Caracteristicas Practicas de Controladores PID

PID_caracteristicas

Para que un controlador PID sea practico o usable, debe tener mucho más que simplemente su ecuación. En este parte vamos ver y explicar características básicas que se encuentran en la mayoría de controladores PID (pero no todos).

  • Modo automático y manual
  • Tracking de salida
  • Tracking de setpoint
  • Alarmado
  • Límites de setpoint
  • Límites de salida
  • Seguridad en parámetros de sintonía.

 

Modo Manual / Automático

Cuando un controlador continuamente calcula la salida en base a la PV y SP en el tiempo, se puede decir que está trabajando en modo automático. Este modo es el estado normal del controlador para controlar el proceso. Sin embargo, hay ocasiones que el operador requiere trabajar manualmente “sobre escribiendo” la acción automática del PID. Estos casos podrían ser arranques o paradas de planta, emergencias, procedimientos de mantenimiento, etc. Cuando ocurre esta acción de sobrescribir manualmente la salida del controlador desde la consola de operación HMI, viene a estar en modo manual.

Un uso común del modo manual se da cuando un instrumentista necesita desconectar un transmisor de proceso para calibración o reemplazo, la señal de entrada al controlador no estará disponible y no puede dejarse en modo automático. En este caso, un operador en campo reportara la condición real del proceso y el operador en panel de control moverá manualmente el elemento final de control según corresponda o el mismo operador en campo moverá válvulas manuales, hasta que el mantenimiento acabe.

Una extensión de este “modo” aplica a controladores configurados para recibir el setpoint desde otro dispositivo (llamado setpoint cascada o remoto). En adición a los modos automático o manual, el modo cascada sirve para decidir o cambiar el setpoint del controlador que venía siendo cambiado por el operador, pero ahora será cambiado remotamente o vía control cascada.

 

Tracking de setpoint y salida

Los modos automático/manual crean una serie de problemas en un controlador PID. Si, por ejemplo, un controlador PID es cambiado de automático a manual por el operador, y entonces la salida es ajustada manualmente a algún nuevo valor, ¿cuál será la salida del controlador cuando el operador ponga en automático nuevamente el controlador PID? En algunos diseños de controladores PID (o PIDs no configurados adecuadamente), el resultado será que habrá un “salto” o cambio brusco desde el valor de salida puesto en manual al valor de salida que calcula el PID en automático. En otras palabras, el PID nunca se detiene y sigue calculando la ecuación, incluso en manual, ¡y por tanto al pasarlo en automático pone su valor calculado en la salida inmediatamente!! Peligroso.

Esto puede ser molesto para el operador y peor peligro para el proceso. Imaginemos, por ejemplo, un controlador PD (sin acción integral) está funcionando en modo automático con un valor bajo de salida, lo que hace que la PV este en un valor muy bajo del setpoint deseado. Entonces el operador poner el controlador a manual y entonces cambia la salida a un valor mayor, cuando la PV está cerca del setpoint el operador cambia nuevamente el controlador a automático, esperando que la ecuación del PID empiece a trabajar desde este nuevo punto de proceso. Sin embargo, en un controlador sin buena configuración, la salida regresara a algún valor más bajo del dejado en modo manual, en un valor que la ecuación del controlador PD calcule para este nuevo valor de PV y SP.

Una funcionalidad diseñada para liderar con este problema, que de hecho yo considero que fundamental o esencial en cualquier controlador, es llamada output tracking o seguimiento de salida. Con tracking en la salida, el valor de bias del controlador se desplaza todo el tiempo cuando es puesto en modo manual y su salida es cambiada manualmente. Por tanto, cuando el controlador se pone de modo manual a automático, la salida no “salta” inmediatamente a algún valor previamente calculado, en cambio se mueve desde el ultimo valor manual fijado e inicia su cálculo desde ese valor con la ecuación PID. En otras palabras, no hay ningún cambio brusco en la salida.

Una aplicación del tracking en la salida podría su uso para evitar la integral wind-up (que explicamos en videos anteriores).

Una funcionalidad similar al tracking en la salida, es el setpoint tracking. El propósito del tracking de setpoint es igual el SP y la PV cuando el controlador esta en modo manual, para que cuando el controlador regrese a modo automático, este empiece su cálculo automático sin error (PV = SP).

Por ejemplo, esta funcionalidad es muy útil durante arranques de planta, donde el controlador podría tener dificultadas en controlar el proceso en condiciones no usuales. Los operadores normalmente prefieren poner en manual algunos controladores hasta que el proceso se estabilice en condiciones normales. Cuando se habilidad el tracking de setpoint, el setpoint del controlador se mantendrá igual al valor de PV (sin importar que valor sea) mientras este en modo manual. Cuando se cambia a modo automático el valor de setpoint SP será el último valor de la PV en modo manual y el controlador continuará su control de la PV a este valor de SP. Por supuesto el operador es libre de cambiar el valor SP en modo automático si así lo desea o requiere la operación.

Sin el tracking de setpoint, el operador tendría que ajustar manualmente el setpoint antes de cambiar el controlador a modo automático, para asegurar que el controlador mantenga la variable de proceso al valor deseado. Esto muchas, pero muchas veces, evita que hay más de una perturbación innecesaria o peligrosa en el proceso (operador se olvida de poner el SP adecuado).

