Deber 4.- Monografía. Sensores y Controladores

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O C I T Á M O T U A L O R T N O C

1 R G M 7

0 1 0 2

SENSORES Y CONTROLADORES

Un sensor es un dispositivo capaz de medir magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. Un controlador es una componente del sistema de control que detecta los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado o “set point”,

programado por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador. Un controlador es un bloque electrónico encargado de controlar uno o más procesos. Al principio los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos, conforme conforme la tecnología fue desarrollándose se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de entrada y salida. Actualmente los controladores integran todos los dispositivos mencionados en circuitos integrados que conocemos con el nombre de microcontroladores. Los controladores son los instrumentos diseñados para detectar y corregir los errores producidos al comparar y computar el valor de referencia o “Set point”, con el valor medido del parámetro más importante

a controlar en un proceso.

Realizado por: Oña Anaguano Sixto Gerardo

Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica Control Automático Ing. Roberto Bahamonde

Contenido 1.

SENSORES ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ ...................... 1 1.1. Introducción ............................................. .................................................................... ............................................. .................................... .............. 1 1.2. Simbología de Instrumentación: Instrumentación: ....................................................... ......................................................................... .................. 2 1.3. Sensores de Temperatura: ............................ .................................................. ............................................ ................................. ........... 3 1.3.1. TERMÓMETRO DE DILATACIÓN DE VIDRIO .................................... .................................... 4 1.3.2. TERMÓMETRO DE DILATACIÓN DE BULBO..................................... ..................................... 4 1.3.3. TERMÓMETRO BIMETÁLICO ........................... .................................................. ..................................... .............. 4 1.3.4. TERMÓMETROS DE RESISTENCIAS METÁLICAS RTD ................... 6 1.3.5. TERMORESISTENCIAS – Pt100 ....................................................... .............................................................. ....... 6 1.3.6. TERMISTORES ........................................... ................................................................. ............................................ ......................... ... 7 1.3.7. TERMÓMETROS SEMICONDUCTORES ................................. ............................................... .............. 7 1.3.8. TERMOCUPLAS O TERMOPARES ........................................... ......................................................... .............. 8 1.3.9. PIRÓMETRO DE RADIACIÓN......................................... ............................................................. .................... 10 1.3.10. PIRÓMETRO DE RADIACIÓN ÓPTICOS ÓPTICOS ......................................... ......................................... 11 1.3.11. PIRÓMETRO DE RADIACIÓN TOTAL .............................................. .............................................. 11 1.4. Sensores de Presión: .............................................................. .................................................................................... ........................... ..... 13 1.4.1. SENSORES DE PRESIÓN MECÁNICOS ............................... ............................................... ................ 15 1.4.2. TRANSDUCTOR DE PRESIÓN INDUCTIVO (LVDT) ( LVDT) ........................ ........................ 17 1.4.3. SENSOR DE PRESIÓN CAPACITIVO ............................... ................................................... .................... 17 1.4.4. SENSOR DE PRESIÓN PIEZOELÉTRICO ............................................ ............................................ 18 1.4.5. GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS EXTENSIOMÉTRICAS .......................................... .......................................................... ................ 19 1.5. Sensores de Nivel: ........................................... ................................................................. ............................................ ........................... ..... 21 1.5.1. MEDIDORES VISUALES DE NIVEL .................................................... .................................................... 21 1.5.2. SENSOR DE NIVEL DE FLOTADOR ......................... ............................................... ........................... ..... 22 1.5.3. SENSOR DE NIVEL POR PRESIÓN DIFERENCIAL (HIDROSTÁTICA) ........................................... ................................................................. ............................................ ............................... ......... 22 1.5.4. SENSOR DE NIVEL POR BURBUJEO .................................. .................................................. ................ 22 1.5.5. SENSOR DE NIVEL RADIOACTIVO .................................... .................................................... ................ 22 1.5.6. SENSOR DE NIVEL POR CELDA DE CARGA (PESAJE) ................... 23 1.5.7. SENSOR DE NIVEL CAPACITIVO............................................ ........................................................ ............ 23 1.5.8. SENSOR DE NIVEL POR ULTRASONIDO.......................................... .......................................... 23 1.5.9. SENSOR DE NIVEL TIPO CONDUCTIVÍMETRO ............................... ............................... 24 1.5.10. Sensores de Nivel en sólidos granulados: ........................................... ................................................ ..... 24 1.6. Sensores de Caudal ............................................. .................................................................... ............................................. ........................ 24 1.6.1. Presión Diferencial (Elementos Primarios) .......................................... ............................................... ..... 24 1.7. Otros Sensores: ....................................................... ............................................................................. .......................................... .................... 29 i

Contenido 1.

SENSORES ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ ...................... 1 1.1. Introducción ............................................. .................................................................... ............................................. .................................... .............. 1 1.2. Simbología de Instrumentación: Instrumentación: ....................................................... ......................................................................... .................. 2 1.3. Sensores de Temperatura: ............................ .................................................. ............................................ ................................. ........... 3 1.3.1. TERMÓMETRO DE DILATACIÓN DE VIDRIO .................................... .................................... 4 1.3.2. TERMÓMETRO DE DILATACIÓN DE BULBO..................................... ..................................... 4 1.3.3. TERMÓMETRO BIMETÁLICO ........................... .................................................. ..................................... .............. 4 1.3.4. TERMÓMETROS DE RESISTENCIAS METÁLICAS RTD ................... 6 1.3.5. TERMORESISTENCIAS – Pt100 ....................................................... .............................................................. ....... 6 1.3.6. TERMISTORES ........................................... ................................................................. ............................................ ......................... ... 7 1.3.7. TERMÓMETROS SEMICONDUCTORES ................................. ............................................... .............. 7 1.3.8. TERMOCUPLAS O TERMOPARES ........................................... ......................................................... .............. 8 1.3.9. PIRÓMETRO DE RADIACIÓN......................................... ............................................................. .................... 10 1.3.10. PIRÓMETRO DE RADIACIÓN ÓPTICOS ÓPTICOS ......................................... ......................................... 11 1.3.11. PIRÓMETRO DE RADIACIÓN TOTAL .............................................. .............................................. 11 1.4. Sensores de Presión: .............................................................. .................................................................................... ........................... ..... 13 1.4.1. SENSORES DE PRESIÓN MECÁNICOS ............................... ............................................... ................ 15 1.4.2. TRANSDUCTOR DE PRESIÓN INDUCTIVO (LVDT) ( LVDT) ........................ ........................ 17 1.4.3. SENSOR DE PRESIÓN CAPACITIVO ............................... ................................................... .................... 17 1.4.4. SENSOR DE PRESIÓN PIEZOELÉTRICO ............................................ ............................................ 18 1.4.5. GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS EXTENSIOMÉTRICAS .......................................... .......................................................... ................ 19 1.5. Sensores de Nivel: ........................................... ................................................................. ............................................ ........................... ..... 21 1.5.1. MEDIDORES VISUALES DE NIVEL .................................................... .................................................... 21 1.5.2. SENSOR DE NIVEL DE FLOTADOR ......................... ............................................... ........................... ..... 22 1.5.3. SENSOR DE NIVEL POR PRESIÓN DIFERENCIAL (HIDROSTÁTICA) ........................................... ................................................................. ............................................ ............................... ......... 22 1.5.4. SENSOR DE NIVEL POR BURBUJEO .................................. .................................................. ................ 22 1.5.5. SENSOR DE NIVEL RADIOACTIVO .................................... .................................................... ................ 22 1.5.6. SENSOR DE NIVEL POR CELDA DE CARGA (PESAJE) ................... 23 1.5.7. SENSOR DE NIVEL CAPACITIVO............................................ ........................................................ ............ 23 1.5.8. SENSOR DE NIVEL POR ULTRASONIDO.......................................... .......................................... 23 1.5.9. SENSOR DE NIVEL TIPO CONDUCTIVÍMETRO ............................... ............................... 24 1.5.10. Sensores de Nivel en sólidos granulados: ........................................... ................................................ ..... 24 1.6. Sensores de Caudal ............................................. .................................................................... ............................................. ........................ 24 1.6.1. Presión Diferencial (Elementos Primarios) .......................................... ............................................... ..... 24 1.7. Otros Sensores: ....................................................... ............................................................................. .......................................... .................... 29 i

