Aplicaciones de control con Siemens S7-1200

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Identificar las situaciones y problemas factibles de solución con Controladores PID en autómatas programables.
• Diseñar e implementar soluciones basadas Controladores PID y la programación de autómatas programables.
• Realizar las prueba de validación y verificación de una solución basada en Controladores PID implementada en un autómata programable.

EQUIPOS, HERRAMIENTAS Y MATERIALES

Equipos	Herramientas	Materiales
– Computador. – Módulo Autómata Programable (S7-1200). – Fuente de Voltaje – Multímetro – Consola de Mando	– Cable de Comunicaciones (Ethernet) – TIA PORTAL (Siemens) – Alicates, Pinzas, Bornero y herramientas varias.	– Cable AWG 16 (Para conexiones)

Tabla 1. Equipos, harramientas y materiales.

INTRODUCCIÓN

La programación de autómatas programables ofrece una gran variedad de herramientas para llevar a cabo un control eficiente sobre el proceso; en aplicaciones críticas donde las variables a controlar deben estar en constante supervisión, control y estabilización, los autómatas programables presentan una instrucción muy útil, los controladores PID.El controlador PID es una de las herramientas más importantes y utilizadas en las arquitecturas basadas en autómatas programables, ya que permite llevar a cabo el control de procesos o plantas, programando y configurando una serie de variables que permitirán la estabilidad continua del mismo.La presente guía de laboratorio proporciona los conceptos necesarios para comprender, utilizar y desarrollar código para autómatas programables en lenguaje KOP, utilizando la instrucción controladores PID; así mismo proporciona una serie de Tips que ayudará al estudiante a desarrollar aplicaciones basadas en situaciones y necesidades reales de la industria utilizando controladores PID.

REFERENCIAS TEÓRICAS

Conceptos básicos
El control de procesos tiene como finalidad la optimización de los procesos en la industria, para alcanzar tal fin este se soporta en la automatización y la instrumentación industrial, los cuales permiten realizar un análisis, diseño, automatización y optimización a los procesos de cualquier industria.Al hablar de control de procesos es necesario tener claro ciertos conceptos necesarios, por tal motivo a continuación se presenta una tabla con los conceptos más importantes a tener en cuenta en el control de procesos industriales:

Variable	Definición
Proceso	El término proceso se refiere a cambiar o refinar una materia prima para lograr un producto final
Variable de proceso	La variable de proceso es aquella que puede cambiar las condiciones del proceso.
Varibale manipulada	La variable manipulada es aquella que se varia para mantener constante la variable medida.
Variable Medida	La variable medida es aquella a la cual se quiere mantener estable.
Setpoint	El Setpoint es el valor el cual se desea mantener la variable de proceso.
Error	El error es la diferencia entre la variable medida y el setpoint.
Controlador	El controlador es el equipo que recibe los datos medidos, los compara con el setpoint y si es el caso toma las decisiones para que el proceso sea estable.
Actuador	El actuador es el dispositivo final de control que produce el cambio físico en el proceso.
Captador	El Captador es el dispositivo encargado de realizar las mediciones de la variable de proceso.

Tabla 2. Conceptos necesarios para realizar el control de un proceso.
Esquema de bloques de un sistema de control de proceso.

TIPOS DE CONTROLADORES

4.1. Controlador Proporcional (P)
Los controladores proporcionales se utilizan para disminuir el error en estado estacionario del sistema, generando una salida proporcional al error, por tal motivo en este tipo de controlador la variable manipulada siempre es proporcional al error [1].
Respuesta ideal de un controlador proporcional.   Estos controladores reaccionan inmediatamente ante un error de regulación y tan solo genera una acción a la variable manipulada si existe un error en el sistema. La principal ventaja del controlador proporcional es su simplicidad y su rapidez de reacción; la principal desventaja es el error de regulación permanente lo cual hace que el controlador no pueda alcanzar del todo el setpoint [2].
Respuesta real de un controlador proporcional. Entre mayor sea el valor del factor de proporcional el error de regulación del sistema aumentará, hasta llegar a un estado de oscilación permanente, de manera que la magnitud regulada se alejará periódicamente del setpoint por efecto del propio regulador, y no por efecto de la perturbación del sistema.
4.2. Controlador Integral (I)
En estos reguladores el valor de la acción de control es proporcional a la integral de la señal de error, por lo que en este tipo de control la acción varía en función de la desviación de la salida y del tiempo en el que se mantiene esta desviación [3].El controlador integral es utilizado para solucionar errores de regulación, éste controlador genera una salida proporcional al error acumulado.Uno de los inconvenientes del controlador integral es que la respuesta inicial es muy lenta, y, el controlador no empieza a ser efectivo hasta haber transcurrido un cierto tiempo. En cambio anula el error remanente que presenta el controlador proporcional. 
4.3. Controlador Proporcional Integral (PI).
El controlador PI se obtiene al conectar en paralelo un controlador proporcional y un integral; la ventaja de este tipo de controlador es que reúne las ventajas de ambos tipos de controladores y permite un control estable y rápido, sin error de regulación permanente. En el controlador PI el regulador proporcional actúa primero (instantáneamente) mientras que el integral actúa durante un intervalo de tiempo.Un inconveniente del controlador PI y que limita su comportamiento, es que solo considera los valores del error que han ocurrido en el pasado, es decir, no intenta predecir lo que pasará con la señal en un futuro inmediato.
Grafica de un controlador PI4.4. Controlador Derivativo (D).
Este tipo de controlador genera su magnitud a la variable manipulada a partir de la velocidad de variación del error de regulación, no a partir de su amplitud como ocurre con el controlador proporcional. Por lo tanto, reacciona todavía más rápido que el controlador proporcional.
Hay que ser muy cuidadoso a la hora de escoger el valor del tiempo derivativo. En la mayoría de las aplicaciones es común desactivar la acción derivativa, aunque para sistemas de control de temperatura es muy recomendada. Los controladores derivativos no son capaces de detectar un error de regulación permanente, ya que, independientemente de lo grande que sea dicho error, su velocidad de variación siempre es cero. En la práctica los controladores derivativos usualmente no se utilizan solos. Es mucho más habitual combinarlos con otros elementos de regulación, generalmente junto con una acción proporcional.
4.5. Controlador PID
Un controlador PID es un mecanismo que realiza el control de una variable (velocidad, nivel, temperatura, flujo, presión, entre otras) a través de un lazo de retroalimentación. El lazo controla la variable final calculando la diferencia entre una variable real y una variable deseada.
Esquema básico de un controlador PID.  











