Aseguramiento algorítmico

Aseguramiento algorítmico Concepto: Parte del aseguramiento matemático que está formado por los algoritmos, mediante los cuales se realizan las diferentes funciones del sistema automatizado de dirección de procesos tecnológicos y del complejo tecnológico automatizado, así como el algoritmo general de funcionamiento de ambos.

Aseguramiento algorítmico. La efectividad de un sistema automatizado de dirección de procesos tecnológicos (SADPT) depende fuertemente de la efectividad de los algoritmos utilizados para la dirección del proceso. El aseguramiento algorítmico constituye un todo armónico donde los diferentes algoritmos que lo componen estén relacionados y se complementen mutuamente. También debe estar basado en modelos matemáticos adecuados.

Características

Teniendo en cuenta que los SADPT constituyen un estadio superior en la dirección de los procesos tecnológicos que se apoyan en un conjunto de las más avanzadas técnicas desarrolladas por el hombre, se puede comprender que la elaboración del aseguramiento algorítmico es una tarea de gran complejidad. Las funciones del SADPT y del complejo tecnológico automatizado son realizadas por los algoritmos que constituyen el aseguramiento algorítmico, tanto el diseño de este como su elaboración tienen que hacerse sobre la base de sus características y de las necesidades del SADPT y del complejo tecnológico automatizado.

El aseguramiento algorítmico tiene que poder ser implementado por programas eficientes desde el punto de vista de los medios de la técnica de computación. Debe lograrse con baja utilización de la memoria para el almacenamiento de los datos y los propios programas y con una alta velocidad de ejecución. El personal que trabaja en el aseguramiento algorítmico debe tener un profundo conocimiento del proceso productivo, que incluye tanto los aspectos tecnológicos como económicos y de dirección de este. Además exige amplios conocimientos de las técnicas de programación por parte de dicho personal.

Elaboración

La elaboración del aseguramiento algorítmico requiere igualmente del conocimiento teórico y práctico de la teoría de control tanto clásica como moderna y de las técnicas de modelación y técnicas de optimización. También es necesario el conocimiento de los aspectos relativos a la instrumentación industrial, el análisis de señales y el aseguramiento técnico de los SAPDT.

Es una tarea compleja por su contenido, no puede ser llevada a cabo por un solo especialista, tiene que ser realizada por grupos multidisciplinarios integrado por especialistas con un profundo conocimiento de las técnicas mencionadas.

Componentes algorítmicos

Para el estudio de los algoritmos que componen el aseguramiento algorítmico de los SADPT se considera conveniente dividirlos en:

1. Algoritmo de recolección de datos.
2. Algoritmo de tratamiento primario de la información.
3. Algoritmo de alarma.
4. Algoritmo de regulación.
5. Algoritmo de control lógico secuencial.
6. Algoritmo de optimización.

El adecuado trabajo del complejo tecnológico automatizado requiere que los diferentes algoritmos mencionados conformen el aseguramiento algorítmico como un conjunto armónico donde las tareas se enlacen y complementen. Además, es preciso que el aseguramiento algorítmico esté acorde con el resto de los componentes del SADPT. Los algoritmos de control lógico secuencial y algoritmos de optimización son los que presentan un desarrollo más dinámico desde el punto de vista de su contenido científico técnico.

Algoritmo de recolección de datos

Estos aseguran la entrada de la información de las variables del objeto tecnológico de dirección al SADPT. Estos algoritmos operan directamente con los subsistemas de entradas continuas y discretas y por tanto son altamente dependientes del aseguramiento técnico del SADPT. Dada sus características, la mayor complejidad se presenta para las variables continuas. En cualquier caso es conveniente que los números de las variables que usualmente se utilizan en la comunicación hombre-máquina y en los programas que realizan los diferentes algoritmos como parámetros de entrada sean diferentes de los que identifican a los canales correspondientes en las unidades de entrada. Esto requiere que en la memoria de la máquina computadora electrónica exista una tabla similar a la siguiente:

La tabla anterior tendrá tantas palabras como variables existan en el sistema. Esta forma de tratar los números utilizados para designar las variables implica un aumento en el tiempo de procesamiento de los algoritmos de recolección de datos y la utilización de una cierta cantidad de memoria para la tabla descrita. No obstante tiene la gran ventaja de que ante cualquier cambio que sea preciso realizar en las conexiones de las unidades de entrada, no será necesario cambiar los números de las variables ya conocidos por el personal que se relaciona con el SADPT ni en las bases de datos en las que aparezcan números de variables, sino que solamente se requiere cambiar las palabras correspondientes a la variable afectada por el cambio. Esta ventaja resarce el aumento del tiempo de procesamiento y de utilización de memoria mencionados.