1.8. Sensores de última tecnología y de Robots: ................................................ ..................................................... ..... 31 1.8.1. SENSORES PROPIOCEPTIVOS PROPIOCEPTIVOS ............................................................ .............................................................. 31 1.8.2. SENSORES EXTEROCEPTIVOS EXTEROCEPTIVOS ......................... ................................................ ................................... ............ 32 1.9. TRATAMIENTO DE SEÑAL ......................................................... ......................................................................... ................ 32 1.9.1. PRINCIPIOS FÍSICOS F ÍSICOS DE CODIFICACIÓN .......................................... .......................................... 33 2. CONTROLADORES ............................................ .................................................................. ............................................ ........................... ..... 44 2.1. SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO ........................................ ................................................. ......... 44 2.1.1. Sistemas de Control Clásico .......................................................... ...................................................................... ............ 44 2.1.2. Sistemas de Control Moderno...................... Moderno ............................................. .............................................. ....................... 45 2.2. CONTROLADORES AUTOMÁTICOS ............................................. ......................................................... ............ 45 2.3. CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES INDUSTRIALES INDUSTRIALES........... 46 2.3.1. CONTROL DE DOS POSICIONES .............................. .................................................... ........................... ..... 46 2.3.2. CONTROL PROPORCIONAL ............ .................................. ............................................ ............................... ......... 47 2.3.3. CONTROL INTEGRAL.......................................... ................................................................. .................................. ........... 47 2.3.4. CONTROL DERIVATIVO .................. ........................................ ............................................ ............................... ......... 48 2.3.5. CONTROL PROPORCIONAL / INTEGRAL .......................................... .......................................... 48 2.3.6. CONTROL PROPORCIONAL / DERIVATIVO ................................. ..................................... .... 49 2.3.7. CONTROL PROPORCIONAL / INTEGRAL / DERIVATIVO (PID) .... 50 2.4. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) .................................. .................................. 51 2.4.1. Programación ............................................ .................................................................. ............................................ ........................... ..... 52 2.4.2. Comunicaciones Comunicaciones ........................................... .................................................................. ............................................. ........................ 53 2.4.3. Ejemplos de aplicaciones generales ........................................... ........................................................... ................ 53 3. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS) ............................................ .............................................. 53 4. BIBLIOGRAFÍA ........................................... .................................................................. ............................................. .................................. ............ 50

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1.


SENSORES

Son dispositivos que establecen, detectan o sensan parámetros de los sistemas físicos y envían esta información a un controlador. 1.1. Introducción El conocimiento tanto de los fenómenos naturales como de los elaborados por el hombre plantea el problema de la medida. Los sistemas primitivos de medida se basaban en métodos directos sobre patrones de la misma naturaleza de la magnitud medida o bien indirectos comparando, sobre una escala graduada mediante una ley de relación entre las variables consideradas (longitud de la columna de mercurio con la temperatura). El sensor o captador constituye el primer escalón de cualquier cadena de medida y control suministrando una señal cuyo valor es función de la variable a medir. Aunque la naturaleza de la señal de salida puede ser diversa (neumática, hidráulica), centraremos nuestra atención en los dispositivos de detección con salida eléctrica (variación de tensión, corriente, frecuencia...). El desarrollo de la electrónica de estado sólido y de la microelectrónica de muy alta densidad de integración, ha revolucionado la Instrumentación solidaria a los sistemas de medida, posibilitando toda una serie de tratamientos posteriores de la información. Paralelamente la aparición del computador y su aplicación al control de procesos ha supuesto, por su elevada capacidad y velocidad de cálculo, un avance muy importante al trabajar el computador en tiempo real tomando decisiones en función del estado previsto del proceso y del estado real evaluado mediante la información suministrada por los distintos sensores. La estructura de la medición automática queda definida así:

Figura 1.1: Estructura de la medición industrial

Los sensores se pueden clasificar en: Directos / Indirectos Activos (generadores) / Pasivos (Moduladores) Resistivos, Capacitivos, Inductivos Termoeléctricos, Piezoeléctricos, Fotoeléctricos Locales / Remotos Con / Sin contactos Continuos (Analógicos) / Discretos (Digitales)       

Las propiedades de los sensores son: Estabilidad Precisión Tiempo de respuesta Sensibilidad No linealidad Rango Histéresis       

SENSORES Y CONTROLADORES CONTROLADO RES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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1.2. Sim bo lo gía de Ins Ins tru m ent ación :

SENSORES Y CONTROLADORES CONTROLADO RES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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Figura 1.2: Simbología de instrumentación industrial.

1.3. Sensor es de Temp eratura:

ESCALAS DE TEMPERATURA

Figura 1.3: Representación de escalas de temperatura.

SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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EJEMPLOS DE SENSORES DE TEMPERATURA: 1.3.1. TERMÓMETRO DE DILATACIÓN DE VIDRIO

Figura 1.4: Termómetro de dilatación de vidrio

1.3.2. TERMÓMETRO DE DILATACIÓN DE BULBO

Figura 1.5: Termómetro de dilatación de bulbo

1.3.3. TERMÓMETRO BIMETÁLICO

Figura 1.6: Termómetro bimetálico


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Figura 1.7: Funcionamiento del termómetro bimetálico


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1.3.4. TERMÓMETROS DE RESISTENCIAS METÁLICAS RTD

Figura 1.8: Termómetros RTD

Figura 1.9: Esquema de los termómetros RTD

1.3.5. TERMORESISTENCIAS – Pt100 Se caracterizan por: a) Alta estabilidad y repetibilidad b) Buen tiempo de respuesta

Figura 1.10: Termoresistencias


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1.3.6. TERMISTORES

1.3.6.1. NTC: (Coeficiente negativo de temperatura)

Presentan las siguientes características: Alta sensibilidad 100 ohmios/grado. Rango de T a pequeño. Útil para T a ambiente. Muy baratos y pequeños (menor constante de tiempo). Menor precisión (a veces no es necesaria mayor precisión). Problemas de estabilidad. Semiconductores, óxidos: Fe, Co, Ni,…

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Coeficiente térmico:

1.3.6.2. PTC: (Coeficiente positivo de temperatura)

Semiconductores: Ba, T iO3

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Figura 1.11: Curvas características de los termistores

1.3.7. TERMÓMETROS SEMICONDUCTORES Se construyen con circuitos integrados con salida normalizada en tensión o corriente. Elemento de medida: transistor La tensión o corriente está en función de la temperatura. VBE= f(T), coef. Térmico ~ 2'5mV/ °C Dificultades de dispersión MTS-102/3/5 : VxBE nominal: 580  620mV (25°C) d'vBE/dT= 2'25 + 0,033 (VxBE - 600) mV/°C SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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Rango: - 40 a +150°C Precisión = 2% Ejemplo: AD 590 (L,M,... ) transistores apareados: Señal de salida 1μ A/°K -55 - 150°C Error + 1:0,3 Adaptación externa sensibilidad: R = 10 K Ω  10 mV/°K - Otros: Lm - 134/234/334 Lm - 135/235/335  10 mV/°K Lm - 3911 Lm – 35  10 mv/°C KTY - 10 REF - 01/02

Figura 1.12: Termómetros semiconductores

1.3.8. TERMOCUPLAS O TERMOPARES  Sensores activos. Usan el efecto Seebeck: circula una corriente cuando dos hilos de metales distintos se unen y se calienta uno de los extremos  Se puede medir el voltaje, que es proporcional a la diferencia de temperaturas  Señal de salida muy baja: milivoltios. Necesita acondicionamiento de la señal.  Sensibilidad baja: microvoltios por grado  Aguantan altas temperaturas (p.e. calderas)  Bastante lineales.  Termopar J: Hierro y Constatan (Cu-Ni). • Afectado por corrosión • Rango: 0ºC a +750ºC • Precisión: 0.5%  Termopar K: Cromo y Alumel (Al-Ni). • Buena resistencia a la oxidación • Rango: 0ºC a +1.300ºC y 600ºC a 1.000ºC en atm. oxidantes • Precisión: 1%  Termopar R: Platino y Platino-13% Rodio.  Termopar S: Platino y Platino-10% Rodio. • Rango de medida más amplio (0ºC a +1.600ºC), pero más caros. • Precisión: 0.5%  Termopar W: Volframio-5% Renio y Volframio-26% Renio. • Rango: 0ºC a +2.800ºC en atm. inertes o vacío. SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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Precisión: 1%

Figura 1.13: Termocuplas


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Figura 1.14: Esquema de los termopares o termocuplas

Figura 1.15: Curvas características de varias termocuplas

1.3.9. PIRÓMETRO DE RADIACIÓN  Sensores sin contacto.  Se basan en la ley de Stefan-Boltzmann: todas las sustancias a cualquier Tª por encima del cero absoluto, radian energía como resultado de la agitación atómica asociada con su Tª. La intensidad de la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la Tª absoluta del cuerpo, W= K T4.  Consisten en un sistema óptico que recoge la energía radiada y la concentra en un detector, el cual genera una señal proporcional a la Tª.  La energía radiada por un cuerpo es menor que la correspondiente a su Tª, debido a que refleja energía como consecuencia del estado de su superficie.  Por ello es necesario definir un cuerpo radiador ideal que no refleje nada (emite el máximo de energía por unidad de superficie): "cuerpo negro".  Para corregir la medida se define el factor de emisividad: relación entre la energía emitida por un cuerpo y la emitida por el cuerpo negro.  Los pirómetros son usados: • Cuando no se pueden utilizar termopares (rango, ambiente agresivo). • Cuando el área a medir se mueve o tiene difícil acceso. SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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1.3.10. PIRÓMETRO DE RADIACIÓN ÓPTICOS Se basan en el hecho de comparar visualmente la luminosidad del objeto radiante con el filamento de una lámpara incandescente. Para ello se superponen ambas ondas luminosas y se varía la corriente eléctrica de la lámpara hasta que deja de ser apreciable a la vista.  La variación de la corriente nos da un valor de la Tª, pero hay que calibrar la luminosidad de la lámpara previamente.  Trabajan en la banda de ondas visibles: 0,45 micras (violeta)-0,75 micras (rojo). Fueron los primeros aparatos de pirometría, todavía se usan pero no son elementos convencionales. 

Figura 1.16: Pirómetro óptico

1.3.11. PIRÓMETRO DE RADIACIÓN TOTAL  Tienen unos detectores que captan simultáneamente todas las radiaciones emitidas en la zona del espectro entre 0.3 y 20 micras.  Los detectores son de tipo térmico: "termopilas" (formados por varios termopares Pt/Pt-Rd montados en serie).  La energía radiante que reciben les eleva la Tª y generan una tensión en milivoltios.  Las variaciones de Tª de la caja del pirómetro son compensadas por una resistencia montada en paralelo con la termopila.  Inconvenientes: • Lentitud de respuesta. • Para eliminar radiaciones perturbadoras (energía radiada o absorbida por otros elementos presentes) se usan lentes y filtros que también reducen la energía útil.