Un controlador PID combina tres variables fundamentales: Ganancia proporcional (P), Integral (I) y Derivativo (D).
Ganancias de un controlador PID. El controlador PID trata de aprovechar las ventajas de cada uno de los controladores de acciones básicas, de manera, que si la señal de error varía lentamente en el tiempo, predomina la acción proporcional e integral y, mientras que si la señal de error varía rápidamente, predomina la acción derivativa.Tiene la ventaja de ofrecer una respuesta muy rápida y una compensación de la señal de error inmediata en el caso de perturbaciones. Presenta el inconveniente de que este sistema es muy propenso a oscilar y los ajustes de los parámetros son mucho más difíciles de realizar.
Diagrama de bloques de un controlador PI

DESARROLLO DE LA GUÍA

Tenga en cuenta las siguientes consideraciones antes de empezar la guía de laboratorio:Revisar los planos de la consola de mando y del módulo lógico, estos planos se encuentran en la sección Anexos.Revisar que cuente con todo el hardware y software necesario para el buen desarrollo de la guía.Antes de empezar el cableado de los equipos desconecte la alimentación del entrenador utilizando el interruptor principal.Tenga en cuenta las siguientes consideraciones cuando esté desarrollando la guía de laboratorio.
El cableado del entrenador debe estar organizado, así, si llegase a presentarse un error en el circuito podrá ser identificado fácilmente.Para el buen desarrollo de los ejercicios y ejemplos de esta guía, deberá crear un nuevo proyecto.Los equipos de la consola de mando (Pulsadores o Pilotos) se deben conectar a las Entradas y Salidas del PLC en el módulo lógico, teniendo en cuenta con el direccionamiento en el programa.La explicación de los ejemplos del desarrollo de la guía se realizara empleando el lenguaje de programación FUP.Antes de descargar el programa en el autómata, se sugiere verificar (Compilar) la lógica de control.

EJEMPLO #1. REGULACIÓN DEL NIVEL DE LLENADO DE UN TANQUE

El ejemplo de programación siguiente consiste en realizar un control regulado del nivel de llenado de un tanque implementando la instrucción PID_Compact. El sistema cuenta con un sensor de nivel de llenado y su lectura se interpretara de la siguiente forma, cuando el sensor este en estado 0 se interpretara que el tanque contiene 0 litros y si se encuentra en estado 1 el tanque contiene 1000 litros.Se desea regular el nivel de llenado del tanque a 0 litros cuando el sensor “Pulsador 1” sea 0 y a 700 litros cuando el sensor sea 1. Como variable manipulada se tendrá una bomba para la extracción de agua del tanque.

