Capítulo 17 — Fundamentos de control y realimentación

Mapa de la lección

Lección 17 publicada. Mapa, ejemplo, EX049.

flowchart TD
  N0["Resultados de aprendizaje"]
  N1["17.1 El PI en una página"]
  N2["17.2 Sensores en el lazo"]
  N3["17.3 Tormentas de alertas"]
  N4["Nota práctica"]
  N5["17.1b Puntos de ajuste y ubicación de las personas"]
  N6["Síntesis del capítulo"]
  N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5 --> N6
  N6 --> EX["Ejemplo resuelto"]
  EX --> Q["Ejercicio EX049"]

Dibujo lógico

flowchart LR
  N0["Resultados de aprendizaje"]
  N1["17.1 El PI en una página"]
  N2["17.2 Sensores en el lazo"]
  N3["17.3 Tormentas de alertas"]
  N4["Nota práctica"]
  N5["17.1b Puntos de ajuste y ubicación de las personas"]
  N6["Síntesis del capítulo"]
  N0 --> N1 --> N2 --> N3 --> N4 --> N5 --> N6 --> Q["EX049"]

[Resultados de aprendizaje]
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    v
[17.1 El PI en una página]
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[17.2 Sensores en el lazo]
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[17.3 Tormentas de alertas]
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[Nota práctica]
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[17.1b Puntos de ajuste y ubicación de las personas]
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[Síntesis del capítulo]
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[Ejemplo resuelto] --> [Ejercicio EX049]

Resultados de aprendizaje

Usted podrá (1) ajustar un lazo PI sencillo y ver cómo la acción integral elimina el error estacionario; (2) situar sensores de seguridad en el lazo de control sin desestabilizarlo; (3) evitar las tormentas de alertas que ocultan las alarmas de proceso.

17.1 El PI en una página

Un controlador proporcional deja un error estacionario; la acción integral acumula el error y lo elimina. El laboratorio cambia en escalón el punto de consigna de nivel de 50 a 60 y compara solo kp con kp+ki. Los ingenieros de seguridad necesitan esta soltura para no proponer detectores que luchen contra el controlador.

# Lab 17 - discrete PI level control vs. setpoint step (synthetic)
def sim(kp, ki, steps=200, sp=60.0):
    level, integ, err_hist = 50.0, 0.0, []
    for t in range(steps):
        err = sp - level
        integ += err * 0.1
        u = max(0.0, min(3.0, kp*err + ki*integ))   # inflow m3/h capped
        level += (u - 0.02*level)*0.1
        err_hist.append(abs(err))
    return level, sum(err_hist)/len(err_hist), max(err_hist[50:])
for kp,ki in ((0.05,0.0),(0.05,0.01),(0.2,0.01)):
    final, mae, peak = sim(kp,ki)
    print(f"kp={kp} ki={ki} final={final:.2f} mae={mae:.2f} peak_abs_err_after_5s={peak:.2f}")

Salida esperada:

kp=0.05 ki=0.0 final=44.61 mae=13.29 peak_abs_err_after_5s=15.38
kp=0.05 ki=0.01 final=57.22 mae=8.34 peak_abs_err_after_5s=10.91
kp=0.2 ki=0.01 final=58.15 mae=4.62 peak_abs_err_after_5s=6.17

Lena usa el laboratorio para explicar a sus colegas por qué un detector debe vigilar el error y no el nivel bruto. La salida del laboratorio muestra que el error estacionario se reduce mucho cuando se añade la acción integral (nivel final de unos 57–58 frente a 44,61 sin ella, todavía acercándose a 60 al final de la ejecución), lo que ayuda a los colegas a ver cómo responde un controlador a una perturbación. Un detector que generara alarmas sobre el propio nivel saltaría cada vez que cambiara un punto de consigna.

