Lectura 1. Evolucion en Los Sistemas de Control -I-2013

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA 299018 – Sistemas Avanzados de Control

Act 1: Revisión de presaberes

Lectura 1. Evolución en los Sistemas de Control

Automatización de plantas industriales 1.1 Evolución en los elementos de control

En los primeros tiempos de la industrialización las plantas eran supervisadas y controladas manualmente, basándose en las indicaciones de instrumentos instalados en campo, como se muestra en la Figura 1. La supervisión requería que el operador estuviera en la planta para llevar a cabo el control manual directo del proceso.

Figura 1

Desarrollos posteriores en la instrumentación, tal como sensores con posibilidad de transmitir las principales variables de proceso (temperatura, presión, nivel, caudal), así como controladores mecánicos, hidráulicos y neumáticos, contribuyen en loa años cuarenta a la automatización gradual de las plantas. La tendencia de automatización continuó durante los años cincuenta al aparecer los instrumentos electrónicos. Todo ello condujo a la centralización en salas donde se ubicaron los elementos necesarios para llevar a cabo la supervisión y control. La Figura 2 muestra dos paneles con instrumentos analógicos de diferentes tamaños de acuerdo a ala evolución en al tecnología.


Figura 2

A mediados de los años veinte se utilizó en la industria el control todo-nada, y al final de los años veinte el control proporcional. Los controladores con acciones proporcional, integral y derivativa fueron de uso común en los años treinta. Los valores de referencia (puntos de consigna o SP), podrían ser fijados por el operador de planta. La necesidad de comprender los problemas inherentes al ajuste o sintonía de los controladores PID, hizo que apareciera la simulación del lazo de control. Este fue el principio de la teoría sobre sistemas de control. Para el ajuste de los parámetros de control se empezaron a utilizar alas reglas de Ziegler Nichols, basadas en la sensibilidad del lazo de control.

1.2 Automatización basado en computador (Controles SPC y DDC)

La posibilidad de utilizar computadores digitales para el control de procesos apareció en la mitad de los años cincuenta, aunque fue realmente a finales de esa década cuando se desarrolló esta alternativa de control. Desde entonces el ordenador para control de procesos ha evolucionado a través de diferentes etapas de desarrollo que en <<Distributed Computer Control>> aparecen identificadas como:

Etapa inicial 1958 a 1964 Ordenador centralizado 1965 a 1970 Miniordenador 1971 a 1975 Control distribuido Desde 1975

Durante mucho tiempo los computadores eran demasiado grandes, lentos, caros e inseguros desde el punto de vista de funcionamiento. Debido a la falta de seguridad solamente podían utilizarse para realizar control supervisorio, es decir, cálculo de puntos de consigan de controladores tradicionales con tecnología analógico, conectados directamente al proceso. Para llevar a cabo el control supervisorio se pueden utilizar dos procedimientos:


SP modificado por el operador. En este modo, el computador simplemente suministra el

operador de planta los datos para fijar los puntos de consigna de controladores analógicos, tal como aparece en la Figura 3.

Figura 3

SP modificado por el computador. En este modo, el computador fija automáticamente los valores de los puntos de consigna (control SPC o Set Point Control) tal como aparece en la Figura 4.

Al tratarse de modificar puntos de consigna de controladores analógicos, el control supervisorio suele ejecutarse con una frecuencia comprendida entre uno y varios minutos.

La siguiente fase consistió en la utilización de ordenadores para sustituir a los controladores tradicionales. Con esto empezó una nueva era en el control de procesos, aunque las funciones del sistema de control seguían siendo las mismas, basado en el comportamiento del lazo de control PID. Al sustituir al controlador analógico, computador tenía que mover directamente el elemento final de control, por lo que se utilizó el término DDC (Direct Digital Control), para poner énfasis en que el computador controla directamente el proceso.


Figura 4

La técnica DDC consiste esencialmente en sustituir los controladores analógicos por un computador digital, el cual realiza las mismas funciones de control. La Figura 5 muestra la sustitución de un lazo de control analógico por otro tipo DDC. La frecuencia de ejecución de los algoritmos es similar a las utilizadas por el control supervisorio.

Figura 5

El valor de proceso, medido por el sensor, se muestrea cíclicamente y, después de la conversión de señal analógica a digital, se introduce al algoritmo de control. El valor de salida calculado se envía al elemento final de control después de pasar el convertidor de señal digital a analógica.


