Sistemas de Control CAPITULO I: PLANTEAMIENTO TERICO 1.1. Objetivo Desarrollar un mdulo educativo para la enseanza de los cursos de pre grado de Control Automtico, para la Universidad Catlica de Santa Mara. Estoesnecesarioyaquepermitealalumnoexperimentarsonequipos simuladoresdeprocesosindustrialesconcaractersticasrealesantesde manipularplantasindustriales,aselalumnoobtieneunavisinmayoren los diferentes problemas a los que se va a enfrentar en su vida profesional en el rea del control Automtico. 1.2. La Meta La meta es el diseo y construccin de 3 tipos diferentes de control que se encuentran en el mundo real en las empresas del medio: a.Mdulo de control PID y Autosintona PID mediante Visual Basic b.Mdulo de control PID mediante LabView c.Mdulodecontrol:InstrumentoUnilazoProgramable(SLPIporsus siglas en ingls, Single Loop Programmable Instrument) Adems de esto necesitamos una planta experimental (simulada) en la que podemosprobarnuestromduloporlocualestamosdiseandodos simuladores de procesos: a.Simulador de proceso de temperatura b.Simulador de proceso de nivel 1.3. Objetivos Objetivo Principal El desarrollo de un software que permita la sintonizacin de los parmetros PID,paraqueelprocesopuedacontrolardemaneracorrectaelproceso industrial simulado. Desarrollartres(3)mdulosdecontrolbasadosenelcontrolPID,como unaayudaprcticaparaelaprendizajedeloscursosdepregradodel readecontroldelProgramaProfesionaldeIngenieraElectrnicadela Universidad Catlica de Santa Mara. Objetivo Secundarios Elusodetcnicasdemodelamientodesoftwarepararealizardemanera ms sencilla y eficaz el diseo de software. Diseodesimuladoresdecurvasdeprocesosindustrialesquesean capaces de cumplir con todas las caractersticas de un proceso real. 1.4. Hiptesis Esposibleefectuareldesarrollodemdulosdecontrolysimuladoresde procesosindustrialesparalaenseanzadeloscursosdepregradode control automtico. 1.5. Alcance Conestosmdulossepretendellegaralosalumnosdepregradoenel curso de Control Automtico Aplicado. ConestetipodesoftwareySLPIesposiblellegaralasempresasque requierendecontroladoresindustrialesbasadosenadquisicindedatosy de controladores de campo. 1.6. Justificacin a.Permitir al alumno realizar experiencias cercanas a las reales dentro de la Universidad, sin tener que hacer uso de plantas fsicas (reales), que en algn momento podran ser daadas, si es que no se conoce eficientementelospasosdesintona.Demaneraquecuandoel alumno se encuentre en el campo sea capaz de identificar y resolver problemas,quedeotramaneranopodranservistosdentrodela Universidad. b.El entorno visual en el que se desarrollarn los diferentes programas es mucho ms amigable que un software basado en DOS. c.En nuestro pas, el desarrollo de software educativo es escaso. d.Muchos centros de estudio superior cuentan con PCs que pueden ser utilizadas para este fin. e.Muchoscentrosdeestudiosuperiornocuentanconelpresupuesto necesario para realizar la compra de plantas reales. f.Muchoscentrosdeestudiosuperiorenlaenseanzadecursosde control no cuentan con equipos ni reales, ni de simulacin de control procesos industriales. 1.7. Factibilidad a.Factibilidad Tcnica Tecnolgicamentehablandoelproyectodescritoesfactible,yaque no requiere para su elaboracin recursos tecnolgicos inexistentes. b.Factibilidad Operativa Losusuariosfinales,losalumnosymaestrosdeloscursosde control,podrnusarlosyaqueenlagranmayoradecentrosde estudio superior cuentan con PCs que son necesarias para el uso de este proyecto. c.Factibilidad Econmica Deacuerdoalestudiodefactibilidadeconmica,esfactible(Ver Captulo6).Siendoademsaccesibleparacualquiercentrode estudios.

CAPITULO II MARCO TEORICO 2.1. Evolucin histrica de los sistemas de control Como todo proceso evolutivo, es casi imposible comprender plenamente el estado actual y las tendencias futuras si es que no se conoce su pasado. Lo que hoy se est viviendo en el rea de control de procesos industriales es la consecuencia de la suma e interrelacin dedistintos eventos que se fueron sucediendo de forma tal, que es probable que nadie haya pensado, en su momento, que pudieran tener vinculacin. 2.1.1.Evolucin del control automtico Conocemos tiene su primer antecedente (al menos as qued registrado enlahistoria)enelReguladordeWatt,elfamososistemaque controlaba la velocidad de una turbina a vapor en el ao 1774. Estos avances los podemos observar de forma resumida en el Tabla 2.1. EPOCAPERSONADESARROLLO Siglo XVIIIJames Watt Regulador de velocidad centrfuga para el control de la velocidad de una mquina de vapor. 1922Minorsky Controladoresautomticosparadirigir embarcaciones. Mostr que la estabilidad puede determinarseapartirdelasecuaciones diferenciales que describen el sistema. 1932Nyquist Dise un procedimiento relativamente simple para determinar la estabilidad de sistemas en lazo cerrado, con base en la respuesta en lazo abierto en estado estable cuando la entrada aplicada es una senoidal. 1934Hazen Introdujoeltrminoservomecanismosparalos sistemasdecontroldeposicin.Analizel diseodelosservomecanismoscon relevadores,capacesdeseguirconprecisin una entrada cambiante.40'sVariosMtodos de respuesta en frecuencia para sistemas de control lineales en lazo cerrado que cumplieran con los requerimientos de desempeo. Finales de los 40's y principios de los 50's EvansEl mtodo del lugar geomtrico de las races.Desde principios de 1960 Varios Anlisis en el dominio del tiempo de sistemas complejos. Entre 1960 y 1980 Varios Control ptimo tanto de sistemas determinsticos como estocsticos. Control adaptable, mediante el aprendizaje de sistemas complejos. De 1980 a la fecha Varios Teora de control moderna centrada en el control robusto. Tabla 2.1.- Evolucin histrica del control automtico Apartirdeaquelreguladorsedesarrollaroninnumerablesaplicaciones prcticas. En el plano terico las primeras ideas surgieron hacia 1870. A partirdeladcadadelos30delpresentesiglorecibieronunfuerte impulso; se hicieron importantes experiencias y anlisis. Comomencionamos,lasindustriasdeprocesoscontinuosfueronlas primerasenrequerirmantenerlasvariablesdeprocesoenun determinadorangoafindelograrlosobjetivosdediseo.Lasprimeras industrias realizaban el control de las variables en forma manual a travs deoperadoresquevisualizabanelestadodelprocesoatravsde indicadores ubicados en las caeras y/o recipientes y equipos. Eloperadorconocaelvalordeseadodelavariableacontrolaryen funcin del error tomaba acciones correctivas sobre un elemento final de control (generalmente una vlvula) a fin de minimizarlo. Estadescripcinseajustaensusprincipiosaloqueconocemoscomo lazo cerrado de control o lazo realimentado. (Figura 2.1) Figura 2.1.- Lazo de control realimentado 2.1.2.Introduccin de la tecnologa digital en el rea de control automtico Lasprimerasgrandescomputadorasseutilizaronactuandosobre controladoresindividualesenunmodoconocidocomoControlde Valores Deseados (Set Point Control SPC) (Figura 2.2) Loscontroladoreselectrnicosanalgicosefectuabanelcontrolenla formaconvencionalsiendosupervisadosyajustadossusvalores deseados por la computadora, en funcin de algoritmos de optimizacin. La falla de la computadora no afectaba el control, dejando el sistema con losltimosvalorescalculados.Unaspectoadestacarfueque,a diferencia de las aplicaciones en los planos administrativos y cientficos, en el rea de control se necesit el funcionamiento de las computadoras entiemporeal,esdecir,queelprocesamientodebadeserlo ControladorElementofinal decontrolPROCESOMedicinPerturbacionesValorDeseado(Set Point)suficientementerpidocomoparapoderresolvereventosyproblemas que iban ocurriendo, en instantes. Figura 2.2.- Diagrama de control de valores deseados Esta problemtica era (y es) distinta a la de la mayora de las exigencias computacionales. Tal vez el clculo en si no es complejo, pero si lo es el procesamientoenformarecurrenteyenfraccionesdesegundode algoritmos sobre cientos de variables (a veces miles) que llegan desde el campo.Aesteprocesamientosedebensumarlasexigenciasdeotros perifricos(comosonlasconsolasdeoperacinolasimpresorasde eventos ya alarmas). En paralelo con el desarrollo del SPC, surgi la idea de trasladar todo el procesamientodecontrolhacialacomputadorateniendocomointerfaz las tarjetas de entrada salida que hacan la conversin de las seales analgicas en digital (y viceversa) de y hacia campo. Los mayores inconvenientes de este modo de control estaban en la falta de seguridad y continuidad operativa ante una falla (no tan frecuenta) de la computadora: la falla abarcaba a toda la planta detenindola o lo que Computadora de ProcesoPROCESOValordeseadoMedicinera peor llevndola a un estado impredecible y potencialmente peligroso. Dos alternativas surgieron para resolverestos problemas: Una computadora redundante a la espera de la falla a la que en ese momento se le transfiera todo el control. Unpanelconcontroladoreseindicadoresconvencionalesalosque en el momento de la falla le ser transferido todo el control. Ambas alternativas presentaron problemas: El problema econmico (prcticamente se duplicaba la instalacin, o sea la inversin teniendo la mitad ociosa a la espera de una falla.) Laexigenciadetenerelsistemaderespaldoactualizadoconlos ltimosvalores,tantodecampo,comolosmodificadosporlos operadoresenfuncindelproceso.Estorequeraunagran capacidaddecmputoascomounaconmutacinmuysegura(sin saltos ni fallas). Elproblemadellenguajedeprogramacindelascomputadoras;el personal de planta no conoca los mtodos que estaban reservados a personal especializado. Estos problemas fueron importantes y dieron lugar a complejos anlisis y desarrollosparasimplificarlaprogramacin,comoserlaconfiguracin delasestrategiasdecontrolpormediodebloquesoelseguimientode variables actualizndolas en distintas unidades (tracking). 2.1.3.Expansin A travs del desarrollo tecnolgico y la reduccin de costos asociados al procesamientocomputacionalllegaronparaayudaralosingenierosde control,laaparicindelmicroprocesadorpermititenerenunpequeo espacio una gran cantidad de procesamiento. 2.2. Microcontroladores 2.2.1.Definicin Es un circuito integrado que contiene todas los componentes funcionales deunacomputadora.Suusoesexclusivoparaelcontroldeunsolo proceso,debidoaesto,esusualmenteinducidodentrodelprocesoa gobernar.Esestaltimacaractersticalaqueledaelnombrede controlador incrustado (embedded controller). Enotraspalabrassetratadeuncomputadordedicado.Elnico programaresidenteensumemoriaesaquelqueestdedicadoa controlarunaaplicacindeterminada.Unavezqueelmicrocontrolador es programado solo se dedicar a realizar la tarea asignada. Enlaactualidadexistenvariasaplicacionescomercialesqueusan microcontroladores, como: la industria automotriz, de computadoras, de electrodomsticos, aeronutico, espacial, etc. SegnlaempresaDATAQUESTseestimaqueexisteunpromediode 240 microcontroladores en cada hogar americano en el ao 2001. Enresumenpodemosdecirqueunmicrocontroladoresunmicro computadordelimitadasprestaciones,contenidoenunsolocircuito integradoqueunavezqueesprogramadoestdestinadopararealizar una sola tarea. 