Lecturas de variables continuas

En general se realizan periódicamente a intervalos de tiempo discretos, lo cual está determinado por las características de la maquina computadora electrónica. El intervalo de lectura de las variables se denomina intervalo de muestreo (T), y la selección de su valor es un aspecto de gran importancia para el funcionamiento del sistema.

Si el intervalo de muestreo es muy grande, las mediciones pueden no reflejar con exactitud suficiente los valores de las variables del proceso. Un intervalo muy pequeño puede aumentar innecesariamente la carga de la maquina computadora electrónica. El teorema de muestreo establece que el intervalo de muestreo debe ser tal, que se cumpla que la frecuencia de muestreo (dada por W_m=2π/T) sea igual o mayor que el duplo de la mayor frecuencia de interés en el espectro de frecuencia de la señal que representa el valor de la variable medida. En la práctica, la frecuencia debe ser mayor que el valor límite mencionado. La lectura de las variables continuas se realiza de una de las tres formas siguientes: lectura secuencial, lectura secuencial mediante el acceso directo a memoria y lectura aleatoria.

Características de los métodos de lectura utilizados

• La lectura secuencial. Se realiza la lectura de todas las variables del sistema, almacenando los valores leídos en una tabla en palabras ubicadas una a continuación de otra según el orden de los números de los canales de entrada, siendo necesario en la mayoría de los casos reordenar dichos valores según los números empleados en la designación de las variables. Los valores de las variables son tomados de la tabla por el resto de los algoritmos del sistema en la medida que son requeridos por ellos. Esta forma de lectura es muy simple, aunque puede resultar poco conveniente desde el punto de vista de la estructuración de los programas del sistema. En general, la lectura de cada variable va a requerir la transferencia del número de canal de entrada y de una orden de lectura a la unidad de entradas continuas, así como la espera por el final de la conversación.
• Lectura secuencial mediante el acceso directo a memoria. Es similar a la lectura secuencial en cuanto a la organización de la lectura de las variables, pero difiere en que utiliza el acceso directo a memoria para realizar la transferencia desde la interfaz de entrada a la memoria de la máquina computadora digital. En este caso el tiempo de ocupación del procesador central es sensiblemente menor que en el anterior ya que solo es necesario que esta dé la orden para el inicio del proceso de lectura. El fin de esta orden se informa al procesador central por medio del sistema de interrupción. Los valores leídos son almacenados en memoria sin la intervención del procesador central de la máquina computadora electrónica en una tabla, de forma semejante a la descrita en la lectura secuencial. Este método es más eficiente desde el punto de vista de utilización del procesador central a expensas de una electrónica más compleja y por su puesto más costosa, y se justifica cuando es muy elevado el número de variables a leer y los requerimientos de tiempo de lectura son críticos.
• Lectura aleatoria. Cuando se utiliza este método la lectura de las variables se realiza por los programas que lo requieran al cumplirse el período de muestreo de cada variable o en cualquier otro instante que sea necesario. Los valores leídos pueden ser almacenados en tablas o no según las necesidades.

Lectura de las variables discretas

En este caso la forma de realizar la recolección de datos depende de que las variables sean binarias o no.

• Lectura de variables binarias. Las variables binarias se leen de forma relativamente sencilla, dado de que de un octeto o en una palabra de la máquina computadora electrónica es posible representar más de una variable binaria (cada variable binaria solo requiere de un dígito binario). De acuerdo con esto a través de una transferencia de la unidad de entrada discreta se realiza la lectura de más de una variable binaria. De acuerdo con las necesidades, la lectura de las variables binarias pude hacerse periódicamente o cuando se genera un cambio en una variable binaria que represente el estado de un mecanismo de gran importancia para el funcionamiento del objeto tecnológico de dirección. En este último caso el cambio activaría el sistema de interrupción de la máquina computadora electrónica a fin de realizar la transferencia a esta y el tratamiento que se requiera. Esta forma de leer las variables implica, por su puesto, una mayor complejidad de la unidad de entradas discretas.
• Lectura de variables no binarias. Para estas variables la lectura es muy dependiente de las características del subsistema de entradas discretas y en última instancias de las necesidades del objeto tecnológico de dirección. Usualmente, estas variables se captan del proceso a través de contadores, que van incrementándose cada vez que se producen los eventos correspondientes. Lógicamente, el número máximo de eventos que es posible contar es 2ⁿ, siendo n el número de dígitos binarios del contador. Esto quiere decir, que hay que asegurar la transferencia del contenido del contador a la máquina computadora electrónica antes de que transcurra el número máximo de eventos que es posible contar.