Si se compara con el control analógico convencional, el control DDC introdujo una serie de ventajas, entre las que se pueden citar:

Fácil configuración y reconfiguración de los lazos de control. Introducción sencilla de nuevos lazos de control. Posibilidad de realizar algoritmos de control avanzado. Cálculos basados en modelos para obtener valores óptimos en los puntos de consigna de

los lazos existentes en el computador.

Por el contrario, las desventajas más importantes del control digital, utilizando un solo computador, se puede decir que son:

Baja seguridad del sistema. El fallo del ordenador provoca el fallo de todos los lazos de control.

Altos costes en inversión, mantenimiento y personal, incluyendo costes de programación. Sobrecarga del procesador (Central Process Unit), cuando el computador tiene que

manejar otros procesos de cálculo además del control DDC.

Las dificultades técnicas para llevar a cabo la programación ocasionaron serios problemas, por lo que el número de instalaciones aumentaba relativamente despacio. Estas dificultades fueron reducidas utilizando herramientas tipo fill in the blanks (rellenar espacios e n blanco) y block oriented programming (programación por bloques). El usuario de estas herramientas no necesita tener conocimientos de programación, simplemente introduce datos de entrada, salidas, tipos de regulador, escalas, etc., en espacios previamente formateados.

Sin embargo la relativamente poca seguridad de los computadores retrasó su progreso en el área de control DDC durante muchos años, hasta que los avances en la tecnología de semiconductores consiguieron hacer más baratos, pequeños y rápidos y seguros los computadores. Apareció el término minicomputador para designar este tipo de computador, el cual hizo posible el incremento de sistemas basados en control DDC.

1.3 Seguridad en el control por medio de back up Posteriores innovaciones en la tecnología de computadores solucionaron muchas de las desventajas mencionada anteriormente. Una gran innovación fue el twin computer concept (computador gemelo), en el que un computador de reserva (back up), realiza las mismas funciones que le principal y en caso de fallo de éste asume sus tareas. La Figura 6 representa un diagrama de bloques con la configuración de este tipo.


Figura 6

El concepto de ordenadores en paralelo convención a los escépticos para utilizar control digital como equivalente del control analógico. Posteriormente una variedad de conceptos de seguridad adicional, como el de la Figura 7, hicieron que los computadores para control DDC fueran ampliamente aceptados, antes de llegar los sistemas de control distribuido.

En la Figura 7 aparece un lazo de control en el que se muestre el concepto de seguridad con un controlador analógico de back up para sustituir el computador ante fallo de éste. Este concepto incluye tres posibles modos de operación.

Figura 7


Computador (C). También denominado DDC. En este modo el ordenador realiza las

funciones de control. Automático (A). El control analógico de back up lleva a cabo todas las funciones de control. Manual (M). El operador actúa directamente sobre el elemento final. El sistema de control

actúa en lazo abierto.

Tanto el valor de la variable de proceso, medida por el sensor, como el punto de consigna fijado por el operador, son transferidos simultáneamente al ordenador y al controlador back up. Para un valor de punto de consigna dado, el ordenador calcula la salida hacia el elemento final de control. En caso de fallo del computador, el controlador pasa instantáneamente al modo automático. El controlador de reserva continúa con el control a partir del último valor de salida calculado por el computador, porque el controlador estaba realizando seguimiento del valor de salida para que el cambio se realice sin salto (bumpless) en la salida. De igual manera, el computador está leyendo el valor de salida cuando el modo de control es manual o automático.

Por último, en caso de fallo del computador, si el operador prefiere cambiar el modo de operación a manual, sólo tiene que pasar el selector de modos al correspondiente a éste y situar el elemento final en la posición deseada. Después de solucionar el fallo, el ordenador toma automáticamente el valor de salida para realizar el cambio sin saltos.

1.4 Controlador Lógico Programable La aplicación de minicomputadores no fue una solución económicamente rentable para muchos problemas de control, sobre todo si se utilizaban para realizar secuencias lógicas que tradicionalmente se implementaban con sistemas de relés. En los años sesenta, general Motors realizó la especificación apara el diseño de un nuevo controlador programable que redujera los costes de instrumentación y eliminase una serie de problemas relacionados con los relés.