2.2.2.Diferencia entre microcontroladores y microprocesadores Sabemos que un sistema basado en microprocesador es prcticamente unaUnidadCentraldeProceso(UCPoCPUporsussiglaseningls) quecontieneunaUnidaddeControl,queinterpretalasinstruccionesylas lneas de datos a ejecutar. El patillaje del microprocesador est compuesto por: -Lneas de Buses (Control, Direcciones y Datos) mediante los cuales el microprocesador se comunica con el exterior (Memoria, Perifricos de E/S, etc.) -Patillas de configuracin de cristal -Patillas de funciones especficas Un esquema resumido lo podemos observar en la Figura 2.3 MicroProcesadorBus de DireccionesBus de DatosBus de ControlMemoria Controlador 1 Controlador 2 Figura 2.3.- Estructura de un sistema de microprocesador (sistema abierto). La disponibilidad de los buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicacin. De acuerdo a lo anterior expuesto tenemos las siguientes definiciones: Un microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse uncomputadorconcaractersticasparticulares,consololaeleccinde los mdulos necesarios para podercumplir con tales fines. Unmicrocontroladoresunsistemacerradoyaquetienecaractersticas definidas e inexpandibles, tenindose que adecuar las caractersticas de este al proceso en el cual va a ser usado. Figura 2.4.- El microcontrolador es un sistema cerrado, ya que todas sus partes se encuentran en el interior y no pueden ser modificadas y al exterior solo salen lneas para los perifricos. En el mundo prctico los fabricantes de microcontroladores tienen varios modelos puestos a disposicin de usuario, desde los ms bsicos hasta losmscomplejos,paraquedeestamaneralosdiseadorespuedan dimensionardeformaadecuadaelmicrocontroladoralprocesoa controlar,deestamaneralosfabricantesdeestosequiposnotienen despilfarroalconstruirunsolotipodemicrocontroladormuybien equipado. 2.2.3.Microcontroladores Microchip Arquitectura interna Debidoalanecesidaddetenerunadecuadorendimientoenel procesamientodeinstrucciones,elmicrocontroladorPICde Microchip usa la arquitectura Harvard frente a la arquitectura clsica Von Neuman. Esta ltima se caracteriza porque la CPU se conectaba conunamemorianica,dondecoexistandatoseinstrucciones,a travs de un sistema de buses Figura 2.5. MicroControlador Perifricos Perifricos Figura 2.5.- Diagramaque muestra el sistema de comunicacin usado en la arquitectura Von Neuman. EnlaarquitecturaHarvardsonindependienteslamemoriade instrucciones y la memoria de datos, adems de que cada una dispone de un propio sistema de buses para el acceso. Estoproporcionaelparalelismo,ademsdeadecuareltamaodelas palabrasylosbusesalosrequerimientosespecficosdelas instruccionesylosdatos.Lacapacidaddecadamemoriaesdiferente. Esto lo podemos observaren la Figura 2.6. Figura 2.6.- En la figura se muestra una memoria de instrucciones de 8K x 14, mientras que la de datos solo dispone de 512 x 8. EstemicrocontroladorrespondealaarquitecturaRISC(Computadoras deJuegodeInstruccionesReducidoReducedInstructionSet Computer por sus siglas en ingls), el cual se identifica al tener un juego CPUInstruccionesDatosMemoriaBus comn deDireccionesBus de Datos eInstruccionesCPUMemoria deDatos512 x 8Memoria deInstrucciones8K x 14/814//10Bus de direccinde InstruccinBus deInstrucciones8/Bus deDirecciones deDatosBus de Datosde instrucciones de mquina pequeo y simple, de manera que la mayor parte de instrucciones se ejecuta en un ciclo de instruccin. Memoria de programa Debemosdetenerencuentaquelamemoriadeestemicrocontrolador nopuedeserampliadayquelamemoriadeprogramaalmacenatodas las instrucciones del programa de control. Ya que el programa a ejecutar siempredebedeserelmismo,estedebeestargrabadodeforma permanente, estas pueden ser de 5 tipos diferentes: a)ROM con mscara b)EPROM c)OTP d)EEPROM e)FLASH Ennuestrocasoharemosusodeunmicrocontroladorconmemoria Flash.Esteesuntipodememorianovoltil,mseconmico,deigual sistema de borrado escritura que las EEPROM, pero que pueden tener mayorescapacidadesqueestas.Elborradoserealizadeforma completa y no por bloques o posiciones concretas. Este tipo de memoria es fcilmente identificable en las series de microcontroladores Microchip, por ejemplo: PIC16C84PIC16F84 Memoria de datos Indica Memoria EPROMIndica Memoria FLASH Losdatosenmemoriavarancontinuamente,yestoexigequela memoria que los contiene debe de ser de lectura y escritura, por lo que lamemoriaRAMesttica(SRAM)eslamasadecuadaaunquesea voltil.LasmemoriasdeltipoEEPROMyFLASHpuedanescribirsey borrarse elctricamente. Sin necesidad de sacar el Circuito Integrado de zcalodegrabadorpuedenserescritasyborradasnumerosasveces. Paraestoscasosexistensistemas,tantoparalaescrituradeEEPROM como FLASH. Lneas de entrada y salida (E/S) para los controladores de perifricos Conexcepcindelaspatitasquerecibealimentacin(2),lasque contienenelcristal(XT)(2)queregulalafrecuenciadetrabajodel microcontrolador, y una mas para provocar el RESET, las dems sirven parasoportarsucomunicacinconlosperifricosquecontrola,en nuestro caso tenemos: Patitas NombreFuncin 3 7Puerto AEntradas/Salidas digitales o entradas del conversor A D 33 46Puerto BEntradas/Salidas digitales 15 18 23 26 Puerto C Entradas/Salidas digitales, captura PWM, funciones I2C, SPI y USART 19 22 27 30 Puerto D Entradas/Salidas como puerto paralelo esclavo TTL (PSP buffer) 8 10Puerto E Entradas/Salidas digitales o como entradas para el conversor A D Tabla 2.2.- Distribucin de patitas del PIC16F877 Recursos auxiliares a)Circuitodereloj:parasincronizarelfuncionamientodetodoel sistema b)Temporizadores c)WatchDogTimer,destinadoaprovocarunareinicializacincuando el programa queda bloqueado. d)Comparadores analgicos e)Sistemas de proteccin entre fallos de alimentacin. f)Sleep, en el que el sistema se congela y pasa a un estado de bajo consumo. Caractersticas del PIC16F877 a)CPU RISC de alta performance b)35 Instrucciones de una sola palabra c)Todaslasinstruccionesserealizanenunciclodeinstruccin,a excepcindelasquecontienensaltosuotraprogramacinquelas realizan en dos ciclos de instruccin. d)Velocidad de operacin: DC 20 MHz de entrada de reloj DC 200 ns de ciclo de instruccin e)Mas de 8K x 14 palabras de Memoria de Programacin FLASH Mas de 368 x 8 bytes de Memoria de Datos (RAM) Mas de 256 x 8 bytes de Memoria EEPROM de datos f)Interrupciones (mas de 14 fuentes) g)Modos de direccionamiento: Directo, indirecto y relativo. h)Power On-Reset (POR) i)Temporizadordeencendido(PWRT)yTemporizadorOsciladorde Encendido (OST) j)Temporizador Perro Guardin (Watch Dog Timer WDT) con su propio oscilador RC para una operacin ms confiable. k)Cdigo de proteccin programable l)Modo de SLEEP, ahorrador de energa m) Opciones de oscilador seleccionables n)TecnologaCMOSFLASH/EEPROMdealtavelocidadybajo consumo. o)Amplio rango de operacin, de 2.0 a 5.0 V p)Bajo consumo de potencia < 2 mA tpicamente @ 5V, 4 Mhz 20 A tpicamente @ 3V, 32 Khz < 1 A tpicamente a corriente estndar Caractersticas de Perifricos: q)Timer0: Contador/temporizador de 8 bits con 6 bits de pre-escalar r)Timer1:Contador/temporizadorde16bitsconpre-escalar,puedeser incrementadoduranteelmododeSLEEPmedianteunreloj/cristal externo. s)Timer2:Contador/temporizadorde8bitsconunregistrode8bits,pre-escalar y post-escalar t)Dos mdulos PWM de captura y comparacin 16 bits de captura, mxima resolucin de 12.5 ns. 16 bits de comparacin, resolucin, mxima de 200 ns. Mxima resolucin del PWM de 10 bits u)Convertido Anlogo Digital multicanal de 10 bits. v)PuertoSerialSncrono(SerialSynchronousPortSSP)conSPI(Modo Maestro) e I2C (Maestro/Esclavo) w)USART/SCI con 9 bits de deteccin de direccin x)PuertoParaleloEsclavo(ParalellSlavePortPSP)de8bits,conpines de: RD, WR y CS externos de control. Juego de Instrucciones CadaInstruccindelPIC16F87Xesunapalabrade14bitsdivididaen OPCODE el cual especifica el tipo de instruccin y uno o ms operandos los cuales especifican ms profundamente la operacin de la instruccin. ElsetdeinstruccionesdelPIC16F87XsemuestraenlaTabla2lista orientacindebyte,orientacindebit,yoperacionesdecontroly literales. LaTabla1.3muestraladescripcindeloscamposdelOPCODE.Para lasinstruccionesorientadasabyte,frepresentaelregistrodecampo designado y la d representa el destino. El registro de campo designado especifica el registro a ser usado por la instruccin. Eldestinoespecificadondevaasercolocadoelresultadodela operacin. Si d es cero, el resultado es colocado en el registro W. Si d esuno,elresultadoescolocadoenelregistroespecificadoporla instruccin. Para instrucciones orientadas a bit, b representa un sealizador el cual seleccionaelnmerodelbitafectadoporlaoperacin,mientrasf representaelnmerodelarchivoenelcualvasercolocado.Para operaciones de control y literales, k representa una constante de 8 o 11 bits o un valor literal. CampoDescripcin FDireccin del registro (0x00 a 0x7F) WRegistro de trabajo (acumulador) BDireccin de un bit, dato constante o etiqueta XUbicacin ni importante (=0 o 1) DSeleccin de destino, d=0: el resultado se almacena en w. D=1: el resultado se almacena en el registro f. Por default d=1 PCContador de programa TOTimer-out bit PDPower-down bit Tabla 2.3.- Descripcin de campos OPCODE El set de instrucciones est agrupado en tres categoras bsicas: -Operaciones orientadas a byte -Operaciones orientadas a bit -Operaciones de control y literales Todas las instrucciones son ejecutadas en un solo ciclo de instruccin, a menossiunacondicinseaverdaderaoelcontadordeprogramaes cambiado como resultado de una instruccin. En este caso, la ejecucin toma dos ciclos de reloj, con un segundo ciclo ejecutado como un NOP. Cadaciclodeinstruccinconsisteencuatroperiodosdeoscilacin.Entonces, para una frecuencia de oscilador de 4 MHz, el tiempo normal de ejecucin es de 1 s. Si una operacin condicional es verdadera o el contadordeprogramaescambiadocomoresultadodeunainstruccin, el tiempo de ejecucin de instruccin es de 2 s. LaTabla2.4listalasinstruccionesreconocidasporelensamblador MPASM. Nemnico, OperandosDescripcinCiclos Operaciones Orientadas a byte ADDWFf, dSuma w y f1 ANDWFf, dAND entre w y f1 CLRFFLimpia f1 CLRW- -Limpia w1 COMFf, dComplementa f1 DECFf, dDecrementa f1 DECFSZf, dDecrementa f, salta si es cero1(2) INCFf, dIncrementa f1 INCFSZf, dIncrementa f, salta si es cero1(2) IORWFf, dOR inclusivo con f1 MOVFfMueve f1 MOVWFf, dMueve w a f1 NOP-No-operacin1 RLFf, dRota a la izquierda a travs del acarreo1 RRFf, dRota a la derecha a travs del acarreo1 SUBWFf, dSubstrae w de f1 SWAPFf, dIntercambia los nibles en f1 XORWFf, dOR Exclusivo de w con f1 Operaciones orientadas a bit BCFf, bLimpia el bit en f1 BSFf, bActiva el bit en f1 BTFSCf, bExamina el bit en f, salta si es cero1(2) BTFSSf, bExamina el bit en f, salta si es uno1(2) Operaciones de control y literal ADDLWkSuma un literal y w1 ANDLWkRealiza AND entre un literal y w1 CALLkLlama a una subrutina2 CLRWDT-Limpia en WDT (Watchdog Timer)1 GOTOkIr a una direccin2 IORLWkOR Inclusivo entre un literal y w1 MOVLWkMueve un literal a w1 RETFIE-Retorna de interrupcin2 RETLWkRetorna con un literal en w2 RETURN-Retorna de una subrutina2 SLEEP-Ir hacia el modo de bajo consumo1 SUBLWkSubstrae w de un literal1 XORLWkOR exclusiva entre un literal y w1 Tabla 2.4.- Lista las instrucciones reconocidas por el ensamblador MPASM. Orientadas a byte OPCODEDf (file #) d = 0 para destino w y 1 para destino f f = direccin del registro de 7 bits Orientadas a bit OPCODEb (#bit) f (file #) b = direccin de 3 bits f = direccin del registro de 7 bits Figura 2.7.