario sea casi nulo, pero en

la mayora de los casos, estos valores solo sern ptimos en una determinada porcin del

rango total de control, siendo distintos los valores ptimos para cada porcin del rango. Sinembargo, existe tambin unvalor lmite en la constante proporcional a partir del cual, en

algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este fenmeno se llama

sobreoscilacin y, por razones de seguridad, no debe sobrepasar el 30%, aunque es

conveniente que la parte proporcional ni siquiera produzca sobreoscilacin. Hay una

relacin lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posicin del elemento
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final de control (la vlvula se mueve al mismo valor por unidad de desviacin). La parte

proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar elerror

permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente que tenga en cuenta la

variacin respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integral y

derivativa.

La frmula del proporcional est dada por:

El error, la banda proporcional y la posicin inicial del elemento final de control se

expresan en tanto por uno. Nos indicar la posicin que pasar a ocupar el elemento final

de control

Ejemplo: Cambiar la posicin de una vlvula (elemento final de control) proporcionalmente

a la desviacin de la temperatura (variable) respecto al punto de consigna (valor deseado).

Integral

FIGURA 3. RESPUESTA DE UN CONTROL INTEGRAL

El modo de control Integral tiene como propsito disminuir y eliminar el error en estado

estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral acta cuando hay una

desviacin entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviacin en el tiempo

y sumndola a la accin proporcional. El erroresintegrado, lo cual tiene la funcindepromediarlo osumarlopor un perodo determinado; Luego es multiplicado por una

constante I. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional para

formar el control P + I con el propsito de obtener una respuesta estable del sistema sin

error estacionario.
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El modo integral presenta un desfasamiento en la respuesta de 90 que sumados a los 180

de la retroalimentacin ( negativa ) acercan al proceso a tener un retraso de 270, luego

entonces solo ser necesario que el tiempo muerto contribuya con 90 de retardo para

provocar la oscilacin del proceso. La ganancia total del lazo de control debe ser menor a

1, y as inducir una atenuacin en la salida del controlador para conducir el proceso aestabilidad del mismo. Se caracteriza por el tiempo de accin integral en minutos por

repeticin. Es el tiempo en que delante una seal en escaln, el elemento final de control

repite el mismo movimiento correspondiente a la accin proporcional.

El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset (desviacin permanente

de la variable con respecto al punto de consigna) de la banda proporcional.

La frmula del integral est dada por:

Ejemplo: Mover la vlvula (elemento final de control) a una velocidad proporcional a la

desviacin respeto al punto de consigna (variable deseada).

Derivativo

FIGURA4. RESPUESTA DE UN CONTROL DERIVATIVO

La accin derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si

el error es constante, solamente actan los modos proporcional e integral).

El error es la desviacin existente entre el punto de medida y el valor consigna, o "Set

Point".
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La funcin de la accin derivativa es mantener el error al mnimo corrigindolo

proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el

error se incremente.

Sederiva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante D y luego se suma a

lasseales anteriores (P+I). Es importante adaptar la respuesta de control a los cambios en

el sistema ya que una mayor derivativa corresponde a un cambio ms rpido y el

controlador puede responder acordemente.

La frmula del derivativo est dada por:

El control derivativo se caracteriza por el tiempo de accin derivada en minutos de

anticipo. La accin derivada es adecuada cuando hay retraso entre el movimiento de la

vlvula de control y su repercusin a la variable controlada.

Cuando el tiempo de accin derivada es grande, hay inestabilidad en el proceso. Cuando el

tiempo de accin derivada es pequeo la variable oscila demasiado con relacin al punto de

consigna. Suele ser poco utilizada debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y a las

complicaciones que ello conlleva.

El tiempo ptimo de accin derivativa es el que retorna la variable al punto de consigna con

las mnimas oscilaciones

Ejemplo: Corrige la posicin de la vlvula (elemento final de control) proporcionalmente a

la velocidad de cambio de la variable controlada.

La accin derivada puede ayudar a disminuir el rebasamiento de la variable durante el

arranque del proceso. Puede emplearse en sistemas con tiempo de retardo considerables,

porque permite una repercusin rpida de la variable despus de presentarse una

perturbacin en el proceso.

P constante de proporcionalidad: se puede ajustar como el valor de la ganancia del

controlador o el porcentaje de banda proporcional. Ejemplo: Cambia la posicin de la

vlvula proporcionalmente a la desviacin de la variable respecto al punto de consigna. La

seal P mueve la vlvula siguiendo fielmente los cambios de temperatura multiplicados porla ganancia.

I constante de integracin: indica la velocidad con la que se repite la accin proporcional.

D constante de derivacin: hace presente la respuesta de la accin proporcional

duplicndola, sin esperar a que el error se duplique. El valor indicado por la constante de
http://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_derivadahttp://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%B1alhttp://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%B1alhttp://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_derivada


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derivacin es el lapso de tiempo durante el cual se manifestar la accin proporcional

correspondiente a 2 veces el error y despus desaparecer. Ejemplo: Mueve la vlvula a una

velocidad proporcional a la desviacin respeto al punto de consigna. La seal I va sumando

las reas diferentes entre la variable y el punto de consigna repitiendo la seal proporcional

segn el tiempo de accin derivada (minutos/repeticin).

Tanto la accin Integral como la accin Derivativa, afectan a la ganancia dinmica del

proceso. La accin integral sirve para reducir el error estacionario, que existira siempre si

la constante Ki fuera nula. Ejemplo: Corrige la posicin de la vlvula proporcionalmente a

la velocidad de cambio de la variable controlada. La seal d es la pendiente (tangente) por

la curva descrita por la variable.