17.2 Sensores en el lazo

La inspección en línea añade latencia. Si la constante de tiempo del proceso es de minutos (nivel de un tanque), unas decenas de milisegundos no importan. Si es de decenas de milisegundos (presión rápida), prefiera derivaciones pasivas. Mida antes de desplegar (capítulo 3). En el banco, Lena compara la latencia añadida por cada dispositivo candidato con la constante de tiempo del lazo en que se colocaría: en la línea troncal de T-1 el margen es de minutos, en el patín del compresor solo de decenas de milisegundos, de modo que un mismo dispositivo puede ser aceptable en el primero e inaceptable en el segundo. La latencia medida en el banco decidió ambas elecciones, no las cifras declaradas por el proveedor. Lena registra los valores medidos con las constantes de tiempo de cada lazo, para poder revisar la decisión si cambia un proceso.

17.3 Tormentas de alertas

Si cada alerta cibernética de severidad media envía un aviso a todo el sitio, la gente silencia el buscapersonas y luego se pierde la alarma de proceso que importa. El enrutamiento por severidad y los límites de tasa de las notificaciones son amortiguación, exactamente como en el laboratorio de racionalización de alarmas.

Caso sintético — Ashford Batch Plant. Tras revisar el laboratorio de PI, Lena rechazó un equipo de DPI en línea en el patín del compresor (lazo rápido) y aprobó una derivación serie de solo escucha en la línea troncal lenta del tanque.

El enrutamiento de Lena en ABP solo avisa al jefe de turno ante eventos de severidad alta.

17.4 Errores y límites

El PI de manual ignora la fricción estática de las válvulas y el retardo de los sensores. Use los historiadores de planta para el ajuste real; el laboratorio sirve para la intuición. Lena advierte a los revisores que las curvas ordenadas del laboratorio no son lo que muestra el historiador de planta. Los lazos reales de ABP tienen fricción estática en las válvulas y retardo en los transmisores, lo que hace la respuesta más lenta y ruidosa. Cualquier umbral de detector propuesto a partir de resultados de laboratorio se contrasta con una semana de datos del historiador antes de usarse, y el ajuste de los controladores reales sigue en manos de los ingenieros de control. Lena registra las diferencias encontradas.

Nota práctica

Dibuje el lazo: punto de consigna, error, controlador, actuador, proceso, sensor, y marque dónde se ubica su dispositivo de seguridad. Si no puede marcarlo, no sabe si está midiendo o actuando.

17.1b Puntos de ajuste y ubicación de las personas

Escriba el punto de ajuste junto al sensor (tiempo de ciclo ≤ 50 ms). Revise los puntos de ajuste cuando la planta cambie de receta o cuando los avisos falsos superen una tasa acordada. En el CNHP, las personas deciden qué autoriza un permiso de trabajo, y el monitor actúa solo donde esperar dejaría que una escritura insegura llegara al proceso. Aprobar la ampliación de un conducto es tarea humana. Denegar una escritura fuera de rango es automatización. En ABP, el punto de ajuste del tiempo de ciclo del monitor serie es de 50 ms, y se revisa cuando cambian las recetas. Un incumplimiento del punto de ajuste del tiempo de ciclo se registra con la trama que lo causó, para que la siguiente revisión parta de datos.

Ejercicios — capítulo 17

• EX049 — Laboratorio. ¿Qué par (kp, ki) se acerca más a 60 con el menor mae? Rúbrica: 3 = (0.2, 0.01) con cifras; 2 = solo el par; 1 = par incorrecto; 0 = nada.
• EX050 — Ubicación. En línea o derivación para un lazo de presión de 20 ms: elija y justifique. Rúbrica: 3 = derivación/pasivo, riesgo de latencia; 2 = elección sin justificación; 1 = en línea a la ligera; 0 = nada.
• EX051 — Amortiguación. Una regla de amortiguación para las alertas cibernéticas en la sala de control. Rúbrica: 3 = específica (agrupación, severidad, tasa); 2 = vaga; 1 = nada útil; 0 = nada.

Síntesis del capítulo

Entienda el lazo antes de insertar seguridad; amortigüe las alertas para que las alarmas de proceso sigan oyéndose.

Siga estudiando — capítulo 17 de 50

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