- Formato general que las instrucciones tienen. 2.3. Protocolo de comunicaciones I2C El Bus I2C (Inter IC) Antes de empezar, comentar que el Bus I2C es sencillamente un protocolo de comunicaciones desarrollado por Philips. Introduccin de las especificaciones I2C Estaorientadoalasaplicacionesde8-bitcontroladasporun microprocesadoromicrocontroladoryestassonbsicamenteloscriterios que se deben establecer: -Unsistemaconsistenteenalmenosunmicrocontroladoryvarios sistemas perifricos como memorias o circuitos diversos -Elcostodeconexinentrelosvariosdispositivosdentrodelsistema debe de ser el mnimo. -ElsistemaqueutilizaesteBusnorequiereunaaltatasade transferencia de datos -Latotaleficaciadelsistemadependedelacorrectaseleccindela naturaleza de los dispositivos y de la interconexin de la estructura del bus. El concepto del Bus I2C El bus I2C soporta cualquier tipo de componente (NMOS, CMOS, bipolar, etc.).Doshilosfsicosunodedatos(SDA)yotrodereloj(SCL) transportanlainformacinentrelosdiversosdispositivosconectadosal bus.Cadadispositivoesreconocidoporunanicadireccin(siesun microcontrolador,LCD,memoriaoteclado)ypuedeoperarcualquiera comotransmisoroemisordedatos,dependiendodelafuncindel dispositivo.Undisplayessolounreceptordedatosmientrasqueuna memoria recibe y transmite datos. En funcin de que enve o reciba datos sedebeconsiderarlosdispositivoscomoMaestros(Master)oesclavos (Slaves). Un Master es un dispositivo que inicia un envo de datos al Bus y genera las seales de reloj que permiten la transferencia, al mismo tiempo un dispositivo direccionado se considera un Slave. Terminologa bsica del Bus I2C TrminosDescripcin TransmisorEl dispositivo que enva datos al Bus ReceptorEl dispositivo que recibe datos desde el Bus Master (Maestro)Eldispositivoqueiniciaunatransferencia, generallassealesdelrelojyterminaun envo de datos Slave (Esclavo)El dispositivo direccionado por un master Multi-MasterMasdeunmasterpuedecontrolarelbusal mismo tiempo sin corrupcin de los mensajes ArbitrajeProcedimientoqueaseguraquesiunooms mastersimultneamentedecidencontrolarel Bussolounoespermitidoacontrolarloyel mensaje saliente no es deteriorado SincronizacinProcedimiento para sincronizar las seales del reloj de dos o ms dispositivos Generalidades ElBusI2Cesmulti-master,estosignificaquemsdeundispositivocapazdecontrolarelbuspuedeserconectadoael.Losmasterson generalmentemicrocontroladores,porloqueunmicrocontroladorpuede ser unas veces Master y otras esclavo. ParaimaginarlaimagendelBussondoscablesalosqueseconectan diversoscircuitosochipsencantidadvariablesegnlasnecesidades, controladoelconjuntoporunoomsmicrocontroladoresquedan instrucciones para el buen funcionamiento del conjunto. LaposibilidaddeconectarmasdeunmicrocontroladoralBussignifica queunoomsmicrocontroladorespuedeniniciarelenvodedatosal mismotiempo.Paraprevenirelcaosqueestoocasionaraseha desarrollado un sistema de arbitraje. Si uno o ms master intentan poner informacinenelbuseslasealdedelrelojsiestaa1oa0loque determina los derechos de arbitraje. Lageneracindesealesdereloj(SCL)essiempreresponsabilidadde losdispositivosMaster,cadaMastergeneralsupropiasealdereloj cuando enva datos al bus, las seales de reloj de un master solo pueden seralteradascuandolalneaderelojsufreunacadaporundispositivo esclavooporeldominiodelcontroldelBusporelarbitrajedeotro microcontrolador. Losdispositivosconectadosalbusdebenserdecolectorabierto(en paralelo),paraquetodossepuedanestarformandounaconexinAND. Lanicalimitacinenlaconexindedispositivosalbusdependedela capacidad mxima que no puede superar los 400 pF. Los tipos de transferencia de datos en el bus son: Modo Estndar aproximadamente a 100 kBits/Sg. Modo Rpido aproximadamente a 400kbits/Sg. Modo Alta velocidad mas de 3,4 Mbits/Sg. Aunque el tipo Modo Estndar es que trataremos aqu. 2.4. Instrumentos Unilazo Programables Elnombrecomercialconelquenormalmenteseconocenaestetipode instrumentosquetienenacargoelcontroldeunsololazodecontroly basados en microprocesador o microcontroladores, es el de Instrumentos Unilazo Programables (Single Loop Programmable Instrument SLPI por sus siglas en ingls). Unafuncinmsprecisadeestosinstrumentospuedeser:SLPIson aquellosquecontienen,enunaunidad,lacapacidaddecumpliruna funcin especfica con relacin a una variable de proceso. Estacapacidadnosoloimplicaresolverlosalgoritmoscorrespondientes (implementadosenunmicrocontrolador),sinotambinel acondicionamientodelasentradasysalidasvariablesdelproceso,la interfaz del operador, etc. DentrodeestosSLPIsepuedenconsiderar,noporelestricto cumplimientodelconceptoantesdefinido,sinoporlageneralidadque engloba este a los siguientes instrumentos: Indicadores Controladores Computadoras de Caudal Registradores Totalizadores Losfundamentosaqupresentadossirvencomobasenosoloparalos controladoresunilazo,sinotambinparaloscontroladoresmultilazo implementados en los sistemas digitales como los DCS o los OIS (DCS = Distributed Control Systems OIS = Open Industrial Systems). 2.4.1. Introduccin Debidoaunadisminucinenloscostosdeproduccin,eneste momentolamayoradeSLPIsondigitales,adems,podemos mencionar sus mayores capacidades y caractersticas. 2.4.2. Caractersticas Elequipoaserdiseadotendrlassiguientescaractersticas,estas estn,enlamayoradelasposibilidadesdentrodelascaractersticas generales de los SLPI, que se describirn a continuacin: Interfaz del operador Engenerallainterfazdeloperadorestadadaporundisplay digital, en el que se indican el estado o variables, un teclado para la configuracin, y de forma opcional (en otros casos es de forma obligatoria),barrasindicadorasquecomnmentesedenominan indicacinanalgica,ancuandosetratadeunaindicacin digital grfica. Figura 2.8. Figura 2.8.- Interfaz del operador con de un controlador (Modelo 760, The Foxboro Co.). Configuracin Laflexibilidaddelosinstrumentosbasadosen microprocesador/microcontroladorllevaalanecesidadde configurarlos, esto es, determinan los parmetros requeridos para obtenerdelequipolafuncindeseada.Otrosparmetrosnoson esencialesparaelfuncionamientodelequipo,peropueden facilitar su operacin. Tpicamente,algunosparmetrosaconfigurar(dependiendode las caractersticas del instrumento) son: -TAG(oidentificacindelinstrumento),quepuedeono, aparecer en un display alfanumrico. -Tipo de entrada, y su correspondiente caracterizacin. -Lmite superior en inferior del rango. -AjustedeparmetrosdeControl(Kp,Ki,Kdodelalgoritmo presente en el SLPI) -Ajustedealarmasydeserdeseado,contactodesalidade las mismas. En muchos casos, la capacidad de equipo y sus posibilidades de configuracinserepresentanpormediodediagramas funcionales.Dependiendodeldiseodelinstrumento,sepuede disponerdevariasformasdeconfiguracin,usualmente excluyente una de otra: -TecladodelInstrumento:Medianteunmentiporbolylas teclasenelfrentedelinstrumento,seprocedeala configuracindelequipo,norequirindoseningnelemento adicional. -Configuracin Porttil: Se trata de un equipo porttil especial, que permite la configuracin del instrumento. -ConexinconPC:Requieredelaconexindelinstrumento conlaPCyunsoftwarequecorraenlamisma.Sibien demandaequipoadicional,permitefuncionesdeinters como la autodocumentacin y archivo de la configuracin. Comunicaciones Esta caracterstica permite la creacin de una red de instrumentos entre s y con un equipo de supervisin (PC.) Como resultado de esta comunicacin, al instrumento le pueden ser requeridos (y, en algunoscasos,sepuedenmodificarvalorestalescomo: Parmetrosdeajuste,variablesdeproceso,etc.)Esimportante aclararque,engeneral,estascaractersticasnopermitirla configuracindelinstrumentodeformaremota.Ademsesta caracterstica solo est disponible n algunos modelos de SLPI. Instalacin Los instrumentos se pueden montar en dos localizaciones: -Enpanel:encuyocasosecaracterizanporunapequea superficiefrontalymayorprofundidad(Figura2.9).Deesta forma se logran paneles con frentes ms compactos. -En campo: se trata de equipos con gabinetes NEMA 4 (apto intemperie),demenorprofundidadquelosinstrumentosde panel,demayorsuperficiefrontal(Figura2.10).Estos instrumentos permiten la implementacin de lazos de control locales,quepuedensersupervisadosdesdeunsistemade saladecontrol.Deestaforma,sustituyenconmayor flexibilidadyfuncionalidadasuspredecesoresneumticos. Unadesventajaseobservaenindustriasquemanejan fluidosy/opolvosquepuedangenerarmezclasexplosivas, yaquerequierenalimentacinelctricanointrnsecamente segura(Porejemplo220VAC,ocorrienteselevadasen24 VDC) Figura 2.9.- Controlador Unilazo de gabinete Figura 2.10.- Controlador Unilazo de campo (Modelo CN3240, Omega Electronics Co.). Este equipo brinda las mismas prestaciones que el mostrado en la Figura 2.9, en un equipo apto para su instalacin a la intemperie. Caractersticas Lacapacidadyflexibilidadquepermiteunequipobasadoen microprocesador/microcontrolador ha llevado a los proveedores a ofrecermltiplesfuncionesenunmismoinstrumento.Deesta forma,esfrecuentequeuninstrumentounilazobasadoen microprocesador/microcontroladorcuenteconlaposibilidadde implementacindealarmasconcontactosdesalida,clculos sencillos (como: suma, esta, multiplicacin y divisin) y complejos (comoclculodehumedadrelativa,logaritmos,potencias fraccionarias, etc.), etc. Estas caractersticas varan notablemente deequipoenequipo,porloqueesnecesarioconsultaral proveedoraefectosdeterminarcapacidaddesatisfacerun determinado requerimiento. 2.4.3. Caractersticas particulares Controladores Evidentemente,laimplementacindelalgoritmoPIDesla principalcaractersticadeestosequipos.Otrascaractersticas son: -CantidaddealgoritmosPIDimplementados:sedisponede equipos con lazo simple, lazo doble en cascada o lazo doble independiente. -Caractersticasparticularesdelalgoritmo:podemos encontrar equipos con auto sintona, ya sea a lazo abierto o alazocerrado.Lascaractersticasdeestosalgoritmosse describen mas adelante. -Desdeelpuntodevistadefunciones:engeneral,podemos agrupar a los controladores en dos grupos: los controladores DIN, ylos controladores de proceso. Ambos tipos difieren entre si en su funcionalidad, y tambin en su aspecto fsico. -Los controladores DIN: reciben esta denominacin debido asufrentenormalizadode96mm.x96mm.(Figura2.11). Estoscontroladoressecaracterizanengeneralporunbajo costo,yunaprestacinlimitada.Funcionestalescomoel ajusteremotodelcalordeseado,contactosparasalidade alarmas, o interfaz de comunicaciones suelen ser opcionales con costo extra. Muchos aspectos de diseo, tales como los materialesdelgabineteoeltipodeborneras,estn orientadas a lograr un bajo costo total del instrumento. -Loscontroladoresdeproceso:secaracterizanporuna mayorflexibilidadquelosdeDIN.Lamayorpartedelas funcionesquesonopcionalesenuncontroladorDINson estndarenuncontroladordeprocesos.Otrasfunciones estndar,comolacapacidaddeclculomatemtico, usualmentenoestndisponiblesenuncontroladorDIN. Adicionalmente, el frente de un controlador de procesos imita alfrentedeloscontroladoresdetecnologasmsantiguas, disponiendo de indicadores de barras independientes para el valordeseado,lavariablemedidaylasalidadelavlvula (Figura2.9).Estetipodecontroladoresespreferidoenla industriadeprocesosqumicosypetroqumicos.Sumayor desventajaessuprecio,quepuedellegaracuadruplicaral deuncontroladordeDIN,encasosdeprestaciones reducidas. Figura 2.11.