La salida de estos tres trminos, el proporcional, el integral, y el derivativo son sumados

para calcular la salida del controlador PID. Definiendo u (t) como la salida del controlador,

la forma final del algoritmo del PID es:

3. EQUIPO SOFTWARE STEP7 MICROWIN V4. 0. 8.06 SP8 SIMULADOR S7-200 PLC SIEMENS CPU 224, MDULO I/O ANALGICAS MDULO DE TEMPERATURA CABLE PPI UN COMPUTADOR CON SISTEMA OPERATIVO WINDOWS XP 32

BITS.

4. PRCEDIMIENTOA) REALIZAR EL PROGRAMA DE CONTROL PID UTILIZANDO EL

SOFTWARE STEP7 MICROWIN V4.0.8.06 SP8.

-LO QUE SE VA A CONSIDERAR EN ESTE PUNTO ES LO SIGUIENTE:

Identificar las entradas

Seleccionar la opcin PID, para ello ir a Herramientas/Asistente de

operacin/PID/next


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Luego configurar en opcin 0.

Fijarse que se recorta de 32767 a 3200 bits, adems que por defecto se tiene un

rango entre 0 y 100%.

Adems se observa que se tiene opcin de ganancia y tiempos de accin tanto

integral como derivativa que deben sintonizarse en el modo manual.

Seleccionar la opcin que desea trabajar ya sea en modo de autosintona o en

modo manual.

Debe considerarse que este control funciona de manera excelente en procesos

lentos, pero puede no ser muy eficiente en procesos medianamente rpidos y

muy rpidos.

El escalonamiento es unipolar, pues el voltaje que se aplica al mdulo de

temperatura es de 0-5 V.Puede observarse que para un valor de corriente de 4 mA se tiene un valor de

6400 bits, mientras que para una corriente de 20 mA el valor de 32000 bits.

El tipo de salida ser analgica unipolar.

No habilitar alarmas

Luego tomar muy en cuenta en qu rango de variables est reservando para la

operacin PID, en este caso fue de entre VB0 hasta VB119; esto significa que si

deseo realizar algn escalamiento debo trabajar desde VB120.

Despus en el control de subrutinas no habilitar y siguiente.

Luego en el programa principal se puede visualizar subrutinas; y adems en el

rbol ya aparece el PID.

Para el PID se requiere de 3 seales: PV, SP y OUT.

B) CONECTAR EL PLC SIEMENS CPU 224, EL MDULO DE I/OANALGICAS Y EL MDULO DE TEMPERATURA.

Para este caso se tendr en cuenta lo siguiente:

Conectar el PLC con su respectivo mdulo y puentear M con M y L con L

respectivamente, ya que se debe alimentar el mdulo de I/O analgicas.

M0 y A- se conectan a tierra.

A+ del mdulo de I/O analgicas se conecta a V/I del mdulo de temperatura.


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V0 se conecta al mdulo de temperatura para realizar el control de la variable

de temperatura.

Conectar el cable PPI.

Cargar el programa al PLC y correr el programa.

FIGURA 5 . Programa de Control PID para un proceso de control de

temperatura con PLC SIEMENS CPU 224.


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FIGURA 6 . Panel de Control de Sintona PID en modo de Autosintona, se

observa que el valor de PV (Process Value ) color rojo es cas el mismo valor

del SP(Set point) color verde.


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5. CONCLUSIONES Con la realizacin de la prctica se observ que el PLC SIEMENS CPU

224 tiene opcin PID en modo de autosintona y en modo manual. En el

primer caso las variables se sintonizan automticamente luego de unos

segundos y en el segundo caso es necesario en base a un criterio determinar

los valores de las constantes de proporcionalidad, integral y derivativa.

Cuando se realiz el programa con el software STEP 7 para el PID serequiere de 3 seales estas fueron: SET POINT, PROCESS VALUE y

SALIDA DE CONTROL; en la que se observ que el PID reserva desde el

valor VB0 hasta el valor VB119, esto implica que en el caso de requerir

algn escalamiento o cualquier otro tratamiento de las seales se debe

hacerlo a partir de VB120. El STEP 7 Micro Win di la posibilidad de que el panel de control de

sintona PID nos permita visualizar las tres seales Set Point, Process Value

y Salida de Control como se observa en la figura 6; en la cual al proceso de

temperatura se le insert perturbaciones pero el Control PID respondi muy

bien, esto puede ser debido a que la caracterstica del proceso es lento, pero

si el proceso fuera rpido puede ser que no exista un buen control de la

variable medida.

Se observ que el lmite superior fue de 32000 bits para una corriente de20mA y de 6400 bits para una corriente de 4 mA; no como se pensaba que el

lmite era de 32767. Adems que por defecto la banda de proporcionalidad

es de 0 a 100%.

6. RECOMENDACIONESo Se recomienda realizar correctamente la alimentacin del mdulo de I/O

analgicas segn se indic en el literal B del procedimiento.

o Se recomienda tener precaucin de revisar los valores que reserva el PIDpara su funcionamiento, como en este caso fue desde VB0 hasta VB119.

o Verificar que el PLC est trabajando en modo terminal.


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o Se recomienda que se guarde los cambios luego de la autosintona y sevuelva a cargar el programa.

7. BIBLIOGRAFAhttp://es.wikipedia.org/wiki/Proporcional_integral_derivativo

Apuntes de Control de procesos, Ing. Edwin Pruna, ESPE 2011
http://es.wikipedia.org/wiki/Proporcional_integral_derivativohttp://es.wikipedia.org/wiki/Proporcional_integral_derivativo

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