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Emulación de sistema de control PID para variables industriales
¿Para qué sirve esto?
La aplicación de la emulación del sistema de control PID para variables industriales, tiene como objetivo principal de poder emular un sistema de primer orden en el dominio de Laplace junto a un control PID para realizar las respectivas pruebas y análisis del comportamiento sobre una variable a controlar en una planta.
La aplicación fue diseñada en el entorno de Studio 5000 Logix Designer, En lenguaje de Funtion blocks, donde se construyó el entorno que emula el sistema de primer orden en el dominio de Laplace, su control PID y un entorno de perturbaciones, todos juntos considerándose los principales criterios de trabajo para estas pruebas de control de variables clave en los entornos industriales. Para esta aplicación se tiene la opción de trabajar la opción del control vía digital con FT Logix Echo, o por el contrario conectarlo a nuestro PC/Laptop probando descargar el programa respectivo en un controlador físico que se tenga a disposición. En esta primera versión de la aplicación, la clave estará en el monitoreo a través de las gráficas que genera la emulación de todo el sistema con las variables a controlar y de proceso que el usuario desee trabajar.
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Existen muchas variables de la industria que responden de la manera que se observa en el sistema planteado en la aplicación: Temperatura, Presión (Con la que trabajaremos la explicación y el caso ejemplo de uso), Velocidad, Nivel, etc. Es bastante práctico trabajar el modelamiento de estos sistemas de primer orden principalmente por su simplicidad matemática (facilitando el diseño de los controladores PID), tolerancia de aproximación adecuada y una fácil identificación de sus parámetros y coeficientes.
La aplicación se convertirá en una herramienta de bastante utilidad para los equipos de control y automatización de las plantas, integradores y demás actores relevantes en los sistemas de control industriales, ya que permitirá que se realicen los ensayos pertinentes para identificar la mejor forma de controlar esas variables claves de sus sistemas, como, por ejemplo, identificar en cuanto tiempo se estabiliza la planta que estamos trabajando para controlar según las variables de cada respectivo proceso. Todo esto previamente a las pruebas que se hacen en piso de planta y ante la puesta en marcha del sistema.
Este tipo de aplicación es importante porque los usuarios podrán construir y ajustarla de tal manera que se convierta en una herramienta práctica de capacitación tecnológica para uso con sus propios equipos y por supuesto como entornos para ciertas pruebas técnicas de concepto que faciliten el desarrollo de futuros proyectos.
¿Cómo puedo hacerlo funcionar?
| item | Requerimiento | versión |
|---|---|---|
| 1 | Studio 5000 Logix Designer | 37.01 o superior |
| 2 | FactoryTalk Logix Echo | 3.00 o superior |
| 3 | OPCIONAL - Rockwell Controller (CompactLogix,ControlLogix) | Se puede realizar la prueba del sistema con un controlador Rockwell conectado al entorno de programación del Studio 5000. |
Conocimientos Prácticos Requeridos
Conocimientos básicos de programación y configuración en el software Studio 5000 Logix Designer y FT Logix Echo y conocimiento en funcionalidad y parametrización de controladores Allen-Bradley.
Conocimientos Requeridos Teóricos
- Sistemas de primer orden en el Dominio de Laplace
Un sistema de primer orden tiene una función de transferencia típica de la forma:
Este tipo de sistema responde de manera exponencial a una entrada escalón, sin oscilaciones, y con una única constante de tiempo.
- Controlador PID - El controlador PID tiene tres componentes:
- Como interactúan el PID y el sistema de primer orden
Cuando se conecta un PID a un sistema de primer orden, el objetivo es modificar la respuesta del sistema para que cumpla con ciertos criterios de desempeño, como:
- Tiempo de respuesta más rápido.
- Menor sobrepaso.
- Eliminación del error en estado estacionario.