- Controladores de 1/8 DINy DIN (Cortesa de Omega Electronics) CabeaclararqueamboscontroladoresimplementanalgoritmosPID similares, pudiendo diferir en su tiempo de barrido. 2.4.4. Implementacin de algoritmos de control en equipos digitales Introduccin Usualmente, las variables de un proceso se relacionan una a una, tomandounadeellascomoentradaalcontroladorovariable medida,ylaotracomosalidadelcontroladorovariable manipulada.Larelacinentreambasestdadaporunalgoritmo decontrol,cuyaimplementacineslafuncinprincipaldel controlador. Enlosprimerosdeceniosdeestesiglosehadesarrolladoun algoritmodecontrolquerespondeaunaestructuradeltipo Proporcional+Integral+Derivativo(PID),quefueimplementado concontroladoresneumticosyelectrnicosanalgicosen distintasvariables.Laaparicindelmicroprocesadordenuevas posibilidades para el control de planta, tanto en la interrelacin de lazoscomoenlapotenciadealgoritmosdecontrol.Seda entoncesunfenmenocurioso:dadosubajocosto,los controladoresbasadosenmicroprocesadorsustituyenalosde electrnicaanalgicaolosneumticos,conmayores prestaciones, pero la estructura bsica de control sigue siendo un algoritmoPID.Considerandolasituacinpresentaremosa continuacinlosalgoritmosPIDclsicos.Luegoanalizaremos algunos detalles de la implementacindeestosalgoritmosenun microprocesador/microcontrolador,ylaaplicacindela autosintona. 2.4.5. El algoritmo PID Recordemosenprimerlugarallazodecontrol,talcomolomostramos anteriormente.Elmismoconstadeunelementodemedicin,un algoritmodecontrol,unelementofinaldecontrol(usualmenteuna vlvula), y el proceso. Figura 2.12.- Un lazo de control Lafuncindelazodecontrolestratardequelavariablecontroladase mantenga lo ms prxima al valor deseado, con una evolucin temporal que respete las exigencias del proceso. ControladorElementofinal decontrolPROCESOMedicinPerturbacionesValorDeseado(Set Point) ElcontroladorPIDsurgecomoconsecuenciadelacombinacindelas tresaccionesbsicasdecontrol:laaccinproporcional,laaccin integral y la accin derivativa. Laaccinproporcionalintenta corregir el error en la variable controlada dando a la vlvula posicin proporcional al mismo. ) ( ) ( ) ( t b t v t e = ) ( * ) ( t e Kc t m = [Ec. 2.1] v = valor deseado b = medicin m = salida e = error Ke = ganancia ElvalorKseconocecomogananciadelcontrolador.Muchos controladores utilizan la Banda Proporcional en lugar de la ganancia: E Kc MBP=100 BP = Banda Proporcional E = Alcance M = Variacin Mxima de Salida LaBandaProporcionalsedefinecomoelcambioenlavariablede entrada que provoca una variacin del 100% de la salida. Enmuchoscasos,laaccinproporcionalpuededejarunerror permanente u offset (Figura 2.13), que puede ser eliminado por medio delagregadodelmodointegral.Estacapacidaddelmodointegralse denominareset.Elmodointegraltieneunasalidaproporcionalala integraldelerroralolargodeltiempo,yporlotantoactamientras exista el error en el lazo. =ttItdt eTm0) ( ) (1[Ec. 2.2] TI = constante de tiempo integral Enloslazosdedinmicalentaesconvenienteelagregadodelmodo derivativo,cuyasalidaesproporcionalalavelocidaddevariacindel error, es decir, a la derivada del error respecto al tiempo: dtdeT mtD t) () (= [Ec. 2.3] TD = constante de tiempo derivativo Un algoritmo PID combina estas tres acciones de control. No existe una nica forma de combinarlas; la mayora de los algoritmos implementados comercialmentedisponiblescorrespondeaalgunadelassiguientes clases: Controlador PID ideal no iterativo (o algoritmo ISA) ((

+ + =dtdeT dt eTe Kc mtDttIt t) (0) ( ) ( ) (1 [Ec. 2.4] Controlador PID ideal paralelo dtdeT dt eTe Kc mtDttIt t) (0) ( ) ( ) (1+ + =[Ec. 2.5] Controlador PID iterativo ((

+((

+ =dtdeT dt eTe Kc mtDttIt t) (0) ( ) ( ) (11 [Ec. 2.6] Puedeapreciarsequesibienseutilizanlosmismossmbolosy denominacionesparalagananciaKc,eltiempointegralTIyeltiempo derivativo TD, su valor nominal debe ser distinto que los algoritmos, si se deseaobtenerunamismarespuesta.Siseutilizanlosmismosvalores nominalesdeKc,TIyTDenlostresalgoritmos,seobtendrantres respuestas distintas. Por lo tanto cuando se utilizan valores recomendados de Kc, TI y TD para el ajuste de un lazo, deben prestarse atencin al tipo de algoritmo para elquesonrecomendados,yefectuarlasconversionesque correspondan. Delmismomodo,cuandosereemplazancontroladores,debeprestarse atencin al tipo de algoritmo que cada equipo implementa. Puede ocurrir queunantiguocontroladorneumticohayamantenidoellazoestable por aos, y el nuevo controlador digital no logre estabilizar el lazo. Yestosedebeaqueambosutilizanalgoritmosdistintos,perofueron ajustados con los mismos parmetros PID. ElalgoritmoPIDiterativotieneunorigenhistrico,yaquepuedeser implementadoutilizandounsoloamplificador.Dadoelaltocostodelos amplificadoresenloscontroladoresneumticosyenlosprimeros controladoreselectrnicos,estealgoritmofueutilizadopormuchos fabricantes. En algunos casos, se los sigui utilizandoencontroladoresbasadosen microprocesador/microcontrolador,permitiendoelusodelosmismos ajustesdeloscontroladoresneumticos y electrnicos analgicos a los que sustituyen. Figura 2.13.- Error permanente u Offset a lazo cerrado, en un controlador proporcional. Algunas modificaciones sencillas sobre estos algoritmos bsicos son los siguientes: Accin proporcional y derivativa opcional para cambios de set point: Losalgoritmospresentadosestablecenrelacionesentreelerroryla salidaavlvula.Elerrorpuedevariarporquevarievalordela variablemedida,oporqueeloperadormodificelvalordeseado. Usualmente,eloperadorvaraelvalordeseadoenformabastante rpida,semejandounsaltoescaln.Enestecaso,losmodos proporcionalyderivativopuedentenerrespuestasbruscas,que perturbenellazodecontrol.Paraevitarlo,semodificaelalgoritmo PIDcomosigue(semuestralamodificacinparaelalgoritmoISA, siendo anlogo para los otros algoritmos): ((

+ + =dtdbT dt eTb Kc metDttIt t) (0) ( ) ( ) (1[Ec. 2.7] b = valor medido En este algoritmo, los modos proporcionalyderivativooperansobre la medicin, y no sobre el error. De esta forma, un salto escaln en el valor deseado slo afectar al modointegral,mientrasexistaerror.Porotraparte,el comportamiento frente a una variacin en la medicin es igual al del algoritmooriginal(Figura2.14).Algunossistemasutilizanenforma automticaestamodificacindelalgoritmoentodosloslazos, exceptoloslazossecundariosdecontroladoresencascada.Estos ltimosnorequierenestamodificacin,yaquenoestnsujetosa perturbaciones bruscas en el valor deseado. a)Respuesta a una perturbacin escaln en la medicin. La respuesta de los dos algoritmos coincide b)Respuesta a una perturbacin escaln en el valor deseado Figura 2.14.- Modificacin del algoritmo PID, para disminuir las perturbaciones bruscas por cambios en el valor deseado. Anti Reset wind up Elmodointegraldelcontroladortienelacaractersticade saturarse en aquellos casos en que el error persiste a lo largo de untiempoprolongado.Enuncontroladorneumticoeste fenmenoeevidenciaenelfuelleintegral,queseinflahastasu lmitefsico.Porestacaracterstica,seleconocecomoanti resetwindup.Matemticamentesepuedeinterpretarcomoun fuerteincrementodelaintegraldelerror,queseproducean cuandoelerrorespequeo,debidoasupersistenciaenel tiempo. Para que el trmino del modo integral en el algoritmo PID disminuyasuvalor,resultanecesarioqueelerrorinviertasu signo, y persista as hasta eliminar la saturacin. Portalmotivo,puedenproducirseapreciablessobrepicosenla respuestadelsistema.Esteefecto se magnifica en sistemas con retardo, o en aquellos en los que el error tiene el mismo signo la mayor parte del tiempo. Elantiresetwindupeliminaesteefectolimitandoel incremento del trmino integral del algoritmo de control. Transferencia bumpless Esfrecuenteque,frenteacondicionesnoestacionariasdel procesocomoparadasopuestasenmarcha,lasalidadel controladorseafijadamanualmenteporeloperador.Alpasarel controladoraautomtico,elvalordelasalidapasar bruscamentedelvaloradoptadomanualmentealvaloradoptado por el algoritmo de control. Esta cambio perturba el proceso. Losalgoritmosqueimpidenestesaltosedenominande transferencia Manual Automtico bumpless, o sin salto. 2.4.6. Controladores PID Digitales ElcontroladorPIDfueimplementadooriginalmenteutilizandotcnicas analgicas.Actualmente,escomnqueselosimplementeen microprocesadores/microcontroladores,loqueimplicadosnuevos conceptos: el tiempo de barrido y la discretizacin del algoritmo. 2.4.7. Tiempo de barrido Cuandoseimplementaunalgoritmoenelcomputadordigital,todoel procesamiento se realiza en pasos secuenciales: 1)Lectura de las seales de entrada 2)Clculo del algoritmo de control 3)Definicin de la seal de salida 4)Actualizacin de las variables 5)Espera, durante las cuales el procesador realiza tareas no asociadas a este algoritmo 6)Ir a 1 Cada secuencia se denomina barrido (scan); se define como tiempo de barrido(scantime)altiempoentreelcomienzodedosbarridos sucesivos. Unaconsecuenciadelmecanismodebarridoesquedossealesde distintafrecuenciapuedenmimetizarse,apareciendofrenteal controladorcomolamismaseal.LasdoscurvasdelaFigura2.15 presentanlosmismosvaloresdecadabarrido,yporlotantoes imposible discriminarlas. Comoconsecuencia,unaperturbacindealtafrecuenciapuede aparecercomodebajafrecuencia.Engeneral,lasvariaciones asociadasalprocesosondebajafrecuencia,mientrasquelasdealta frecuencia son ruidos. Por lo tanto, la implementacin de un filtro de alta frecuencia soluciona este problema. Figura 2.15.- Mimetizacin de dos seales. Un controlador con un tiempo de barrido de 1 seg. no distinguira entre la seal de baja y alta frecuencia. OtroaspectoaconsiderarenlaimplementacindeunalgoritmoPID digital, es que el barrido introduce al alzo de control un retardo igual a la mitad del tiempo de barrido, lo cual puede dificultar el ajuste del lazo. Parareproducirlarespuestadeuncontroladoranalgico,eltiempode barridodeberaserdeunos100mseg.Mientrasquealgunos controladores dedicados tienen este rendimiento, en un controlador multi lazo sta sera una carga exagerada e innecesaria. Enefecto,sielprocesopermiteunperododebarridomayor,el controladormultilazopodratendermslazosdecontrol, alcanzndoseunptimotcnicoeconmico.Enlaprctica,raravez lossistemas(incluyendoelproceso,elelementodemedicinyel elemento final de control) no tiene algn retardo propio. Porejemplounlazodecontroldepresintpicotieneunperodode oscilacinde20segundos.Uncontroladordigitalconuntiempode barridodelsegundollevaraaesteperodoa22segundos,unefecto poco significativo. LaFigura2.16presentaunareglaprcticaparaladeterminacindel tiempodebarridoapartirdelacurvadereaccindelproceso.Esta curvaseobtieneponiendoellazoenmanual,ygenerandounsalto escaln en la salida de controlador. El proceso (incluyendo la vlvula de control y el elemento de medicin) seguir una evolucin sigmoidea (con formades),conlaquesepuedendeterminartiemposcaractersticos del proceso, utilizados para la determinacin del tiempo de barrido. LaTabla2.5,contienelosvalorestpicosquepuedenservircomo referencia. TIPO DE LAZOTIEMPO DE BARRIDO (en segundos) Caudal1 Presin: Lquidos Gases 1 5 Nivel5 Temperatura10 20 Composicin20 Tabla 2.5.- Valores tpicos de tiempo de barrido. Estos valores orientativos. Figura 2.16.