El nuevo controlador especificado debía estar basado en tecnología de ordenador, ser programable y reprogramable, así como fácil de mantener y reparar. Además debía ser robusto, seguro en su funcionamiento y más pequeño y barato que los sistemas equivalentes de relés. Esta especificación se refería solamente a problemas de control secuencial utilizado en procesos discontinuos. En base a las razones expuestas en la especificación, el controlador se denominó Programable Logic Controller (PLC). El primer PLC apareció al final de los años sesenta con unas prestaciones limitadas, puesto que sólo se trataba de sustituir a los sistemas de relés.

Con la introducción de los microprocesadores, a principios de los años setenta, cambió radicalmente la tecnología, desarrollándose los controladores con tal rapidez que pronto pudieron manejar un gran número de instrucciones. La comunicación o interfase con el operador también evolucionó, apareciendo los terminales gráficos de pantalla con tubos de rayos catódicos (CRT). En la siguiente década de evolución, todos los aspectos de diseñó se modificaron, fundamentalmente por el desarrollo en la tecnología de comunicaciones. Utilizando uniones (links), para


comunicación de datos los controladores programables se pudieron integrar formando sistemas automáticos complejos.

1.5 Computador para control distribuido A mediados de los setenta, los microprocesadores fueron incorporados a un gran número de equipos de control. En muchas plantas industriales estos equipos sustituyeron a controladores basados en hardware analógico. Como consecuencia aparecieron los sistemas DDC basados en microprocesador, más pequeños que los anteriores minicomputadores y equipados con pantallas gráficas (displays). Si a esto se suma el progreso en la tecnología de comunicaciones, se llega a la estructura de control distribuido. El primer sistema de control distribuido fue anunciado por Honeywell en 1975, un sistema de control jerárquico con un gran número de microprocesadores con tareas específicas asignadas a cada uno de ellos.

Durante este tiempo, especialmente a principios de los ochenta, las normas internacionales tendieron a la compatibilidad e intercambiabilidad del hardware y software. Los sistemas de interfase para computadores fue un elemento fundamental de este desarrollo. Estructuras para soporte de tarjetas y buses para corta y larga distancia (incluyendo la red de área local), fueron normalizados y aceptados como una solución para el diseño de sistemas complejos de control distribuido. Además, el concepto de modularidad tanto en hardware como en software disminuyó los costes de desarrollo. La normalización de aplicaciones de software para control de plantas y acondicionamiento de señales creó algunos paquetes fáciles de aplicar, tales como:

Acondicionamiento de señales de entrada. Linealización y filtrado de señales. Asignación de límites y alarmas.

Estas funciones fueron incorporándose en los equipos como <<librería de funciones>>.

2. Sistema de control distribuido

2.1 Descripción general De forma simplificada, un Sistema de Control Distribuido (SCD), consta de tres elementos fundamentales, tal como aparece en la Figura 8, y que son:

Interfase al Proceso. Interfaz al Operador. Vía de datos.

Interfase al Proceso

Suele haber dos tipos de equipos para realizar la interfase con el Proceso. Uno de ellos, denominado habitualmente controlador, se dedica al procesamiento de lazos de control con entrada, procedente de elementos de medidas, y salida hacia elementos finales, mientras que otro


módulo se dedica al procesamiento de entradas que no necesariamente realizar funciones de control, tal como indicaciones. Entre los últimos suele haber equipos especializados en determinados tipos de entradas siendo el más habitual el que procesa temperaturas, conocido como multiplexor.

Figura 8

Algunos módulos del sistema tienen la posibilidad de programación adicional en lenguajes de alto nivel (Basic, Fortran o lenguajes especializados), con posibilidad de acceso directo a los parámetros de bloques de control. Esta particularidad da una potencia considerable a los equipos, sobre todo si se va a realizar Control Avanzado. Interfaz al Operador El sistema proporciona un medio de supervisar y manipular las Unidades de Proceso desde la Sala de Control, a través de una Consola de Operación similar a la que aparece en la Figura 9. Esta consola hace la función de interfaz entre el operador y las Unidades. Todas las pantallas se encuentran unidas con los armarios de control a través de la vía de datos o vía de comunicación.

