Formatos de Controladores PID: Stand Alone, PLCs, DCS, FieldBus

Hoy en dia casi todos o la mayoría de controladores PID en servicio son digitales. Estos controladores digitales tienen ademas diversas caracteristicas adicionales como comunicacion con redes, multilazos, protocolos de campo, redundancias etc. En muchos casos son controladores o procesadores, que incluyen la funcionalidad de PID o no al revés.

 

Controladores Digitales Stand-alone

La forma mas básica de un controlador PID, físicamente hablando, son estos controladores que se montan en campo con capacidad de uno o algunos lazos de control PID. Generalmente, cuando se realizan migraciones de controladores neumáticos o analógicos, estos se sacan y se adaptan estos nuevos controladores digitales. En apariencia son muy parecidos pero con mayores prestaciones.

Un ejemplo de un modulo controlador de panel es el Siemens 353 (antes Moore 353)

Este controlador, como otros varios controladores digitales, son programados en lenguaje de bloques. Cada bloque de funcion en el controlador es una sub-rutina con una funcion especifica, asi mismo cada bloque tiene un set de parametros que nos ayudan a configurar su comportamiento. Por ejemplo, podria tener parametros que especifican si un controlador es inverso o directo, la ganacia Kp, limites en la salida, etc.

pid-bloques

Este tipo de controladores tiene la capacidad de comunicarse sobre Ethernet, esto ayuda a que personal de mantenimiento se conecte remotamente y configure desde una computadora. O permita adquirir informacion para paneles HMI en salas de control.

 

Control Digital Directo (PLCs)

Si tenemos un microprocesador de alta gama o velocidad, podra ejecutar mas de 01 algoritmo PID sin problemas. No solo hacer control multilazo sino que podria tener capacidades de almacenar informacion, transferir data y tener comunicacion en red. Un solo computador puede ejecutar multiples lazos PID, asi como hacer que la informacion este disponible entre lazos (para implementar estrategias de control cascada, ratio, feedforwad, etc), y accesible mediante redes para acceso a operadores y tecnicos.

Un ejemplo tipico de controlador DDC a nivel industrial son los controladores logicos programables (PLCs) para controlar multiples lazos. Los PLCs originalmente se inventaron para realizar control discreto (on/off), pero debido a su crecimiento en capacidades pueden ejecutar control analogico como controladores PID. En la siguiente figura se muestra un PLC de alta gama, el ControlLogix de Allen Bradley usado para controlar la operacion de una turbina. Se muestra el PLC (parte superior) y todos sus componentes, bloques terminales y accesorios:

pid-plc

Una ventaja del uso de los PLC para controlar lazos analogicos es la facil integracion con controles discretos. Por ejemplo, es facil integrar una secuencia de arranque o parada para habilitar o deshabilitar la operacion controladores PID, todo dentro del mismo PLC. Sin embargo, en muchos PLCs incluso hoy en dia vienen con pobres implementaciones de PID.

 

Sistemas de Control Distribuido (DCS)

Un DCS usualmente tiene multiples controladores o computadoras, cada una responsable de un parte de lazos PID, distribuidos en la planta insdustrial y comunicados para compartir informacion uno de otros y con consolas de operacion (HMI). Los DCS incluyen casi siempre el concepto de redundancia, donde el hardware de adquisicion de señales y procesamiento son equipados con unidades de “repuesto” o “spare” que automaticamente toman el control si las funciones del dispositivo primario falla.

La siguiente ilustracion muestra una arquitectura de DCS tipica:

DCS

Cada “rack” o modulo de control contiene un procesador para implementar todas las funciones de control, con tarjetas de entrada y salida I/O para recibir las señales de campo. Redundancia de procesadores, cables de red redundantes, redundancia de red de control, incluso redundancia de tarjetas I/O, hacen que este preparado ante cualquier falla en componentes.

A continuacion algunos DCS modernos en la actualidad (2018):

  • ABB 800xA
  • Emerson DeltaV and Ovation
  • Foxboro I/A – Foxboro Evo (Schneider Electric)
  • Honeywell Experion PKS
  • Yokogawa CENTUM VP and CENTUM CS

dcs-brands

 

Control en los instrumentos: Fieldbus

En los ultimos años apareció, junto con el estandar Foundation Fieldbus, el concepto de proveer capacidades de procesamiento extras a los instrumentos de campo (transmisores o valvulas) para realizar control sobre el proceso. Foundation Fieldbus es el primer estandar en implementar este concepto, y que es abierto es decir cualquier fabricante puede implementarlo en sus equipos. Esto tambien significa que un transmisor Smar trabajara bien con una valvula FF de la marca ABB.

Para ilustrar el concepto de fieldbus, veamos este sistema de control de flujo:

field-bus-control

 

Aqui el dispositivo de acople o “megablock” sirve como punto de union de los cables que vienen de los instrumentos (transmisor, posicionador de valvula) y el sistema host. En FF, la energia y comunicacion se realiza mediante el mismo par de cables trenzados. En este caso el sistema host provee la energia DC a los instrumentos para funcionar, mientras que la comunicacion es realizada primariamente por el transmisor y el posicionador (casi sin necesidad o invoucramiento del sistema host).

Como en los DCS, los instrumentos FF son programados usando lenguaje de bloques. En este caso, debemos tener una entrada analogica (para la medida del transmisor), un bloque PID, y una salida analogica (para el posicionador de la valvula) para completar el sistema de control de flujo.

El bloque AI (analog input) reside en el transmisor, y el bloque AO (analog output) debe residir en el posicionador. Sin embargo, el bloque PID podria estar en cualquiera de los dos instrumentos.

field-bus-control-2

Puede haber razones practicas para elegir la ubicación del PID (transmisor o posicionador) como por ejemplo limitaciones de comunicacion fieldbus o confiabilidad, sin embargo conceptualmente no hay limitaciones y este tipo de sistemas es altamente flexible.

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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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