- Estimacin del tiempo de barrido. Se aproxima la respuesta a lazo abierto a un sistema de primer orden con retardo puro. El tiempo de barrido se calcula entonces como: ) ( 1 . 01T T tR + t = tiempo de barrido 2.4.8. Discretizacin del algoritmo LaimplementacindeunalgoritmoPIDenun microprocesador/microcontroladorrequieredesudiscretizacin,por mediodelaaproximacinnumricadelasintegralesyderivadas involucradas.LasimplementacionesdigitalesdealgoritmosPIDse pueden clasificar en dos grandes grupos: posicionales e incrementales. 2.4.9. Algoritmos posicionales LaformaintuitivadeimplementacindeunalgoritmoPIDesla discretizacindelalgoritmoidealnoiterativo[Ec.2.4].Estamisma implementacinrecibeelnombredeposicional,yaquecalcula directamente la posicin que deber tomar la salida. Bsicamenteelproblemasepresentaconlasdiscretizacindelos modosintegralyderivativo,yaquelemodoproporcionalseresuelva sencillamente. Para analizar cada modo, modificaremos la ecuacin 2.4 de la siguiente forma: + + =ttD t t tdtdeKcT dt eTKce Kc m0) () ( ) ( ) ([Ec. 2.4] ) ( ) ( ) ( ) ( t t t tD I P m + + =[Ec. 2.8] Elmodo proporcional que queda reducido simplemente a: ) ( ) ( t te Kc P =[Ec. 2.9] Elmodointegraladmitediferentesaproximaciones.Unaaproximacin clsicaeslareglarectangular,quesemuestraenlaFigura2.17.Se puedeobservarquelaprimeraformapresentada[Ec.2.10]requiere almacenartodoslosvaloresdelerror.Encambio,laEcuacin2.11 utiliza un algoritmo recursivo, que solo requiere almacenar el ltimo valor del trmino integral. | |= =njt jxIt nxt eTKcI0) ( ) ( [Ec. 2.10] | | t eTKcI It nxIt n t nx + = ) ( ) ) 1 (( ) ([Ec. 2.11] Figura 2.17.- Aproximacin del modo integral por medio de la regla rectangular. Otraaproximacinclsicadelmodointegraleslareglatrapezoidal. Segnsta,laintegralesaproximadacomounaseriedetrapecios (Figura2.18).Enformasimilaralaaproximacinrectangular,esta ecuacinrequiereunalgoritmorecursivoparasuimplementacin prctica. = +=njt x j t jxIt nxte eTKcI0) ) 1 (( ) () (2[Ec. 2.12] te eTKcI It x n t nxIt n t nx++ = 2) ) 1 (( ) () ) 1 (( ) ( [Ec. 2.13] Figura 2.18.- Aproximacin del modo integral por medio de la regla trapezoidal. Laaproximacindelmododerivativotambinadmitevariantes.Unade lasformasmscomunesdeaproximacindeunaderivadaesla diferenciacinhaciaatrs,queequivalealclculodeunapendiente entre dos puntos: te edtdet t t t+= ) ( ) ( ) ([Ec. 2.14] Por lo que el modo derivativo tomara la forma: ( )) ( ) ( ) (.t t tDte e xtT KcD =[Ec. 2.15] Otraaproximacinpartedelaecuacinanterior,cambindolaconuna aproximacin numrica del modo derivativo. ( ) ( ) | |) 2 ( ) ( ) ( ) (2) ( ) () () (t t t t t t tDt t ttte e e etKcTtD DddD == [Ec. 2.16] de donde se deduce la forma recursiva | |) 2 ( ) ( ) ( ) ( ) (2t t t t tDt t te e etT KcD D + + = [Ec. 2.17] Estealgoritmotienelaventajadeatenuarlasvariacionesquepueden presentarseenelerrordebidoalruidodemedicin,yaqueconsidera ms puntos que la ecuacin 2.15. Los algoritmos posicionales tienen las siguientes caractersticas: Requieren la implementacin de limitaciones a la acumulacin del modo integral (anti reset wind up) Puestoqueelalgoritmosigatrabajandomientraselcontrolador est en manual, la salida que calcula puede diferir de la fijada del operador.Paralograrunatransferenciabumpless,esnecesario calcularlostrminosproporcionalyderivativoalmomentodela transferenciademanualaautomtico,yelvalorrequeridodel trminointegralparaquelasalidadelalgoritmocoincidaconla fijada por el operador. 2.4.10.Algoritmos Incrementales Elalgoritmoincrementalcalculaelincremento(odecremento)a aplicaralasalidaexistente,paraobtenersunuevaposicin. Genricamente, tiene la forma: ) ( ) ( ) ( t t t tm m m + = ) ( ) ( ) ( ) ( t t t tD I P m + + = Para el clculo de los incrementos de cada modo puede utilizarse directamente la diferencia entredos estados sucesivos entre dos estadossucesivosdeunalgoritmoposicional.Porejemplo,el modo proporcional tomara la forma: ) () ( ) ( ) ( t t t te e Kc P = [Ec. 2.18] Seresumeacontinuacinlaimplementacindelosotrosmodos de control: Modo integral, Regla rectangular t eTKcItIt = ) ( ) ( [Ec. 2.19] Modo integral, Regla trapezoidal | | t e eTKcIt t tIt = ) ( ) ( ) (2 [Ec. 2.20] Modo derivativo | |) 2 ( ) ( ) ( ) (2t t t t tDte e etT KcD + = [Ec. 2.21] LaEcuacin2.21essensiblealruido,yaquepequeas variacionesenalgunosdesustrminospuedendarlugara importantesvariacionesenelTrminoDerivativo.Esteefectoes magnificadosieltiempodebarridotespequeo.Unafrmula alternativautilizadaconxitoesladiferenciacentraldecuatro puntos.Enestecaso,sepuededemostrarqueelTrmino Derivativo puede aproximarse como: | |) 3 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) (3 36t t t t t t tDte e e etT KcD += [Ec. 2.22] Los algoritmos incrementales tienen las siguientes caractersticas: EL problema del reset windup es solucionado sencillamente, limitando el valor de la salida del 0 al 100%. Latransferenciabumplessesfcildeimplementar,yaque losincrementosseaplicandirectamentealasalidaala vlvula fijada manualmente. 2.5. Analoga de los procesos simulados con uno real 2.5.1.Analoga del simulador de proceso de Nivel Elemento Capacidad pura o integrador Enlaprctica,noexisteningnelemento,deltipoquefuere, absolutamente puro. Enestecaso,alhablardecapacidadpura,estehechotomaespecial relevancia,dadoquesehabladecondicionesenlasqueunavariable tiende a infinito. Seamos,pues,conscientesdequelaexpresintericainfinitotendr elsignificadoprcticodemuygrandeo,sencillamente,quelos componentes fsicos alcanzaran su estado de saturacin o su deterioro, enlosquecesaraelfenmeno:unelementoconstituidoporuna capacidad pura se comporta como un integrador. A continuacin se ver algn ejemplo del elemento capacidad pura. Nivel en tanque con salida constante Supongamosunsistemadenivel,comoelrepresentadoenlaFigura 2.19,enelqueelcontenidodeuntanque,deseccinhorizontalAes extrado por una bomba de caudal constante, independientemente de la altura del nivel del tanque. Podemosimaginarunasituacindeequilibrioenlaqueelcaudalde aporteq1esexactamenteigualqueeldeevacuacinq2,impuestopor la bomba. q1 + qhq2Aq1 = q2q = caudal neto1/s 1/A1/AsQ HVolumen acumuladoCaudal neto NivelQ H Figura 2.19. Elemento capacidad pura. Si en un momento dado el caudal de aporte se ve incrementado en una cantidadq,resultaintuitivoqueelnivelirincrementndoseauna velocidad constante, hasta alcanzar el rebose ( o su vaciado total si q es negativo). Es decir, nunca se llegar a una nueva condicin de equilibrio, comoocurracuandoelvaciadoseproducamedianteunarestriccin. Se trata pues, de un proceso inestable, sin autorregulacin. La ecuacin de balance de material de este sistema es: Acumulacin= entrada salida 2 1 q q qdtdhA + = pero como se ha hecho q1 =q2 entonces qdtdhA =Tomando Laplacianas AsH =Q La Transmitancia ser

As QH 1= Obviamentenosepuedehablardeconstantedetiempo,que,entodo caso,serainfinita.Despejandodhenlaltimaecuacindiferencial tenemos: qdtAdh1= En la que integrando ambos miembros de la igualdad se obtiene = qdtAh1 Deaququeunelementocapacidadpurapuedaserconsideradocomo un elemento integrador. Despejando ahora la constante A, se obtiene = qdthA1 Haciendoh=1yq=1(constante),eintegrandoentreloslmites0y obtenemos A = Que debe ser interpretada del siguiente modo: cuando el caudal neto de aportacin(oextraccin)altanqueesdevalorunitario(q=1),eltiempo quetardaelnivelenaumentarodisminuirenunaunidaddelongitud (Uh=1)esigualalaconstanteA(readelaseccinhorizontaldel tanque). De aqu que a esta constante se la llame tiempo de integracin. Generalizando, puede decirse: Eltiempodeintegracindeunelementocapacidadpuraeseltiempo necesarioparaquelavariabledesalidaseincrementeenunaunidad, cuando la variable de entrada es constante e igual a la unidad. Habitualmente,expresaremoslaecuacindelcomportamientodeun elemento capacidad pura como:

= xdtTiy1 donde: x = Variable de entrada y = Variable de salida Ti = Tiempo de integracin 2.5.2.Analoga del simulador de proceso de Temperatura Supongamosunhornodegasofuel-oilparacalentamientodeun productoquevahaserenviadoaunatorrededestilacin.Lavariable controladaseralatemperaturadelproductoalasalidadelhorno.La variablemanipuladaseraelcaudaldecombustible.Enprincipio podramosestablecerunsistemadecontrolcomoelmostradoenla Figura 2.20. La temperatura del proceso sera transmitida al controlador, el cual en funcin de la seal de error corregira la posicin de la vlvula para ajustar la cantidad precisa de combustible. Sinembargo,veamosquesucederasi,porcualquiercausa,lapresin en la lnea de combustible sufre un cambio (perturbacin), supongamos unadisminucin.Comoprimeraconsecuenciadisminuiraelcaudaldel combustible,acontinuacinestoprovocaraundescensoenla temperaturadelproductoqueseradetectadaporeltransmisor.Estos sucesos vendran afectados por el retardo de tiempo y el tiempo muerto inherentes a la dinmica del horno, as como por el retardo de tiempo del sensor de temperatura, tambin por un pequeo tiempo muerto debido a lasituacinfsicadelsensor.Conello,elcontroladormodificarasu sealdesalida,loqueprovocaraunamayoraperturadelavlvula,a efectosdecompensarladisminucinenlapresindecombustible, teniendo as a recuperar el caudal inicial. Aun asumiendo que el sistema se hallase perfectamente optimizado, es evidente que la variable controlada se vera alterada como consecuencia de la perturbacin. Precisamente si hay accin correctora es porque hay seal de desviacin. Elcomportamientodinmicodeunhornopuedeserrepresentado aproximadamente por la siguiente funcin de transferencia: ) 1 )( 1 (2 1+ +=s T s T KpeGps Tm La cual muestra los siguientes parmetros: Kp=Gananciaesttica,orelacin(incremental)entrela temperaturadesalidayelcaudaldecombustible(enestado estacionario). Tm=Untiempomuerto,funcindeltiempomediode residencia. T1 y T2=Constantesdetiempo,dependientesdelaconcepcin (diseo) y de la dinmica del horno. TTTICHORNOSalida del productoTransmisorControladorVlvula de controlCombustible Figura 2.20. Control de temperatura en un horno La Figura 2.21 muestra el diagrama de bloques de este sistema. Ntese que un cambio en la presin generainstantneamente un cambio en el caudaldelavlvula.Detrsdelsumatoriosetendraelcaudaldel combustible.LagananciaKusecalcularalinealizandolafuncinenel puntodetrabajo.Serecuerdaunavezmsquelasvariables representadasporunanotacinoperacionalserefierenalas desviacionesdesupuntodetrabajo,conloquelasalidadelbloque perturbacin ser nula cuando la presin en la lnea de combustible sea la normal. Esdecir,queelvalordelavariablepresinalaentradadelbloque perturbacindebeserentendidocomoladiferenciaentrelapresin instantneaylanormal.EstosignificaquelagananciaKuserala variacin de caudal del combustible por unidad de cambio de presin en el punto de operacin normal. Del mismo modo, la ganancia esttica Kp del horno sera la variacin de temperaturaalasalidadelhornoporunidaddevariacindecaudalde combustible. Algo similar podramos decir de las ganancias Kv y Km. Nota:Elbloquevlvuladebeserentendidoenrealidadcomouna composicindedoselementos:lavlvulaensi,comouncomponente mecnico, y un pequeo proceso de caudal. Lavlvulatendracomovariabledeentradaenlasealdecontrol,y comovariabledesalidalaposicindesuvstago(sucapacidadde paso).Elprocesodecaudaltendracomovariabledeentradala posicin del vstago de la vlvula, y como variable de salida el caudal. A - D Algoritmo D - AClockSimulador de Procesode TemperaturaKuPerturbacin++u(t) y(t) Y Figura 2.21. Diagrama de bloques del Controlador de Temperatura A - D Algoritmo D - AClocku(t) y(t) Figura 2.22. Aproximacin a una funcin contnua en el tiempo AlgoritmoY = P*e(n)+P*I*TsSe(k)+((P*D))*(e(n)+3(e(n-1)-e(n-2))-e(n-3)) 6*TsA - D Algoritmo D - AClock Figura 2.23. Algoritmo de control usado 2.6. Sintonizacin de Procesos 2.6.1.Estabilidad del circuito de control Un sistema es estable si su salida permanece limitada para una entrada limitada. La mayora de los procesos industriales son estables a circuito abierto, es decir, son estables cuando no forman parte de un circuito de control por retroalimentacin; esto equivale a decir que la mayora de los procesosindustrialessonautorregulables,osealasalidasemuevede unestadoestableaotro,debidoaloscambiosenlassealesde entrada. Aun para los procesos estables a circuito abierto, la estabilidad vuelve a ser considerable cuando el proceso forma parte de un circuito de control porretroalimentacin,debidoaquelasvariacionesenlassealesse refuerzanunasaotrasconformeviajansobreelcircuito,yocasionan quelasalidaytodaslasotrassealesenelcircuitosevuelvan ilimitadas. 