• Aplicación

1. Antes de empezar la programación usted deberá definir las variables a utilizar en el programa, por lo tanto es necesario la creación de las siguientes variables:

Variable	Tipo de Dato	Descripción
X_Nivel_Tanque	Int	Variable de Nivel Actual del Tanque
Y_Nivel_Tanque	Int	Variable Manipulada
Pulsador1	Bool	Bit que determina el valor del Setpoint

Tabla 3. Listado de Variables del Sistema. 
Declaración de las variables del sistema 2. Para empezar usted deberá crear un nuevo bloque, selecciones un Bloque de Organización (OB), y como tipo elija “Cyclic interrumpt (Alarma cíclica)”. Cuando se crea un nuevo bloque de programación se debe escoger el tipo de lenguaje de programación a utilizar, para este ejemplo se utiliza “FBD” “Diagrama de Funciones (FUP)” y se debe escoger el tiempo de ciclo, para este ejemplo lo dejamos en 100 ms. Confirme las entradas con «OK (Aceptar)«.
Creación de un bloque de Organización Tipo Cyclic interrumpt Tips: Los OBs de alarma cíclica interrumpen el procesamiento cíclico del programa en intervalos definidos por el Tiempo de ciclo en este caso 100 ms. Este tipo de OBs es muy eficiente para llevar a cabo programas donde se implementen controladores PID ya que el tiempo de procesamiento es crítico y permite que el regulador PID pueda optimizarse.

3. Después de aceptar las configuraciones, el bloque de organización de alarma cíclica se abrirá automáticamente. Es necesario que antes de empezar a programar se creen las variables locales a utilizar internamente en el bloque, para este bloque solo se debe crear la variable “Setpoint_Tanque” esta variable debe ser tipo Real y es la encargada de guardar el setpoint de nivel del Tanque.
Creación de la variable local Setpoint_Tanque Tenga en Cuenta: El tipo de datos de esta variable debe ser Real debido a que el número del setpoint es en coma flotante, esto se realiza por facilidad de compatibilidad con el bloque PID.

4. Una vez que las variables locales han sido declaradas, se puede empezar con la programación. Se deben crear dos segmentos donde se agregará la instrucción «MOVE», con el fin de definir el número del setpoint de nivel en la variable local #Setpoint_Tanque, se asignara el valor 0.0 a la variable si Pulsador1 es igual a 0 y se asignara 700.0 si el Pulsador 1 es igual a 1.
Asignación del Setpoint de Nivel del Tanque
5. En un segmento nuevo agregue una instrucción PID_Compact, y realice la siguiente asignación:

• A la entrada “Setpoint” asígnele la variable “#Setpoint_Tanque”.
• A la entrada “Input_PER” asígnele la variable “X_Nivel_Tanque”.
• A la salida “Output_PER” asígnele la variable “Y_Nivel_Tanque”.

Instrucción PID_Compact Parametrización de la Instrucción PID_Compact
6. Después de haber parametrizado el bloque PID_Compact, usted podrá abrir la pantalla de configuración del bloque regulador PID. Para esto usted deberá hacer Click en la opción: 
7. En este punto deberá configurar los “Ajustes básicos” del controlador PID, entre estos ajustes se encuentra el tipo de controlador, este debe ser de tipo Volumen y su lectura debe ser en litros (L), la conexión de la estructura interna del controlador donde se debe configurar la entrada del controlador con Input_PRE (analógica) y la salida del controlador con output_PRE (analógica).
Configuración de los ajustes básicos del controlador PID
8. Después de haber configurado los ajustes básicos, deberá configurar “Los ajustes del Valor Real” donde se debe ajustar el rango de medición de 0 litros a 1000 litros de la siguiente manera:Valor real superior escalado = 1000.0Límite superior del valor real = 1000.0Límite inferior del valor real = 0.0Valor real inferior escalado = 0.0
Configuración de los ajustes del valor real del controlador PID
9. Después de haber configurado los ajustes del valor real, podrá configurar los “Ajustes Avanzados” en esta opción existe la posibilidad de ajustar manualmente los parámetros del PID (PG, PI, PD, entre otros). Para este caso se deben dejar los parámetros por defecto.
Configuración Avanzadas del controlador PID
10. Después de haber configurado todos los parámetros del controlador PID usted deberá descargarle el proyecto al autómata programable y colocar el controlador en modo RUN.

11. Después de haberle descargado el proyecto al controlador, podrá observar el comportamiento del controlador PID escogiendo la opción “Observar” en el menú del programa . Los valores de las variables se visualizarán encima del parámetro en el cual se encuentren los datos. Después de haber seleccionado la opción Observar usted deberá escoger la opción “Preparación” alojada en el bloque del controlador PID:

12. Después de haber escogido la opción Preparación se desplegara una ventana llamada “Optimización” donde se podrá visualizar el comportamiento de las variables del controlador PID, se muestra una gráfica donde se aloja el Setpoint, el valor real del nivel y la variable manipulada. Para empezar a graficar usted deberá escoger la opción “Start” en la sección de Medición.
Sintonización de Lazo

BIBLIOGRAFÍA

[1] Centro Aragonés de Tecnologías para la Educación (CATEDU), «Controlador de acción Proporcional (P)».
[2] Siemens AG, «Tecnología de regulación con SIMATIC S7-1200».
[3] Centro Aragonés de Tecnologías para la Educación (CATEDU), «Controlador de acción Integral (I)».
[4] Centro Aragonés de Tecnologías para la Educación (CATEDU), «Controlador de acción proporcional, integral y derivativa (PID)».  
Documento extraido del original de la facultad de ingenieria (C.U.C)