Figura 1.17: Funcionamiento de un pirómetro de radiación total


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Tabla 1-1. Comparación entre varios tipos de sensores de temperatura

RANGOS DE DIFERENTES SENSORES DE TEMPERATURA


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Figura 1.18: Rangos de sensores de temperatura

1.4. Senso res de Presión:


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Tabla 1-2. Tabla de conversión de unidades de presión

PRINCIPIOS DE MEDIDA DE PRESIÓN


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MEDIDORES POR COLUMNA LÍQUIDA

Figura 1.19: Esquema de medidores por columna líquida

1.4.1. SENSORES DE PRESIÓN MECÁNICOS

Figura 1.20: Esquema de manómetros de Boudon

Figura 1.21: Tubo de bourdon, fuelle y diafragma


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SISTEMAS DE SELLADO

Figura 1.22: Manómetros con el sistema de sellado 

SELLOS REMOTOS E INTEGRALES

Figura 1.23: Ejemplos de sellos remotos e integrales


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1.4.2. TRANSDUCTOR DE PRESIÓN INDUCTIVO (LVDT)

Figura 1.24: Esquema de un transductor de presión inductivo

1.4.3. SENSOR DE PRESIÓN CAPACITIVO


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Figura 1.25: Esquema de sensores de presión capacitivos

1.4.4. SENSOR DE PRESIÓN PIEZOELÉTRICO


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Figura 1.26: Funcionamiento de sensores piezoeléctricos

1.4.5. GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS El esfuerzo según la Ley de Hooke es: La deformación relativa es:

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Medida: fuerzas, presiones, pares, vibraciones, desplazamientos. Los hilos son de: cromel, constantán, dicron, otros

Figura 1.27: Galgas bobinadas

Figura 1.28: Galgas peculiares - rosetas


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Figura 1.29: Esquema de las galgas extensiométricas


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Figura 1.30: Representación del funcionamiento de galgas extensiométricas

1.5. Senso res de Nivel:         

Regla graduada y visor de nivel Boya o flotador Presión diferencial Burbujeo Celda de carga (pesaje) Radioactivo Capacitivo Ultrasónico Conductivímetro

1.5.1. MEDIDORES VISUALES DE NIVEL

Figura 1.31: Sensores visuales de nivel


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1.5.2. SENSOR DE NIVEL DE FLOTADOR

Figura 1.32: Sensor de nivel tipo flotador

1.5.3. SENSOR DE NIVEL POR PRESIÓN DIFERENCIAL (HIDROSTÁTICA)

Figura 1.33: Sensor de nivel por presión hidrostática

1.5.4. SENSOR DE NIVEL POR BURBUJEO

Figura 1.34: Sensor de nivel por burbujeo

1.5.5. SENSOR DE NIVEL RADIOACTIVO

Figura 1.35: Sensor de nivel radioactivo


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1.5.6. SENSOR DE NIVEL POR CELDA DE CARGA (PESAJE)

Figura 1.36: Sensor de nivel por celda de carga

1.5.7. SENSOR DE NIVEL CAPACITIVO

Figura 1.37: Sensor de nivel capacitivo

1.5.8. SENSOR DE NIVEL POR ULTRASONIDO

Figura 1.38: Sensor de nivel por ultrasonido


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1.5.9. SENSOR DE NIVEL TIPO CONDUCTIVÍMETRO Consta de una sonda con dos electrodos. Cuando estos entran en contacto con el líquido conductor se cierra un circuito eléctrico, que a través de la unidad amplificadora conmuta un contacto. Se usan como interruptores de nivel en recipientes de líquidos conductores que no sean ni muy viscosos ni corrosivos, aunque también se usan para medidas continuas.

1.5.10. Sensores de Nivel en sólidos granulados: 









1.6.

MEDIDOR POR PALPADOR  Miden bajo demanda del operador o de un temporizador.  Constan de un cable de medición o cinta de acero con un peso en su extremo, movido por un motor.  Al chocar el peso con la superficie del material se anula la rigidez del cable, lo que conmuta la dirección de giro del motor ascendiendo el peso.  Durante el descenso se mide el cable desenrollado, lo que nos indica el nivel.  El peso debe tener una sección suficiente para que no se hunda en el material.  Se usa para materiales sólido con granulometría hasta 3mm. PALETAS ROTATIVAS  Un motor hace girar unas paletas (9 r.p.m.) a través de un resorte.  Al entrar en contacto el material con las paletas, éstas se paran, pero el motor continúa girando hasta que el muelle asociado al motor se expande al máximo y toca un final de carrera que da un contacto eléctrico.  Cuando el nivel disminuye, el resorte recupera su posición, el motor arranca y el contacto cambia de posición.  Intensidad del motor proporcional a la longitud de paleta en contacto con el sólido  Su principal aplicación es la detección del nivel de alta para sólidos granulados. VIBRATORIO  Se compone de una sonda en forma de diapasón que vibra a unos 80 Hz.  Cuando el material cubre el diapasón las vibraciones se amortiguan, lo que produce una señal que activa un relé.  La instalación suele ser lateral y roscada a la altura del nivel, pero también podemos encontrar sondas verticales. MEMBRANA SENSITIVA  Consta de una membrana acoplada a la pared del recipiente en el punto en el que se quiere detectar el nivel.  Cuando el material llega a la altura del interruptor, presiona la membrana y actúa un conmutador.  Se usa con sólidos de granulometría media y pequeña. PESO  Se detecta el nivel de sólido mediante el peso # Se detecta el paso de tolva+contenido # Células de carga. Galgas extensiométricas.

Senso res de Caudal

1.6.1. Presión Diferencial (Elementos Primarios) PLACA ORIFICIO, TUBO VENTURI, TUBO PITOT, TOBERA, PLACA DE IMPACTO


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Figura 1.39: Principio de funcionamiento

Figura 1.40: Placa orificio


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Figura 1.41: Tubo Vénturi

Figura 1.42: Tobera

PLACA DE IMPACTO   

Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un disco circular) que se coloca en contra del flujo. Tienen baja precisión (0.5 - 5%), pero son adecuados para fluidos sucios, de alta viscosidad y contaminados.

Por velocidad: Turbina, Electromagnético, Vortex, Rotámetro, Ultrasónicos.

Figura 1.43: Caudalímetro tipo turbina


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Figura 1.44: Caudalímetro electromagnético

SENSOR DE CAUDAL VORTEX     

La introducción de un cuerpo romo en la corriente de un fluido provoca un fenómeno de la mecánica de fluidos conocido como vórtice o torbellino (efecto de Van Karman). Los vórtices son áreas de movimiento circular con alta velocidad local. La frecuencia de aparición de los vórtices es proporcional a la velocidad del fluido. Los vórtices causan áreas de presión fluctuante que se detectan con sensores. Para poder usar este medidor es necesario que el fluido tenga un valor mínimo del número de Reynolds (Re= ρ v D / µ).

 

Indicado para gases y líquidos limpios. Precisión: 1%

Figura 1.45: Rotámetro

SENSOR DE ULTRASONIDOS   

Emplean ondas ultrasónicas para determinar el caudal. Son buenos para medir líquidos altamente contaminados o corrosivos, porque se instalan exteriormente a la tubería. Precisión: 2 – 5%

Medidor a pulsos. Se introducen dos pulsos inclinados y simultáneamente, mediante dos transmisores emisor – recpetor, que reflejan en la tubería. La diferencia de tiempo para el mismo camino recorrido depende de la velocidad del flujo. Medidor doppler. Emite ondas de frecuencia fija que reflejan en el fluido.


