Un Controlador bien sintonizado es dinero en su bolsillo

Maro Antonio Paz Ramos, Suelle Cristall Esquivel.
InTech México Automatización,
Edición  Abril –  Junio  2010. 17


De acuerdo a algunas fuentes más de 90% de los lazos de control en el mundo utilizan controladores PID, de los cuales parcialmente la mitad operan en modo manual, a causa de razones muy variadas; una de las más comunes está asociada al hecho de que llevar a cabo una sintonización satisfactoria de un lazo de control, no es tan fácil como en principio quisiéramos; sin ir más lejos, en México un porcentaje satisfactorio de lazos de control existentes en la industria, son sintonizados “a ojo” por operario, lo cual en el corto plazo nos quita un problema de encima, pero a mediano plazo puede atraernos algunas consecuencias no deseadas, ya no necesariamente un conjunto cualquiera de parámetros de sintonización que permita un desempeño aceptable del lazo, es el que satisface plenamente mi necesidad particular,

La poca o nula aplicación de técnicas analíticas o bien heuriticas en la sintonización de lazos de control se debe en medida a dos factores: la complejidad(que en algunos casos es solo aparente) asociada a la interpretación y al análisis del sistema de control en cuestión a la poco tiempo que nos deja disponible la operación cotidiana para la adquisición de competencias en el mejor de las técnicas y de tecnologías asociadas a la sintonización de controladores PID.


Desafortunadamente, no es evidente el vínculo que existe entre un buen desempeño de nuestros lazos de control y el aspecto económico asociado a la operación del proceso; más aún, si en nuestro proceso hay decenas ó incluso cientos de lazos de control. Pasar de la simple cualificación (y felicitarnos a nosotros mismos al contemplar que nuestros lazos de control hacen lo que se supone deberían estar haciendo) a una cuantificación específica de cuanto nos cuesta el error de seguimiento a la referencia (ó Set Point), el tiempo de respuesta ante un cambio de carga o un sobrepaso en nuestra señal no es una tarea trivial; sin embargo, si somos capaces de establecer ciertas tareas sistematizadas y organizadas, podríamos como el nombre de este artículo lo aduce, hacer economías en nuestro proceso.

En este artículo exponemos algunos aspectos que pueden movernos a mejorar el desempeño dinámico de nuestros lazos de control y a vislumbrar una posible reducción de costos económicos en caso de llevar a cabo una optimización del desempeño de nuestros controladores.

REGALANDO CALIDAD

La calidad del producto es en general la principal motivación dentro de cualquier panta; máxime cuando esta calidad está fuertemente supervisada por el cliente, y existe el riego de que un lote entero de producción sea devuelto por no cumplir las especificaciones establecidas por este; es precisamente por lo que es la mayor parte de los casos se opta por producción por encima de la especificación, para de esta manera mantendrá un margen de operación seguro, lo cual paradójicamente implica un gasto acumulativo, que a mediano plazo menguará nuestras ganancias.

No obstante, al analizar el costo asociado (no sólo el económico, sino también el derivado de la posible pérdida de la confianza del cliente) a un reproceso o incluso al desperdicio de un lote entero, sino estamos felices, por lo menos estamos conformes de regalar calidad a cambio de reducir los riesgos de pérdidas aún mayores.

Para ejemplificar esta situación, supondremos un escenario simplificado de un proceso de mezcla de sustancias, el cual a su vez forma parte de un proceso más amplio, donde el parámetro de importancia para el cliente es un nivel de concentración específico medible en el lote producido.

La mezcla la llevaríamos a cabo únicamente con dos sustancias que denominaremos A y B, ambas sustancias son alimentadas de forma continua a un tanque mezclador, el cual a su vez cuenta con una salida de la sustancia mezclada que alimenta también de forma continua a un subproceso contiguo (ver Figura 1).

Es muy importante para el cliente que la substancia mezclada que se produce de forma continua (durante la producción de un lote específico) contenga un  mínimo de concentración; en este caso particular el cliente espera un mínimo de un 5% de la sustancia B en la mezcla. Una vez conocido el nivel de concentración, implementamos 2 lazos de control de caudal, en una estructura relacional (rate control) para alimenta al tanque mezclador con 19 partes de la sustancia A por una parte de la sustancia B.

Por su parte se opta por la aplicación  relación en lugar de simplemente controlar los dos lazos de caudal de manera independiente, ya que la coincidencia entre límites opuestos de la variación en el caudal de ambos lazos, podría ocasionar una desviación considerable del nivel de concentración esperado. Asumiremos además con fines ilustrativos, que el caudal de la sustancia A es constante, en preciso cumplimiento del valor de consigna del lazo de caudal (ver Figura 2).

En este ejemplo particular la sustancia A hace las veces de diluyente ó vehículo mientras que la sustancia B es el concentrado o la sustancia activa, de lo podemos asumir que la sustancia B es mucho más costosa que la A; supongamos para este ejemplo ilustrativo, que el galón de la sustancia B tiene un costo con el proveedor de 10 dólares.

No podemos dejar de mencionar que para este caso, no es suficiente con lo que reconoceríamos como un seguimiento a la referencia “adecuado” (ver Figura 3), pues aunque podemos observar que la variable del proceso (PV) sigue a la referencia (SP), habrá instantes, donde el nivel del caudal está por debajo de lo esperado, con el riesgo latente de que ante un análisis aleatorio de control de calidad en este lote, el producto presente un nivel de concentración por debajo de la especificación.