A diferencia del tracking en la salida, en donde no hay razón para NO tener esta funcionalidad presente en un PID, existen algunos casos en los cuales no se desea habilitar el tracking de setpoint. En algunos procesos el valor de setpoint debería o se desea que este fijo y que nunca cambie, por ejemple en niveles de tanques podría quererse que el setpoint siempre este en 50% todo el tiempo, incluso si el controlador es cambiado a manual.

 

Capacidades de alarmado

Una funcionalidad común en muchos sistemas de control es la habilidad para alertar a los operadores o al personal de operaciones condiciones de proceso anormales. El término genérico para esta funcionalidad se llama alarma, las alarmas de proceso podrían dispararse por cambios en el proceso que podrían ser cambios abruptos y/o qué significan condiciones muy anormales y peligrosas (por ejemplo, alta temperatura, alarmas de bajo nivel alarmas de bajo flujo, etc.).

Dado que los controladores PID son diseñados para recibir medidas o input del proceso (PV), tiene mucho sentido que estos controladores vengan equipados con capacidades o funcionalidades de alarmado. No solamente es muy fácil implementar alarma la variable de proceso (alarmas altas o muy altas) en los controladores PID, sino que también se puede implementar fácilmente alarmas por desviación. Una alarma por desviación es una alarma que se dispara cuando hay una excesiva desviación entre la PV y el setpoint, por ejemplo. Este tipo de alarma significa que hay problemas con el control dado que normalmente el setpoint y la PV tienen que estar en un mismo valor casi todo el tiempo.

Generalmente las capacidades de alarma se encuentran muy bien implementadas en los sistemas de control distribuido DCS modernos, donde vía los sistemas de comunicaciones los controladores pueden enviar todo tipo de alarmas hacia los sistemas de administración de alarmas para su atención. No solamente las alarmas pueden accederse virtualmente desde cualquier ubicación en un DCS, sino que vienen estampadas con el tiempo exacto en el cual fueron disparadas para un mejor análisis dado que esto es extremadamente importante para analizar eventos de emergencia y para asegurar que tengamos un proceso seguro.

 

Limitación de salida y setpoint

En algunas aplicaciones podrían no ser deseable que se permita al controlador que automáticamente mueva al elemento final de control (como una válvula o un variador de velocidad totalmente) de 0 hasta el 100%, en estas aplicaciones podría ser útil limitar esta salida en un rango mucho más bajo. Por ejemplo, un controlador de flujo podría ser configurado para tener un mínimo de salida del 5%, dado que no es posible tener un control preciso más abajo del 5% de la posición de abierto para mantener un mínimo flujo en una bomba. La válvula podría cerrarse completamente (0%) de su posición en modo manual, pero no en modo automático por temas de seguridad de la bomba.

De manera similar los valores de setpoint podrían internamente estar limitados o podrían configurarse para estar limitado en algunos controladores PID en el cual el operador no puede ajustar el setpoint arriba o debajo de algún límite de seguridad. En el caso o en el evento que la variable proceso deba salirse de esos límites de setpoint el controlador podría ser puesto en modo manual para llevar esta variable manualmente hacia el estado deseado por el operador.

 

Seguridad

Es muy justificable que haya ciertos niveles de acceso a los parámetros y configuraciones de los controladores PID, por ejemplo, el personal de operaciones necesita acceso a cambiar los setpoint y los modos manual y automático, pero podrían estar limitados para cambiar las constantes de sintonización del controlador y sus límites de salida. Igualmente, los técnicos instrumentistas de campo podrían requerir acceso a los parámetros de sintonía de los controladores PID, pero por responsabilidad o función podrían estar solamente restringidos para visualización y sólo la edición de estos parámetros podrían ser programados por el staff de ingeniería o técnicos especializados.

Casi todos los controladores PID tienen alguna forma de control de acceso por seguridad permitiendo diferentes niveles de permisos para alterar ciertos parámetros de los controladores y sus configuraciones. En algunas plantas industriales los parámetros de sintonía son cambiados exclusivamente por ingenieros de proceso y nunca cambiados por los técnicos instrumentistas u operadores. En otras plantas, las políticas indicas que los técnicos instrumentistas tienen acceso total de los parámetros PID.

Cuando hablamos de control de acceso de seguridad es mucho más que relacionarlo con sólo conocimiento o habilidad para configurar algo, la seguridad es una tarea que delimita literalmente la responsabilidad de un sistema u otro. En otras palabras, las restricciones de seguridad existen para excluir aquellos que no tienen responsabilidad sobre un sistema o equipo. Claramente el conocimiento y la habilidad son necesarias para tomar esta responsabilidad. Dependiente de las políticas de cada planta industrial se brindan las autorizaciones para acceder a configuraciones de controladores o sistemas, y basado en esto se brindan los entrenamientos respectivos.

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Soy un apasionado Ingeniero Electrónico con especialización en Automatización, Control e Instrumentacion Industrial. Me encanta aprender cada dia, y sobre todo compartir mis conocimientos con el resto del mundo.

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