En el mundo de la automatización es muy común escuchar hablar de control PID (proporcional, integral y derivativo). No deja de ser un mecanismo/algoritmo que nos permite regular una variable de proceso, por ejemplo; velocidad, temperatura, presión o flujo.
El objetivo de su implementación es estabilizar esta variable a un valor deseado.
No obstante, en la mayoría de autómatas actuales, es posible implementar uno o varios controles PID en el programa del PLC. Sin necesidad de hardware adicional, más que las unidades de E/S que van a interactuar con el proceso...
¿CÓMO FUNCIONA?
El PID es un mecanismo de control que trabaja en lazo cerrado (con realimentación para tener feedback del estado del proceso). Lo que hace es calcular la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado para poder ajustar el comportamiento de un actuador que modifica el estado del sistema.
Como se puede ver en el diagrama, las variables que entran en juego en este sistema de control son las siguientes:
Normalmente trabaja en unidades del sistema a controlar.
Es indiferente en que unidades trabaje (normalmente, en % por defecto).
Nos da el valor actual del sistema mediante un sensor. La diferencia entre SP y PV nos permite obtener el error que tiene el proceso en cada muestra, y este dato es el que utiliza el PID para la regulación.
Tiene que tener las mismas unidades que el SP.
Entonces, queda claro que el control PID utiliza el error actual en el proceso para modificar la MV y corregirlo. Para ello, el algoritmo trabaja con tres constantes de control que realizan distintas acciones:
- Integral (Ki) depende de los errores pasados: Nos permite eliminar el error en régimen permanente.
- Derivativo (Kd) es una predicción de los errores futuros: Permite estabilizar el sistema frente a perturbaciones puntuales en la respuesta.
Al aumentarla responde más bruscamente frente a la variación de la carga, pero puede llegar a tener el efecto contrario al esperado.
Destacar que algunas aplicaciones pueden requerir únicamente una o dos acciones de control (las demás a cero), dando pie a controladores PI, PD, P o I.
Por ejemplo, los controladores PI son particularmente comunes, pues la acción derivativa es muy sensible al ruido y en ocasiones es mejor no implementarla.
¿PROGRAMACIÓN EN PLC?
Normalmente, los PIDs pueden programarse en el PLC mediante bloques de función (FB) o funciones (FUN) desarrolladas por el fabricante.
La filosofía de trabajo es la misma en cualquier autómata, pero no existe un estándar establecido. Las funcionalidades y el funcionamiento interno del FB/FUN puede variar mucho entre distintos autómatas.
Por ejemplo; el periodo de muestreo, los límites de la salida MV, etc.
Por lo que respecta a las constantes de control (Kp, Ki y Kd), siempre pueden configurarse manualmente (por prueba-error o haciendo la modelización del sistema).
No obstante, es muy común que el PID disponga de una opción de autotuning.
Consiste en realizar un ensayo con el sistema a controlar, que permite al bloque calcular las constantes más adecuadas según su dinámica.
La salida MV suele estar pensada para actuadores continuos, pero en ocasiones podemos requerir un actuador discreto. Es decir, que solo tenga dos estados (encendido y apagado). Para estos casos, el mismo bloque puede incorporar una salida booleana o se debe utilizar una instrucción adicional para convertir la MV a un tren de pulsos...
No se trata simplemente de un control de histéresis... Consiste en un algoritmo, como el de una señal PWM, que enciende y apaga el actuador durante períodos proporcionales al esfuerzo de control deseado (es decir, la MV).
¿PRECAUCIONES?
El refresco de las E/S del PID dependerá del ciclo de SCAN del PLC. Si nos encontramos con un sistema con una dinámica muy rápida, puede que nos afecte un tiempo de ciclo demasiado elevado en el autómata.
Una posible solución pasa por programar una interrupción cíclica en el PLC. De este modo, podremos asegurar el refresco de las E/S del bloque de forma períodica..
Si las constantes de control (Kp, Ki y Kd), no tienen valores adecuados para el sistema, nos arriesgamos a obtener como resultado una regulación incorrecta.
En el peor de los casos, el sistema puede volverse inestable y no estabilizarse nunca al valor de SP consignado.
Por esta razón es tan recomendable el autotuning. Pero si no disponemos de esta funcionalidad, hay métodos de cálculo que nos permiten hallar valores adecuados para estas constantes (p.e. Ziegler-Nichols).
En ocasiones, para sistemas complejos y con requerimientos específicos, el FB/FUN del PLC puede estar limitado a nivel de funcionalidades, ajuste...
Es en estos casos cuando se debe pensar en la utilización de un instrumento PID independiente como el que se comentaba al inicio del artículo.
¿EJEMPLOS DE APLICACIÓN?
Seguidamente se expondrán un par de ejemplos de sistemas básicos en los que suele requerirse la implementación de PID para controlarlos:
· Aplicación de bombeo: Control de presión.
SP - Valor fijado en programa de PLC - bar
PV - Sensor de presión conectado a entrada analógica - bar
MV - Salida analógica conectada a variador como consigna de frecuencia - Hz
· Aplicación de sellado: Control de temperatura.
SP - Valor que introducido por HMI - ºC
PV - Pt100 conectada a entrada de temperatura - ºC
MV - Salida digital conectada a relé de estado sólido - ON/OFF
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