Algoritmo de tratamiento primario de la información

Una vez realizada la recolección de datos de las variables continuas y como complemento de esta, corresponde realizar las operaciones necesarias para que la información recogida refleje lo más exactamente posible los valores de las variables del proceso. Las operaciones más frecuentes que se realizan son: validación de las lecturas, conversión a unidades de ingeniería, linealización y filtrado.

Algoritmos de alarma

Se encargan de la detección de las condiciones anormales del proceso que pueden provocar perdidas económicas por producción deficiente o daño en los equipos que componen el proceso tecnológico, o lo que es más grabe aún, poner en peligro la integridad de personas que trabajan en la operación, dirección o mantenimiento de la instalación tecnológica. Una vez detectada la condición anormal, esta se señaliza al personal de operación, pudiendo operarse los sistemas de protección y bloqueo correspondientes.

Usualmente resulta necesario señalizar tanto la aparición de las condiciones anormales como su desaparición, lo que implica que aunque los algoritmos de alarma sean muy parecidos a los utilizados para la validación de variables, resultan más complejos. Una cuestión de vital importancia para la adecuada operación de los algoritmos de alarma es la determinación de las condiciones bajo las cuales se va a considerar que se produce una condición anormal.

• Alarma por límites
• Alarma por tendencia
• Alarma compleja
• Alarma con variables binarias

Ventajas

Ventajas de la alarma por un SADPT con respecto a la alarma convencional:

Con respecto a la señalización de las condiciones anormales es oportuno decir que es altamente conveniente utilizar para ello los dispositivos de visualización con que esté equipado el SADPT, siendo posible y adecuado la emisión de los mensajes por los medios de impresión en papel (copia dura), a fin de dejar constancia de estos. También puede activarse un sistema de señalización convencional (lámpara y señal sonora) por medio de una variable binaria operada a través de la unidad de salidas discretas.

En ocasiones es necesario, cuando se produce una situación de emergencia, conocer los valores de las variables asociadas a las fallas anteriores y posteriores a estas, a fin de poder analizar las causas que la provocaron. En este caso es posible mantener un registro permanente de los valores mencionados durante un cierto intervalo de tiempo, usualmente varios minutos, lo cual se realiza eliminando en cada lectura los valores más viejos e incorporando los nuevos.

Por otra parte dadas las amplias posibilidades existentes de trabajo con las máquinas computadoras digitales, la información de las condiciones anormales (hora variables afectadas, desviaciones detectadas, etcétera) puede almacenarse en memoria para almacenar resúmenes y emitir reportes periódicos o eventuales que permiten analizar el comportamiento del proceso y tomar las medidas necesarias para aumentar la efectividad de este. Al analizar los algoritmos expuestos se puede apreciar las ventajas que ofrece la realización de la alarma por un SADPT en relación a los sistemas convencionales.

Algoritmos de regulación

La regulación en los SADPT se realiza mediante la regulación retroalimentada o de lazo cerrado de forma similar a los sistemas de control convencional. Otra forma de realizar la regulación es mediante los lazos especiales como son el control en cascada, el control anticipatorio y el control de relación.

La existencia de lazos de regulación caracteriza el régimen de SADPT denominado de dirección directa.

El valor de la variable controlada llega a la máquina computadora electrónica a través de la unidad de salidas continuas y es procesado por los programas correspondientes a los algoritmos de recolección de datos y de tratamiento primario de la información. Después de ello, el valor de la variable controlada es comparado con el valor deseado e introducido al algoritmo de regulación. El valor de salida del programa que procesa dicho algoritmo es transferido a los elementos de acción final a través de la unidad de salida continua a fin de actuar en el sistema controlado y completar el proceso de regulación. El valor deseado es informado a la máquina computadora electrónica por el personal de operaciones a través de los medios para la comunicación hombre-complejo de computación, aunque puede ser fijado también por los algoritmos de control lógico secuencial o los de optimización.

Una característica de vital importancia de los SADPT es que permiten realizar algoritmos de regulación de complejidad prácticamente ilimitada, con la posibilidad de variación tanto de ellos como de sus parámetros de ajuste. Además, es posible la modificación de la estructura de lazos.