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Figura 1.46: Medidor de caudal por ultrasonido

Masa – Másicos: Térmico y de Coriolis



SENSOR MÁSICO TÉRMICO. Consiste en aportar calor en un punto de la corriente y medir la temperatura aguas arriba y abajo. Si la velocidad del fluido fuese nula, no habría diferencia de temperatura, pero al existir velocidad, la diferencia de temperatura es proporcional al flujo másico existente. Lo más común es el diseño en by – pass. Su precisión es de 1%

Figura 1.47: Sensor de incremento de temperatura

Figura 1.48: Sensor másico de Coriolis


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


Volumétricos.

MEDIDOR DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO El flujo se divide en segmentos de volumen conocido, contando el número de segmentos en un intervalo de tiempo. Se usa en aplicaciones de fluidos de alta viscosidad y fluidos de menos de 5 μS/cm (no se puede

usar el medidor magnético). No se recomienda con fluidos sucios al existir partes móviles. Su precisión se encuentra entre 0.2 – 0.5%

Figura 1.49: Caudalímetro de desplazamiento positivo

1.7.

Otros Sensores: TIEMPO DE VUELO Y EFECTO DOPPLER

Figura 1.50: Tiempo de vuelo y Efecto Doppler

SCANER LASER


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Figura 1.51: Sensor láser

SENSORES DE ULTRASONIDO

Figura 1.52: Sensores ultrasónicos

Figura 1.53: Aplicaciones de ultrasonido

INCLINÓMETROS


30



Figura 1.54: Sensores de inclinación

GPS

Figura 1.55: Sensores de ubicación. GPS

1.8. Sens or es de últim a tecn ol og ía y de Rob ot s: Los sensores son dispositivos capaces de detectar/medir una magnitud física y proporcionarla en forma de señal eléctrica. Los sensores utilizables en robótica están en concordancia con los campos en los que los robots han encontrado aplicación, campos que irán ampliándose cada vez más. La clasificación de los sensores utilizados en robótica más general los divide en dos tipos: los que informan del estado del robot, que se denominan sensores internos o propioceptivos, y los que informan del estado del entorno, denominados sensores externos o exteroceptivos. 



1.8.1. SENSORES PROPIOCEPTIVOS Los sensores propioceptivos son los primeros en aparecer en los robots, encontrándose en la mayoría de los robots actuales. Estos informan del estado interno del robot: posición, velocidad, aceleración, y están directamente relacionados con el sistema de servocontrol. Una clasificación de estos sensores podría ser:   

Sensores de posición tales como: potenciómetros, capacitivos, resolvers y encoders. Sensores de velocidad: tacómetros y tacogeneradores. Sensores de aceleración: acelerómetros.


31



1.8.2. SENSORES EXTEROCEPTIVOS Estos sensores dan a conocer el entorno y el efecto de sus acciones sobre este de forma que es posible realizar un control en lazo cerrado de las interacciones entre el robot y su entorno. Estos elementos en muchos casos no son sensores sencillos sino más bien sistemas de percepción que normalmente exigen exploraciones espaciales y un tratamiento conjunto y completo en tiempo real, y están asociados a computadoras, de forma que sean capaces de realizar una percepción inteligente y no una mera captación del entorno. Una clasificación de estos sensores sería:     

Sensores contacto (táctiles y de esfuerzos). Sensores de proximidad. Sensores de alcance. Sensores de visión (sistemas). Sensores industriales de última generación (temperatura, presión, nivel, humedad, etc.)

1.9. TRATA MIENTO DE SEÑAL El sensor además de medir, transmite esta información a un receptor. Sin embargo el proceso de medida siempre conlleva incertidumbre como se ha demostrado en forma fundamental por Heisemberg y de forma repetida por la experiencia empírica de todos los investigadores. Gran parte del trabajo de investigación y desarrollo con sensores consiste en contribuir a la reducción de esa incertidumbre de forma que se alcance una mayor precisión y fiabilidad. El gran desarrollo alcanzado por las técnicas de computación en los últimos años ha permitido reducir el grado de incertidumbre. Generalmente las técnicas de procesamiento de señal pueden distinguir tres niveles diferentes:  Mejora intrínseca del parámetro medido, mediante todas las técnicas analógicas y digitales: filtrado, comparación y adecuación a formas conocidas. Se busca mejorar la exactitud y fiabilidad del parámetro a medir.  Transformación y complementación de la medida.  Evaluación, fusión de datos y toma de decisión. SENSORES DE POSICIÓN: Resistivos y Capacitivos 



Figura 1.56: Sensores de posición. Angular y Lineal


32



Figura 1.57: Condensador variable angular

Figura 1.58: Resolvers y sincroresolvers

1.9.1. PRINCIPIOS FÍSICOS DE CODIFICACIÓN

CODIFICADOR INCREMENTAL Las salidas del encoder se conectan a unos contadores. Al detectar el giro se incrementa en una dirección y se decrementa en al opuesta. El valor del contador indica el ángulo girado respecto a una posición de referencia. Los encoders incrementales no determinan la posición absoluta de un eje, sino su posición relativa a la posición de origen. Cada vez que se arranca el robot, es necesario realizar una secuencia de búsqueda de ceros. La resolución es función del número de franjas del disco, y por tanto, está limitado por el tamaño de los sensores.


33



Figura 1.59: Encoders incrementales


34



CODIFICADOR ABSOLUTO


35



Figura 1.60: Encoder absoluto.

SENSORES DE VELOCIDAD Los transductores de velocidad más utilizados son el tacómetro como dispositivo analógico y el encoder, como digital. El tacómetro, consiste en un generador de corriente continua, cuya tensión de salida es proporcional a la velocidad angular de su rotor. El encoder actúa como transductor tanto de posición como de velocidad. La velocidad de giro es proporcional a la frecuencia de las señales de salida. Se suelen utilizar encoder incrementales. Se puede obtener la velocidad de giro de las articulariones de un robot, calculando la derivada temporal de la posición de las mismas. Este proceso lo debe realizar la unidad de control. TACÓMETROS

Figura 1.61: Esquema de los tacómetros


36



SENSORES TÁCTILES Estos sensores informan sobre la fuerza que se produce al entrar en contacto con la pieza. Los fines de carrera o interruptores de posición son un caso de sensores táctiles binarios, que se utilizan para la detección de presencia / ausencia de una pieza. Están formados por una leva o empujador que al ser actuado abre o cierra el contacto eléctrico del interruptor. Para la elección se debe tener en cuenta:  

El tipo de accionamiento dependerá de la forma, velocidad, dirección, carrera y precisión con que el objeto ha de ser detectado. Para el cuerpo hay que considerar el grado de protección necesario y sus dimensiones.

