Presente y Futuro del Control PID - Ceautomática · Conferencias 20 Febrero 2013 1 ... MPC, Control Adaptativo ... • En esta presentación vamos a intentar descubrir las claves

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Conferencias 20 Febrero 2013 1

Presente y Futuro del Control PID

Rafael González Martín

Presente y Futuro del Control PID (20 Febrero 2013) 2

Contenido

• El control PID lleva con nosotros desde 1910 (Elmer Sperry), aunque fue en 1942 (Ziegler-Nichols) cuando se convirtió en un estándar.

• Después de muchos años de evolución es el algoritmo de control indiscutible en la industria. Un 98% de los controladores son PID.

• Ha demostrado que puede competir con técnicas modernas, muy prometedoras, como : Fuzzy logic, Control basado en modelos, MPC, Control Adaptativo, …

• Frases como “este nuevo controlador va a reemplazar a todos los PIDs” se han dejado de escuchar hace tiempo.

• En esta presentación vamos a intentar descubrir las claves del éxito y especularemos acerca del futuro que le espera a este algoritmo de control.

• Se propondrá un debate al final de la presentación.


Sumario

• Introducción• Conferencia PID12• Estado del arte. Avances relevantes• Problemática actual• Áreas de investigación y desarrollo• Conclusiones • Debate


Introducción

• Seguirá siendo el PID el controlador de referencia en el futuro?

• En caso negativo, cual sería la/s alternativa/s?• Me sirve el PID? O necesito más.• Cuando y porqué se usa la acción derivativa?• Cual es el método de sintonía favorito?• Es suficiente el PID en su estado actual o necesitamos

algún tipo de mejora funcional?

Vamos a empezar por el final, estas son las preguntas que propondré en el debate :


Conferencia PID12

•Aproximadamente cada 10 años, IFAC (InternationalFederation of Automatic Control) organiza una conferenciainternacional exclusiva acerca del PID.•Este año se ha celebrado en Brescia, Italia (PID12)•http://pid12.ing.unibs.it•Se celebró un debate sobre perspectivas de futuro para elcontrolador PID con los siguientes participantes :

Karl Johan Astrom , Senior Professor, Lund University, Sweden (chairman)Haruo Takatsu , APC System Product Marketing Manager, Yokogawa Electric Corporation, Japan Alf Isaksson , Corporate Research Fellow at ABB and Adjunct Professor at Linkoping University, SwedenWilly Wojsznis , Senior Technologist, Emerson Process Management, USA Adriano Chinello , Technical Director Automation, Gefran SpA, Italy Jason Wright , PlantPAx Product Manager, Rockwell Automation, USA (TBC) Rafael Gonzalez , Advanced Control Department Manager, Repsol-Petronor, Spain Emre Kuzu , APC Engineer, Tupras, Turkey


Estado del arte. Avances relevantes.

• Un artículo reciente [1] concluye: “PID hardware is nowdominated by five major vendors – ABB, Emerson,Foxboro (Invensys), Honeywell and Yokogawa”.

• El mismo artículo describe un conjunto de más de 25aplicaciones de múltiples proveedores relacionadas consintonía de controladores PIDs.

• Sin embargo, son los cinco vendedores principalesquienes marcan la dirección de los avances mássignificativos tanto a usuarios como a investigadores.Vamos a ver un breve resumen intentando dejar almargen las marcas .

[1] Li, Y. Ang, K.H., Chong, G.C.Y.: Patents, software and hardware for PID control: An overviewand analysis of the current art. IEEE Control Syst. 26(1), 42–54 (2006)



Avances en las tecnologías utilizadas : tanto en coste,como en espacio requerido, se ha mejorado muchopermitiendo añadir mucha más funcionalidad a los sistemas.



Conectividad : prácticamente se puede conectar todo contodo. Usando buses digitales se puede distribuir el controla cualquier nivel.



Interfaces de usuario : Los operadores pueden ser muchomás eficientes, asumir nuevos roles y vigilar el proceso conmucha más precisión.



Técnicas de sintonía : Del Ziegler-Nichols de 1942 a losmás de 500 métodos de sintonía publicados ha habidomuchas mejoras.

• Casi todas las opciones comerciales incorporan múltiplesmétodos de sintonía, análisis de robustez, herramientas deidentificación del proceso, tratamiento de no linealidades,simulación del lazo cerrado, conectividad con el proceso…• Realmente la dificultad está casi en escoger unaherramienta.



Funcionalidad del controlador : Cualquier implementación moderna enun SCD o PLC ha dejado de ser solo:

•Distintos algoritmos

• Comportamiento ante fallo de señal

• Tolerancia al cambio de SP y OP

• Tipo de ecuación (PID, PI-D, I-PD, ideal o interactiva)

• Comportamiento de la ganancia.

• Limitacion de cambio en OP y SP

• …

××++×= ∫ dt

tdeTKdtte

T

KteKtOP d

t

oi

)( )( )()(

××++×= ∫ dt

tdeTKdtte

T

KteKtOP d

t

oi

)( )( )()(


Problemas actuales (1/6)

Aprox.3000lazos

Problemas con PIDs:•Lazos sencillos se

resuelven por instrumentistas (50% de

los problemas son de instrumentación del lazo)•Los lazos complejos se

analizan por ingenieros de Control.