Selección del intervalo de muestreo

El intervalo de muestreo es un parámetro de importancia para el ajuste de los algoritmos de regulación, por los que existen diferentes criterios para su selección. Una posibilidad es fijar el intervalo de muestreo de acuerdo con la naturaleza física de la variable controlada, en relación con las gamas que se indican a continuación:

1. Flujo: 1 a 3 segundos.
2. Nivel: 5 a 10 segundos
3. Presión: 1 a 5 segundos
4. Temperatura: 20 a 40 segundos.

También el intervalo de muestreo se puede calcular a partir del tiempo de subida de la respuesta, del sistema en lazo abierto, de forma tal que el número de muestras en dicho tiempo esté entre 2 y 4. Otra forma de determinar el intervalo de muestreo puede ser considerando que la respuesta del sistema en lazo cerrado es similar a la de un sistema de segundo orden de función transferencial dada por: (W n2 )/(s2+2ζWns+W2n). En este caso la relación entre el periodo de la componente sinusoidal de la respuesta, dado por 2π/Wn(1-ζ2)1/2 y el intervalo de muestreo debe ser alrededor de 20. Los valores anteriores de intervalo de muestreo constituyen en todos los casos valores iniciales para el ajuste, debiendo lograrse el definitivo a partir del análisis de respuesta transitoria del sistema controlado, determinada analíticamente por los métodos estudiados por la teoría de control o mediante las técnicas de simulación.

Algoritmo de control lógico secuencial

Estos algoritmos se encargan de realizar secuencias de acciones en el objeto tecnológico de dirección y en el SADPT, fundamentalmente para la puesta en marcha y parada de los subprocesos y equipos que componen el primero. En el caso de los procesos discontinuos también se realizan acciones de esta naturaleza durante la operación. Durante la secuencia de operaciones que componen los algoritmos de control secuencial, como parte de ellos, se procesan algoritmo de recolección de información, tratamiento primario de esta, etcétera.

La elaboración de los algoritmos de control secuencial exige el análisis minucioso del proceso al cual se apliquen para asegurar su correcta operación, por lo que es necesario definir tanto las acciones a realizar como los eventos que las generan.

Eventos

Como eventos cuya ocurrencia determina la necesidad de realizar alguna acción pueden señalarse los siguientes:

• Transcurso de un intervalo de tiempo dado.
• Llegada a una hora determinada.
• Violación de los límites de validación de una variable de entrada.
• Violación de los límites de alarma de una variable de entrada.
• Retorno a la gama normal de una variable de entrada.
• Cambio de valor de una variable binaria de entrada.
• Llegada a un valor dado de una variable discreta de entrada.
• Orden del personal de operación.

Acciones

Las acciones a realizar más frecuentes son las siguientes:

• Cambio del valor deseado de una variable siguiendo una ley determinada.
• Cambio del valor de una variable binaria de salida.
• Suspensión o inicio de la medición periódica de una variable.
• Emisión de mensajes a través de los medios para la comunicación hombre máquina.
• Conexión o desconexión de variables o lazos.
• Iniciar o terminar de inmediato o después de transcurrido un intervalo de tiempo la realización de una tarea cualquiera del SADPT.

Algoritmo de optimización

Por optimización se entiende la determinación de los regímenes óptimos del proceso tecnológico desde el punto de vista de la calidad y cantidad de la producción, la seguridad del personal de operación y las instalaciones tecnológicas, el ahorro de fuerza de trabajo, materiales y energía, la protección del medio ambiente, etcétera. Los algoritmos de optimización en los SADPT se relacionan con el resto de los componentes.

Así, los algoritmos de recolección de datos y de tratamiento primario de la información realizan la tarea de toma de información del objeto tecnológico de dirección y la preparación de esta para el resto de los algoritmos que componen el aseguramiento algorítmico. A su vez los algoritmos de control secuencial incluyen los de alarmas y regulación, mientras que los de optimización interactúan principalmente con estos últimos.

El aseguramiento algorítmico no puede ser un elemento estático que se diseña en las etapas de proyección del SADPT y permanezca inalterable una vez que este en operación. Por el contrario el propio funcionamiento del SADPT indica las deficiencias que es preciso corregir y los ajustes que deben ser realizados. Incluso en el caso poco probable de que el aseguramiento algorítmico concebido inicialmente no presente fallas, el propio funcionamiento del SADPT, al elevar la calidad de la dirección del objeto tecnológico de dirección con una toma de información más completa sobre este, permite la aplicación de algoritmos más efectivos.

Fuentes

• Andino, M.: Aseguramiento Técnico de los SADPT. Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de La Habana, 1988.
• Astrom, K.J. y B. Wittenmark: Computer Controlled System-Theory and Design. Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey, 1984.