Colocados en los dedos detectan la presencia de una pieza. Se utilizan para detección de paso o atasco de piezas, conteo, etc.

Figura 1.62: Sensor táctil

Figura 1.63: Varios interruptores y fines de carrera


37



Figura 1.64: Malla de microinterruptores

Figura 1.65: Sensor táctil - malla de galgas extensiométricas


38



SENSORES DE ESFUERZOS

Figura 1.66: Sensores de esfuerzos – galgas de deformaciones

SENSORES DE PROXIMIDAD 



Estos sensores detectan la proximidad de algún objeto sólido en las proximidades (pocos milímetros) es decir en un campo cercano. Su salida es binaria o digital. 0/1. Estos sensores son de tipo:  Inductivo.  Capacitivo.  Neumático.


39



SENSORES INDUCTIVOS

Figura 1.67: Ejemplo de sensores inductivos.

SENSORES CAPACITIVOS


40



Figura 1.68: Sensores capacitivos

SENSORES DE ALCANCE Estos sensores detectan objetos a distancias madias o grandes (centímetros o metros) es decir en un campo lejano. Su salida es analógica. Estos sensores son de tipo:  Ópticos.  Acústicos. SENSORES ÓPTICOS 




41



Figura 1.69: Sensores ópticos


42



Figura 1.70: Funcionamiento de los sensores ópticos

SENSORES LASER

Figura 1.71: Sensores láser

SENSORES ACÚTICOS – SENSORES ULTRASÓNICOS


43


2.


CONTROLADORES

Es el cerebro que además de almacenar información, recibe información de los sensores, la procesa y envía órdenes a los actuadores para que actúen sobre el sistema para que el sistema logre sus objetivos a las condiciones establecidas. 2.1. SISTEMAS DE CONTROL AU TOMÁTICO El objetivo de cualquier estrategia de control es mantener una variable llamada controlada próxima a un valor deseado conocido como punto de ajuste “set- point”. El término regularización es usado para describir la acción de control de agentes de perturbación del estado de equilibrio de la variable controlada. Un sistema de control, solamente puede llegar a la regulación, aplicando en oposición a las fuerzas perturbadoras llamadas cargas, correcciones equivalentes en una o más variables denominada manipuladas. La variable controlada permanecerá estable, en el proceso mientras se encuentre en estado estacionario. Este equilibrio puede ser alcanzado usualmente por distintos sistemas de control. Hay varias clasificaciones dentro de los sistemas de controladores.  Atendiendo a su naturaleza son analógicos, digitales o mixtos.  Atendiendo a su estructura (número de entradas y salidas) puede ser control clásico o control moderno;  Atendiendo a su diseño pueden ser por lógica difusa, redes neuronales, etc. 2.1.1. Sistemas de Control Clásico 2.1.1.1.

Sistemas de Control de Lazo Abierto

Se denominan sistemas de control de lazo abierto cuando la salida no tiene efecto sobre la acción de control, es decir no se compara la salida con la entrada de referencia. Por lo tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. Así, la SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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precisión del sistema depende de la calibración y del operador cuya función será la del controlador. 2.1.1.2. Sistema de Control de Lazo Cerrado

Se denomina sistema de control de lazo cerrado cuando frente a presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida del sistema y el valor deseado o “set point”; realizando el control de forma Figura 2.1: Sistema de control de lazo cerrado.

automática.

2.1.2. Sistemas de Control Moderno 2.1.2.1.

Control Adaptativo

2.1.2.2.

Control Difuso

Es un método en el cual la respuesta de un controlador varía automáticamente basado en los cambios de las condiciones dentro del proceso y puede emplearse en diversas aplicaciones, como en el control del pH. Este control utiliza la lógica difusa a través de conceptos de inteligencia artificial capaz de convertir una muestra de la señal real a números difusos, para tratarlos según las reglas de inferencia y las bases de datos determinados en las unidades de decisión, logrando estabilizar el sistema sin la necesidad de fijar un punto de referencia.

2.1.2.3.

Redes Neuronales Artificiales

Están diseñadas para actuar como lo hace el cerebro humano conectando la red entre los elementos de la forma más sencilla para poder ser entrenados y realizar funciones complejas en diversos campos de aplicación. 2.2.

CONTROLA DORES AUTOMÁTICOS Controlador automático Detector de error

Entrada de referencia

Salida

Amplificador

+

Punto de consigna

-

Actuador

Planta

Señal de error de actuación

Sensor Figura 2.2:

Diagrama de bloques de un sistema de control industrial, formado por un controlador automático, un actuador, una planta y un sensor (elemento de medición).

Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de referencia (el valor deseado), determina la desviación y produce una señal de control que reduce la desviación a cero o a un valor pequeño. La manera en la cual el controlador automático produce la señal de control se denomina acción de control . La figura 2.2 es un diagrama de bloques de un sistema de control industrial que consiste en un controlador automático, un actuador, una planta y un sensor (elemento de medición). El controlador detecta la señal de error, que por lo general, está en un nivel de potencia muy bajo, y la amplifica a un nivel lo suficientemente alto. La salida de un controlador de un controlador automático se alimenta a un actuador, como un motor o una válvula neumáticos, un motor hidráulico o un motor eléctrico. (El actuador es un dispositivo de potencia que produce la entrada para la planta de acuerdo con la señal de control, a fin de que la señal de salida se aproxime a la señal de entrada de referencia.) SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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El sensor, o elemento de medición, es un dispositivo que convierte la variable de salida en otra variable manejable, como un desplazamiento, una presión o voltaje, que pueda usarse para comparar la salida con la señal de entrada de referencia. Este elemento está en la trayectoria de realimentación del sistema en lazo cerrado. El punto de ajuste del controlador debe convertirse en una entrada de referencia con las mismas unidades que la señal de realimentación del sensor o del elemento de medición. 2.3. CLA SIFICA CIÓN DE LO S CONTROL A DORES INDUSTRIALES Los controladores industriales analógicos, pueden clasificarse de la siguiente manera:  De dos posiciones, intermitentes o controladores on-off (encendido – apagado)  Proporcional  Integral  Derivativo  Proporcional-integral  Proporcional-derivativo  Proporcional-integral-derivativo (PID) La mayoría de los controladores industriales emplean como fuente de energía la electricidad o un fluido presurizado, como el aceite o el aire. Los controladores también pueden clasificarse, según el tipo de energía que utilizan en su operación, como neumáticos, hidráulicos o electrónicos. El tipo de controlador que se use debe decidirse basándose en la naturaleza de la planta y las condiciones de operación, incluyendo consideraciones tales como seguridad, costo, disponibilidad, fiabilidad, precisión, peso y tamaño. 2.3.1. CONTROL DE DOS POSICIONES En un sistema de control de dos posiciones, el actuador tiene solo dos posiciones fijas, que, en muchos casos son, simplemente conectado y desconectado. El controlador de dos posiciones, o de encendido – apagado es relativamente simple y económico, y por esta razón es ampliamente utilizado. La salida del controlador on – off permanece en un valor máximo o mínimo, según sea la señal de error positiva o negativa, de manera que:

 {  

Donde U 1 y U 2 son constantes. Esto significa por ejemplo que si la variable controlada está por encima del valor deseado, U (t ) cae a su valor mínimo, usualmente 0, y si está debajo, va a su máximo. El rango en el que la señal de error debe variar antes que se produzca la conmutación, se denomina brecha diferencial o zona muerta. Tal brecha diferencial hace que la salida del controlador U (t ) mantenga su valor hasta que la señal de error haya rebasado ligeramente el valor cero. Controlador automático

(a) Figura 2.3:

(b)

(a) Diagrama de bloques de un controlador de encendido y apagado; (b) diagrama de bloques de un controlador de encendido y apagado con una brecha diferencial.


46



2.3.2. CONTROL PROPORCIONAL Para un controlador de acción de control proporcional, la relación entre la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t), es:

        

y su función de transferencia es igual a una constante:

Donde K p se denomina ganancia proporcional. Cuando K p es muy grande, el tiempo de subida es más corto, pero al mismo tiempo se puede obtener una salida con un sobrepico muy grande que puede llegar a desestabilizar el sistema. Por otro lado, si el valor de K p es muy pequeño, el tiempo de subida será muy grande con lo cual se puede llegar a incumplir con los parámetros establecidos de diseño. En otras palabras, el objetivo del control proporcional es encontrar un valor de K p que permita cumplir con el tiempo de subida requerido. El controlador proporcional es esencialmente un amplificador con ganancia ajustable. Dado que no agrega polos ni ceros a la función de transferencia de lazo abierto, no puede utilizarse en plantas con un alto grado de inestabilidad ya que puede variar el comportamiento del sistema subiendo o bajando la curva de magnitud del diagrama de Bode. Es decir, este tipo de control por sí solo posee un desempeño limitado. EJEMPLO:

Si



,

La salida en lazo cerrado y con perturbaciones será:

        

2.3.3. CONTROL INTEGRAL En un controlador con acción de control integral, el valor de la salida del controlador u(t) varía en razón proporcional a la señal de error e(t). Es decir:

       ∫          

Donde K ¡ es una constante ajustable. La función de transferencia del controlador integral es:

Este tipo de control permite disminuir el error en estado estacionario mediante el empleo de una constante K ¡, la cual es multiplicada por el valor del error. SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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EJEMPLO:

Si

  

,


            

2.3.4. CONTROL DERIVATIVO

Este tipo de control da como resultado una función matemática impropia, pro lo que físicamente no es recomendable emplearlo sin la combinación con los otros tipos de controles ya mencionados.

            

La función de transferencia del controlador derivativo es:

2.3.5. CONTROL PROPORCIONAL / INTEGRAL Este tipo de control permite obtener un tiempo de subida adecuado y un mínimo error al mismo tiempo. La acción de un controlador proporcional/integral queda definida por la siguiente ecuación:

       ∫                

La función de transferencia del controlador es:

Donde Kp es la ganancia proporcional y Ti se denomina tiempo integral. El tiempo integral regula la acción de control integral, mientras que una modificación en Kp afecta tanto a la parte integral como a la proporcional de la acción de control. El recíproco del tiempo integral Ti recibe el nombre de frecuencia de reposición, que es la cantidad de veces por minuto en que se repite la acción proporcional. Este tipo de control no tiene la capacidad de eliminar o reducir los sobrepicos. SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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  

EJEMPLO:

Si


                       ,


2.3.6. CONTROL PROPORCIONAL / DERIVATIVO Mediante este control se logran obtener tiempos de subida adecuados y se pueden disminuir los sobrepicos. La acción de control proporcional-derivativo se define por la siguiente ecuación:

                    

Y la función de transferencia es:

Donde Kp es la ganancia proporcional y Td es una constante denominada tiempo derivativo, que es el intervalo de tiempo en el que la acción derivativa se adelanta al efecto de la acción proporcional.

 ( )

La acción derivativa tiene una ventaja al anticiparse al error, pero sus desventajas son que amplifica las señales de ruido y puede producir un efecto de saturación en el actuador. Mejora el amortiguamiento y los márgenes de estabilidad.

EJEMPLO:

                               

Si , La salida en lazo cerrado y con perturbaciones será:

Es importante aclarar que el control ideal será el que permita obtener en la señal de salida: sobrepicos pequeños, un error pequeño y el tiempo de subida adecuado o requerido. SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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2.3.7. CONTROL PROPORCIONAL / INTEGRAL / DERIVATIVO (PID) Esta acción combina las ventajas de los tres modos de control. Brinda una respuesta rápida, sin error permanente y sin un gran sobrepico, para lo cual es necesario sintonizar los valores adecuados de las constantes: , , o , ,

     

Existen muchos tipos de controladores PID, se mencionan tres principales: 

PID ideal

Su ecuación es:

       ∫                              

Donde K p es la ganancia proporcional, T i es el tiempo integral, y T d es el tiempo derivativo. Su función de transferencia es como sigue:

Se le denomina ideal debido a que esta es una función de transferencia impropia, y por ello no es posible sintetizarla con elementos pasivos. EJEMPLO:

Si

    

,


                       



PID paralelo

La diferencia de este tipo de PID con respecto al ideal es que las ganancias de los distintos modos son independientes. Este tipo de control generalmente se emplea para controlar máquinas, procesos industriales y sistemas en general, principalmente cuando los controladores son electrónicos. Su expresión matemática es:



PID serie



       ∫    

Este tipo de controlador PID se caracteriza por tener dos etapas en cascada, una de tipo PD y otra de tipo PI, ambas con una ganancia común Kc’: SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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2.4.