- La función de transferencia del sistema en lazo cerrado se convierte en:
Links of Interest (internal or external) - Function Block Properties Dialog Box - General Configuration Tab Overview (PIDE)
Guía de Implementación
Paso 01
Habilitar nuestro controlador emulado en FT Logix Echo
(Opcional) Conexión del controlador a nuestro PC/Laptop.
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Añadir el controlador, y posteriormente asignarla una dirección IP para la respectiva conexión en el entorno de Studio 5000.
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Paso 02
1 - Descargar archivo Aplicación -> APP_Innovation_Center_PID_First_Orden.ACD
2 - Abrir en Studio 5000 Logix Designer
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_Picture2
3 - Apuntar nuestro proyecto/programa al controlador iniciado en FT Logix Echo
- Identificarlo con la función Who Active del Studio 5000
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- Realizar la conexión correcta con el controlador emulado y descargar el programa en el respectivo controlador
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Paso 03
Validaciones de Bloques funcionales del programa y entendimiento del uso de este mismo.
Para el ejemplo que actualmente corre el archivo, se emulo una planta con su sistema de control, donde las dos variables claves del proceso son: Variable: presión – Variable de Proceso (que trabajaría a través de por ejemplo una bomba) junto a un sistema equipo de control liderado por el controlador Allen-Bradley (ControlLogix) en adición con otro dispositivo que trabaje en función de la Variable: Frecuencia – Variable de control (como por ejemplo a través de un variador).
De una manera resumida, se estaría trabajando un sistema de control de una Bomba a través de la frecuencia dirigida por el variador para estabilizar el nivel de presión que se estaría trabajando en el sistema.
El sistema completo del programa se compone de 3 partes fundamentales:
- Bloque First Order Laplace
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_Picture5
Este bloque compone el funcionamiento en el sistema del sistema lineal de primer orden en el dominio de Laplace, que estaría emulando lo que se desarrollará como la Variable presión dentro del sistema (Justo como se estructura la ecuación puesta en la documentación en la sección anterior).
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Paso 04
Las variables en la gráfica anterior son las que se necesitan definir en este bloque del programa, la ganancia estática del sistema Kp y el tao (τ) son definidos por los valores aproximados ya previamente trabajados para esta ecuación.
Por ejemplo, los 1000 ms en el tao, están definidos por el tiempo aproximado de estabilización del sistema de primer orden. Funcionalmente al 100% de la aplicación podríamos calcular la ganancia estática del sistema aproximada:
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_formula5.jpg
La variable In, es definida por la salida del sistema de control en un valor de frecuencia que sería la que ingresaría a este bloque, luego de ser calculado completamente por el sistema.
Por otro lado, la variable out, es la salida del sistema en variable presión que luego estaría interactuando con las perturbaciones del sistema para cerrar el proceso regresando al controlador PID.
pid-control-system-emulation-for-industrial-variables_Picture7.jpg
- Bloque de Perturbaciónes
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Paso 05
Este segmento de la aplicación este compuesto de varios bloques de funciones matemáticas con el fin de lograr un modelo que genere un ambiente aproximado a la intervención dentro del sistema de “perturbaciones”. En el grafico anterior se observan 4 bloques de funciones matemáticas, el primero en el lado superior izquierdo es el bloque de Random Number, que se encarga de generar un numero aleatorio de 0 a 32000 periódicamente cada 5 segundos – es decir – estamos emulando que una perturbación estaría “afectando” nuestro sistema con dicha frecuencia de recurrencia. Los bloques de DIV y MUL, son para continuar con el procedimiento de llevar este número generado previamente a modo porcentual para luego ingresar al bloque MUL con el objetivo de que este limitado con el máximo de perturbación que definimos para el sistema emulado que sería 5bar – 0,5 (como se nota en la imagen en el source B del bloque).
Finalmente, el bloque SUB – Substract, funciona para representar el efecto que tiene la perturbación sobre la presión que se está trabajando a la salida de la bomba y cómo se comporta en general sobre el sistema, haciendo que la salida de su bloque sea la representación general de la presión que luego será el feedback y cierre del lazo que llega a nuestro siguiente bloque, Bloque Controlador PID.- Bloque Controlador PID
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Paso 06
Este último bloque de la aplicación es el encargado de realizar el control del sistema, pues el function block respectivo es para trabajar un controlador PID, los settings a configurar del bloque de control es fundamental para el correcto desarrollo de la aplicación.
