Sistemas Automáticos.
José Ignacio Armesto Quiroga. Celso Fernández Silva.
Emma Delgado Romero.
2008 – 2009
Universidad de Vigo
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática URL: http://www.disa.uvigo.es/
Department of Systems Engineering
TEMA 3
TEMA 3:
Reguladores Industriales.
• Tipos de consigna, entradas y salidas. • Acondicionamiento y filtrado de señales. • Desconexión-conexión de la acción integral. • Conmutación manual-automático
• Modos de regulación
La mayoría de los reguladores industriales permiten la
introducción del valor de consigna SP (Set Point) de formas distintas:
Mediante teclas o mandos del panel frontal (consigna interna) Mediante una entrada analógica o un canal de comunicaciones
(consigna externa)
La consigna de seguridad de un regulador industrial puede
entenderse como:
El valor máximo o mínimo que puede alcanzar la consigna
El valor de consigna al que conmuta el regulador en caso de
algún tipo de avería o alarma
Tipos de consigna, entradas y salidas. Consignas
Es imprescindible que el regulador disponga de, al menos, una
entrada, que será la correspondiente al valor de la variable a
regular PV (Process Variable). Este valor es proporcionado
por un sensor.
Las entradas pueden ser:
Analógicas (en tensión o en corriente).
Digitales (control a distancia del regulador, modo alarma, ...)
Puesto que la temperatura es una de las variables más
reguladas, es frecuente que el regulador disponga de entradas específicas para sensores de temperatura (PT100, termopares, etc...)
Otro tipo de entradas son los puertos de comunicación.
Tipos de consigna, entradas y salidas. Entradas
Es imprescindible que el regulador disponga de, al menos, una
salida, que será la correspondiente a la actuación del regulador. Éste trata de anular el error actuando sobre la señal de salida (señal de mando u) la cual, mediante el actuador, influencia a la variable regulada.
Las salidas, al igual que las entradas, pueden ser:
Analógicas (en tensión o en corriente)
Digitales (señalización alarmas, eventos, ...)
Otro tipo de salidas son los puertos de comunicación.
RS-232, RS-485, ...
Buses de Campo: PROFIBUS-DP, Interbus-S, ... Ethernet
Tipos de consigna, entradas y salidas. Salidas
Diferencia de regulación
Local / Remoto
Led de Local / Remoto
SP + SP
-Led de Manual / Automático
Manual / Automático Led de SP en visualizador Led de PV en visualizador Selector de visualización Parametrización/Estructuración Visualizador de SP, PV, A1, A2 Visualizador de actuación Actuación manual -Actuación manual +
Led de valor mínimo alcanzado
Led de valor máximo alcanzado
Regulador industrial Sipart DR20 Vista frontal
Bornero de conexión con entrada/salida en corriente Conector de tensión de red Tarjeta de entrada/salida en tensión Hueco para tarjeta serie/profibus BA BE AE2 AE1 Iy M AE3 Regulador industrial Sipart DR20
Los procesos a regular disponen de sensores que
proporcionan un cierto nivel de ruido y que no siempre son compatibles con los convertidores A-D a utilizar.
Por ello, es importante que el regulador disponga de:
- Elementos acondicionadores de señal - Filtros de entrada
En algunas ocasiones es interesante disponer de la
posibilidad de linealización del valor de las variables de entrada en cierto rango.
Acondicionamiento y filtrado de señales. Ruido y linealización
Las técnicas anti-reset (Anti-Windup) sirven para evitar los
efectos negativos de la acción integral en los reguladores PID.
Cuando se conecta el regulador, mientras el error no es nulo,
la acción integral puede llegar a saturarse y, en ese caso, permanece en dicha situación hasta que se produce un cambio de signo en el error.
Al estar saturado, la respuesta del regulador ante variaciones
en la entrada se vuelve más lenta y con más sobreoscilación. Desconexión-conexión de la acción integral.
Técnicas anti-reset (Anti-Windup):
Integración condicional
Limitación del término integral Regulación condicional
Seguimiento integral (Tracking)
Desconexión-conexión de la acción integral. Técnicas anti-reset (II)
Desconexión de la acción integral al detectar saturación en la salida del regulador (Sipart).
PD I + Detector Saturación -r u y v
Desconexión-conexión de la acción integral. Integración condicional
SP
PD I + -r u y
PID no lineal e invariante
Los límites los impone la intuición del diseñador Límites fijos para un actuador
Fuera del rango permitido no se sigue integrando
Desconexión-conexión de la acción integral. Limitación del término integral.
SP
Regulador proporcional para todos los valores de error excepto en una franja en la que se comporta como PID.
t y(t) Ref Ref+ε Ref-ε P PID P
Esta técnica tiene un efecto muy apreciable, aumentando generalmente la estabilidad y rapidez de respuesta.
Desconexión-conexión de la acción integral. Regulación condicional
Si el actuador está saturado, la salida del regulador difiere de la salida del actuador y la señal et es distinta de cero. et se realimenta y conduce la salida del integrador de forma que et se haga cero. La constante de tracking Tt permite ajustar el tiempo de recuperación de la integral y se suele escoger de forma que Td<Tt<Ti.