Figura 9


Vía de datos El sistema dispone de una vía principal para comunicación de datos y otra de reserva. Cada vía está compuesta por un cable coaxial y toda la electrónica asociada, por donde fluye la comunicación a lo largo de todos los elementos del sistema de control. Ante un fallo en la vía principal, automáticamente entra la de reserva, sin afectar al control de la planta. 2.2 Seguridad del sistema La medida básica de fiabilidad de un sistema se mide por el tiempo medio entre fallos (MTBF). Para aumentar este tiempo medio entre fallos se utilizan las técnicas de redundancia. Se considera que un sistema es redundante cuando, ante un fallo en una parte del mismo sigue funcionando correctamente, ya que el elemento que falla es sustituido por otro de reserva. Antes de continuar conviene decir que existen dos tipos de diseño para asegurar el control:

· Conexión en paralelo redundante. · Conexión de un sistema y otro de reserva.

Los Sistemas de Control Avanzado

Con el primer procedimiento existen dos sistemas que procesan simultáneamente las entradas y salidas, comparando continuamente los resultados. La salida la proporciona uno solo de ellos, como se vio en La figura 6. El segundo procedimiento se comporta de forma que sólo el controlador principal está procesando las entradas y salidas. Si falla este controlador considerado principal, automáticamente asume sus funciones otro controlador considerado como reserva, encargándose este último de procesar las entradas y salidas a partir del momento del fallo.

Evolución de los Sistemas de Control Avanzado

Los sistemas de control más tradicionales en las industrias agroalimentarias son los establecidos en controladores de tipo PID. Estos controladores proporcionan un rendimiento suficientemente bueno en la mayor parte de las ocasiones, pero hay situaciones en las generan un respuesta adecuada a las necesidades del proceso. En esos casos es necesario recurrir a los sistemas de control avanzado.

Procesos con retrasos grandes

Es un hecho que los retrasos son una de las principales fuentes de inestabilidad de los lazos de control por retroalimentación. Las causas de la inestabilidad son variadas pero se puede destacar las siguientes:


1. Las perturbaciones que entran en el proceso no pueden ser detectadas hasta que ha pasado un periodo significativo de tiempo

2. Las acciones de control se basarán en medidas inadecuadas ya que serán lecturas que ya no son actuales

3. La acción de control requerirá más tiempo hasta que se efecto se siente en el proceso

Con objeto de reducir el impacto negativo de los retrasos grandes se puede utilizar el compensador de Smith.

Por ejemplo en la siguiente figura No.10 se muestra un sencillo lazo de control.

Figura No.10 Lazo de control con un proceso con un retraso.

La función de transferencia del proceso esta definida por:

( ) ( )

La respuesta del proceso en función del error es:

( ) ( ) ( ) ( ) ec. 1

La respuesta del proceso tiene un retraso de valor . Los problemas de inestabilidad se pueden eliminar si se pudiera eliminar dicho retraso de la ecuación.

Entonces para eliminar el efecto del retraso se puede utilizar el compensador de Smith, tal como se muestra en la figura No.11.


Figura No.11 Lazo de control con un compensador de Smith

El compensador trata de predecir el efecto del retaso sobre el sistema para eliminar el efecto negativo. En este caso, la entrada al comparador es ( ):

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Sustituyendo el valor de y(s), en la ecuación ec. 1:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Operando se obtiene:

( ) ( ) ( ) ( )

El efecto es que se ha compensado el retraso del proceso, el controlador utiliza datos actuales en lugar de datos antiguos.

En cierta manera se puede decir que el efecto del compensador de Smith es eliminar el retraso del lazo de control, tal como se muestra en la siguiente figura No.12:

Figura No.12 Resultado de la compensación del retraso


Es importante remarcar que la representación de dicha figura muestra el resultado matemático de la compensación del retraso, no es una representación de la realidad.

El funcionamiento del compensador de Smith será tan bueno como buena sea la estimación realizada del retraso y de la función de transferencia del proceso.

Fuentes Bibliografícas

Total distributed control. An evolutionaru look at centralizad operations Henry Marks

Honeywell Inc. 1977 Distributed computer control for industrial automation

Dobrivage Popovic Vigia P. Bhatkar Marcel Dekker Inc. 1990

Diversos catálogos y especificaciones técnicas TDC-300 Honeywell Inc.

Instrumentación y control avanzado de procesos de José Acedo Sánchez, Sanchez Acevedo

Ediciones Díaz Santos 2006

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