2.6.2.Sintona de los Controladores por Retroalimentacin Lasintonaeselprocedimientomedianteelcualseadecuanlos parmetrosdelcontroladorporretroalimentacinparaobteneruna respuestaespecficadecircuitocerrado.Lasintonadeuncircuitode control por retroalimentacin es anlogoal del motor de un automvil o deuntelevisor;encadacasoladificultaddelproblemaseincrementa conelnmerodeparmetrosquesedebenajustar;porejemplo,la sintonadeuncontroladorproporcionalsimpleodeunointegrales similar al del volumen de un televisor, ya que slo se necesita ajustar un parmetrooperilla;elprocedimientoconsisteenmoverloenuna direccinuotra,hastaqueseobtienelarespuesta(ovolumen)quese desea.Elsiguientegradodedificultadesajustarelcontroladordedos modosproporcional-integral(PI),queseasemejaalprocesodeajustar elbrilloyelcontrastedeuntelevisorblancoynegro,puestoquese debenajustardosparmetros:lagananciayeltiempodereajuste;el procedimientodesintonaessignificativamentemscomplicadoque cuando slo se necesita ajustar un parmetro. Finalmente, la sintona de loscontroladoresdetresmodosproporcional-integral-derivativo(PID) representaelsiguientegradodedificultad,debidoaqueserequiere ajustar tres parmetros: la ganancia, el tiempo de reajuste y el tiempo de derivacin, lo cual es anlogo al ajuste de los haces verde, rojo y azul en un televisor a color. A pesar de que se plante la analoga entre el ajuste de un televisor y un circuito de control con retroalimentacin, no se trata de dar la impresin dequeenambastareasexisteelmismogradodedificultad.La diferenciaprincipalestribaenlavelocidadderespuestadeltelevisor contraladelcircuitodelproceso;eneltelevisorsetieneuna retroalimentacin casi inmediatasobre le efecto del ajuste. Por otro lado, a pesar de que en algunos circuitos de proceso se tienen respuestasrelativamenterpidas,enlamayoradelosprocesosse debeesperarvariosminutos,oaunhoras,paraapreciarlarespuesta queresultadelasintona,locualhacequelasintonadelos controladoresconretroalimentacinseaunatareatediosaquelleva tiempo; a pesar de ello, ste es el mtodo que ms comnmente utilizan los ingenieros de control e instrumentacin en la industria. Parasintonizarloscontroladoresavarioscriteriosderespuestasehan introducido diversos procedimientos y frmulas de ajuste. Enelpresentetrabajodetesisseexplicardosdeellos;elmtodode ganancialtima(paraelsimuladordelprocesodecontroldenivel)yel mtododepruebaescalnunitario(paraelsimuladordelprocesode controldetemperatura),sedebetenerenmentequeningn procedimientodamejorresultadoquelosdemsparatodaslas situaciones de control de proceso. Los valores de los parmetros de sintona dependen de la respuesta de circuito cerrado que se desea, as como de las caractersticas dinmicas opersonalidaddelosotroselementosdelcircuitodecontroly, particularmente, del proceso. 2.6.2.1.Mtodo de Oscilacin de Ziegler & Nichols (Z - N) Estemtodo,unodelosprimeros,quetambinseconocecomo mtodo de circuito cerrado o ajuste en lnea, lo propusieron Ziegler y Nichols,en1942;constadedospasos,aligualquetodoslosotros mtodos de ajuste: PASO1.Determinacindelascaractersticasdinmicaso personalidad del circuito de control. PASO 2. Estimacin de los parmetros de ajuste del controlador con losqueseproducelarespuestadeseadaparalascaractersticas dinmicas que se determinaron en el primer paso en otras palabras, hacercoincidirlapersonalidaddelcontroladorconladelosdems elementos del circuito. En este mtodo, los parmetros mediante los cuales se representan lascaractersticasdinmicasdelprocesoson:laganancialtimade un controlador proporcional, y el perodo ltimo de oscilacin. Lagananciayelperiodoltimossedebendeterminar frecuentementedemaneraexperimental,apartirdelsistemareal, mediante el siguiente procedimiento: 1.Sedesconectanlasaccionesintegralyderivativodelcontrolador porretroalimentacin,demaneraquesetieneuncontrolador proporcional.Enalgunosmodelosnoesposibledesconectarla accinintegral,perosepuededesajustarmediantelasimple igualacin del tiempo de integracin al valor mximo o de manera equivalente, la tasa de integracin a valor mnimo. 2.Conelcontrolador,seincrementalagananciaproporcional, hastaqueelcircuitooscilaconamplitudconstante;seregistrael valordelagananciaconqueseproducelaoscilacinsostenida comoKganancialtima.Estepasosedebeefectuarcon incrementos discretos de la ganancia, alterando el sistema con la aplicacindepequeoscambiosenelpuntodecontrolacada cambio en el establecimiento de la ganancia. Los incrementos de lagananciadebensermenoresconformestaseaproximeala ganancia ltima. 3.Del registro de tiempo de la variable controlada, se registra y mide elperododeoscilacincomoTuperodoltimo,segnse muestra en la Figura 2.24. Para la respuesta que se desea del circuito cerrado, Ziegler y Nichols especificaronunarazndeasentamientodeuncuarto.Laraznde asentamiento (disminucin gradual) es la razn de amplitud entre dos oscilacionessucesivas;debeserindependientedelasentradasdel sistema. Una vez que se determinan la ganancia ltima y el periodo ltimo, se utilizanlasfrmulasdelaTabla2.6paracalcularlosparmetrosde ajuste del controlador. Laaccinderivativapropiciaunincremento,tantoenlaganancia proporcionalcomoenlatasadeintegracin(undecrementoenel tiempodeintegracin)delcontroladorPID,encomparacinconlas delcontroladorPI,debidoaquelaaccinintegralintroduceun retardoenlaoperacindelcontroladorporretroalimentacin, mientrasqueconlaaccinderivativaseintroduceunavanceo adelanto. GananciaTiempo deTiempo de Tipo de controladorproporcional Kc integracin Ti derivacin Td Proporcional PKc/2------------------ Proporcional Integral PI Kc/2.2Tu/1.2--------- Proporcional integral derivativo PID Kc/1.7Tu/2Tu/8 Tabla 2.6.- Frmulas para sintonizacin de Ziegler & Nichols Siendo: Tu = Perodo de Oscilacin Kc = Ganancia mxima Figura 2.24.- Perodo mximo y Kp mximo 2.6.2.2.Mtodo basado en la curva de Reaccin El procedimiento de la prueba escaln se lleva a cabo como sigue: a.Conelcontroladorenlaposicinmanual(esdecir,elcircuito abierto),seaplicaalprocesouncambioescalnenlasealde salidadelcontroladorm(t).Lamagnituddelcambiodebeserlo suficientemente grande como para que se pueda medir el cambio consecuenteenlasealdesalidadeltransmisor,peronotanto comoparaquelasnolinealidadesdelprocesoocasionenla distorsin de la respuesta. b.Larespuestadelasealdesalidadeltransmisorc(t)seregistra enungraficadordepapelcontinuooalgndispositivo equivalente; se debe tener la seguridad de que la resolucin es la adecuada,tantoenlaescaladeamplitudcomoenladetiempo. Lagraficacindec(t)contraeltiempodebecubrirelperodo completodelaprueba,desdelaintroduccindelapruebade escalnhastaqueelsistemaalcanzaunnuevoestado estacionario.Lapruebageneralmenteduraentreunoscuantos minutosyvariashoras,segnlavelocidadderespuestadel proceso. c.Calcular los parmetros como sigue: 00U UY YKo = To = t1 to Vo = t2 t1 El modelo obtenido puede ser usado para derivar varios mtodos de sintona para controladores PID.Uno de estos mtodos fue tambin propuesto por Ziegler and Nichols. Naturalmente, es imperativo que no entren perturbaciones al sistema mientras se realiza la prueba de escaln. En la Figura 2.25 se muestra una grafica tpica de la prueba, la cual seconocetambincomoCurvadeReaccindelProceso;que tienelarespuestaenformadeSqueescaractersticadelos procesos de segundo orden o superior, con o sin tiempo muerto. Figura 2.25.- Ejemplo de curva de reaccin Kp TiTd P ((

+VoToKoToVo31 PI ((

+VoToKoToVo129 . 0| |To VoTo Vo To20 93 30+ + PID ((

+VoToKoToVo4 34 | |To VoTo Vo To8 136 32++ To VoToVo2 114+ Tabla 2.7.- Sintonizacin Cohen y Coonusando la curva de reaccin. 2.7. Sistemas de Control Basados en PC Desde sus inicios, los sistemas digitales, influenciaron en forma extrema el desarrollodemuchasactividades.Hacialosaos70prcticamente cualquier compaa mediana o grande poda contar con un sistema digital parasuadministracin,lossistemasdigitalesencontraronmultitudde aplicacionesenelmbitodecontrolindustrial.As,losDCSylosPLC empezaronaserpartecomndeunaplantamedianaogrande.Sin embargo,aqutambinloscostosimpedandeterminadasaplicaciones, particularmente en la pequea industria. En1981IBMlanzalacomputadorapersonalPC.Conella,setuvoa disposicinunacomputadoracompactayrazonablementeeconmica, orientadaaempresaspequeasoalusopersonal.Coneltiempo,laPC sedifundir,permitiendoqueanlacompaamsmodestapueda contarla como uno de sus recursos. Porotraparte,algunosequiposdecontrolautomtico,comolosPLCso losinstrumentosunilazoempiezanacontarconinterfacesquepermiten suconexinconPCs.Surgenentonceslasprimerasaplicacionesenque combinan estos equipos. Estasaplicacionesrequirierondeldesarrollodesoftwareamedidaque debacorrerenlaPC,cuyasfuncionesfueronlacomunicacinconel equipodigitaldecontrolautomtico,ylapresentacinaloperadordelas variables del proceso. Aefectosdefacilitarelusodeestossistemasporpartedelosusuarios, algunascompaasofrecieronsoftwareparasupervisinycontrolde procesos, que brind en la PC facilidades de presentacin de informacin de apariencia similar a los DCS. Este nuevo tipo de software hizo ms fcil la implementacin de sistemas que combinan equipos digitales de control automtico y PCs, al ahorrar al usuario el desarrollo de complejos programas para la PC. EnlapresenteTesisllamaremosalconjuntodeequiposdigitalesde controlautomtico,computadorapersonalysoftwaredecontrolparala PCcomoSistemadeControlBasadoenPC.Suaparicintienedos reas principales de impacto: en el rea de los procesos continuos, brinda unaalternativademenorcostoqueunDCSparapequeasaplicaciones no crticas, que pueden ser implementadas con sistemas con un bajo nivel deintegracinentreelsoftwaredelaPCyeldeldispositivodeE/S,y comunicaciones no redundantes de baja velocidad. Lasprimerasaplicacionesdeestetipodesistemasfuerontipostand aloneconunaPCyunoovariosdispositivosdeE/S.Posteriormente aparecieronysepopularizaronlasaplicacionesenred,convariasPCs. Hoy, la aplicacin de sistemas de control basados en PC est alcanzando suapogeo,condocenasdemilesdePCscorriendoalgnsoftwarede supervisin comercialmente disponible. 