    *   ∫  +[    ]  [ ]  

CONTROL A DOR LÓGICO PROGRA MA BL E (PLC) Los PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) o Controlador de lógica programable, son dispositivos electrónicos muy usados en Automatización Industrial. Es un hardware industrial, que se utiliza para la obtención de datos. Una vez obtenidos, los pasa a través de bus (por ejemplo por ethernet) en un servidor. Su historia se remonta a finales de la década de 1960 cuando la industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los Figura 2.4: PLC Siemens para control sistemas de lógica combinacional. de procesos industriales. El Controlador Lógico Programable (PLC) es un dispositivo electrónico con una memoria programable para almacenar instrucciones e implementar funciones específicas, consta de un procesador de 4 elementos principales: 1. Unidad central de procesamiento (CPU) 2. Memoria 3. Suministro de energía 4. Interfase de entrada y salida (I/O)

Figura 2.5: Partes básicas de un Controlador Lógico Programable (cortesía TOSHIBA)

Un controlador lógico programable es una computadora cuyo hardware y software ha sido diseñado, fabricado y adaptado para la optimización del control de procesos industriales. El PLC como toda computadora está basado en una Unidad Central de Procesamiento. Este aparato utiliza un modulo de memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones empleadas para implementar funciones especificas tales como operaciones lógicas, aritméticas, temporizaciones, secuencias, conteo y control de procesos a través de módulos de entrada y salida tipo digital o analógico. Algunas características típicas son: SENSORES Y CONTROLADORES OÑA ANAGUANO SIXTO GERARDO

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Permite controlar procesos en el campo (Planta). Contiene funciones pre-programadas como parte de su lenguaje (lista de instrucciones, escalera o “ladder”, lenguaje literal o bloques de función).

    

Permite el acceso a la memoria de entradas y salidas (I/O). Permite la verificación y diagnóstico de errores. Puede ser supervisado. Empaquetado apropiado para ambientes industriales. Utilizable en una amplia variedad de necesidades de control.

2.4.1. Programación Los primeros PLC, en la primera mitad de los 80, eran programados usando sistemas de programación propietarios o terminales de programación especializados, que a menudo tenían teclas de funciones dedicadas que representaban los elementos lógicos de los programas de PLC. Los programas eran guardados en cintas. Más recientemente, los programas PLC son escritos en aplicaciones especiales en un ordenador, y luego son descargados directamente mediante un cable o una red al PLC. Los PLC viejos usan una memoria no volátil (magnetic core memory) pero ahora los programas son guardados en una RAM con batería propia o en otros sistemas de memoria no volátil como las memoria flash. Los primeros PLC fueron diseñados para ser usados por electricistas que podían aprender a programar los PLC en el trabajo. Estos PLC eran programados con “lógica de escalera” ("ladder logic"). Los PLC modernos pueden ser programados de muchas formas, desde la lógica de escalera hasta lenguajes de programación tradicionales como el BASIC o C. Otro método es usar la Lógica de Estados (State Logic), un lenguaje de programación de alto nivel diseñado para programas PLC basándose en los diagramas de transición de estados. Recientemente, el estándar internacional IEC 61131-3 se está volviendo muy popular. IEC 61131-3 define cinco lenguajes de programación para los sistemas de control programables: FBD (Function block diagram), LD (Ladder diagram), ST (Structured text, similar al Lenguaje de programación Pascal), IL (Instruction list) y SFC (Sequential function chart). Mientras que los conceptos fundamentales de la programación del PLC son comunes a todos los fabricantes, las diferencias en el direccionamiento E/S, la organización de la memoria y el conjunto de instrucciones hace que los programas de los PLC nunca se puedan usar entre diversos fabricantes. Incluso dentro de la misma línea de productos de un solo fabricante, diversos modelos pueden no ser directamente compatibles. La estructura básica de cualquier autómata programable es: Fuente de alimentación : convierte la tensión de la red, 110 ó 220V ac a baja tensión de cc (24V por ejemplo) que es la que se utiliza como tensión de trabajo en los circuitos electrónicos que forma el autómata. CPU: la Unidad Central de Procesos es el auténtico cerebro del sistema. Es el encargado de recibir órdenes del operario a través de la consola de programación y el módulo de entradas. Después las procesa para enviar respuestas al módulo de salidas. Módulo de entradas : aquí se unen eléctricamente los captadores (interruptores, finales de carrera...). La información que recibe la envía al CPU para ser procesada según la programación. Hay 2 tipos de captadores conectables al módulo de entradas: los pasivos y los activos. Módulo de salida : es el encargado de activar y desactivar los actuadores (bobinas de contactores, motores pequeños...). La información enviada por las entradas a la CPU, cuando está procesada se envía al módulo de salidas para que estas sean activadas (también los actuadores que están conectados a ellas). Hay 3 módulos de salidas según el proceso a controlar por el autómata: relés, triac y transistores.


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Terminal de programación : la terminal o consola de programación es el que permite comunicar al operario con el sistema. Sus funciones son la transferéncia y modificación de programas, la verificación de la programación y la información del funcionamiento de los procesos. Periféricos: ellos no intervienen directamente en el funcionamiento del autómata pero si que facilitan la labor del operario. 2.4.2. Comunicaciones Las formas como los PLC intercambian datos con otros dispositivos son muy variadas. Típicamente un PLC puede tener integrado puertos de comunicaciones seriales que pueden cumplir con distintos estándares de acuerdo al fabricante. Estos puertos pueden ser de los siguientes tipos: RS-232  RS-422  Ethernet RS-485 Sobre estos tipos de puertos de hardware las comunicaciones se establecen utilizando algún tipo de protocolo o lenguaje de comunicaciones. En esencia un protocolo de comunicaciones define la manera como los datos son empaquetados para su transmisión y como son codificados. De estos protocolos los más conocidos son:  

 Devicenet Modbus  Controlnet Bus CAN  Ethernet I/P Profibus Muchos fabricantes además ofrecen distintas maneras de comunicar sus PLC con el mundo exterior mediante esquemas de hardware y software protegidos por patentes y leyes de derecho de autor.   

2.4.3. Ejemplos de aplicaciones generales  Maniobra de máquinas  Maquinaria industrial de plástico  Máquinas transfer  Maquinaria de embalajes  Maniobra de instalaciones: o Instalación de aire acondicionado, calefacción... o Instalaciones de seguridad  Señalización y control: o Chequeo de programas o Señalización del estado de procesos Máquinas de ensamble automotriz o

3.

SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO (DCS)

Un Sistema de Control Distribuido (en inglés: Distributed Control System) más conocido por sus siglas en inglés DCS, es un sistema de control por lo general un sistema de fabricación, proceso o cualquier tipo de sistema dinámico, en el que los elementos del tratamiento no son centrales en la localización (como el cerebro), sino que se distribuyen en todo el sistema con cada componente sub-sistema controlado por uno o más controladores. Todo el sistema de los controladores está conectada por redes de comunicación y de monitoreo. DCS es un término muy amplio que se utiliza en una variedad de industrias, para vigilar y controlar los equipos distribuidos.    

Redes de energía eléctrica y plantas de generación eléctrica Sistemas de control ambiental Señales de tránsito Sistemas de gestión del agua


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Deber 4.- Monografía. Sensores y Controladores

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