- Las variables de entrada principales para comprensión del funcionamiento del bloque son:
- PV = Process Value, acá ingresa la salida total del sistema que cierra el lazo, La presión al final del modelo ya con la respectiva interacción con las perturbaciones.
- Set point(SPProg)= Acá se define el parámetro de set de presión que queremos alcanzar con nuestro sistema de control.
- CVProg= Variable Control, cuando seleccionamos el modo manual, podemos hacer uso de este campo de variable para definir, por ejemplo, en este caso, la frecuencia con la que queremos ver la respuesta y comportamiento del sistema de control.
- ProgProgReq= Esta variable es necesaria para configurar que el bloque de control trabaje en modo automático según el resto de las configuraciones que se hayan ajustado en el sistema, para dejarlo en este modo automático, se debe configurar con el bit “1”.
Manual Mode (ProgManualReq)= es la variable con la que podemos trabajar a definir el modo de funcionamiento del bloque y que se trabaje en modo manual, al igual que la anterior variable, para activar el modo Manual es necesario que esta variable este seteada con el bit “1”. Adicionalmente, solo se cambiará a este modo si los otros modos de programación están seteados con el bit “0”.
- Las variables de salida principales para comprensión del funcionamiento del bloque son:
- CV = Esta variable se ve reflejada principalmente cuando se está trabajando el bloque PID en modo manual, ya que definirá el porcentaje de salida de la siguiente variable (CVEU) de control que está trabajando el sistema, que en este ejemplo es la frecuencia, definiendo que la frecuencia según el usuario lo defina propiamente.
- CVEU = Acá se va a reflejar el valor de la variable de control definida tras los cálculos realizados y las configuraciones internas de los parámetros del bloque, por consiguiente, la salida en esta variable será en términos de frecuencia que luego se dirigirá como entrada al bloque de Laplace para continuar el proceso general.
- Las variables de entrada principales para comprensión del funcionamiento del bloque son:
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Paso 07
Posteriormente, ingresamos a las propiedades del bloque PID para identificar las selecciones realizadas para la configuración de este bloque de control y su respuesta al sistema.
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La primera vez que utilizamos el bloque de control PID, es necesario realizar el proceso de Autotune (Para este proceso se debe trabajar en modo Run Mode – controlador), ya que es fundamental para el cálculo de las ganancias del sistema (que previamente no se han realizado – en la imagen fueron bloqueados para practicidad de explicación) y demás características del bloque control que luego trabajaran en el modo automático (ProgProgReq=1). Para ellos se debe ingresar a las características del bloque (Properties – Imagen anterior), y empezar a realizar la respectiva selección según las condiciones de nuestro caso.
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Paso 08
La primera configuración relevante es la del Timing Mode (1), esta debe definirse como periódica por el funcionamiento de la tarea, como se recomienda. Luego está la Acción de Control (2), en este caso como el comportamiento de este control es una acción directa, la elección es la primera de las dos disponibles. Finalmente, la última elección es sobre cómo se calcula la variable de proceso (3), en esta selección fue la que generalmente ocurre para este tipo de sistemas integrales.
La siguiente pestaña dentro del cuadro de Properties es EUs Limits, donde, debemos definir los rangos de las variables claves del sistema: PV (Variable de Proceso) – presión para nuestro caso y CV (Variable de control) Frecuencia para nuestro caso, en donde los parámetros que habíamos mencionado previamente en la documentación sabemos que están definidos para que el máximo valor en presión sean 5bar y el máximo valor en frecuencia sean 60Hz. Luego se definen los límites de la variable de control CV, y la tasa de cambio hace referencia al porcentaje de salida del controlador en segmentos según lo que se defina, de manera escalonada.