2.7.1.Partes de un Sistema de Control Basado en PC UnsistemadecontrolbasadoenPCestformadoportrespartes bsicas:lacomputadorapersonalPCconsuhardwareysoftwarede baseasociados,elsoftwareparacontrolbasadoenPC,yelolos dispositivos de entrada y salida. UnacaractersticaimportantedeunSistemadeControlBasadoenPC esquecadaunadeestaspartesesunproductodistinto,usualmente diseado y comercializado por proveedores diferentes. Cada una de estas partes tiene caractersticas propias, el software para controlBasadoenPCestespecficamentediseadoparasuusoen computadoraspersonalesestndar,comunicadasconmultitudde equipos industriales. Secaracterizaporunaltogradodeadaptabilidadalos condicionamientos de las dems partes. As, respeta los requerimientos dehardwareysoftwaredelaPC,utilizandoalmximolosestndares. Delmismomodo,tratardeadaptarsealamayorcantidadposiblede equipos digitales de controlindustrial. Otrasdenominacionesutilizadasparareferirsealsoftwareparacontrol basadoenPCson:softwaredesupervisin,softwareparaadquisicin dedatos,softwareparacontroldeprocesos.EnlapresenteTesisse desarrollarasoftwaredeadquisicindedatosysoftwaredecontrolde procesos. Nilacomputadoranielsoftwarepermitenlaconexindeelementosde campoenformadirecta.ParaelloseutilizandispositivosdeE/S, denominacingenricadelosequiposdigitalesquetomanlasealdel instrumentodecampo,ladigitalizanymultiplexanylatransmitenala PC.,DentrodelosdispositivosdeE/Spodemosencontrarequiposcon distintasfunciones:PLCs,controladoresunilazo,registradores multipunto, cromatgrafos tarjeta de adquisicin de datos, etc. Enestatesissedesarrollaralatarjetadeadquisicindedatosycontroladores unilazo. Sibienenlamayorpartedelasaplicacionesseutilizancomputadoras personalestipoIBMPC,aparecenconalgunafrecuenciacasosenlos queestassonreemplazadasocomplementadasconcomputadorasde mayor capacidad. Debe notarse que la definicin de Sistema de Control basado en PC que se ha dado no distingue el lugar en el que reside el algoritmo de control. Este puede ejecutarse en la PC o en el dispositivo de entrada o salida. Otradefinicin,msrestrictiva,consideraqueelsistemadecontrol basadoenPCesaquelenqueelalgoritmodecontrolcorreenlaPC. Sinembargo,enlamayorpartedelasaplicacionesdesistemasde controlbasadosenlaPC,lafuncindecontrolseejecutaenel dispositivo de E/S. Adicionalmente, las caractersticas que describiremos son similares en uno u otro caso, sin que tenga influencia el lugar en el que resida el algoritmo de control. 2.7.2.Clasificacin En funcin de la ubicacin del dispositivo de E/S, los sistemas de control basados en PC pueden clasificarse en sistemas externos e internos. 2.7.2.1.Sistemas externos EnlossistemasexternoseldispositivodeE/Sesexternoal computador, y la comunicacin entre ambos se efecta por medio de un port de comunicaciones de la PC. En la mayor parte de los casos se utiliza interfaces RS-232 RS-485 a baja velocidad (300 a 19200 bps).AlgunosdispositivosdeE/Sexternosutilizaninterfacesde comunicaciones propietarias, que requieren la instalacin de tarjetas especiales en la PC. Los sistemas externos presentan las siguientes caractersticas: EldispositivodeE/SpuedeserremotodelaPC(desdeunos pocos metros a miles de kilmetros). Alserexterno,sonposiblesaplicacionesdemayorenvergadura que en los sistemas internos. Los dispositivos de E/S asociados a sistemasexternossuelensermsflexibles,posibilitandola expansinporadicindetarjetasdeE/S.Engeneralesposible armarredescondispositivosdeE/Sdeunmismofabricante, aumentando aun ms su flexibilidad. Engeneral,esmssencilloelmantenimientodeldispositivode E/S, que se realiza sin desarmar la PC. Tpicamente,eltiempoenelquelaPCtomalosdatosdel dispositivo de E/S puede medirse en algunos segundos. La mayor parte de las aplicaciones industriales de control automtico implementadasconsistemasdecontrolbasadosenPCseefectan con sistemas externos. 2.7.2.2.Sistemas internos Paraaplicacionesrequiriendounaspocasentradas/salidasse dispone de sistemas internos, en losque se instalan tarjetas de E/S en una ranura de la PC. De esta forma, el dispositivo de E/S accede directamentealbusdelaPC.Selogranasaltasvelocidadesde muestreo,superndoselas100000muestrasporsegundo.Las caractersticas de un sistema interno son: Bajo costo Son posibles altas velocidades de muestreo Elmantenimientoimplicalamanipulacindepartesinternasdel PC. La flexibilidad para la adicin de seales es muy baja, ya que est limitada la capacidad de expansin por adicin de tarjetas. Las seales de los sensores deben llegar directamente a la PC Estossistemassesuelenutilizarenaplicacionesdelaboratorio,en lasqueserequierealtavelocidaddemuestreo,ypocas entradas/salidas. 2.7.3.Dispositivos de Entrada/Salida (E/S) El dispositivo de E/S cumple con las siguientes funciones: Punto de conexin de las seales de campo. Acondicionamientodelaseal:amplificacin,atenuacin, aislamiento, filtrado, etc. Conversin A/D y D/A, multiplexado. Comunicacin con la PC, ya sea directamente al bus de datos de lamisma,opormediodeinterfacesRS-232,RS-485,USBu otras. Control y clculo, dependiendo deltipo de dispositivo de E/S. En efecto,algunosdispositivosdeE/Snotendrnningntipode nivel de inteligencia para esta funcin, mientras que otros tendrn capacidaddecontrolsecuencial,lgico,oregulatorio,clculos, etc. LasiguienteclasificacindelosdispositivosdeE/Ssebasaensu capacidad de control y clculo. Tarjetas de E/S para Adquisicin de Datos: Utilizadas en sistemas internos, son de bajo costo. No tienen ningn tipo de inteligencia para el control. SistemasdeAdquisicindeDatos:DASAligualqueenelpunto anterior,tampocotienecapacidaddecontrol.Suobjetivoesla adquisicindeunelevadonmerodeseales,enforma econmica.Sonutilizadosensistemasexternos.Tienenunalto grado de flexibilidad para la adicin de seales. PLC:LaenormedifusindelosPLCsenmuchasindustriasha bajadoenformasensiblesusprecios,porloqueestossonmuy utilizadoscomodispositivodeentradasalida.Selosutilizaen aplicacionesquerequierencontrollgico,secuencialeincluso algo de control regulatorio. Tambin se los utiliza en donde no es necesario control alguno, ya que han logrado desplazar en precio alossistemasdeadquisicindedatosdepequeoymediano tamao. Instrumentos Unilazo: En forma general, los instrumentos unilazo disponendeinterfacesdecomunicacionesquepermitensu supervisindesdePCs.Enmuchasplantas,estosinstrumentos soncomparadoscomopartedevariosproyectos,alolargodel tiempo.Luegoseinstalaelsistemaparasupervisinbasadoen PC,queintegralassealesdeestosequipos.Algunos instrumentosunilazoson:Controladores,registradores, totalizadores, etc. DispositivosProgramables:Sonequiposdotadosdeinteligencia paraelcontrol,perosediferenciandelosequiposanteriormente descritosenquenoposeenunniveldesoftwaredefinidopara una tarea especfica. Por ejemplo un PLC est diseado el control lgico,tpicamenteprogramablepormediodelgicasen escalera. Los controladores unilazoestndiseadosparacontrol PID, por lo que son sencillos de configurar para esta aplicacin, y poseenunainterfazaloperadordiseadaparasufuncin.En cambio,undispositivoprogramableesprogramadoenun lenguajedealtonivel,conunaltogradodeflexibilidad.Por supuesto,estamayorflexibilidadimplicaunmayortrabajode programacin para una aplicacin definida. Otros: En definitiva, cualquier equipo basado en microprocesador queposeaunainterfazstandardcomoRS-232RS-485yun protocoloabiertopuedesersupervisadodesdeunaPC.Con frecuencia,eldispositivodeE/Sesminimizadoenladescripcin de un Sistema de Control Basado en PC. Si pedimos a un usuario quenosdescribasusistema,esprobablequeseexplayeenel software de supervisin, el sistema operativo de la PC y la causa de su eleccin, la red, y la PC propiamente dicha, mientras dedica poco tiempo al dispositivo de E/S. Sin embargo este ha costado el 40%deltotaldelsistema.Elprincipalfactorenlaseleccindel dispositivodeE/Seslanecesidaddecontrolyclculo.Esto orientaralusodecontroladoresunilazo,PLCs,etc.Otros factores a considerar son la facilidad de expansin, resolucin de laconversinA/DyD/A,facilidaddemantenimientoy,por supuesto el soporte local y el costo. 2.7.4.Partes Bsicas de un paquete de software basado en PC Un paquete de software para control basado en PC consta bsicamente de4programasyunabasededatosdinmica.Labasededatos contienelaestrategiadecontrol,queindicadedondevienenlosdatos, quesehaceconellos,yadondevan.Decimosquelaestrategiade control es una base de datos dinmica, porque el valor de sus variables cambiainstanteainstante,enformaasociadaalasvariablesdel proceso. La definicin de la estrategia de control se realiza mediante un programa diseadoatalefecto.Otroprogramapermitecrearlaspantallasque permitirn al usuario ver datos de la base de datos. Untercerprogramaseocupadeejecutarlaestrategiadecontrol, cumpliendolasfuncionesdecontrolqueenellaseespecifican.La principal caracterstica de esteprograma es que corre en background, esdecir,esteprogramanoproveeinterfazalusuario.Estafuncines cumplidaporelcuartoprograma,eldevisualizacin,quetomalas pantallasanteriormentecreadasylasconectaalabasededatos dinmica. Se describir a continuacin cada uno de estos programas. 2.7.4.1.Creando la estrategia de control Lasestrategiassecreanutilizandobloquesdesoftwareque representanlosdistintosinstrumentosutilizadoseninstrumentacin analgica.Porejemplo,unlazoPIDseconstruyeutilizandoun bloquedeentradaanalgica,unbloquePIDyunbloquedesalida analgica, como se muestra en la Figura 2.26. Entrada ControladorSalida AnalgicaPID Analgica Figura 2.26.- Lazo de Control PID EstametodologaesigualalautilizadaenlosSistemasdeControl Distribuido.Elconjuntodeestosbloques,adecuadamente configurado,sedenominaestrategiadecontrol,basededatos dinmica o base de datos de control. Laformadecrearlabasededatosdecontrolescaractersticade cada proveedor. Segn el diseador (fabricante), son tpicas dos formas de realizar el trabajo: Completamientodeplanillaspreconfiguradas(Fillintheblanks): El uso de planillas Fill in the blanks fue el primer mtodo utilizado paralacreacindeestrategiasdecontrolutilizandobloquesde software.EstemtodoesutilizadoenSistemasdeControl Distribuido,SistemasdecontrolbasadosenPCySistemas Industrialesabiertos.Estemtodoconsisteendisponerdeuna planilla por cada tipo de bloque, que debe ser completada segn laestrategiaaconfigurar.Lainformacinacompletar,ylaforma en que est organizada dependen del fabricante. GeneracinGrficaporiconos:HablandodeSoftware,unicono esunaimagengrfica,querepresentaalgo.Enelcaso particulardelageneracingrficadebasesdedatosdecontrol en un ambiente iconizado, se dispone de una pantalla en las que lasdistintasfuncionessonrepresentadasporiconos.Deeste modo,laestrategiadecontrolseconstruyedibujandobloques,y conectndolosgrficamente.Estemtodobrindauna representacinvisualdelaestrategiadecontrol,queengeneral esfcildeinterpretar.Enlamedidaenqueseimplementan estrategiasdecontrolmscomplejaseldibujopuedellegara complicarse.Porotraparte,todoslosparmetros,excepto aquellosrelacionadosconelsoftwiring,debensercompletados pormediodeplanillasFillintheblanks,alasqueaccede seleccionandoelbloquedeseadoconelmouse. Independientementedelatcnicautilizada,obtendremoscomo resultadounarchivodeconfiguracinalmacenadoeneldisco duro (HD). Este archivo ser utilizado posteriormente, para correr la estrategia de control. 