 

Es precisamente por esta situación que usualmente se opta por establecer un margen de seguridad, el cual es la diferencia entre el valor de referencia (SP) original y un determinado valor de referencia seguro (SPS) que evite que existan valores de la variable de proceso (PV) inferiores al caudal especificado que a su vez eviten el alcanzar el nivel de concentración esperado en la mezcla (ver Figura 4).

Es precisamente este margen de seguridad lo que ocasiona el regalo de calidad. Los parámetros del controlador que permiten una respuesta dinámica como la que se pueden apreciar en las Figuras 3 y 4, son parámetros obtenidos “a ojo”, para lograr el seguimiento a la referencia. Como puede observarse la varianza de la PV obliga a establecer un 20% más de SP como margen de seguridad. La ventana de tiempo presentada en las Figuras 3 y 4 es de 10 minutos, en los cuales llegarían al tanque de mezclado 14.67 galones.

Por otro lado, si el mismo lazo es cuidadosamente sintonizado por alguna técnica en particular, por ejemplo por asignación de polos4, podríamos mejorar la respuesta dinámica del sistema y reducir ostensiblemente la varianza de la PV. De tal manera que si el margen de oscilación de la variable alrededor de la referencia es reducido, podríamos en principio reducir el margen de seguridad (Ver figura 5).

Tras la optimización de las ganancias del controlador y la consecuente reducción de la varianza en la variable del proceso (PV), el acumulado de la sustancia B en el tanque agitado es de 13.61 galones en el mismo periodo de tiempo (10 minutos). Podemos observar que el regalo de calidad no desaparece, pero si se reduce considerablemente.

Con la nueva sintonización del controlador se ahorran 1.06 galones cada 10 minutos, recordando que cada galón de la sustancia B tiene un costo de 10 dólares, esto se traduciría en un ahorro de 10.6 dólares cada 10 minutos sólo en este lazo. Únicamente como supuesto, si un lote se produjera en 48 horas se podría tener un ahorro de 3052 dólares por lote producido, haciendo una suposición extrema, si sólo se descansara un día entre la producción de un lote y otro, el simple hecho de mejorar la sintonización del controlador PID de caudal de este lazo particular podría generar un ahorro de más de 300,000 dólares en un año.

EL REGALO DE CALIDAD ¿HOY ALTERNATIVOS?

El regalar calidad en los productos implica para las empresas reducir el margen de ganancias; no obstante, es mucho más importante el aseguramiento de la calidad; por las implicaciones que conlleva el comprometer calidad en aras de mayores ganancias; por lo que en la industria no es extraño encontrar muchos ejemplos en los que se produce incluso muy por encima de los estándares establecidos por el cliente; así como de la normativa nacional e internacional asociada a la línea del negocio; es en este punto¿vale la pena correr el riesgo tiempo (segs.) de reducir los márgenes de seguridad?, ¿es posible reducir Figura 3.

A pesar del seguimiento “adecuado” a la referencia (SP), existe el riesgo latente de no cumplir con las especificaciones deseadas las oscilaciones?, ¿cómo impactaría a corto y a mediano plazo un cambio en piso de planta?, ¿es viable económicamente cambiar la infraestructura de la planta que regalar . Calidad?, ¿la sintonía de mis controladores puede realmente repercutir en ahorro y consecuentemente en el aumento de ganancias?.

Responder a cada una de las preguntas anteriores no es una tarea trivial, y llevarla a cabo implica una inversión de recursos tanto económicos como humanos por parte de la empresa, a sabiendas de que no necesariamente habrá un retorno a corto ó incluso a mediano plazo; sin embargo, existe un espacio de oportunidad sobre el cual puede trabajarse con una inversión moderada: la sintonía del controlador. Como se mencionó anteriormente el control PID es uno de los controles más extendidos alrededor del mundo, 0por lo que es común asumir el funcionamiento de éste como Figura 4. El margen de seguridad en el valor de consigna (SP) ocasiona el regalo de calidad.

Con una sintonización más precisa del controlador, el margen de seguridad puede ser reducido  un hecho, dicho de otra manera, usualmente no se toma en cuenta que los parámetros de control constituyen una variable que repercutirá en los costos del negocio, por lo que aquí cobra relevancia mencionar que una buena sintonía de los lazos de control PID en planta, puede llevar a nuestras variables de control a un punto de consigna deseado (cumpliendo con especificaciones dinámicas específicas), minimizar el error en estado estable y conseguir la minimización de la amplitud de oscilaciones no deseadas, pudiéndose de este modo, reducir el margen de seguridad en la operación de nuestros lazos de control, asegurando al mismo tiempo la calidad, y reduciendo las pérdidas asociadas al regalo en la calidad del producto.

 

REFERENCIAS

[1] Astrom K. J., Hagglunf T., PID Controllers, 2nd editions, ISA, 1995.

[2] Ender D.B., “Process Control Performance Not as Good as You Think” Control Engineering, 180-190, September 1993.

[3] Desborough L, Nord P., Miller R., “Control System Reliability, Process out of Control” InTech (USA), August 2001.

[4] Paz Ramos M. A. GaribaEquivelS.C., “Sintonice su controlador PID para obtener la respuesta deseada”, InTech México Automation, Octubre – Diciembre 2009.

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