# loops PID type #PID (%) # loops @def (%)774 FC 44% 49%348 LC 20% 38%351 PC 20% 35%246 TC 14% 44%

31 AC 2% 10%Total 1750 xC 100% 43%

K (%/%) KAvg. Ti (min) TiAvg. Td (min) TdAvg.FC 0,6 0,9 0,3 1,2 0,0 0,0LC 1,5 1,3 5,0 10,4 0,0 0,0PC 5,0 4,2 2,0 2,3 0,0 0,0TC 2,0 1,7 6,0 6,3 0,4 0,9AC 1,0 0,3 10,0 6,6 0,0 0,0

Default & Average Values

40% de los lazos permanecen en los valores por defecto. El comportamiento de esos lazos es suficientemente “bueno”

Lazos con una supervisión “adecuada”Calculados a

partir de estadísticas

de varios complejos



Ideal vs. interactivoPID, PI-D, I-PD

Carga vs. set pointK vs. PB

Min. Vs. Rep./min.

• Demasiadas opciones para el usuario final



• Especificaciones del lazo : Ajustar el FC-531 considerando que la presión aguas arriba varía frecuentemente.

Quien tiene prioridad?

Que caracteristicas temporales son

necesarias?


FC-531.OP FC-531.PVProceso

Linea+Valvula

(a)

Proceso

Linea + ValvulaPC-531.PV

FC-531.PV

FC-531.OP

(b)

0 10 20 30 40 50 6030

40

50

60

70

80

minutos

FC531.OP(%)(--), FC531.PV (M3/H)(-)

0 10 20 30 40 50 6035

40

45

50

minutos

PC531.PV(KGCC)(-)

Es un PID el controlador adecuado?

Existe algún método de sintonía?


• Naturaleza multivariable de los procesos.



Problemas colaterales comunes en los cinco continentes y en todo tipo de industrias:

• En muchos casos el personal de planta se ha reducido sustancialmente, en algunos casos se deja de tener incluso soporte corporativo.

• Los técnicos de instrumentación y los ingenieros de control no tienen formación adecuada en PIDs. Existen tantas displicinas asociadas que la formación se dispersa.

• Las herramientas de planta están infrautilizadas provocando una dejación de funciones importantes. El día a día se impone.


Areas de Investigación y Desarrollo

• Mejoras en el retorno de las condiciones de saturación• Modificación del PID para conectividad wireless (event

driven)• Sintonización Robusta Adaptativa, que no Control

Adaptativo.• “Performance monitoring” para la detección automática

de problemas en la sintonía de los lazos• Diagnósticos de los elementos finales de control.

Detección automática de fallos “tipo” en las válvulas.• Otros…

De todos los “futuribles”, esta es una selección de los nuevos desarrollos que se están empezando a utilizar en la industria:


I+D: Retorno de la saturación

La introducción del “External Reset” permite mejorar el control en casos en los que la salida del controlador suele estar saturada:

Sin Reset Externo Con Reset Externo

TC187.SP

TC187.PVTC187.OP

Producción vapor


I+D: PID para wireless

•En los transmisores wireless la potencia consumida es directamente proporcional a la frecuencia de muestreo.•Para que el control PID sea efectivo sólo es necesario refrescar la PV de 4 a 10 veces más rápido que la constante de tiempo del lazo más el tiempo muerto.•La mejora consiste en trasmitir sólo cuando es necesario. Uso del 5%.


I+D: Sintonización Robusta Adaptativa

El control adaptativo no ha logrado tener una presencia industrial digna de mención, no obstante, calcular el modelo del proceso en línea puede generar otros beneficios:

•Diagnósticos del comportamiento del lazo•Diagnósticos en el actuador final•Por supuesto uso del modelo para sintonía.


I+D: Performance monitoring

Hay multiples herramientas que detectan automáticamente comportamientos indeseados de los lazos, diagnostican el problema e incluso proponen soluciones.

Lazo oscilatorio

Reducir K ?

Aumentar Ti ?


I+D: Diagnóstico actuadores

Valvula agarrotada

•En este caso el patrón de la oscilación es reconocido y asociado a un problema en la válvula.•Se están investigando otro tipo de patrones que se puedan correlacionar a otros problemas.


Conclusiones (1/2)

• Aproximadamente el 50% de los lazos PID requieren poca o nula atención.

• El término derivativo se usa mucho menos que lo debido. La mayoría de las veces debido a una formación insuficiente.

• Definir correctamente las especificaciones del lazo es muy dificil. En ocasiones no hay criterios estandarizados

• Demasiadas decisiones para el usuario final.• Hay que mejorar las metodologías de diseño incluyendo

la naturaleza multivarible de los procesos.


Conclusiones (2/2)

• El PID no tiene rival a bajo y medio nivel. Realmente lo hace mejor que otras tecnologías más modernas

• Los controladores MPC son líderes en entornos superiores de control y optimización, pero siempre dependen de los PIDs a bajo nivel. No son tecnologías excluyentes, se tienen que complementar de forma adecuada

• Sigue atrayendo el interés de la comunidad científica y está más vivo que nunca a nivel de investigación.

• Mi pronóstico es que el PID seguirá en el negocio durante más tiempo que nosotros.

Sin embargo:


Ruegos y Preguntas


Debate

• Seguirá siendo el PID el controlador de referencia en el futuro?

• En caso negativo, cual sería la/s alternativa/s?• Cuando y porqué se usa la acción derivativa?• Cual es el método de sintonía favorito?• Es suficiente el PID en su estado actual o necesitamos

algún tipo de mejora funcional?

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Presente y Futuro del Control PID - Ceautomática · Conferencias 20 Febrero 2013 1 ... MPC, Control Adaptativo ... • En esta presentación vamos a intentar descubrir las claves