2.7.4.2.Creando las pantallas Lacreacindepantallasimplicaenrealidadcreardoscosas:una parte esttica de la pantalla (denominadacomnmente template) y una parte dinmica, que se conecta a variables de la base de datos decontrol.Atravsdeestaconexin,elsoftwaredevisualizacin sabe que variables debe presentar, en que parte de la pantalla debe hacerlo,ycmodebehacerlo.Segnelfabricante,estasdos funcionespuedenserintegradasenunnicopaquete,oserdos funciones separadas, crendose primero el template, y conectndolo despus. En lamayor parte de los casos, la informacin el template ylasconexionessealmacenanenarchivosseparados,eneldisco duro. 2.7.4.3Ejecucin de la estrategia de control Enelpunto2.7.4.1sedetallocmoseconfiguralaestrategiade control.Lamismaesejecutadaporunprogramaquerecorretodos los bloques, efectuando los clculos que en los mismos se indiquen. Para ello, l primer paso del programa de ejecucin al ser cargado es copiar la base de datos de control del disco duro o la memoria RAM. El espacio que la base de datos ocupa en la RAM es reservado, para impedir que otros programas la desplacen. De esta forma, la copia de basededatosenlamemoriaRAMreflejarexactamentealarchivo delabasededatosdeldiscoduro,creadaporelconfiguradorde estrategiasdecontrol.Unavezqueelprogramadeejecucin empiece a procesar la base de datos, empezar a haber diferencias entrelosvalorescontenidosenlabasededatosdelaRAM,ylos contenidos en la base de datos del disco duro. El operador empezar acambiarelestadoA/Mdecontroladores,setpoints,salidasa vlvulas, etc. Deberecordarsequeestainformacinnoesactualizada automticamenteeneldiscoduro,porloquealreinicializarseel procesador estos cambios se pierden. Esto significa que la estrategia decontrolrearrancardesdelaposicinindicadaenelarchivodel disco duro, y NO desde la ltima posicin alcanzada. Unavezqueelprogramadeejecucinempezacorrer,procesar todoslosbloquesenformacclica.Losconceptosdetiempobsico debarrido,distribucindecargaenfases,overrun,etc.,son aplicables a la ejecucin de estrategias de control en una PC. Un aspecto que diferencia a la ejecucin de estrategias de control en unaPCcomparadaconsuejecucinenprocesadoresdedicadosal control en un DCS o un OIS es que la PC debe cumplir funciones que nosonrequeridasenlosprocesadoresdedicadosalcontrol.Entre estas funciones podemos mencionar: el programa de visualizacin de variables,mdulosdeaplicacincomoelregistrohistrico,la generacin de reportes, etc. Portalmotivo,elanlisisdelacargadeprocesamientodeuna PCesmscomplejoqueunDCSounOIS,yaquelaPCdebe satisfacer los requerimientos de procesamiento de mayor variedad de programas. Adicionalmente, la falla de la PC implica la prdida de ms funciones delsistemaquelafalladeunprocesadordedicadoalcontrolenun DCS o un OIS. 2.7.4.4.Visualizacin de la base de datos El programa de visualizacin nos permite apreciar los resultados del trabajo efectuado por los dems programas. Nos permite ver las pantallas creadas, para lo cual recupera del disco duroeltemplate,yelarchivoquecontienelainformacinrelativaa lasconexionesalabasededatos.Inmediatamentepresentaenel monitoreltemplate,ybuscaenlabasededatoslainformacin indicadaenelarchivodeconexiones.Conestoeloperadorpuede verinformacindelabasededatos.Porsupuesto,losdatos requieren actualizacin, la que en general se hace sobre una base de tiemposfijos,dentrodelciclobsicodelbarrido.Porejemplo,cada un segundo el programa de visualizacin busca en la base de datos indicados en el archivo de conexiones, y los presenta en la pantalla. 2.7.5.El driver de comunicaciones EldriverdecomunicacionesesunodelosaspectosdeunSoftware para Control Basado en PC ms difundidos y discutidos. Los fabricantes de software disponen de driverspara establecer comunicaciones con la mayor cantidad posible de dispositivos de E/S y as ofrecer su producto a la mayor cantidad posible de usuariosde estos dispositivos. PeroQuesundriver?Lametodologadecreacindelasbasesde datosdecontrol,ysuprocesamientofuerondetalladosanteriormente. Peroelprogramadeejecucindelaestrategiadecontrolnose interrelacionan con el dispositivo de E/S. Esta es la funcin principal del driver,queesunsoftwarecuyafuncinesintercambiardatosentreel dispositivo de E/S y la base de datos de control que se encuentra en la memoria RAM de la PC. Debe existir un driver por cada tipo de dispositivo de E/S. Paraello,sedebeutilizareldrivercorrespondientealprotocolode comunicaciones del dispositivo de E/S. Utilizandoesteprotocolo,eldriverinterrogaaldispositivodeE/S, obteniendo el valor de las variables de proceso que se requieran. EstevalorescopiadoalamemoriaRAM,enelbloquedelaestrategia de control que corresponda. Eldriverdebeserconfigurado,paraasociarlosbloquesdelabasede datos,ylasvariablesdeldispositivodeE/S.Estaconfiguracines almacenada en un archivo, que es llamado por el driver al arrancar. De acuerdoalainformacinconfigurada,eldriveriniciarelprocesode comunicacionesconeldispositivodeE/S.Enlamayorpartedelos casos se utiliza un esquema maestro-esclavo. Losparmetrostpicosaconfigurarenundriverson:portde comunicacionesdelaPCautilizar,velocidad,paridad,tiempode encuestaopolling,tiempodetimeout,cantidaddereintentos(retry),e identificacin de las variables del dispositivo de E/S a leer y escribir. Estos ltimos se identifican en el driver segn la metodologa dada por el proveedor del dispositivo de E/S. Evidentemente, el procesamiento del driver de comunicaciones consume partedelacapacidaddeprocesamientodelprocesador.Cadavezque es ejecutado, el driver analiza que informacin debe intercambiarse con el dispositivo de E/S, de acuerdo al tiempo de encuesta configurado. Este tiempo debe ser inferior al tiempo de barrido especificado para el bloque asociado a este dato de E/S. En caso contrario, el bloque sera procesado en varios ciclos de barrido, sin que el driver haya actualizado su contenido en funcin del valor de la variable en el dispositivo de E/S. Unarecomendacinprcticausualesqueeltiempodeencuestadebe ser la mitad del tiempo de barrido del bloque. La Figura 2.27 muestra la relacin entre el tiempo de barrido y el tiempo de encuesta. PCLDriver: 818L LecturaBloqueProcesamiento de laPCL-818l de la entrada medicinanalgica Tiempo de encuestaProcesamiento de otros bloques PCTiempo de espera Prximo barrido Ciclo de barrido Figura 2.27.- Relacin entre el tiempo de barrido y el tiempo de encuesta. Hayqueconsiderarquelacantidaddedatosquepuedentransmitirse por medio de una interfaz RS-232 es limitada. Mientras que la capacidad de procesamiento de bloques de la PC puede incrementarse cambiando de un modelo a otro (por ejemplo cambiar una PC 386 por una PC 486, que es ms rpida), no es posible superar el lmite de procesamiento del driver,yaquestedependedelaeficienciadelcanalde comunicaciones,queesfijadaporelprotocolodecomunicacionesyla interfaz utilizada. Es posible que la PC tenga capacidad para procesar la cantidaddebloquesrequeridosporunaaplicacin,peroquenose pueda intercambiar con el dispositivo de E/S los datos requeridos, dentro de los plazos especificados. Esta situacin se conoce como desborde u overrun del driver de comunicaciones. Uno de los aspectos que debemos tener en cuenta en la implementacin deunaaplicacin,esquemuchosdelosdriversdisponiblesporparte delproveedordesoftwarenoincluyenlatotalidaddelasfunciones previstasenelprotocolodecomunicaciones.Sibienestonogenera inconvenientesenlamayorpartedelasaplicaciones,puededemandar un trabajo adicional en aplicaciones especiales. Sehadescritolafuncindeundriver.Sinembargo,confrecuenciaes deseable comunicarse con ms de un dispositivo de E/S por ejemplo un PLCyvarioscontroladoresunilazo.Estoesposibleyaque generalmentesepuedeimplementarmsdeundriver,utilizando distintosportsdecomunicaciones.Laimplementacinespecfica depende de cada proveedor. 2.7.6.Sistema operativo y plataforma Dadoqueunobjetivodelospaquetesdesoftwareparacontrolbasado enPCesutilizarelsoftwareyhardwaredeampliadifusinenel mercadoentodoloqueseaposible,elsistemaoperativoms ampliamenteutilizadoesDOS.Sinembargo,vimosquesonmltiples los paquetes de software que deben correr simultneamente: el software deejecucindelabasededatos,elsoftwaredevisualizacin,el softwarederegistrohistrico,utilitariosparaelmanejodearchivos, softwareparalaimpresinautomticadereportes,etc.Dadoqueel DOS no ofrece posibilidad de correr varios programas simultneamente, sedeberecurrirasolucionesespeciales.Unadeellasesqueel fabricante incluya un shell multitarea que trabaje bajo DOS. Otra opcin eselusodeprogramasespecialesdeotrosproveedores,como Desqview, que tiene capacidad multitarea. Actualmenteexistelatendenciaalusodeotrossistemasoperativoso ambientesdetrabajocomoOS/2,Windows,LinuxoUnix,quebrindan en forma standard capacidad multitarea. Muchosproveedoresofrecensuspaquetesdesoftwareparavariasde estas plataformas, lo que implica el mantenimiento de diversas versiones delpaquetedesoftware.Enestecasoesimportanteparaelusuario poder reportar sus aplicaciones de una plataforma a otra, sin necesidad derehacerreingeniera.Estoincluyelostemplates,basesdedatos, configuraciones,etc.Estaportabilidadnoescaractersticadetodoslos productos. 2.8. Interfaz del Operador Entodosistemadecontrolexistenvnculosqueestablecenunarelacin entre los operadores y el proceso. Estos vnculos se establecen por medio deequiposqueconstituyenlaInterfazalserhumano(HumanInterfase HI).Otrasdenominacionesutilizadasson:Human-Machine-Interface (HMI).Man-Machine-Interface(MMI),OperatorInterface(OI),Graphical User Interface (GUI). LasnecesidadesquelaHMIdebesatisfacerenunaplantaindustrial dependen en gran medida de la funcin del usuario: -Elpersonaldeoperacionesdebeoperarlaplantadentrode especificaciones prefijadas. -Elpersonaldemantenimientodebetomaraccionespreventivasy correctivas a fin de garantizar la continuidad de la operacin. -Elpersonaldeprocesosdebeverificarquesecumplenlas especificacionesdeprocesos,yestablecertcnicasquemaximicenel rendimiento de cada unidad. -El personal de produccin debe establecer planes de produccin para losdistintosproductos,maximizandoelaprovechamientodelaplanta en su conjunto. -El personal de control debe definir estrategias de control concurrentes con los objetivos especificados por procesos. -El personal de marketing y la gerencia deben utilizar la informacin de costos,planesdeproduccinycapacidadociosaparaestablecer estrategias que respondan a situaciones de mercado y de la empresa. Eloperadordelaplantaeselusuariomstradicional.Algunosdelos restantesusuariosnointeractanconlaHMIsinoatravsdeloperador, por medio de planillas que ste debe completar con los datos del proceso. Otros usuarios, como el personal de marketing, no tienen tradicionalmente contacto directo o indirecto con la HMI. Elfcilaccesoalainformacinqueofrecelanuevageneracinde sistemasdecontroltransformaatodos,desdeeloperadorhastael personaldemarketing,enusuariosdirectos,accediendosin intermediarios a la informacin que necesitan. Unodeloseslabonesenlacadenarequeridaparaquecadaunodelos usuarios cumpla con sus objetivos es un buen diseo de la HMI. Para ello, sedebenconsiderarmltiplesaspectostecnolgicosyhumanos.Enlos siguientespuntosanalizaremoslasHMIdesdelossiguientespuntosde vista: Evolucin Histrica. Aspectos tecnolgicos. Aspectos humanos. 2.8.1.Aspectos Tecnolgicos 2.8.1.1.Componentes de una Estacin de Trabajo Losprincipalescom