Dos entradas Desconexión-conexión de la acción integral. Seguimiento integral (Tracking)
La mayoría de los reguladores industriales pueden funcionar
en modo manual (controlada por el operario a través del panel de mando) o automático (controlada por el algoritmo de regulación empleado).
Al conmutar entre ambos modos de funcionamiento, la señal
de mando cambiará de origen y es muy probable que se produzca un cambio brusco de la misma, lo cual es altamente indeseable.
Para evitar esta situación, se suele realimentar la actuación
del regulador. Esta técnica se conoce como “conmutación sin golpes” (bumpless).
Conmutación Manual-Automático. Introducción
I P + r u y D MAN AUTO uP Si e = 0 uP = uD = 0 v = u – uP = u Si e ≠ 0 uP ≠ 0 v = uP + (u – uP) = u e uI uD v v = u + uI = 0 Conmutación Manual-Automático. Bumpless (I) SP PV
r u y PD MAN AUTO v + 1 Tt Kp Ti 1 s 1 s 1 Tt + + 1 Tm uI uM Conmutación Manual-Automático. Bumpless (II) SP PV
Otra forma de clasificar los reguladores industriales es mediante su modo de regulación, es decir, su situación en el bucle de control y el papel que juegan en el mismo, así como su relación con otros reguladores. Además de la configuración serie clásica (Feed-back), existen otras como:
Regulación con Seguimiento Regulación en Cascada
Regulación Selectiva (Override)
Regulación Anticipativa (Feed-forward) Regulación Fraccional (Ratio)
Regulación Multivariable Modos de Regulación.
Cuando dos bucles de regulación pueden trabajar uno o los dos y, en el caso de que funcionen ambos, no lo puedan hacer de forma independiente se utiliza el modo seguimiento. En este modo la salida del regulador secundario ha de seguir una señal de mando externa. Una señal digital del principal al secundario informa a este último si deben funcionar los dos bucles o solo uno. Regulador principal Regulador secundario Sensor Modos de Regulación. Modo Seguimiento
♦ La señal de salida de un regulador se utiliza para obtener la consigna de otro. ♦ Es necesario que exista alguna variable intermedia del proceso que pueda ser
medida y algún punto en donde se pueda actuar sobre ella. Entonces el proceso se divide en dos: primario y secundario, con un regulador para cada parte. Cada regulador tiene su propia consigna y variable a regular, pero sólo el EXTERIOR tendrá la consigna independiente (controlable por el operador).
♦ El bucle interior puede manejar las perturbaciones antes de que se transmitan al
bucle exterior, así como reducir los efectos de posibles no linealidades, lo que se traduce en un aumento de la estabilidad y en una respuesta más rápida del bucle exterior. Para un buen aprovechamiento de este método es necesario que el bucle interno sea más rápido que el externo.
REGULADOR INTERIOR PRIMARIO SENSOR -+ SECUNDARIO REGULADOR EXTERIOR -+ Consigna PROCESO Modos de Regulación. Regulación en Cascada
En la regulación selectiva sólo se regula la variable del proceso que no
puede rebasar unos límites establecidos por economía, eficiencia o seguridad y sólo se dispone de una señal de mando.
El regulador dispondrá de un selector que le indicará la variable a regular en
cada momento. Se utiliza generalmente en las protecciones de sistemas o instrumentos.
Modos de Regulación.
En este modo, la señal de mando es suma de dos señales. Una es función del
error entre consigna y respuesta ("feed-back"). La otra contrarresta el efecto de las perturbaciones sobre el proceso ("feed-forward").
En este modo de regulación es preciso captar las señales perturbadoras y
cuantificar, a priori, el efecto que éstas pueden tener sobre el proceso.
REGULADOR FEEDBACK PROCESO SENSOR -+ + Consigna REGULADOR FEEDFORWARD + Señal mando Perturbaciones SENSOR Respuesta Modos de Regulación.
Pretende mantener una relación prefijada entre dos o más
variables, actuando el regulador solamente sobre una de ellas.
Tiene especial utilidad en procesos químicos, donde han de
mezclarse dos o más componentes en proporciones prefijadas. REGULADOR FRACCIONAL PROCESO SENSOR -+ X Y K SENSOR Fracción selecionable Consigna Modos de Regulación.
Los procesos de control típicos suelen tener un bucle de control sencillo con una única consigna, un único actuador y una única variable a regular. Sin embargo, en la práctica, los procesos reales poseen múltiples bucles de control, interaccionando unos con otros, de forma que la variación de una determinada señal de mando puede afectar a más de una variable
regulada. Cuando cada uno de los bucles se puede ajustar de manera independiente se dice que la
interacción es benigna, no existiendo problemas de estabilidad debidos a los otros bucle.
Modos de Regulación.
[ESPADA-98] A. Espada Seoane, “Reguladores Industriales Universales”. Vigo, 1998. [SIEMENS-98] Manuales electrónicos Sipart DR20. Siemens, S.A. (1998).
[SIEMENS-03] Manual electrónico Siemens, “Sipart DR19 6DR 190*--* Manual”. Edition 04/2003. Bibliografía.