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Paso 09
Por último, accedemos al proceso de Autotune desde la pestaña del mismo nombre. En esta etapa es necesario adquirir un Tag cuando el procedimiento se ejecuta por primera vez. Una vez adquirido el Tag, se procede a definir los parámetros de entrada del Autotune, comenzando por el tipo de variable (Presión), el límite máximo de cambio de la variable de proceso y, finalmente, el tamaño de los escalones unitarios con los que operará el sistema de control.
A continuación, se inicia el proceso mediante el botón Autotune, con el objetivo de calcular las ganancias del controlador. Como observación importante, el módulo PID debe estar en Modo Manual para que el Auto Tune pueda ejecutarse correctamente. Una vez finalizado el cálculo, el controlador debe cambiarse a Modo Automático para entrar en operación. Este cambio de modo se gestiona a través del Tag Manual_Mode.
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Para calcular las ganancias solo basta con iniciar el botón “Start”, el programa calcula con tres tipos de respuesta (Lenta, Media, Rápida), donde se debe escoger uno para nuestro sistema de control, para luego definirlos en el sistema de control con el botón de “Set Gains in PIDE”. La idea es que a través de la respuesta grafica que podemos observar a través del Studio 5000, el usuario identifique, cual de los tipos de respuesta calculadas de las ganancias puede ser el indicado para su sistema emulado.
Si se necesita mas información o explicaciones de funcionamiento de los respectivos bloques de programación usados en el programa de la aplicación se pueden visitar los “Help” de cada uno, como el compartido en la sección de Links of interest de esta documentación.
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Paso 10
Pruebas y ejecución de aplicación
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Como se mencionó anteriormente, para hacer los últimos cambios y ajustes (Autotune) debíamos estar trabajando en el modo “Rem Run” con el Studio 5000, y continuando con este, el sistema en general estaría en total funcionamiento, por lo que restaría poder comprobar la respuesta del sistema de control ante todo la estructura que lo compone, como las perturbaciones.
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Paso 11
Allí ejecutando el Comando “Run” podemos en la grafica la respuesta del sistema con la representación de las 4 graficas mas importantes. Amarillo (Frecuencia), Verde (Presión), Rojo (Perturbaciones), Azul (Set point definido del controlador).
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Con la anterior gráfica, podemos identificar los comportamientos clave de nuestro sistema, logrando emular y analizar el proceso de control de nuestro proceso y como responde el sistema ante las diferentes situaciones que pueden ocurrir en este tipo de situaciones, ideal para el objetivo de esta, es poder generar este tipo de escenarios de pruebas antes de hacerlas en planta directamente y poder ajustar e incluso llegar con grandes avances. En la gráfica, en la zona resaltada dentro del cuadro naranja, se hace foco a un periodo de tiempo donde el sistema recibe las perturbaciones y como nuestro “variador” realiza los respectivos cambios en la frecuencia para lograr estabilizar el sistema, y como nuestra variable de proceso, “presión”, se va ajustando hacia su objetivo de control (set point – color azul). Vemos en el periodo de tiempo graficado, las variaciones en la perturbación y los cambios que se nota en cada una de las respuestas, haciendo los respectivos ajustes, los sobreesfuerzos o demás comportamientos típicos de un sistema de este tipo de variables industriales que son comunes para representar en sistemas lineales de primer orden en el dominio de Laplace.
Es importante recordar, que el ejemplo implementado en la aplicación buscaba emular un proceso de control con una bomba, buscando trabajar junto a un variador+motor como los actores de control. Sin embargo, la aplicación está diseñada de tal manera, para que como se explicó inicialmente se puedan emular situaciones con variables industriales diferentes que se comportan de manera similar en sistemas de primer orden como: Nivel, Temperatura, Velocidad, etc. Todos estos cambios necesarios según la situación pueden aplicarse en el bloque de control PID como se explicó durante la documentación.
Emulación de sistema de control PID para variables industriales
Versión 1.0 - Octubre de 2025
